태양광 발전

이 참고문헌의 글은 온라인 지식 공유 플랫폼 Quora에서의 토론에서 나온 것이므로, 과학 저널이나 보고서에서 정식 심사를 받거나 출판된 적은 없습니다. 하지만 Forbes와 New York Times에서 널리 인용, 참조, 재인쇄됐으며, 저자는 이를 전 세계 에너지 수요를 위한 태양광 발전 해법이 처음 제안되고 ‘사하라 해법’의 실현 가능성, 실용성, 관련 수치가 검토된 사례로 꼽습니다. 이 글은 학계와 업계 전문가인 저자가 엄격하게 비판하고 옹호했으며, 다른 학계 및 업계 전문가들에게 비공식적인 지지도 받았습니다. 제안의 일부와 이를 뒷받침하는 계산은 가설적인 ‘대략 계산’이나 실제 현실 해법 시나리오의 바탕으로 볼 수 있고, 두 맥락 모두에서 논의되지만 여기서는 설명을 위한 추정치 역할을 합니다.

특히 이 추정은 전체 에너지 소비를 바탕으로 하며, 열, 운송, 산업 공정을 포함한 모든 에너지 사용이 완전히 전기화된다고 가정합니다. 이런 용도의 직접 전기화 가능성은 제각각이며, 때로는 비현실적이거나 불가능합니다 (일부는 태양광 전력으로 전기분해해 만든 그린 수소를 연료로 쓸 수 있지만요). McKinsey, IRENA, IEA의 세계 에너지 전망에 담긴 부문별 분석을 바탕으로, 현재와 가까운 미래의 기술로 전 세계 에너지 수요의 약 ~60-70%를 전기화할 수 있다는 (AI가 만든) 종합 추정치가 있으며 ^A,B,C, 현실적인 어려움이 있다는 점도 인정합니다. 현재 수준의 전 세계 전력 수요를 충당하는 데 필요한 사하라 태양광 발전소 면적은 이보다 훨씬 작을 것입니다.

사하라 사막의 1.2%가 필요하다는 추정치는 최근 늘어난 전 세계 에너지 수요(2023년 기준 약 19.6 TW ^D,E)를 반영해 1.5%로 조정됐습니다.

여러 논문이 전 세계 옥상 태양광 발전(PV)의 잠재력을 모델링했지만, 결과는 서로 다릅니다. 한 논문 ^[19]은 태양광 설치에 적합한 전체 옥상 면적에서 연간 27 PWh를 생산할 수 있으며, 이는 2018년 당시 전 세계 전력 수요를 넘는다고 추정합니다. 햇빛과 그에 따른 PV 잠재력은 지역과 계절에 따라 달라서, 이 전체 잠재력에서 지역별 옥상 면적이 차지하는 비중은 균일하지 않다 i.e. 어떤 지역의 용량은 지역 수요에 크게 못 미칠 수 있지만, 다른 지역은 수요를 넘어서 전 세계 공급에 유난히 크게 기여할 수 있습니다. 저자들은 지역별로 합산한 전 세계 연간 전력 수요를 충족하려면 전 세계 옥상 면적의 최소 50%가 필요하다고 추정합니다.

2023년 기준 전 세계 전력 수요는 이제 30 PWh에 조금 못 미치는 수준까지 늘어 ^F, [19] 에서 보고된 기존 전 세계 옥상-PV 잠재력을 넘었습니다. 한편 전력뿐 아니라 난방, 교통, 산업 공정까지 포함한 전체 에너지 수요는 약 172 PWh에 달했습니다 ^D,E. 또 다른 논문 ^[20]은 [19] 의 방법론에 일관되지 않은 부분이 있다고 지적하며, 전 세계 옥상-PV 잠재력은 최대 설치 가능 용량 약 30.5 TW에 이를 수 있고, 이는 연간 267 PWh 이상으로 전체 에너지 수요마저 훨씬 넘는다고 추정합니다. 세 번째 논문 ^[21]은 현재 진행 중인 여러 배출 시나리오에 따라 달라질 수 있지만, 2050년까지 전 세계 옥상-PV 잠재력이 연간 175 TWh에 도달할 것으로 추정합니다. 이 전망은 [19] 에서 현재 보고된 것보다 훨씬 넓은 전체 PV 면적을 뒷받침할 옥상 확장을 전제로 합니다. 이 결과들과 각각의 방법론을 고려하면, 전 세계 옥상의 절반만으로도 인류의 전력 수요를 충족할 수 있다는 보수적인 결론에 이릅니다.

한 논문^[28]에서는 전 세계 모든 저수지(114,555곳, 총 556,111 km²)의 수면을 최대 30%까지 수상 태양광(FPV)으로 덮었을 때 연간 발전 잠재량을 9,434 TWh로 추정했다. 이는 기술적·환경적 제약 때문에 FPV 수면 점유율을 제한한(30%) 보수적인 추정치다. 또 다른 논문^[29]도 전 세계 저수지 수면의 25%에서 연간 8,000 TWh yr^-1를 생산할 수 있다고 보고한다. IEA 전망^G에 따르면, 이는 가까운 미래까지 전 세계 전력 수요의 최소 4분의 1에 해당하며(2023년 말 기준으로는 수요의 거의 3분의 1 ^F), 새 저수지가 건설되면 용량은 더 늘어날 수 있다.

하지만 더 최근의 한 논문^[30]은 태양 추적 시스템과 양면형 태양광 패널을 포함해, 앞선 연구들에서 고려하지 않은 태양광 패널 기술의 발전을 짚는다: “추적기는 시스템의 부력과 계류 요건을 늘리고 전체 시스템 비용을 높일 수 있지만, 고정-경사 시스템보다 훨씬 많은 에너지를 얻을 수 있고 기술은 발전하고 비용은 내려가고 있어 앞으로 몇 년 안에 더 흔해질 가능성이 높다”. 이 새 기술들이 전 세계에서 어떻게 작동할지 알아보기 위해, 연구진은 “총면적 222,623 km²의 전 세계 내륙 저수지 249,717곳(인공과 자연 모두)에서 다양한 기울기의 고정-경사 설치, 여러 추적 방식, 다양한 패널 유형(단면형 vs. 양면형)을 포함한 여러 FPV 구성의 설치 용량과 에너지 생산 잠재력을 분석했다 -분석 대상 면적은” ^[28]의 약 네 배다. 이런 업데이트를 반영해, 저자들은 최대 22 TWp(피크 출력)의 총 FPV 용량을 찾았으며, 이는 전 세계 전력 수요 전체를 충족할 수 있다.

Our World in Data ^[51]는 IRENA 2024 ^H를 포함한 여러 출처의 데이터를 모읍니다. 웹페이지에 따르면, IRENA는 여러 기술의 태양광 모듈 가격을 제시합니다. 2013년 4분기 이후 데이터는 ‘박막 a-Si/u-Si’ 기술의 연평균 가격, 또는 모든 태양광 기술의 기준인 글로벌 가격 지수이며, 2023년 전 세계 가격은 $0.31/W까지 내려갔습니다. 다른 출처 ^I,J,K는 주류 기술인 단면 단결정 패널을 주요 기준으로 제시하며, 이 패널 가격은 더 낮아졌습니다:

2024년 1월, 유럽에서 판매된 박막 a-Si/u-Si 모듈 가격은 약 $0.16/W까지 떨어졌습니다 ^H. 2024년 4월, 단면 단결정 모듈의 글로벌 현물 가격은 $0.11/W로 보고됐습니다 ^I. 2024년 11월, 시장을 주도하는 단결정 PERC 패널과 차세대 c-Si TOPCon 기술 가격은 중국, 유럽, 미국에서 각각 $0.087/W, $0.1/W, $0.29/W에 이르렀습니다 ^{J,K †}.

^†수출 가격은 물류, 관세, 지역 시장 요인 때문에 보통 중국보다 세계 시장에서 더 높으며, 특히 국제상업조건(중국 수출은 FOB, 미국과 유럽은 DDP ^J)의 영향이 큽니다.

Bloomberg ^[52]는 전 세계 평균 모듈 가격이 $0.096/W까지 떨어졌다고 보도합니다. 1984년 전 세계 평균 모듈 가격인 $19.48/W ^[51]와 비교하면, 모듈 가격은 40년 만에 99% 넘게 하락했습니다.

더 비교해 보면, 미국 평균 모듈 가격은 2024년 1분기까지 $0.29/W로 떨어졌습니다 ^I. 이는 1989년 이후 35년 동안 96% 하락한 것입니다 ^L,M. 미국의 높은 가격은 중국산 모듈 관세와 기타 수입 요인 때문에 유지돼 왔습니다 ^I.

IRENA의 Renewable Power Generation Costs 2023에 따르면 태양광 PV의 세계 가중평균 균등화발전비용(LCOE)은 0.044 USD/kWh였다. 2010년부터 2023년 사이 CSP 발전소의 세계 가중평균 LCOE는 0.393 USD/kWh에서 0.117 USD/kWh로 70% 떨어졌다. 따라서 2023년 기준 유틸리티 규모 태양광 PV의 LCOE는 CSP의 3분의 1을 조금 넘는 수준이다. 하지만 태양광 PV 비용은 계속 내려가고 있다. 2021년부터 2023년까지는 해마다 CSP 발전소가 단 한 곳만 가동을 시작했으므로, 이 기간이 꼭 대표적이라고 보긴 어렵다. CSP 보급은 느려졌고 태양광 PV와의 경쟁도 치열한 만큼, 이 발전소들은 경쟁력을 보여주기 위해 고도화되고 매우 최적화된 프로젝트였을 가능성이 있다. 따라서 보고된 평균 LCOE는 더 일반적이거나 다양한 CSP 프로젝트가 도입되는 해에 나타날 수 있는 수치보다 낮을 수 있다.