[논문]태양광 대량보급 시대의 기술개발

조은철; 송재천; 조영현; 이준신

doi:10.21218/cpr.2018.6.4.124

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The Korean electric power supply plan was prepared by greatly enhancing the environmental and safety with considering the economical efficiency of the electric equipment, the impact on the environment and the public safety. As a result, the fossil energy-based power generation sector is accelerating...

The Korean electric power supply plan was prepared by greatly enhancing the environmental and safety with considering the economical efficiency of the electric equipment, the impact on the environment and the public safety. As a result, the fossil energy-based power generation sector is accelerating the paradigm shift to eco-friendly energy such as solar power and wind. Also the solar power industry is expected to grow into a super large-sized industry by converging the energy storage and electric vehicle industry. Generally, a levelized cost of electricity (LCOE) is used to calculate the power generation cost for different generation power generation efficiency, operating cost, and life span. In this paper, we have studied the future research and development direction of photovoltaic technology development for the era of massive utilization of photovoltaic solar power, and have studied the LCOE of major countries including China, USA, Germany, Japan and Korea. Finally we have reviewed USA and Japan research programs to reduce the LCOE.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Power mix according to the 8th basic plan for long-term electricity supply and demand
그림 Fig. 2. Cumulative PV capacity of the major countries
그림 Fig. 3. Average module price based on accumulated installation
그림 Fig. 4. LCOE weighted average of utility solar
그림 Fig. 5. LCOE trend by nations and applications
그림 Fig. 6. Comparison of costs of solar PV system (5~500 kW) in Japan and Germany by elements
그림 Fig. 7. Average poly-silicon utilization per wafer type (156×156 mm²)
그림 Fig. 8. Cell efficiency improvement according to finger number with different finger width at 5 bus bar solar cell
그림 Fig. 9. Average stabilized efficiency values for Si solar cells (156 × 156 cm²)
그림 Fig. 10. Module power for 60-cell (156 × 156 cm²)
그림 Fig. 11. Manufacturing cost for the c-Si module supply chain from 2014/15 to Q1 2017
그림 Fig. 12. LCOE progress and targets without the ITC or state/Local incentives
그림 Fig. 13. Pathways to achieving Sunshot 2030 goals
그림 Fig. 14. Electricity cost of non-housing (10kW or more) solar power generation system estimated by the Japan’s procurement price calculation committee
표 Table 1. Current photovoltaic research program in NEDO, Japan

AI 본문요약
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문제 정의

화석에너지 중심의 발전분야가 태양광 등 친환경 에너지로의 패러다임 전환이 가속화되고, 여기에 에너지저장과 전기차 산업이 융합되면서 태양광 산업은 초대형 산업으로 성장할 가능성이 높아지고 전망된다. 본고에서는 태양광의 대량보급 시대를 맞이하여, 태양광 기술개발 측면에서 앞으로의 방향에 대해 검토하였다.
화석에너지 중심의 발전분야가 태양광 등 친환경 에너지로의 패러다임 전환이 가속화되고, 여기에 에너지저장과 전기차 산업이 융합되면서 태양광 산업은 초대형 산업으로 성장할 가능성이 높아지고 전망된다. 본고에서는 태양광의 대량보급 시대를 맞이하여, 태양광 기술개발 측면에서 앞으로의 방향에 대해 검토하였다.
세부 프로그램중 “② 태양전지”은 제조원가를 낮추고, 태양광 기술의 효율과 성능의 향상 및 신뢰성의 개선하여 LCOE을 낮추는 것을 목표로 한다.
2030년에는 2020년 LCOE의 50% 하락을 목표로 진행되고 있다. 세부 프로그램중 태양광은 제조원가를 낮추고, 태양광 기술의 효율과 성능의 향상 및 신뢰성의 개선하여 LCOE을 낮추는 것을 목표로 한다. 2030년의 LCOE 목표는 2011년의 대략 90% 정도인 $0.
태양광은 다양한 환경과 기후에 설치되기 때문에 지역별 최적지역에 MW급 이상 태양광발전 실증단지 구축을 통해 모듈과 시스템의 장기신뢰성 확보 및 사업화를 위한 시장 생태계 조성이 필요하다. 즉, 국산 태양광 모듈, 인버터, 시스템 등의 장기 신뢰성 테스트 및 초기 시장 제공을 통해 사업화 기반을 마련하고 최적의 전력공급 시스템을 개발 및 실증하는 프로젝트이다. 실증단지를 통해 시스템 설계 및 운영기술을 습득하고 태양광 중심의 친환경에너지 타운 연계기술에 활용될 수 있다.

제안 방법

태양광 발전 시스템 효율 향상·유지 관리 기술 개발 프로젝트 는 ⓐ “태양광 발전 시스템 효율 향상 기술 개발”의 주제로 PCS와 지지대 등 주변 기기의 고기능화와 추적·반사·냉각 등의 부가기능을 통해 발전량을 증가시키는 기술 개발 및 기초·구조물의 시공과 태양 전지 모듈 설치에 관한 부분에서 부품 수 및 시공 시간의 단축 등 BOS 비용을 대폭 절감하는 기술 개발 ⓑ “태양광 발전 시스템 유지 관리 기술 개발”의 주제로 발전 기기·설비의 건전성 자동 진단 및 고장 방지, 자동 복구 등 발전 시스템의 열화 예방 및 장수명화, 인건비 절감 등에 기여하는 모니터링 시스템 및 유지 관리 기술 개발 ⓒ “태양광 발전 시스템 기술 개발 동향 조사”의 주제로 국내외 태양광 발전 시스템의 시장 및 기술 개발 동향 등을 조사하고, 태양광 발전의 보급 확대를 위해 필요한 기술 개발 요소와 과제를 정리하여 본 프로젝트에 피드백 ⓓ “태양광 발전 시스템의 안전 확보를 위한 실증”의 주제로 운용 기간 동안의 열화나 자연 재해에 대해서도 안전을 확보하는 평가·설계 기술을 확립하기 위해 태양광 발전 시스템의 구조 안전 전기 안전 등의 문제에 관한 조사·연구·실증 실험 등을 실시하며 ⓔ“ZEB 실현을 위한 태양광 발전 시스템 기술 개발”의 주제로 태양광 발전 시스템을 건축물에 설치 환경을 모의하고 ZEB 화에 필요한 기술적 과제(설치, 유지 관리 방법, 교환 가능 같은 벽면 태양광 발전 시스템 등)를 추출하고, 그 과제 해결을 위한 태양광 발전 시스템의 개발·검증을 실시한다.
태양광 발전 재활용 기술 개발 프로젝트는 ⓐ “저비용 철거·수거· 분리 기술 조사”의 주제로 사용된 태양광 발전 시스템의 철거, 회수, 분별 비용을 절감하는 저비용 철거 기술, 저렴한 회수 기술, 저비용 분리 기술에 대해 타당성과 유효성을 검증하고 과제나 목표 비용을 명확히 하며, ⓑ “저비용 분해 처리 기술 개발”의 주제로 다양한 태양전지 모듈을 대상으로 한 유리와 봉지재, 금속류 등의 저가 범용 분해 처리 기술뿐만 아니라 결정질 실리콘 태양 전지와 박막 계 태양 전지 등 태양전지 모듈의 종류에 따라 전용 분해 공정으로 비용의 절감이 가능한 저비용 분해 처리 기술을 개발하며, 태양광 모듈을 분해하여 회수하는 고부가 가치 물질에 대해 재활용 비용 절감에 기여하기 위해 고부가 가치 물질의 회수율 향상과 가치가 높은 상태에서의 회수를 가능하게 하는 고부가 가치화 기술을 개발하고 처리 비용 절감 효과를 명확히 하며, ⓒ “저비용 분해 처리 기술 실증”의 주제로 연구 개발 항목 ⓑ에서 목표 처리 비용의 달성 목표와 충분한 비용 절감 효과가 확인된 기술은 비용 절감 효과를 실증, ⓓ “태양광 발전 재활용 동향 조사”의 주제로 태양광 발전 시스템의 적정 폐기 처리에 관한 국내외 기술 개발 동향, 보급 동향, 정책 동향, 실시 사례 등을 조사하며, 태양광 발전 시스템의 분포 조사를 실시하여 분포에 따라 배출량 예측하며, ⓔ “사용한 태양 전지 모듈의 저비용 재사용 기술 개발”의 주제로 사용된 태양 전지 모듈을 낮은 비용으로 재사용 할 수 있는 기술을 개발한다.
태양광 시장의 95% 이상을 차지하는 결정질 실리콘 태양전지 분야에서 LCOE 저감과 관련된 기술개발로는 잉곳, 웨이퍼, 셀과 모듈 레벨에서 제조원가의 하락을 위한 재료의 혁신과 공정 및 생산성의 개선을 둘 수 있다. 태양광 밸류체인별 LCOE 저감 요소를 검토하였다.

성능/효과

독일의 8 ￥/KW의 절반이다. 일본에서 모듈의 가격은 독일보다 약 20% 정도 비싸며, 이에 대한 원인으로 1) 모듈 제조사가 동일한 모듈제품에 대해 독일보다 일본에서 모듈의 가격을 높게 책정하거나 2) 일본에서 소비자들이 외국산 저가 모듈보다 고가의 자국산 제품을 선호하여 일본에서 자국산 제품의 시장점유율이 높은 원인으로 분석된다. 외국 모듈제조사는 2013~2014년 동일한 제품에 대해 독일보다 일본시장에서의 가격이 15% 정도 높았다.
8% 하락됨을 보고 하였다.⁶⁾ 2016년까지 303 GWp의 모듈이 누적 설치되었으며, 2017년에는 99 GWp의 모듈이 추가되어 402 GWp의 모듈이 누적 설치되었다.
17 $/kWh로 약 33%가 하락하였다.⁷⁾ 중국의 유틸리티 시장의 LCOE는 2017년말에 0.08$/kWh의 LCOE를 보이며, 이에 반해 일본은 0.14 $/kWh의 상당히 높은 LCOE를 보인다. 일본과 누적설치량이 비슷한 독일의 LCOE는 0.
11는 NREL에서 작성한 2017년 모듈 제조원가의 분석이다. 9) 막대그라프의 최고 지점은 2014년/2015년 상반기의 각 항목별 원가를 표시하며, 모듈의 제조원가는 $0.63/W이다. 막대그래프의 청색은 2017년 PERC의 각 가치사슬에서의 원가부분을 나타낸다.
효율에 대한 예측치는 매년 상향하고 있어, 연구개발시 좀 더 공격적인 목표수립이 필요하다. 또한 다결정 PERC 태양전지와 단결정 BSF 태양전지, 단결정 p-type PERC 태양전지와 n-type PERT 태양전지의 효율을 보이며, 모듈에서 유사한 출력을 가질 것으로 판단된다.⁶⁾ 이에 시장에서 어떤 태양전지가 선택되어질지는 지켜보아야할 사항이다.
제품과 모듈의 수명 기간의 출력 저하를 고려한 출력 성능의 보증이 LCOE를 저감하기 위한 중요한 요소이다. 모듈의 설치후 LID 및 LeTID에 의해 첫 번째 1년간의 출력 저하율은 3.0%에서 2017/18년에 2.5%로 개선되었으며, 2020년 이후에는 2.0%로 개선될 것이다. 태양광 모듈의 연간 출력저하율은 현재의 0.
시스템외에 항목에서 금리는 LCOE에 큰 영향을 미치며, 금리 1% 하락시 LCOE는 약 0.1 cents/kWh 감소하는 것으로 분석된다.

후속연구

n형 이종접합 태양전지 모듈의 출력은 현재 325 W에서 2022년 345 W, 2028년 355 W로 예상된다. 모듈의 출력을 높이기 위해, 셀을 1/2 또는 1/4로 절단하여 셀의 전류를 낮추고 직렬저항 성분을 낮추는 모듈의 적용이 향후 증가될 것으로 예상된다. 낮은 온도 계수의 모듈은 일간 및 년간 태양광 발전량을 증가시키며, 특히 고온의 환경에서 다른 모듈 대비하여 발전량에 장점이 있다.
일본은 태양광 발전의 새로운 기술 개발 지침으로 2009년 “태양광 발전 로드맵(PV2030+)”이후 5년만인 2014년 9월에 “태양광 발전 개발 전략(NEDO PV Challenges)”을 발표하였다. 신흥국업체의 시장점유율 확대에 대응하고, 고정 가격 매입제도 도입 등 태양광 발전을 둘러싼 상황의 변화를 근거로 다가올 태양광 발전의 대량 도입 사회를 원활하게 실현하기 위한 전략으로서 ① 발전 비용 절감, ② 신뢰성 향상, ③ 위치 제약의 해소, ④ 재활용 시스템의 확립, ⑤ 산업의 고부가 가치화의 5개 방안을 제시하여, 태양광 발전의 도입 형태의 다양화와 새로운 이용 방법의 개발에 의한 저변 확대 등을 제언하고 있다. 발전 비용 목표는 2020년에 업무용 전력요금과 같은 14엔/kWh, 2030년은 기간전원 발전 가격과 같은 7엔/kWh이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지 전환 정책의 주요 핵심 내용은 무엇인가?	더불어 2017년에는 “에너지전환 로드맵”과“재생 에너지 3020 이행계획”을 수립하여 재생 에너지 확대 등 에너지전환을 추진하고 있다. 에너지 전환 정책의 주요 핵심 내용은 ① 원전의 단계적 감축, ② “재생에너지 3020 이행계획”을 통한 재생에너지의 확대, ③ 에너지 전환에 따른 지역‧산업의 보완대책을 주요 골자로 하며, 이와 연계된 에너지 세제, 전기요금 체계개편과 같은 핵심정책을 진행하고 있다.
	세계가 주목하는 새로운 에너지 패러다임을 대표하는 것은 무엇이 있는가?	지금 세계는 기후변화에 대한 대책마련과 동시에 4차 산업혁명이라는 기술적 진보에 의한 에너지 효율화, 안전한 에너지원, 에너지 발전-송전-수요 관리의 고지능화, 에너지 절약, 친환경 에너지로의 전환 등으로 대표되는 새로운 에너지 패러다임 변화에 대한 준비를 본격화 하고 있다. 더불어 에너지 안보 측면에서 에너지 공급의 효율적 관리, 에너지 인프라 신뢰성, 수요 충족을 위한 에너지 공급의 안정성을 유지하고, 환경적 지속 가능성을 위한 수요-공급 측면에서 에너지 효율성, 재생에너지 및 저탄소 에너지원 공급 발전, 그리고 에너지 형평성 측면에서 에너지 공급의 접근성과 가격 적정성 등의 이슈가 상존하고 있다.
	재생 에너지원 중 태양광을 사용한 발전은 그리드 패리티와 어떠한 상관관계가 있는가?	재생에너지 전력생산비용은 기술개발로 지속적으로 하락하고, 환경 비용과 연료가격 상승 등으로 전기요금이 상승하면서 최종 소비자의 관점에서 태양광, 풍력 등의 재생 에너지원을 이용한 전력생산비용이 현재 전력망에서 전력을 구매하는 가격과 균형을 이루는 시점을 그리드 패리티(grid parity)라고 한다. 그리드 패리티는 태양광의 설치비용, 발전효율, 일사량, 지원정책 및 전기요금 체계 등의 요소에 영향을 받는다. 그리드 패리티에 도달하면 태양광 발전이 타발전원 대비 경쟁력을 가지게 되어 관련 산업 활성화되어 투지 및 공급이 확대되고, 설비단가 및 발전단가 감소가 발생되고 수요증가가 증가되는 선순환 구조가 구축되어 태양광 시장의 빠르게 증가될 것으로 전망된다. 일반적으로 발전효율, 운전비용, 수명기간 등이 다른 발전원에 대한 발전단가를 산정하여 비교하기 위해서 균등화 발전비용(LCOE: Levelized Cost of Electricity)을 활용한다.

참고문헌 (11)

The 8th basic plan for long-term electricity supply and demand, MOTIE, 2017.
IEA PVPS, "Snapshot 2018 of global photovoltaic market"(2018). http://www.iea-pvps.org/?id266
DOE, "Levelized Cost of Energy (LCOE)," 2017. https://www.energy.gov/sites/prod/files/2015/08/f25/LCOE.pdf
IRENA, "Renewable energy technologies : cost analysis series," 2012. https://www.irena.org/documentdownloads/publications/re_technologies_cost_analysis-solar_pv.pdf
K. Branker, M.J.M. Pathak, J.M. Pearce, "A Review of Solar Photovoltaic Levelized Cost of Electricity," Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, pp. 4470-4482, 2011.

상세보기
ITRPV, International Technology Roadmap for Photovoltaic Results 2017, 2018.
IRENA, Renewable Power Generation Costs in 2017, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, 2018.
K. Kimura, R. Zissler, Comparing Prices and Costs of Solar PV in Japan and Germany - The Reasons Why Solar PV is more Expensive in Japan, 2016.
R. Fu, D. Feldman, R. Margolis, M. Woodhouse, K. Ardani, U.S. Solar Photovoltaic System Cost Benchmark: Q1 2017, NREL/TP-6A20-68925, 2017.
https://www.energy.gov/eere/solar/photovoltaics-research-and-development
http://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP2_100060.html

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