신재생에너지 중에서도 가장 큰 성과가 기대되는 것이 바로 태양광발전이다. 일본 종합자원 에너지조사회 수급부회는 ‘장기 에너지 수급 전망’의 최대 도입 케이스(2008년 5월)에서 일본의 태양광발전 도입량을 원유로 환산 시 35만㎘(2005년도)에서 350만㎘(2020년도), 1300만㎘(2030년도)로 확대 할 전망이라고 밝혔다(<그림 1> 참조).
그러나 태양광발전이 직면하고 있는 과제 중 하나는 도입 비용이 높다는 것이다. 1994년부터 2005년에 걸쳐 일본의 경제산업성이 주택용 태양광발전 시스템의 도입 보조를 실시한 결과, 태양광발전의 보급이 진척되면서 태양광발전 시스템의 가격은 처음의 1/5까지 떨어졌다. 그러나 여전히 주택용 태양광발전 시스템(보기(補器), 시공비 포함)의 평균 가격은 ㎾당 약 70만 엔 정도이다. 예를 들어 일반 가정에서 3.5㎾ 시스템을 지붕에 설치할 경우 그 비용은 약 245만 엔이다. 발전 비용을 시산하면 ㎾h당 약 45엔으로, 이는 표준 종량전등 전기요금의 약 2배에 해당된다. 만약 태양광발전 비용이 종량전등 전기요금과 비슷해진다면 정책적 지원 없이도 많은 가정이 태양광발전을 도입함에 따라 태양광발전의 보급은 자연히 이루어질 것이다. 태양광발전 시스템의 가격 저감은 단기적으로는 시장 확대(수요 환기), 중장기적으로는 기술혁신 유도 등으로 이어질 것이다.
태양전지의 기술혁신
세계 태양광발전 시장의 급격한 확대로 인해 태양전지의 기술혁신은 놀라운 성과를 이루었다. 참여기업도 많아졌으며, 다양한 태양전지가 등장하고 있다. 여기서는 그 중 일부의 특징에 대해 논하고자 한다. (덧붙여 말하자면, 기술은 항상 진보 변화하며 여러 예외도 존재한다. 여기의 설명이나 표에 등장하는 효율 및 비용 등에 관한 평가는 필자의 주관적인 표현도 들어가 있기 때문에 하나의 참고 정보로만 활용하기 바란다.)
먼저 종전에는 단결정 실리콘 및 다결정 실리콘 태양전지가 주류를 이뤘다. 단결정 실리콘은 변환효율(태양광에너지를 전기로 바꾸는 효율)은 좋지만, 고가의 고순도 실리콘 단결정 웨이퍼를 이용하기 때문에 생산 비용이 높다. 이 때문에 최근에는 다결정 실리콘, 박막형 등이 부상하고 있다. 다결정 실리콘은 단결정 실리콘에 비해 생산 비용이 낮은 대신 효율도 낮아 모듈(다수의 태양전지 셀을 나열해 패널로 한 것)에서의 변환 효율은 15%에 조금 못 미친다. 박막 실리콘(미(微)결정 실리콘 등)의 경우 효율은 더욱 떨어져 10% 전후이지만, 생산 비용은 다결정 실리콘보다도 낮기 때문에 넓은 면적을 확보할 수 있는 공장이나 사업장의 지붕 등에서는 박막 실리콘이 유리한 경우가 있다. 박막 실리콘의 한 종류로 비정질(어모퍼스, Amorphous) 실리콘이 있다. 비정질 실리콘에는 가볍고 구부러지는 필름 태양전지도 발매되고 있다. 다소 비용은 들더라도 효율을 높이기 위해 결정질 실리콘과 비정질 실리콘을 적층한 하이브리드형(박막형의 한 종류)도 등장해 변환 효율이 15%를 달성했다. 복수의 셀을 적층한 타입으로는 탠덤형도 있다. 탠덤형은 서로 다른 빛의 파장에 응답하는 복수의 셀을 서로 겹쳐 빛에너지를 광대역에서 이용하는 것이다. 최근 실리콘 가격의 상승 등을 이유로 실리콘을 이용하지 않는 화합물계 태양전지도 양산되고 있다. 화합물계도 종류가 많지만, 대표적인 것이 CIS(구리, 인듐, 셀레늄)형이다. 갈륨이나 유황 등을 첨가한 타입도 있으며, 낮은 비용의 제품에서 고효율 제품까지 여러 종류의 제품 생산이 가능하다. 생산 비용은 박막 실리콘보다 조금 비싸지만, 효율이 박막 실리콘보다도 약간 높다(13% 전후, 연구실 수준에서는 15%를 넘고 있다). 화합물계 가운데 CdTe(카드뮴 · 텔루르)형은 유해물질인 카드뮴을 이용하고 있지만, 현재 가장 저가의 태양전지로 주목받고 있다. 변환 효율은 10% 전후이지만 연구실 수준에서는 16%가 넘는 것도 있다. 위에서 말한 것들은 이미 시장에 나온 제품이며, 앞으로 시장에 나올 가능성이 있는 것으로는 유기계 색소증감형, 유기박막형 등이 있다. 지금으로써 는 효율이 낮아 실험실 수준에서 색소증감형이 10% 정도, 유기박막형은 5~6% 전후이다. 실리콘계, 화합물계와 비교해 구조적으로 단순해, 앞으로 저비용으로 생산될 가능성이 있다.
또한 보다 장기적으로는 양자도트형이라고 하는 전혀 새로운 방식이 제안되고 있다. 아직 재료 수준에서의 연구를 필요로 하지만, 이론적으로는 60%를 넘는 효율이 가능할 것으로 전망된다. 경제산업성에서는 변환 효율 40%를 넘는 혁신적인 태양전지 연구 개발 프로젝트를 2008년부터 시작하고 있으나, 시장에 제품으로 투입되기까지는 빨라도 20년 뒤가 될 것이라는 지적이다.
태양광발전 관련 정책 동향
위에서 말한 대로 태양전지는 많은 기술혁신을 거쳐, 여기에 시장 확대 및 시공 방법의 변화(신축 시 편입에 의한 시공 비용의 절약 등)가 실현되면 태양광발전 시스템 도입 비용은 서서히 떨어질 것으로 예상된다. 현시점에서 비용이 높은 태양광발전 시장을 확대시키기 위해서는 정책적 지원이나 규제가 필요하다.
1. 도입 지원 일본 태양광발전 시장은 80%가 주택용이어서 주택측면의 수요 환기가 중요하다. 경제산업성은 2008년 말부터 주택용에 맞춘 태양광발전의 도입 보조를 시작하기로 계획했다. 현재는 주택의 70% 조금 넘는 정도가 기축 주택 설비지만, 앞으로는 시공 비용 등을 절약할 수 있는 신축 편입의 증가가 기대된다. 한편 현재 20% 정도에 그치고 있는 비주택 분야의 수요 확대도 중요한 과제다. 경제산업성은 각 전력사에 의한 대규모 태양광발전 시설(메가 솔라), 관공서, 공원, 학교, 공장 · 사업장, 도로 · 철도 관련 시설 등 다양한 시설에 도입 지원을 계속 실시할 예정이다.
2. 규제 및 전력회사의 방안 이와 같은 직접적인 도입 지원책과 더불어, 전력계통에 연계가 많은 태양광발전 시스템에 대해서는 전력회사의 실천이 수요자의 투자 행동을 좌우한다. 일본의 경우 ‘전기 사업자에 의한 신에너지 이용에 관한 특별조치법(RPS법)’에 의해 전기 사업자(전력회사 등)는 신에너지 등에 의한 전기를 일정량 도입할 의무가 있다. 이 의무량(이용 목표량)은 매년 증가해 2014년도 이용 목표량은 160억㎾h이다. 이 법률에 근거해 전력회사는 태양광발전에 의해 생산된 전기를 적극적으로 구입하도록 되어 있다. 또한 전력회사는 태양광발전에 의한 전기 가운데 자가소비하지 않는 몫(잉여 전력)을 자발적으로 구입하고 있다. 이것도 수요자의 투자 행동에 플러스 요인이 되는 중요한 제도이다.
3. 그린 전력 증서 게다가 최근 신에너지 등에 의한 전기를 증서화해 환경 공헌 등을 희망하는 기업이 자발적으로 구입하는 ‘그린 전력 증서’계획안이 보급되기 시작했다. 이것도 수요자를 끌어들이는 중요한 방안이다. 제3자인 공적 기관 등이 여러 주택용 태양광발전의 자가소비 몫을 그린 전력 증서로 종합해 기업 등에 다시 파는 방안도 고려되고 있어 새로운 도입 인센티브로 주목받고 있다.
4. 에너지 절약법 이와 같은 수요자를 끌어들이는 지원과 더불어 수요자의 도입을 촉진하는 규제도 중요하다. 주택의 태양광발전 시스템 설치는 주택 자체는 물론 가정용 기기의 에너지 절약 등과 일체가 되어 진행되어야 효과적이며, 에너지 사용의 합리화에 관한 법률(에너지 절약법)에 의한 주택 에너지 절약 대책과 함께 태양광발전 시스템의 설치를 촉진해야만 한다.
5. 기술 개발 태양광발전 시스템 공급측(제조 사업자 등)의 가격 저감, 성능 향상 등에 대한 방안도 중요하다. 이를 위해서는 최신 기술 개발 과제에 대한 연구개발비 조성이 효과적이다. 또한 보다 장기적인 예를 들어 ‘개발효율 40% 이상’, ‘ 화력 발전 수준의 저비용화’등이 기대되는 신재료 · 신구조를 이용한 혁신형 태양전지의 연구개발도 중요하다. 이에 관해서는 국제적인 연구개발을 추진할 필요가 있다.
전력계통과의 연계에 관한 과제
태양광발전 시스템의 발전량은 날씨에 좌우되어 불안정하다. 따라서 전력계통에 연계된 주택용 태양광발전 시스템 등의 보급이 진행되다 보면 중장기적으로는 전력계통에 끼치는 영향이 염려된다. 현시점에서는 일본 전국에서 1000만㎾ 정도까지 계통측에 연계할 여유가 있으나, 현재 태양광발전의 도입량은 200만㎾ 전후로, 2020년에 1400만㎾를 목표로 도입이 진행되면 2015년쯤에는 계통연계의 여유가 없어진다. 또한 그 이전에라도 국소적으로 태양광발전 시스템이 집중 설치된 지역에서는 계통측에 대책이 필요하다. 대책 방법으로 축전지나 주파수 안정화 장치의 설치, 조정 전원의 확보 등을 생각할 수 있지만 이를 위해서는 새로운 비용을 필요로 한다. 일본 종합자원에너지조사회 수급부회는 최대 도입 케이스 달성을 위해 신재생에너지에 대해서는 2020년까지 약 12조 엔의 비용이 들 것으로 시산, 이 중 약 6조 엔이 축전지 비용이다. 즉 앞으로 태양광발전 시스템 가격은 떨어져도 전력 품질 유지를 위한 비용이 증가해 전체 비용은 떨어지지 않을 가능성도 있다. 이 문제에 관해서는 먼저 비용 대비 효과가 높은 계통 안정화 기술을 검토할 필요가 있으며, 그러고 나서 필요한 비용에 대해 비용 부담 및 비용 전가의 방법을 검토해야 한다.
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