[태양전지 교과서] Week 4 - Sustainability

그림들의 출처는 모두 EPFL의 MICRO-565, IEM NEUCHATEL PV-lab 에 있습니다

Prof. Christophe Ballif

PV는 sustainable한가?

PV의 주재료 Si는 지구에서 2번째로 풍부하다. c-Si 모듈에서는 귀금속이 없다.

Recycling도 이뤄지고 있다.

20년 전에는 17g의 Si으로 1g의 PV module을 만들 수 있었고, 5년이라는 payback time이 걸렸다. 즉, 설치 비용을 전력 생산으로 보상받기까지 5년이라는 시간이 걸렸다. 

태양전지는 어떤 발전 과정을 거쳤을까? 

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First improvement:

2000년에는 silicon recrystallation(Si를 순수하게 재결정시키는 과정) 공정에서 1kg당 200kWh라는 전력이 필요했다.

지금은 1kg 당 40~45kWh밖에 들지 않는다.

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Second improvement:

wafer를 만들기 위해 Si를 자르는 과정도 발전했다.

예전에는 multi wire sawing과정에서 200㎛정도의 손실이 있었다.

오늘날에는 다이아몬드 와이어를 통해 30%정도 더 얇은 wafer를 50㎛의 손실로 얻을 수 있다. 손실이 적어 재료에 대한 효율이 증가했다. 

태양전지의 효율 역시 꾸준히 증가했다.

반면, silicon의 사용량은 감소했다. 적은 Si로도 많은 양의 panel를 만들 수 있기 때문이다.

Energy pay-back time(EPBT)란, 태양전지를 만들 때 투자한 에너지를 다시 돌려받기 위해 필요한 시간이다. EPBT 역시 꾸준히 감소했다. 오늘날 EPBT는 6개월에서 1년 정도이다.

나라별로 EPBT를 나타내었다. 일반적으로 1년정도 걸리는 것 같다. Full module process(sand에서부터 product까지)의 경우 0.5~0.6kWh/Wp의 전력이 필요한 것 같다. local electricity 요금이 10cts/kWh인 곳에서 5~6cts/W에 해당한다.

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EPBT는 나라의 일조량에 따라 차이가 있어서 햇빛이 많은 곳일수록 EPBT가 짧다.

PV의 환경성을 평가하는 기준으로는 CO2 footprint도 있다. module fabrication과정에서 1kWh당 10~20g의 CO2가 배출된다. 만약, inverter나 설치 과정에서의 CO2도 포함하면 20~40g이다. gas power plant가 400g/kWh, coal power plant가 900g/kWh임을 감안할 때 acceptable하다.

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Footprint역시 감소한다

만약 우리가 살고 있는 세상을 모두 신재생에너지로 바꾼다고 가정해보자.

40TW PV with 300g/W -> 12GT CO2

2 billions batteries of 50kWh at 60kg/kWh -> 6GT CO2

15GW of Wind turbine, 200g/W -> 3GT CO2

System, grid -> 6GT CO2

12 + 6 + 3 + 6 -> 

총 27GT의 CO2가 방출될 것으로 예상된다. 현재 연간 46~50GT의 CO2가 방출되고, +2℃ 약속까지 1000GT이 남은 것을 고려하면 less worse하게 만들 수 있다.

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Energy transition에서는 Cu의 역할도 중요하다.

Cu가 PV분야에서는 3million Tons per year, Wind turbine에서는 1million Ton, electric cars에서는 4.8million Tons가 필요할 것으로 예상된다. 이러면 구리를 채굴하는 mining과 재활용하는 recycling에 대한 압박이 생긴다. Cu의 수요가 증가함에 따라 Cu가 점점 중요한 원소가 될 것이다. 

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전기차에는 기존 내연기관차에 비해 금속의 종류와 양이 더 많이 필요하다. Li은 풍부해서 괜찮은데 문제는 Co이다.

현재 주류 PV panel의 경우, 재료 부족도 없고(Ag 제외), recycling도 가능하고, 풍력과 배터리로 대체할 수도 있다. 하지만, mining에 대한 good practice가 필요하다.

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PV system은 grid의 형태로 설치된다. 즉, isolated, islanding capability가 아니다. islanding시키기 위해서는 inverter와 battery가 필요하다.

Feed-in tariff라고 태양전지 전력의 가격이 너무 낮아지지 않도록 어느 정도 보장해주는 정책이 있다. 2022년(위)과 2023년(아래)을 비교했을 때 tariff가 많이 높아졌다.