신재생 에너지 응용

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Department of Energy Grid

Fall 2013

신재생 에너지 응용

(GE0038)

- 에너지 일반 및 현황 (Part I) -

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1.1 Introduction

• Traditional Energy Source

– Fossil fuel trio (Coal, Oil and Natural gas).

– Problems:

• Pollution(ex. HC,CO,SOX,NOX… )

• Greenhouse gas emission (mostly CO2)

• Depletion -> oil crisis

– Nuclear fuel(Fission and fusion : uranium and deuterium): since 2^nd World War

– Problems:

• Cost, Safety, Waste disposal, Weapon proliferation

– Remedy

• Renewable Energy Source -> Hydrogen society

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1.1 Introduction

• Sustainable Energy Source (Ideal concept)

1. No significant depletion by continued use.

2. No significant pollutant emissions or environmental problems.

3. No substantial health hazards or social injustice.

• Renewable (general concept):

More sustainable than fossil or nuclear fuels 1. Inexhaustible

2. Lower emission of greenhouse gases 3. Fewer health hazards

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1.1 Introduction

• Renewable Energy Source

– Solar direct:

• Solar thermal (Ch 2)

• Solar photovaltaics (Ch 3)

– Solar indirect:

• Hydro power (Ch 5)

• Wind power (Ch 7)

• Wave power (Ch 8)

• Bio-energy (Ch 4)

– Non-solar

• Tidal energy (Ch 6)

• Geothermal (Ch 9)

• Fuel cell and waste heat

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1.1 Force, energy & power

• 물리량의 차원:

– 기본차원(1차차원):

길이(L), 질량(m), 시간(t), 온도(T) – 유도차원(2차차원):

기본차원의 조합으로 표현. 속도, 면적, 에너지, 체적등

….

• 영국 단위계와 SI 단위계

– SI단위계: m, kg, s, A, K 사용 – 영국단위계: 미국만사용

• SI 단위계가 사용하는 7개의 기본차원 단위 m, kg, s, K, A, cd, mol

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Force, energy & power

• SI 단위계가 사용하는 표준 접두어

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1.1 Force, energy & power

• Origin of word Energy: en(in)+ergon(work)

• MJ kWh

Energy

VA W

VI P

Power

Nm J

dS F

W

Energy

ms kg

N ma

F

Force

6 . 3 1

] [

: :

] [

: :

] [

: :

2

=

⋅

=

⋅

=

⁻

δ

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Force, energy & power

• WEC(세계에너지회의 ; World Energy Council)는 다음과 같은 환산계 수를 사용한다.

• TOE : Ton of Oil Equivalent, 원유 1톤의 열량

• 석유환산계수: 원유 1, 경유 0.92, 프로판 1.2,천연가스 1.3, 무연탄 0.45, 유연탄 0.66

1 cal 4.196 J 1 J 0.239 cal

1000 kWh 9.36 GJ 1000kWh 2,236 Mcal

1 toe (석유환산톤) 42 GJ 1 tce (석탄환산톤) 29.3 GJ

1000 kWh 0.223 toe 1 tce 0.697 toe

1 toe 10,034 Mcal 1 tce 7,000 Mcal

천연가스 1000m3 36 GJ 천연가스 1000m3 0.857 toe

천연가스 1000m3 8,600 Mcal 땔나무 1톤 0.380 toe

우라늄 1톤 (재래식원자로) 10,000 toe 우라늄 1톤 (고속 증식로) 500,000 toe 석유 1배럴 (Bbl) 약 0.136 톤

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1.1 The 1st Law of Thermodynamics

2 ) (

2 2

e e

e i

i i

i

V gZ

h e m dt W

gZ dE h V

m

Q ^ + ∑ ^ + + = + ^ + ∑ ^ + +

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에너지의 분류 ; 열역학적 분류

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에너지의 분류 ; 열역학적 분류

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에너지의 분류 ; 열역학적 분류

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에너지의 분류 ; 열역학적 분류

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1.1 에너지의 분류 ; 본질적 분류

• Kinetic energy

• KE: macroscopic

• Thermal energy: microscopic(현열)

• Gravitational energy

• PE

• Electrical energy

• Chemical energy

• Electric (열역학에서는 일로 취급) P=E I

• Electromagnetic energy(열역학에서는 열로 취급)

• Nuclear energy

• Nuclear fission

• Nuclear fusion

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에너지의 분류

• 자원으로부터 소비 흐름을 따라

– 1차(Primary)에너지: 변환을 거치지 않은 형태.

석탄,원유, 천연가스, 수력, 핵, 태양, 풍력, 해양, 지열 등

- 2차(Secondary)에너지: 1회 변환을 거친 형태. 전 력 및 석유제품 등

- 최종(Final)에너지: 소비되는 형태. 열, 빛, 동력 등

• 상에 따라: 고체, 액체, 기체 (분자간 간격 계산)

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1.1 Conversion and Efficiency

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Conversion and Efficiency

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Conversion and Efficiency

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Conversion and Efficiency

에너지 변환장치 평균효율(%) 에너지 변환장치 평균효율(%)

백열전구 5 핵반응기 39

증기기관 8 증기터빈 46

태양전지 10 액체연료 로켓 47

열전지 13 MHD발전기 50

열전자 전환기 15 연료전지 60

형광등 20 가정용 가스로 85

내연기관 25 건전지 90

고상 레이저 30 수력터빈 92

증기발전 32.5 전동기 93

산업용 가스터빈 34 전기발전기 99

항공기 가스터빈 36

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1.2 Energy use

• World Energy Supplies

1. 1차 에너지 기준 20세기 동안 소비 량 10배 이상 증가.

2. 2002년 기준 총 10,800Mtoe.

3. 화석연료 비율 약 ¾.

4. 전세계 평균 6 L/일/인.

5. 일인당 소비량 북미는 평균치의 5배, 유럽은 2.5배.

6. 나머지에서 핵연료(5.7%) 제외 후 약 18%가 신재생에너지.

7. 바이오매스 평가 불확실. 신재생에 너지 기여도 평가 차이.( 효율 38%

가정 유효입력값, BP와 다름)

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1.2 Energy use

• Renewable Energy

1. 바이오매스 2/3 수준. (상당수준 불확실성)

2. 나머지 중 30%가 수 력.

3. 지열이 3% 미만.

4. 풍력, 태양에너지, 조력의 합이 1% 미만.

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석유 석탄 천연가스 우라늄(재래식)

가채 매장량 (석유환산량)

12,379 억BBL (1684 억TOE)

8,475 억톤 (4291 억TOE)

177 조 m3 (1516 억TOE)

436 만톤 (436 억TOE)

연간 생산량 298 억BBL (40.3 억TOE)

64 억톤 (32.4 억TOE)

3 조m3 (25.7 억TOE)

6.5만톤 (6.5 억TOE)

가채 년수

(BP 2008) 42년 133년 60년 약 70년

가채년수

(BP2003) 40년 200년 60년 변동적

Energy use

• 가채 매장량, 가채 년수.

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1.2 Energy use

• 생산량이 일정치 않음.

• 피크 추정치도 평가방법 에 따라 변동적.

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1.2 Energy use of UK

• Primary – Delivered = 변환손실+수송손실 (1/3 차지!)

• 기체, 액체, 고체와 전력으로 분류: 신재생은 대부분 전력, 바이오매 스는 모든 부분 가능.

• Sector: service=commercial+institutional

• 한국: 가정, 서비스,농업

• 변환손실은 난방,급탕과 거의 같음(열병합).

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1.2 Energy use of UK

• 신재생은 주로 수력과 바이오매스 (why?)

• 1차에너지에서 신재생은 1 % 정도, 전력에서는 2.6 %.

• 영국 신재생에너지 보급계획: 2010년 10%, 2020년 20% (전력기준)

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