모듈 성능 테스트에 예상되는 난관과 도전

요른 브렘바흐(Jorn Brembach)

2003년 세계적인 시험 및 인증 회사인 SGS에 입사 후 태양광 분야의 사업 총괄 매니저로 일하는 필자는 경영자 MBA뿐만 아니라 토목 공학 학위를 소지하고 있다.

태양광에너지는 불과 몇 십 년 전까지만 해도 중요한 대체 에너지 공급원으로 그다지 중요하게 생각되지 않았다. 그 가운데 독일과 일본은 태양광의 잠재성을 홍보하는 주요 역할을 해오며 상당한 시장 성장을 견인했다.

이밖에 많은 국가에서는 태양광에 대한 정책적 지원이 거의 없었는데, 그 이유는 태양광에너지를 이용하기 위한 초기 시설 투자비용이 너무 고가이기 때문이었다. 그러나 독일에서의 폭발적인 수요 증가가 발생하면서 태양광 모듈의 대량생산이 가능해졌다. 그 결과 태양광 제조비용이 예상 밖의 큰 폭으로 하락하는 상황에 이르렀다. 물론 아직까지 이러한 추세와 관련해 확실한 미래 예측은 불가능하다.

세계적인 시장 동향

독일과 남유럽에서는 이미 화석연료 에너지 생산비용 정도로 태양광에너지를 생산하는 것이 가능해졌다. 즉 그리드 패리티에 도달했다는 말이다. 그러나 정부 보조금에 크게 의존하고 있는 태양광 시장에서 그리드 패리티의 도달은 그리 긍정적인 영향력으로 작용하고 있지는 못하다.

현재까지 태양열을 비롯해 태양광발전 시장은 대체 에너지를 장려하기 위해서 시행되는 발전차액지원제도(화석에너지를 원료로 하는 전력과 비교해 이 부문의 경쟁력을 높이기 위해 초기에 정부에서 대체에너지 생산을 위해 보조금을 지급하는 제도)에 근거한 투자에 집중해왔다.

그리드 패리티와 함께 태양광 시스템의 판매 방법은 변화를 맞을 수밖에 없다. 이 산업은 더 이상 보조금 지급에 의존한 사업으로 회귀할 수 없다. 다른 여느 상품들이 자체의 경쟁력을 갖추어야 하는 것처럼 이 부문에서 판매하고 있는 것은 에너지 ‘상품’과 다름 없기 때문이다. 태양광 업체들은 현재 정부 보조금이 없이도 청정에너지 상품을 판매하는 방법을 알아내기 위해서 그동안의 경험을 통해 값진 교훈을 얻어야 한다. 정부 보조금을 받는 산업에서 자체적으로 경쟁력을 확보한 산업으로 근본적인 변화를 겪으면서 태양광 가격은 급속히 떨어지고 있다.

태양광에너지는 따라서 곧 세계적으로 주거용 및 상업용 전기와 경쟁할 수 있게 될 것이다. 태양광에 대한 지원은 유럽, 남미, 아시아에서 꾸준히 늘어나고 있다. 2011년 유럽발 금융위기와 경제 위기 한가운데에서도 세계적으로 태양광 시장이 급속도로 성장하는 추세가 계속되고 있다.

전 세계적으로 계통연계 태양광발전 용량의 규모는 2010년 16.6GW에서 2011년 27.7GW로 증가했다. 중국과 영국에서 예상보다 빠른 속도로 시장이 확대되었기 때문에 2011년에는 세계 태양광 시장 규모가 22%나 성장했다. 중국 시장의 발전은 유럽 제조업체들에게는 좋은 기회로 작용했다. 왜냐하면 유럽 시장은 이제 더 이상 국내 생산만으로는 수요를 충당하지 못했기 때문이다.

향후 십년 동안 태양광 시장의 발전을 견인하기 위해서는 신규 시장이 더 많이 생겨나야 한다. 왜냐하면 지난 십 년 동안 유럽에서 대부분의 성장이 이루어졌기 때문이다. 태양광 업체들은 이제 세계적으로 시장이 혼합되고 서로 교류하는 양상을 보이는 상황에서 시장 다각화 시기를 맞아 마진율을 새롭게 설계해야 하는 도전에 직면하고 있다. 수평 통합과 기술 다각화에 주력함과 동시에 이 산업에서 선택된 비즈니스 모델에 대한 현재의 논쟁을 고려해 태양광 제조업체들은 신중하게 생각하고 올바른 해법을 찾도록 해야 할 것이다.

독일의 모듈 산업

유럽은 2011년 새롭게 지어진 태양광 시스템의 75%를 차지했다. 이로써 유럽은 세계 태양광 시장에서 확고부동한 1위의 자리를 차지하고 있다. 유럽의 최대 태양광 시장인 이탈리아와 독일은 2011년 세계 시장 성장에서 거의 60%를 차지했다.

특히 독일은 세계 태양광 산업의 핵심으로 명성을 유지하고 있다. 지난 10년 동안 독일에서 100개 업체 이상이 태양광 제품의 전 밸류체인에서 사업 활동을 영위해왔다. 지난 몇 년 동안 이 시장에서 경쟁이 더욱 치열해지면서 세계적으로 시장을 확보해야만 살아남을 수 있는 구조가 되었지만 그러나 어쨌든 독일의 태양광 시장은 2010년과 비교해 봐도 2011년에도 여전히 안정적인 상태로 남아 있었다.

고객들이 보장된 인센티브를 이용하려 하기 때문에 태양광 모듈에 대한 높은 수요가 창출됐으며, 정부 보조금이 삭감되고 향후 정부 인센티브 삭감이 더욱 가속화될 것이라는 두려움 때문에 태양광 모듈의 가격이 낮아졌다. 사전 예측에 따르면 2010년과 비교해 새로운 시스템 설치는 안정적인 상태를 유지할 것으로 예상된다. 2010년 태양광 시스템 설치는 기록적인 7.4GW 수준이었다. 독일 네트워크 규제당국인 분데스네트자겐투르가 1~9월 동안 신규 시스템 설치가 3.4GW라고 발표한 이후에도 2011년 4분기 태양광 시스템 설치는 약 4GW 수준이었다.

태양광 산업이 가격을 더욱 인하하고 경쟁력을 갖추도록 하기위해서 독일 정부는 이 부문에 대한 지원을 줄이고 발전차액지원제도의 규모를 대폭 삭감하는 방법을 찾고 있었다. 2012년 7월 1일부터 소위 발전차액지원제도는 15% 수준으로 다시 엄청난 규모로 축소될 것이다.

독일의 경제부에서는 2011년 11월 새로운 태양광 시스템 설치의 증가를 연간 1,000MW까지 축소한다는 제안서를 발표했다. 이는 태양광 세계 최대 시장이라는 독일의 명성을 약화시킬 만한 조치로 해석된다. 이와 유사한 정책이 스페인에서 있었는데, 이 때문에 스페인은 2008년 세계 최대 시장에서 2011년 세계 8위의 자리로 강등되었다.

이러한 진전 상황에 비추어보면 업계 전문가들 중 대다수는 향후 몇 년 동안이 독일 태양광 제조 산업에 결정적인 시기가 될 것이라고 예상한다. 정책적으로 태양광 시장의 성장을 계속 돕는 방향으로 진행이 된다면 독일은 핵심 생산 기지로서 그 입지를 더욱 강화할 수 있을 것이다. 연구센터, 생산시설, 인증기관이 많은 독일은 태양에너지 부문에서 엄청난 잠재력을 가진 나라임에는 틀림없다.

태양광 품질이 핵심

태양광 시스템 설치는 장기적으로 수익을 얻을 수 있는 투자로 간주된다. 태양광 시스템 설치는 20년의 운영 주기를 가지며 태양에너지 생산에는 kW 당 1,600~2,000유로의 초기 투자비용이 소요된다. 수요 증가의 잠재성이 큰 만큼 시스템 안정성을 약속하는 장기적인 투자의 매력이 큰 것이다. 더욱이 주거용 및 상업용 시스템 설치에서 유일한 장애물은 현재 초기 투자비용이기 때문에 태양광 인증에서는 예상되는 수명뿐만 아니라 제품 품질을 증명하는 것이 핵심이다.

인증을 통한 차별화

기술시험원의 최근 급속한 성장을 보면 태양광 모듈 제조에서 품질과 안정성 그리고 성능 증명이 얼마나 중요한지를 여실히 알 수 있다. 인증을 거친 모듈은 수명이 입증된 상태이며 성능에 잠재적으로 부정적인 영향을 미치는 결함이 없음이 입증된 것이다.

맑고 청명한 날씨로 유명한 지역은 아니지만 독일은 놀랍게도 현재 스페인 다음으로 태양에너지 생산이 많은 나라이다. 그리고 제조업체 수도 가장 많은 나라이다. 독일 드레스덴에 위치한 SGS 솔라 테스트하우스(기술시험원)는 특히 태양광 모듈 시험 서비스에서 전문성을 갖춘 훌륭한 사례이다. SGS는 또한 세계적인 핵심 지역과 시장에 기술 시험원 지사를 확보하고 있다. 이 기관들 모두 ISO 17025 인증을 받았으며 태양광에너지 관련 다양한 시험, 인증 서비스를 제공하고 있다.

대형 태양광 시스템뿐만 아니라 IEC 62109-1 표준을 준수한 인버터 또한 SGS-CEBEC에 의한 안정성 시험 서비스가 제공된다. SGS는 중간 전압 네트워크에 연결이 될 때 요구되는 한계 내에 전압 변동이 유지되도록 하면서 ‘계통 연계/비연계’에 대한 인증 서비스를 제공한다. SSC(시스템 및 서비스 인증) 부서를 통해 SGS는 또한 태양광 시스템을 채택했거나 추가한 전기 설치물이나 다른 주요한 변화를 겪은 전기 설치물을 시험, 인증한다.

태양광 시스템의 인증은 신뢰도와 승인을 확인해줌으로써 제조업체들, 계약업체들, 소비자들, 정부기관에도 도움이 된다. 인증 표준뿐만 아니라 제품 성능과 내구성을 측정하는 표준화된 방법은 세금 공제 자격부여에 대한 합리적인 근거로 작용하며, 제조업체들이 고품질의 태양광 모듈을 생산할 수 있도록 돕고, 명성이 높아지는 추가적인 혜택뿐만 아니라 제조업체들을 시장 점유율을 높일 수 있는 기회로도 작용한다. 따라서 제조업체의 초기 투자는 수익성과 직결되며 안전하기도 하다. 

보통 자발적으로 이루어지는 일이지만 모듈 인증은 태양광 제조업체들로선 반드시 거쳐야 하는 의무적인 관행이 되었다. 소비자들은 자신들의 상당한 투자비용이 그만한 투자 가치가 있고 시간이 경과하면서 투자비용에 대한 확실한 이득을 올려야 한다고 생각하기 때문이다. 인증의 중요성은 유럽과 미국에서 판매되는 높은 인증 수뿐만 아니라 아시아에서 모듈 인증 사업의 급속한 성장에서도 분명하게 알 수 있다. 결국 효율성이 높은 모듈 생산으로 이어지는 시험 요건을 개선하기 위해 산업계에서는 인증 표준이 끊임없이 개선되고 있다.

모듈 수명과 내구성 밝히는 성능 시험의 필요성

두 개의 다른 타입의 태양광 모듈을 비교하기 위해 가장 흔하게 사용되는 방법은 표준 시험조건(STC) 하에서 이루어지는 성능 시험이다. 성능 시험은 전력 효율, 자외선(UV） 저항성, 우박 등과 같은 악천후나 사람 혹은 사물에 의해 발생하는 파손에 대한 내구성 등의 기준 측정뿐만 아니라 효율성에 집중해 실시된다. 표준 시험 조건은 연구소에서 만들어지는데, 그 결과는 하나의 참고자료로만 사용된다. 이러한 시험 결과는 옥상에 설치된 모듈이나 단독으로 서 있는 독립형 모듈의 실제 전기 생산량과 반드시 일치하지는 않는다. 모듈 전기 생산량을 결정하는 가장 일반적인 방법은 플래시 솔라 시뮬레이터나 지속적인 빛에 노출되는 솔라 시뮬레이터를 사용한 STC 연구실 측정이다. 옥외 측정은 비교적 자주 사용되지 않는다.

연구실 조건에서 측정이 이루어지면 모듈의 전기 생산량을 순간적으로 평가할 수 있을 뿐이고 실제 기후조건에서 장기적인 시험이나 옥외 시험을 통해서 수명 주기 과정 동안 태양광 시스템의 질이 어떤지 훨씬 더 정확하게 알 수 있다. 실제 기후를 모방한 시험 조건에서 시험을 할 때는 마치 시간 경과 카메라로 찍은 것처럼 태양광 모듈의 노후화를 시뮬레이션으로 볼 수 있다. 옥외 시험에서는 설정한 시간 동안 모듈을 실제 환경 조건에 노출시킨다. 이러한 시험의 결과는 모듈의 장기적이고 실제적인 작동 결과를 보여준다.

시험 비용을 아끼기 위해 생산업체 당 2~3개의 샘플 모듈만을 시험한다. 그러나 중소 생산업체라도 연간 수십만 개의 모듈을 생산하는 것에 비추어보면 이러한 샘플의 타당도는 극히 제한적일 수밖에 없다.

태양광 모듈이 우박이나 눈, 비, 바람과 같은 좋지 않는 날씨 조건에서 사용되기도 하기 때문에 투자자들은 추가적인 성능 인증과 보증을 요구한다. 예컨대 암모니아 저항성, 폭우 하중이나 사막 저항성 같은 것들이다. 뿐만 아니라 태양광 모듈이 해안 지역에 설치되는 경우에는 소금 안개로 인한 부식에 얼마나 견디는지를 시험하는 절차 또한 강력히 권고되는 시험 방식이다.

전문가들은 시스템 전력 생산량뿐만 아니라 태양광 시스템의 수명과 내구성을 고려할 것을 권고한다. 태양광 모듈 시스템의 전기 생산량은 지역적인 요인들, 특정 시스템과 관련된 요인들, 모듈 변수들에 크게 영향을 받기 때문에 수명이 제품 설계(디자인), 사용되는 재질, 시스템 마감재에 의해서도 크게 달라진다.

가장 적합한 방법은(비교적 고가의 비용이 드는 방법이지만) 실제 기후 조건 시뮬레이션 시험이다. 그러나 이 방법도 오류가 전혀 없는 것은 아니다. 많은 경우 이 시험은 한 가지 형식의 노출만을 검사한다. 습기와 열에 의한 스트레스와 함께 자외선 복사와 같은 다양한 스트레스 요인들을 함께 시험하면 보다 효과적이고 현실적인 시험 조건을 만들 수가 있다.

실제 기후 조건 모방 시험을 통해 모듈 품질을 제대로 확인할 수 있다. 이상적으로는 장기적인 전력 생산량 측정도 함께 이루어지면 좋다. 이러한 장기적인 시험은 실제 전력 생산량을 결정하는 데 있어 특히 적합하다.

더욱이 마무리 상태 검사, 재질 시험, 운송 중 손상, 설계 오류의 여러 가지 측면들은 국제전자기술위원회(IEC)의 일반적인 시험 절차에 아직 완전히 통합되어있지 않다. 현재 독일의 SGS 솔라 테스트하우스와 같은 독립 기관들이 이러한 표준을 능가하는 시험 절차를 제공하고 있다.

특히 상업용으로 태양광 시스템 설치를 원하는 고객들이나 대형 프로젝트를 계획하는 고객들에게는 시스템 구축과 설치를 시작하기 전에 성능 검사에 이어 최대한 포괄적으로 부품들을 테스트할 필요가 있다. 다시 한 번 실제 기후 조건을 모방한 시험이 가장 중요한 테스트임을 강조하고자 한다.

생산 과정 중에 시험을 하는 것도 공장에서 실시되는 또 한 가지의 접근법이다. 첫눈에는 효과적으로 보일지 몰라도 여기에서 성공은 실로 다양한 요인들에 의해 좌우된다. 생산 과정 중에 시험을 용이하게 하기 위해 매우 많은 제품량이 필요할 뿐만 아니라 이렇게 시험이 실시되는 것에 대해 공급자가 반드시 동의해야 한다. 상당 기간동안 이렇게 복잡한 서비스 프로그램을 운영하기 위해서는 수입자의 입장에서 상당한 인내력이 요구된다.

따라서 다양한 모듈 시험 결과를 확인하고 프로젝트의 위험을 예측하는 데에는 최종 검사가 도움이 된다. 제조업체들이 표준에 명시된 시험조건 이상의 엄격한 시험조건에서 자사의 제품과 부품을 시험한다면, 나중에 그만큼 손해의 위험이 줄어들 것이다. 왜냐하면 다양한 시험 기관에서 받은 인증 결과가 상당히 다르게 나타날 수 있기 때문이다.

산업 표준

절대적인 보증 같은 건 세상에 없다. 그러나 합리적인 제품 평가는 얼마든지 가능하다. 따라서 측정 가능한 품질을 얻기 위해서는 충족해야 하는 요건의 표준을 반드시 명시해야 한다.

표준화의 목표는 제품과 서비스의 품질을 개선하고, 품질의 특성을 파악하며, 세계 시장의 요건을 효율적으로 충족하는 제품 출시를 위해서다. 또한 국내 거래, 지역 거래, 세계 무역에서 태양광 부문을 지원하고, 산업 제조 공정의 효율성을 증대시키며, 부품과 시스템 차원에서 설계 작업을 간소화 하는 등의 목표로 제품 평가 표준화를 이룬다.

현재 첨단기술을 반영하는 이와 같은 표준을 실행하는 다양한 기관과 국내, 국제적 차원의 표준이 존재한다.

- 한 국가 내에서 통용되는 국가 표준 : 일부 국가에서 통용되는 표준과 기술권고(프랑스의 CSTB, 미국의 IEEE)와 같은 표준은 상대적으로 짧은 기간 내에 실행된다. 수많은 국내 표준, 지역 표준, 혹은 특정 프로젝트에 적용되는 표준이 전 세계적으로 태양광 부품과 시스템에 적용된다. 이 모든 표준들의 단일화가 시급히 요구된다. 처음부터 국제적 수준의 표준을 도입하는 것이 국제 표준 단일화라는 목표를 달성하는 데 유리할 것이다.

- 유럽 표준 : CENELEC는 몇 가지 표준을 만들어 배포하고 있다(예 : 태양광 모듈 라벨 표시).

- 국제 표준 : 태양광에 대한 29개의 표준이 2003년 5월부터 9개의 국제 전자 기술 위원회(IEC) 표준과 함께 발표되었다. 다수의 IEC 표준이 현재 전 세계 다양한 국가들에서 국가 표준으로 받아들여지고 있다.

- 특정 프로젝트 : PV GAP, 세계은행, GTZ, EEC는 모두 지난 15년 간 시행되어 태양광 제품과 시스템의 시장 도입을 가속화하는 데 일조했다.

IEC 표준은 국제 무역을 돕기 위해 가능할 때마다 모든 국가 표준과 지역 표준에 우선해 적용될 수 있다. 세계적으로 인정되는 국제 표준이 분명 필요하다. 왜냐하면 많은 다른 국가 표준과 지역 표준이 발달해 자유시장무역을 저해하고 다양한 시장에 필요한 다른 표준으로 재시험을 실시해야하는 번거로움을 없애기 위해서이다.

태양광 시스템 비용이 향후 더 인하되기 위해서는 국제적으로 통용되는 표준이 있어야 한다. 이렇게 했을 때만이 세계 시장에서 국제 무역이 원활해질 것이다. 태양광 업체들은 따라서 전 세계적으로 일고 있는 근본적인 시장 변화에 대처하는 방법을 알기 위해 변화현상을 도식화한 학습 곡선을 통해 많은 것을 배워야 할 것이다.

본 기사는 미디어그룹 인포더에서 발행하는 글로벌 PV 매거진 Monthly INTER PV(영문) 내용을 게재한 것입니다.

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