스크랩 대체에너지의 종류와 특징

[올린]

대체 에너지란 1970년대에는 석탄, 석유 등 화석 연료를 대체한다는 의미에서 사용되었으나, 1980년 이후 천연가스, 원자력 등의 사용이 증가되고, 환경오염의 문제가 심각해짐에 따라 최근에는 청정에너지(Clean Energy)로서의 재생 에너지, 신에너지, 미래 에너지 등을 의미한다.

   국내에서는 ‘대체에너지개발 및 이용·보급촉진법’에 의해 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 에너지로 다음과 같은 분야를 ‘대체 에너지’로 지정하고 있다. “태양 에너지, 바이오 에너지, 풍력, 소수력(小水力), 연료전지, 석탄을 액화·가스화한 에너지 및 중질잔사유(원유를 정제하고 남은 최종 잔재 물)를 가스화한 에너지, 해양 에너지, 폐기물 에너지, 지열 에너지, 수소 에너지, 그밖에 대통령령이 정하는 에너지(석탄에 의한 물질을 혼합한 유동성 연료)” 등이 이에 해당한다.

1) 태양광에너지

   태양광 발전은 태양광을 직접 전기에너지로 변환시키는 기술로, 햇빛을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용한 발전방식으로, 태양광 발전시스템은 태양전지(solar cell)로 구성된 모듈(module)과 축지 및 전력변환장치로 구성된다.

 ① 태양전지 (太陽電池 : solar cell, solar battery)
    태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로서 금속과 반도체의 접촉면 또는 반도체의 pn접합에 빛을 조사(照射)하면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 것을 이용한 것으로, 금속과 반도체의 접촉을 이용한 것으로는 셀렌광전지, 아황산구리 광전지가 있고, 반도체 pn접합을 사용한 것으로는 태양전지로 이용되고 있는 실리콘광전지가 있다.

    태양전지는 전기적 성질이 다른 N(negative)형의 반도체와 P(positive)형의 반도체를 접합시킨 구조를 하고 있으며 2개의 반도체 경계부분을 PN접합(PN-junction)이라 한다. 이러한 태양전지에 태양빛이 닿으면 태양빛은 태양전지 속으로 흡수되며, 흡수된 태양빛이 가지고 있는 에너지에 의해 반도체내에서 정공(正孔:hole)(+)과 전자(電子:electron)(-)의 전기를 갖는 입자(정공과 전자)가 발생하여 각각 자유롭게 태양전지 속을 움직이게 되지만, 전자(-)는 N형 반도체 쪽으로, 정공(+)는 P형 반도체 쪽으로 모이게 되어 전위가 발생하게 되며 이 때문에 앞면과 뒷면에 붙여 만든 전극에 전구나 모터와 같은 부하를 연결하게 되면 전류가 흐르게 되는데 이것이 태양전지의 PN접합에 의한 태양광발전의 원리이다.

② 태양광의 특징






























<태양광발전 시스템 구성도>

2) 태양열 이용기술
   태양광선의 파동성질을 이용하는 태양에너지 광열학적 이용분야로 태양열의 흡수·저장·열변환 등을 통하여 건물의 냉난방 및 급탕 등에 활용하는 기술을 의미한다. 태양열 이용시스템은 집열부, 축열부, 이용부로 구성된다.

 ① 태양열의 시스템의 원리
    ○ 집열부 : 태양으로부터 오는 에너지를 모아서 열로 변환하는 장치로 가장 중요한 부분이다. 가장 간단한 형태는 빛을 잘 흡수하는 검은색 관 속으로 물을 흐르게 하는 평판 집열관으로 이것은 빛을 투과하는 투명한 외부층(유리나 플라스틱)이 빛을 흡수하는 검은색의 내부구성물을 둘러싼 형태로 이루어져 온실효과를 일으킨다. 빛이 집열판속으로 들어오면 이것은 검은색의 내부에 부딪쳐 적외선으로 바뀌는데 적외선은 투명층을 통과하지 못하므로 내부는 점점 더뜨거워지는데, 이렇게 뜨거워진 내부에는 열을 흡수하였다가 전달하는 매체가 흐르는데 이 뜨거워진 매체는 물과 열교환하여 난방용 또는 온수용 물을 생산한다.
    ○ 축열부 : 열교환되어 이용처에 활용될 매체(난방용 온수등)를 저장

<태양열 이용시스템 구성도>

 ② 태양열의 특징










 3) 풍력에너지
   바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 에너지이다. 풍력이 가진 에너지를 흡수, 변환하는 운동량변환장치, 동력전달장치, 동력변환장치, 제어장치 등으로 구성되어 있으며 각 구성요소들은 독립적으로 그 기능을 발휘하지 못하며 상호 연관되어 전체적인 시스템으로서의 기능 수행한다.

                                                            <풍력에너지 원리>
 
① 풍력에너지 시스템 구성
    ○ 기계장치부
 : 바람으로부터 회전력을 생산하는 Blade(회전날개), Shaft(회전축)를 포함한 Rotor(회전자), 이를 적정 속도로 변환하는 증속기(Gearbox)와 기동·제동 및 운용 효율성 향상을 위한 Brake, Pitching & Yawing System 등의 제어장치부문으로 구성
    ○ 전기장치부
 : 발전기 및 기타 안정된 전력을 공급하도록 하는 전력안정화 장치로 구성
    ○ 제어장치부
 : 풍력발전기가 무인 운전이 가능토록 설정, 운전하는 Control System 및 Yawing & Pitching Controler와 원격지 제어 및 지상에서 시스템 상태 판별을 가능케하는 Monitoring System으로 구성

<풍력발전시스템(Geared Type)>

4) 연료전지
   연료전지란 연료의 산화(酸化)에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지 일종의 발전장치(發電裝置)라고 할 수 있으며 산화·환원반응을 이용한 점 등 기본적으로는 보통의 화학전지와 같지만, 닫힌 계내(系內)에서 전지반응(電池反應)을 하는 화학전지와 달라서 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어, 반응생성물이 연속적으로 계외(系外)로 제거된다. 가장 전형적인 것에 수소-산소 연료전지가 있다.

   수소 외에 메탄과 천연가스 등의 화석연료(化石燃料)를 사용하는 기체연료와, 메탄올(메틸알코올) 및 히드라진과 같은 액체연료를 사용하는 것 등 여러 가지의 연료전지가 나왔으며 이 중에서, 작동온도가 300℃ 정도 이하의 것을 저온형, 그 이상의 것을 고온형으로 구분한다. 또, 발전효율의 향상을 꾀한 것이나, 귀금속 촉매를 사용하지 않는 고온형의 용융탄산염(溶融炭酸鹽) 연료전지를 제2세대, 보다 높은 효율로 발전을 하는 고체전해질 연료전지를 제3세대의 연료전지라고 한다.

 ① 연료전지 발전원리(예 : 수소-산소 연료전지)

 ② 특징
    ○ 발전효율이 40∼60 % 이며, 열병합 발전 시 80% 이상 가능
    ○ 천연가스, 메탄올, 석탄가스 등 다양한 연료사용 가능
    ○ 환경공해 감소 : 배기가스 중 NOx, SOx 및 분진이 거의 없으며, CO2 발생량에 있어서도 미분탄 화력발전에 비하여 20∼40% 감소
    ○ 회전부위가 없어 소음이 없으며, 기존 화력발전과 같은 다량의 냉각수 불필요
    ○ 도심부근 설치 가능하여 송배전시의 설비 및 전력 손실 적음
    ○ 부하변동에 따라 신속히 반응하며, 설치형태에 따라서 현지 설치형, 분산 배치형, 중앙집중형 등의 다양한 용도 사용 가능

<연료전지 발전시스템 구성도>

5) 수소에너지
   수소는 무한정인 물 또는 유기물질을 원료로 하여 제조할 수 있으며, 사용 후에 다시 물로 재순환되는 성질이 있어 자원 고갈 우려가 없으므로 화석연료 자원이 빈약한 국가에서 적합한 에너지원으로 생각된다. 수소는 물의 전기분해로 가장 쉽게 제조할 수 있으나 입력에너지(전기에너지)에 비해 수소에너지가 경제성이 너무 낮아 대체전원 또는 촉매를 이용한 제조기술 연구를 추진중에 있다.






























<수소에너지 시스템>

  ① 수소에너지의 특징
    ○ 수소는 가스나 액체로서 쉽게 수송할 수 있으며 고압가스, 액체수소, 금속수소화물 등의 다양한 형태로 저장이 용이함
    ○ 수소는 연료로 사용할 경우에 연소 시 극소량의 NOx를 제외하고는 공해물질이 생성되지 않음
    ○ 수소는 산업용의 기초 소재로부터 일반 연료, 수소자동차, 수소비행기, 연료전지 등 현재의 에너지시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 이용가능 

6) 바이오에너지
   태양광을 이용하여 광합성되는 유기물(주로 식물체) 및 동 유기물을 소비하여 생성되는 모든 생물유기체(바이오매스)의 에너지를 바이오에너지라 한다. 바이오에너지 생산기술이란 동 생물 유기체를 각종 가스, 액체 혹은 고형연료로 변환하거나 이를 연소하여 열, 증기 혹은 전기를 생산하는데 응용되는 화학, 생물, 연소공학 등을 뜻한다.

 ① 바이오매스(Bio-mass)
    태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의해 생성되는 식물체·균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물 유기체를 말한다. 따라서 바이오매스자원은 곡물, 감자류를 포함한 전분질계의 자원과 초본, 임목과 볏짚, 왕겨와 같은 농수산물을 포함하는 셀룰로오스계의 자원과 사탕수수, 사탕무와 같은 당질계의 자원은 물론 가축의 분뇨, 사체와 미생물의 균체를 포함하는 단백질계의 자원까지를 포함하는 다양한 성상을 지닌다. 이들 자원에서 파생되는 종이, 음식찌꺼기 등의 유기성폐기물도 포함한다.

<바이오에너지 변환 시스템>

 ② 바이오에너지의 특징










7) 폐기물 재생 에너지
   사업장 또는 가정에서 발생되는 가연성 폐기물 중 에너지 함량이 높은 폐기물을 열분해에 의한 오일화기술, 성형고체연료의 제조기술, 가스화에 의한 가연성 가스 제조기술 및 소각에 의한 열회수기술 등의 가공·처리 방법을 통해 고체 연료, 액체 연료, 가스 연료, 폐열 등을 생산하고, 이를 산업생산활동에 필요한 에너지로 이용될 수 있도록 한 재생에너지를 의미한다.

 ① 폐기물 재생 에너지의 특징
    ○ 비교적 단기간내에 상용화 가능
 ·기술개발을 통한 상용화 기반 조성
 ·타 신재생에너지에 비하여 경제성이 매우 높고 조기보급이 가능
    ○ 폐기물의 청정 처리 및 자원으로의 재활용 효과 지대
 ·폐기물 자원의 적극적인 에너지자원으로의 활용
 ·인류 생존권을 위협하는 폐기물 환경문제의 해소
 ·지방자치단체 및 산업체의 폐기물 처리 문제 해소 

 ② 폐기물 신재생에너지의 종류
    ○ 성형고체연료(RDF:Refuse Derived Fuel)
 종이, 나무, 플라스틱 등의 가연성 폐기물을 파쇄, 분리, 건조, 성형 등의 공정을 거쳐 제조된 고체연료 
    ○ 폐유 정제유
 자동차 폐윤활유 등의 폐유를 이온정제법, 열분해 정제법, 감압증류법 등의 공정으로 정제하여 생산된 재생유
    ○ 플라스틱 열분해 연료유
 플라스틱, 합성수지, 고무, 타이어 등의 고분자 폐기물을 열분해하여 생산되는 청정 연료유
    ○ 폐기물 소각열
 가연성 폐기물 소각열 회수에 의한 스팀생산 및 발전, 시멘트 킬른 및 철광석소성로 등의 열원으로의 이용 등

8) 석탄가스화·액화
   가스화 복합발전기술(IGCC : Integrated Gasification Combined Cycle)은 석탄, 중질잔사유 등의 저급원료를 고온·고압의 가스화기에서 수증기와 함께 한정된 산소로 불완전연소 및 가스화시켜 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스를 만들어 정제공정을 거친 후 가스터빈 및 증기터빈 등을 구동하여 발전하는 신기술이다.

<석탄가스화>

   석탄액화란 고체 연료인 석탄을 휘발유 및 디젤유 등의 액체연료로 전환시키는 기술로 고온 고압의 상태에서 용매를 사용하여 전환시키는 직접액화 방식과, 석탄가스화 후 촉매상에서 액체연료로 전환시키는 간접액화 기술이 있다.
 ① 석탄가스화·액화 특징










 ② 시스템 구성도
    IGCC는 가스화부, 가스정제부와 발전부 등 세 가지 주요 Building Block으로 구성된다.


























9) 지열
   지열이란 지표면의 얕은 곳에서 부터 수 ㎞깊이에 존재하는 뜨거운 물과 암석을 포함하여 땅이 가지고 있는 에너지를 말하며, 대체에너지원으로 활용하기 위한 지열source로는 지표면으로부터 수내지 수십미터 깊이의 흙(ground source), 또는 지하수(ground water source), 호수나 강물(water source) 등을 들 수 있으며, 이러한 지열은 통상 건물의 냉난방 열원으로 활용되는 데 이를 위한 주요설비로는 지열을 회수하기 위한 열교환기와 회수한 저온의 지열을 유효에너지로 변환시키기 위한 히트펌프(heat pump)가 있다.

<지열시스템 구성도>

<히트펌프>

   지열시스템의 종류는 대표적으로 지열을 회수하는 파이프(열교환기) 회로구성에 따라 폐회로(Closed Loop)와 개방회로(Open Loop)로 구분된다. 폐회로시스템(폐쇄형)은 루프의 형태에 따라 수직, 수평루프시스템으로 구분되는데 수직으로 100∼150m, 수평으로는 1.2∼1.8m정도 깊이로 묻히게 되며 상대적으로 냉난방부하가 적은 곳에 쓰인다. 개방회로는 수원지, 호수, 강, 우물 등에서 공급받은 물을 운반하는 파이프가 개방되어 있는 것으로 풍부한 수원지가 있는 곳에서 적용될 수 있다. 폐회로가 파이프내의 열매(물 또는 부동액)와 지열source가 열교환 되는 것에 비해 개방회로는 파이프내로 직접 지열source가 회수되므로 열전달효과가 높고 설치비용이 저렴한 장점이 있으나 폐회로에 비해 보수가 필요한 단점이 있다.

<폐쇄형 지열원 열교환장치>  

<개방형 지열원 열교환장치>

10) 수력발전
   수력발전은 물의 유동에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 것을 말한다. 『대체에너지 개발 및 이용, 보급 촉진법(2003년)』에는 소수력만을 신재생에너지로 정의하고, 같은 법 시행규칙에서 소수력 설비를 시설용량 10,000kW 이하의 설비로 규정하였다. 2004년말 12월에 위 법을 『신에너지 및 재생에너지 개발, 이용, 보급 촉진법(2004년)』으로 개정하여 대수력을 포함한 수력으로 정의하였다. 현재 수력발전 중 소수력 발전에 대하여 다양한 연구개발 및 정부지원정책과 제도를 시행하고 있다.

<소수력발전시스템 구성도>

   소수력발전은 소규모 하천의 물을 인공적으로 유도하여 저낙차 터빈을 이용한 발전방식으로 설비용량, 낙차 및 발전방식에 따라 다음<표>와 같이 분류될 수 있다.
                                                               <소수력발전의 분류>

<시스템 구성도>

11) 해양에너지
   에너지 이용방식에 따라 조력, 파력, 온도차발전으로 구분되며, 기타 해류발전, 근해 풍력발전, 해양 생물자원의 에너지화 및 염도차발전 등이 있다.
    ○ 조력발전
 조석을 동력원으로 하여 해수면의 상승하강운동을 이용하여 전기를 생산하는 발전 기술
    ○ 파력발전
 입사하는 파랑에너지를 터어빈 같은 원동기의 구동력으로 변환하여 발전하는 기술
    ○ 온도차발전
 해양 표면층의 온수(예 : 25∼30℃)와 심해 500∼1,000m정도의 냉수(예 : 5∼7℃)와의 온도차를 이용하여 열에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 발전하는 기술

<종류 및 입지조건>