태양광의 불편한 역설
ㅡ청정 기술에도 어두운 면이 있지만, 점차 개선되고 있다
화석연료 의존에서 벗어나고자 필사적으로 노력하는 세상에서 태양광에너지는 거의 마법처럼 보인다. 탄소발자국 없이 하늘에서 직접 끌어오며, 공짜로 얻는, 무한한 전기의 원천이기 때문이다. 태양광은 청정에너지 혁명의 총아로, 지붕과 사막지대에 눈부신 속도로 확산되고 있다. 하지만 이 빛나고 친환경적인 표면 아래에는 불편한 역설이 숨어 있다.
지구를 구하기 위해 설치된 모든 태양광 패널에는 더러운 비밀이 숨겨져 있다. 단 1와트도 생산하기 전에 이미 막대한 환경적 부채를 지고 있는 것이다. 석탄으로 가동되는 실리콘 제련소에서 뿜어져 나오는 배출물부터 폐기된 패널에 포함된 유독성 금속과 수지에 이르기까지, 청정한 미래를 이끄는 이 자산들은 사회가 근절하려 애쓰는 바로 그 오염물질들과 여전히 떼려야 뗄 수 없는 관계를 맺고 있다.
태양광이 진정한 '궁극의 친환경 구원자'로서의 약속을 지키려면, 먼저 그 자체의 어두운 면과 정면으로 마주해야 한다.
태양광의 70년
1950년대에 처음 개발된 태양광(PV) 전지는 최근 수십년간 대규모 발전 분야로 확대되었다. 이 분야는 빠르게 성장하고 있다.
미국 에너지정보청(EIA)에 따르면, 대규모 태양광발전은 미국에서 가장 빠르게 성장하는 전력 생산 원천이며, 이러한 추세는 지속될 것으로 전망된다. 그러나 이 기술은 아직 갈 길이 멀다. 현재 미국 전체 전력 생산량에서 차지하는 비중은 10% 미만이다.
하지만 현재의 성장 속도를 고려하고 풍력 및 지열과 같이 빠르게 확대되고 있는 다른 청정에너지 형태와 결합한다면, 이러한 재생에너지원들은 미래 어느 시점에 화석연료를 대체할 수 있을 뿐만 아니라 어쩌면 화석연료를 완전히 퇴출시킬 수도 있을 것이다. 이러한 시나리오에서 에너지산업은 마침내 화석연료 의존에서 벗어나게 될 것이다.
이 문제를 자세히 살펴보면, 해당 기술의 수명 주기 양쪽 끝에 문제가 걸쳐 있음을 알 수 있다. 태양전지는 고도로 정제된 실리콘으로 구성되어 있는데, 실리콘은 회색을 띠고 광택이 나는 '준금속'으로, 금속과 반도체의 특성을 모두 가지고 있다. 실리콘은 석탄과 같은 탄소 배출 물질을 소비하는 공정을 통해 석영 암석이나 모래에서 추출된다. 게다가 이 공정은 현재 대부분 화석연료로 생산된 전기로 가열되는 제련로에서 이루어지며, 지속적이고 강렬한 열을 필요로 한다.
수명 주기의 다른 끝에서 태양광 패널에는 매립지에 위험을 초래할 수 있는 잠재적 유해물질이 다수 포함되어 있으며, 이를 재활용하려면 비용이 많이 들고 에너지 집약적인 공정이 필요하다. 또한 세계 태양광 기술의 주요 공급국인 중국은 대규모 석탄 연소 용광로를 사용해 셀 대부분을 생산하고 있다.
이러한 문제들은 모순을 낳아 태양광을 수명 주기 전반에 걸쳐 결코 '청정'하다고 할 수 없는 에너지원으로 만들고 있다. 업계가 이러한 문제들을 어떻게 해결하느냐에 따라 태양광발전이 실제로 얼마나 친환경적이 될 수 있을지가 결정될 것이다.
왜 태양전지는 더러울까?
모든 태양전지는 햇빛을 포착해 그 에너지를 전기를 이루는 전자로 변환할 수 있도록 표면의 때와 먼지를 정기적으로 청소해야 한다. 안타깝게도 태양광 전지(PV 셀)의 제조 공정은 그렇게 쉽게 정화될 수 없다.
라르스 셰르니카우(Lars Schernikau) 박사는 에너지 경제학자이자 워싱턴에 위치한 국립 에너지 분석 센터(National Center for Energy Analytics)의 방문 연구원이다. 그는 또한 『전기와 에너지의 미래에 관한 인기 없는 진실(The Unpopular Truth ... About Electricity and the Future of Energy)』의 저자이기도 하다. 그는 태양광 패널의 '더러운' 측면이 종종 간과되지만, 대체로 피할 수 없는 문제라고 강조한다.
그는 <The Earth & I>와의 인터뷰에서 “태양광이 탄소 배출이 없거나 친환경적이라는 생각은 옳지 않다.”고 말했다.
태양광 패널의 수명 주기에서 나타나는 이러한 모순은 제조 과정에서 다양한 탄소 기반 물질, 특히 석탄이 필수적인 역할을 하기 때문인 것으로 보인다. “석탄 없이는 단 하나의 태양전지도 만들 수 없다.”고 셰르니카우 박사는 덧붙였다.
이 근본적인 진실을 이해하려면 화학의 몇 가지 기본원리로 돌아가야 한다. 태양광 패널은 원소주기율표에서 14번 원소이며 기호가 Si인 얇은 실리콘 층을 이용해 햇빛을 전기로 변환한다. 이 풍부한 천연물질은 안타깝게도 자유 상태나 독립된 형태로 존재하지 않는다. 거의 항상 다른 원소와 결합된 상태로 발견된다.
산소와 형성된 강력한 화학결합에서 실리콘을 분리하려면 열에 의한 화학반응을 수반하는 정교한 공정이 필요하다. 이 공정은 몇 가지 이유로 탄소 집약적이다.
일반적으로 실리콘은 자연에서 산소와 결합된 형태, 즉 석영이나 석영 모래(이산화규소, SiO₂) 형태로 발견된다. 순수한 실리콘을 추출하려면 먼저 석영을 전기 아크로에서 녹인다. 그런 다음 화학적 분리를 유도하기 위해 다른 원료들을 아크로에 투입한다. 이를 '환원제'라고 부르며, 목재 칩, 숯, 코크스, 석탄 등이 혼합되어 사용된다. 이 성분들의 공통점은 탄소(기호 C인 화학 원소)를 포함한다는 점이다.
이 과정에서 환원제의 탄소(C)는 석영에 포함된 산소(O₂)와 결합해 순수한 실리콘(Si)을 분리해 낸다. 그러나 탄소가 산소를 제거하는 과정에서 일산화탄소(CO)라는 유해한 부산물이 생성된다. 생성된 CO의 상당량은 대기 중의 산소와 반응해 이산화탄소(CO₂)를 생성한다. CO와 CO₂는 모두 잘 알려진 온실가스이다.
게다가 용광로를 가동하고 화학반응을 유지하는 데 필요한 고열은 거의 항상 화석연료로 생산된 전기로 공급된다. 역사적으로 화석연료 기반 전력은 실리콘 용광로를 한 번에 수주 또는 수개월 동안 1,700~2,000°C(3,100~3,600°F)로 유지하는 데 필요한 매우 높은 출력의 전력을 중단 없이 공급할 수 있는 가장 이용하기 쉬운 에너지원이기 때문이다. 여기서 핵심은 전력망의 안정성과 지속적인 전력 공급이다.
태양광 패널의 ‘수명 종료’
실리콘 수명 주기의 다른 끝에서도 방식은 다르지만 환경오염이 발생한다.
태양광 패널의 수명은 무한하지 않다. 과거 태양광 패널의 수명은 약 20년이었다. 기술이 발전하면서 최근 설치된 패널은 내구성이 향상되어 최대 35년까지 사용할 수 있게 되었지만, 폐기물 문제는 여전히 남아 있다.
수명과 무관하게 태양광 패널의 이른바 '수명 종료' 단계는 반드시 관리해야 한다. 실리콘의 독성은 주요 우려사항이 아니지만, 패널에 포함된 다른 금속들은 적절히 처리하지 않을 경우 유해할 수 있다. 여기에는 패널의 종류와 구조에 따라 카드뮴, 셀레늄, 은, 주석 등이 포함될 수 있다. 경우에 따라 패널에는 전기 연결 및 전도성을 위해 미량의 납이 포함되기도 한다.
현재 폐기된 패널의 대부분은 매립지로 보내지고 있다. 모듈당 평균 재활용 비용은 28달러인 반면, 매립 비용은 평균 1.38달러에 불과하기 때문이다. 이러한 경제적 격차는 유리, 실리콘, 금속 등 단단히 결합된 재료를 분리하는 데 에너지 집약적인 공정이 필요하다는 기술적 복잡성에서 비롯된다.
향후 20년 내에 수명이 다하는 태양광 패널이 쏟아져 나올 전망인 가운데, 적절한 관리 방안이 마련되지 않을 경우 2050년까지 전 세계적으로 8,000만 톤의 태양광 폐기물이 발생하여 기존의 폐기물 처리 인프라를 압도할 수 있다.
중국의 태양광 발전과 석탄
태양광 패널의 부정적인 측면을 고려할 때 중국의 역할은 간과할 수 없다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면, “중국은 여전히 단연코 세계 최대의 태양광 모듈 및 부품 생산국이다.” 최근 몇 년간 중국은 전 세계 태양광 모듈의 80%와 이 모듈에 사용되는 실리콘 웨이퍼의 90%를 공급해 왔다. 따라서 중국은 친환경 재생에너지인 태양광발전의 하드웨어를 세계에서 가장 많이 공급하는 국가인 동시에 태양광 기술의 '어두운 면'에 대한 책임도 그만큼 크다.
실제로, 전 세계 태양광 패널의 대부분이 생산되는 중국의 특정 성(省)에서는 석탄에 대한 과도한 의존으로 인해 태양광 패널 제조 과정이 더욱 복잡해지고 있다.
IEA에 따르면, 전 세계 태양광 패널 제조에 사용되는 전력의 약 60%가 석탄에서 공급된다. 이 수치는 현재 전 세계 모든 용도로 석탄에서 얻는 전력 비중인 36%보다 훨씬 높다. IEA는 이러한 차이를 중국의 신장(新疆)과 장쑤(江蘇) 두 성에 기인한다고 분석하는데, 이곳에는 중국의 태양광 패널 생산이 집중되어 있으며 연간 전력 공급의 75% 이상이 석탄에 의존하고 있다.
수치는 거짓말을 하지 않는다. 사회가 태양광을 완전히 친환경적으로 만들고자 한다면 이 기술의 수명 주기에서 취약한 부분을 해결해야 하며, 그중에서도 중국은 다른 어떤 국가보다도 제 역할을 다해야 할 것이다.
여전히 빛나는 태양광의 미래
이러한 불안한 현실에도 불구하고 전할 만한 좋은 소식도 있다.
우선, 태양광 패널이 수명 기간 동안 생산하는 청정에너지의 양을 고려하면 이 문제가 겉으로 보이는 것만큼 심각하지 않을 수도 있다. 컬럼비아대학교 겸임 교수이자 수명 주기 분석 센터(Center for Life Cycle Analysis)의 설립 소장인 바실리스 프테나키스(Vasilis Fthenakis) 교수는 <The Earth & I>와의 인터뷰에서 태양광 패널 제조 과정에서 발생하는 배출량은 태양광발전이 대체하는 화석연료로 인한 오염에 비하면 미미하다고 말했다.
다시 말해, 태양광 패널은 20~35년의 수명 기간 동안 거의 제로에 가까운 배출량으로 태양에너지를 이용해 전기를 생산한다. 교수에 따르면 패널 제조 과정에서 발생하는 배출량을 모두 합산하더라도 그 총량은 같은 기간 동안 동일한 규모의 석탄이나 천연가스 발전소가 배출하는 양보다 훨씬 적다고 한다. 프테나키스 교수는 탄소발자국 측면에서 태양광 패널이 “모든 발전 기술 중 가장 낮다.”고 덧붙였다.
태양광 패널이 탄소 배출을 상쇄할 수 있는 잠재력을 이해하는 또 다른 방법은 “넷 제로(net zero)”라는 개념을 살펴보는 것이다. 간단히 말해, 이는 배출량의 균형을 맞추거나 상쇄하는 것을 의미한다. 어떤 기술이 자신이 발생시킨 것과 동일한 양의 배출물을 제거하거나 없앨 때 그 기술은 넷 제로를 달성한 것이다.
미시간주립대학교 토목·환경공학과 부교수인 야니크 앙틸(Annick Anctil)은 <The Earth & I>와의 인터뷰에서 태양광 패널이 넷 제로를 달성할 수 있으며, 이를 '매우 빠르게' 이룬다고 말했다.
“탄소 회수 기간, 즉 제조 과정에서 배출된 탄소를 상쇄하는 데 걸리는 시간은 보통 1~2년이다.”고 앙틸 교수는 언급했다. “태양광 모듈이 25~30년 동안 작동하도록 설계되었다는 점을 고려하면 이는 매우 짧은 기간이다.”
게다가 폐기 단계에서 환경에 미치는 영향은 더욱 미미하다.
2020년 IEA가 수행한 '태양광발전의 인체 건강 위험 평가 방법 제3부: 모듈 폐기 위험'이라는 제목의 연구에 따르면, 태양광 패널 폐기로 인한 건강 위험은 미미한 것으로 나타났다. 심지어 패널이 '비위생 매립지'—침출수 방지, 지하수 모니터링, 방수층 등 표준적인 보호장치가 없는 매립지—에 처분되는 최악의 시나리오를 가정하더라도, 인체가 발암성 물질 및 기타 독성 화학물질에 노출될 위험은 미국 환경보호청(EPA)이 정한 최대 허용치보다 “몇 자릿수나 낮은” 수준이다. 또한 이 보고서는 태양광 패널이 “이러한 방식으로 폐기될 가능성은 희박하다.”고 지적했다.
효율성이 높은 태양광이 더 친환경적인 태양광이다
태양광 패널이 야기하는 환경 피해가 상상만큼 심각하지는 않을지 모르지만, 기술의 발전으로 인해 그 피해는 더욱 줄어들고 있다. 패널의 효율이 높아짐에 따라 제조 단계에서 발생하는 배출의 상대적 영향은 감소한다.
게다가 청정 재생에너지로 구동되는 전력망이 확대됨에 따라 실리콘 제조 단계에서 발생하는 배출량은 점차 넷 제로에 가까워지고 있다.
컬럼비아대학교의 프테나키스 교수는 “태양광 모듈의 효율이 높아짐에 따라 전력 생산 단위당 배출량이 지속적으로 감소하고 있다.”고 지적하며 이를 확인했다.
고무적인 점은 태양전지 제조 과정에서 발생하는 배출량의 상당 부분이 중국에서 비롯됨에도 불구하고, 중국에서도 이러한 변화의 일부가 눈에 띄고 있다는 사실이다. 중국은 자국의 전력망도 친환경화하고 있다.
다만, 석탄발전량은 감소했음에도 불구하고 중국이 전력망 안정성을 유지하기 위해 사상 최대 규모의 신규 석탄화력발전소를 추가하고 있다는 점은 주목할 필요가 있다. 그러나 중국 정부의 재생에너지 확대 정책은 중국 태양광 제조 산업의 친환경화에 긍정적인 전망을 제시한다. 프테나키스 교수는 “중국이 전력망에 더 많은 태양광을 도입함에 따라 태양광 제품 수명 주기의 지속 가능성이 개선되고 있다.”고 말한다.
궁극적으로 중국을 비롯한 전 세계에서 고열이 필요한 제조 공정에서 석탄을 체계적으로 대체할 수 있다면, 태양광발전의 환경적 부채는 제로에 가까워질 것이며, 이를 통해 청정에너지가 마침내 순수하고 친환경적이라는 약속을 실현할 수 있게 될 것이다.
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