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1.자연 에너지 자원의 이용
■ 풍 력
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풍력은 지구에 도달하는 태양 복사열에 의한 대기의 움직임이 지표면에서 바람의 형태로 나타난 것이다. 지구상의 풍력 에너지는 106MW 정도이며, 이것은 전 세계적으로 볼 때 수력 에너지의 10배나 되는 양이다. 풍력은 1854년 다니엘 할리데이가 우물물을 끌어 올리기 위해 풍차를 만들어 이용한 이후, 관개용 펌프, 곡식 찧는 기계, 염전에서 해수를 끌어올리는 기구 등에 이용되었다. 풍력 에너지는 무공해·무한정의 바람을 이용하므로 환경을 오염시킬 우려가 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있다. 또한, 풍력 발전을 통해 200kW급 풍력 발전기 1대가 1년간 운전하여 400,000kWh의 전력을 생산할 경우, 약 120∼130톤의 석탄을 대체할 수 있다. 풍력 발전 시 | 스템은 이미 실용화 단계에 있으며, 많은 나라에서 경쟁적으로 풍력 발전기를 보급하고 있다. 우리 나라에서는 1단계 대체 에너지 기술 개발 사업으로 20kW급 수평축 풍력 발전기의 국산화를 시도하였고, 2단계 사업에서는 300kW급 풍력 발전기를 개발하여 시운전하였다. 현재 우리 나라에는 제주 월령에 100kW급 및 30kW급, 20kW급 풍력 발전기를 설치하여 가동하고 있으며, 제주 중문 단지에 250kW급이 운영되고 있다. 또한, 제주도에는 600kW급 풍차 4기가 설치되어 가동 중에 있다.
■ 수력의 이용
수력은 자연의 순환 과정에 의하여 무한정으로 얻을 수 있는 에너지 자원으로, 수력이 가지는 역학적 에너지를 이용하여 동력을 얻는다. 우리 나라에서도 옛날부터 수력을 이용하기 위하여 물레방아를 만들어 도정 작업을 하였으며, 근래에는 대규모 댐을 건설하여 에너지 밀도를 집중시켜 수력 발전에 이용하고 있다. 수자원은 수력 발전뿐만 아니라, 생활이나 농업 및 공업 용수의 수원 확보와 홍수 조절 등의 부수적인 효과도 있어 우리 나라로서는 적극 개발해야 할 에너지 자원이다. 지구상의 물이 가지고 있는 에너지를 전부 동력으로 환산하면 약 2.5억kW로 추정되나, 수력 발전에 실제로 이용 가능한 양은 약 15억kW로 추정되며, 현재 개발된 것은 약 3억 kW 정도이다.
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| ■ 소수력 발전의 장단점 ① 장 점
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대규모 화력 발전에 비해 환경 친화적이며, 연간 유지비가 투자비의 3.6% 정도로 아주 낮다. 또한, 설계 및 시공 기간이 짧고, 주위의 인력과 자재를 이용하기 쉬우며, 민간 주도의 반영구적 공익 사업으로 지역 개발과 경제적 파급 효과를 극대화시킬 수 있다. 소수력 발전소는 전력 생산 이 외에도 주어진 자연 조건을 이용해 다양한 수상 레포츠 및 휴게 시설의 연계 개발이 가능해 발전소 자체를 교육장이나 관광 소재화할 수도 있다. | ② 단 점
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초기 투자 비용이 많으며, 자연 낙차가 커야 하는 등 입지 조건이 제한적이므로 저낙차용 수차의 개발도 필요하다.
▼ 표1 외국의 소수력 발전 보급 현황
구분 |
발전소 수 |
설비 용량 (MW) |
미국 |
1,715 |
3420.0 |
일본 |
600 |
538.0 |
중국 |
58,000 |
13250.0 |
프랑스 |
1,479 |
1646.0 |
독일 |
5,882 |
314.4 | | | ■ 조력의 이용
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조석 간만의 차는 달과 태양의 인력과 지구의 자전에 의하여 생기는 바닷물의 수위 이동으로, 다른 에너지와는 달리 정확히 주기적으로 나타난다. 이러한 조석 간만의 차를 이용하여 동력을 얻을 수 있으며, 에너지 개발 측면에서 주요 연구 대상이 되고 있다. 조력 발전을 경제적으로 이용하는 데 필요한 간만의 차는 10m 이상이 되어야 하며, 현재 프랑스와 구 소련에서는 이미 조력 발전을 하고 있다. 우리 나라 서해안은 간만의 차가 커서 아산만 같은 곳이 조력 발전소를 건립할 수 있는 유력한 후보지로 선정되어 건설 계획을 검토하고 있는 단계이다. 조력은 수력과 달리 물이 흐르는 방향과 속도가 일정하지 않으므로 개발에 문제점이 있으나, 우리 나라의 서해안은 넓은 범위에 걸쳐 있으므로 조력을 이용할 수 있는 방법을 적극 연구·개발해야 한다. | ■ 파력의 이용
파도는 바람에 의하여 생기는 자연 현상으로, 이 파력을 이용하여 동력을 얻을 수 있다. 파도는 여러 가지 조성 원인에 따라 그 변화가 많아서 상태가 안정되지 못하며, 파력 발전 설비를 바다 위에 설치하는 데 여러 가지 문제점이 있다. 파력 발전은 지구상 위도 40∼60°부근의 지속적인 바람이 불어오는 연안이 좋으며, 일본의 동해안선, 영국·노르웨이·스코틀랜드 및 미국의 서해안선 등에서 활발하게 추진되고 있다. 국내에서는 아직 파력 에너지의 개발에 관한 구체적인 연구가 시도되지 못했지만, 파랑이 심한 일부 해안 지역에서 가능성을 검토하고 있다.
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| ■ 해양 온도차 발전
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열대 해역의 해수면 평균 온도는 20℃를 넘지만, 수면으로부터 500∼1,000m 정도 깊이의 심해에서는 2∼7℃ 정도로 온도가 낮다. 해양 온도차 발전은 이러한 표층수와 심층수의 온도차를 이용하여, 해수 표면 온도에 의해 쉽게 기화하고 깊은 곳의 낮은 온도에 의해 쉽게 액화할 수 있는 냉매를 사용해 발전하는 방식이다. 해양 온도차 발전이 가능하기 위해서는 해수 표면과 심층부의 온도차가 15℃ 이상이 되어야 하며, 발전 장치는 해수에 쉽게 부식·파손되지 않는 내해수성 재료를 사용해야 한다. 미국, 하와이, 프랑스, 핀란드, 자메이카, 네덜란드와 같은 나라들은 이미 해양 온도차 발전이 실용화되었거나 추진 중에 있다. 우리 나라도 동해 남부 해역이 표층수와 심층수 사이에 상당한 온도차가 있는 것으로 알려져 가능성을 검토하고 있다.
| ■ 지열의 이용
지각 아래에서 발생하여 외부로 방출되는 열을 지열이라 하며, 지구 전체의 평균으로 1km 깊이마다 25℃씩 상승하는 것으로 알려져 있다. 지열이 높은 지역에서는 200∼300℃가 되는 고온의 지하수를 지하 수백 미터에서 끌어올려 지표에서 바로 증발하는 증기를 이용해 발전을 한다 현재 지열을 이용하여 발전을 하고 있는 나라는 미국, 이탈리아, 뉴질랜드, 일본 등이며, 우리 나라는 화산대 지역에 속해 있지 않으므로 고온의 지하수를 얻기는 힘들지만 땅 속 깊은 곳에 있는 고온의 열에너지를 이용하는 방법은 계속 연구되어야 한다.
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| ■ 태양열의 이용
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태양은 지구의 약 109배 정도의 크기로, 1억 5천만 km 떨어진 곳에 위치하고 있으며, 수소 73%, 헬륨 24%로 이루어진 기체 덩어리로서 초당 kW의 에너지를 방출한다. 이 중 지구에 도달하는 태양 에너지의 양은 22억분의 1이고, 그 양은 전인류의 소비 에너지량의 약 1만 배에 달하는 양이다. 지금까지 태양 에너지는 주로 주택의 난방, 농·수산물의 건조, 태양열 발전, 소규모의 태양광 발전 등에 이용되고 있다. ① 태양열 발전 시스템
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중앙 집중형 시스템, 분산형 시스템, 독립형 시스템으로 구분된다. 우리 나라에서는 태양열 발전 시스템을 건설하기 위한 재원과 소요 부지 등의 마련에 제약 요소가 많아 실용화에 어려운 점이 많지만, 태양열 발전은 21세기를 대비할 수 있는 실용화의 가능성이 큰 청정 에너지 자원이기 때문에 기초 연구 차원의 소규모 발전 시스템의 개발을 추진할 필요성이 높다. · 중앙 집중형 시스템 : 거대한 반사경에 반사된 태양광을 중앙에
위치한 태양로의 한 점에 집중시켜 얻은 높은 열(600℃)을 통해 고
압의 수증기를 발생시켜 터빈을 돌려 발전하는 장치이다. · 분산형 시스템 : 다수의 집광·집열 시스템을 분산 배치하여 배관
내에 흐르는 유체를 가열시키고, 여기서 발생되는 증기를 통해 열기
관을 구동시켜 발전하는 장치이다. · 독립형 시스템 : 분산형 시스템에 쓰이는 집광 ·집열 시스템을 소
규모로 이용하여 5∼25kW 정도의 전력을 생산하는 장치이다. | ② 태양열 난방 시스템
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집열 장치, 축열 장치, 보조 장치 등으로 구성되며, 이미 실용화되어 널 리 보급되고 있다. 1980년대 중반 미국에서 10MW급 태양열 발전 시스템의 실용화가 이루어 진 이후 세계 여러 나라에서 계속적으로 개발하고 있다. | ③ 태양로
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태양 광선을 작은 점에 집중시켜 2,000∼3,000℃의 고온을 얻는 장치로, 고온 물 리·화학의 연구, 융점의 측정, 인조 보석의 제조, 특수 금속의 용해 등에 이용된다. | | |
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2.화석 에너지 자원의 이용
■ 석 탄
석탄은 매장량이 석유보다 많아 에너지 자원으로 가장 풍부한 화석 연료로서, 세계의 연간 석탄 소비량으로 볼 때 앞으로 확인 매장량에 대한 가채 년수는 약 230년 정도로 예상하고 있다. 석탄은 18세기 말 증기 기관의 연료로서 사용된 이래 약 200년간 계속해서 인류의 주요 에너지원으로 이용되어 왔으며, 산업 혁명으로부터 시작된 근대 공업 사회를 이룩하는 데 결정적인 역할을 한 에너지원으로, 매장량도 다른 화석 에너지원에 비해 풍부한 편이다. 석탄은 석유에 비해 단위 중량당 발열량이 다소 낮으며, 고체 형태로서 취급하기에 불편하고, 공해 요인이 되는 불순물이 다량 포함되어 있다. 제2차 세계 대전 이후 중동 지역에서 석유가 대량 생산되면서 석탄의 이용률이 떨어지기 시작했지만, 지속적인 이용 기술의 개발에 따라 최 |
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| 근들어 그 이용이 점차 증가하는 추세이다. 석탄의 종류에는 국내에서 소비되는 무연탄과 유연탄이 있는데, 유연탄의 경우 무연탄에 비하여 발열량이 높긴 하지만 국내 생산이 전무한 상태로서, 전량 외국으로부터의 수입에 의존하고 있다. 석탄은 탄화 정도가 큰 것으로부터 무연탄, 역청탄, 갈탄, 이탄으로 나눌 수 있다. 이 중에서 이용 가치가 큰 것은 무연탄과 역청탄으로, 무연탄은 90% 이상 연탄으로 가공되어 가정 및 산업 부문의 연료로 이용되고 있다.역청탄은 흑색의 석탄으로, 탈 때에 노란색의 긴 불꽃을 보이며 악취를 발산하는 특징이 있고, 발열량은 1kg당 7,500∼8,500kcal 정도이다. 갈탄은 갈색 또는 흑갈색을 띠며, 목질 구조를 잘 보존하고 있는 것이 많다. 이탄은 생물이 죽고 난 후, 주위 환경의 요인으로 부패하지 못해 생긴 석탄의 일종으로, 자연의 역사를 밝히는 자료로도 활용된다.
■ 석 유 지층으로부터 산출되는 가연성 액체와 그것을 정제하여 얻어지는 액체를 총칭하여 석유라 한다. 석유는 지하에서 특정한 조건을 갖춘 지층에만 존재하며, 이러한 조건을 가진 지역은 한정되어 있다. 석유는 탄화수소가 주성분으로, 전 세계 에너지 소비량의 절반 이상을 차지할 정도로 중요한 에너지 자원이다.
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석유는 다른 에너지 자원에 비해 다음과 같은 특징을 가지고 있다.
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① 액체 연료이므로 취급하기가 쉽다. ② 내연 기관의 연료로 사용된다. ③ 방사능과 같은 유해 물질이 포함되어 있지 않다. ④ 석유 화학 공업의 원료가 된다. | 석유는 초기에 조명용과 윤활용으로 사용되었지만, 석탄에 비해 석유가 가지고 있는 장점으로 인해 점차 사용이 증가하여 보일러·공장·기관차·기선의 연료로 사용되었고, 경질유는 자동차·항공기·석유 화학 공업 등에 사용하게 되었다. 현재는 플라스틱, 합성 섬유, 살충제, 약품에 이르기까지 많은 제품을 만드는 데 석유가 사용되고 있으며, 석유의 매장량은 현재 전 세계적으 로 1,373억 배럴(barrel)이 매장되어 있는 것으로 추정되며, 앞으로 쓸 수 있는 기간은 약 41년 정도로 예상하고 있다. 석유의 매장량을 지역별로 살펴보면, 중동이 675.7억 배럴(1barrel=0.159kL)인 65.4%로 가장 많은 점유율을 보이고, 남미가 9.5억 배럴인 8.7%, 아프리카와 유럽이 각각 74.9억 배럴인 7.2%, 러시아가 65.4억 배럴인 6.3%, 북미가 63.7억 배럴인 6.2%, 아시아가 44억 배럴로 1.6%를 점유하고 있는 것으로 분석·추정되고 있다. | ■ 천연 가스
천연 가스도 석유와 마찬가지로 그 매장량에 한계가 있는 탄화수소계 에너지 자원이다. 천연 가스의 주성분인 메탄 가스는 1당 발열량이 9,500kcal로서 연료로 많이 사용되어 왔으나, 오늘날에는 합성 섬유, 합성 고무, 합성 수지 등의 주원료로서 각광을 받게 되면서 매년 천연 가스의 소비량이 증가하고 있다. 세계의 천연 가스 추정 매장량은 약 141조로서, 가채 년수는 약 61.9년으로 추정되고 있다. 지역별 분포율은 OPEC가 가장 많은 57.6조로 40.8%를 차지하고 있으며, 비 OECD 유럽이 56.7조인 40.2%, OECD가 14.9조로서 10.6%, 기타 11.8조로서 8.4%를 차지하고 있다. 천연 가스는 기체 상태이기 때문에 많은 양을 한 곳에 저장하는 데에는 많은 어려움이 있을 뿐만 아니라, 파이프 라인을 통한 수송 이외에는 대량으로 운반하는 데 큰 문제가 있었다. 그러나 천연 가스의 액화 기술이 개발되면서 대량 저장과 원거리 대량 수송이 가능하게 되었다. 액화 천연 가스는 천연 가스가 생성될 때 포함된 수분이나 질소 같은 불순물을 제거하여 -162℃의 아주 낮은 온도에서 액화시킨 상태로 수송 후, 다시 기화시켜 사용한다. 우리 나라에서는 1986년에 처음 도입되어 사용량이 점차 증가하는 추세이다. 액화 천연 가스는 도시 가스로서 가정용 연료로 사용되거나, 발전용 또는 산업용 가스 보일러의 연료로 사용되고 있으며, 새로운 이용 기술로서 LNG 냉열을 이용하는 방법이 있다. 액화된 천연 가스(LNG)를 다시 기화시킬 때 흡수하는 열을 냉열이라 하는데, 이 때 kg당 약 200kcal의 냉열이 발생된다. 이 냉열을 이용하여 발전을 하거나 공기를 액화시켜 액체 산소, 액체 질소 및 액체 드라이 아이스 등을 만들기도 하며, 식품의 냉동·냉장이나 고무·플라스틱 및 금속을 저온 분쇄하는 가공·처리에 이용되기도 한다.
▼ 표2 액화 천연 가스(LNG)의 이용 분야
구분 |
이용 기기 |
도시 가스 |
가정용 연료, 냉난방 기기 |
연료 |
산업용 |
가스 보일러 |
발전용 |
화력 발전, 연료 전지 발전 |
냉열 |
냉열 발전, 저온 분쇄, 식품 가공 | | |
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3. 원자력 에너지 자원의 이용
■ 원자력 에너지
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원자로는 핵분열 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 장치로서, 1950년대 중반에서 후반에 걸쳐 미국, 영국, 러시아에서 발전용으로 실용화된 이후에 이용이 급증하였다. 우라늄은 자연계에 존재하는 원소 중에서 원자량이 가장 큰 원소로서, 산화물이나 규소산염 등의 형태로 천연에서 산출된다. 원자력 발전에 이용되는 농축 우라늄은 우라늄 235(
)로서, 이것은 우라늄 광 속에 0.7% 정도가 함유되어 있을 뿐이다. 따라서 장기적인 발전에 이용하기 위해서는 다른 핵연료의 공급 방식을 개발할 필요가 있다. 우리 나라는 1978년 4월 고리 원자력 1호기가 상업 운전에 착수함으로써, 세계에서 21번째로 원전 보유국이 되었으며, 1999년 말 현재 16기의 원전을 가동하고 있다.
| ▼ 표3 우리 나라의 원자력 발전소 현황
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설비 용량 |
원자로 형 |
운전 개시일 |
고리 1호 |
58.7 |
가압 경수로 |
78. 4 . 29 |
고리 2호 |
65 |
가압 경수로 |
83. 7. 25 |
고리 3호 |
95 |
가압 경수로 |
85. 9. 30 |
고리 4호 |
95 |
가업 경수로 |
86. 4. 29 |
월성 1호 |
67.9 |
가업 중수로 |
83. 4. 22 |
월성 2호 |
70 |
가압 중수로 |
97. 7. 1 |
월성 3호 |
70 |
가압 중수로 |
98. 7. 1 |
월성 4호 |
70 |
가압 중수로 |
99. 10. 1 |
영광 1호 |
95 |
가압 경수로 |
86. 8. 25 |
영광 2호 |
95 |
가압 경수로 |
87. 6. 10 |
영광 3호 |
100 |
가압 경수로 |
95. 3. 31 |
영광 4호 |
100 |
가압 경수로 |
96. 1. 1 |
울진 1호 |
95 |
가압 경수로 |
89. 9 .10 |
울진 2호 |
95 |
가압 경수로 |
89. 9. 30 |
울진 3호 |
100 |
가압 경수로 |
98. 8. 11 |
울진 4호 |
100 |
가압 경수로 |
99. 12. 31 | |
● 자료 : 산업 자원부.(1999). 원자력 발전 연보 | ■ 원자로의 다중 방호 설비
① 제 1 방벽(펠렛)
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원통형 펠렛(직경 8mm, 길이 10mm)의 형태로, 방사성 물질을 1차적으로 밀폐시킨다. | ② 제 2 방벽(연료 피복관)
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펠렛들을 장전하여 밀봉한 연료봉을 감싸고 있는 것으로, 소량의 기체 방사성 물질까지 밀폐시킨다. | ③ 제 3 방벽(원자로 용기)
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연료 다발 및 기타 원자로 구성품을 내장하고 있는 용기로, 연료 피복관에서 새어 나온 방사성 물질을 밀폐시킨다. 고온·고압에 견딜 수 있도록 20∼25cm 두께의 강철로 되어 있다. | ④ 제 4 방벽(원자로 건물 내벽)
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원자로 건물의 내벽은 두꺼운 강철판(3∼6cm)으로 되어 있어 서 만일의 사태가 발생하더라도 방사성 물질을 격납 용기 안에 밀폐한다. | ⑤ 제 5 방벽(원자로 건물 외벽)
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최종적인 원자로 건물의 외벽으로, 120cm 두께의 철근 콘크리트로 되어 있어 방사성 물질이 외부 환경으로 누출되는 것을 방지한다. | |
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4. 미래의 에너지 자원
■ 핵융합 에너지 중수소, 삼중 수소 등 가벼운 원소들의 핵을 인공적으로 융합하면, 무거운 원자핵이 만들어지면서 질량이 감소되고, 감소된 질량이 에너지로 전환될 때 에너지가 방출된다. 이 때 방출되는 에너지를 핵융합 에너지라 하며, 태양열 에너지도 바로 핵융합 에너지에 속한다. 핵융합 에너지는 핵분열 에너지보다 훨씬 많은 열에너지를 발생하고, 바닷물 속에 0.0015%의 비율로 포함된 중수소를 연료로 사용하므로 방사능과 같은 환경 오염의 염려가 없는 등 많은 장점을 가지고 있다. 그러나 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 중수소와 삼중 수소의 온도를 1억℃로 올려야 하는데, 지구상에는 그만한 온도를 가두어 놓을 만한 물질이 없기 때문에, 강력한 자기장을 만들어 그 안에 가두어 놓는 방법을 고안해 왔지만, 이것이 실용화되기까지는 상당한 시간이 걸릴 것으로 보인다.
■수소 에너지
수소를 연소시켜서 얻는 에너지로, 수소를 태우면 같은 무게의 가솔린보다 3배나 많은 에너지를 방출한다. 또한, 전기 에너지와 함께 현재의 에너지 체제를 유지할 수 있는 에너지 매체가 될 것으로 기대하고 있다. 수소는 가스나 액체로 쉽게 저장·수송할 수 있고, 일반 연료, 자동차, 비행기, 연료 전지 등 현재의 에너지 시스템에서 사용되는 거의 모든 |
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| 분야에 응용되어 미래의 에너지 시스템에 가장 적합한 에너지 자원으로 평가받고 있다. 수소 에너지의 이용이 실용화되기까지는 수소를 싼 값에 대량 생산할 수 있는 제조법, 경제적인 저장과 수송법, 공해 없는 연소, 연료 전지에의 이용 등이 연구 과제이다 ① 수소 에너지의 장점
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· 환경 오염 물질을 거의 배출하지 않는다. · 수소 에너지를 얻을 수 있는 물이 풍부하게 존재하므로 자원적 제한을 받지 않는다. · 안정적인 에너지 공급이 가능하다. · 수소 에너지는 다양한 에너지원으로부터 생산되며, 여러 분야에 널리 사용된다. · 전기 에너지에 비해 에너지의 저장이 쉽다. | ② 수소 에너지의 단점
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· 착화가 쉽고, 폭발의 위험이 있으며, 수소의 화염은 무색으로 식별이 힘들다. · 물을 분해하여 수소를 얻으려면 상당한 에너지가 필요하다. | ■ 연료 전지
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① 연료 전지의 원리
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연료가 산화할 때 생기는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 바꾸어 쓸 수 있도록 만든 전지로서, 물 전기 분해의 역반응과 같으며, 천연 가스로부터 얻은 수소와 공기 중의 산소가 주로 이용된다. 수소와 산소는 각각 양극과 음극에서 전자를 주고 받는 반응이 일어나고, 이 때 양극에서 음극으로 전자가 흘러 전류가 발생하게 된다. 한 쌍의 양극과 음극에서 발생되는 전기의 세기는 약 1.2V 정도로서 매우 약하기 때문에, 이를 실용화하기 위해서는 여러 개의 음극과 양 | |
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극을 차례로 쌓아 필요로 하는 전기의 세기를 얻게 된다. 이와 같이, 전극을 차례로 쌓아 놓은 것을 스택(stack)이라고 한다. | ② 연료 전지의 특징
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연료 전지는 일반 전지처럼 한 번 쓰고 버리거나 충전지와 같이 충전하는 조작도 필요 없이 연료만 보충시키면 전기를 무한히 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한, 열에너지나 기계 에너지 등으로 에너지 변환을 하는 과정이 없어 연료의 이용 효율을 80%까지 높일 수 있고, 소음이나 유독 가스가 발생하지 않는다. 연료 전지에 사용되는 연료의 형태는 기체·액체·고체와 같이 다양하다. 기체 연료로는 수소가 대표적이고, 액체 연료로는 메틸 알코올·암모니아 등이 있으며, 고체 연료로는 나트륨아말감·아연 등이 있다. 연료 전지는 아직 개발 단계이지만, 우주선, 전기 자동차, 잠수함, 무선 중계국, 통신기 등의 전원으로 이용될 예정이다. | ③ 연료 전지의 종류
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· 인산염 연료 전지 : 가장 먼저 상용화된 연료 전지로, 병원·발전소·대형 운송 수단 등에 사용되며, 작동 온
도는 200℃ 정도이다. · 용융 탄산염 연료 전지 : 효율이 높으며, 석탄과 같은 화석 에너지를 연료로 사용할 수 있는 특징이 있다
전해질로는 용융 탄산염을 사용하며, 작동 온도는 650℃ 정도이다. · 알카라인 연료 전지 : 미 항공·우주국(NASA)의 우주 계획에 가장 많이 사용하여 온 연료 전지로 70% 정
도의 발전 효율을 나타낸다. 전해질로는 알칼리 수용액을 사용하며, 작동 온도는 100℃ 정도이다. · 고체 산화물 연료 전지 : 다른 연료 전지와는 달리 고체의 세라믹을 전해질로 사용하기 때문에 내구성이
높은 장점을 가지고 있다. 발전소와 자동차에 사용되기도 하며, 유럽과 일본 등지에서 시범 운행되었거나
상용화되었다. 작동 온도가 1,000℃ 정도로 높다는 단점이 있지만, 폐열을 이용한 열병합을 할 경우 발전
효율을 더욱 높일 수 있으며, 현재 작동 온도를 낮추려는 연구가 활발히 진행되고 있다. · 고분자 분리막 연료 전지 : 프로톤 교환막 연료 전지라고도 불리며, 전해질로는 이온 전도성을 갖는 고
분자막을 사용한다. 작동 온도가 80℃ 정도로 낮다는 장점이 있어 현재 소형 자동차나 기타 휴대 전화 전원
공급 장치 등에 상용화되고 있다. | ④ 연료 전지 자동차의 원리
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자동차의 뒷부분에 탑재된 메탄올 탱크로부터 수소가 연료 전지로 공급되면, 압축기로 공급된 산소와 화학 반응을 일으키게 되고, 이 반응에 의해 전기 에너지가 발생하게 된다. 이와 같이 발생된 전기 에너지는 교류로 바뀌고, 전동기에서 다시 운동 에너지로 변환되어 자동차를 구동하게 된다. |
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1차 전지와 2차 전지
전지의 종류에는 화학 전지, 물리 전지, 생물 전지가 있는데, 이 중에서 우리의 생활에서 흔히 볼 수 있는 것은 대부분 화학 전지이다. 화학 전지는 다시 1차 전지와 2차 전지, 그리고 연료 전지로 나누어진다. 1차 전지는 건전지와 같이 한 번 사용하면 더 이상 사용할 수 없는 전지로서, 알칼리 전지, 산화은 전지, 산화 수은 전지 등이 해당된다. 2차 전지는 휴대용 충전지와 같이 사용하고 난 후 다시 충전해서 사용할 수 있는 전지를 말하며, 납축전지, 니켈-카드뮴 전지 등이 있다. 전지 기술은 1860년에 시작되어 100년 이상 개량을 거듭하여 고출력, 고성능, 경량화, 소형화, 신뢰성의 향상 등과 같은 기술 발달이 급속히 이루어졌다. 1960년 니켈-카드뮴 전지가 2차 전지로서 처음 개발되어 휴대용 소형 기기에 이용되면서 수요가 빠르게 증가하였으며, 그 후에 990년 초반부터는 수소 전지, 리튬 이온 전지가 개발되었다. 1998년 리튬 폴리머(lithium-ploymer) 전지의 개발로 무선 휴대 통신 기기의 개발을 앞당기게 되었고, 우리 나라에서도 2000년 정보 통신부에서 2차 전지를 메모리, 무선 통신 반도체, 광통신 부품 등과 함께 40대 전략 품목으로 제정하여 기술 개발을 위해 계속 노력하고 있다.
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■ 태양광 발전의 원리 태양 전지를 이용하여 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 시스템으로, 반도체 소자에 의한 발전 방식이기 때문에 보수가 쉽고, 소규모에서 대규모까지의 발전이 모두 가능하다. 태양광 발전의 기본 원리는 p형 반도체와 n형 반도체의 접합으로 구성된 태양 전지에 태양광이 비치면 전자와 정공이 이동하여 n층과 p층을 가로질러 전류가 흐르게 되며, 이 때 발생하는 기전력에 의해 전류가 흐르게 된다. 태양 전지는 단위 용량으로 직·병렬 연결되어 기후와 같은 자연 조건에 영향을 받지 않도록 단단한 재료와 구조로 만들어진 태양 전지 모듈(module)로 상품화된다.
■ 태양광 발전의 장단점 ① 장 점
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· 태양광 발전은 무한정·무공해의 태양 에너지를 이용하므로 연료비가 불필요하고, 대기 오염이나 폐기물의
발생이 없다. · 발전 부위가 반도체 소자이고, 제어부가 전자 부품이므로 기계적인 진동과 소음이 적다. · 태양 전지의 수명이 최소 20년 이상으로 길고, 발전 시스템을 자동화시키기에 용이하여 운전 및 유지 관리
에 따른 비용을 최소화할 수 있는 장점을 가지고 있다. | ② 단 점
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· 태양광 발전은 태양 전지의 가격이 비싸 초기 투자비가 많이 든다. · 날씨의 영향과 일사량에 따라 전력 공급이 원활하지 못할 수 있으므로 일정한 전력을 공급하기 위해서 별도
의 장치가 필요하다.
| ■ 태양광 발전 시스템의 구성
태양광 발전 시스템은 일정한 전력을 공급하기 위해 태양 전지 모듈을 직·병렬로 연결한 태양 전지 어레이(array)가 필요하다. 이 밖에도 전력 저장용 축전지, 전력 조절 장치, 직·교류 변환을 위한 인버터 등의 주변 장치로 구성된다.
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