태양광발전(PV) 시장 통찰력: 글로벌 생산 동향, 무역 분석 및 주요 기업(2025-2037년)

PV 부품의 제조 능력 비교 분석:

폴리실리콘 생산에 대한 하향식 분석

고순도 폴리실리콘은 일반적으로 태양광 웨이퍼, 실리콘, 반도체 및 알루미늄 합금을 만드는 데 사용되는 금속 등급 실리콘을 정제하여 얻습니다. 공급 및 순도 수준을 보장하기 위해 MGS 공급업체는 종종 석영 광산의 상당 부분을 역통합하고 소유합니다. 또한 MSG 처리는 일반적으로 에너지 집약적이므로 말레이시아, 노르웨이, 미국, 중국 신장 지역 등 풍부하고 저렴한 전력원이 있는 지역에서 생산하는 것이 필수적입니다. 현재 중국은 전 세계 MGS 생산 능력의 70% 이상으로 시장을 장악하고 있으며, 10개의 중국 기업이 국내 생산 능력의 35%를 차지하고 상위 5개 기업이 약 25%를 점유하고 있습니다.

주요 MGS 제조 위치 및amp; 생산 능력(천 미터톤)

출처: 미국 DOE

최고 경쟁업체의 북미 MGS 생산량(2022년)

폴리실리콘의 주요 사용 사례는 광전지(수요의 80% 차지)이고, 나머지는 반도체와 가전제품입니다. 여러 폴리실리콘 생산 기술이 있음에도 불구하고 두 가지 일반적인 접근 방식이 가장 큰 시장 점유율을 차지합니다. 유동층 반응기(FBR) 방식은 시장 점유율 3~5%를 차지하고 있으며, 지멘스 화학기상증착 방식은 90% 점유율을 차지하고 있다. Siemens 공정에서는 가열된 실리콘 필라멘트 위로 실란 전구체 또는 기체 삼염화실란(TCS)이 통과하는 과정이 수반됩니다. 회수된 화합물은 추가 가공을 거쳐 폴리실리콘을 합성합니다. 사실상 모든 폴리실리콘 제조 능력은 10개국 내에 있으며, 중국이 전 세계 생산 능력의 72%를 차지하고 있습니다. 

중국의 주요 공급품 존재는 폴리실리콘을 포함한 부품 비용을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. EIA 기준 폴리실리콘 가격은 2020년 6월 6.27달러/kg에서 2021년 6월 28.46달러/kg으로 3배나 올랐다. 이는 웨이퍼 및 셀 생산능력 확대에 따른 수급 불균형 때문이다. 폴리실리콘이 중요한 병목 현상으로 떠오르면서 셀 및 웨이퍼 생산자와 같은 다운스트림 기업은 주로 중국의 유틸리티 규모 배치 확산에 힘입어 예상 수요를 충족하기 위해 폴리실리콘 공급량을 전략적으로 비축해 왔습니다. 발표된 프로젝트에 따르면 폴리실리콘 제조 용량은 향후 몇 년 동안 두 배로 줄어들 것으로 예상됩니다. 건설된 신규 공장 중 일부는 연간 제조 용량이 30,000~70,000MT이며, 100,000MT 이상의 용량을 갖춘 시설을 건설할 계획이 있을 것으로 예상됩니다.

중국 기업들은 토지, 전기, 인건비가 저렴한 지역에 제조 시설을 설립하고 제조함으로써 폴리실리콘 가격을 낮추는 데 주력해 왔습니다. 서부 지방에는 내몽고, 칭하이, 쓰촨, 특히 신장을 포함하여 상당한 확장이 이루어졌습니다. 현재 중국은 전 세계 생산량의 54%와 39%를 담당하고 있습니다. 2022년까지 진행 중인 프로젝트를 바탕으로 중국의 전체 태양광 PV 구성요소 생산량 추정치가 아래에 언급되어 있습니다.

중국의 낮은 인건비와 집중된 c-Si PV 공급망은 다른 플레이어에게 진입 장벽을 제공했습니다. 미국의 인건비 지출은 제조 비용의 22%와 중국의 8%, 미국의 웨이퍼 제조 비용의 36%와 중국의 23%, 미국의 셀 제조 비용의 33%와 중국의 8%를 차지합니다.

c-Si 및 CdTe 생산 및 글로벌 무역:

2020년 미국이 수입한 c-Si 및 CdTe 모듈의 75% 이상이 동남아시아 3개국(베트남, 말레이시아, 태국)에서 생산되었고 나머지는 한국에서 생산되었습니다. 이들 동남아시아 국가들은 업스트림 중국 공급망에 크게 의존하고 있습니다. 2020년 현재 미국에서는 실리콘 태양전지 운영 용량이 제한되어 있습니다.  그러나 미국의 다음 업스트림 제조는 견인력을 얻었으며 미국의 태양광 수요 급증에 중추적인 역할을 했습니다. SEIA에 따르면 2019년에는 8.6GW 상당의 설치가 완료되어 전년 대비 21% 성장을 보였습니다.

출처: NRELupdate of (Smith et al. 2021)

높은 자본 지출 및 인건비 등 글로벌 PV 공급망의 격차로 인해 사실상 모든 c-Si 원자재 및 부품은 동남아시아 국가에서 서구 국가로 수입됩니다. 이러한 수입 비용은 전체 제조 비용에 약 11%를 추가합니다. 국내 PV 공급망을 구축하면 이러한 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 웨이퍼 및 잉곳 조립 라인의 자동화를 통해 비용 델타를 줄일 수 있는 경로가 있습니다. 퍼스트솔라는 2024년 2월 미국 CdTe 박막에 100억 달러를 투자하겠다는 계획을 발표했다. 2023년 이후의 회고적 수치에 따르면 모듈 생산 능력 가치는 27억 5천만 달러, 경제적 가치는 9억 달러, 생산량은 20억 달러 증가했습니다.

잉곳 및 웨이퍼

2020년 전체 태양광 웨이퍼의 98%를 중국 10개 기업이 생산했으며, 그 중 LONGi, GCL, Zhonghuan 등 3개 기업이 생산 용량의 71%를 차지했습니다. 2016년부터 2020년까지 위에 언급된 기업의 총 용량은 29GWdc(글로벌 용량의 29%)에서 173GWdc(글로벌 용량의 58%)로 증가했습니다. 이러한 추세는 단결정 PV 모듈 시장 점유율의 급속한 성장으로 이어졌습니다.

또한 중국 7개 성의 웨이퍼 생산 능력은 10GWdc에 달했습니다. 특히 상하이 북부에 위치한 장쑤성은 중국 전체 웨이퍼 생산능력의 28%를 차지했고, 중국을 제외한 동아시아 지역은 전 세계 웨이퍼 생산능력의 10GWdc를 차지했다. 중국에 본사를 둔 Jinko Solar는 베트남에 7GWdc 웨이퍼 및 잉곳 시설을 건설할 계획을 발표했습니다. 이는 말레이시아의 셀 생산 작업과 미국의 모듈 조립을 간소화하는 것을 목표로 합니다. 회사는 수입 재료에 대한 미국의 무역 제한을 우회하기 위해 이 프로젝트가 2020년에 시작되었다고 밝혔습니다. 이러한 전략적 확장은 변화하는 무역 역학에 대처하면서 강력한 공급망을 구축하려는 회사의 노력을 강조합니다.

모듈 및 셀

새로운 제조 세액공제 시행 이후 잉곳, 모듈, 웨이퍼, 셀을 포함한 전체 태양광 모듈 공급망을 구축하고 확장하기 위한 상당한 투자가 유입되었습니다. 연방 제조 인센티브가 제정되기 전에는 대략 16.6GW 또는 41,500MT/년의 폴리실리콘 용량과 7GW/년의 모듈 용량이 있었습니다. 셀 제조는 2019년 이후 처음으로 국내에 이루어졌으며, 2025년 말까지 추가 셀 용량이 가동될 것으로 예상됩니다. 현재까지 모듈 생산은 연방 제조세 공제 전 7GW에서 2024년 12월 44.4GW로 500% 이상 증가하는 등 급격한 성장을 보였습니다.

운영, 건설 중, 발표된 프로젝트를 포함한 전체 미국 모듈 공급망의 추정 가치는 81.6GW에 달했습니다. PV 모듈 공급망 구축은 적합 기간, 허가, 건설 및 시운전으로 인해 느린 프로세스입니다. 공급망 사다리가 위로 올라갈수록 건설 시간이 길어집니다. 새로운 공장 확장은 향후 몇 년간 계속될 것으로 예상됩니다.

2022년 인도는 중국으로부터의 수입이 크게 감소한 유일한 국가였으며, 이는 전년 대비 76% 또는 -7.5GW 감소를 뒷받침했습니다. 2022년 상반기에는 2.3GW에서 총 9.8GW의 감소가 관찰되었습니다. 더욱이 관세 부과를 포함한 엄격한 정부 규제로 인해 수입에서 국내 제조 능력 활용으로 전환되었습니다. 이후 인도의 현지 태양광 모듈 생산 능력은 더욱 강화되었으며 인도는 글로벌 태양광 모듈 및 패널 수출 Túrkiye에서 기준을 세웠습니다.

부품 공급을 중국에 의존하지 않으려는 지속적인 노력에도 불구하고 중국의 태양광 패널 수출은 2023년 상반기에 34% 급증했습니다. 이는 유럽과 남아프리카의 높은 에너지 수요를 충족하는 데 중추적인 역할을 합니다. 청정에너지 전환에 대한 관심이 높아지면서 중국의 태양광 수출에 대한 의존도가 더욱 높아졌습니다. 90.4%의 수출량 중 유럽이 가장 큰 수입국(58%)으로 떠올랐고, 브라질이 2023년 상반기에 중국산 태양광 패널 9.5GW를 수입하며 그 뒤를 이었습니다. 정부가 점점 커지는 에너지 위기를 완화할 방법을 모색하고 있는 반면 중국은 만연한 수요-공급 격차를 크게 활용하고 있기 때문에 아프리카는 187%의 가장 빠른 수입 증가율을 보일 것으로 예상됩니다.

2023년 상반기 중국의 태양광 수출, 달러 가치 기준 점유율(%)

출처: Ember Energy

태양광 PV 시장의 기하급수적인 성장은 글로벌 반도체 시장에 긍정적인 영향을 미치고 있습니다. 2022년에는 기기가 전체 거래액 877억 달러로 세계에서 33번째로 가장 많이 거래된 제품이었습니다. 2021년부터 2022년 사이에 광전지/감광성/LED 반도체는 720억 달러에서 877억 달러로 21.9% 성장해 전체 세계 무역의 0.37%를 차지했습니다.

태양광 발전 및 앰프의 연간 성장 LED 반도체 장치 글로벌 무역

출처: OEC

광전지/LED 반도체 장치 글로벌 무역

출처: OEC

태양광 발전 수명 종료(EOL)

전력망 탈탄소화에 대한 관심이 높아짐에 따라 전 세계적으로 태양 에너지 발전 및 저장 용량이 비례적으로 증가했습니다. 맥락상 탈탄소화 목표를 달성하려면 미국은 2025년부터 2030년까지 매년 30GWac를 설치해야 합니다. 미국에서는 2021년에 19GW의 태양광 발전 용량이 설치되었으며 누적 용량은 100GW에 도달했습니다. 이는 향후 몇 년 동안 새로운 시스템 설치가 가파른 속도로 급증할 가능성이 있음을 의미합니다.

PV 시스템의 수명은 약 25~35년이지만, 모듈을 포함한 일부 시스템 구성요소는 이미 폐기물 흐름에 들어가고 있습니다. 또한 모듈은 기상 악화, 제조상의 일련의 결함 또는 설치 오류로 인해 수명이 종료됩니다. 연간 PV 모듈 EOL 양은 2050년 말까지 미국의 연간 도시 전자 폐기물의 최대 12%에 달합니다. PV 모듈 재료의 99%는 위험하지 않으며 95%는 사용 가능한 기술을 통해 완전히 재활용 가능합니다. 이는 영향이 적고 안전한 EOL 자재 처리 방법을 위한 강력한 기반을 설정합니다. 현재 EOL 처리 공정은 재활용에 불리합니다. PV 모듈을 폐기물 발전기로 재활용하는 비용은 모듈당 $15-$45이며, ​​이는 각 모듈당 매립 비용인 $1-$5보다 훨씬 높습니다. 이는 결국 폐기물 처리 방법에 관한 연방 및 주 정책에 영향을 미칠 가능성이 높습니다.

출처: IRENA

실행 계획 범위

2021년 6월, SETO(Solar Energy Technologies Office)는 EOL 처리의 주요 과제에 관해 PV 폐기물 관리 커뮤니티의 피드백을 요청하기 위해 RFI를 발행했습니다. 답변, 전문가 인터뷰 및 문헌 검토를 사용하여 PV EOL 관행을 간소화하고 최적화할 수 있는 잠재적인 연구 영역을 식별했습니다. 응답자들은 EOL 처리 및 물질 회수 향상을 위한 분리 기술 개발에서 정책의 역할을 강조했습니다.

하드웨어 설계, 데이터 수집 및 분석, EOL 관리에서 DOE의 역할 식별과 관련된 일반적인 문제에 대한 이해관계자의 의견을 바탕으로 SETO는 2021년 5개년 실행 계획을 발표했습니다.

2021년 PV EOL 워크숍과 RFI 피드백을 바탕으로 2021년 다년간 프로그램 계획이 수립되었습니다. 순환 경제를 가능하게 하는 다음 요소에 중점을 둡니다.

• 데이터 수집 및 분석: 모델링된 폐기물 양 및 처리를 기반으로 현실적인 수집, 분류, 운송 및 재료 회수의 필요성이 분명해졌습니다. SETO는 2025년 말까지 수집된 10MW의 PV EOL 데이터로 독립형 데이터베이스를 구축하고 포괄적인 데이터 표준을 구현하는 것을 목표로 합니다. 또한 폐기물 관리, 태양 에너지, 정책 커뮤니티가 기밀이 아닌 데이터에 공개적으로 액세스할 수 있게 됩니다.
• 하드웨어 개발 및 공정 연구: SETO는 원자재 및 에너지 사용 효율성을 개선하여 EOL 재료를 처리하는 데 필요한 자원을 최소화하고 부품 수명을 연장하는 데 중점을 둡니다. EOL에서는 강철, Cu 및 Al을 고철 시장에 판매할 것을 권장합니다. 그러나 금속화에서 은을 회수하고 백 시트를 포함한 폴리머와 복합재를 분리하는 것은 재료 회수가 어려울 수 있는 일부 영역입니다. 회수율을 높이는 동시에 회수 비용 부담을 최소화하는 연구는 태양광 PV 재활용의 경제성을 바꾸는 데 도움이 될 것으로 예상됩니다.