[위즈덤 에너지] 아직까지 갈 길이 먼 태양광 발전 산업
[위즈덤 아고라 / 김현동 기자] 전 세계에서 이상기후 현상으로 인해 인명, 재산 등 여러 피해를 보고 있다. 영국의 경우 올해 7월부터 비정상적이며 전례 없는 폭염이 닥쳤으며 우리나라는 홍수, 힌남노 등 자연재해 현상들이 빈번하게 일어나는 것을 볼 수 있다. 초고속 발전과 산업화, 화석 연료의 사용에 대한 빈약한 규제 등 인류의 경제활동으로 인해 벌어진 여러 문제들이 복합적으로 작용하면서 환경파괴에 대한 심각성이 높아지고 있다. 전 세계적으로 벌어지는 이상기후와 자연재해 현상들이 이미 우리 인간한테 경고를 보내고 있다. 환경 문제의 주원인인 이산화탄소의 배출을 줄이기 위해 많은 국가들이 신재생 에너지 사업에 투자하고 있지만 이 또한 문제점이 없는 것은 아니다.
태양광 에너지는 가장 흔히 접해볼 수 있는 신재생 에너지로 태양 전지가 태양 빛을 흡수해 전기로 전환시키는 것이다. 태양 전지의 간단한 원리는 빛이 태양전지에 닿으면 광전효과로 인해서 전자와 정공이 발생하게 되고 전자와 정공은 각각 n형 반도체, p형 반도체로 분리되게 되면서 전압이 발생하게 된다. 이때 정공이란 전자가 빛이나 열 등의 에너지를 받아서 움직일 때 전자가 빠진 구멍 즉 비어있는 자리를 말한다. 전압 발생으로 태양전지 내에 전류가 흐르게 되면서 전력을 생산할 수 있게 되는 것이다. 태양전지는 반도체 소재와 태양전지의 구조에 따라 분류하게 된다. 소재로는 대표적으로 실리콘 계열과 화합물 계열로 나뉘고 구조 같은 경우 결정질이랑 박막형으로 나뉘게 된다. 결정질 내에서도 다결정과 단결정으로 나뉜다.
친환경적이며 거의 영구적으로 에너지 공급이 가능해 태양광 산업은 많은 각광을 받으며 발전해왔다. 여러 뉴스 기사들을 보면 우리나라 연구진의 태양 전지 효율 향상 발표 등 대부분 긍정적으로 보도되어 기록적인 측면만 봤을 때 태양광 산업은 성공적이고 발전 가능성이 매우 높은 산업이라는 생각이 든다. 하지만 아직까지 해결하지 못한 태양광 에너지의 근본적인 문제점들과 단점들이 존재한다.
태양광 산업의 가장 큰 단점으로는 시간적과 공간적 제약을 받는다는 것이다. 햇빛이 있는 낮에만 전력을 생산할 수 있기 때문에 해가 지면 전력 생산이 불가능하며 낮의 길이가 짧은 겨울의 경우는 전력 생산량이 더욱 감소한다. 그리고 구름이 끼거나 비가 내리면 이 역시 전기를 생산하는 양이 줄어든다. 햇빛이 존재해야 된다는 가정하에 태양광 발전을 설치하는데 적합한 곳은 365일 화창한 날씨를 가지는 장소로 사막이 있는 중동을 생각할 수 있다. 거의 비가 내리지 않고 태양 빛이 강하며 사용할 수 있는 땅이 넓기 때문에 적합한 장소라 생각할 수 있지만 사막에 설치하는 것은 두 가지 문제점이 있다. 첫 번째랑 온도에 따른 태양 전지의 효율로 섭씨 25도에서 태양전지가 최대 효율을 낼 수 있지만 1도 증가할 때마다 효율이 0.5%씩 감소한다. 섭씨 50도를 넘어가는 사막에서 태양 전지의 효율은 낮아질 수밖에 없다. 두 번째로 황사ㅘ 모래먼지가 많은 사막에서 태양 전지의 표면이 긁혀 효율이 낮아질 수 있으며 패널 위에 모래가 쌓이면 햇빛이 들어와도 모래 입자 때문에 반사되어 높은 효율이 안 나올 수 있다.
태양광 발전의 가장 핵심은 낮은 효율성이다. 태양전지 시장에서 제일 많이 사용하는 종류로 실리콘 단결정 태양전지와 실리콘 다결정 태양전지가 있다. 단결정 실리콘 태양전지는 실리콘의 배열이 배열 방향이 일정하고 규칙적이어서 전자의 흐름에 방해가 적어 효율이 20% 정도로 실리콘 종류 중에 높은 편이다. 복잡한 공정을 거쳐야 되기 때문에 가격이 높다. 다결정 실리콘 태양전지는 실리콘 원자의 배열이 균일하지 않고 전자의 흐름이 원활하지 못해 효율성이 낮지만 단결정질에 비해 공정이 간단해 가격이 저렴하다. 그럼에도 가장 중요한 변환효율이 낮다. 효율성이 20%라는 것은 최고의 조건에서 최대 뽑아낼 수 있는 효율로 시간과 공간의 변수가 더해지면 효율성은 20%보다 더 아래일 수밖에 없다. 낮은 효율로 인해 패널의 개수를 늘리면 면적이 넓어지게 되고 이로 인해 땅을 많이 차지한다.
우크라이나 전쟁으로 인해 러시아산 에너지에 제재가 들어가게 되면서 많은 나라들이 에너지 공급에 대한 어려움을 빚고 있으며 프랑스의 경우 부족한 에너지원을 원전으로 채우겠다고 발표했다. 아직 태양광 발전은 낮은 효율로 원활한 에너지 공급원이 되기에는 갈 길이 멀다.
비록 아직 태양광 산업에는 해결해야 할 숙제가 많이 남아있지만 현재 심각해지는 환경 문제를 해결하기 위해 더 많은 연구와 개발이 진행되어 원활한 에너지 공급원이 될 수 있도록 기업뿐만 아니라 국가에서도 적극적인 투자를 해야 한다. 단일 실리콘 태양전지는 이미 최대 효율이 20%대로 효율적인 측면에서 한계에 달했지만, 신소재인 페로브스카이트를 이용한 태양전지와 다중접합 태양전지에 집중적으로 연구 및 투자를 하게 된다면 전력을 충분히 생산할 수 있다. 또한 불규칙한 전력 수요를 대비해 에너지 저장장치(ESS)를 활용하면 전기를 저장할 수 있어 필요할 때마다 사용해 전력을 효율적으로 사용할 수 있다. 아직 충전 및 방전 과정에서 화재가 빈번히 발생하며 비용 역시 높아 아직 이른 단계이지만 신재생 에너지의 상용화를 위해 이 역시 적극적인 투자가 필요하다.
[위즈덤 에너지] 기후위기로 더 이상 화석연료의 사용이 어려워진 가운데, 신재생 에너지는 선택이 아닌 필수가 되고 있습니다. 미래를 이끌 학생들에게 에너지 발전 및 소비에 대한 정보를 쉽게 이해할 수 있도록 칼럼을 연재합니다. 위즈덤 아고라 김현동 기자의 ‘위즈덤 에너지’로 새로운 에너지 소식을 만나보세요.
