근래 가장 주목받는 이산화탄소 저감용 재생에너지 수단 가운데 태양광을 빼놓을 수는 없다. 그러나 태양광 패널은 사실 우리가 믿고 싶어하는 만큼 친환경적이지는 않다. 태양 전지판과 같은 기술들은 ‘완전히 지속 가능한’ 것으로 얘기되지만 종종 이 기술의 생산 및 사용 과정에서 야기되는 실제 피해를 얼버무리거나 지나치게 만든다.
태양 전지판도 풍력 터빈처럼 진정한 존재 가치를 인정받는 것보다도 더 어두운 면을 갖고 있을 수 있다. 물론 그렇다고 해서 태양광 발전용 패널을 완전히 포기해야 한다는 것은 아니다. 다만 그것들에 대해 좀 더 솔직하고 현실적인 얘기를 해 볼 필요는 있어 보인다.
최근 공학지 인터레스팅 엔지니어링은 태양광 패널이 생각보다 친환경적이지 않을 수도 있는 부분에 대해 살펴보고 이를 해소하기 위한 노력들에 대해 소개했다. 태양광 패널의 ‘요람에서 무덤까지’와 그 이후를 살펴봤다.
원자력 발전을 선호하는 환경 저널리스트들에 의해 수행된 한 연구 결과에 따르면 태양 전지판은 전 주기에 걸쳐 원자력 발전소보다 에너지 단위당 300배나 더 많은 유독성 폐기물을 발생시킨다는 것을 발견했다.
만약 우리가 태양광 패널과 원자력 발전소가 각각 지난 2016년에 생산된 것과 같은 에너지를 향후 25년간 생산한다고 가정한다면 여기서 나오는 폐기물의 차이는 엄청나다. 폐기물을 축구장에 쌓아 올린다면 핵폐기물은 피사의 사탑 높이에 이르고, 태양광 전지판 폐기물은 에베레스트 산 두 개의 높이와 같다.
물론 둘 사이에 발생하는 폐기물의 성격은 매우 다르지만 후자의 양을 무시할 수는 없다. 현재 태양광 패널 폐기물들의 최종 장소는 (일부 재활용을 제외한 거의 대부분이) 쓰레기 매립지에 있을 가능성이 가장 높지만 아무리 좋게 말해도 이상적이지는 않다.
태양 전지판도 다른 제품들처럼 천연 자원을 필요로 하는 데 대부분 특별한 종류의 실리콘으로 만들어진다. 실리콘은 지구상에서 가장 풍부한 물질 중 하나인 석영이다. 일단 실리콘(규소)을 추출하면 더 순수한 형태로 정제되는데 이 과정에서 많은 에너지를 소비한다. 대부분의 경우 에너지는 직접, 또는 발전소에서 화석연료 연소를 통해 공급된다.
이러한 에너지 투자는 종종 태양 전지판의 수명에 따라 수년에 걸쳐 반환된다. 만일 태양광 패널을 저탄소 전기로 만든다면 투자 회수 속도가 훨씬 빨라질 것이다.
실리콘 생산 공정에서 많은 유독 가스(이산화황과 산화질소, 이산화탄소)를 발생시킨다. 실리콘은 염산과 결합해 반도체 산업에서 초순수 실리콘의 주요 선행 물질이 되는 3염화실렌(트리 클로로 실렌)을 만든다. 이는 또한 수소와 반응해 실리콘 중간 형태인 폴리실리콘과 매우 유독한 사염화 규소를 약 1:3의 비율로 생성한다. 꼼꼼한 제조업체들을 제외한 대다수 기업들이 이 폐기물에 들어있는 실리콘을 재활용하지 않고 그냥 버린다.
미국, 영국, 유럽연합과 같은 나라들은 매우 엄격한 환경 기준을 가지고 있지만, 대다수 폴리실리콘 생산은 이제 규제가 덜 엄격한 극동아시아에서 이뤄진다. 실제로 지난 2008년 워싱턴 포스트지는 한 중국 폴리실리콘 시설 재활용 및 재사용 장비 투자 대신 사염화 폐기물을 이웃한 토지에 그냥 버렸다고 보도했다. 국제적 항의 속에 중국 정부는 이 폐기물을 최소한 98.5% 재활용토록 하는 기준(감시 및 준수 여부와 별개로)을 세웠다.
폴리실리콘이 만들어진 후 웨이퍼로 만드는 과정에서 태양광 전지 성분을 만들기 위해 갈륨, 카드뮴, 비소, 안티몬, 비스무트, 리튬 등과 같은 물질로 ‘도핑’된다. 이들은 그 자체로 환경에 매우 위험하다. 이 과정에서 사용되는 염화 포스포릴은 독성과 부식성이 매우 강하고 불산은 세상에서 가장 강력한 산 중 하나다. 현재 불산을 수산화나트륨으로 대체하는 작업이 빠르게 진행되고 있다. 이는 사고 발생시 의사가 대처하고 치료하기가 훨씬 더 쉽게 해 준다.
하지만 여전히 태양열 발전으로 인한 잠재적 환경 피해는 이어진다. 태양광 패널 제조를 위한 다양한 공정에서 냉각, 화학 처리, 대기 오염 억제를 위한 많은 물을 소비한다. 230~550메가와트(MW) 범위의 전기를 사용하는 공장 규모라면 공사 중 먼지 조절을 위해 15억 리터의 물을 소비할 수 있다. 그들은 또한 공장 가동중 패널 세척을 위해 연간 2600만 리터의 물을 사용할 수도 있다. (하지만 통상적으로 화석 연료 화력발전소와 원자력 발전소를 식히는 데 사용되는 물의 양이 이보다 훨씬 더 많다는 것에 주목할 필요가 있다.)
이런 모든 과정을 거친 후에도 태양 전지판의 환경적 영향은 계속된다. (결국 많은 물리적 상품들의 생산은 다소 간에 환경에 영향을 끼친다.)
햇빛을 전기로 전환하는 실제 과정은 ‘녹색(친환경)’으로 간주될 수 있지만 태양 전지판 어레이에는 통상적으로 간과하기 쉬운 다른 문제들이 있다.
예를 들어 대규모 태양광 어레이 설치에는 많은 공간이 필요하다. 태양광 패널 설치를 위한 공간 확보를 위해 완벽히 유용한 토지를 사용(또는 저수지와 같은 수역을 사용)해야 할 수도 있다. 이는 단기적으로는 지역 생태계에 직접적 영향을 미며 장기적으로는 토종 식물과 동물 서식지에 영향을 미칠 수도 있다.
태양광 설치를 위한 대규모 토지 개간은 종종 토양 압축밀도와 자연 배수로의 경로 변경을 초래한다. 패널 그림자로 인해 그 주위에서는 중요한 식물이 거의 또는 전혀 자라지 않는 상태가 된다. 이는 토양 침식과 토사 유출의 현저한 증가를 초래할 수 있다. 마치 삼림 벌채처럼 장기적으로 지역 생태계에 재앙이 될 수 있다.
또한 작동중인 일부 태양광 발전 설비또한 많은 양의 물을 필요로 할 수 있다. 이는 해당 시스템에 따라 청소, 또는 냉각 목적으로 자주 사용되면서 지하수, 또는 지표수를 소비하는 경우 태양광 발전소 주변의 넓은 환경에 직접적 영향을 미칠 수 있다.
이 문제들은 심각하게 받아들여질 만큼 충분히 중요하다. 물론 이는 대부분의 가정용 태양광 패널 설치와는 실질적 관련이 없다.
태양열 태양광 전지판의 경우 다른 잠재적인 환경적 위험 요인이 있다. 일부 시스템에서는 패널로부터 열을 전달하는 데 사용되는 매우 위험한 액체가 필요할 수 있다. 반면에 가정용 규모의 태양열 물 가열 시스템은 일반적으로 프로필렌 글리콜과 같은 저독성 부동액을 사용한다.
이러한 액체를 담는 데 사용되는 파이프 구조, 펌프 및 기타 보조 장비는 영원히 지속될 수 없으며 시간이 지남에 따라 파열되기 쉽다.
이는 그러한 액체가 환경에 유출되는 결과를 초래할 수 있는데 이는 명백히 식물과 동물들에게 이상적이지 않다. 지금까지는 그런대로 좋았지만 패널이 폐기되면 환경에 미치는 영향은 확실히 멈추게 될지에 대해서도 생각해 볼 필요가 있다.
그렇다면 오래된 태양 전지판이 유효 수명을 다하면 어떻게 될까?
대부분의 태양 전지판은 약 25년 정도의 사용 수명을 가진다. 유효 수명이 경과하면 패널을 해체, 제거하고 새 패널로 교체해야 한다. 이는 태양광 패널이 만들어질 때 여러 가지 환경에 대한 화학적 영향에 추가되는 영향이다.
그렇다면 중고 태양광 패널들은 그냥 버려도 안전할까. 재활용이 가능할까.
국제 재생 에너지 기구(IRENA) 등과 같은 기구들은 2050년까지 약 7800만 입방톤의 태양 전지판이 수명을 다 할 것이라고 예측한다. 이 엄청난 양의 폐기물을 처리하기 위한 뭔가가 이뤄져야 한다.
대부분의 전자제품이 비교적 안전하게 재활용될 수 있지만, 오래된 패널을 안전하게 해체하는 믿을 만한 방법을 찾지 못한다면 오늘날처럼 이 패널의 대부분이 쓰레기 매립지에 버려질 수도 있다. 이때 태양 전지판의 독성 물질은 진짜 문제가 된다.
재활용 노력을 복잡하게 하는 문제들 중 하나는 태양 전지가 플라스틱에 캡슐화되고 유리와 백시트 사이에 들어가는 경향이 있다는 점이다. 기술적으로 분해하기 어렵지는 않지만, 시간이 걸리고, 이는 잠재적 재활용 회사들에게 더많은 처리 비용을 부담하게 만든다.
몇몇 태양전지판 재활용 방법들은 재활용을 요구하는 몇몇 규제 기구들에 의해서도 지지를 받고 있다. 하지만 기존 방법들이 이를 위한 가장 환경 친화적 방법은 아니다.
예를 들어 일반 전자쓰레기 처리 시설에서는 태양 전지판들의 내부 금속을 회수하기 위해 알루미늄 프레임과 접속 배선함을 벗겨낸다. 그러나 패널의 나머지 부분은 유리에 결합된 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA) 플라스틱 층에 캡슐화돼 처리하기가 훨씬 더 어렵다.
이런 이유로 해서 비록 태양광 패널이 은 전극으로 코팅되고 주석과 납을 사용해 납땜되지만, 유리, 폴리머, 솔라셀 등 패널의 나머지 부분은 종종 단순히 잘게 분쇄돼 버려진다. 이 물질의 대부분이 유리로 만들어지기에 이들은 종종 순수하지 않은 형태의 부서진 유리로 취급된다. 이 폐유리는 플라스틱, 납, 카드뮴, 안티몬을 포함하고 있기 때문에 보통 더 이상 재활용될 수 없다. 이들이 녹아 토양에 스며든다면 환경에 특히 유해하다.
이처럼 전통적으로는 태양 전지판의 작은 부분만 재활용할 수 있었지만 상황은 빠르게 변하고 있다.
태양 전지판을 재활용하는 데 있어서 맞닥뜨리는 주요 문제 중 하나는 그렇게 하는 데 따른 낮은 비용 대비 편익 비율이다. 일부 추정치에 따르면 일반적인 60셀(cell) 실리콘 패널로는 3달러 상당의 알루미늄, 구리 및 유리를 회수할 수 있다. 그러나 실제로 미국에서 패널 전체를 재활용하는 비용은 운송비를 포함해 12~25달러 정도다. 반면 낡은 패널을 쓰레기장에 버리는 비용은 1달러 미만이다.
사업적인 관점에서 볼 때 태양광 패널 재활용에 따른 명백한 재정적 이득이 없는데 신경쓰는 이유는 뭘까.
그 한 가지는 패널들에 은과 실리콘과 같은 매우 값어치 있는 재료들이 들어있기 때문이다. 가격만 적당하다면 오래된 태양광 패널을 효율적으로 재활용하기 위한 물질 추출에 시간을 투자할 만한 가치가 있다.
프랑스 베올리아(Veolia)와 같은 몇몇 회사들이 바로 이런 일을 하고 있다. 이 회사는 세계 유일의 상업용 실리콘 태앙광 패널 재활용 공장을 개발했다. 이 회사는 오래된 패널을 가져다가 갈아서 그 폐기물의 저순도 실리콘 형태를 회수하기 위해 특별한 광학 기술을 사용한다. 베올리아는 새로운 광학 기술로 태양광 패널에서 가장 가치 있는 구성 물질의 95% 이상을 회수할 수 있다.
또 다른 예로 캘리포니아에 기반을 둔 ‘위 리사이클 솔라(We Recycle Solar)’가 있다. 이들은 태양 전지판으로부터 가능한 한 많은 귀중한 물질을 추출하는 특별한 기술을 개발했다. 5년 전 설립된 이래 가정, 기업, 그리고 태양광 발전소에서 나온 수천개의 태양광 패널을 재활용해 왔다. 이들도 다른 재활용 회사들처럼 먼저 알루미늄 프레임과 배선 등을 제거한 후 패널의 나머지 부분을 잘게 쪼개 특수 화학 처리, 전기 분해 및 추가 과정을 거친다. 이 처리를 통해 다음 단계 가공업자들에게 출하할 금속, 실리콘 및 유리를 분리한다. 이 공정은 사용된 태양 전지판으로부터 건져낼 수 없던 물질의 양을 크게 줄여 쓰레기 매립의 필요성을 현저히 감소시킨다.
또 다른 회사인 에코 인바이얼런먼털(Echo Environmental)은 사용된 태양 전지판에 대한 초기 처리에서는 동일하다. 그러나 다른 회사들과 달리 패널의 나머지 부분에 대해 일련의 분쇄 공정을 거친다. 이렇게 해서 유리의 깨끗한 부분을 분리할 수 있고, 유리 섬유 단열재나 반사 도료용으로 판매할 수 있다. 그런 다음 패널의 나머지 부분(실리콘 등)을 다른 파쇄된 회로와 혼합해 제련용으로 출하한다.
호주에 본사를 둔 로터스 에너지(Lotus Energy)는 거의 100%의 오래된 태양 전지판을 재활용하는 방법을 개발했다. 처리 과정에 화학물질도 사용하지 않는다. 이 공정은 고급 알루미늄, 고급 실리카 먼지, 구리, PVC 및 은을 생산할 수 있다. 실리카 셀도 일부 제조업체에 의해 재사용될 수 있도록 회수될 수 있다.
늘어나는 태양광 패널 폐기물 문제 해결을 위한 다른 방향은 낡은 패널을 재활용하거나 버리는 대신 용도 변경 방법을 찾는 것이다. 오래된 패널은 있는 그대로의 가치가 더 높기 때문에 이는 매우 유망한 노력 중 하나가 될 수 있다.
예를 들어 옥상이나 태양광 발전소에서 걷어낸 태양광 패널은 전기 자전거용으로 용도 변경될 수도 있다. 오래됐지만 기능이 완벽한 기존 태양광 패널을 재인증하고 재판매하는 작업도 있다. 다만 개도국에 태양광 패널 쓰레기를 수출하는 것은 문제를 수출해 버리는 것일 뿐이다.
오래된 패널 재판매시 발생할 또 다른 복합적 문제는 역시 경제성이다.
신형 패널 가격은 수년 간 가격이 상당히 하락해 중고 태양광 패널 시장의 잠재적 이익을 심각하게 잠식해 왔다. 미국 에너지 정보국에 따르면 지난 2019년(데이터 이용 가능한 최신 연도)에 출하된 태양광패널 모듈 평균 비용은 최고 성능일 때 생성된 와트(W)당 41센트였다. 10년 전에는 이 평균 비용이 W당 최고 2.79달러였다. 그러나 시장에 나와 있는 최신 태양광 패널들은 10년 전에 만들어진 것들보다 더 효율적이다. 가격이 새 패널보다 그리 비싸지 않고 효율성이 훨씬 더 높다면 소비자들은 좀 더 돈을 지불할 가능성이 높다. 결국 투자에서 가장 중요한 요소 중 하나는 투자 비 회수 기간이다.
또 다른 문제는 새로운 패널을 구입하고 설치하는 데 따르는 재정적 인센티브다.
종종 정부의 세제 혜택은 부담되는 기술 설치비에 도움을 준다. 예를 들어 미국에서는 현재 새로운 태양광패널 설치 비용을 26%까지 줄여주는 것이 연방 정부의 정책이다. 그러나 일반적으로 이 정책은 구형, 중고 패널로까지 확대되지는 않는다.
임박한 태양 폐기물 ‘위기’에 대한 보고가 경각심을 불러일으키고 있는 가운데 이미 그것을 처리하기 위한 전략이 개발되고 있다. 오래된 패널을 100% 재활용하는 방법에서부터 재사용하거나 용도 변경할 수 있는 가능성이 그것이다. 유일한 진짜 문제는 상상력과 의지 여부일 것이다.
가장 좋은 방법은 오래된 패널의 용도를 변경하고 설치하는 것이다. 구형 패널로 인센티브가 확대되거나 새 패널 설치(보증, 인증 등)로 인한 기타 이점이 있는 경우에만 해당 패널에 대한 건전한 시장 형성이 가능할 것이다.
그때까지 각국 정부는 오래된 패널을 매립지에 버리는 대신 완전히 재활용할 필요성을 의무화하는 법안을 계속 내놓을 것 같다. 태양광 패널 재활용이 수익성 있는 한 원자재를 추출하고 가공하는 데 드는 환경 비용을 크게 줄이는 데 도움이 될 것이다.
그래핀 기반의 실리콘 패널, 유기 태양 전지판 또는 박막 패널같은 다른 방법들도 모색해 볼만한 방법이지만 이 방법들역시 그들 자체의 독특한 ‘요람에서 무덤까지’ 문제를 일으킬 뿐이다.
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