요약
- 1990년대에 설치된 1세대 태양광(PV) 패널이 수명을 다하고 있으며, 현재의 설치 속도를 고려할 때 2050년에는 전 세계적으로 7,800만 톤의 태양광 패널 폐기물이 발생할 것으로 예상됩니다. 전용 재활용 프로그램이 없다면 이러한 폐기물 대부분이 매립지로 향하게 되어 태양광 발전의 환경적 가치를 훼손하게 될 것입니다.
- 일반적인 실리콘 패널은 실리콘 웨이퍼와 은, 납, 구리, 주석 연결재로 구성되며, 이 모든 부품은 폴리에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)로 캡슐화되어 유리와 알루미늄 프레임으로 보호됩니다. 은은 패널 질량의 1% 미만을 차지하지만 회수된 재료 가치의 약 47%를 차지하므로, 효율적인 은 회수는 재활용 경제성 측면에서 매우 중요합니다.
- 현재 세 가지 재활용 방식이 주를 이루고 있습니다. 열적 박리법(가장 저렴하고 일반적이지만 에너지 소비가 많고 유독 가스 배출 위험이 있음), 화학적 박리법(효과적이지만 속도가 느리고 화학 폐기물이 발생함), 기계적 박리법(가장 단순하지만 캡슐화 제거 효율이 낮음)입니다. 현재 이 분야에서는 학술지 논문보다 특허 출원이 더 활발하며, 이는 더 나은 공정에 대한 강력한 상업적 관심을 보여줍니다.
거의 210기가와트에 달하는 설치 용량을 갖춘 태양광 에너지는 이제 미국 에너지 환경의 핵심 요소로 자리 잡았습니다. 2024년 상반기 미국 신규 발전 용량 중 태양광이 차지하는 비중은 67%에 달합니다. 전 세계적으로 태양광 발전량은 거의 1,300테라와트시에 도달했습니다.
이는 지구와 탄소 배출 저감 노력에 명백한 이점을 제공하지만, 태양광 패널 산업의 성숙은 수명이 다한 태양광(PV) 패널을 어떻게 처리할 것인가라는 새로운 과제를 안겨주었습니다. 실제로 1990년대에 설치된 1세대 PV 패널은 태양광 패널의 약 30년 수명을 고려할 때 현재 수명이 다해가고 있습니다. 오늘날 설치되는 PV 양을 감안하면 2050년에는 전 세계적으로 7,800만 톤의 PV 패널 폐기물을 처리해야 할 가능성이 있습니다.
PV 폐기물은 귀중한 재료를 어떻게 재활용하고 회수할 것인가라는 많은 과제를 안겨줍니다. 전용 재활용 프로그램이 없다면 태양광 패널의 구성 요소들은 매립지로 향해 환경을 오염시키게 되며, 이는 태양광을 널리 보급하려는 본래의 취지와 상충됩니다.
이러한 과제는 더 순환적인 에너지 솔루션, 새로운 패널 제조를 위한 원자재 확보, 변화하는 정부 규제에 대한 더 높은 준수 등 광범위한 기회를 제공하기도 합니다. 세계 최대 규모의 인간 큐레이션 과학 정보 저장소인 CAS Content CollectionTM을 분석한 결과, PV 수명 종료(EOL) 연구가 나아갈 방향과 더 지속 가능한 미래를 위한 길을 찾을 수 있었습니다.
태양광 패널은 재활용이 가능할까요?
결론부터 말씀드리면 가능하며, 현재 세 가지 방법이 존재합니다. 일반적인 PV는 실리콘 웨이퍼와 은, 납, 구리, 주석 연결재로 구성되며, 보통 양면이 폴리에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)로 캡슐화되어 있습니다(그림 1 참조). 모든 구성 요소 중 은이 가장 가치가 높습니다. 은은 차지하는 질량은 PV 전체의 1% 미만이지만, 회수된 모든 재료 가치의 47%를 차지합니다.
현재의 재활용 공정은 네 단계로 이루어집니다:
- 알루미늄 프레임, 구리 케이블 및 정션 박스 해체
- 유리층 제거
- 폴리머 캡슐화 제거
- 실리콘 및 금속 회수
가장 까다로운 공정은 유리층 제거인데, 이는 보통 접착제를 사용하여 캡슐화된 태양전지에 부착되어 있으며 박리(delamination)라고도 합니다(그림 2 참조).
현재 사용되는 세 가지 태양광 패널 재활용 방식은 각각 장단점을 가지고 있습니다(그림 3 참조).
- 열적 박리법: 이 공정은 태양광 패널을 300~650°C의 온도에서 열분해하는 방식입니다. 이를 통해 유리를 분리하고 접착제를 분해합니다. 가장 비용 효율적이고 일반적인 재활용 방식이지만, 고온에서 작동하기 때문에 에너지 소비가 많고 유독 가스가 배출된다는 단점이 있습니다.
- 화학적 박리법: 이 재활용 방식은 유리와 태양전지를 손상하지 않고 효과적으로 분리할 수 있습니다. 하지만 공정에 사용되는 유기 용매와 무기산 또는 염기가 접착제 및 봉지재와 반응하는 데 시간이 오래 걸려, 처리 시간이 최대 10일까지 소요될 수 있습니다. 또한 사용되는 화학 물질이 고가이며, 폐화학 물질 처리를 위한 복잡한 과정이 필요합니다.
- 기계적 박리법: 해체된 태양광 패널을 파쇄한 후 분쇄 및 선별하는 방식입니다. 세 가지 공정 중 가장 단순하지만, 봉지재인 폴리머를 제거하는 효율이 낮습니다.
태양광 패널 재활용의 과제
모든 태양광 패널 재활용 방식에는 장단점이 존재하기 때문에, 연구자들은 이를 개선할 방법을 모색하고 있습니다. 현재 연구 현황을 분석한 결과, 특허 출원이 가장 활발하게 이루어지고 있으며 이는 해당 공정에 대한 상업적 관심이 매우 높음을 보여줍니다(그림 4 참조).
더 자세히 살펴보면, 열처리, 열분해, 가열, 소성 등 열적 박리법과 관련된 개념들이 가장 많이 색인되어 있음을 알 수 있습니다(그림 5 참조).
그러나 수명이 다해 쏟아져 나오는 태양광 패널을 처리하기 위해 재활용 규모를 성공적으로 확대하려면 많은 과제를 해결해야 합니다. 앞서 언급했듯이, 유독 가스 배출과 유해 화학 물질 처리는 현재의 재활용 공정을 복잡하게 만드는 요인입니다. 또 다른 문제는 회수된 실리콘이 일반적으로 다른 원소들로 오염되어 있어 새로운 태양광 패널에 바로 사용할 수 없다는 점입니다. 웨이퍼 제조 공정에 실리콘을 재사용하려면 6N(99.9999% 순도)에서 11N에 이르는 고순도로 정제해야 합니다.
실리콘 제조 공정이 태양광 패널 생산에 사용되는 전체 에너지의 절반 이상을 차지하기 때문에, 제조사들이 실리콘을 재사용할 수 있도록 하는 것은 매우 중요합니다. 30년 전에 만들어진 실리콘 웨이퍼가 오늘날 생산되는 제품만큼 품질이 높지 않다는 점은 이 공정을 더욱 어렵게 만듭니다.
마지막으로, 태양광 패널 재활용의 비용 효율성에 대한 불확실성이 존재합니다. 최근 한 연구에 따르면 재활용 소재가 신재보다 훨씬 저렴한 것으로 나타났습니다. 태양광 패널용 신재 비용은 90 USD/m2로 계산된 반면, FRELP(Full Recovery End of Life Photovoltaic) 프로젝트를 통해 회수된 재활용 소재 비용은 12.43 USD/m2에 불과했습니다. 재활용의 환경적 이점까지 분석에 포함하면 그 비용은 1.19 USD/m2까지 낮아집니다. 그러나 다른 연구들에서는 패널 내에 고가 원소가 부족하여 재활용이 수익성이 없다는 반대 결과를 도출하기도 했습니다. 이러한 경제적 불확실성을 극복하는 것이 태양광 패널 재활용 사업을 확장하는 데 핵심이 될 것입니다.
지속 가능한 태양광 패널 재활용을 위한 기회
제조사, 폐기물 관리 업체, 정부 및 기타 이해관계자들은 태양광 패널 재활용의 비용과 이점을 어떻게 더 잘 이해할 수 있을까요? 그 시작점은 보다 포괄적인 기술 경제성 분석(TEA)과 전과정 평가(LCA)를 수행하는 것입니다. 이러한 연구를 통해 최신 비용-편익 정보를 공유하고, 변화하는 원자재 가격 및 기타 요인들을 반영할 수 있습니다.
재활용 공정은 개선의 여지가 많습니다. 더 많은 연구 개발(R&D)을 통해 현재보다 더 효율적으로 원자재를 회수하는 방법을 발견할 수 있습니다. 예를 들어, 은을 더 많이 회수하면 재활용의 비용 효율성을 높일 수 있습니다. Icarus와 같은 프로젝트를 통해 실리콘 정제 기술의 돌파구를 마련한다면, 폐기물을 줄이고 새로운 태양광 패널 생산을 위한 원자재 효율성을 높일 수 있을 것입니다.
연구자들은 재활용성을 고려한 혁신적인 패널 설계를 개발할 수도 있습니다. 설계 단계에서부터 해체와 자원 회수를 고려한다면, 더 적은 에너지와 화학 폐기물을 사용하면서도 자원 회수 효율을 높이는 재활용이 가능해질 것입니다.
정부 정책 또한 중요한 역할을 할 것입니다. EU의 폐전기전자제품 처리 지침(WEEE) 규정은 다른 국가와 지역을 위한 출발점이 될 수 있습니다. 정부가 태양광 패널 재활용을 장려함으로써 규모의 경제를 촉진할 수 있습니다. 국제재생에너지기구(IRENA)가 언급했듯이, 폐기물 처리 파트너를 참여시키면 비즈니스 성장을 견인하고 수익과 일자리 기회를 확대하여, 청정 에너지 확대와 경제 성장을 위한 선순환 구조를 구축할 수 있습니다.
