에기평 중장기 로드맵…고효율 태양전지·모듈 등 기술개발 중요

태양광 발전 기술의 가속화가 두드러지고 있다.

탄소중립의 수단으로 신재생에너지의 역할이 강조되며 태양광 발전에서도 보다 높은 효율을 얻는 것이 더욱 중요해졌다.

특히 포스트코로나 이후 그린뉴딜과 탄소중립 정책이 경제회복을 위한 수단으로 강조되며 세계적으로 태양광 발전을 포함한 신재생에너지 시장이 급성장할 것으로 전망되고 있다.

◆글로벌 시장, 기술의 상향 평준화 이뤄

세계적으로 500W+ 고출력 태양광 모듈이 시장을 주도하며 웨이퍼의 대면적화가 이뤄졌다.

또 M6(166㎜)의 양산을 넘어 웨이퍼 1위의 롱지 중심의 M10(182㎜) 웨이퍼와 중환(웨이퍼 2위) 중심의 M12(210㎜) 웨이퍼가 향후 표준 주도를 위한 경쟁을 벌이고 있다.

우리나라의 경우 국내 셀·모듈 제조업체가 M4(161.8㎜)이하 웨이퍼를 중심으로 생산하고 있지만 M10 이상으로 투자하는 것이 불가피한 상황이다.

나아가 하프 컷과 멀티 버스바 기술이 중심이 되고 셀-모듈 전환(CTM)으로 손실이 감소하며 600W+의 고출력 모듈 시대도 성큼 다가오고 있다.

양면형(bifacial) 모듈도 일반화된 모양새다.

설치 환경의 반사율에 따라 발전량이 결정되지만 양면형 모듈은 단면형 모듈보다 평균 8% 이상 발전량이 늘어나는 것으로 알려져 있다.

특히 양면 펜스형의 경우 미세먼지나 눈이 쌓이지 않아 O&M에 유리하며 눈이 덮이는 겨울철에 타제품 대비 최대 50%까지 발전량 향상을 기대할 수 있다.

◆우리나라, 매년 R&D 예산 증가…중장기 로드맵 실현돼야

우리나라 또한 정책적인 이슈로 기술 발전을 이뤄오며 설치용량과 R&D 예산 모두 증가했다.

국내 태양광 신규 설치용량은 2016년 0.9GW에서 2018년 2.4GW, 2020년 4.7GW 등으로 늘었으며 지난해에는 4.4GW를 기록했다.

태양광 R&D 예산 또한 2016년 558억원에서 2018년 672억원, 2021년 924억원 등 확대됐다.

한국에너지기술평가원은 최근 중장기 태양광 기술로드맵 전략으로 ▲고효율 태양전지 및 모듈 개발 ▲태양광 저단가 공정기술 개발 ▲신시장·신기술 창출 ▲친환경 장수명 태양광 모듈 기술 개발 ▲태양광 발전 공급 확대를 꼽았다.

이를 통해 2050년까지 태양전지의 양상 효율 40%, 모듈 효율 35%, 제조단가 W당 0.05달러, 설치용량 400GW를 달성하는 것이 로드맵의 목표다.

세부적으로 설치비용과 발전단가 저감을 위한 고출력 모듈 산업생태계를 강화하고 규제개선을 통해 태양광의 적용처를 확보하는 방안을 시장전략으로 내세웠다.

특히 농지법 개정, 공유수면 적용 확대, 도로 이격거리 통일화, 자가소비 건물형 태양광 CDM(lean Development Mechanism; 청정개발제도) 부여, 건축법개정에 따른 태양광 의무사용, 리파워링 등을 통해 태양광 시장을 확대할 수 있을 것으로 봤다.

기술적으로는 기업 공동활용 연구센터 등을 통해 차세대·소부장 R&D를 강화하고 태양광 적용처 확대를 위한 실증연구가 필요하다고 밝혔다. 또한 디지털 기반의 O&M 및 계통 안정화 기술의 개발도 필요한 부분으로 지목됐다.

◆고효율…태양광 실리콘 한계효율 극복

상업용 결정질 실리콘 태양전지는 입사하는 태양광 스펙트럼 중 일부분만 흡수해 전기로 변환한다. 이런 한계 효율(29.4%)을 극복하기 위해 물리적 특성이 다른 소재를 이용해 2개 이상의 태양전지를 접합한 새로운 다중접합 태양전지의 개발과 이를 활용한 초고효율 모듈의 상용화 기술 개발이 필요하다.

우리나라는 결정질 실리콘을 단일 접합하는 1세대(1접합) 태양전지를 현재 양산 중이며 페로스브스카이트와 결정질 실리콘 텐덤을 접합하는 2세대(2접합) 태양전지는 현재 R&D 및 파일럿 생산 단계다. 2개의 페로브스카이트와 결정질 실리콘을 연결하는 3세대(3접합) 태양전지는 R&D 단계에 있다.

◆단가저감…저단가 공정기술 및 제조공정 혁신

태양광 제조단가를 낮추는 위해서는 AI, 빅데이터, 엣지 컴퓨팅 등 ICT 기술을 활용한 지능형 생산기술의 구축이 필요하다.

또 복합 지능학습 생산, 에너지운영 시스템 기반 지능형 제조혁신 시스템과 대면적 고효율 셀·모듈 설계 및 제조 기술과 이를 이용한 시스템 기술도 방법이다.

아울러 핵심 소재와 부품, 장비의 국산화 기술확보를 통해 산업 인프라를 만들 필요가 있다.

로드맵에서는 AI, 빅데이터 기술을 활용해 완전자율 제조공정을 갖추려 한다.

2028년까지 학습기반 자율형 양산화 적용 및 에너지운영 기술을 구축하고 2030년에는 제조단가 W당 0.1달러, 생산수율 99.8%, 100% 저전력 태양전지·모듈 제조 및 자율 생산 체제를 구축할 계획이다.

여기에 대면적 고출력(1000W+)모듈 시스템의 개발과 실증도 계획에 포함됐다. 2027년까지 800W+의 모듈출력을 확보하고 2030년에는 M10, M12웨이퍼 기반의 출력 1000W+ 이상의 모듈을 개발하는 것이 목표다.

◆신시장…사용처의 다변화

태양광 신시장 개척 방법으로는 유휴 부지 확대, 발전소 출력 유지를 위한 O&M 역량 강화, 태양광 시스템 및 서비스 분야 진출 등이 꼽힌다.

또한 영농형 태양광의 경우 맞춤형 시스템의 표준화를 이뤄 2030년까지 작물 수확량을 85%, 품질을 95% 확보하려 한다. 10년 뒤에는 수확량 90%, 품질 100%가 목표다.

건물형 및 그린모빌리티용 태양광 모듈기술의 실증도 진행되고 있다.

2025년까지 수명 25년, 준불연 2등급, 급속차단기술을 확보하려 하며 2050년에는 수명이 40년에 달하는 장수명 태양광 모듈 시스템을 개발하려 한다.

수상·해상 부유식 태양광 시스템의 경우 2030년까지 설비 이용률 17.5%, 파고 4m를 충족하고 2050년에는 설비 이용률 20%, 파고 9m를 충족하는 것이 목표다.

◆순환경제모델 구축

태양광 모듈의 친환경 또는 새로운 구조로의 설계 혁신을 통해 태양광 모듈에서 발생하는 유가금속(Al, Cu, Si, Ag)을 100% 회수하고 이를 재활용하는 순환경제 모델 구축도 필요하다.

또한 재사용 가능한 노후태양광 모듈의 선별과 성능복구로 기존 사용수명을 높이는 방법도 있다.

2030년까지 모듈 재활용률 85%를 확보하고 2050년까지 100%를 확보할 계획이며 2025년까지 불량 모듈을 판정할 수 있는 품질 및 안정성 기준을 개발하고 2050년에는 KS에 편입시키는 방법이 로드맵에 담겼다.

◆수용성 확보…계통 유연성 확보 및 규제개선

우리나라는 온실가스감축계획(NDC) 상향 및 2050 탄소중립 실현을 선언한 바 있다. 이를 위해 태양광 보급은 2050년까지 400GW 이상 필요한 것으로 알려졌다.

태양광 보급 확대를 위해서는 전력 계통의 유연성 및 주민 수용성 확보가 필요하다. 또한 태양광 관련 표준화와 인증 체계의 고도화, 이격거리 규제개선 등 보급 확대를 위한 토대 마련이 중요하다.

로드맵에는 태양광 발전단지 연계 계통의 안정성과 유연성 확보를 위해 2030년까지 출력조절 및 계통 관성 조절을 위한 지능형 인버터를 개발·적용하는 방안이 포함됐다. 또 2040년까지 가상 관성이 확보된 그리드 포밍 인버터의 개발 및 도입도 담겼다.

국제표준화에 대한 대응과 신시장 기준을 마련하는 것도 필요하다.

2030년까지 신규 태양전지 모듈 측정 및 시스템 설계·시공·안전기준의 표준화를 만들고 2050년까지 태양광 시스템의 국제표준화에 대응하려 한다.

아울러 태양광 공급확대를 위해 2030년까지 인허가 통합지원 플랫폼 구축 및 제공 등 수용성을 확보하고 2050년까지 태양광 보급 400GW 이상을 달성한다는 방침이다.