태양광(PV) 시장 규모 및 전망, 제품 유형별(박막, 다결정 실리콘, 단결정 실리콘), 최종 용도별(주거용, 상업용, 공공시설용), 설치 현황, 전력망 연계 - 성장 추세, 주요 업체, 지역별 분석 (2026-2035)

태양광 부품 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. 안정적인 공급과 높은 순도를 확보하기 위해 MGS 공급업체는 종종 수직적 통합을 통해 석영 광산의 상당 부분을 소유합니다. 또한 MGS 가공은 일반적으로 에너지 집약적이므로 말레이시아, 노르웨이, 미국, 중국 신장 지역과 같이 풍부하고 저렴한 전력 자원을 보유한 지역에서 생산해야 합니다. 현재 중국은 전 세계 MGS 생산 능력의 70% 이상을 차지하며 시장을 장악하고 있으며, 10개 중국 기업이 국내 생산 능력의 35%를, 상위 5개 기업이 약 25%를 차지하고 있습니다.

주요 MGS 제조 시설 및 생산 능력(천 톤)

출처: 미국 에너지부

북미 MGS 주요 제작사별 생산량 (2022)

폴리실리콘의 주요 용도는 태양광 발전(수요의 80% 차지)이며, 그 외 반도체 및 가전제품에 사용됩니다. 폴리실리콘 생산 기술은 다양하지만, 시장 점유율이 가장 높은 두 가지 방식이 있습니다. 유동층 반응기(FBR) 방식은 시장 점유율의 3~5%를 차지하고, 지멘스 화학 기상 증착(CVD) 방식은 90%를 차지합니다. 지멘스 공정은 가열된 실리콘 필라멘트 위로 실란 전구체 또는 기체 트리클로로실란(TCS)을 통과시키는 방식입니다. 회수된 화합물은 추가 공정을 거쳐 폴리실리콘으로 합성됩니다. 폴리실리콘 생산 능력은 거의 대부분 10개 국가에 집중되어 있으며, 그중 중국이 전 세계 생산량의 72%를 차지합니다.

중국 내 주요 공급처의 존재는 폴리실리콘을 포함한 부품 가격을 결정하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 미국 에너지정보청(EIA)에 따르면 폴리실리콘 가격은 2020년 6월 kg당 6.27달러에서 2021년 6월 kg당 28.46달러로 세 배나 상승했습니다. 이는 웨이퍼 및 태양전지 생산 설비 확충으로 인한 공급/수요 불균형 때문입니다. 폴리실리콘이 주요 병목 현상으로 부상하면서, 태양전지 및 웨이퍼 제조업체와 같은 하류 업체들은 중국의 대규모 발전소 건설 확산에 따른 예상 수요를 충족하기 위해 전략적으로 폴리실리콘 재고를 확보해 왔습니다. 발표된 프로젝트들을 보면, 향후 몇 년 동안 폴리실리콘 생산 능력은 두 배로 증가할 것으로 예상됩니다. 새로 건설되는 공장 중 일부는 연간 3만~7만 톤의 생산 능력을 갖추고 있으며, 10만 톤 이상의 생산 능력을 갖춘 시설 건설 계획도 예상됩니다.

중국 기업들은 저렴한 토지, 전기, 노동력을 확보할 수 있는 지역에 제조 시설을 설립하고 생산함으로써 폴리실리콘 가격을 낮추는 데 주력해 왔습니다. 특히 내몽골, 칭하이, 쓰촨, 그리고 신장 지역을 포함한 서부 성들에 상당한 규모의 생산 시설이 건설되었으며, 현재 전 세계 폴리실리콘 생산량의 54%와 39%를 차지하고 있습니다. 2022년까지 진행 중인 프로젝트를 기준으로 추정한 중국의 전체 태양광 PV 부품 생산량은 아래와 같습니다.

중국의 낮은 노동 비용과 집중된 결정질 실리콘(c-Si) 태양광 공급망은 다른 업체들의 진입 장벽으로 작용해 왔습니다. 미국에서는 노동 비용이 제조 비용의 22%를 차지하는 반면 중국은 8%에 불과합니다. 웨이퍼 제조 비용에서 노동 비용이 차지하는 비중은 미국이 36%인 반면 중국은 23%에 그치고, 셀 제조 비용에서 노동 비용이 차지하는 비중은 미국이 33%인 반면 중국은 8%에 불과합니다.

c-Si 및 CdTe 생산 및 글로벌 무역:

2020년 미국이 수입한 결정질 실리콘(c-Si) 및 카드뮴 테라튬(CdTe) 모듈의 75% 이상은 베트남, 말레이시아, 태국 등 동남아시아 3개국에서 생산되었고, 나머지는 한국에서 수입되었습니다. 이들 동남아시아 국가들은 중국의 공급망에 크게 의존하고 있습니다. 2020년 당시 미국의 실리콘 태양전지 생산 능력은 제한적이었습니다. 그러나 미국 내 관련 산업이 성장하면서 급증하는 태양광 수요에 중요한 역할을 했습니다. 동남아시아 태양광산업협회(SEIA)에 따르면 2019년 8.6GW 규모의 태양광 발전 설비가 설치되었으며, 이는 전년 대비 21% 증가한 수치입니다.

출처: NRELupdate (Smith et al. 2021)

높은 자본 지출과 인건비 등 글로벌 태양광 공급망의 여러 문제점으로 인해, 거의 모든 결정질 실리콘(c-Si) 원자재와 부품은 서방 국가로 동남아시아에서 수입되고 있습니다. 이러한 수입 비용은 총 제조 비용의 약 11%를 차지합니다. 국내 태양광 공급망이 구축되면 이러한 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 웨이퍼 및 잉곳 조립 라인의 자동화를 통해 비용 격차를 줄일 수 있는 방안이 있습니다. 2024년 2월, 퍼스트솔라는 미국 내 카드뮴 테라튬(CdTe) 박막에 100억 달러를 투자할 계획을 발표했습니다. 2023년 기준, 이 투자로 모듈 생산 능력은 27억 5천만 달러, 경제적 가치는 9억 달러, 총 생산량은 20억 달러 증가했습니다.

잉곳과 웨이퍼

2020년 중국 기업 10곳이 전체 태양광 웨이퍼 생산량의 98%를 차지했으며, 그중 롱기(LONGi), GCL, 중환(Zhonghuan) 세 기업이 71%의 생산 능력을 확보했습니다. 이들 기업은 2016년부터 2020년까지 생산 능력을 29GWdc(전 세계 생산량의 29%)에서 173GWdc(전 세계 생산량의 58%)로 확대했습니다. 이러한 성장세는 단결정 태양광 모듈 시장 점유율의 급속한 증가로 이어졌습니다.

또한, 중국 7개 성에 10GWdc 규모의 웨이퍼 생산 능력이 집중되어 있습니다. 특히 상하이 북쪽에 위치한 장쑤성은 중국 전체 웨이퍼 생산 능력의 28%를 차지하며, 중국 외 지역에서는 동아시아가 전 세계 웨이퍼 생산 능력의 10GWdc를 차지하고 있습니다. 중국에 본사를 둔 진코솔라는 베트남에 7GWdc 규모의 웨이퍼 및 잉곳 생산 시설을 건설할 계획을 발표했습니다. 이는 말레이시아에서의 셀 생산과 미국에서의 모듈 조립 공정을 효율화하기 위한 것입니다. 진코솔라는 미국으로부터의 수입 자재 무역 제한을 우회하기 위해 2020년에 이 프로젝트를 시작했다고 밝혔습니다. 이러한 전략적 확장은 변화하는 무역 환경 속에서 견고한 공급망을 구축하려는 진코솔라의 노력을 보여줍니다.

모듈과 셀

새로운 제조업 세액 공제 제도가 시행된 이후, 잉곳, 모듈, 웨이퍼, 셀을 포함한 전체 태양광 모듈 공급망 구축 및 확장에 상당한 투자가 유입되었습니다. 연방 제조업 인센티브 시행 이전에는 폴리실리콘 생산 능력이 약 16.6GW(연간 41,500톤)였고, 모듈 생산 능력은 연간 7GW였습니다. 셀 생산은 2019년 이후 처음으로 국내에서 이루어졌으며, 2025년 말까지 추가적인 셀 생산 능력이 확보될 것으로 예상됩니다. 현재까지 모듈 생산량은 연방 제조업 세액 공제 시행 전 7GW에서 2024년 12월 44.4GW로 급증하여 500% 이상의 증가율을 기록했습니다.

운영 중이거나 건설 중이거나 발표된 프로젝트를 모두 포함한 미국 내 태양광 모듈 공급망 전체 규모는 약 81.6GW에 달하는 것으로 추산됩니다. 태양광 모듈 공급망 구축은 적합성 평가 기간, 인허가, 건설 및 시운전 등으로 인해 더디게 진행됩니다. 공급망 상위 단계로 갈수록 구축 기간이 길어집니다. 향후 몇 년 동안 신규 공장 확장은 계속될 것으로 예상됩니다.

2022년 인도는 중국으로부터의 수입량이 전년 동기 대비 76% 또는 -7.5GW 감소하는 큰 폭의 하락세를 보인 유일한 국가였습니다. 2022년 상반기에만 2.3GW에서 9.8GW로 총 감소했습니다. 더욱이, 관세 부과를 포함한 엄격한 정부 규제로 인해 수입 의존도에서 국내 생산 능력 활용으로의 전환이 이루어졌습니다. 이후 인도의 태양광 모듈 생산 능력은 크게 향상되었으며, 인도는 세계 태양광 모듈 및 패널 수출에서 벤치마크를 세웠습니다.

부품 공급 측면에서 중국 의존도를 줄이기 위한 지속적인 노력에도 불구하고, 중국의 태양광 패널 수출은 2023년 상반기에 34% 급증했습니다. 이는 유럽과 남아프리카공화국의 높은 에너지 수요를 충족하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 청정에너지 전환에 대한 관심이 높아지면서 중국산 태양광 패널 수출에 대한 의존도가 더욱 증가했습니다. 전체 수출량의 90.4%를 차지하는 중국산 태양광 패널의 최대 수입국은 유럽(58%)이며, 브라질이 2023년 상반기에 9.5GW를 수입하며 그 뒤를 이었습니다. 아프리카는 에너지 위기 완화를 위한 방안을 모색하는 정부들 사이에서 수입 증가율이 187%로 가장 높은 수준을 기록할 것으로 예상되는 반면, 중국은 현재의 수요-공급 불균형을 적극적으로 활용하고 있습니다.

2023년 상반기 중국의 태양광 수출액, 시장 점유율(%) (달러 기준)

출처: 엠버 에너지

태양광 발전 시장의 폭발적인 성장은 세계 반도체 시장에 긍정적인 영향을 미치고 있습니다. 2022년 반도체 기기는 전 세계에서 33번째로 많이 거래된 제품으로, 총 거래액은 877억 달러에 달했습니다. 2021년에서 2022년 사이 태양광/감광/LED 반도체 시장은 720억 달러에서 877억 달러로 21.9% 성장했으며, 이는 전 세계 총 거래액의 0.37%를 차지했습니다.

태양광 및 LED 반도체 소자 글로벌 무역의 연간 성장률

출처: OEC

태양광/LED 반도체 소자 글로벌 무역

출처: OEC

태양광 발전 시스템의 수명 종료(EOL)

전력망 탈탄소화에 대한 관심이 높아짐에 따라 전 세계적으로 태양 에너지 발전 및 저장 용량이 비례적으로 증가하고 있습니다. 예를 들어, 미국은 탈탄소화 목표를 달성하기 위해 2025년부터 2030년까지 매년 30GWac의 태양광 발전 설비를 설치해야 합니다. 2021년에는 19GW의 태양광 발전 설비가 설치되었고, 미국 내 누적 설치 용량은 100GW에 달했습니다. 이는 향후 몇 년 동안 신규 시스템 설치가 급격한 속도로 증가할 가능성이 높다는 것을 의미합니다.

태양광 발전 시스템의 수명은 약 25~35년이지만, 모듈을 포함한 일부 시스템 구성 요소는 이미 폐기물로 버려지고 있습니다. 더욱이 모듈은 기상 손상, 제조상의 결함 또는 설치 오류로 인해 수명이 다합니다. 2050년 말까지 미국에서 발생하는 연간 태양광 모듈 폐수량은 연간 도시 전자 폐기물의 최대 12%에 달할 것으로 예상됩니다. 태양광 모듈 재료의 99%는 무해하며, 95%는 현재 기술로 완전 재활용이 가능합니다. 이는 환경에 미치는 영향을 최소화하고 안전한 폐자재 처리 방법을 위한 견고한 기반을 제공합니다. 그러나 현재의 폐자재 처리 과정은 재활용에 불리합니다. 폐기물 발생자가 부담하는 태양광 모듈 재활용 비용은 모듈당 15~45달러로, 모듈당 1~5달러인 매립 비용보다 훨씬 높습니다. 이는 결국 폐기물 처리 방식에 대한 연방 및 주 정부 정책에 영향을 미칠 가능성이 큽니다.

출처: IRENA

실행 계획 적용 범위

2021년 6월, 태양 에너지 기술 사무국(SETO)은 태양광 발전 설비의 수명 주기 종료(EOL) 폐기물 처리와 관련된 주요 과제에 대한 의견을 수렴하기 위해 정보 요청서(RFI)를 발표했습니다. 접수된 답변, 전문가 인터뷰, 문헌 검토를 통해 태양광 발전 설비의 EOL 처리 방식을 간소화하고 최적화할 수 있는 잠재적 연구 분야를 파악했습니다. 답변에서는 EOL 처리 정책의 중요성과 물질 회수율을 높이기 위한 분리 기술 개발의 필요성이 강조되었습니다.

SETO는 하드웨어 설계, 데이터 수집 및 분석에서 흔히 발생하는 문제점과 EOL 관리에서 DOE의 역할에 대한 이해관계자들의 의견을 수렴하여 2021년에 5개년 실행 계획을 발표했습니다.

2021년 다년 프로그램 계획은 2021년 태양광 발전 수명 종료 워크숍 및 정보 요청(RFI) 피드백을 바탕으로 수립되었습니다. 이 계획은 순환 경제를 위한 다음과 같은 핵심 요소에 중점을 두고 있습니다.

• 데이터 수집 및 분석: 모델링된 폐기물량과 처리 방식을 기반으로 현실적인 수거, 분류, 운송 및 자원 재활용의 필요성이 분명해졌습니다. SETO는 2025년 말까지 10MW 규모의 태양광 발전 설비 수명 종료(EOL) 데이터를 수집하여 독립적인 데이터베이스를 구축하고 포괄적인 데이터 표준을 시행하는 것을 목표로 합니다. 또한, 기밀이 아닌 데이터는 폐기물 관리, 태양광 및 정책 관련 커뮤니티에 공개될 예정입니다.
• 하드웨어 개발 및 공정 연구: SETO는 원자재 및 에너지 사용 효율을 개선하여 수명이 다한(EOL) 자재 처리에 필요한 자원을 최소화하고 부품 수명을 연장하는 데 중점을 두고 있습니다. SETO는 수명이 다한 강철, 구리, 알루미늄은 고철 시장에 판매할 것을 권장합니다. 그러나 금속화 과정에서 은을 회수하고, 폴리머 및 복합재료(백시트 포함)를 분리하는 것은 재료 회수에 어려움이 있는 분야입니다. 회수율을 높이면서 회수 비용 부담을 최소화하는 연구는 태양광 발전 재활용의 경제성을 개선하는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다.