미래 떠오르는 산업 ‘태양광 발전’
핵심제품 태양전지 수입에 의존… 기술개발 시급
모노실란(SiH4) 관련 산업용가스 시장 최대 수혜자 되나
사람이 있는 곳이라면 어디든 에너지가 필요하다. 나라마다 다르겠지만 현재 지구 전체 사용 에너지의 50% 정도를 원유가 차지하고 있을 만큼 원유의 의존도가 절대적이다.
원유를 제외하면 석탄, 천연가스, 원자력, 그리고 소량의 수력이 있지만 수력을 제외한 이들은 모두 화석에너지이다.
향후 화석에너지의 고갈 문제와 관련해 세계 각국이 신재생에너지를 비롯해 수소·연료전지 등 차세대 에너지원 개발에 몰두하는 것은 새삼스러운 일은 아니지만 그중 태양광발전에 관한 중요성이 최근 들어 크게 부각되고 있다.
차세대 에너지원 개발에 각국의 미래 국운이 걸려있는 만큼 이런 상황을 간파하고 좀 더 먼저 미래를 대비해 태양광 발전 산업에 뛰어든 나라들이 유럽의 선진국들인 독일, 덴마크, 이탈리아, 프랑스, 영국, 스페인, 네덜란드 같은 나라들이고 일본과 미국 역시 선두권 나라들이다.
현재까지 우리나라는 태양광발전 산업에 관해 기술수준을 비롯해 정책면에서 선진국들에 비해 크게 뒤떨어진 수준이다.
이번 호에는 에너지 의존도를 줄이고 독립성을 높일 수 있는 기술인 태양광발전에 관한 전세계 동향을 비롯해 우리나라의 상황을 알아보고 향후 과제에 대해 다뤄보고자 한다.
아울러 태양전지의 소재인 폴리실리콘의 핵심원료로 쓰이는 모노실란(SiH4)과 아르곤 등 관련한 산업용가스업계의 발전 가능성에 대해서도 살펴보았다.
태양광발전이란?
태양광에너지는 태양광발전 시스템을 이용하여 빛 에너지를 모아 전기로 바꾸는 것을 의미한다.
태양광은 기존 에너지원과 달리 온실가스 배출, 환경파괴 등을 초래하지 않는 무공해 에너지원으로써 특수성을 갖는다.
아울러 태양광발전은 햇빛을 바로 전기로 바꾸기 때문에 소음도 거의 없는 청정에너지이며 고갈을 염려할 만한 자원도 아니다.
아직까지는 발전단가가 높다는 단점이 있지만 막대한 부존량을 바탕으로 적용영역의 확대와 기술혁신에 따른 효율성 제고 가능성 등이 매우 큰 산업이다.
현재 업계에서는 태양광발전에 대해 ‘PV’라고 간략하게 말한다.
PV는 Photovoltaics의 약자로 익숙한 용어로는 ‘Solar Power’라고 한다.
PV는 태양광(태양광은 ‘햇빛’이라는 좋은 말이 있다, 혹자는 태양광발전을 ‘햇빛발전’이라고 불러야 한다고 한다)을 전기로 직접 바꾸는 것이다. 따라서 오랫동안 친숙한 용어인 태양열과는 다르다. 태양열은 태양열을 온수로 바꿔 난방이나 온수로 사용하는데 주로 쓰인다.
그러나 태양광발전은 태양광을 바로 전기로 바꿔 사용한다는 것이 다르다.
이러한 태양광발전은 비교적 오랜 역사를 가진다. 광전효과에 대한 과학적인 발견은 이미 1839년 프랑스인이 발견했다. 1940년대에 초고순도 단결정 실리콘을 제조할 수 있는 기술인 Czochralski 공정이 개발됐고 최초 상용화는 1958년 미국의 뱅가드(Vanguard) 위성이었다. 이후 모든 인공 위성은 태양전지를 탑재했다.
태양전지로 전류를 생성하는 매커니즘은 일견 간단해 보인다. 대표적인 결정질 실리콘 태양전지는 실리콘에 보론(B; Boron)을 첨가한 P형 실리콘 반도체를 기본으로 하여 그 표면에 인(P; Phosphorous)을 확산시켜 N형 실리콘 반도체층을 형성함으로써 만들어지며 이 PN 접합에 의해 전계가 발생하는 원리이다.
이 태양전지에 빛이 입사되면 반도체 내의 전자(-)와 정공(+)이 여과돼 반도체 내부를 자유로이 이동하는 상태가 된다. 자유로이 이동하다가 PN접합에 의해 생긴 전계에 들어오게 되면 전자는 N형 반도체에, 정공은 P형 반도체에 이르게 된다. P형 반도체와 N형 반도체 표면에 전극을 형성하여 전자를 외부 회로로 흐르게 하면 전류가 발생된다.
태양광발전시스템은 크게 두 가지 종류로 나눌 수 있다. 계통연계형(On-grid)시스템과 독립형(Off-grid; Stand alone)시스템이다.
여기에 최근 풍력발전과 디젤발전 등 다른 에너지원에 의한 발전방식과 결합된 방식인 하이브리드형(Hybrid) 시스템도 추가된다.
태양광발전의 단점 중에 하나는 햇빛이 있는 낮에는 발전할 수 있지만 밤에는 발전할 수 없다는 점이다. 또한 날씨가 흐리거나, 일조량이 낮으면 발전량이 줄어든다. 그렇기 때문에 기존 전력시스템과 완전히 독립적으로 쓰이려면 축전지 등의 시스템이 필요하다.
이렇게 되면 기존 전력시스템과 독립적으로 쓰일 수 있다. 낙도와 오지 같은 곳에서는 태양광발전을 통한 독립형 시스템으로 자력 발전을 꾀할 수 있다.
또한 인공위성 같은 것은 태생적으로 독립형 시스템이다.
결국 전자계산기, 손목시계와 같은 소형 가전, 그리고 자동차, 배, 우주선과 같은 이동 수단, 신호등, 가로등과 같은 공공 시설, 자동판매기와 같은 독립 판매 시스템, 별장, 산장과 같은 비상시 거주시설 등이 각광받는 시장이다. 이러한 분야는 아직은 유망한 시장으로만 남아 있다.
현재 대부분의 시장은 계통연계형시스템 시장이다. 계통연계형시스템은 기존 전력시스템과 연결되어 설치되는 태양광발전시스템이다. 발전이 가능한 낮에는 태양광발전을 통해 생성된 전력을 사용하고 잉여 전력은 기존 전력시스템을 통해 송전한다.
그리고 밤에는 기존 전력시스템을 이용하여 전력을 조달 받는다. 이러한 계통연계형 시장이 현재 시장의 85% 이상을 차지하고 있다.
