스크랩 태양광 발전현황 - 4

[오행수]

다음글은 http://cafe.daum.net/hidco-p/7sny/200에서 발췌한 글입니다.

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가. 업계의 현황

1) 태양광발전의 개요

태양광발전산업에 대한 개략적인 정의는 신재생에너지개발 및 이용보급촉진법 제2조에서 규정하고 있는바, 동 법령에서는 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 에너지로서 신에너지(3개 분야)와 재생에너지(8개 분야), 도합 11개 분야를 신재생에너지로 규정하고 있습니다. 그 중 재생에너지 부분에 태양열, 바이오, 풍력, 소수력, 지열, 해양, 폐기물 에너지와 함께 태양광 에너지가 속해 있으며 이러한 태양광에너지를 이용하여 전기로 변환하는 산업을 일반적으로 태양광발전산업이라 부르고 있습니다.

그림: 에너지원별 이론적 부존량 및 발전가능전력량

자료 : 산업자원부 신재생에너지 백서 2005

태양광 기술은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 시스템 기술입니다. 태양광 발전시스템은 태양 에너지를 전기에너지로 전환하는 과정에서 변환 과정에 기계적, 화학적 작용이 없으므로 시스템의 구조가 단순하여 유지 보수가 거의 요구되지 않고 수명이 길며 안전하고 환경 친화적인 장점을 가지고 있습니다. 또한 발전 규모를 주택용에서부터 대규모 발전용까지 다양하게 할 수 있습니다. 이러한 장점들 때문에 태양광 산업은 지난 6년간 연평균 30% 이상 성장하였으며 특히 최근 2~3년간은 약 40% 이상의 성장률을 보이고 있습니다.

그림: 전 세계 태양전지 모듈 생산량 추이

자료 : PV News

태양광 시장의 개황을 살펴보면, 현재 세계 태양광 시장의 90% 이상을 웨이퍼 형태의 결정질 실리콘 태양전지가 차지하고 있으며 이에 대한 효율 향상 및 가격 저감을 위한 연구개발이 활발하게 전개되고 있는 실정입니다. 이 중, 다결정 실리콘 태양전지가 전체 시장의 약 50%를 차지하고 단결정 실리콘 태양전지는 약 40%를 차지하고 있으며, 이러한 결정질 태양전지의 셀 생산 단가를 낮추기 위한 방법으로서 실리콘 웨이퍼를 박형화(두께 약 200㎛ 이하)하는 추세이며 한편으로는 유리 기판을 사용하는 “박막 태양전지” 기술(막 두께 1㎛ 이하)이 개발되어 시장에 진입하고 있습니다. 태양광 기술의 진보에 따라 시스템의 성능이 향상되고 발전단가가 낮아지면 태양광 시스템의 보급이 더욱 확대될 것으로 예상 됩니다.

그림: 태양전지 웨이퍼의 두께 변화 추이

자료 : Q-Cells

1997년 교토협약 이후 화력에너지의 대안으로 태양광발전이 가장 유망한 기술로 세계에서 각광받게 된 이유를 살펴보면, 태양광발전은 무소음, 무공해 에너지를 반영구적으로 생산할 수 있고 수W(와트)에서 수백 MW(메가와트)급의 전력을 일정한 효율로 발전할 수 있으며 또한 20년 이상, 성능저하 없는 유지가 가능하기 때문으로 풀이됩니다. 여타의 신재생에너지도 그 청정성은 인정받고 있으나, 이론적 부존량(賦存量)이나 발전가능 전력량을 비교해볼 때 태양광발전산업은 생존의 존폐에 내몰린 지구가 선택할 수 있는 최적의 에너지산업이라 할 수 있겠습니다. 아직은 가격대비 전력변환효율이 화석에너지와는 거리가 있으나 세계가 태양광 발전 등 신재생에너지에 눈을 돌린 지금, 그 효율의 추월은 그리 먼 얘기가 아님을 예상할 수 있습니다.

그림: 전통(화석)에너지와 신재생에너지으 경쟁력 변화추이

자료 : 에너지경제연구원, 태양광발전 시스템의 경제성 분석 2006.

해외 선두 기업들은 기업 간 인수합병 또는 생산시설 확대를 경쟁적으로 추진하여 규모의 경제를 확보하고 있는 추세입니다. 국내의 기술 수준은 1988년 이후 꾸준한 연구개발에도 불구하고 선진국 대비 70% 선에 그치는 것으로 평가되고 있습니다. [2005. 신재생 에너지 백서-산업자원부]
태양광 분야는 반도체 및 디스플레이 기술과 공통점이 많으므로 우리나라의 경우 단시간에 기술 경쟁력을 갖출 잠재력이 큰 분야라고 할 수 있습니다. 즉, 반도체 기술에서 잉곳과 웨이퍼를 성장시키는 기술은 결정질 태양전지를 생산하는 공정과 유사하며, 디스플레이 기술은 비정질 실리콘 태양전지를 제작하는 CVD 공법과 많은 유사성을 가집니다.

그림: 결정질 태양전지 제조공정

그림: 비정질 태양전지 제조공정

자료 : 한국에너지기술원

따라서 국내 연관 산업의 인적, 물적 인프라를 활용하여 전략적으로 접근하면 단기간에 차세대 수출산업으로 성장할 가능성이 높은 분야로 평가받고 있습니다.

2) 태양광발전의 원리 및 구성요소

(가) 태양광발전의 원리

그림: 1단계

그림: 2단계

그림: 3단계

태양전지 발전의 원리

자료 : 에너지 관리공단 신재생에너지센터

태양광발전이란 태양빛을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생하는 태양전지(반도체)의 특성을 활용하여 전기를 생산해 내는 발전 체제를 말합니다. 태양전지는 위의 그림에서와 같이 pn접합으로 이루어진 구조에 태양광이 입사되면 전자, 정공 쌍이 형성되고 p-n접합부에 생기는 전계에 이끌려 전자는 n층으로 정공은 p층으로 유발되어 p-n간에 기전력이 발생하고 이 때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 동작원리입니다.
태양광발전은 태양으로부터의 빛에너지를 직접 전기에너지로 바꾸어주는 발전방식입니다. 태양전지는 반도체 물질로 이루어져 있어서 태양빛이 태양전지 내에 흡수되면 태양전지 내부에서 전자 (electron)와 정공(hole)의 쌍(e-h pair)이 생성됩니다. 생성된 전자-정공 쌍은 pn접합에서 발생한 전기장에 의해 전자는 n형 반도체로 이동하고 정공은 p형 반도체로 이동해서 각각의 표면에 있는 전극에서 수집됩니다. 각각의 전극에서 수집된 전하(charge)는 외부 회로에 부하가 연결된 경우, 부하에 흐르는 전류로서 부하를 동작시키는 에너지의 원천이 됩니다.

(나)태양광발전의 구성요소

태양광발전은 그림과 같이 크게 독립형 시스템(Stand-alone systems)과 계통연계형 시스템(Grid-connected systems)으로 구분이 되며, 각각의 시스템에 대하여 구성요소가 달라집니다.

그림: 태양광 발전시스템의 종류

자료 : 에너지 관리공단 신재생에너지센터

기본적으로, 태양광발전 시스템은 햇빛을 받아 직류전기를 생성하는 태양전지 모듈과 태양전지 모듈에서 발생된 직류전기를 수용 처에서 필요한 교류로 바꿔주는 인버터 및 계통전원 또는 별도 내연기관 등으로 구성되어있는 보조 전원으로 구성되어 있으며, 발전시스템의 종류에 따라 구성요소가 달라집니다.
독립형은 생산된 전기를 전선 망에 연결하지 않고 생산된 장소에서 사용하는 것을 말하며 계통연계형은 전선을 통해 전기를 받아들이거나 내보낼 수 있는 형태를 말합니다. 전기를 발전 장소에 국한하여 소비하는 독립형은 태양광이 존재하는 낮에만 발전할 수 있기 때문에 야간 전력 수급을 위해 주변장치로서 축전지가 필요하게 되며, 계통연계형은 낮에 초과 발전된 양을 계통으로 보내고 태양광발전이 불가능한 야간에는 계통으로부터 다시 전기를 받아들이는 형태로 이루어지게 됩니다.

그림: 태양광 발전시스템의 종류에 따른 구성요소

자료 : 에스에너지 기술연구소

각 시스템 별로 구성요소를 살펴보면 우선 계통연계형의 경우에는 상기 그림에서와 같이, 태양전지 모듈과 접속함 및 인버터로 구성되어 있으며, 인버터에서 수용가와 기존 전력계통사이의 부하 량을 계산하여 부하가 부족할 경우에는 태양전지에서 생산된 전기를 우선적으로 사용하고, 기존 전력계통에서 부족분만큼을 병입하여 부하를 분담하게 되며, 반대로 부하 량이 전기 생산량보다 적을 경우에는 잉여 되는 전력만큼을 기존 계통선 으로 흘려보내주는 상계거래 방식의 전기 에너지 출입이 일어나게 됩니다.
상기 그림의 독립형 시스템은 기존의 전력계통이 인입되지 않은 도서지방, 산간벽지 또는 기타 목적에 의해 축전과 방전이 가능하도록 설계된 시스템입니다. 독립형 시스템은 계통연계형 시스템에서 사용되는 태양전지 모듈, 접속함 및 인버터 이외에도, 태양광 시스템에서 발생된 변동이 심한 전기를 일정한 품질조건으로 만들어주는 전력조절기와 축전지에 충전할 수 있도록 제어해 주는 축전지 충전기 및 발전량의 절대치가 부족할 경우 보조로 가동할 수 있는 비상(보조)발전기 등으로 구성되어있습니다.

3) 산업의 연혁 및 성장과정

태양광 발전은 1954년 미국 Bell Lab에서 단결정 실리콘 태양전지를 개발하여 1958년 인공위성 Vanguard에 응용한 것이 시초로 미국, 일본, 유럽에서 꾸준히 연구 개발하였으며 1990년에 상용화가 시작되면서 그 성장속도는 급격히 상승하고 있습니다. 태양광발전산업은 2001년에 최초로 GW규모의 누적설비용량을 기록하였으며, 5년 뒤인 2005년에는 다시 세 배 이상 확대되어 약 3.7GW를 상회하게 되었습니다.

그림: 연도별 태양광 발전시스템의 누적치

자료 : IEA Photovoltaic Power Systems. 2006

태양전지 모듈의 생산 능력도 크게 발전되어 2001년도에는 연간 약 500MW 생산규모였으나 4년 뒤인 2005년도에는 연산규모가 2,500MW를 상회하였습니다. 세계 주요 PV제조업체들의 생산계획에 따르면 2006~2008년도에는 연산 수백MW에 이를 것으로 전망되고 있습니다.

그림: 연도별 태양광 모듈 생산능력

자료 : IEA Photovoltaic Power Systems' 2006

세계 3대 제조업체로서 Sharp, Kyocera, BP Solar 이외에도, 중국과 기타 개도국의 PV제조업체들도 시장에 진입하고 있으며, 특히 중국의 PV 모듈 생산능력이 2004년에 50MW에서 100MW로 배증하였고 태양전지시스템 설치량도 70MW규모로 확대되었으며, 2005년에는 연간생산능력이 두 배인 200MW 규모로 확대 될 전망입니다. 인도에는 8개 전지제조사와 14개의 모듈제조사가 활동 중이며, 특히 인도의 최대 PV제조사인 Tata BP Solar는 생산능력을 2001년 8MW에서 2004년 38MW로 약 5배 가까이 확대하였습니다. 기타, 방글라데시, 말레이시아 및 스리랑카 등 동남아시아 권의 국가들도 PV제조 산업 육성에 앞장서고 있는 실정입니다.

개도국 태양광발전 현황
국가	현재 태양광 발전 시스템 설치량	설치 계획
중국	70 MW	- 2010년 까지 10,000가구에 걸쳐 265MW
		- 2020년 까지 18,000가구에 걸쳐 1700MW
인도	80~90 MW	- 2023년 까지 5,000 MW 설치 계획
방글라데시	3~4 MW
말레이시아	3 MW
스리랑카	3.9 MW

자료 : IEA Photovoltaic Power Systems. 2006

태양광 발전 분야는 에너지, 환경, 경제 문제를 동시에 해결할 수 있는 유력한 대안으로서, 시스템의 경쟁력 확보를 위하여 태양전지의 고효율 화와 태양광모듈의 대형화에 의한 저가화 그리고 이러한 성능개선 연구에 더불어 여러 분야에 응용할 수 있도록 기술의 실용화상품화에 초점을 두고 태양광발전 산업계가 노력한 결과 머지않아 기존에너지(화석, 원자력)와 가격경쟁도 가능할 것으로 업계는 내다보고 있습니다.

그림: Projected cost reductions for Solar PV

자료 : IEA Annual Report. 2006

세계 총발전량은 1990년 46.5MW에서 2000년에는 288MW, 2004년에는 770MW이고, 태양전지 생산량은 2005년에는 181.7MW로 21세기 들어서면서 태양광 발전 산업은 각국의 차세대 전략산업으로 급부상하고 있습니다. ['태양광 발전에 관한 기술동향분석',1면:2006, 10 과학기술부 발행]
우리나라의 경우에도, 이자비용에 대한 고려 없이 현재 일반 가정에서 태양광 발전 시스템을 도입하여 설치비용을 10년 내 회수할 수 있는 전력량은 월 500kW 수준으로 판단됩니다. 한편, kW당 설치단가는 03년 1,500만원에서 06년 940만원, 07년 920만원으로 지속적으로 하락하는 추세여서 실제로 태양광 발전이 경제적으로 매력적이게 되는 전기사용량 수준은 그보다 더 낮은 수준이 될 가능성이 높으므로, 충분한 경쟁력이 갖추어 질 수 있다고 판단됩니다.

그림: 국내 태양광 발전시스템 보급계획

자료 : 에너지관리공단 신재생에너지센터. 2007

국내시장의 연간 수요는 2003년 2.7MW, 2005년에는 12 MW, 2006년 21MW, 2007년 50 MW, 2010년 예상수요는 230 MW로서 2003년 이후 연간 50% 이상의 가파른 상승곡선을 보이고 있습니다. 이는 태양광산업에 대한 관심고조와 국가의 시장형성 정책에 크게 힘입은바, 국내의 태양전지 연구개발실적은 전문 업체의 미비와 가격, 기술의 한계로 아직 좋은 성과를 내지 못하고 있음에도 태양광모듈제조와 시스템사업 분야에서의 기술력 신장이 그 원동력이 되었다고 하겠습니다.

4) 태양광 산업의 특성

(가) 태양광산업의 특성 - 다양한 응용제품

태양광산업의 응용분야는 일일이 나열하기 힘들만큼 폭넓은 응용제품을 가지고 있습니다. 야외용 전기사용제품은 거의 모든 제품이 태양광발전기술을 사용할 수 있습니다. 거리의 전광판이나 가로등, 등대를 비롯해 야외용 무선카메라와 휴대폰의 충전기술에 응용되고 있으며 Hybrid car 와 보트의 동력으로 태양광발전기술이 응용되고 있으며 건축물의 창이나 외벽과 일체화된 태양광모듈이 개발되어 이미 상용화 되어있는 수준입니다.
또한, 산업초기에서부터 적용돼 온, 비정질 아몰퍼스 실리콘 계통의 태양전지는 실내의 형광등 조명에서도 반응하기 때문에 실내에서 사용하는 전자제품, 이를테면 전자계산기, 손목시계, 탁상용 알람 및 어린이용 완구 등에 이르기 까지 그 응용제품의 예는 이루 헤아릴 수 없을 정도입니다. 특히 유비쿼터스 기술개발의 속도를 쫓지 못하는 충전지 기술수준을 바라볼 때, 태양광 발전기술의 응용은 다가오는 첨단시대의 새로운 대안이 될 수 있을 것으로 보입니다.

(나) 태양광 산업의 특성 - 종합산업

태양광산업은 고부가가치 종합산업으로서 다양한 연관 산업으로 이루어져 있습니다. 태양전지와 관련하여 주원료인 실리콘과 반도체산업 기술을 핵심으로 하는 화학 산업과 이러한 원자재를 이용하여 태양전지를 제조하는 정밀기기 및 반도체 산업, 태양광모듈의 제조와 관련된 EVA, Back sheet의 주재료인 PVF나 폴리에스텔 아크릴 등의 화학 산업과 제조기기, 자동화기기 등 기계장치산업이 뒷받침 되어야 하며, 전력변환과 수송을 수반하므로 전기전자 산업과도 밀접한 관련을 가지고 있습니다. 또한 태양광모듈의 설치는 주택에서는 기존건물의 부합이나 신축건물의 건자재 일부로서도 사용되어 건축 산업과 유기적 발전이 요구되며 발전소에서는 대형 토목산업과 불가분의 관계에 있고, 웹 모니터링 서비스는 정보통신 산업과 연계해서만 가능한 서비스라 하겠습니다.

그림: 태양광 발전시스템 기반기술과 연관기술

자료 : 에너지관리공단 신재생에너지센터

(다) 태양광산업의 특성 - 정부 주도형 산업

태양광 산업이 정부 주도형 산업으로 진행되고 있는 주요 원인은 높은 발전단가에 있습니다. 태양광 발전 시 전력 발전원가는 kWh당 25~40센트로 화력, 원자력 등을 이용한 기존의 발전 방법대비 발전원가가 3~10배에 달하며, 일반 가정용 전력가격에 대비해서는 아직도 경쟁력 부분에서 차이를 보이고 있습니다.
석유, 석탄, 원자력 등 기존 전력 Source 뿐 아니라 다른 신재생에너지별 발전단가 중에서도 태양에너지의 발전원가는 가장 높은 수준에 있습니다. 이는 태양에너지의 특징에서 그 원인을 찾을 수 있는데, 기본적으로 태양에너지는 에너지의 밀도가 낮아 넓은 공간이 필요할 뿐 아니라 폴리실리콘, 웨이퍼 등 고가의 원재료가 모듈 비용의 50% 이상을 차지하고 있기 때문입니다.
신재생에너지 종류별 투자비와 발전비용을 살펴보면 1kW 생산에 필요한 투자비는 태양광 발전이 4,500~7,000달러, kW당 발전원가는 18~80센트까지 요구되어, 신재생에너지 중에서 가장 높은 수준입니다.

신재생 에너지원 별 투자비 및 발전단가 (단위 : 미 센트/ kWh)
에너지원	투자비($/kW)	발전단가(최저)	발전단가(최고)	발전단가(2010)
소수력	1,000~5000	2~3	9~15	2
태양광발전	4,500~7,000	18~20	25~80	10~15
바이오	500~4,000	2~3	10~15	2
지열	1,200~5,000	2~5	6~12	2~3
풍력	850~1,700	3~5	10~12	2~4

자료 : World Energy Investment Outlook 2005, IEA

따라서 향후 태양광 발전이 경쟁력 있는 신재생에너지로써 대중화되기 위한 핵심 변수는, 정부 및 지방자치단체 차원에서의 지원 정책이라고 할 수 있습니다. 태양광 발전의 발전원가는 현재 수준에서 가격경쟁력이 떨어지지만, 소비자의 선택에 중요한 것은 발전원가가 아닌 소매가격이므로, 신재생에너지 지원 정책으로 정부에서 적극적인 보조금을 지급하거나 발전된 전기를 고가에 매입해줄 경우 경쟁력 있는 가격대가 형성될 수 있게 됩니다.
실제로 현재 세계시장의 70% 이상을 차지하고 있는 독일, 일본 등 선진시장은 정부 차원에서 초기에 높은 수준의 보조금을 지급하여 태양광이 일반 소매전력보다 경제적인 구조를 만들었으며, 이를 통하여 태양광 산업의 자생력이 키워진 이후에는 정부지원 부분을 줄이거나 폐지하여도 산업 자체의 발전 속도는 떨어지지 않는 결과를 보여 왔습니다.

국가별 지원제도와 05년 세계시장 점유율
국가	지원정책	내 용	05년 세계시장점유율
독일	전력구매제도	- 00년부터 구매제도를 실시 - 04년에는 76엔/kW로 구입가를 인상함 - 통상 전력요금의 3배로 구매기간은 20년	57%
유럽	전력구매제도 구입시 보조금 지급	- 프랑스 21엔, 스페인 56엔, - 이탈리아 63엔, 포르투갈 58엔	6%
미국	보조금 지급	- 캘리포니아 주는 태양전지 구입 시 kW당 35,000엔을 지급 - 가정용의 경우 3~4kW급을 사용하므로 105,000~140,000엔을 지원 (15엔/kW로 전력을 구매)	10%
일본	보조금 지급 전력구매	- 05년도에 폐지 - 23엔/kW	20%

자료 : 한국 과학기술정보 연구원, Solarbuzz. 2006

태양광 산업을 정부 주도형 산업으로 적극 육성하고 있는 예는 독일과 일본에서 찾아볼 수 있습니다. 독일의 경우, 태양광 산업의 확산을 위하여, 91년~95년, 99년~03년에 각각 태양광 지붕주택 1,000호, 100,000호 보급 프로그램을 진행하였습니다. 초기 태양광 주택의 보급을 위해 설치비용에 대해 시중 금리보다 낮은 이자를 적용하는 이자율 혜택과 생산된 전력을 정해진 가격으로 매입하여 발전가격과 소매가격의 차이를 보전해 주는 고정가격 구매제도를 병행하였습니다. 고정구매 가격과 이자율 혜택은 보급 초기에 적극적으로 지급되고 이후 추세적으로 완만히 하락하는 경향을 보이고 있지만 태양광 산업에 의한 전력량은 꾸준히 상승하는 모습을 보이고 있습니다. 이러한 국가적인 차원에서의 적극적인 지원 프로그램에 힘입어 독일은 04년부터 세계 태양전지 시장 1위 국가로 발돋움하였습니다. 독일 태양전지 시장은 06년 기준 전년대비 15% 성장한 960MWp 수준으로 세계 태양전지 시장의 55%를 차지하고 있습니다. 독일 태양광 협회에 따르면 태양광 발전 시스템 관련해서 약 100억 유로가 투자되었고 10억 유로 이상이 실리콘 등 원재료와 태양전지 제작에 투자되었습니다. 이에 따른 고용창출효과는 약 30,000명으로 추산되고 있습니다.
일본의 경우에도 정부 차원에서 신재생에너지 관련 예산 중 약 70%를 태양광 발전에 집중 투입하고 있습니다. 일본의 지원 정책으로는 신재생에너지 할당제와 보조금 지원제도 등이 있습니다. 신재생에너지 의무할당제는 에너지 사업자가 판매 전력량의 일정 비율을 신에너지로 발전되는 전기로 채우도록 의무화하는 제도이며, 일본의 에너지 사업자는 2010년까지 의무비율 1.35%를 단계적으로 확대해 나가도록 규정되어 있습니다. 일본의 설치 보조금 등 정부 및 지자체 지원정책의 수위는 계속 하락하고 있으며, 05년부터 중앙정부 보조금은 폐지되었지만 주택용 태양광 시스템 수는 매년 6~7만 가구씩 증가하고 있는 실정입니다. 일본 태양전지 시장이 빠르게 성장하고 자생력을 갖출 수 있었던 배경은 주택용 전기요금 수준이 한국 등에 비해 3배 이상 높아 태양광발전의 가격경쟁력이 높았던 부분과 반도체, LCD 등 인프라를 가진 일본 업체가 세계 태양전지 생산을 주도하여 태양광 모듈의 확보가 보장되었다는 점, 그리고 건축업체, 금융기관 및 일반 소비자 사이에 환경 문제에 대한 인식이 확산되었다는 점 등을 들 수 있습니다.

그림: 일본의 태양광시스템 설치호수와 보조금지원 현황

자료 : New Energy Foundation (NEF). 2006

우리나라의 태양광 산업의 규모는 03년 5,981kWh에서 04년 8,534kWh, 05년 13,524kWh로 성장속도는 빠르지만 아직까지 세계시장 대비 미미한 수준입니다. 우리정부의 지원 정책은 태양광주택 보급사업, 설치비 보조, 장기저리의 융자지원, 공공기관 건축 시 신재생에너지 설비 의무화 등이 있습니다. 주택시장을 중심으로 태양광 산업이 확산되었던 일본의 사례 등을 볼 때 우리나라에서도 태양광 산업의 확산에 있어 단기적으로 모멘텀이 될 제도는 태양광 주택 10만호 보급사업이 될 것으로 예상됩니다. 10만호 주택보급사업에 따르면 정부는 kW당 설치비용(07년 기준 고정식은 955만원/kW, 추적식 1,169만원, BIPV1) 1,400만원)을 정부 고시하고 보조금(07년 기준 설치비용의 약 60%에 해당하는 573만원)을 지정하여 무상 보조하고 있습니다. 특히 우리나라의 경우 전기요금 등 공공요금이 선진국대비 매우 낮은 수준이기 때문에 향후 소매가격이 상승할 가능성도 높은 것으로 보입니다. 따라서 우리정부는 제 2차 신재생 에너지 기본 계획을 제시하고 2012년까지 1.3GW 전력을 태양광으로 발전한다는 계획을 가지고 태양전지 효율을 2003년 기준 12%에서 2010년 18%로 높이고 시스템 단가를 2003년 15백만원/kW에서 2010년 6백만원/kW로 낮추는 등 구체적인 로드맵을 제시하여, 2010년 까지 세계 태양전지 시장의 7%, 즉 시장규모 30억불의 태양광 시장을 형성하여 5만 명의 고용창출효과를 발생시키겠다는 목표로 태양광 산업을 주도하고 있습니다.

그림: 국내 신재생에너지 기본계획

자료 : 태양광사업단. 2007

5) 국가경제에서의 중요성

화석연료 고갈에 대한 에너지 자원 조달 문제 및 연료 연소 시 발생되는 환경오염문제 등이 대두되자 국내에서도 대체에너지 개발필요성이 증대되고 있고, 그 대체방안의 일환으로 태양광산업의 발전이 주목받고 있습니다. 태양광 발전 산업의 무한한 잠재적 시장에 대한 주도권 확보를 위하여 독일, 일본, 미국 등 선진국은 이미 다양한 정책수립과 관련 산업육성에 오랜 기간 동안 노력해오고 있습니다. 이하에서는 에너지빈국으로서의 관점과 청정에너지 개발이라는 두 가지 관점에서 태양광에너지가 우리나라 국가경제에 미치는 영향은 크다고 할 수 있습니다.

(가) 국가경제의 중요성 - 부존자원의 부족과 에너지, 환경 패러다임의 변화

에너지 불모지대인 우리나라는 화석연료 고갈에 대한 에너지 조달 문제에 진지한 접근이 필요합니다. 현재 전 세계 석유 매장량은 석유 발견 속도보다 세 배나 빠른 속도로 고갈되고 있는 상태입니다. 전 세계 석유 생산이 정점에 도달하는 시기에 대해 일치된 합의가 존재하진 않지만 여러 가지 예상을 종합해 볼 때 그 시기가 2020년을 넘기지 않는다는 주장은 매우 설득력이 있습니다.["파티는 끝났다" 리처드 하인버그 지음, 시공사, 2006] 각 나라는 이미 석유 생산 정점에 대한 대응을 시작하여 경제와 국가 안보에 미치는 부정적 영향을 상쇄하기 위해 노력하고 있으며, 태양광 발전사업의 강국이라 할 수 있는 독일, 미국, 일본 등이 2030년을 태양광발전이 기존 에너지와 자유경쟁 할 수 있는 원년으로 정한 것도 분명 석유 에너지고갈에 대한 염려에서 기인하는 대응이라 보입니다.
우리나라는 연간 사용에너지의 약 97%를 수입에 의존하고 있으며 그 액수는 200억 달러를 넘는 수치입니다. ['태양광 발전에 관한 기술동향분석',9면] 지난 2004년 고유가로 에너지수급에 큰 어려움을 겪은 이후에 정부는 2004년을 태양광 발전 등 신재생에너지 보급원년으로 삼고 2006년까지 총 1차 에너지 소비량의 3%, 2011년까지 5%대의 보급을 목표로 하여 총9조원의 예산을 투입하겠다는 중장기 프로젝트를 세웠으며 이를 통해 정부는 3조원의 원유수입 대체효과를 기대하고 있습니다.
또한 에너지-환경 패러다임의 변화에 대한 대표적인 예로, 교토의정서를 들 수 있습니다. 지구온난화란, 산업화로 인해 석유등 화석연료 연소 시 발생하는 탄산가스(이산화탄소)가 배출되어 그 농도가 증가하면서, 지구의 복사열이 대기권 사이에 갇힌 채 온실효과를 가져와 대기의 공기가 더워지고 지구 전체가 온실화 되는 현상을 말합니다. 이에 따라 빙하의 얼음이 녹고 해수면이 상승하게 되며 결국 심한 가뭄과 폭풍우, 홍수, 열파(熱波)현상, 기후 및 생태계의 광범위한 변화가 초래되고 있습니다. 게다가 이로 인해 아프리카·중남미 등 전 대륙에 걸쳐 사막화 현상이 확산되고 있으며 곳곳에서 천재지변이 일어나고 자연재해가 발생해 인류의 생존을 위협하고 있습니다.
이에 UN주관으로 지난 1992년 브라질에서 열린 환경회의에서 "기후변화에 관한 UN협약"이 채택되어 1994년 3월에 발효되었고, 이에 대한 각 나라의 구체적 이행문제를 결정한 '교토의정서'가 유럽 등의 선진국 참여로 인해2005년 2월 발효되기에 이르렀습니다.
교토의정서의 내용을 살펴보면 선진국 중심의 제1차 온실가스감축 의무 국가는 2008년부터 2012년까지, 정해진 한도 이상의 온실가스를 배출하게 되면 페널티가 부과되며 2013년부터 2017년에는 그 의무국이 확대될 전망입니다. 현재 OECD국가에서 감축의무가 없는 국가로는 멕시코와 우리나라가 유일하지만, 선발개도국의 참여가 없는 한 교토의정서에 비준할 수 없다는 미국의 강경한 자세를 감안하면 우리나라도 온실가스 감축의무를 받게 될 것이 확실시 되고 있습니다.
온실가스 배출량 세계10위(2003년, IEA기준 )인 우리나라가 제2차 공약기간 중 1995년 배출량 대비 5% 감축의무를 부담 받는다고 가정할 때, 2010년부터 실질적인 감축을 시작 한다면 우리나라 GNP에 미칠 영향은 2015년 기준 0.75%(11.3조원), 2020년 기준 1.51%(22.8조원) 감소에 이른다고 에너지경제연구원은 내다보고 있습니다.[산업자원부 보도자료, 2007.02.09]
에너지집약형 산업의 비중이 높은 우리나라는 더 이상 기후협약 대응을 늦출 수 없는 상태이며 청정에너지 자원개발이 시급한 상태입니다. 에너지 독립의 염원과 기후협약 대응이 맞물려 그 어느 때보다 대체에너지 개발이 중요한 과제로 떠오른 현재의 우리나라 산업상황을 고려할 때 태양광 발전 산업이 향후 국내에서 차지할 위상은 매우 높다고 하겠습니다.

(나) 국가 경제의 중요성 -차세대 성장산업

그간 인공위성, 등대, 가로등 등 소규모 특수용도로만 사용하던 태양전지는 1990년대에 들어서면서 상업용 태양광발전 방향으로 확대 되었고 태양광발전산업은 화석연료의 고갈에 따른 청정에너지개발을 위한 세계 각국의 관심고조로 인해 새롭게 떠오르고 있는 신ㆍ재생에너지 개발 사업으로 몇몇 선진국에서는 이미 시장 확대기에 접어들었으며, 현재 국내에는 국가차원의 시장형성 노력으로 성장단계에 진입한 상태라고 할 수 있습니다.

그림: 태양광 시장의 성장단계

자료 : 에스에너지 기술연구소. 2007

태양광 사업은 점차로 시장의 관심을 받고 있으나, 국내에서는 상대적으로 덜 알려진 분야입니다. 그 이유는 산업이 초창기에서 벗어나지 못하고 있고, 참여업체들마저도 이를 알리기를 꺼려하고, 공론화하지 않는 분위기에 묵시적으로 동참하였기 때문이라고 보고 있습니다. 태양광 사업은 현재 시장형성이 자생적으로 활성화 되지 못했습니다만, 중요한 사실은 산업이 가진 장기적인 잠재력을 지금 시장이 인정하고 있다는 것 입니다. 그 증거로, 국내 유수의 기업들이 몰려들어 이 산업에 속속 동참하고 있으며, 기존 관련업체들은 실적이 좋아지면서 주가가 크게 오르고 신기술이 속속 소개되고 있다는 점입니다. 태양광 사업은 태양전지의 생산 공정 혁신, 대량생산을 통한 규모의 경제 달성, 웨이퍼 박막 화를 통한 원 재료비 절감과 박막형 등 차세대 태양전지로의 기술혁신 등을 통해 원가를 절감할 여지가 큰 것으로 판단됩니다. 실제로 태양광 모듈 가격 추이에 대한 IEA의 조사 결과를 보면 90년대 초반에는 와트 당 4,000엔대를 호가했던 태양광시스템 가격은 90년대 말에는 1,000엔대로 빠르게 하락하였습니다.
태양광 산업이 차세대 성장산업으로 평가받는 또 한 가지 중요한 이유는 원재료에서부터 모듈 설치에 이르기까지 산업화가 가능해 부가가치 창출 및 고용창출 효과가 크다는 점입니다. 태양광 산업은 원재료인 폴리실리콘 생산에서부터 웨이퍼 생산, 태양전지 생산과 모듈 조립, 인버터 등 시스템 부품과 설치 서비스에 이르기까지 다양한 분야에 걸쳐져 있으며, 07년 기준 세계시장 규모 186억 달러 규모의 산업으로서 태양광 발전량이 현재 예상대로 연평균 30% 이상 성장할 경우 관련시장 규모도 연평균 25%이상 빠른 성장이 기대되고 있는 분야입니다. 특히 모듈 제조 이전의 공정(폴리실리콘, 웨이퍼, 전지 등, 07년 기준 세계시장 9조 규모)은 수출 산업화가 가능한 영역으로서, 해수력, 풍력 등 타 대체에너지는 지형적인 제약이 있어 수출산업화가 불가능한 것에 비해 차별화되는 요인으로 평가받고 있습니다. 실제로 세계 태양전지 시장규모는 06년 현재 독일이 55% 이상을 차지하고 있어 가장 크지만 전지/모듈 생산은 경쟁력 있는 일본 업체들이 50% 이상 생산해 유럽, 미국 등지로 수출하고 있습니다. 태양광 발전의 수출산업화 가능성으로 인해 일본 정부에서도 전체 신재생에너지 투입 예산 중 높은 비중을 태양광 발전에 투입하고 있는 실정입니다.
우리나라의 반도체 기술은 세계 최고 수준으로서, 국내의 기술적 기반으로도 세계 일류상품으로 도전이 가능하다는 점은 반도체, LCD 기반기술을 가진 일본 업체가 세계 태양전지 시장 주도하고 있는 전례에 비추어 볼 때 상당히 설득력 있는 부분입니다. 전술한 바와 같이 전 세계 태양전지 시장은 독일이 가장 크지만 생산의 50% 이상을 일본 업체들이 차지하고 있습니다. 예를 들면, 독일 업체 중에서 Q-Cell이 빠르게 시장점유율을 확대해 오고는 있으나 아직까지 10% 이하 수준에 머물러 있으며, 이는 태양전지의 제조공정이 반도체, LCD 제조공정과 유사해 관련 공정기술 및 장비, 부품 인프라를 확보하고 있는 일본 업체가 경쟁력을 확보하기 용이했기 때문으로 판단됩니다. 현재 태양전지 시장의 90% 이상을 점유하고 있는 실리콘 결정형 태양전지의 경우 원재료인 실리콘 웨이퍼가 반도체 실리콘 웨이퍼를 만드는 과정과 유사하고, PN 접합형성, 전극형성 등 주요 공정도 반도체 공정과 유사한 것으로 알려져 있습니다. 실제로 태양전지 부문에서 높은 시장점유율을 확보하고 있는 일본 업체는 LCD, 반도체 사업도 함께하는 샤프, 교세라 등입니다. 우리나라의 경우에도 메모리 반도체, LCD부문의 세계 시장점유율 1위 국가로 관련 공정 기술 및 장비, 부품 인프라가 높은 수준입니다. 정부 차원의 지속적인 지원이 이어질 경우, 현재 국가에서 지원하고 있는 수많은 기술개발 연구가 가까운 시일 내에 결실을 맺을 것으로 기대할 수 있기 때문에 이미 반도체강국으로 자리매김한 우리나라의 기초 기술력과 국가 에너지 수요의 일정량을 신재생에너지로 대체하겠다는 정부의 의지를 감안할 때 국내 태양광산업은 세계시장을 겨냥할 만큼 커다란 규모로 발전할 것이라 예상됩니다.

그림: 인프라 기반산업의 발전과정

자료 : 에스에너지 기술연구소. 2007

* 업계현황

1) 수급상황

(가) 세계시장 규모 및 추이

1970년대 2차에 걸쳐 발생한 석유파동 이후 많은 선진국들은 신재생에너지 기술개발과 보급에 관심을 갖기 시작하였습니다. 당시에는 석유와 화석 에너지의 수입의존도를 줄이고 에너지 자급 도를 제고하기 위한 것이 주요 목적이었으나 1980년대 후반부터 본격적으로 시작된 환경문제에 대한 논의와 지속 가능한 에너지미래 구축 전략 및 지구 온난화 현상으로 인한 이상기후 등으로부터의 인류 보호를 목표로 신재생에너지의 개발과 보급이 새롭게 조명 받게 되었습니다.
전 세계 태양광 발전 규모는 1999년 202MWp 규모에서 연평균 40% 성장하여 06년에는 2,204MWp 수준에 도달하였습니다. Photon International은 06년에는 2010년 태양광 발전 규모를 10GWp 수준으로 예상하였으나 최근 발표에서는 전망치를 14GWp로 상향 조정하였으며 CLSA(Credit Lyonnaise Security Asia)의 경우 04년 예상치(5.2GWp)를 05년 6GWp로 상향한 이후 06년 4월에는 다시 10GWp로 상향 조정하였습니다.

그림: 기관별 세계 태양광 시장전망 (누적보급 기준)

자료 : Q-cell, CLSA 3rd Solar Silicon Conference, April 2006

업체별 2010년 태양전지 시장전망
구 분	2005년 실재치	2006년 실재치	2010년 전망치
샤프	-	-	7,251
산요 전기	-	-	3,000
Q-Cells	-	-	4,000
Solarbuzz	-	-	3,200~3,900
EPIA	-	-	3,200~5,400
종합	1,818	2,204	3,200~7,251

자료 : Solarbuzz, PV news, 2006

2005년 태양전지 업체별 점유율을 보면 일본의 샤프가 33%로 1위를 차지하고 있고 일본의 교세라, 산요, 미츠비시 전기가 각각 3,4,5위로 일본 업체의 점유율이 60%에 달하고 있습니다. 독일의 Q-Cells는 2002년 세계시장 점유율 2% 수준에서 2005년 12% 수준으로 빠르게 점유율이 확대되어 왔고 중국의 Suntech, 대만의 Motech 등 후발업체들의 점유율이 확대되는 경향을 보이고 있습니다. 특히 독일의 Q-Cells는 2002년 설립이후 2006년 매출액이 2002년 대비 31배, 영업이익은 1990배 증가하는 괄목할 성장을 거두었으며, Thomson IBES의 예상에 따르면 Q-Cells는 07년, 08년에도 매출액이 각각 34%, 42% 급성장을 이룰 것으로 기대되고 있습니다.
한편, 박막형은 샤프 등 기존 전지업체와 더불어 신규 진입업체들이 적극적으로 검토하고 있습니다. 아직까지 시장형성의 초기 단계로 연구개발이 진행 중이라는 점에서 정확한 수익예상은 어렵지만 최근 미국 등 선진시장에 진출한 박막형 업체들 중 일부는 높은 가격에 IPO에 성공해 주가가 꾸준히 오르는 사례도 나타나고 있습니다.

(나) 국내시장 규모 및 추이

2006년 국내 태양전지 시장은 전년대비 100% 가량 성장한 1,000억원 규모로 추산됩니다. 정부가 2012년까지 태양광 주택 10만 가구 보급 목표를 잡고 관련 예산을 2007년 전년대비 200% 증액한 490억 원을 지원할 계획이고 일반 주택 외에 아파트 등 공공주택에도 태양광 주택 시범설치가 시작될 예정입니다. 태양광 주택 외에도 MW급 태양광 발전소 프로젝트와 공공건물 의무화 규정에 따른 공공 시장도 성장 추세에 있습니다. 현재 공공건물 의무화에 의하여 강력한 보급 인프라를 갖춘 국내 시장은 현재, 전국적인 혁신도시의 건설과 이미 발표 된 행정중심 복합도시의 건설 등과 맞물려서 보급전망을 밝게 하고 있으며, 태양광 산업 각 분야에 걸쳐서 국내 대기업들도 2007년부터 본격적인 설비 구축을 선언하는 등 행보가 빨라지고 있습니다.

그림: 2006년 국내 태양광보급 예산집행 현황

자료 : 태양광 사업단. 2007

2006년 한 해 예산 집행 현황에 의하면(발전사업 부분 제외) 주택보급사업이 490억(약 7MW)으로 가장 큰 비중을 차지하였으며 그 뒤를 지방보급사업과 일반/시범보급사업이 잇고 있습니다. 전체 시장의 규모는 약 15MW이며 여기에 발전사업 부분이 보태져 2006년 한 해 태양광 발전 시장규모는 21MW에 이릅니다.
태양광산업시장은 기존 화석에너지와의 가격 경쟁력 부족으로 현재까지는 자발적 시장형성보다는 국가의 지원정책을 통하여 서서히 시장이 성장해 왔습니다. 때문에 시장의 규모나 추이는 정부의 정책이 중요한 요소로 작용하고 있는데 정책 또한 경직된 예산의 영향으로 추산이 어렵습니다.
그러나 2004년을 태양광발전산업의 원년으로 삼고 2030년까지 선진국 수준의 신재생에너지 국가달성을 목표로 2003년 12월, 정부가 발표한 “신재생에너지 기술개발 및 이용보급 기본계획"을 통해 국내 태양광 시장의 규모를 가늠해 볼 수 있습니다. 신재생에너지 기술개발 및 이용보급 기본계획에 따르면 2012년 까지 태양광발전 1.3GW 보급, 국가 1차 에너지 비율 중 신재생에너지 비율을 2011년까지 5%로 끌어 올리는 것을 목표로 정부가 발표한 보급계획에 따르면 2010년부터는 시장규모가 29%의 성장세를 보일 것으로 예상됩니다.
태양광 산업의 시장 추이를 살펴보면, 2004년 말 현재 세계 태양광 시장의 90% 이상을 웨이퍼 형태의 결정질 실리콘 태양전지가 차지하고 있으며 이에 대한 효율 향상 및 가격 저감을 위한 연구개발이 활발하게 전개되고 있습니다. 태양광 산업 초기에는 주로, 실리콘 웨이퍼 중에서 불순물의 함량이 기준치 이상이거나 순도가 다소 떨어지는 웨이퍼를 이용하여 태양전지를 생산 하였으며, 따라서 태양전지의 대부분이 단결정 형태로 생산 되었습니다. 또한 초기에 생산된 웨이퍼는 잉곳의 제조기술의 대면적 웨이퍼를 만들기에는 다소 부족한 상황이었기 때문에, 가로/세로의 크기가 4inch 정도인 웨이퍼를 위주로 실리콘 태양전지가 생산 되었습니다. 이러한 4inch 웨이퍼 기준으로 생산된 태양전지 모듈 또한 그 크기에 한계가 있어, 비교적 소 용량인 50Wp 급의 모듈이 주를 이루었습니다. 이를 1세대 태양전지 시장이라고 합니다.

그림: Single Crystal Si

그림: Poly Crystalline Si

그림: Amorphous-Si

<태양전지의 종류>
자료 : 에너지관리공단 신재생에너지센터

이후에 5inch 웨이퍼의 공급이 이루어지면서, 태양전지의 제조를 목적으로 하는 다결정 잉곳이 생산되게 되어, 점차로 다결정 웨이퍼를 이용한 태양전지의 점유율이 높아지기 시작했으며, 현재는 결정질 태양전지 중에서 다결정 실리콘 태양전지가 전체 시장의 약 50%를 차지하고 단결정 실리콘 태양전지는 약 40% 정도를 차지하고 있습니다. 전반적인 태양전지의 효율 증가도 지속되어, 1980년대 사업 초기에 5~6%정도 하던 모듈의 효율이 90년대에 들어오면서 두 배 이상 증가하는 혁신을 가져 왔으며, 현재에는 일부 단결정 태양전지의 경우에는 모듈효율이 약 20% 가깝게 근접하는 성과를 보이고 있습니다.

그림: 태양전지 모듈의 효울 변화 추이

자료 : Sharp solar. 2005

태양전지 모듈의 전반적인 용량의 증가도 이루어져, 90년대 후반에 기존의 50Wp급 모듈에서 사용되었던 셀의 두께가 약 380㎛이었던 데에 비하여, 2000년도 초반으로 넘어오면서 70~80Wp급 모듈이 시장의 주류를 이루기 시작하였으며, 셀의 두께도 약 240~280㎛ 정도로 정형화되기 시작하였습니다. 셀 생산 단가를 낮추기 위하여 실리콘 웨이퍼를 박형화(두께 약 200㎛이하)하는 추세는 현재까지도 지속적으로 이어져 오고 있으며, 현재에는 약 180~200㎛정도 수준의 셀이 시장의 주류를 이루고 있습니다. 태양전지 모듈에 사용되는 실리콘의 절대량을 줄이기 위해서, 한편으로는 유리 기판을 사용하는 “박막 태양전지” 기술(막 두께 1㎛ 이하)이 개발되어 시장에 진입하고 있습니다.

그림: 태양전지의 두께 변화 추이

자료 : Sharp solar. 2005

이렇듯, 태양전지의 전반적인 발전 추이는 셀의 대면적화에 따른 모듈의 대면적화가 지속적으로 상호 연관되어 진행 되어오고 있으며, 셀의 생산원가 절감 측면에서의 박형화도 병행되어, 얇은 셀을 이용하여 모듈을 제작할 수 있는 공정기술과 장비기술의 개발이 필수 불가결하게 진행되어 오고 있는 실정입니다.
또한, 현재 태양광 산업에서 빼놓을 수 없는 패러다임으로 등장하고 있는 것이 바로 BIPV분야인데, 그 이유는 필수적으로 소정의 설치면적을 필요로 하는 시스템 특성상 건물과의 통합성을 위하여 건축물의 외장재로 활용하기 위한 방안이 다각도로 모색되어지고 있기 때문입니다. 태양광 발전시스템을 건물의 외장재로 활용하기 위해서는 다양한 조건이 요구되어지는데, 기본적으로 태양광 발전시스템에서 안정한 전력을 생산, 공급하기 위해서는 양호한 일사조건, 어레이의 설치면적의 확보, 음영의 미 발생, 설치 및 전력간선의 용이성 등 태양광 발전시스템의 고유한 특성을 만족하는 환경조건이 성립되어야 하며 기 확립된 환경여건 및 건축/전력 여건에 따라 태양광 발전시스템이 이에 통합될 수 있도록 설계, 설치, 운전되어야 하기 때문입니다. 이러한 단순한 이론들이 실제로 태양광 발전시스템을 건축 환경에 반영, 설치 운영하기 위해서는 다양한 문제점들이 발생됩니다. 그 이유는, 태양광 발전시스템은 환경여건에 따라 발전 특성 및 에너지 공급 율이 가변될 수 있으며 기존의 전력계통뿐만 아니라 건축에 다양한 변수로 작용할 수 있기 때문입니다. 따라서 태양광 발전 시스템의 기술 및 보급이 확장되어 있는 선진국에서는 이러한 기술에 대한 장기적인 검토를 통해 태양광 발전시스템과 건물과의 통합을 이루어 단순한 전력공급 측면이 아닌 건축 환경에 적합한 시스템을 상용화하여 적극 활용하고 있습니다. 이러한 기술의 모색은 태양광 발전시스템의 설치용량은 설치면적을 기준으로 하여 제한되어지기 때문입니다.
향후 태양광 산업의 미래에는 의장성뿐만 아니라 기능성을 만족하는 태양광 발전시스템과 건축물과의 통합을 위하여 지붕재, 건물외피, 창호재, 차양재 등의 다양한 적용방식이 검토되어질 것이며, 설치지의 확보 측면과 음영이 발생하지 않도록 건물간의 충분한 이격거리를 검토할 때 지붕재 및 기타 창호재 등으로서의 태양전지 모듈의 검토가 가장 활발히 이루어지고 있는 분야입니다.