신·재생에너지 기술개발 동향 및 건설업계의 대응

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신·재생에너지 기술개발 동향 및 건설업계의 대응

이 대 우 | 현대건설 기술/품질 개발원 기술위원

1. 신·재생에너지

1) 신·재생에너지의 정의

우리나라에서는“신에너지 및 재생에너지 개 발이용 보급 촉진법”제2조의 규정에 의거 기존 의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛·

물·지열·강수·생물유기체 등을 포함하여 재 생 가능한 에너지를 변화시켜 이용하는 에너지 로 정의하고 재생에너지(8개 분야)와 신에너지 (3개 분야)를 포함한 총 11개 분야의 에너지를 말한다.

선진 각국에서는 신·재생에너지에 대한 과 다한 초기투자의 장애요인에도 불구하고 화석

에너지의 고갈과 환경문제에 대한 핵심 해결방 안이라는 점에서 과감한 연구개발과 보급정책 등을 추진 중에 있다.

2) 신·재생에너지 개발현황

신·재생에너지개발은 대체로 1987년 12월 부터“신에너지 및 재생에너지개발 및 이용보급 촉진법”에 따라 정부차원에서 시작되었으며, 각 요소기술별 개발현황은 다음과 같다.

① 태양광발전(Photovoltaic)

태양의 빛에너지를 변환시켜 전기를 생산하 는 발전기술로서, 햇빛을 받으면 광전효과에 의

[그림 1] 신·에너지 종류

연료전지

신에너지 (3개(분야)

수소에너지 석탄액화가스화 에너지

(소)수력

폐기물에너지 태양열

태양광

(자연채광포함)

풍(력

바이오매스

해양에너지 지열에너지

재생에너지 (8개(분야)

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하여 전기를 발생하는 태양전지를 이용한 발전 방식이다. 태양광 발전시스템은 태양전지(Solar cell)로 구성된 모듈(module)과 축전지 및 전력 변환장치로 구성된다.

국내현황은 저가화와 효율향상을 위한 태양 전지 제조기술개발 및 시스템 이용기술개발을 병행 추진하고 있다.

② 태양열(Solar Thermal)

태양으로부터 오는 복사광선을 흡수해서 열 에너지로 변환(필요시 저장)시켜 건물의 냉난방 및 급탕, 산업공정열, 열발전 등에 활용하는 기 술이다.

태양열 시스템은 집열기술, 축열기술 및 이용 기술로 구성된다.

국내현황은 보급확대를 위한 태양열 온수기 등 저온활용 요소기술에 대한 효율 및 신뢰성 향상과 태양열 이용분야 확대를 위해 중·고온 시스템 개발을 병행 추진 중이다.

저온활용분야(온수·급탕기술)는 1980년대 에는 시스템 확립 및 실증을 완료하였으며, 1990년대에는 차온제어 기술을 확립하였다.

2000년대에는 단일진공관형 집열기를 개발, 대

량 생산 체제를 갖추었으며, 이를 이용하여 건 물의 냉·난방시스템의 실증시험을 완료하였으 며 해수담수화 기술개발 등이 진행 중에 있다.

태양열 집열기의 요소기술 분야는 현재 거의 전량 수입에 의존하고 있는 흡열판(Absorb plate)의 국산화를 위해 기술개발, 흡열판과 동 관의 열전달 손실을 최소화하기 위해 저가형 태 양열 집열판 접합시스템 개발, 초음파 용접기의 국산화 기술개발, 저온 분야 집열기의 손실 최 소화를 위해 메가 집열기 개발 추진이 요구되고 있다.

중·고온 활용 분야는 기술분야가 다양하고 국내기반 기술이 취약하나 진공관형, dish형 태 양열 집열시스템과 사계절 이용 가능한 시스템 개발시 산업용으로서 실용화에 유리하며, 2000 년대에 접어들면서 집광시스템에 대한 국내 기 술수준은 지속적으로 상승하고 있다.

③ 바이오에너지(Bio-Energy)

바이오매스(Biomass, 유기성 생물체를 총칭) 를 직접 또는 생·화학적, 물리적 변환과정을 통해 액체, 가스, 고체 연료나 전기·열에너지 형태로 이용하는 화학, 생물, 연소공학 등의 기

녹색성장을 위한 건설업의 대응방향 모색

〈표 1〉태양광 분야 기술개발 기본계획

제1단계(2003∼2006) 보급촉진형 기술개발

제2단계(2006∼2009) 다량보급형 기술개발

제3단계(2009∼2012) 저가상품화 기술개발

·주택보급형 3kW급 시스템개발

·건물, 상업용 10kW급 시스템 개발

·태양전지 저가화, 고신뢰성 제품 및 양산체제확립

·결정질 초박형 태양전지 기술개발

·차세대 박막 태양전지 기술개발

·태양전지 발전시스템 보급형 유니트화 개발

·결정질 초박형 태양전지 상용화 기술 개발

·차세대 박막 태양전지 상품화 기술개발

·태양광발전시스템 보급형 패키지 상품화 기술개발

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술을 말한다.

국내현황은 1990년까지 바이오에탄올, 메탄 가스화 기술개발 위주로 추진되었고, 1990년대 이후 LFG(Land Fill Gas) 이용기술, 바이오 수 소생산 기술개발 등이 주요 분야로 추가되어 현 재는 바이오디젤 생산을 위한 기반 기술을 확보 하여 BD5, BD20의 형태로 보급 중이며, 다양 한 원료의 확보를 위한 연구를 진행 중이다.

바이오에탄올의 경우, 전분질계 에탄올 연속 생산 기술은 실용화 가능 단계이고, 목질계 에 탄올 연속생산 기술은 기반기술 확립되어 바이 오에탄올 실증평가연구(2006. 08∼2008. 07) 의 일환으로 전국 4개소의 바이오에탄올 시범 주유소가 운영되고 있다. 고농도 바이오매스를 이용한 바이오가스화 플랜트에 대한 연구가 지 속적으로 이루어지고 있으며, 다양한 처리 물질 을 대상으로 통합 소화에 대한 연구, LFG를 이

용한 발전 설비 및 액화공정을 통한 LNG 생산 기술개발, 목재 펠릿 제조설비 및 목재 펠릿 전 용 보일러에 대한 실증 연구, 목질계 바이오매 스 가스화 기술 등이 연구 및 개발되고 있다.

④ 풍력에너지(Wind Power)

바람에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 발 전기술이다.

시스템은 풍력이 가진 에너지를 흡수, 변환하 는 운동량변환장치, 동력전달장치, 동력 변환장 치, 제어장치 등으로 구성되어 있다.

국내현황은 1988년부터 2007년까지 98과제 에 1,015억원을 투자하였으며 그 중 701억원을 정부에서 지원하였다.

1.5MW급 풍력발전기 실증연구가 완료되어 제주도에 상용화 1기가 보급된 상태이며, 2∼

3MW급의 국산 풍력발전기를 개발 중에 있으

〈표 2〉바이오에너지 기술의 분류

대분류 중분류 내용

바이오 액체연료

생산기술

연료용 바이오에탄올 생산기술 당질계, 전분질계, 목질계

바이오디젤 생산기술 바이오디젤 전환 및 엔진적용기술

바이오매스 액화기술(열적전환) 바이오매스 액화, 연소, 엔진이용기술

바이오매스 가스화기술

혐기 소화에 의한 메탄가스화 기술 유기성 폐수의 메탄가스화 기술 및 매립지 가스이용 기술 (LFG)

바이오매스 가스화기술(열적전환) 바이오매스 열분해, 가스화, 가스화발전 기술

바이오 수소 생산기술 생물학적 바이오 수소생산기술

바이오매스 생산, 가공기술

에너지 작물 기술 에너지 작물 재배, 육종, 수집, 운반, 가공 기술 생물학적 CO2 고정화 기술 바이오매스 재배, 산림녹화, 미세조류 배양기술 바이오 고형연료 생산, 이용기술 바이오 고형연료 생산 및 이용기술(왕겨탄, 우드칩 등)

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며, 육상풍력의 기술을 발판으로 초기 개척분야 인 해상용 풍력발전기 건설운전 기술확보를 위 한 해상풍력 실증연구단지를 조성 중에 있다.

⑤ 수력발전(Hydro Power)

물의 유동 및 위치에너지를 이용하여 전기 에 너지를 얻는 것으로서 2005년 이전에는 시설용 량 10MW이하를 소수력으로 규정하였으나, 새 로 제정된 신에너지 및 재생에너지 개발이용보 급 촉진법에서는 소수력을 포함한 수력전체를 신·재생에너지로 정의하고 있으며, 신·재생 에너지 연구개발 및 보급 대상은 주로 소수력 발전기를 대상으로 하고 있다.

소수력의 가장 중요한 설비는 수차(Turbine) 이며, 설비별 특징은 다음 표와 같다.

국내현황은 2007년까지 소수력 분야 12개 과제에 총 75억원을 투자하였으며, 그 중 정부 에서 48억원 지원하였다. 기술개발내용으로는 1999년까지 카플란수차 설계기술 및 국산화 개 발, 튜블러수차 및 횡류형 수차 개발을 하였으 며, 카플란수차 및 프란시스수차는 국산화가 완 료되어 현재 상용화 단계에 있다.

소수력 시스템의 최적화된 운영을 위해 무인 화설비 및 계통병입 안전장치를 개발하고 실증 연구 추진 중에 있으며, 수력분야의 설비 국산 화율은 75%수준이다.

⑥ 연료전지(Fuel Cell)

수소와 산소의 화학반응으로 생기는 화학에 너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술로

〈표 4〉수차의 종류 및 특징

〈표 3〉풍력발전시스템의 분류

회전축방향에 따른 구분 수직축발전기 수평축발전기

운전방식에 따른 구분 Gearless형 Geared형

수차의 종류 특징

충동수차

펠톤(Pelton)수차 튜고(Turgo)수차 오스버그(Ossberger)수차

·수차가 물에 완전히 잠기지 않음

·물은 수차의 일부 방향에서 공급, 운동에너지만을 전환

반동수차

프란시스(Francis)수차 ·중저낙차에 이용가능하며 가장 널리 사용

프로펠러 수차

카플란(Kaplan)수차 튜블러(Tubular)수차 벌브(Bulb)수차 림(Rim)수차

·수차의 축방향에서 물이 공급

·저낙차 고유량 조건에 적합

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서, 생성물이 전기와 순수(Pure Water)인 발전 효율 30∼40%, 열효율 40% 이상으로 총 70∼

80%의 효율을 갖는 신기술이다.

연료전지는 전해질 종류에 따라 구분되며 다 음 표와 같다.

국내현황은 1987년부터 6년계획인 국책연구 사업으로 2kW급 인산형 연료전지 발전기를 과 기부에서 개발하였으며, 1996년부터 고분자 연 료전지 연구가 시작되었고 한국에너지기술연구 원이 주축이 되어 2001년 가정용 5kW급 고분 자 연료전지 스택과 시스템을 개발하였다.

2002년부터 상업화를 목적으로 (주)GS퓨얼셀 이 주관하여 더욱 컴팩트하고 성능이 향상된 1

∼3kW급 열병합 고분자 연료전지 시스템 개발 하였으며, 2004년부터 프로젝트형 기술개발로

자동차용, 가정용(RPG), 발전용, 소형 이동전원 용 등 다양한 분야에 대한 기술개발이 추진 중 이다.

인산형은 1993년부터 GS칼텍스에서 50kW 급 발전시스템 실용화 연구추진 중이며, 용융탄 산염형은 1993년부터 본격적으로 발전시스템 연구를 진행하여 현재 한전 전력연구원에서 100kW급 발전시스템 기술개발을 완료하고 250kW급 기술개발을 추진 중에 있다.

고체산화물형은 쌍용양회에서 1kW급 가정 용 기술개발이 완료되고 5kW급 기술개발이 추 진되고 있다.

고분자전해질형은 1∼3kW급이 기술개발되 어 초기시장 형성을 위한 대규모 모니터링 사업 이 진행 중으로 가장 먼저 실용화가 예상되는

〈표 5〉연료전지의 종류

구분 알카리

(AFC)

인산형 (PAFC)

용융 탄산염형 (MCFC)

고체 산화물형

(SOFC)

고분자 전해질형 (PEMFC)

직접 메탄올형 (DMFC)

전해질 알카리 인산염 탄산염 세라믹 이온교환막 이온교환막

동작온도

(℃) 100이하 220이하 650이하 1,200이하 80이하 80이하

효율(%) 85 70 80 85 75 40

용도 특수용 중형건물

(200kW)

중·대형건물 (100kW∼MW)

소·중·대용량 발전(1kW∼MW)

가정·상업용 (1∼10kW)

소형이동 (1kW이하)

선진수준 우주선 200kW MW이상 MW이상 MW이상 MW이상

국내수준 - 50kW 250kW 1kW 3kW 50W

주) AFC(Alkaline Fuel Cell), PAFC(Phosphoric Acid FC), MCF(Molten Carbonate), SOFC(Solid Oxide), PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane), DMFC(Direct Methanol)→순서대로 기술발전 단계임

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분야이다.

직접메탄올형은 최근 휴대용 및 소형카트용 등으로 연구개발 중에 있으며, 우리나라는 IT기 술 강국면모를 살려 핸드폰, 노트북 등에 적용 할 1∼100W급 이동형 전원 및 하이브리드형 스 쿠터 기술개발이 추진되고 있다.

⑦ 석탄 가스화·액화

먼저 석탄 가스화는 가스화복합발전기술 (IGCC : Integrated Gasfication Combined Cycle)은 석탄, 중질잔사유 등의 저급원료를 고 온, 고압의 가스화기에서 수증기와 함께 한정된 산소로 불완전연소 및 가스화 시켜 일산화탄소 와 수소가 주성분인 합성가스를 만들어 정제공 정을 거친 후 가스터빈 및 증기터빈 등을 구동 하는 신 기술발전이다.

그리고 석탄 액화(CTL : Coal To Liquid)는 고체 연료인 석탄을 휘발유 및 디젤과 같은 액 체연료로 전환시키는 기술로 고온, 고압상태의 석탄에 용매를 첨가하여 직접액화기술과 석탄 가스화 후 촉매상태에서 액체연료로 전환시키

는 간접액화 기술이 있다.

국내현황은 1988년 타당성, 경제성 등의 검 토를 위한 기초 연구 수행 후, 1992년부터 정부 차원의 대체에너지기술개발사업으로 아주대학 교 내에 3t/day급 건식가스화기 및 에너지기술 연구원 내에 1t/day급 습식 가스화기를 설치하 여 지속적인 연구수행 중에 있다.

고등기술원, 에너지기술연구원을 중심으로 이루어진 연구수행결과를 바탕으로 하여 2006 년부터 발전사, 중공업사가 참여하여 300MW 급 석탄가스화 복합 발전 플랜트 설계, 제작 건 설 기술개발을 위한 프로젝트형 과제가 진행 중 이다.

⑧ 해양에너지(Ocean Energy)

해양의 조수, 파도, 해류, 온도차 등을 변환시 켜 전기 또는 열을 생산하는 기술로써 전기를 생산하는 방식은 조력, 파력, 조류, 온도차 발전 등이 있다.

국내현황은 해양특성 평가를 위해 다양한 현 장조사, 자료분석, 수치모델 및 수리모형 실험

〈표 6〉입지조건에 따른 구분

구분 조력발전 파력발전 조류발전 온도차발전

입지조건

·평균조차: 3m이상

·폐쇄된 만의 형태

·해저의 지반이 견고

·에너지 수요처와 근거리

·자원량이 풍부한 연안

·육지에서 거리 30km 미만

·수심 300m미만의 해상

·항해, 항만 기능에 방해 되지 않을 것

·조류의 흐름이 2m/s 이상인 곳

·조류흐름의 특징이 분명 한 곳

·연중 표·심층수와 온도 차가 17℃이상인 기간이 많을 것

·어업 및 선박 항해에 방해 되지 않을 것

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기술 개발 보유, 첨단 IT기술과 다양한 센서를 이용하여 차세대 종합해양특성 조사 시스템을 수립 중에 있다.

조력, 조류력, 파력개발을 위한 기초조사와 요소기술을 개발하여 우리나라 주변 해역의 조 력, 조류력, 파력에너지 분포를 해석하고 변동 특성을 분석하였으며, 현재 조력, 조류력에 대 한 핵심 요소기술의 실용화 연구 수행 중이며, 조류발전 및 파력발전 실증연구를 추진하여 100kW급 시험 발전소 건설을 추진 중에 있다.

⑨ 폐기물에너지(Waste Energy)

폐기물을 변환시켜 연료 및 에너지를 생산하 는 기술이다. 사업장 또는 가정에서 발생되는 가연성 폐기물 중 에너지함량이 높은 폐기물을 열분해에 의한 오일화, 성형고체 연료의 제조기 술, 가스화에 의한 가연성 가스 제조기술 및 소 각에 의한 열회수 기술 등의 가공처리 방법을 통해 고체연료, 액체연료, 가스연료, 폐열 등을 생산하고 이를 산업 생산 활동에 필요한 에너지 로 이용될 수 있도록 재생에너지를 생산하는 기 술이다.

폐기물 신·재생에너지의 종류로는 성형 고 체연료(RDF : Refuuse Derived Fuel), 폐유 정제유, 플라스틱 열분해 연료유, 폐기물 소각 열 등이 있다.

국내현황은 1990년대 집중적인 기술개발로 중·소규모 산업계폐기물 소각열 이용기술이 개발완료 되었다.(대형소각설비는 수입에 의존)

RDF기술은 RDF전용 냉·난방시스템 실증 연구가 수행 중에 있으며, RDF전용 발전기술은 연구소 주관으로 개발된 기술을 바탕으로

10MWe급 열병합발전이 실증연구에 착수하였 다.

고분자폐기물 열분해 기술은 (주)한국로이코, (주)리엔텍 등 수 개 기업에서 자체개발 또는 도 입기술로 3,000톤/년 규모 플랜트를 설치하여 가동 중이나 기술의 미흡으로 보급되지 않고 있 어 추가 기술 개발이 필요하다.

가스화 기술은 대형(200톤 이상) 설비는 해 외기술을 도입하여 수 개소 건설 중이며, 중소 형(∼50톤)은 국산 기술로 건설하여 시험가동 중이다.

폐유 정제 기술은 산백토 처리, 이온 정제 및 감압 증류에 의한 재생유로 대부분 활용하고 있 으며, 열분해에 의한 고급재생유 생산공정의 개 발이 완료되었다.

⑩ 지열에너지(Geothermal Energy)

물, 지하수 및 지하의 열 등의 온도차를 이용 하여 냉·난방에 활용하고, 심부의 100℃ 이상 고온의 열에너지는 발전에 이용하는 기술이다.

국내현황은 초기 투자비를 절감하기 위해 열 펌프의 성능향상 및 현장타설말뚝형 지중열교 환기, 3-pipe U-tube 지중열교환기, 하이브리 드 시스템 등 다양한 기술개발을 수행하고 있 다. 신뢰성 향상, 효율향상, 초기투자비 절감을 위해 현지지중열전도도 측정기 기술개발 및 최 적의 설계기술을 확보하고 있다. 그라우팅 재료 및 국내 지중 열물성 DB확보도 진행 중이다.

설치 및 시공기법 등의 표준화 연구와 열펌프 의 인증 기준 마련과 대규모 보급을 위한 공동 주택용(주거용) 지열 냉난방 시스템 기술개발이 진행 중이다. 국내의 지열 열펌프 시스템 보급

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은 공공기관 의무화 제도 이 후 시장이 급격히 증가하고 있으며, 2007년까지 에너 지관리공단에 신·재생에 너지 문기업으로 등록된 전 체 1,934여개 업체 중, 지열 전문업체는 약 484개 업체 이며, 10여개 업체가 30억

원의 매출을 올리며 지열 시장을 선도해 가고 있다. 2003년 이후 지열열펌프시스템 보급 증 가와 함께 관련 업체의 수가 급격히 증가하고 있다.

⑪ 수소에너지(Hydrogen Energy)

물, 유기물, 화석연료 등의 화합물 형태로 존 재하는 수소를 분리, 생산해서 이용하는 기술이 다. 수소는 물의 전기분해로 가장 쉽게 제조할 수 있으나 입력에너지(전기에너지)에 비해 수소 에너지의 경제성이 너무 낮으므로 대체 전원 또 는 촉매를 이용한 제조기술이 연구되고 있다.

수소는 가스나 액체로서 수송할 수 있으며 고압 가스, 액체수소, 금속수소화물 등의 다양한 형 태로 저장이 가능하다. 현재 수소는 기체상태로 저장하고 있으나 단위부피당 수소저장밀도가 너무 낮아 경제성과 안정성이 부족하여 액체 및 고체저장법을 연구 중이다.

국내현황은 수소제조는 천연가스로부터 수소 제조 기술을 일부 확보하였으며 저가의 대용량 수소제조에 대한 기술개발이 진행 중이다.

수소저장은 실험실 규모의 액체저장법(-253

℃) 및 고체저장법인 MH(수소저장합금)의 소재 개발을 수행하였으며 탄소 나노튜브를 이용 수

소 저장 기술이 개발 중이다.

수소 스테이션 기술개발 및 실증연구(30N㎥

/hr급)는 천연가스를 이용한 수소스테이션 건설 및 실증연구(한국가스공사), 액체연료(LPG)를 이용한 수소스테이션 건설 및 실증연구(GS칼텍 스), LPG를 이용한 수소 스테이션 국산화가 기 술개발(SK에너지) 중이며, 제주도(수전해) 및 울산, 여천(이동식 충전소)에도 수소 스테이션 이 건설될 예정이다.

2. 정부정책 및 건설업계의 대응방안

1) 정부정책

이후 2009년 11월 17일 이명박 대통령은 국 무회의에서 2020년 국가 온실가스 감축목표를 당초 3개 시나리오 중 가장 높은 수준인“배출 전망치 (BAU : Business As Usual, 通常經營推計方式 - 특별한 조치(저탄소녹색성장 등)를 취하지 않을 경우 배출될 것으로 예상되는 미래 전망치. 즉, 국민경제의 통상적 성장관행을 전 제로 유가변동, 인구변동, 경제성장률 등에 따라 영향을 받을 미래의 온실가스 배출 추계치임.) 정부는 2008년 이명박 대통령의 8·15 경축사에서 녹 색성장을 강조한 후 더욱더 신·재생에너지 분야의 개발 및 보급에 힘 써왔으며, 2009년 7월에는 대통령 직속 녹색 성장위원회에서“녹색성장 국가전략 및 5개년계획”을 발 표하여 이를 구체화시켰다.

“

”

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대비 30% 감축”으로 최종 결정하였다.

또한 이를 이루기 위한 수단으로 다음과 같은 6가지 세부정책을 제시하였다.

① 신축건물은 ’25년까지‘제로에너지’의무 화, ② ’12년부터 건축물 매매·임대시‘에너지 소비증명서’첨부 의무화, ③ 온실가스 다배출

교통혼잡지역, ‘녹색교통 대책지역’지정 및 관 리 강화, ④ 전체 SOC 대비 철도투자 '09년 29% → '20년 50%까지 확대, ⑤ 내년부터 50 만TOE 이상 사업장‘에너지목표관리제’적용 후 단계적 확대, 그리고 ⑥ ’13년까지 약 1조원 투입, 10만여 핵심녹색인재 육성이다.

[그림 2] 녹색성장 국가전략 및 5개년계획 요약

(출처: 녹색성장 위원회 2009. 7. 06)

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2) 건설업계 대응방안

정부의 온실가스 감축 및 녹색성장에 대한 의 지가 확고한 만큼 건설업계도 녹색아이템을 바 탕으로 기존 경제성장 패러다임의 한계를 극복 하기 위해 노력 중이다.

건설업계가 신·재생에너지를 이용하는 방안 은 다음과 같이 구분할 수 있다.

그러나 건설업계가 신·재생에너지를 적용하 여 직접적인 수익을 창출하기에는 아직은 초기 투자비 등의 문제가 많아 현실적으로 어려운 부 분이 많은 것이 사실이어서, 타 선진국처럼 어 느 정도 궤도에 오르기 까지는 정부의 지원정책 에 의존할 수밖에 없는 현실이다.

앞으로 정부의 노력과 기업 및 국민들의 인식

이 변화되어 신·재생에너지의 사용이 보편화 되면 신·재생에너지를 적용한 건축물 또는 토 목시설에 대한 관심도 높아져 건설업계의 접근 이 보다 쉬워질 수 있을 것으로 기대한다.

[그림 3] 건설업계의 신·재생에너지 적용방안