[논문]LCA기법을 활용한 태양광 시스템의 자원효율성 및 자원요구량 예측

임지호; 황용우; 김준범; 문진영

doi:10.4491/ksee.2013.35.7.464

LCA기법을 활용한 태양광 시스템의 자원효율성 및 자원요구량 예측
Estimation of Resource Efficiency and Its Demand for Photovoltaic Systems Using the Life Cycle Assessment (LCA) Method 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.35 no.7, 2013년, pp.464 - 471

임지호 (인하대학교 환경공학과) , 황용우 (인하대학교 환경공학과) , 김준범 (트루아공대 환경 및 지속가능센터) , 문진영 (인하대학교 환경공학과)

초록
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본 연구에서는 LCA 기법으로 태양광 시스템 생산 시 소비되는 원료, 부원료, 에너지 등의 물질수지 자료를 분석하여 금속자원의 자원효율성 산정 및 필요금속자원량을 예측하였다. 태양광 시스템 생산 시 투입되는 금속자원의 자원효율성 분석결과 철 비철금속은 4가지 기술(SC-Si, MC-Si, CI(G)S, CdTe)에 대해 동일하게 납, 주석 순으로, 희유금속은 결정질 실리콘 시스템의 경우 갈륨, 레늄 순으로, 박막형 시스템의 경우 레늄, 로듐 순으로, 희토류는 4가지 기술에 대해 동일하게 가돌리늄, 사마리움 순으로 자원효율성이 높은 것으로 나타났다. 2030년까지 우리나라의 태양광 시스템의 증설에 필요한 금속자원량을 예측한 결과 자원순환에 의한 자체 수급량을 제외하고 알루미늄 2,545,670 ton, 구리 22,044 ton, 니켈 31 ton, 주석 1,695 ton 및 아연 92,069 ton이 필요한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

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.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

태양광 시스템 제원의 경우 국내외 태양광 시스템 생산업체 20개 사의 대표 제품에 대한 제원 자료를 수집하여 그 중 기술적 및 구조적으로 가장 유사한 제품 제원의 평균 자료를 이용하였다. 또한 태양광 시스템 생산 시 투입되는 원료, 부원료 등의 물질 구성 자료는 각 기술별로 1개 회사를 선정하여 태양광 시스템 생산 시 실제 투입물질을 제공받아 본 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 2030년까지 태양광 시스템 보급계획을 바탕으로 금속자원량을 산정하였다. 태양광 시스템 생산 시 투입되는 금속자원량을 산정하기 위해 태양광 시스템의 모듈별 필요면적을 산정하였고, 그 결과를 Table 7에 나타내었다.

제안 방법

2030년까지 필요한 금속자원량 중 자원순환에 의해 국내에서 자체 수급 가능한 양을 제외하고 실제 필요한 금속자원량을 파악하기 위해 자원순환율을 적용하였다. 본 연구에서 적용된 자원순환율은 국내 산업에서 투입되는 금속자원의 총량에 대비하여 사용 후 재활용되는 금속자원량을 나타내는 지표로 정의하였다.
본 연구에서 선정한 기술별 모듈의 제원을 Table 1에 나타내었다. 4가지 기술별로 동등한 비교를 위해 기능단위를 1 m²로 설정하였으며 기능단위를 기준으로 모듈의 무게 및 전력생산량 등을 환산하였다.
국내 산업에서 태양광 시스템 생산 시 투입되는 금속자원량을 파악하기 위해 기존연구¹⁰⁾ 및 산업통상자원부에서 제공하는 MFA 자료¹¹⁾ 이용하여 5가지 금속자원의 물질흐름을 조사하였다. 2030년까지 필요 금속자원량에 자원순환율을 적용하여 분석한 결과를 Fig.
금속자원은 종류별로 가치가 서로 상이하기 때문에 철 · 비철금속, 희유금속 및 희토류를 각각 분류하여 분석하였다.
금속자원의 종류 및 투입량에 따른 태양광 시스템 전력생산의 영향을 파악하기 위하여 자원효율성을 고안된 식 (1)에 의해 산정하였다. 기능단위인 모듈의 넓이(1 m²)를 기준으로, 자원효율성은 모듈의 전력생산량(EP) 및 종류별 금속자원량(MR)을 이용하여 산정하였다. 모듈의 전력생산량은 모듈 자체 전력생산량에 전력 변환효율 및 성능효율을 곱하여 산정하였으며, 종류별 금속자원량은 태양광 시스템 생산 단계에서 투입되는 직접 투입량(MR_dir)과 원료단계에서부터 생산단계까지 투입되는 간접 투입량(MR_indir)을 더하여 산정하였다.
따라서 본 연구에서는 태양광 시스템 특성을 고려하여 생산 시 전과정에서 소모되는 금속자원, 토지 및 에너지 등의 다각적 측면에서 평가하기 위해 LCA (Life Cycle Assessment)를 적용하였다. 또한 2030년 에너지 보급계획에 맞추어 태양광 시스템 생산 시 투입물에 대한 LCI DB^7,8)를 연결하여 물질분석을 실시함으로써 금속자원의 자원효율성을 산출하고, 2030년까지 태양광 시스템의 생산 시 필요한 금속 자원량을 예측하였다.
2030년까지 태양광 시스템 생산 시 필요한 금속자원량은 종류별 금속자원량(MR)에 모듈별 필요면적(Areai)을 곱하여 산정하였다. 모듈별 필요면적은 년도별 모듈 전력생산량에 기술별 점유율을 적용한 값에 모듈의 전력생산량 및 태양광 시스템의 발전시간을 나누어 산정하였다.
태양광 시스템 생산 시 투입되는 금속자원량을 산정하기 위해 태양광 시스템의 모듈별 필요면적을 산정하였고, 그 결과를 Table 7에 나타내었다. 모듈별 필요면적을 산정하기 위해 년도별 태양광 시스템 전력생산량, 국내 기술별 태양광 시스템 점유율 및 태양광 시스템 발전시간 등을 적용하였다. 2030년까지 총 필요한 모듈별 면적은 현재의 약 10.
기능단위인 모듈의 넓이(1 m²)를 기준으로, 자원효율성은 모듈의 전력생산량(EP) 및 종류별 금속자원량(MR)을 이용하여 산정하였다. 모듈의 전력생산량은 모듈 자체 전력생산량에 전력 변환효율 및 성능효율을 곱하여 산정하였으며, 종류별 금속자원량은 태양광 시스템 생산 단계에서 투입되는 직접 투입량(MR_dir)과 원료단계에서부터 생산단계까지 투입되는 간접 투입량(MR_indir)을 더하여 산정하였다.
이와 같이 기술별 전력생산량 및 종류별 금속자원량의 산정결과를 이용하여 자원효율성을 산정하였다. 예를 들어 아래의 계산에서와 같이 단결정 실리콘 시스템 생산 시 투입되는 알루미늄의 자원효율성은 0.
본 연구에서 적용된 자원순환율은 국내 산업에서 투입되는 금속자원의 총량에 대비하여 사용 후 재활용되는 금속자원량을 나타내는 지표로 정의하였다. 자원순환율이 적용된 금속자원량을 산정하기 위해 녹색성장위원회 및 환경부에서 고시한 자원순환 기본계획^5,9)을 바탕으로 2030년까지의 자원순환율을 예측하였다. 본 연구에서는 태양광 시스템 생산 시 투입되는 금속자원 중 95% 정도 차지하는 철 · 비철금속에서 주요 투입물질인 알루미늄, 구리, 니켈, 주석 및 아연 등 5개금속자원으로 연구범위를 제한하였다.
1에 나타내었다. 태양광 시스템을 구성하는 모듈(Module), PCS (Power Conditioning System) 및 BOS (Balance of System)의 전과정 범위 중 원료단계부터 생산단계까지를 모두 포함하여 시스템 경계를 설정하였다. 본 연구에서 선정한 모듈, PCS 및 BOS는 국내에서 생산되는 제품을 기준으로 선정하였으며, 모듈의 결정질 시스템의 경우, 단결정 실리콘 모듈(SC-Si), 다결정 실리콘 모듈(MC-Si)로, 박막형 시스템의 경우 CI(G)S 박막형 모듈, CdTe 박막형 모듈로 선정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 선정한 PCS 및 BOS의 생산 시 투입물질을 Table 4에 나타내었다. 본 연구에서 PCS는 Aluminium, Transformers 등의 순으로 구성되어 있으며, BOS는 Aluminium, Steel 등의 순으로 구성되어 있다.
본 연구에서 사용된 태양광 시스템의 제원 및 물질 구성은 현재 생산되고 있는 제품 자료를 이용하였다. 태양광 시스템 제원의 경우 국내외 태양광 시스템 생산업체 20개 사의 대표 제품에 대한 제원 자료를 수집하여 그 중 기술적 및 구조적으로 가장 유사한 제품 제원의 평균 자료를 이용하였다.
태양광 시스템을 구성하는 모듈(Module), PCS (Power Conditioning System) 및 BOS (Balance of System)의 전과정 범위 중 원료단계부터 생산단계까지를 모두 포함하여 시스템 경계를 설정하였다. 본 연구에서 선정한 모듈, PCS 및 BOS는 국내에서 생산되는 제품을 기준으로 선정하였으며, 모듈의 결정질 시스템의 경우, 단결정 실리콘 모듈(SC-Si), 다결정 실리콘 모듈(MC-Si)로, 박막형 시스템의 경우 CI(G)S 박막형 모듈, CdTe 박막형 모듈로 선정하였다.
본 연구에서는 태양광 시스템 생산 시 투입되는 금속자원 중 95% 정도 차지하는 철 · 비철금속에서 주요 투입물질인 알루미늄, 구리, 니켈, 주석 및 아연 등 5개금속자원으로 연구범위를 제한하였다.
본 연구에서 사용된 태양광 시스템의 제원 및 물질 구성은 현재 생산되고 있는 제품 자료를 이용하였다. 태양광 시스템 제원의 경우 국내외 태양광 시스템 생산업체 20개 사의 대표 제품에 대한 제원 자료를 수집하여 그 중 기술적 및 구조적으로 가장 유사한 제품 제원의 평균 자료를 이용하였다. 또한 태양광 시스템 생산 시 투입되는 원료, 부원료 등의 물질 구성 자료는 각 기술별로 1개 회사를 선정하여 태양광 시스템 생산 시 실제 투입물질을 제공받아 본 연구를 수행하였다.

이론/모형

따라서 본 연구에서는 태양광 시스템 특성을 고려하여 생산 시 전과정에서 소모되는 금속자원, 토지 및 에너지 등의 다각적 측면에서 평가하기 위해 LCA (Life Cycle Assessment)를 적용하였다. 또한 2030년 에너지 보급계획에 맞추어 태양광 시스템 생산 시 투입물에 대한 LCI DB^7,8)를 연결하여 물질분석을 실시함으로써 금속자원의 자원효율성을 산출하고, 2030년까지 태양광 시스템의 생산 시 필요한 금속 자원량을 예측하였다.
본 연구에서 자원효율성 산정 및 2030년까지의 금속자원량을 예측하기 위해 기초자료로 사용되는 목록분석 주요결과를 Table 5에 나타내었다. 본 연구에서는 환경부 및 산업통상자원부에서 제공하는 LCI DB⁸⁾를 이용하였고, 국내에서 존재하지 않을 경우 ecoinvent에서 제공하는 LCI DB⁷⁾를 이용하였다. 태양광 시스템 생산을 위해 투입되는 금속자원은 총 32가지로 나타났으며, 이 중 철 · 비철금속은 7가지, 희유금속은 18가지, 희토류는 7가지로 분류되었다.

성능/효과

4가지 기술에 대한 자원효율성 분석결과 철 · 비철금속 및 희토류에서는 각각 납 및 가돌리늄의 자원효율성이 높은 것으로 나타났다.
4가지 기술에 대한 태양광 시스템의 2030년까지의 필요 금속자원량을 예측한 결과 철 · 비철금속 및 희토류에서는각각 알루미늄 및 우라늄이 가장 많이 필요하였다.
각 금속자원의 질량 분석 결과 철 · 비철금속이 94.7~96.2%, 희유금속은 3.6~5.3%, 희토류는 0.002~0.138%로 철 · 비철금속이 압도적인 비중을 차지하는 것으로 나타났다.
각 기술별로 금속자원량을 예측한 결과, 2030년까지 철·비철금속 및 희유금속은 다결정 실리콘 시스템, 단결정 실리콘 시스템, CdTe 박막형 시스템, CI(G)S 박막형 시스템 순으로, 희토류는 단결정 실리콘 시스템 CdTe 박막형 시스템, 다결정 실리콘 시스템, CI(G)S 박막형 시스템 순으로 금속자원이 많이 필요할 것으로 예측되었다.
20E + 01 ton으로 나타났다. 금속자원별로 자원순환에 의해 자체 수급되는 양을 제외하고 알루미늄 2.5E + 06 ton, 구리 2.2E + 04 ton, 니켈 3.1E + 00 ton, 주석 1.7E + 03 ton 및 아연 9.2E + 04 ton 정도 필요한 것으로 나타났다.
또한 각 종류별로 금속자원량을 예측한 결과, 철·비철금속의 경우 알루미늄 7.11E + 06 ton, 철 2.64E + 06 ton, 아연 1.94E + 05 ton 등의 순으로, 희유금속의 경우 결정질 실리콘 시스템은 망간 4.58E + 04 ton, 크로뮴 3.67E + 04 ton, 몰리브데늄 2.29E + 04 ton 등의 순으로, 박막형 시스템은 카드뮴 8.35E + 04 ton, 망간 2.28E + 04 ton, 크로뮴 1.79E + 04 ton 순으로, 희토류의 경우 우라늄이 5.21E + 03 ton으로 가장 많은 필요량을 나타내었다.
위와 같이 분석된 결과를 바탕으로 철·비철금속의 주요 5개 금속자원을 선정하여 자원순환율의 적용 결과를 보면 2030년까지 자원순환에 의한 자체 수급량을 제외하고 알루미늄 2.5E + 06 ton, 구리 2.2E + 04 ton, 니켈 3.1E + 00 ton, 주석 1.7E + 03 ton 및 아연 9.2E + 04 ton 정도 필요한 것으로 나타났다.
4에 나타내었다. 자체 수급량이 가장 많을 것으로 예상되는 금속자원은 알루미늄 1.50E +06 ton이고, 가장 적은 금속자원은 주석 1.20E + 01 ton으로 나타났다. 금속자원별로 자원순환에 의해 자체 수급되는 양을 제외하고 알루미늄 2.
태양광 시스템 생산을 위해 투입되는 금속자원은 총 32가지로 나타났으며, 이 중 철 · 비철금속은 7가지, 희유금속은 18가지, 희토류는 7가지로 분류되었다.
철·비철금속의 경우 4가지 기술(단결정 실리콘, 다결정 실리콘, CI(G)S 박막형, CdTe 박막형)에 대해서 동일하게 납, 주석, 구리 등의 순으로 자원효율성이 높게 나타났다. 희유금속의 경우 결정질 실리콘 시스템은 갈륨, 레늄, 로듐 등의 순으로, 박막형 시스템은 레늄, 로듐, 백금 등의 순으로 자원효율성이 높은 것으로 나타났다. 희토류의 경우 4가지 기술에 대해서 동일하게 가돌리늄, 사마리움, 프라세오디뮴 등의 순으로 자원효율성이 높은 것으로 나타났다.
4가지 기술에 대한 자원효율성 분석결과 철 · 비철금속 및 희토류에서는 각각 납 및 가돌리늄의 자원효율성이 높은 것으로 나타났다. 희유금속의 경우 결정질 실리콘 시스템은 갈륨, 박막형 시스템은 레늄의 자원효율성이 높은 것으로 나타났다.

후속연구

희토류의 경우 4가지 기술에 대해서 동일하게 가돌리늄, 사마리움, 프라세오디뮴 등의 순으로 자원효율성이 높은 것으로 나타났다. 상기의 결과를 종합하면 대체적으로 CI(G)S 박막형 시스템이 각 금속에 대해 자원효율성이 높은 것으로 나타났으며, 자원효율성이 낮은 기술은 CdTe 박막형 기술인 것으로 나타나 투입물에 대한 자원효율성 측면에서 기술개발이 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LCA 기법으로 태양광 시스템 생산 시 소비되는 원료, 부원료, 에너지 등의 물질수지 자료를 분석하여 금속자원의 자원효율성 산정 및 필요 금속 자원량을 예측한 결과는?	본 연구에서는 LCA 기법으로 태양광 시스템 생산 시 소비되는 원료, 부원료, 에너지 등의 물질수지 자료를 분석하여 금속자원의 자원효율성 산정 및 필요금속자원량을 예측하였다. 태양광 시스템 생산 시 투입되는 금속자원의 자원효율성 분석결과 철 비철금속은 4가지 기술(SC-Si, MC-Si, CI(G)S, CdTe)에 대해 동일하게 납, 주석 순으로, 희유금속은 결정질 실리콘 시스템의 경우 갈륨, 레늄 순으로, 박막형 시스템의 경우 레늄, 로듐 순으로, 희토류는 4가지 기술에 대해 동일하게 가돌리늄, 사마리움 순으로 자원효율성이 높은 것으로 나타났다. 2030년까지 우리나라의 태양광 시스템의 증설에 필요한 금속자원량을 예측한 결과 자원순환에 의한 자체 수급량을 제외하고 알루미늄 2,545,670 ton, 구리 22,044 ton, 니켈 31 ton, 주석 1,695 ton 및 아연 92,069 ton이 필요한 것으로 나타났다.
	태양광 시스템에 LCA 활용 목적은?	따라서 본 연구에서는 태양광 시스템 특성을 고려하여 생산 시 전과정에서 소모되는 금속자원, 토지 및 에너지 등의 다각적 측면에서 평가하기 위해 LCA (Life Cycle Assessment)를 적용하였다. 또한 2030년 에너지 보급계획에 맞추어 태양광 시스템 생산 시 투입물에 대한 LCI DB7,8)를 연결하여 물질분석을 실시함으로써 금속자원의 자원효율성을 산출하고, 2030년까지 태양광 시스템의 생산 시 필요한 금속 자원량을 예측하였다.
	태양광 시스템의 생산을 위해서는 무엇이 요구되는가?	1%로 증가시키는 등의 중장기적인 목표 설정 및 비전을 제시하고 있다.5,6) 이러한 태양광 시스템의 생산을 위해서는 철·비 철금속, 희유금속 및 희토류 등으로 구분되는 금속자원의 투입이 요구된다. 금속자원은 대부분 해외에서 국내 수급량을 맞추는 실정에서 2030년까지의 에너지 수급량을 충족시키기 위해서는 태양광 시스템의 생산이 늘어나야 하는데, 이와 비례하여 금속자원의 사용량도 증가할 것으로 예측된다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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Ministry of Trade, Industry&Energy, "A Study of the intergrated material flow analysing management system,"(2010).
Korea material flow analysing management system, http://www.k-MFA.kr

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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