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손하 강전
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1 삼성SDI 김대원 1

2 서론 목차 실리콘태양전지산업의역사 실리콘태양전지산업현황및전망 태양전지시장전망 실리콘원료공급 태양광발전의경제성 모듈가격하락 scenario 정부지원 결론 2

3 실리콘태양전지산업의역사 Beyond the learning curve: factors influencing cost reductions in photovoltaics, G.F. Nemet, Energy Policy 34(17), pp , (2006) 3

4 학습곡선 (Experience curve) 원리 : 경험 (Learning-by-doing) 이원가절감및품질향상의기회를제공한다. C t =C 0 (q t /q 0 ) -b, LR(Learning Ratio)=1-2 -b C: 제조원가, q: 누적생산량 누적생산량이 2 배로되면제조원가는 LR 만큼감소 태양전지모듈의경우 LR 0.2 LR=0.26(P. Maycock), 0.17(Strategies Unlimited) Figure 1: Experience curves for PV modules and sensitivity of learning rate to underlying data. Data: Maycock (2002); Strategies-Unlimited (2003). 4

5 학습곡선의한계 미래원가절감의시점이 LR 에민감 산업성장률을 15% 로가정하면모듈제조원가가기존발전방식과경쟁할수있는수준인 $0.3/W 가되는시점은? LR 이 0.26 인경우에는 2039 년, 0.17 인경우에는 2067 년 정부의지원이결정적인산업화초기에학습곡선을정의하기위한자료가부족 원가절감에중요한특정기술요소의진보에있어서불확실성및한계를무시 이론적인효율한계가미래원가절감의가능성에대한확신에영향을줄수있음 R&D 또는다른산업으로부터습득한지식의영향을무시 품질의변화를무시 신뢰성 5

6 새로운원가모델 원가절감과정을관찰할수있는기술요소로분해함으로써태양광발전산업에서의기술변화뒤에숨어있는動因을이해 분석의범위 시기 : 1975~2001 제품 : 단결정및다결정실리콘태양전지모듈 지역 : 세계 태양광발전산업의경우분석을단순하게하는두가지측면이있음 태양전지모듈의크기에큰변화가없음 : 지난 30 년간 ~1 m2 유지 보수불필요 : learning-by-using 을고려할필요가없음 6

7 제조원가 (C) 원가모델의방법론 태양광발전단가를대신하여모듈제조원가를모델링 : 이용률, 수명, 이자율등에의한불확실성을회피 가격을제조원가의근사치로사용 Maycock과 Strategies Unlimited의가격자료를평균 모듈효율 (η) 효율증가에반비례하여원가감소 ΔC t(η) =C t-1 ((η t-1 / η t )-1) 공장크기 (SZ) 규모의경제에의한원가절감 ΔC t(sz) =C t-1 ((SZ t /SZ t-1 ) b -1) Scaling factor(b): -0.18( 반도체산업 ) 7

8 수율 (YD) 원가모델의방법론 ( 계속 ) 수율증가에반비례하여원가감소 ΔC t(yd) =C t-1 ((YD t-1 / YD t )-1) 수율증가요인 : 자동화 수율감소요인 : 웨이퍼박형화 다결정점유율 (PS) 다결정모듈의원가 (PC) 는단결정모듈원가의 90% 로가정 (PF=0.9) PC t =PF C t /(1-(1-PF)PS t ) ΔC t(ps) =(PS t -PS t-1 )(PC t-1 -C t-1 ) 8

9 원가모델의방법론 ( 계속 ) 실리콘가격 (SC) 실리콘원료를제외한기타재료의영향은무시 Figure 2: Materials costs for PV modules. Data: Christensen (1985); Maycock(2002). ΔC t(sc) =SU t-1 (SC t -SC t-1 ) 9

10 원가모델의방법론 ( 계속 ) 실리콘소비 (SU) 웨이퍼두께의감소및 kerf loss의감소 ΔC t(su) =SC t-1 (SU t -SU t-1 ) 웨이퍼크기 (WS) 웨이퍼크기가증가하면이후공정에서웨이퍼당고정된제조원가 (testing, tabbing & stringing) 는감소 웨이퍼이후공정의제조원가는총제조원가의 40% 로가정 (WP=0.4) 웨이퍼당고정된제조원가는웨이퍼이후공정제조원가의 10% 로가정 (WF=0.1) ΔC t(ws) =C t-1 (WS t-1 /WS t -1)WP WF 전체원가모델 ΔC t = ΔC t(factor) 10

11 모델링결과 (1975~2001) 실제원가절감 ($70.36/W) 의 60% 밖에설명하지못함 원인 : 1980년을중심으로한산업변화 시장중심이우주용에서지상용으로변화 정부지원이 R&D 중심에서보급중심으로변화 Cost down 요인모듈효율 Plant size Si 가격 Si 소비수율 Wafer 크기다결정점유율 변화 6.3% 13.5% 76kW/ 년 14MW/ 년 300$/kg 25$/kg 30g/W 18g/W 87% 92% 45cm2 180cm2 0% 50% Cost down 효과 ($/W) Cost down 요인에의한변화의합 실제 cost down

12 기간 1(1975~1979) 품질요구조건의완화에따른저가격화 단위출력당크기및무게 수명 : 20년 5년 Figure 3: Module lifetime. Data: Moore (1982); Christensen (1985); Wohlgemuth (2003). 12

13 기간 1(1975~1979)( 계속 ) 수요탄력성의변화가마진을축소 우주용모듈의단가는지상용의 2.5 배 우주용모듈의가격및점유율의변화를고려할경우평균모듈가격의변화 : -$22/W 우주용은시스템가격에서모듈이차지하는비중이적음 표준화 제조원가와가격의차이가큼 1970년대초까지미국의우주프로그램이수요를독점 1970년대중반이후지상용산업의대두로수요자가많아지면서주문생산에서표준품을대량생산하는체계로변화 13

14 경쟁의심화 기간 1(1975~1979)( 계속 ) 상위 3개업체의점유율 : 77%(1975) 50%(1983) 시장의글로벌화 Figure 4: Industry concentration (Herfindahl-Hirschman Index). Data: Wolf (1974); Roessner (1982); Maycock (1984, 1994, 2002, 2005). 14

15 모델링결과 (1980~2001) 실제원가절감 ($21.62/W) 의 95% 를설명 Cost down 요인 변화 Cost down 효과 ($/W) 비율 (%) Plant size 125kW/ 년 14MW/ 년 모듈효율 8.0% 13.5% Si 가격 131$/kg 25$/kg Wafer 크기 45 cm2 180 cm Si 소비 28g/W 18g/W 수율 88% 92% 다결정점유율 0% 50% Cost down 요인에의한변화의합 실제 cost down

16 민감도분석 Plant size, scaling factor 및모듈효율의불확실성에대해가장민감하나이세가지요인의상대적인중요도는변함이없음 Figure 5: Sensitivity of model results to uncertainty in data and parameters,

17 learning-by-doing 의역할 Plant size(cost impact: 43%) 주요동인 미래수요 투자자금의조달및투자위험의관리능력 제한된생산경험으로도생산을빠르게증가시킬수있음 Mitsubishi Electric, Q-Cells, Sharp(5년간생산능력을 10배확대 ) 경험에의한것이라고여겨지는많은것들이실제로는규모때문 Si 가격 (cost impact: 12%) 실리콘원료가격의하락은반도체산업의성장에의한것이었음 (PV 산업의경험과무관 ) 17

18 learning-by-doing 의역할 ( 계속 ) 모듈효율 (cost impact: 30%) 효율향상은경험보다는 R&D 에의한것임 대부분의효율향상은대량생산경험이없는대학에의한것이었음 1983년부터 1990년까지셀최고효율이급격하게증가한것은이전 5년간 15억달러에달하는전무후무한규모의 R&D투자때문임 Figure 6: Crystalline PV efficiency: highest laboratory cells vs. average commercial modules. Data: Christensen (1985); Maycock (1994, 2002); Grubb and Vigotti (1997); Menanteau (2000); Green et al. (2001). 18

19 태양전지산업전망 2010 년시장전망 15GW(Photon Consulting, 2007) 5.6GW(EPIA & Greenpeace, 2006) * 출처 : Q-Cells,

20 시장전망차이의원인 공급측면 : Si 원료공급 수요측면 : 태양광발전의경제성 EPIA: 정부보조에의존 Photon Consulting: 이미부분적으로태양광발전의경제성이확보되어전력수요의대규모대체가시작되었음 EPIA Photon Si 원료 공급 ( 만톤 ) 이용효율 (g/w) 4.5~5.5 1) ) 7.2 주요시장 (MW/ 년 ) 독일 미국 일본 1, ,038 2,900 3, ) W. Hoffmann, (2 nd PV Mediterranean Conference) 20

21 Si 원료공급 주요변수 공급측면 신규업체의성공적인사업진입 신규기술의상업화 : FBR(REC), UMG-Si(Elkem, Dow Corning) 수요측면 : 반도체용 Si 원료의수요 * 출처 : Wacker, (22 nd EPVSEC) 21

22 태양광발전의경제성 태양광발전단가 vs. 전기요금 일사량이많거나전기요금이비싼일부지역에서태양광발전단가는전기요금수준에근접 캘리포니아, 이탈리아, 일본 22

23 전기요금 주택용전기요금의누진구조 한국전력 東京電力 ~100kWh 55.1/kWh ~120kWh 16.05/kWh 100~200kWh 113.8/kWh 120~300kWh 21.04/kWh 200~300kWh 168.3/kWh 300kWh~ 22.31/kWh 300~400kWh 400~500kWh 248.6/kWh 366.4/kWh ( 소비세 5% 별도 ) 500kWh~ 643.9/kWh 그리고,, 23

24 태양광발전단가 발전단가 = 발전비용 / 발전량 발전시스템 : 가격이낮을수록, 수명이길수록유리 설치지역 : 일사량이많을수록, 이자율이낮을수록유리 2006 년발전단가 : 20~25/kWh(Photon Consulting) LA 1512 Washington 1249 London 788 Berlin 839 Rome 1315 Seoul 1002 Tokyo 955 Sydney 1319 Roof-top 시스템의연간발전량 ( 단위 : kwh/kwp) 24 * 출처 : IEA-PVPS, 2006

25 가격하락 scenario: scale-up Scale-up 에의한가격하락효과모델링 ΔC t(sz) =C t-1 ((SZ t /SZ t-1 ) b -1) Scaling factor(b): -0.18( 반도체산업 ) 10배 scale-up하면모듈가격은 34% 하락» 현재모듈가격을 $4/W, plant size를 100MW/ 년으로가정하면 plant size가 1GW/ 년으로 scale-up될경우모듈가격은 $2.6/W로하락 25

26 가격하락 scenario: 수직통합 모듈 value chain 의수직통합에의한가격하락가능성을모델링 $4/W module $2.5/W cell profit Value chain 별이익률 20% wafer poly Si cost Module ~ poly Si 모듈이익률 20% 수평분업 수직통합 26

REC 사례 1 싱가포르에 1.5GW/ 년규모의수직통합 plant 투자계획발표 (2007.10.

27 REC 사례 1 싱가포르에 1.5GW/ 년규모의수직통합 plant 투자계획발표 ( ) 5년간 30억유로투자 종업원 3000명 2010년생산 * 출처 : REC, REC 의 1.5GW/ 년수직통합 plant 조감도

28 Q-Cells 사례 년생산능력 1GW/ 년이상 In-house wafering 2008년 : 50MW 2009년 : > 240MW Q-Cells 의 Solar Valley Thalheim Q-Cells 의생산능력확대계획 28 * 출처 : Q-Cells,

29 정부지원 : 독일 Feed-in tariff 의감소율을현재 5~6.5% 에서 2011 년 8% 까지점진적으로조정할것으로예상 * 출처 : Q-Cells,

30 결론 학습곡선에대한검토과정에서실리콘태양전지산업의역사를돌아보고 cost down 의動因을분석할수있었음 미래태양전지시장의불확실성에대한원인으로서실리콘원료의공급및태양광발전의경제성에대해조망해보았음 태양광발전의경제성을제고하기위한유력한수단으로서생산규모의확대와 value chain 의수직통합의가능성을검토하였음 정부지원의불확실성등여러 risk 요인에도불구하고가까운장래에부분적으로경제성을확보할것으로예상되는태양전지산업, 그것을선도하는실리콘태양전지산업의미래는밝음 30

최종보고서-2011년_태양광등_FIT_개선연구_최종.hwp

최종보고서-2011년_태양광등_FIT_개선연구_최종.hwp Ⅰ Ⅱ - i - Ⅲ - ii - - iii - - iv - Ⅳ Ⅴ - v - 1 1 33 1.1 33 1.1.1. 33 1.1.2. 33 1.2 35 1.2.1. 35 1.2.2. 36 2 40 2.1 40 2.1.1. 40 2.1.2. 43 2.2 47 2.2.1. 47 2.2.2. 51 3 54 3.1 54 3.1.1. 54 3.1.2. 60 3.1.3.