대체에너지 이용기술

대체에너지 이용기술

• 자동차 대체에너지 이용기술

• 풍력에너지 이용기술

자동차배출가스의 환경적 문제와 대책

• 대체에너지에 의한 배출가스 방지 기술

• 알코올 : 에타놀 –브라질 실용화, 메탄올 – 미국 연구 중

– 수소: 유럽 수소 버스 운행, – 천연가스

– 전기자동차

• 축전지이용 : 시내 용 짧은 거리 실용화 주행거리 제한 문제 점 개선 연구

• 태양열이용 : 연구개발 중

– 하이브리드차(HEV : 가솔린엔진과 전기모터를 동력 으로 병용

• 일본 도요다 “프리우스” 세계 최초의 양산 HEV HEV : Hybrid Electric Vehicle

자동차 대체에너지 이용 기술

• 바이오디젤

• 바이오매스 에탄올

• 수소 연료

• 압축 천연가스

• 전기자동차

바이오디젤

• 바이오 디젤 프로그램

– 미국 에너지부와 농무부의 생산원가 저감 공동 연구 프로그램

• 미국 에너지부의 바이오 디젤 정의

– 식물로부터 얻어진 디젤 대체 연료

– 기존 디젤연료와 비슷한 성능을 가진 연료 – 재생 가능한 국내 생산 액체 연료

– 분진, 이산화탄소, 황 등의 오염물질 배출 저감 운송 연료

• 바이오 디젤의 원료

– 콩, 옥수수, 땅콩, 해바라기씨 등

– 디젤 연료의 10% 정도 대체(1991년 통계)

• 생산방법 및 비용

– 식물의 지방에 알코올 혼합 에스테르화 후 정제하여 얻는다.

에스테로화 란 : (ester) 알코올과 산이 탈수반응에 의해 결합하여 생긴 유기화합물 의 총칭. 가수분해를 하면 산과 알코올로 변한다.

– 생산비용은 사용 식물에 좌우

• 콩의 경우 0.4$/liter, 해조류의 경우 0.26$/liter 까지 저감 전망

• 바이오 디젤 특성

– 효율 디젤과 비슷, 발화점이 높아 사용상 안전 배출가스 측면 우수

바이오메스 에탄올

• 에탄올 변환 프로그램

– 미국 NREL 주도 가솔린 연료 3~4% 대체 목적

NREL : (National Renewable Energy Laboratory : 미국신재생에너지 연구소 – 생산비용 0.3$/liter 수준 저감 성공

• 바이오메스 에탄올 정의

– 재생가능 국내 생산 액체 연료 – 비화석 배출가스 저감 연료

– 옥탄가가 높고 배출가스에 의한 스모그 저감 연료

• 바이오메스 에탄올 원료

– 옥수수 등 곡물 원료 사용으로 가격 상승 문제

– 목재 셀룰로스, 농산 폐기물, 임산 부산물, 도시 고형 폐기물 등에서 에탄올 추출 연구 개발 중

• 바이오메스의 에탄올 처리과정

– 셀룰로스 당 형태로 바꾸어 발효과정을 거침

• 바이오메스 에탄올 이용

– 대기 중 일산화 탄소 농도를 낮추기 위해 가솔린과 혼합 사용 – 10% 에탄올 첨가 가솔린 옥탄가 3% 정도 높여 줌

• 환경에 미치는 영향

– 관련 식물 생산 증가로 대기 중 탄산가스 저하, 배출가스 의 대기오염 감소 효과 – 가솔린에 비해 효율이 떨어짐(2/3 수준), 엔진 구조 등 기술적 개선 필요

– 환경적 문제와 경제적 문제 조화시킬 수 있는 기술 개발이 중요

수소 연료

• 기술의 개요

– 내연기관에 직접 사용

– 연료전지를 통한 전기 에너지 활용 – 무색, 무취, 무독하나 폭발위험 – 밀폐된 공간이 아닐 경우 안전

– 소형, 경량의 수소 다량 저장 장치 필요 – 복합재료분야의 기술 발전으로 가능성 증대

• 기술동향

– 미국: Xerox사와 Riverside 대학 중심 차량 제작 시험 운행 – 일본: Mazda사와 Musashi 대학에서 다양한 연구 수행

• 엔진과 수소 저장장치 개발 주력 – 독일:BMW사와 기타연구소

• 액체수소 이용기술과 고성능 인젝터(INJECTOR) 실용화 주력 – 우리나라

• 1993년 G7 차세대 자동차 기술 개발 사업으로 현대자동차 주관 연구개발 시행

– 1단계: 엔진 기본 시험

– 2단계: 인젝터, 엔진제어 시스템, 수소저장 장치 개발 등

압축 천연가스

• CNG(compressed natural gas)

– 천연가스(메탄이 주성분)를 250기압 정도로 압축한 것

• CNG의 장단점

– LPG, 가솔린에 비해 공기 중 점화 가능성이 낮다 – 옥탄가가 매우 높다

– 자동차의 경우 기존 기관 일부만 개조해도 사용 가능 – 매장량이 풍부

– 발열량이 낮아 연료탱크 용량 증대

• 연구개발 현황

– 1993년 G7 차세대 자동차 기술 개발 사업으로 대우자동차 주관 연구개발 시행

• ULEV(Ultra Low Emission Vehicle : 초저공해 차) 배기규제 만족

• 가솔린 차량과 동등한 차량 성능 특성

• 가솔린 차량 대비 우월한 운전성 및 안전성 확보

전기자동차

 전기자동차의 문제점

- 19세기말 최초 개발, 그러나 상용화를 위한 아래 문제점 개선요

• 가솔린차에 비해 효율이 현저히 떨어짐

• 차체 중량이 너무 무겁다(배터리 문제)

• 생산단가가 너무 비싸다.

 국외 실용화 동향

– 미국 GM EV1

• 가격 3만$ 주행거리 130km 2인승, 충전시간 2~3 시간

• 연료비는 한밤중 충전시 가솔린의 ¼ 수준

– 독일의 뤼겐섬 프로젝트

• 1992~1996 실시한 전기자동차 시험 프로젝트

• 일일 최대 주행거리 80~150 km

• Ni/Cd 축전지 장착 급속충전 시스템 사용 하루 최대 324km 주행

• Na/NiC12 축전지 장착 일반충전 시스템 사용 하루 최대 223km 주행

• 태양열 시스템을 통한 전기자동차 전기공급 가능성 시험( 8% 활용)

전기자동차

– 스위스 체르마트시 운용 현황

• 400대의 전기자동차와 마차만 시내 운행허용

• 주행속도 시속 20 km 제한

• 충전시간 단축 위해 여분의 충전 팻 사용

• 청정 관광도시로 인기

• 전기자동차 실용화 대책

– 부족기술의 지속적 개발 노력 – 축전기술, 충전기술 등

– 실용화를 위한 인프라 구축 – 충전소 및 전력공급 체계 등

– 전력회사의 적극적 지원 (인센티브 제공 등)

전기자동차

• 축전기술

– 배터리 : 외부로부터 전기충전 저장

• 무거운 배터리 팩이 필요

• 운행거리의 제한 및 주기적 교체(고비용)

– 연료전지 : 극소형 발전소

• 배터리에 비해 작고 가볍다.

• 체적이 큰 수소 저장 장치 필요

풍력에너지 이용기술

풍력에너지

• 풍력에너지: 청정 에너지원으로 전기생산에 활용

• 풍력발전원리

– 공기의 유동에 의한 에너지로 로타(rotor)를 회전 전기를 생산( 재 생이 가능한 에너지임)

• 풍력발전 주요 구성 요소

– 로타: 날개(blade)와 허브(hub)로 구성

동력전달장치: 증속장치(gear box), 베아링, 커플링 – 나셀 발전기(Generator)

제어장치 등 – 철탑

• 단지필요면적: 실제 사용면적 전체의 1%정도 나머지 목축 농업 등에 이용 가능

– 풍력 1,355m²/GWh, – 태양열 3,561m²/GWh, – 태양광 발전 3,237m²/GWh

• 공해물질 저감효과

• 경제성 향상이 필요함

한국에너지기술연구원 자료

한국에너지기술연구원 자료

풍력발전 운용 방식

풍력발전의 역사

• 1970년대 이전 : 원시적 풍력에너지 이용 시기

– 고대페르시아 풍력에너지 방아간 동력으로 이용 – 범선의 동력 및 저지대 양수

– 초보적 풍력발전기기 등장

• 최초의 발전기 가동 풍차: 덴마크의 P. La Cour

• 1931 크리미아 전기생산 인근 송전망 공급

• 1970년대 : 풍력발전기술 태동시기

– 연구시험용 수십kW~수백kW 제작 및 시험

– 요소기술 개발의 부진으로 연구시험용으로만 제작

• 1980년대 : 풍력발전기술 성장시기

– 수kW~수십kW급의 소형 풍력발전기기 상용화 개발 – 1, 2차 석유파동에 의한 풍력발전기술 부각

– 독립 전원형 위주의 요소기술 개발

풍력발전의 역사

• 1990년대: 풍력발전기술 실용화시기

– 수백kW~수MW급의 초대형 풍력발전기기 실용화

– Off-shore 풍력단지개발로 가용 풍력 에너지원 증대 – 첨단요소기술의 개발 및 전문화

– 계통 연계형 위주의 요소기술개발

• 2000년대: 풍력발전기술의 환경기술 선도시기

– 수MW급 초대형 풍력발전기기 상용화 – 수십MW규모의 Off-shore 풍력단지운용 – 수십MW규모의 내륙풍력단지 대형화

– 21C 지구환경대응 선도기술로서 입지 구축 – 2020년 전세계 전력소비 12% 공급 목표

수직축형 풍차

• VAWT ; Vertical-Axis Wind Turbine

– 바람이 불어 오는 방향에 대해 회전축이 수직인 풍력발전 시스 템

– 실용화(상용화)된 대형 시스템 없음

• 장 점

– 바람의 방향에 관계없이 운전가능 (요잉 시스템 불필요) – 증속기 및 발전기 지상에 설치됨

• 단점

– 시스템의 종합 효율이 낮음

– 자기동(自起動, self-starting) 불가능, 시동토크 필요 – 주 베어링의 분해시 시스템 전체 분해 필요

– 넓은 전용면적이 필요

수직축형 풍차

수평축형 풍차

• HAWT ; Horizontal-Axis Wind Turbine

– 바람이 불어오는 방향에 대해 회전축이 수평인 풍력 발전 시스템

– 현재 가장 안정적인 고효율 풍력발전 시스템으로 인 정되는 시스템

– 가장 일반적인 형태로, 중형급 이상의 풍력발전기 에

서는 대부분 Upwind Type 3-Blade HAWT을 사용하

고 있음.

수평축형 풍차

수평축형 풍차

• 맞바람 형식(Upwind Type)

– 장 점

• 타워에 의한 풍속의 손실 없음

• 풍속 변동에 의한 피로하중/ 소음 적음

– 단 점

• 요잉 시스템 필요 (시스템 구성 복잡해짐)

• 로터와 타워의 충돌을 고려한 설계

뒷 바람 형식(Downwind Type) 장 점

– 요잉 시스템 불필요

– 타워와 로터의 충돌 피할 수 있음 – 타워의 하중 감소

– 저렴한 가격으로 인해 주로 소형 풍력 발전기에서 사용

단 점

– 타워에 의한 풍속의 손실 발생/풍속 의 변동 큼

– 터빈의 피로하중 및 소음 증가 – 전력선이 꼬일 수 있음

수평축형 풍차

풍력발전 주요 구성요소

• 로타(Rotor)

– 바람이 가진 에너지를 회전력으로 변환시켜 주는 장 치

– 출력은 swept area(회전자의 회전면적)에 비례함

※ 주 : swept area = πr² (r : blade length)

• 블레이드 길이 10% 증가시 는 21% 증가

• 블레이드 길이가 길어질수록 효율 증가

– 블레이드 재료

• Glass Fiber Reinforced Plastics (GRP) : 가장 대표적인 재 료로서 내식성, 내약품성이 우수하고, 높은 강도를 가짐,

• 현재 대부분의 대형 터빈에 사용

– 날개 제작 회사

– 덴마크 : LM 글라스파이버, 베스타스 윈드시스템 – 독 일 : 에네르콘

풍력발전 주요 구성요소

• 나셀 (Nacell : 비행기의 승무원실)

– 풍력발전기의 심장부에 해당되는 부분

– 로터에 의해 얻어진 회전력을 전기에너지로 변환

• 나셀의 구성 : 기어박스, 발전기, 제어장치 등

– 형태

• 간접구동형(Geared Type) : 유도발전기와 낮은 회 전수의 로터 사이를 기어로 연결

-- 경제성 우수, 정속유지(전력품질 우수), 대부분 이 방법 사용

• 직접구동형(Gearless Type) : 증속기없이 로터와 발전기를 직접 연결

-- 증속기 제거로 제작비용 절감, 발전기가 커짐,

발전기 고가, 효율 증대, 나셀의 총 중량 감소

풍력발전 주요 구성요소

풍력발전 주요 구성요소

풍력발전 주요 구성요소

• 타워

– 풍력발전기(나셀과 로터)를 지탱해 주는 구조물

– 수직축 풍력발전기(VAWT)의 경우에는 회전축

의 역할까지 담당

풍력발전 주요 구성요소

• 강파이프식 타워 (Steel tubular towers)

– 원뿔형태(지면으로 갈수록 지름이 증가) – 20~30m 단위로 용접을 통해 부분 제작 – 각 부분은 플랜지와 볼트로

– 대부분의 대형 풍력 발전기에 사용

• 격자구조 타워 (Lattice Towers)

– 용접에 의해 제작

– Tubular타워와 비교하여 재료 절감, 비용절감, – 용량감소를 사용함으로써 제작 비용을 절감

– 중소형 풍력발전기에서 많이 사용됨

풍력발전 주요 구성요소

• Guyed Pole Towers

– 직경이 작고 긴 관과 지선으로 구성 – 지지할 수 있는 하중이 적음

– 주로 소형 풍력발전기에서 사용됨.

• 혼합형 (Hybrid Tower Solutions)

– 여러 형태 혼합 사용

풍력발전 주요 구성요소

• 타워 높이

– 타워 제작 및 건설비용은 10m당 $15000 정도 – 일반적으로 로타 블레이드의 직경 정도 높이

– 고도별/ 지역별 바람 특성에 따라 타워의 최적 높이가 달라짐 – 바람의 거칠기가 커지게 되면 타워도 높아져야 하는 특징

– 타워의 총 비용과 풍속의 이익과의 관계를 고려하여 높이를 결정

풍력발전 현황

• 기술력

– 해외 : 4~5MW급 개발 중 – 국내 : 750kW급 개발 중

• 국내 총 설비(2004. 9. 4현재) : 65기

– 시설용량 23MW(전체발전용량의 0.1%)

– 해상풍력은 없으며, 육상풍력의 최대용량은 2MW가 한계임

*국내 풍력 잠재량 총발전량의 ~ 2배

(2004 기준)

풍력발전 현황

• 각국의 풍력 발전현황

– 미국

• 캘리포니아에 대규모 풍력단지 조성

• 미국 내 20,000여대(1,619MW) 풍력발전기 가동 연간 38억 kW 생산

• Wind Power 2000 계획으로 풍력 발전 계속 확대

– 유럽

• 독일 영국 덴마크 등이 2005년까지 4,800MW 보급 계획

*독일 5% 덴마크 16%, 스페인 5%( 2004발전량 기준)

– 우리나라

• 제주, 대관령, 새만금 등지에 풍력단지 조성 계획

풍력발전 현황

위치 용량(kW)X대수 준공일 사업자 운전 사업구분 전북 새만금 750×2 '02.11 전북도청 가동중 지역에너지사업

750×2 '03.10 750×2 '04.10

경북 포항시 660×1 '01.3 경북도청 계통연계 지역에너지사업 750×3 '03

제주행원 600×2 '98.2 제주도청 계통연계 지역에너지사업 225×1 '99.3

660×2 '99.3 750×2 '00.9 660×2 '01.5 750×3 '02.11 660×3 '03.4

제주한경 1,500×4 '04.4 남부발전 계통연계 자체

강원대관령 660×4 '04.3 강원도청 계통연계 지역에너지사업

풍력발전 현황

(2004년 기준)