태양광 발전(PV) 시장 통찰력: 2025-2037년 글로벌 생산 동향, 무역 분석 및 선도 기업

PV 구성 요소 제조 능력 비교 분석:

폴리실리콘 생산에 대한 하향식 분석

고순도 폴리실리콘은 일반적으로 태양광 웨이퍼, 실리콘, 반도체 및 알루미늄 합금 제조에 사용되는 야금 등급 실리콘을 정제하여 얻습니다. MGS 공급업체는 공급 및 순도 수준을 보장하기 위해 종종 후방 통합을 통해 석영 광산의 상당 부분을 소유하고 있습니다. 또한, MSG 가공은 일반적으로 에너지 집약적이기 때문에 말레이시아, 노르웨이, 미국 및 중국 신장 위구르 자치구와 같이 풍부하고 저렴한 전력원을 갖춘 지역에서 생산되는 것이 필수적입니다. 현재 중국은 전 세계 MGS 생산 용량의 70% 이상을 차지하며 시장을 장악하고 있으며, 10개 중국 기업이 국내 생산 용량의 35%를 차지하고 있으며, 상위 5개 기업이 약 25%를 차지하고 있습니다.

주요 MGS 제조 지역 및 생산 용량(천 톤)

출처: 미국 에너지부

북미 주요 경쟁사별 MGS 생산량(2022년)

폴리실리콘의 주요 사용 사례는 태양광 발전(수요의 80% 차지)이며, 다른 사용 사례는 반도체 및 가전제품입니다. 여러 가지 폴리실리콘 생산 기술이 있지만, 두 가지 일반적인 접근 방식이 시장 점유율이 가장 높은 것으로 알려져 있습니다. 유동층 반응기(FBR) 방식은 시장 점유율 3~5%를 차지하며, 지멘스 화학 기상 증착(CVD) 방식은 90%의 점유율을 기록하고 있습니다. 지멘스 공정은 가열된 실리콘 필라멘트 위로 실란 전구체 또는 기체 상태의 트리클로로실란(TCS)을 통과시키는 공정입니다. 회수된 화합물은 추가 가공을 통해 폴리실리콘을 합성합니다. 거의 모든 폴리실리콘 생산 능력은 10개국에 걸쳐 있으며, 중국은 전 세계 생산 능력의 72%를 점유하고 있습니다.

중국 내 주요 공급국의 존재는 폴리실리콘을 포함한 부품 가격 결정에 중요한 역할을 합니다. 미국 에너지정보청(EIA)에 따르면 폴리실리콘 가격은 2020년 6월 kg당 6.27달러에서 2021년 6월 kg당 28.46달러로 세 배 상승했습니다. 이는 웨이퍼 및 셀 생산 능력 확대로 인한 수급 불균형 때문입니다. 폴리실리콘이 심각한 병목 현상으로 부상함에 따라, 셀 및 웨이퍼 생산업체와 같은 다운스트림 기업들은 예상 수요에 대응하기 위해 전략적으로 폴리실리콘 공급을 비축해 왔습니다. 이는 주로 중국의 유틸리티 규모 설비 확충에 따른 것입니다. 발표된 프로젝트들을 기반으로 볼 때, 향후 몇 년 동안 폴리실리콘 생산 능력은 두 배로 증가할 것으로 예상됩니다. 새로 건설되는 발전소 중 일부는 연간 3만~7만 톤의 생산 용량을 갖추고 있으며, 10만 톤 이상의 생산 용량을 갖춘 시설을 건설할 계획이 예상됩니다.

중국 기업들은 토지, 전기, 인건비가 저렴한 지역에 생산 시설을 설립하고 생산함으로써 폴리실리콘 가격을 낮추는 데 적극적으로 나서고 있습니다. 내몽골, 칭하이, 쓰촨, 특히 신장 위구르 자치구 등 서부 지역에 폴리실리콘 생산 시설이 상당히 많이 건설되어 있습니다. 신장 위구르 자치구는 현재 중국이 전 세계 생산량의 54%와 39%를 차지하고 있습니다. 2022년까지 진행 중인 프로젝트를 기반으로 중국의 전체 태양광 PV 구성 요소 생산량 추정치는 아래와 같습니다.

중국의 낮은 인건비와 집중된 c-Si PV 공급망은 다른 업체들에게 진입 장벽으로 작용했습니다. 미국에서는 인건비가 제조 비용의 22%를 차지하는 반면 중국은 8%에 불과합니다. 또한, 웨이퍼 제조 비용에서 미국은 36%, 중국은 23%, 그리고 셀 제조 비용에서 미국은 33%를 차지하는 반면 중국은 8%에 불과합니다.

c-Si 및 CdTe 생산 및 세계 무역:

2020년 미국이 수입한 c-Si 및 CdTe 모듈의 75% 이상은 베트남, 말레이시아, 태국 등 동남아시아 3개국에서 수입되었으며, 나머지는 한국에서 수입되었습니다. 이러한 동남아시아 국가들은 상류 중국 공급망에 크게 의존하고 있습니다. 2020년 기준 미국의 실리콘 태양 전지 운영 용량은 제한적이었습니다. 그러나 미국에서는 다음과 같은 상류 제조가 인기를 얻었고 국가의 태양광 수요 급증에 중요한 역할을 했습니다. SEIA에 따르면 2019년에는 8.6GW 규모의 설치가 완료되어 전년 대비 21%의 성장을 보였습니다.

출처: NRELupdate of (Smith et al. 2021)

높은 자본 지출 및 인건비 등 글로벌 PV 공급망의 공백으로 인해 거의 모든 c-Si 원자재 및 부품은 동남아시아 국가에서 서방 국가로 수입됩니다. 이러한 수입 비용은 총 제조 비용의 약 11%를 차지합니다. 국내 PV 공급망을 구축하면 이러한 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 웨이퍼 및 잉곳 조립 라인의 자동화를 통해 비용 차이를 줄일 수 있는 방법이 있습니다. 2024년 2월, First Solar는 미국 CdTe 박막에 100억 달러를 투자할 계획을 발표했습니다. 2023년 이후 회고 수치를 보면 모듈 생산 용량에 27억 5천만 달러의 가치, 9억 달러의 경제적 가치, 그리고 20억 달러의 생산량이 추가되었습니다.

잉곳 및 웨이퍼

2020년 중국 10개 기업이 전체 태양광 웨이퍼의 98%를 생산했으며, 그중 LONGi, GCL, Zhonghuan 등 3개 기업이 전체 생산량의 71%를 차지했습니다. 2016년부터 2020년까지 이들 기업의 총 생산량은 29GWdc(전 세계 생산량의 29%)에서 173GWdc(전 세계 생산량의 58%)로 증가했습니다. 이러한 추세에 힘입어 단결정 태양광 모듈 시장 점유율도 빠르게 증가했습니다.

또한, 중국 7개 성(省)은 10GWdc의 웨이퍼 생산 용량을 보유한 것으로 나타났습니다. 특히 상하이 북쪽에 위치한 장쑤성은 중국 전체 웨이퍼 용량의 28%를 차지했으며, 중국 외 동아시아 지역은 전 세계 웨이퍼 용량의 10GWdc를 담당하고 있습니다. 중국에 본사를 둔 진코솔라는 베트남에 7GWdc 규모의 웨이퍼 및 잉곳 생산 시설 건설 계획을 발표했습니다. 이는 말레이시아의 셀 생산 운영과 미국의 모듈 조립을 효율화하기 위한 것입니다. 진코솔라는 미국의 수입 원자재 무역 제한을 우회하기 위해 2020년에 이 프로젝트를 시작했다고 밝혔습니다. 이러한 전략적 확장은 변화하는 무역 역학에 대응하면서 탄탄한 공급망을 구축하려는 진코솔라의 노력을 보여줍니다.

모듈 및 셀

새로운 제조 세액 공제 제도 시행 이후, 잉곳, 모듈, 웨이퍼, 셀을 포함한 전체 태양광 모듈 공급망을 구축하고 확장하기 위한 투자가 크게 증가했습니다. 연방 제조업 장려책이 시행되기 전에는 폴리실리콘 생산 용량이 약 16.6GW 또는 연간 41,500MT, 모듈 생산 용량이 연간 7GW였습니다. 2019년 이후 처음으로 셀 생산이 국내에서 이루어졌으며, 2025년 말까지 추가 셀 생산 용량이 가동될 것으로 예상됩니다. 현재까지 모듈 생산량은 가파른 성장을 보였으며, 연방 제조 세액 공제 이전 7GW에서 2024년 12월 44.4GW로 증가하여 500% 이상 증가했습니다.

운영 중인 프로젝트, 건설 중인 프로젝트, 그리고 발표된 프로젝트를 포함한 미국의 전체 모듈 공급망은 약 81.6GW로 추산됩니다. 태양광 모듈 공급망 구축은 적합성 평가 기간, 허가, 건설 및 시운전 등의 절차로 인해 지연되고 있습니다. 공급망의 상위 단계로 갈수록 건설 기간이 길어집니다. 향후 몇 년간 신규 공장 확장은 계속될 것으로 예상됩니다.

2022년 인도는 중국으로부터의 수입이 크게 감소한 유일한 국가였으며, 이는 전년 대비 76% 또는 -7.5GW 감소의 원인이 되었습니다. 2022년 상반기에는 2.3GW에서 9.8GW 감소했습니다. 또한, 관세 부과를 포함한 엄격한 정부 규제로 인해 수입에서 국내 제조 설비 가동으로 전환되었습니다. 그 이후 인도의 국내 태양광 모듈 생산 능력이 확대되었으며, 인도는 세계 태양광 모듈 및 패널 수출에서 새로운 기준을 제시했습니다. (터키어)

중국에 대한 부품 공급 의존도를 낮추기 위한 지속적인 노력에도 불구하고, 중국의 태양광 패널 수출은 2023년 상반기에 34% 급증했습니다. 이는 유럽과 남아프리카공화국의 높은 에너지 수요를 충족하는 데 매우 중요합니다. 청정 에너지 전환에 대한 관심이 높아짐에 따라 중국의 태양광 수출 의존도는 더욱 높아졌습니다. 수출량 90.4% 중 유럽이 가장 큰 수입국(58%)으로 부상했으며, 브라질이 2023년 상반기에 중국산 태양광 패널 9.5GW를 수입했습니다. 아프리카는 정부가 고조되는 에너지 위기를 완화할 방안을 모색하고 있는 가운데, 중국이 현존하는 수요-공급 불균형을 적극적으로 활용함에 따라 187%의 가장 빠른 수입 증가율을 기록할 것으로 예상됩니다.

2023년 상반기 중국의 태양광 수출량(달러 기준 점유율(%))

출처: Ember 에너지

태양광 PV 시장의 기하급수적인 성장은 세계 반도체 시장에 긍정적인 영향을 미치고 있습니다. 2022년 태양광 PV 장치는 전 세계에서 33번째로 많이 거래된 품목이었으며, 전체 거래 규모는 877억 달러였습니다. 2021년에서 2022년 사이 태양광/감광/LED 반도체는 720억 달러에서 877억 달러로 21.9% 성장하여 전 세계 무역량의 0.37%를 차지했습니다.

태양광 및 LED 반도체 소자 세계 무역

출처: OEC

태양광/LED 반도체 소자 세계 무역

출처: OEC

태양광 발전 수명 종료(EOL)

전력망의 탈탄소화에 대한 관심이 높아짐에 따라 전 세계적으로 태양광 발전 및 저장 용량이 비례적으로 증가했습니다. 참고로, 탈탄소화 목표를 달성하려면 미국은 2025년부터 2030년까지 매년 30GWac의 발전 설비를 설치해야 합니다. 2021년에는 19GW의 태양광 발전 용량이 설치되었고, 누적 용량은 100GW에 달했습니다. 이는 향후 몇 년 동안 신규 시스템 설치가 급증할 가능성이 있음을 시사합니다.

PV 시스템의 수명은 약 25~35년이지만, 모듈을 포함한 일부 시스템 구성 요소는 이미 폐기물로 분류되고 있습니다. 더욱이, 모듈은 기상 손상, 제조 과정의 결함, 또는 설치 오류로 인해 수명이 다합니다. 2050년 말까지 연간 PV 모듈의 EOL(수명 종료)량은 미국 연간 도시 전자 폐기물의 최대 12%에 달할 것입니다. PV 모듈 재료의 99%는 무해하며, 95%는 현존하는 기술을 통해 완전히 재활용 가능합니다. 이는 환경 영향이 적고 안전한 EOL 재료 처리 방법을 위한 탄탄한 기반을 마련합니다. 현재 EOL 처리 공정은 재활용에 불리합니다. PV 모듈을 폐기물 발전기로 재활용하는 데 드는 비용은 모듈당 15~45달러로, 모듈당 1~5달러의 매립 비용보다 훨씬 높습니다. 이는 폐기물 처리 방식에 대한 연방 및 주 정부 정책에 영향을 미칠 가능성이 높습니다.

출처: IRENA

실행 계획 적용 범위

2021년 6월, 태양에너지기술국(SETO)은 PV 폐기물 관리 업계의 EOL 처리 관련 주요 과제에 대한 의견을 수렴하기 위해 RFI를 발행했습니다. 응답, 전문가 인터뷰, 문헌 검토를 통해 PV EOL 관행을 간소화하고 최적화하기 위한 잠재적인 연구 분야를 파악했습니다. 응답자들은 EOL 처리 및 재료 회수 향상을 위한 분리 기술 개발에 있어 정책의 역할을 강조했습니다.

하드웨어 설계, 데이터 수집 및 분석 분야의 주요 과제에 대한 이해관계자들의 의견을 수렴하고, EOL 관리에서 DOE의 역할을 파악한 후, SETO는 2021년에 5개년 실행 계획을 발표했습니다.

2021년 다개년 프로그램 계획은 2021년 PV EOL 워크숍과 RFI 피드백을 바탕으로 수립되었습니다. 순환 경제 활성화를 위한 다음과 같은 요소에 중점을 두고 있습니다.

• 데이터 수집 및 분석: 모델링된 폐기물 양 및 처리량을 바탕으로 현실적인 수거, 분류, 운송 및 자재 회수의 필요성이 분명합니다. SETO는 2025년 말까지 수집된 10MW 규모의 PV EOL 데이터를 포함하는 독립형 데이터베이스를 구축하고 포괄적인 데이터 표준을 구현하는 것을 목표로 합니다. 또한, 기밀이 아닌 데이터는 폐기물 관리, 태양광 및 정책 관계자에게 공개될 예정입니다.
• 하드웨어 개발 및 공정 연구: SETO는 원자재 및 에너지 사용 효율 개선을 통해 EOL 소재 처리에 필요한 자원을 최소화하고 부품 수명을 연장하는 데 중점을 둡니다. 또한, 강철, 구리, 알루미늄을 EOL 시점에 고철 시장에 판매할 것을 권장합니다. 그러나 금속화 공정에서 은을 회수하고 백시트를 포함한 폴리머 및 복합재를 분리하는 작업은 재료 회수가 어려울 수 있는 분야 중 일부입니다. 회수율 향상과 동시에 회수 비용 부담을 최소화하기 위한 연구는 태양광 발전 재활용의 경제성을 개선하는 데 도움이 될 것으로 예상됩니다.