태양광 혁명의 미래
기후변화의 대응
세계 최대 정유산업의 한 회사인 Shell에서 발표한 연구, 이는 앞으로 총 에너지 소비가 태양광 중심이 될 거라는 결과이다. 탄소 배출의 주범인 회사가 이야기했으니 더욱 신빙성이 있다고 할 수 있다. 이 결과에 따르면 교수의 언급처럼 Solar Revolution은 이제 막 시작했다. 2022년 부로 1TWp만큼의 태양광 패널이 설치됐고, 앞으로는 이것의 66배가 될 것이다.
(1)그럼 이제 태양광 산업의 역사에 대해 알아보자.
이는 미국에서부터 시작한다. 1973년 오일쇼크 파동의 배경 아래, 지미 카터 행정부는 대체 에너지로 태양광을 꼽으며 백악관 지붕에도 태양광 패널을 설치할 정도로 열성이었고, 이 산업에 엄청난 보조금, 세금 혜택을 지원한다. 이런 이유로, Atlantic Richfield Co(Arco Solar)는 당시 세계 최대 태양광 패널 회사였다. 아쉽게도 정권이 바뀌자 레이건은 백악관 지붕에 있는 태양광 모듈부터 뜯어냈다. 보조금은 끊겼고 유가의 하락으로 더는 태양광 산업의 수익성이 없었다. 이 Arco를 독일의 Siemens가 인수하는데, 20년간 투자했음에도 뚜렷한 성과가 보이지 않자 Siemens 역시 태양광 모듈을 생산하지 않기로 결정한다.
아이러니하게도 얼마 지나지 않아 재생에너지 관련 법 개정으로 독일 내 태양광 붐이 일게 된다. 이는 전기를 생산해 팔 수 있는 법이었다. 2000년쯤, 독일에서 태양광 발전의 전기를 kWh당 50센트에 팔 수 있었다. 당시 전기요금은 kWh당 20센트. 사람들은 지붕에 패널을 설치해 전기를 팔려고 했다. 당시 기준 20년간 이런 혜택이 주어졌으니 그냥 설치한 순간에 보조금을 많이 받는 것보다 이 정책은 대중의 관심을 꾸준히 끌게 했다.
이 인센티브는 점차 줄어들다가 2010년쯤, 전기요금이 이를 상회하게 되었고, 지금 전기요금은 kWh당 30센트를 훌쩍 넘지만, 태양광 전기를 팔면 10센트도 받지 못한다. 이런 이유로, 이전에는 최대 효율로 발전할 수 있는 지붕 위 남향으로 태양광 패널을 설치했다면, 지금은 동서향으로 나눠 설치해 최대한 본인 가정용 전기를 사용하려는 시스템을 사람들이 선호하게 되었다.
한동안 재생에너지 관련 인센티브로 독일과 일본이 주도했던 태양광 산업의 주도권은 2010년 이후 중국으로 넘어가게 된다. PC 및 새로운 기술은 대부분 양산화 덕분이었는데, 태양광도 마찬가지다. 패널 가격이 현저하게 떨어지며 중국산 태양광 패널은 시장을 대부분 점유하게 된다. 현재는 중국의 Longi라는 회사가 지금은 태양광 패널 생산에 제일 앞서 있다.
이건 앞으로 배터리에도 해당하는 이야기다. 전기차뿐만 아니라 에너지저장장치로 배터리의 수요는 급증할 것이고 큰 규모의 회사들이 엄청난 투자를 하고 있는데, 그 최후의 승자는 누가 될까. 결국은 중국산 배터리가 시장을 점유하게 되지 않겠냐는 게 조심스러운 추측이다. 태양광 산업에 있어서도 오랫동안 시장을 주도하던 일본의 SHARP나 독일 회사가 중국에 자리를 뺏긴 것을 본다면, LG, 삼성, SK 등 우리 대기업이 이 산업을 주도할 수 있을까 우려스럽다. 이런 상황에서 미국은 IRA, 인플레이션 감축법을 통해 보호무역을 증가하고 있으니 이는 우리 입장에선 더욱 어렵지 않을까 하는 생각을 하게 한다.
각설.
현재 태양전지는 Monocrystalline Si이 시장을 지배하고 있다. 그렇다면 이 실리콘이 태양광 발전에 있어 최고의 재료냐. 그건 그렇지 않다고 할 수 있다. 다른 재료말고 실리콘이 살아남은 이유는 29.6%의 효율로 한계가 명확하지만, 양산화가 가능하고 30년간 품질 보증이 가능하고 이미 산업에 뿌리내렸기 때문이다. 결국 이 성공사례는 어떻게 양산화하고 가격경쟁력을 갖추는 데 있었다.
다음은 태양광의 미래. 환경적인 측면이다.
전기가 깨끗하지 않냐고 하는 이야기와 비슷한 이야기다. 과연 태양광 모듈을 생산하는데 탄소 배출이 없겠느냐.
태양광 패널의 에너지 배출을 살펴보면, 현재는 그 에너지를 상환하기 위해 평균적으로 20년 전엔, 10년이 필요했고, 지금은 1년의 시간이 필요하다. ‘그정도가 어때서’라고 생각할 수 있다. 하지만 이게 지금보다 더 혁명적으로 양산화가 된다고 했을 때는 이야기가 다르다.
다음 그래프를 보면 태양광 생산만으로도 2025년 독일 총 탄소배출량과 동일해질 수도 있다.
(2)이 시나리오는 이후엔 태양광 모듈로 생산 과정의 에너지를 공급한다는 시나리오 아래, 배출량이 서서히 줄어들기는 하지만, 다소 충격적이다. 물론 그래도 석탄보다는 매우 친환경적이다. 단일 kWh당 배출량을 비교했을 때 8배가 차이가 난다.
단순히 Si 생산 과정 자체가 너무나도 에너지가 많이 드는 관계로, 탄소세가 더 부과된다고 했을 때, 시장에서도 퇴출당할 수도 있다. 이에 대한 대안으로 효율은 조금 더 낮지만 탄소배출이 적은 얇은 태양전지 등이 다시 시장을 점유할 수도 있다. 그런 이유로 PV모듈을 만드는 것 자체를 친환경으로 바꾸려는 노력이 이뤄지고 있다.
그뿐만 아니라 현재 은 수요의 10%를 태양광 생산이 담당하고 있는데 10~20년 이후 모든 은을 다 사용해도 부족한 상황이 발생할 수도 있다. 이를 구리로 바꾸려는 시도도 있지만, 구리마저도 전력 공급망에 많이 쓰이기 때문에 완전한 대안으로 보기는 어렵다.
결국 앞으로 이 모든 방향은 최소한의 재료를 사용해서 최대한의 효율을 내는 게 과제라고 할 수 있다. 지금 그런 방향으로 연구를 이어나가고 있는데, 결국 덜 쓰고, 싸고, 효율 높게 만드는 게 더 지속가능한 결과로 이뤄지게 된다는 논리다. 덧붙여 현재는 재활용할 만큼 가격 친화적이지도 않기 때문에 이는 이후 태양광 모듈이 포화 상태에 이르고 재료 자체가 비싸졌을 때 변할 수 있을 테다. 단순히 이쪽 산업 사람들은 효율을 높이는데 혈안이 된다고 생각했는데 이런 마인드셋이 있다는 것에 조금은 마음이 놓였다.
이처럼 총체적이고 거시적인 접근 방식이 있을 때 우리는 진정으로 지속가능한 사회로 나아갈 수 있다. 이는 비단 British Petroleum이 Beyond Petroleum으로 이름을 바꾼 것처럼, 기존의 오염 배출의 주범인 산업의 마케팅에 놀아나지 않고 진정 미래 사회를 위한 일을 하게 될 수 있다.
교수는 이런 이야기를 했다. 아인슈타인이 누군지는 기억은 안 나지만, 나쁜 생각을 가지고 있는 사람과 그 시스템은 절대로 바뀌지 않는다고 한다. 그 사람이 죽기 전까지는. 그의 요지는 지금까지 화석연료로 이 시스템을 지탱하고 있는 사람들이 완전히 사라지기 전까지 이 모든 시스템이 변하지 않을 거라는 점이다. 기후변화를 고려해 큰 변화를 이끌기 위해 더 많은 사람이 더욱 진출해 시스템의 혁신을 이뤄야 할지어다.
출처
(1) https://www.carbonbrief.org/in-depth-is-shells-new-climate-scenario-as-radical-as-it-says
(2) Wagner, L., Mastroianni, S. & Hinsch, A. Reverse Manufacturing Enables Perovskite Photovoltaics to Reach the Carbon Footprint Limit of a Glass Substrate. Joule 4, 882–901; 10.1016/j.joule.2020.02.001 (2020).
