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현영 학
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1 J. Kor. Soc. Environ. Eng., 35(7), 464~471, 2013 Original Paper ISSN LCA기법을활용한태양광시스템의자원효율성및자원요구량예측 Estimation of Resource Efficiency and Its Demand for Photovoltaic Systems Using the Life Cycle Assessment (LCA) Method 임지호 황용우 김준범 * 문진영 Ji-Ho Lim Yong-Woo Hwang Jun-Beum Kim* Jin-Young Moon 인하대학교환경공학과 * 트루아공대환경및지속가능센터 Department of Environmental Engineering, Inha University *CREIDD Research Centre on Environmental Studies & Sustainability, University of Technology of Troyes (2013 년 1 월 7 일접수, 2013 년 6 월 21 일채택 ) Abstract : In this study, the resource efficiency and future metal resource requirement in photovoltaic (PV) production system were evaluated by using material balance data and life cycle assesment (LCA) method. As a result, in the resource efficiency of ferrous and non-ferrous metal, lead and tin had higher resource efficiency than other materials in all PV systems (SC-Si, MC-Si, CI(G)S, CdTe). In the resource efficiency of rare metals, gallium and rhenium in silicon system and rhenium and rhodium in thin-film system ranked as the first and second high resource efficiency. In case of rare earth metal, gadolinium and samarium took higher resource efficiency. The results of the future metal resource requirement in PV systems showed that 2,545,670 ton of aluminium, 92,069 ton of zinc, 22,044 ton of copper, 1,695 ton of tin and 31 ton of nickel will be needed by 2030 in South Korea, except resource recycling supplement. Key Words : Photovoltaic (PV) System, Metal Resource, Resource Efficiency and Requirement 요약 : 본연구에서는 LCA 기법으로태양광시스템생산시소비되는원료, 부원료, 에너지등의물질수지자료를분석하여금속자원의자원효율성산정및필요금속자원량을예측하였다. 태양광시스템생산시투입되는금속자원의자원효율성분석결과철 비철금속은 4 가지기술 (SC-Si, MC-Si, CI(G)S, CdTe) 에대해동일하게납, 주석순으로, 희유금속은결정질실리콘시스템의경우갈륨, 레늄순으로, 박막형시스템의경우레늄, 로듐순으로, 희토류는 4 가지기술에대해동일하게가돌리늄, 사마리움순으로자원효율성이높은것으로나타났다 년까지우리나라의태양광시스템의증설에필요한금속자원량을예측한결과자원순환에의한자체수급량을제외하고알루미늄 2,545,670 ton, 구리 22,044 ton, 니켈 31 ton, 주석 1,695 ton 및아연 92,069 ton 이필요한것으로나타났다. 주제어 : 태양광시스템, 금속자원, 자원효율성, 자원요구량 1. 서론 산업화에의한지구온난화현상이가속화되면서전세계적 으로지구온난화를줄이기위한노력이진행되고있으며, 그 노력의하나로자원의사용을줄이고대체에너지로서사용할수있는신재생에너지의개발이활발히진행중에있다. 1~3) 우리나라의경우 제3차신재생에너지기술개발및이용 보급기본계획 (2009~2030) 4) 에따른 신재생에너지수요전 망 - 목표안 을고시했다. 이에너지보급계획은신재생에너 지중에너지자원의확보성과전력생산성이기대되는태 양광시스템을 2010 년부터 2030 년까지 1.8% 에서 4.1% 로증 가시키는등의중장기적인목표설정및비전을제시하고 있다. 5,6) 이러한태양광시스템의생산을위해서는철 비 철금속, 희유금속및희토류등으로구분되는금속자원의투 입이요구된다. 금속자원은대부분해외에서국내수급량을 맞추는실정에서 2030 년까지의에너지수급량을충족시키 기위해서는태양광시스템의생산이늘어나야하는데, 이 와비례하여금속자원의사용량도증가할것으로예측된다. 따라서본연구에서는태양광시스템특성을고려하여생산시전과정에서소모되는금속자원, 토지및에너지등의다각적측면에서평가하기위해 LCA (Life Cycle Assessment) 를적용하였다. 또한 2030년에너지보급계획에맞추어태양광시스템생산시투입물에대한 LCI DB 7,8) 를연결하여물질분석을실시함으로써금속자원의자원효율성을산출하고, 2030년까지태양광시스템의생산시필요한금속자원량을예측하였다. 2. 연구방법 2.1. 연구의범위 본연구의시스템경계를 Fig. 1에나타내었다. 태양광시스템을구성하는모듈 (Module), PCS (Power Conditioning System) 및 BOS (Balance of System) 의전과정범위중원료단계부터생산단계까지를모두포함하여시스템경계를설정하였다. 본연구에서선정한모듈, PCS 및 BOS는국내 Corresponding author hwangyw@inha.ac.kr Tel: Fax:

2 J. Kor. Soc. Environ. Eng. LCA 기법을활용한태양광시스템의자원효율성및자원요구량예측 465 Fig. 1. Life cycle of photovoltaic system. 에서생산되는제품을기준으로선정하였으며, 모듈의결정질시스템의경우, 단결정실리콘모듈 (SC-Si), 다결정실리콘모듈 (MC-Si) 로, 박막형시스템의경우 CI(G)S 박막형모듈, CdTe 박막형모듈로선정하였다. 본연구에서사용된태양광시스템의제원및물질구성은현재생산되고있는제품자료를이용하였다. 태양광시스템제원의경우국내외태양광시스템생산업체 20개사의대표제품에대한제원자료를수집하여그중기술적및구조적으로가장유사한제품제원의평균자료를이용하였다. 또한태양광시스템생산시투입되는원료, 부원료등의물질구성자료는각기술별로 1개회사를선정하여태양광시스템생산시실제투입물질을제공받아본연구를수행하였다 연구의대상본연구에서선정한기술별모듈의제원을 Table 1에나타내었다. 4가지기술별로동등한비교를위해기능단위를 1 m 2 로설정하였으며기능단위를기준으로모듈의무게및전력생산량등을환산하였다. Table 1. The general data of the photovoltaic module Category SC-Si MC-Si CI(G)S CdTe Area/f.u 1 m 2 1 m 2 1 m 2 1 m 2 Weight/f.u 19.5 kg 20.1 kg 17.4 kg 15.8 kg Capacity/f.u Wp Wp Wp Wp Performance efficiency 90% 91% 90% 89% Conversion efficiency 21% 19% 13% 9% 본연구에서선정한결정질실리콘모듈의생산시투입물질을 Table 2에나타내었다. 단결정실리콘모듈의경우 Glass sheet, Aluminium 등의순으로, 다결정실리콘모듈의경우 Glass sheet, Aluminium 등의순으로구성되어있다. 본연구에서선정한박막형모듈의생산시투입물질을 Table 3에나타내었다. CI(G)S 박막형모듈의경우 Glass sheet, Nitrogen 등의순으로, CdTe 박막형모듈의경우 Glass soda lime, Wire 등의순으로구성되어있다. 본연구에서선정한 PCS 및 BOS의생산시투입물질을 Table 2. Input materials of SC-Si module and MC-Si module Materials (SC-Si) Weight (kg) Ratio (%) Materials (MC-Si) Weight (kg) Ratio (%) Glass 1.01E Glass sheet 1.00E Aluminium 3.77E Aluminium 3.77E Ethyl vinyl acetate 1.52E Silicon carbide 3.01E Silicon carbide 1.48E Ethyl vinyl acetate 1.42E Steel wire 9.42E Steel wire 9.42E Others 8.80E Others 9.75E Total, Cut-off 1.87E Total, Cut-off 1.89E Table 3. Input materials of CI(G)S module and CdTe module Materials (CI(G)S) Weight (kg) Ratio (%) Materials (CdTe) Weight (kg) Ratio (%) Glass sheet 1.09E Glass soda lime 1.29E Nitrogen 2.78E Wire 1.94E Aluminium 1.70E Ethyl vinyl acetate 3.76E Ethyl vinyl acetate 8.68E Corrugated box 5.71E Ammonia 2.93E Plastics 7.03E Others 1.60E Others 3.70E Total, Cut-off 1.67E Total, Cut-off 1.44E 대한환경공학회지제 35 권제 7 호 2013 년 7 월

3 466 J. Kor. Soc. Environ. Eng. 임지호 황용우 김준범 문진영 Table 4. Input materials of PCS and BOS Materials (PCS) Weight (kg) Ratio (%) Materials (BOS) Weight (kg) Ratio (%) Aluminium 6.82E Aluminium 7.96E Transformers 3.10E Steel 7.21E ABS 1.48E Steel section bar rolling 6.15E Steel 7.80E Concrete 1.34E Coils 7.40E Wire drawing 1.06E Others 2.70E Others 6.04E Total, Cut-off 1.56E Total, Cut-off 2.43E Table 4에나타내었다. 본연구에서 PCS는 Aluminium, Transformers 등의순으로구성되어있으며, BOS는 Aluminium, Steel 등의순으로구성되어있다 자원효율성산정 금속자원의종류및투입량에따른태양광시스템전력생 산의영향을파악하기위하여자원효율성을고안된식 (1) 에의해산정하였다. 기능단위인모듈의넓이 (1 m 2 ) 를기준 으로, 자원효율성은모듈의전력생산량 (EP) 및종류별금 속자원량 (MR) 을이용하여산정하였다. 모듈의전력생산량 은모듈자체전력생산량에전력변환효율및성능효율을 곱하여산정하였으며, 종류별금속자원량은태양광시스템 생산단계에서투입되는직접투입량 (MR dir) 과원료단계에 서부터생산단계까지투입되는간접투입량 (MR indir) 을더하 여산정하였다. E/M: 자원효율성 (Wp/kg) EP: 모듈의전력생산량 (Wp/m 2 ) MR: 종류별금속자원량 (kg/m 2 ) 2.4. 금속자원량예측 신재생에너지수요전망 - 목표안 4) 에서고시한바와같이 에너지보급계획을기준으로태양광시스템증설시투입되 는금속자원량을고안된식 (2) 에의해산정하였다 년 까지태양광시스템생산시필요한금속자원량은종류별금 속자원량 (MR) 에모듈별필요면적 (Area i) 을곱하여산정하였 다. 모듈별필요면적은년도별모듈전력생산량에기술별 점유율을적용한값에모듈의전력생산량및태양광시스 템의발전시간을나누어산정하였다. Future metal resource requirement = MR Area i (2) MR: 종류별금속자원량 (kg/m 2 ) Area i: 모듈별필요면적 (m 2 /m 2 ) (1) 3. 연구결과 3.1. 목록분석결과 본연구에서자원효율성산정및 2030 년까지의금속자원 량을예측하기위해기초자료로사용되는목록분석주요결 과를 Table 5 에나타내었다. 본연구에서는환경부및산업 통상자원부에서제공하는 LCI DB 8) 를이용하였고, 국내에서 존재하지않을경우 ecoinvent 에서제공하는 LCI DB 7) 를이 용하였다. 태양광시스템생산을위해투입되는금속자원은 총 32 가지로나타났으며, 이중철 비철금속은 7 가지, 희 유금속은 18 가지, 희토류는 7 가지로분류되었다. 각금속자 원의질량분석결과철 비철금속이 94.7~96.2%, 희유금속 은 3.6~5.3%, 희토류는 0.002~0.138% 로철 비철금속이압 도적인비중을차지하는것으로나타났다 자원효율성산정결과 자원효율성산정을위해우선각모듈별전력생산량을산 정하였고그결과를 Table 6 에나타내었다. 모듈의전력생 산량은 Table 1 의모듈자체전력생산량, 성능효율및변환효 율자료를이용하여산정하였다. 태양광시스템생산시투입되는종류별금속자원량은 Table 5에나타낸금속자원의종류별직 간접투입량을합산하여산정하였다. 예를들어아래의계산에서와같이단 결정실리콘시스템생산시투입되는알루미늄의양은 22.9 kg/m 2 로나타났다. MR Al = MR dir,al +MR indir,al = 1.30E + 01 kg/m E + 00 kg/m 2 = 22.9 kg/m 2 이와같이기술별전력생산량및종류별금속자원량의산 정결과를이용하여자원효율성을산정하였다. 예를들어아 래의계산에서와같이단결정실리콘시스템생산시투입 되는알루미늄의자원효율성은 0.76 Wp/kg 로나타났다. E/M(Resource efficiency) Al = Wp/m kg/m 2 = 0.76 Wp/kg Journal of KSEE Vol.35, No.7 July, 2013

4 J. Kor. Soc. Environ. Eng. LCA 기법을활용한태양광시스템의자원효율성및자원요구량예측 467 Table 5. The result of material analysis of the photovoltaic system SC-Si MC-Si CI(G)S CdTe Category Metal material Unit Direct Indirect Direct Indirect Direct Indirect Direct Indirect Value Value Value Value Value Value Value Value Aluminium kg 1.3E E E E E E E E+00 Copper kg 1.2E E E E E E E E-02 Ferrous Iron kg 0.0E E E E E E E E+00 & Non ferrous Lead kg 3.5E E E E E E E E-03 metal Nickel kg 1.7E E E E E E E E-01 Tin kg 5.7E E E E E E E E-03 Zinc kg 2.7E E E E E E E E-01 Total kg 1.3E E E E E E E E+01 Rare metal Rare earth metal Bentonite kg 0.0E E E E E E E E-04 Cadmium kg 0.0E E E E E E E E-01 Chromium kg 0.0E E E E E E E E-01 Cobalt kg 0.0E E E E E E E E-07 Gallium kg 0.0E E E E E E E E-10 Gold kg 0.0E E E E E E E E-05 Indium kg 0.0E E E E E E E E-07 Manganese kg 0.0E E E E E E E E-01 Molybdenum kg 0.0E E E E E E E E-01 Pd kg 0.0E E E E E E E E-08 Pt kg 0.0E E E E E E E E-09 Rh kg 0.0E E E E E E E E-09 Rhenium kg 0.0E E E E E E E E-10 Silver kg 8.8E E E E E E E E-03 Tantalum kg 0.0E E E E E E E E-07 Tellurium kg 0.0E E E E E E E E-04 TiO 2 kg 0.0E E E E E E E E-03 Zirconium kg 0.0E E E E E E E E-07 Total kg 8.8E E E E E E E E+00 Cerium kg 0.0E E E E E E E E-15 Gadolinium kg 0.0E E E E E E E E-17 Lanthanum kg 0.0E E E E E E E E-16 Neodymium kg 0.0E E E E E E E E-15 Praseodymium kg 0.0E E E E E E E E-16 Samarium kg 0.0E E E E E E E E-17 Uranium kg 0.0E E E E E E E E-04 Total kg 0.0E E E E E E E E-04 Table 6. Result of power production of the photovoltaic system Category Unit SC-Si MC-Si CI(G)S CdTe Power production Wp/m 이와같이산정한자원효율성산정결과를 Fig. 2에나타내었다. 금속자원은종류별로가치가서로상이하기때문에철 비철금속, 희유금속및희토류를각각분류하여분석하였다. 철 비철금속의경우 4가지기술 ( 단결정실리콘, 다결정실리콘, CI(G)S 박막형, CdTe 박막형 ) 에대해서동일 하게납, 주석, 구리등의순으로자원효율성이높게나타났다. 희유금속의경우결정질실리콘시스템은갈륨, 레늄, 로듐등의순으로, 박막형시스템은레늄, 로듐, 백금등의순으로자원효율성이높은것으로나타났다. 희토류의경우 4 가지기술에대해서동일하게가돌리늄, 사마리움, 프라세오디뮴등의순으로자원효율성이높은것으로나타났다. 상기의결과를종합하면대체적으로 CI(G)S 박막형시스템이각금속에대해자원효율성이높은것으로나타났으며, 자원효율성이낮은기술은 CdTe 박막형기술인것으로나타나 대한환경공학회지제 35 권제 7 호 2013 년 7 월

5 468 J. Kor. Soc. Environ. Eng. 임지호 황용우 김준범 문진영 (a) Ferrous & non ferrous metal (b) Rare metal (c) Rare earth metal Fig. 2. Results of resource efficiency of the photovoltaic system. Journal of KSEE Vol.35, No.7 July, 2013

73,109,085 121,923,345 CI(G)S m 2 1,638,511 3,716,333 11,469,578 16,165,456 36,439,064 CdTe m 2 4,574,780 10,376,131 23,527,440 33,160,051 77,515,526 Total m 2 32,337,136 73,344,374 133,526,765

6 J. Kor. Soc. Environ. Eng. LCA 기법을활용한태양광시스템의자원효율성및자원요구량예측 469 Table 7. The necessary area of the photovoltaic system Category Unit Year SC-Si m 2 12,207,036 27,686,974 46,658,006 65,760, ,248,938 MC-Si m 2 13,916,809 31,564,936 51,871,741 73,109, ,923,345 CI(G)S m 2 1,638,511 3,716,333 11,469,578 16,165,456 36,439,064 CdTe m 2 4,574,780 10,376,131 23,527,440 33,160,051 77,515,526 Total m 2 32,337,136 73,344, ,526, ,195, ,126,873 투입물에대한자원효율성측면에서기술개발이필요할것으로사료된다 금속자원량예측결과 필요금속자원량산정결과 본연구에서는 2030 년까지태양광시스템보급계획을바 탕으로금속자원량을산정하였다. 태양광시스템생산시투 입되는금속자원량을산정하기위해태양광시스템의모듈 별필요면적을산정하였고, 그결과를 Table 7 에나타내었 다. 모듈별필요면적을산정하기위해년도별태양광시스템 전력생산량, 국내기술별태양광시스템점유율및태양광 시스템발전시간등을적용하였다 년까지총필요한모듈별면적은현재의약 10.6 배에해당하는 343,126,873 m 2 로나타났다. 종류별금속자원량은 Table 5에나타낸금속자원의종류별직 간접투입량을합산하여산정하였다. 위와같은산정결과를이용하여 2030년까지의태양광시스템보급계획에따른기술별금속자원량을 Fig. 3에나타내었다. 년도별필요금속자원량은해당년도까지총필요누적량을의미한다. 각기술별로금속자원량을예측한결과, 2030년까지철 비철금속및희유금속은다결정실리콘시스템, 단결정실리콘시스템, CdTe 박막형시스템, CI(G)S 박막형시스템순으로, 희토류는단결정실리콘시스템 CdTe 박막형시스템, 다결정실리콘시스템, CI(G)S 박막형시스템순으로금속자원이많이필요할것으로예측되었다. 또한각종류별로금속자원량을예측한결과, 철 비철금속의경우알루미늄 7.11E + 06 ton, 철 2.64E + 06 ton, 아연 1.94E + 05 ton 등의순으로, 희유금속의경우결정질실리콘시스템은망간 4.58E + 04 ton, 크로뮴 3.67E + 04 ton, 몰리브데늄 2.29E + 04 ton 등의순으로, 박막형시스템은카드뮴 8.35E + 04 (a) Ferrous & non ferrous metal (b) Rare metal Table 8. The prediction of rate of resource recycling for internal metal materials Metal Year Unit resource Aluminium % Copper % Nickel % Tin % Zinc % (c) Rare earth metal Fig. 3. Results of metal resource requirement of the photovoltaic system. ton, 망간 2.28E + 04 ton, 크로뮴 1.79E + 04 ton 순으로, 희토류의경우우라늄이 5.21E + 03 ton으로가장많은필요량을나타내었다. 대한환경공학회지제 35 권제 7 호 2013 년 7 월

7 470 J. Kor. Soc. Environ. Eng. 임지호 황용우 김준범 문진영 자원순환율적용분석 2030년까지필요한금속자원량중자원순환에의해국내에서자체수급가능한양을제외하고실제필요한금속자원량을파악하기위해자원순환율을적용하였다. 본연구에서적용된자원순환율은국내산업에서투입되는금속자원의총량에대비하여사용후재활용되는금속자원량을나타내는지표로정의하였다. 자원순환율이적용된금속자원량을산정하기위해녹색성장위원회및환경부에서고시한자원순환기본계획 5,9) 을바탕으로 2030년까지의자원순환율을예측하였다. 본연구에서는태양광시스템생산시투입되는금속자원중 95% 정도차지하는철 비철금속에서주요투입물질인알루미늄, 구리, 니켈, 주석및아연등 5개 금속자원으로연구범위를제한하였다. 국내산업에서태양광시스템생산시투입되는금속자원량을파악하기위해기존연구 10) 및산업통상자원부에서제공하는 MFA 자료 11) 이용하여 5가지금속자원의물질흐름을조사하였다. 2030년까지필요금속자원량에자원순환율을적용하여분석한결과를 Fig. 4에나타내었다. 자체수급량이가장많을것으로예상되는금속자원은알루미늄 1.50E + 06 ton이고, 가장적은금속자원은주석 1.20E + 01 ton으로나타났다. 금속자원별로자원순환에의해자체수급되는양을제외하고알루미늄 2.5E + 06 ton, 구리 2.2E + 04 ton, 니켈 3.1E + 00 ton, 주석 1.7E + 03 ton 및아연 9.2E + 04 ton 정도필요한것으로나타났다. (a) Aluminium (b) Copper (c) Nickel (d) Tin (e) Zinc Fig. 4. Metal material requirements by the year 2030 (application of resource recycling). Journal of KSEE Vol.35, No.7 July, 2013

8 J. Kor. Soc. Environ. Eng. LCA 기법을활용한태양광시스템의자원효율성및자원요구량예측 결론 태양광시스템의자원효율성산정및필요금속자원량예측을통해다음과같은결론을얻을수있었다. 태양광시스템은단결정실리콘, 다결정실리콘, CI(G)S 박막형, CdTe 박막형등 4가지기술로구분할수있다. 4가지기술에대한자원효율성분석결과철 비철금속및희토류에서는각각납및가돌리늄의자원효율성이높은것으로나타났다. 희유금속의경우결정질실리콘시스템은갈륨, 박막형시스템은레늄의자원효율성이높은것으로나타났다. 4가지기술에대한태양광시스템의 2030년까지의필요금속자원량을예측한결과철 비철금속및희토류에서는각각알루미늄및우라늄이가장많이필요하였다. 희유금속의경우결정질실리콘시스템은망간, 박막형시스템은카드뮴이가장많이필요하였다. 위와같이분석된결과를바탕으로철 비철금속의주요 5개금속자원을선정하여자원순환율의적용결과를보면 2030년까지자원순환에의한자체수급량을제외하고알루미늄 2.5E + 06 ton, 구리 2.2E + 04 ton, 니켈 3.1E + 00 ton, 주석 1.7E + 03 ton 및아연 9.2E + 04 ton 정도필요한것으로나타났다. 사사 참고문헌 1. Kang, Y., Outlook and trend for new-renewable energy research and development, Energy&Climate Change, 404, 74~ 83(2010). 2. Molin, H., Xiliang, Z. and Jiankun, H., Causality relationship between the photovoltaic market and its manufacturing in China, Germany, the US, and Japan, Frontiers in Energy, 5(1), 43~48(2011). 3. Benjamin,K. S. National energy governance in the United States, J. World Energy Law Business, 4(2), 97~123(2011). 4. Ministry of Trade, Industry & Energy, The 3rd basic plan for new and renewable energy development promotion (2009~ 2030), (2008). 5. Presidential committee on Green Growth, National Strategy and 5-year plan for green growth (2009~2013), (2009). 6. Lim, D. and Yuu, J., Market tendency and outlook of solar energy industry, J. Kor. Solar Energy Soc., 10(4), 3~11(2010). 7. Ecoinvent, 8. Korean Environmental Industry & Technology Institute, Ministry of Environment & Interagency, The 1st basic plan for renewable resources(2011~2015)(2011). 10. Ministry of Trade, Industry&Energy, A Study of the intergrated material flow analysing management system, (2010). 11. Korea material flow analysing management system, 본논문은인하대학교의지원에의해연구되었으며, 이에감사의뜻을표합니다. 대한환경공학회지제 35 권제 7 호 2013 년 7 월

목 차

목 차 목 차 1. 제품동향 Production < Demand and Supply of GI > Domestic Sales (Unit:10 3 ton) Inventory Import Export Apr 247.0 161.9 162.4 30.3 57.3 May 255.9 183.1 139.5 28.3 51.1 Jun 236.8 164.5 132.7 21.0 53.7