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태양광 발전에 관하여 - (1)
태양광 발전은 21세기에 들어서면서 비약적인 발전을 이루었으며, 현재도 끊임없이 발전하고 있습니다다. 아래의 LCOE(Levelized cost of energy, 균등화 발전비용) 그래프에서 태양광 발전의 변화만
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태양광 벨류체인
태양광 벨류체인은 크게 업스트림(Upstream), 미드스트림(Midstream), 다운스트림(Downstream)으로 나뉘며, 이 중 업스트림과 미드스트림은 중국의 시장 점유율이 80% 이상을 차지할 정도로 중국 의존도가 매우 높습니다.
업스트림은 폴리실리콘, 잉곳, 웨이퍼 등의 원재료나 소재를 생산하는 단계입니다.
초기 투자비용이 크고 기술적 난이도가 높아 진입장벽이 높습니다. (제조 과정은 1편 참고)
위 그래프에서 알 수 있듯이, 글로벌 폴리실리콘 시장의 중심은 중국으로 시장 점유율이 무려 80%에 달합니다.
대표적인 기업으로는 Tongwei, GCL-Poly, Daqo New Energy 등이 있으며, 이들은 높은 생산량과 원가 경쟁력을 기반으로 시장을 장악하고 있습니다.
중국이 폴리실리콘 시장을 지배하게 된 데에는 폴리실리콘 생산 공법 중 하나인 지멘스 공법의 영향이 큽니다.
폴리실리콘의 생산 공법은 크게 지멘스(Siemens) 공법과 FBR(Fluidized Bed Reactor) 공법으로 나뉘는데, 지멘스 공법은 FRB 공법에 비해 약 9배 많은 전력을 사용하여 비용이 높지만 순도 높은 폴리실리콘을 생산할 수 있어 셀의 효율이 높습니다.
그래서 현재 약 90%의 폴리실리콘이 지멘스 공법에 의해 제작됩니다.
지멘스 공법은 많은 전력을 소모하는데, 전력비만 폴리실리콘 원가의 30~35%를 차지할 정도로 크다보니 석탄이 많고 화력발전소가 많아 전기료에서 우위에 있는 중국이 대규모로 만들고 있습니다.
변동비를 보면 중국은 $8/kg 이하인 반면, 국내 대표 태양광 기업인 OCI는 $12/kg로 약 2배 차이가 나기 때문에 가격 경쟁에서 싸움이 되지 않습니다.
웨이퍼는 단결정(Monocrystalline)과 다결정(Polycrystalline)으로 구분되며, 2가지 공정으로 나뉩니다.
다결정은 폴리실리콘을 녹인 후 틀에 부어 응고시키는 방식으로, 공정이 간단하고 원가가 낮지만 불규칙한 원자 배열로 인해 효율이 낮습니다.
단결정은 원가가 높지만 효율이 높은 초크랄스키 공법으로 제작되며, 현재 대부분의 태양광 산업에서 사용됩니다.
그 후 이 웨이퍼에 붕소(B)를 넣으면 p-type, 인(P)을 넣으면 n-type이 됩니다.
요즘은 제한된 설치 면적에서 고출력을 요구하는 n-type으로 전환하는 추세입니다.
또한, 웨이퍼의 크기가 대형화 방향으로 가고 있어 M10(182mm)와 M12(210mm) 위주로 웨이퍼 시장이 형성될 전망입니다.
웨이퍼가 커지면 출력이 향상되어 목표 전력 생산량을 달성하기 위한 스트링의 개수가 감소하며, 이에 따라 기타 부품 소모량도 감소하여 BOS(Balance of System) 비용이 절감됩니다.
미드스트림
미드스트림은 태양광발전 시스템의 주요 구성 요소인 셀(Cell)과 모듈(Module)을 제조하는 단계입니다.
웨이퍼를 가공한 후 오염물질 제거, 반사방지막 코팅, 전후면 전극 형성 등의 과정을 거치면 셀이 되고, 여러 장의 셀을 연결한 후 유리, 시트 등으로 덮어 하나의 구조로 만든 것이 모듈입니다.
향후 태양광 시장은 셀 효율화가 관건이라 대표 태양광 기업인 First Solar부터 OCI까지 높은 효율의 셀 개발에 매진하고 있습니다.
현재는 PERC(Passivated Emitter and Rear Contact) 셀이 90%를 차지하며 평균 효율은 22.5% 수준입니다.
하지만 더 높은 효율을 목표로 TOPCon, HJT(Heterojunction Technology) 등 차세대 셀 기술 개발이 활발히 진행되고 있습니다.
한편, 태양광 벨류체인에서 일자리 창출(일자리/GW)은 셀과 모듈이 제작되는 미드스트림이 가장 많이 차지하고 있습니다.
수치로는 대략 모듈 44%, 셀 32%, 웨이퍼/잉곳 15%, 폴리실리콘 4% 수준입니다.
이에 따라 미국과 유럽은 자국 내 공장을 구축하기 위해 IRA, IEA 등 다양한 법안과 정책을 만드는 것이죠.
다운스트림
다운스트림은 태양광 발전소의 건설 및 운영, 시스템 설계, 발전 전력의 판매 등 고부가가치 사업을 담당하는 단계입니다.
다운스트림은 가장 영업이익률이 높은 벨류체인이라, 모듈 기업들도 다운스트림 사업에 적극적으로 진출하고 있습니다.
특히 원재료 가격 변동성으로 다운스트림에서의 수익성이 악화될 때 완충 역할을 할 수 있어, 많은 기업들이 경쟁적으로 시장에 진입하고 있습니다.
