※ 희토류 영구자석(Nd-Fe-B)의 주요 사용처

● 전기차(BEV & HEV, PHEV)

전기차에 사용되는 주요 구동모터는 영구자석 동기모터와 교류 비동기 모터임.
영구자석 구동모터는 넓은 자속조절 범위와 높은 전력밀도비율, 고효율, 고신뢰성 등의 장점을 지니고 있으며 자동차 전체의 중량을 효과적으로 줄여줘 에너지 변환효율을 높일 수 있어 현재 전기차 시장의 주류 구동모터로 자리매김하고 있음.
고성능 소결 Nd-Fe-B이 모터의 핵심 소재임.

순수 전기차는 1대당 5 – 10kg의 Nd-Fe-B 영구자석이 필요하며, PHEV는 1대당 2 – 3kg의 Nd-Fe-B 영구자석이 필요함.


● 풍력발전

풍력발전기는 영구자석 직접 구동식, 반직접구동식(PDD, Partially Directly Driven Wind Turbine), 이중피드 비동기형으로 구분되며, 이 중 영구자석 직접구동식과 반직접구동식은 고성능 네오디뮴 영구자석(Nd-Fe-B)을 사용함.

영구자석 직접구동식 풍력발전기는 고효율, 긴수명, 높은 안정성, 간단한 구조 등의 장점을 지니고 있으며 향후 풍력발전기의 주류가 되어가고 있음.

반직접구동식 풍력발전기는 기존 풍력발전기의 비용을 절감하고, 변환 효율과 신뢰성을 높이는 방식이나 작동 시스템의 복잡성과 높은 비용으로 영구자석 직접구동식과 비동기형의 중간적 위치에 있음.

SMM의 자료에 따르면, 영구자석 직접구동식 풍력발전기의 시장 점유율은 2010년 약 2%에서 2020년 50%이상까지 증가하였음.
반직접구동식 풍력발전기의 시장점유율은 약 25 – 30%이며, 이중피드 비동기형 풍력발전기의 점유율은 2010년 60%이상에서 2020년 20% 미만으로 하락하였음.

풍력발전기의 대형화 추세에 따라 고성능 Nd-Fe-B 영구자석을 사용한 풍력발전기의 점유율이 계속해서 늘어나고 있음.


● 산업용 로봇

서보 모터(Servo Motor)는 로봇 관절의 유연한 움직임을 제어하는 핵심장비로 그 중 회전 AC 동기 서보 모터의 회전자는 영구자석을 사용함.
희토류 영구자석은 높은 에너지밀도를 바탕으로 모터에 높은 전력밀도를 만들 수 있어 다양한 특성을 지닌 서보 모터를 만들 수 있게 해줌.
또한 고성능 Nd-Fe-B 영구자석은 로봇의 부피를 줄이고 경량화를 구현시킬 수 있음.

산업용 로봇 제조 원가 중 20%가 서보모터이며, 희토류 영구자석은 서보모터의 부품 중 가장 비싼 부분이며, 영구자석이 서보 모터의 특성을 직접적으로 결정함.

로봇에 사용되는 서보 모터용 영구자석의 작동온도는 일반적으로 100도 미만으로 H 또는 SH 등급의 희토류 영구자석이 사용됨.
로봇에 따라 영구자석의 소요량이 다르지만 대략 0.3 – 3kg의 영구자석이 사용됨.


● 인버터 가전

인버터 에어컨은 기존 에어컨에 인버터를 추가한 것으로, 에어컨에서 가장 중요한 압축기의 속도를 인버터를 통해 제어하여 최적의 에너지 효율을 나타낼 수 있게 해줌.

최근 수년 동안 인버터(컨버터블) 가전이 빠르게 보급되고 있으며, 에어컨 외에도 세탁기, 냉장고, 전자레인지에 인버터가 결합되면서 새로운 에너지 절약 가전제품들이 출시되고 있음.

인버터 가전의 약 50%가 희토류 영구자석 모터를 사용(나머지 50%는 페라이트 자석 사용)하며, 대당 평균 100g의 Nd-Fe-B 영구자석이 사용됨.


자료인용 : Huaan Securities 발간 “JL MAG 보고서” (2024. 02. 02)

※ 중희토류(Dy, Tb) 입계확산법 : 영구자석의 열적 안정성

네모디뮴 영구자석의 자기 특성은 모터의 출력 성능을 결정함.
하지만 중희토류인 Dy, Tb가 포함되지 않은 소결 네오디뮴 자석은 낮은 작동온도와 보자력을 지니고 있어 전기차 구동시스템 및 풍력 발전 시스템과 같이 고온에서 작동해야 하는 요구조건을 충적시킬 수 없음.

네오디뮴 영구자석의 고온 안정성을 향상시키는 방법은 자석의 보자력을 높이고, 퀴리온도(Curie temperature, 물질이 자성을 잃는 온도)를 높이는 것임.

중희토류인 Tb(터븀)과 Dy(디스프로슘)을 사용하면 자석의 전반적인 보자력을 향상시킬 수 있음.
그러나 기존의 제련법을 사용하면 Tb와 Dy의 사용량이 급증하여 비용을 크게 증가시키며, 또한 중희토류 원자와 철 원자 사이의 반강자성 결합으로 인해 자석의 잔류 및 에너지 밀도도 감소됨.

따라서 Nd-Fe-B 자석을 소결하여 높은 보자력을 확보한다는 전제 하에 중희토류의 양을 줄이는 것이 고성능 희토류 영구자석의 핵심임.
그 중 입계확산법은 보자력을 높이고 적은 중희토류를 사용할 수 있어 고성능 희토류 영구자석의 메인 제조법임.

프로스트 설리번의 자료에 따르면, 입계확산법을 통해 일반적으로 중희토류의 사용량을 50 – 70%까지 줄일 수 있음.

고성능 네오디뮴 영구자석 생산은 기술적으로 높은 문턱을 지니고 있음.


자료인용 : Huaan Securities 발간 “JL MAG 보고서” (2024. 02. 02)

※ 글로벌 및 2024년 미국 태양광 시장 전망

● 글로벌 태양광 발전 시장

2017년부터 2023년까지 글로벌 신규 태양광 발전 설치량 증가는 CAGR로 24%였으며, 2023년 한 해 동안 전년대비 74% 성장했음.

글로벌 태양광 시장은 미국, 유럽, 중국, 인도에 의해 주도되고 있으며 이들 지역의 전체 글로벌 시장 비중은 85%에 달함.


● 미국 태양광 발전 시장

미국의 2017년부터 2023년까지의 신규 태양광 발전 설치량 증가는 CAGR로 16%였으며, 2023년 기준 글로벌 태양광 시장의 약 8%를 차지하여 중국, 유럽 다음으로 큰 시장임.

2023년 한 해 동안 미국의 신규 태양광 발전 설치량은 전년대비 50% 이상 증가(전력망 기준)하였음.
2023년 기준 유틸리티용 태양광 발전 설치량이 전체 시장의 70%를 차지하고 있음.


○ 2024년 상반기 미국 태양광 시장 및 2024 전망

SEIA에 따르면, 2024년 1분기 미국의 신규 태양광 설치는 11.8GW로 전년동기대비 93%증가하였음.
EIA에 따르면, 2024년 상반기 미국의 1MW 이상 태양광 수요는 전년동기 대비 104% 증가하였음.

Wood Mackenzie에 따르면, 2024년 전체 미국 태양광 시장 예상 설치량은 38GW로 전년대비 17% 증가할 것으로 예상되고 있으나, 2024년부터 시행되는 동남아 4개국에 대한 관세부과로 인한 빠른 설치로 2024년 미국의 연간 수요는 시장의 당초 예상치를 상회할 것으로 예상됨.


자료인용 : Huaan Securities 발간 “2024년 태양광 산업 중기전략” (2024. 08. 19)

※ 태양광과 ESS 조합 : 태양광 발전의 간헐성 극복과 경제성 확보

LCOE(균등화발전비용) 기준 태양광 발전의 전력단가는 2010년 중반부터 화력발전 대비 낮아지면서 설치량이 빠르게 증가하기는 했지만, 2020년까지 신재생에너지를 주도하였던 것은 풍력발전(특히 육상풍력)이었습니다.

LCOE는 신재생에너지 특히 태양광의 간헐성을 발전단가에 반영하는 것이 쉽지 않은 문제점을 지니고 있습니다.
태양광은 밤에는 발전이 안 된다는 문제로 인해 천연가스/LNG 발전(유럽, 미국, 한국 등), 석탄발전(중국 등 개도국)과 같은 백업발전이 필요하였고 이러한 추가적인 비용으로 인해 생각보다 높은 경제성을 보여주기 어려웠습니다.
LCOE는 단순 발전단가 만을 비교한 것으로, 간헐성, 기저발전/첨두발전 여부, 전력인프라 등 다양한 면을 고려해서 각 발전원들의 경제성을 따져야 합니다.

오히려 열돔현상과 같은 특수한 경우를 제외하고 지속적인 바람을 이용할 수 있는 풍력발전이 태양광보다 높은 경제성을 지니고 있었습니다. 2022년 기준으로도 육상풍력이 태양광발전보다 LCOE 기준으로 발전단가가 더 낮습니다.

참고로 중국이 태양광 등 신재생발전 규모를 급속히 늘리면서 석탄발전도 함께 증가시켰던 이유도 신재생에너지의 간헐성을 백업하기 방안이었습니다. 중국은 천연가스 대신 자국에 풍부한 매장량을 지닌 석탄발전을 신재생에너지의 백업발전으로 삼았습니다.
중국의 신재생에너지 산업육성은 탄소배출 절감의 목적도 있지만, 궁극적으로는 에너지 자립에 있었습니다.

하지만, ESS용 배터리의 가격이 빠르게 하락하면서 태양광 발전은 가장 큰 약점이었던 간헐성을 극복할 수 있는 가장 좋은 해결책이 나타났고, 2023년부터 중국을 중심으로 글로벌 태양광 시장이 급성장하기 시작하였습니다.

2023년 글로벌 태양광 신규설치량은 346GW로 전년(199GW)대비 74%나 급증하였으며, 특히 중국의 경우 217GW로 전년(87GW)대비 148%나 급증하였습니다.
태양광 패널의 가격 하락도 태양광 발전설치량 증가에 주요 원인 중 하나였지만, LFP를 사용한 ESS의 경제성 확보 또한 글로벌 태양광 시장 확대의 중요한 요소였습니다.

이러한 흐름은 중국에서 타 지역으로 확대되고 있는데, 특히 미국의 경우 2024년 상반기 태양광 설치량이 전년동기대비 104% 증가하였습니다. 미국의 경우 동남아 4개국 관세부과에 따른 영향도 일부 있지만 ESS가격의 하락으로 인한 태양광발전의 경제성 상승도 주요 요인이었습니다.

태양광 + ESS 조합으로 태양광 발전은 기존 양수, 천연가스/LNG, 석탄 등의 값비싼 백업발전을 사용하지 않음으로써 타 발전원대비 높은 경제성을 확보해가고 있습니다.

IEA의 자료에 따르면, 2023년부터 태양광 발전에 투자되는 돈이 다른 모든 발전원(석탄, 원자력, 천연가스, 풍력 등)을 합한 것보다 더 많아졌으며, 이러한 흐름은 시간이 흐를수록 가속화될 것으로 전망되고 있습니다.

앞으로 태양광 발전과 ESS는 가장 빠르게 성장하는 전력원이 될 것은 의심의 여지가 없어 보입니다.

---------
● “중, 이렇게 빠를 줄은, SNS 사진 한 장에 발칵 뒤집어졌다” 기사 주요 내용 요약

테슬라 ESS용 상하이 메가팩 공장(40Gwh)이 착공 3개월 만에 공사 진행율 45%에 이를 정도로 초고속으로 진행되고 있음.

테슬라의 캘리포니아 라스롭 메가팩 공장(40Gwh)은 착공부터 시범생산까지 14개월이 걸렸음.

2024년 2분기 테슬라의 에너지 부문(ESS+태양광)의 매출은 YoY로 100%이상 성장하였으며, 전체 매출 비중도 10% 이상으로 증가하였으며, 이는 테슬라가 전기차 기업을 넘어 에너지 기업으로 확장되고 있음을 증명하는 수치임.

테슬라의 에너지 부문 중 성장을 이끄는 것은 ESS산업이며, 주력상품은 산업용 ESS인 메가팩과 가정용 소규모 ESS인 파워월임. 반면 태양광 사업(솔라루프 등)은 적자가 지속되고 있음.

모건스탠리에 따르면, 1개의 메가팩(4Mwh)은 24시간 동안 130여 가구에 전력을 공급할 수 있음.


미국 투자은행 파이퍼샌들러에 따르면, ESS 시장규모가 2030년 2Twh로 2023년 대비 20배 성장할 것으로 전망하고 있음.

https://www.hankyung.com/article/202408220148i

※ 중국 발전원별 설비/발전 비중 비교 (2016년 VS 2024년 상반기)

● 중국 발전원별 설비 비중 비교
2016년 : 화력 64.3% / 수력 20.1% / 원자력 2.0% / 풍력 8.9% / 태양광 4.6%
2024년 상반기 : 화력 45.76% / 수력 13.91% / 원자력 1.89% / 풍력 15.20% / 태양광 23.24%


● 중국 발전원별 발전비중 비교
2016년 : 화력 74.4% / 수력 17.8% / 원자력 3.6% / 풍력 3.6% / 태양광 0.7%
2024년 상반기 : 화력 63.01% / 수력 12.28% / 원자력 4.72% / 풍력 11.30% / 태양광 8.70%

자료인용 : AVIC Securities 발간 “태양광 산업 월간 보고서” (2024. 08. 24)

※ 중국 ESS용 배터리 판매 및 수출

2024년 ESS용 배터리 산업의 성장 속도는 전기차용 배터리보다 높았음.
ESS용 배터리 가격의 하락은 ESS의 경제성을 향상시키고 수요를 촉진시켰음.

중국자동차배터리산업연맹이 발표한 데이터에 따르면, 2024년 1월부터 5월까지 누적 전기차용 배터리 판매량은 248.8GWh로 전년동기대비 24% 증가한 반면, ESS용 배터리 판매량은 61.6Gwh로 전년동기대비 144.1% 증가하였음.

특히 중국의 ESS용 배터리 수출이 크게 증가하였는데, 2024년 1월부터 5월까지 중국의 전기차용 배터리 수출량은 46.9Gwh로 전년동기대비 2.9%증가하는데 그쳤으나, 같은 기간 ESS용 배터리 수출량은 8.4Gwh로 전년동기대비 50.1% 증가하였음.


자료인용 : Zhongyin Securities 발간 “태양광 및 ESS 산업 중기 투자전략” (2024. 08. 19)