기후변화

신소재공학부 조계현 교수

신재생에너지개론

지구 이산화탄소 평균농도

• 산업혁명 이전(1800년대) : 280 ppm

• 2005년 : 380 ppm 화석연료에 의한 CO

배출량

• 1990년 : 207억 ton

• 2004년 : 266억 ton

최근 1년 약 40억 ton(4 Giga ton) 축적

• 지난 100년간 지구 평균온도 약 1℃ 상승

• 금세기 말 지구 평균기온 최대 6.4 ℃상승 전망

• 금세기 말 해수면 약 60cm 상승 전망

기후변화

◈ 지구온난화

금세기 말 지구 평균기온 →최대 6.4 ℃상승 전망 금세기 말 해수면 →약 60cm 상승 전망

◈ 기상재해

집중호우, 수퍼 태풍, 가뭄, 폭염

(2003년 유럽 폭염으로 약 3만5천명의 인명피해, 2005년 카트리나 허리케인 피해 11조원)

◈ 빙하•해수면 변동

북극 해빙속도 최근 약 15배 증가 해수면 매년 1.8 mm 씩 상승

◈ 생태계•건강 재해

열대, 아열대 생물 종의 북상 아열대성 전염병 확산

3.5℃ 상승 시 생물 종의 약 70% 멸종

기후변화의 영향

1992년 기후변화 협약 채택

• 리우회의 : 환경개발회의

1997년 교토의정서 채택

• 우리나라 2002년 비준

• 교토의정서 발표 : 2005년 2월

• 선진국 1990년의 5.2% CO

감축

2007년 발리로드맵 채택

• 2020년까지 1990년 대비 25~40% CO2 감축 필요 역설

• POST 2012 협상을 2009년까지 진행

기후변화 관련 협약

환경 문제

오존층 (Ozone Layer)

• 대류권 : 지구표면으로부터 10 km 고도까지, 모든 인간활동의 영역

• 성층권 : 지구표면으로부터 10 ~50 km 사이

그림 대기오존

• 오존 (O₃) : 푸른색, 강한 냄새를 갖고 있음

- 1,000만 개의 공기분자 중에서 200만 개가 보통의 산소, 3개가 오존 - 햇빛 복사의 일부를 흡수, 특히 UVB라는 자외선 빛의 일부를 흡수 - UVB : 피부암, 백내장, 일부 농작물과 재료, 해양생명체에 해를 끼침 - 오존의 농도는 태양흑점, 계절, 위도에 따라 자연적으로 변동

• 산소 (O₂) : 무색, 무취

그림 오존층 파괴 과정

그림 1-11 CFC 종류

그림 1-13 2003년 가을의 남극 오존층 수준 (Source : NOAA TOVS satellite)

그림 1-14 온실효과

기후 (Weather)

온실효과 (Greenhouse effect) : 대기의 온실가스(수증기, 이산화탄소, 다른 기체들) 는 배출되는 에너지의 일부를 가두어서 온실의 유리패널과 같이 열을 유지

• 온실효과 → 지구의 표면온도가 알맞은 환경인 15.6 °C가 됨

• 화석연료의 연소, 인간활동 → 이산화탄소의 농도를 증가 → 온실가스 농도 증가

그림 1-15 지구의 평균 표면온도(육지와 해양) 연간 편차 변화 (1880-2008) 및 표면온도 편차의 세계지도(온도, ℃) (Source: Goddard Institute for Space Studies, Surface Temperature Analysis)

그림 서울 평균기온의 경년 변화도 (Source: 기상청 날씨정보)

해수의 순환 밸트

• GNP 세계 13위 • 무역규모 세계 12위

• 메모리 반도체 생산 1위 • LCD 생산 1위

• 조선 수주 1위 • 자동차 생산 6위

• GDP 대비 R&D투자 4위 • 적령 인구대비 대학생수 1위

• 인구대비 인터넷 보급 1위 • 공,사 교육비 지출 1위

• 88 올림픽 4위 • 중고 교사봉급 세계1위

• 2002 월드컵 4위

우리나라 자랑할만한 역사적 위업

• 초중고생 흡연율 1위 • 폐결핵 사망률 1위

• 교통사고 사망률 2위 • 석유 수입량 4위

• 이혼 증가율 1위 • 이혼율 2위

• 수도권 인구 집중율 1위

• OECD 국가 중 이민 희망자 60%

• 미국 비자 신청비율 1위

우리의 부끄러운 세계적 기록

국내에너지 현황

1. 에너지 수입(2007)

가.수입의존도 : 96.6 %

나. 에너지 수입액:950억불[2007]

* 전체 수입액[3,568억불]중 26.6%

다. 원유 수입량:875백만 배럴 [세계 4위]

2. 에너지공급(2006)

가. 석유 , 가스 자주 개발율: 4.2%

나. 신재생 에너지 보급율: 2.24%

3. CO

배출(2006)

가. 세계 10위 CO₂배출국[449백만톤]

나. 세계 1위 CO₂배출 증가율[82.4%]

신.재생 에너지

In 2006, about 18% of global final energy consumption came from renewables, with 13% coming from traditional biomass, such as wood-burning. Hydroelectricity was the next largest renewable source, providing 3% of global energy consumption and 15% of global electricity generation.

Renewable energy is energy generated from natural resources

—such as sunlight, wind, rain, tides and geothermal heat, which are renewable (naturally replenished).

고갈되지 않고 자연에서 얻어지는 에너지 (태양열, 빛, 바람, 비 파도, 지열 등)

Main sources of renewable energy 1. Wind power(풍력)

2. Water power(수력)

3. Solar energy use(태양열) 4. Wastewater(오수)

5. Biofuel (바이오)

6. Geothermal energy(지열)

■ 신·재생 에너지 (New & Renewable Energy)

- 무공해, 무한정의 다양한 자연에너지의 특성과 이용기술을 활용하여 화석연료를 사용하는 기존 에너지를 대체하는 에너지

- 신·재생에너지, 신에너지, 미래에너지, 미활용 에너지

■ 우리나라는 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 11개 분야 에너지 (“신에너지 및 재생에너지 개발 이용 보급 촉진법 제2조”)

- 재생에너지 8개 분야 : 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물 에너지

- 신에너지 3개 분야 : 연료전지, 석탄액화·가스화, 수소에너지

재생에너지

태양에너지 풍력에너지 수력

(대수력포함) 지열 해양에너지 가연성 재생에

너지와폐기물

고형 바이오매스

목탄(숯)

바이오가스

액체 바이오연료

도시폐기물

IAE의 재생에너지 분류

* 바이오매스: 생명체(bio)와 덩어리(mass)를 결합시킨 용어로

‘양적생물자원’으로 사용되는 개념. 일정지역 내에 존재하는 모든 생물의 중량을 나타내는 생태학상의 개념으로, 미국 에너지 성의 대체에너지개발 프로젝트인 ‘바이오 매스’에서의 연료생 산(fuel from bio-mass)에 의해 ‘양적인 생물자원’이란 새 개 념으로 정착.

재생에너지

태양에너지 풍력에너지 수력 지열 바이오매스 폐기물에너지 해양에너지

미국의 재생에너지 분류

재생에너지

태양에너지 풍력에너지 수력 지열 바이오매스 폐기물에너지 매립지가스 바이오가스 해양에너지

유럽연합의 재생에너지 분류

신에너지

태양에너지 풍력에너지 폐기물에너지 바이오매스 연료전지 청정에너지

자동차

천연가스 열병합발전

미이용에너 지

일본의 신에너지 분류

한국의 재생에너지 분류

태양광

태양열 지열

바이오 매스

해양 에너지

폐기물 에너지 소수력

풍력 석탄

액화가스

연료 전지

수소 에너지

재생에너지

신에너지

친환경 에너지

자연에너지

태양에너지(태양광, 태양열, 태양전지) 해양에너지(파력, 조력, 해양온도차) 풍력

소수력 바이오매스 지열

신에너지

석탄의 신이용기술 (석탄의 액화, 가스화)

신발전 기술 (연료전지, MHD발전, 고효율가스터빈) 에너지 이용합리화

(전력저장, 히트펌프, 열저장, 고효율 전력기기) 신연료 ( 메탄올, 수소 에너지)

재활용에너지 폐기물 재생에너지

(가연성 쓰레기, 폐타이어, 폐유 및 폐유기용제)

친환경 및 대체에너지

비재생에너지 (Nonrenewable Energy)

■ 석탄 (Coal)

- 여러 가지 식물원이 땅 속에 묻혀져 오랜 세월이 흘러서 생성됨

- 이탄 => 갈탄, 역청탄, 무연탄

- 다른 화석연료의 에너지원보다 매장량이 풍부 - 석유에 비해서 단위질량당 발열량이 다소 낮음 - 고체형태로서 취급하기 불편함.

- 공해요인이 되는 불순물을 다량 포함

- 석유의 대량생산에 의하여 주요한 에너지로의 가치를 상실

그림 비재생에너지

그림 연도/지역별 석유 및 액화가스 생산량 현황 및 2004 시나리오

■ 석유 (Oil)

- 현대 사회에서 가장 많이 사용하는 주 에너지원 - 석유라는 원유 + 석유제품 => 원유

- 석유와 가스는 함께 매장, 가스가 용해된 상태에서 경질유와 결합 - 액체이며 석탄보다 취급이 용이하고 열효율이 높다.

■ 천연가스 (Natural Gas)

- 천연가스의 생성과정은 석탄과 유사

- 석유가 생산될 때 함께 섞여 생산, 또는 별도로 생산 - 천연가스의 주요성분은 80~85%가 메탄가스

- 공해물질의 함량이 적어 에너지원으로 이용가치가 높음

- 기체상태 => 저장문제와 운송문제가 수반 => 천연가스 액화기술 개발 =>

대량저장, 원거리 대량 수송이 가능

- 액화천연가스 (LNG; Liquified Natural Gas)

. 천연가스가 생성될 때 포함된 수분과 질소 같은 불순물을 제거한 후, -162 °C로 액화시킨 상태로 수송하여 다시 기화시켜 사용

. 1996년 국내에 최초로 도입, 사용량이 증가하는 추세 . 공해요인이 거의 없는 청정에너지

. 폭발범위가 적어서 위험성 측면에서 어느 정도 보장이 가능, 높은 발열량에 따라 그 이용범위가 다양

. 도시가스인 가정용 연료, 발전용 또는 산업용 가스 보일러의 연료

. LNG 냉열 (공기를 액화시켜 액체산소, 액체질소, 액체 드라이아이스 생산,

식품의 냉동 및 냉장, 고무, 플라스틱, 금속을 저온분쇄하여 가공처리 시 이용)

■ 원자력 (Nuclear)

- 우라늄의 핵분열에 의한 질량 감소 분 만큼의 에너지를 이용 - 원자폭탄을 서서히 반응시키는 물리적인 현상

- 원자력발전 (원자의 핵분열에서 발생하는 반응열을 이용하여 전기를 생산) - 원자력선 (원자로 열을 동력으로 생산)

- 열을 직접 이용하는 원자력 제철, 지역난방, 해수의 담수화 - 핵폐기물 처리문제, 안전문제가 심각히 대두

그림 재생에너지

재생에너지 (Renewable Energy)

● 태양열

● 태양광

● 풍력

● 수력

● 지열

● 바이오매스

신.재생 에너지

재생에너지의 중요성

• 환경에 더욱 친화적이다.

• 지속성을 가지며, 고갈되지 않는다.

지속성 (Sustainability) : “자체 수요를 충족하기 위하여 향 후 생산능력의 손상이 없이 현재의 수요를 충족

• 지역적으로 개발 → 에너지에 소비되는 비용은 그 나라에 남음

→ 더 많은 일자리를 창출하며, 경제성장을 촉진

• 에너지 안보 (security) : 경제적 안보, 국가적 안보

태양에너지

태양표면 복사에너지 : 3.8 x 10²³ kW

지표면 도달 태양에너지 : 125조 (1.25 x 10¹⁴) kW 연간 전세계 에너지소비 (100억 kW)의 약 1만배 맑은 날 지표면 도달 태양에너지 밀도 : 1 kW/m²

한국 도달 태양에너지 : 1.29 x 10¹⁴ kWh

2000년 국내 최종 에너지소비 (1.74 x 10¹² kWh) 74배

태양에너지 (복사에너지)

지표면에 도달하는 평균 일사량 : 165W/m² 지구 표면적 : 5.1XlO⁴km²

태양에너지 (에너지 분류)

집광형 집열기

태양열 집열기

A parabolic dish and Stirling engine system

태양열 이용 시스템 개요

태양열 시스템 구성요소

태양열 발전소 생산(MW)

Capacity (MW)

Technology

type Name Country Location Notes 354parabolic

trough

Solar Energy Generating Systems

USA Mojave desert California

Collection of 9 units

64parabolic

trough Nevada Solar One USA Las Vegas, Nevada 50parabolic

trough Andasol 1 Spain Granada Completed

November 2008 20solar power

tower

PS20 solar power

tower Spain Seville Completed April

2009 11solar power

tower

PS10 solar power

tower Spain Seville

Europe's first commercial solar tower

태양에너지 발전소 설치가능 지역

18 TW is 568 Exajoule (EJ) per year.

150 to 300 W/m² or 3.5 to 7.0 kWh/m²/day.

Solar Cell 계절별 발전 용량 차이

미국 San Francisco Giants AT&T Park에 설치된 PG&E 태양전지

(2007. 8.01. – 2008. 07.31)

Solar Cell의 응용(비행기)

2009.06 26일 스위스 취리히 인근 군용 비행장에서 미래 태양광 비행기의 원형이 될 솔라 임펄스가 모나코 알베 르트 왕자 등 다수 귀빈 참석한 가운데 공개됐다.

솔라 임펄스는 1만2천개의 태양 전지와 충전 가능한 리 튬 배터리, 4개의 전기 모터로 작동되며 화석 연료는 쓰지 않는다.

엔진 40마력, 이륙시 속도 시속 35㎞, 비행 중 속도시속 70㎞

실리콘 반도체

화합물 반도체

기 타

무정형 박막 Si

단결정 Si 다결정 Si

리본형 poly-Si 결정형 박막 Si

II-VI group (CdS, CdTe) III-V group (GaAs, InP) I-III-VI group (CuInSe₂)

유기/고분자

Gratzel (염료감응형)

나노입자형 결정형 Si

光電현상 p-type Si 기판

n-type Layer

~20μ

태양전지의 종류

세계 최고의 PV 발전소

Name of PV power plant Country DC Peak Power(MW)

GW·h /year

Capacity

factor Notes

Olmedilla Photovoltaic Park Spain 60 85 0.16 September 2008 완공

Puertollano Photovoltaic Park Spain 50 2008

Moura photovoltaic power

station Portugal 46 93 0.16 December 2008 완공

Waldpolenz Solar Park Germany 40 40 0.11 550,000 First Solarthin-film CdTe

modules. 2008 12. 완공

Arnedo Solar Plant Spain 34 October 2008완공

Merida/Don Alvaro Solar Park Spain 30 September 2008완공

Planta Solar La Magascona &

La Magasquila Spain 30

Planta Solar Ose de la Vega Spain 30

Planta Fotovoltaico Casas de

Los Pinos Spain 28

SinAn power plant Korea 24 33 October 2008 완공

1. 2009. 01. 세계최고의 PV발전소 [60 MW]

Parque Fotovoltaico Olmedilla de Alarcon, Spain

-Moura photovoltaic power station c (Portugal, 46 MW), -

(Germany, 40 MW).

2. 2011. 발전 생산 Topaz Solar Farm 550 MW 태양광발전소

USA (비용$1 billion, 25 km

목장지역]

3. 최고 높은 고원지대, 250 MW solar photovoltaic 발전소는

에 의해서

북쪽

Solar Cell 발전소(규모경쟁)

태양광발전기술의 분류

태양광발전 가격과 효율

구 분 1997 ($/Wp)

2000 ($/Wp)

2010 ($/Wp)

결정질

실리콘 3.90-4.25 1.50/2.50 1.20/2.00

비정질

실리콘 2.50-4.50 1.20/2.00 0.75/1.25

CIS - 1.20/2.00 0.75/1.25

CdTe - 1.20/2.00 0.75/1.25

실리콘 박

막 - 1.20/2.00 0.75/1.25

0 5 10 15 20 25 30

78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 0 2 4 가격 ($/W)

Price was down to < 1/7

3 - 4 $/W

태양전지 가격 하락 추이

태양전지 가격하락

0 500 1000 1500 2000 2500

1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

생산량(MWp)

연도 기타

유럽 일본 미국 총계

연도별 각국 태양전지 생산량

Poly-silicon의 수급 예측

[ 2002년도 생산량 Top 10의 태양전지 생산 업체 ]

태양전지 Module 생산현황

Data Source: D.W. Kim 2008

Thin Film Solar Cell Market

태양전지 원료인 실리콘의 구조

실리콘 원소구조 n형 및 p형 반도체 구조

풍력발전소

세계 풍력발전 용량 증가(2014년 예측)

세계 풍력발전 생산 추이(MW)

풍속과 에너지의 상관관계

Distribution of wind speed (red) and energy (blue) for all of 2002 at the Lee Ranch facility in Colorado. The histogram shows measured data, while the curve is the Rayleigh model distribution for the same average wind speed.

Nation 2005 2006 2007 2008

United States(1) 9,149 11,603 16,818 25,170

Germany 18,415 20,622 22,247 23,903

Spain 10,028 11,615 15,145 16,740

China 1,260 2,604 6,050 12,210

India 4,430 6,270 8,000 9,587

Italy 1,718 2,123 2,726 3,736

France 757 1,567 2,454 3,404

United Kingdom 1,332 1,963 2,389 3,288

Denmark

(& Faeroe Islands) 3,136 3,140 3,129 3,160

Portugal 1,022 1,716 2,150 2,862

Canada 683 1,459 1,856 2,369

Netherlands 1,219 1,560 1,747 2,225

Japan 1,061 1,394 1,538 1,880

Australia 708 817 824 1,494

Sweden 510 572 788 1,067

Ireland(16) 496 745 805 1,245

World total (MW) 59,091 74,223 93,849 121,188

국가별 풍력발전소 년간 생산 추이(MW)

South Korea(27) 98 173 191 278

• 최근 풍력발전이 화석연료에 대한 대체에너지로 부각되고 있으며, 고 성장세 지속

• 2005년 이후 신규 발전용량은 연평균 36%의 고성장 (2004년 0.9%

성장 이후 2005년 41%, 2006년 32% 성장)

• 1995~2004년의 연평균 성장률 23% 보다 1.6배 증가

• 2006년 총 발전용량 74.2 GW

• 풍력발전 능력은 지속적으로 늘어 2010년 150 GW로 증가할 전망

• 2010년 설치될 발전용량은 21 GW로 연평균 8.4% 성장(2006~2010 년)

풍력발전의 전망

세계 풍력발전 건립 추이 및 전망

• 풍력발전기술의 성숙으로 발전단가는 54€/MWh의 수준

• 일반 석탄화력발전보다 낮으며, 효율이 높은 복합발전보다는 높은 수준

• 해상 풍력의 발전단가(79€/MWh)는 초기 설치비로 인해 높은 수준

• 풍력발전의 경우 발전소요면적도 타 발전기술에 비해 낮은 편

• 풍력 1,335m²/GWh인 반면, 석탄 3,642m²/GWh, 태양광 3,237m²/GWh (*한국에너지기술연구원, “신재생에너지원 대표주자 풍력”, 2007.1, 재인용)

주요 기술 별 발전단가

• 풍력발전은 바람을 에너지원으로 이용하는 기술로 온실가스 배출이나 방 사능 누출 등 환경오염의 문제가 전무하다.

• 풍력발전으로 400MWh 발전 시(200kW급 풍력발전 1년간 운영), 석탄 120~200톤을 대체하는 효과.

• 풍력발전으로 얻어진 온실가스 감축실적을 배출권 거래제를 통해 판매가 가능한 것 또한 추가적인 이점이다.

• 풍력발전에 의한 온실가스 감축실적 거래를 UN이 승인.

환경오염 감축 효과

• 발전단가를 낮추기 위해 풍력발전기 scale-up 집중

• Rotor 직경이 124m인 5MW급 발전기 개발, 실증테스트 중(현 재 2~3MW급 풍력발전기가 주력제품)

• 해상 풍력발전 가능 발전기 개발에 주력

• 현재는 설치비가 저렴한 육상 풍력발전이 대부분

• 해상 풍력발전 용량은 700MW에 불과(2005년 기준)

• 2010년 전체 풍력발전 용량8%→2020년 39% 확대

풍력기술 개발 세계 추이

(2005년, MW 기준) Siemens

4% Suzlon

6% Gamesa 12%

Enercon 13%

GW W ind 18%

Vestas 33%

기타 14%

자료 : MAKE Consulting(HSBC(2007.3), 재인용

세계 주요기업의 시장점유율

• 2006년 국내 풍력발전은 197.4MW로 국내 전체 발전용량의 0.3% 수준

– 제주와 강원 지역을 중심으로 풍력발전단지 조성(강원 98MW, 영덕 39.6MW, 제주 6MW, 전북 새만금(4.5MW) 등)

– 2013년까지 발전용량을 2,237MW까지 확대, 총 발전량의 1.8% 수준 계획

• 풍력발전기의 국산화가 늦어 주로 수입에 의존하는 상황

– 현재 국내에서 개발된 풍력발전기는 750kW로 풍력발전의 주력인 2MW급에 비해 크게 뒤지는 상황(2MW급 발전기 개발 진행 중)

– 국내에서 운영 중인 풍력발전기의 대부분이 수입에 의존(운영 중인 설비 중 수 입설비가 97%를 차지)

국내 풍력발전산업 현황

▲ 원 리

ㅇ 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적 특성을 이용하여 회전자를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 전기를 얻는 기술

▲ 풍력발전기의 구성 요소

ㅇ 회전자 - 날개와 허브로 구성 ㅇ 증속장치 – 발전기를 구동

ㅇ 제어장치 – 발전기 및 각종 안전장치 제어 ㅇ 유압 브레이크, 전력 제어장치, 철탑

풍력발전의 원리와 구조

 바람으로 풍차(風車)를 돌리고, 이것을 기어기구 등을 이용하여 속도를 높여 발전기를 돌려 발전.

 바람에너지를 날개를 이용해서 전기에너지로 바꾸는데 이때 날개의 이론상 바람에너지 중 59.3%만이 전기에너지로 바뀜.

 날개의 형상에 따른 효율, 기계적인 마찰, 발전기의 효율 등을 고려하면 실제 적으로 20 ~ 40%만이 전기에너지로 이용됨.

풍력발전의 개요

▲ 장 점

ㅇ 지구온난화 방지를 위한 국제적 환경보호규제에 대한 가장 적극적인 대처방안 ㅇ 풍력자원(바람)이 풍부하고 재생 가능한 에너지원

ㅇ 공해의 배출이 없어서 청정성, 환경친화성을 가짐

ㅇ 외국인 경우 비용면에 있어서 발전단가가 4 ~ 5￠/kWh로 핵발전의 발전단가와 같은 수준임

* 핵발전과 비교시 폐기물 비용을 감안하면 보다 경제적이고 환경 친화적임 ㅇ 수려한 미관으로 관광산업으로의 개발 가능

ㅇ 완전자동운전으로 관리비와 인건비의 절감

▲ 단 점

ㅇ 에너지의 밀도가 낮아 바람이 안 불 경우 발전이 불가하므로 특정 지역에 한정되어 설치 가능

* 우리나라의 경우는 삼면이 바다라서 풍력에 유리함

ㅇ 바람이 불 때만 발전이 가능하므로 저장장치의 설치가 필요

* 현재 기존의 발전 시설이나 태양광 발전과 병행하면 문제해결 가능 ㅇ 초기 투자비용이 아주 큼

ㅇ 소음의 발생 문제

* 최근 풍력발전기의 대형화로 소음문제를 많이 해결함

풍력발전의 장·단점

▲ 설정 기준

ㅇ 지정학적 요소, 건설학적 요소, 전력연계망 요소로 구분

▲ 입지 조건

ㅇ 설치 지역의 풍속, 풍향 조건

ㅇ 설치 지역의 돌풍 또는 난류의 생성 유발 요인 소지 여부 ㅇ 설치 지역 주위의 장애물 또는 가로막이 산등의 존재 여부 ㅇ 설치 지역 토양이 큰 하중을 견딜 수 있는지 여부

ㅇ 토양의 배수가 원활할 수 있는 성분인지의 여부 ㅇ 시스템 운반 및 건설에 대한 여러 조건의 용이성

* 출입 가능 도로 존재 여부, 공사 자재 등의 공급이 가능한지 여부, 한전 선로의 존재 여부, 건설에 따른 부지 확장 가능 여부 등

ㅇ 경관 영향 및 발생 소음 영향

풍력발전의 입지 조건

수력 발전(hydropower Plant)

수력 발전(hydropower Plant)

수력 발전소 발전기

수력 발전(hydropower Plant)

수력 발전(양수발전)

세계 각국의 수력 발전 용량

Country Annual Hydroelectric Energy Production(TWh)

Installed

Capacity (GW)

Capacity Factor

Percent of all electricity

PR of China(2008) 563.3 171.52 0.37 17.18

Brazil 371.5 69.080 0.56 85.56

Canada 368.2 88.974 0.59 61.12

USA 250.8 79.511 0.42 5.74

Russia 179.0 45.000 0.42 17.64

Norway 135.3 27.528 0.49 98.25

India 122.4 33.600 0.43 15.80

Venezuela 83.9 - - 67.17

Japan 83.6 27.229 0.37 7.21

Sweden 66.2 16.209 0.46 44.34

Paraguay(2006) 64.0 - -

France 63.6 25.335 0.25 11.23

파력 발전

40 kW buoy , 직경 4 m, 길이16 m, 해상노출 대략 4 m 디자인은 1-5 miles (8 km) 해안 , 수심 60 m 설치목적

Pelamis Wave Energy Converter

파력발전의 경제적 효과

Wave Dragon 시작품

영국의 경우 전기생산 예측 가능치가

50–90TWh/년, 현재 생산전기의 15–25%

담당가능성 확인

파력발전의 원리

Motion of a particle in an ocean wave.

A = At deep water. The orbital motion of fluid particles decreases rapidly with increasing depth below the surface.

B = At shallow water (ocean floor is now at B). The elliptical movement of a fluid particle flattens with decreasing depth.

1 = Propagation direction.

2 = Wave crest.

3 = Wave trough.

파력발전 에너지 예측

where

•P the wave energy flux per unit wave crest length (kW/m);

•H_m0 is the significant wave height (meter), as measured by wave buoys and predicted by wave forecast models. By definition,

H_m0 is four tImes the standard deviation of the water surface elevation

•T is the wave period (second);

•ρ is the mass density of the water (kg/m³), and

•g is the acceleration by gravity (m/s²).

Wave power is proportional to the wave period and to the square of the wave height

Wave power formula(파력에 의한 에너지 식)

In deep water, if the water depth is larger than half the wavelength, the wave energy flux is

바이오(에탄올) 연료

사탕수수 줄기로 만드는 에탄올

유채기름 재이용

바이오 에너지 기술의 분류

대분류 중분류 내 용

바이오 액체연료 생산기술

연료용 바이오 에탄올

생산기술 당질계, 전분질계, 목질계

바이오디젤 생산기술 바이오디젤 전환 및 엔진적용기술

바이오매스 액화기술

(열적전환) 바이오매스 액화, 연소, 엔진이용기술

바이오매스 가스화기술

혐기소화에 의한 메탄가스화 기술

유기성 폐수의 메탄가스화 기술 및 매립지 가스 이용 기술 (LFG) 바이오매스 가스화기술

(열적전환) 바이오매스 열분해, 가스화, 가스화발전 기술

바이오 수소 생산기술 생물학적 바이오 수소 생산기술

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, 칩, RDF(폐기물연료) 등)

에탄올 연료 운송이용(브라질)

바이오 디젤(오일의 화학반응)

오일을 trans-esterification 반응 을 통해 화석연료 디젤과 유사한 화학성분 형태로 변화

화학적 이름은 fatty acid methyl (or ethyl) ester (FAME).

에탄올과 가솔린의 혼합연료(10%에탄올)

지열발전(Geothermal resource)

지열발전: 미국, 일본 등

지열발전(Geothermal Power)

아이스랜드의 Nesjavellir의 지열발전소

지열발전의 원리와 지리적 위치

지열에너지 이용 난방

우리나라 일부지역 심부(지중 1 ~ 2 km) 지중온도는 80 ℃ 정도로서 직접 냉난방에 이용 가능

지열에너지 이용 난방

05 10 15 20 25 30 35 40 45 50

온실가스를 배출하지 않 는 에너지원(27%)

화석연료의청정화(37%)

효율향상(36%)

온실가스배출량(Gt CO₂/년) -출처 : IEA

구분 주요분야

신재생에너지  태양광, 풍력, 수소연료전지, IGCC(석탄가스화 복합발전) 청정연료  CTL(석탄액화) 및 GTL(가스액화), CCS(CO₂ 포집, 저장) 고효율기기  LED, 전력IT, 에너지저장, 소형열병합, 히트펌프, 초전도

그린에너지 산업의 개념

그린에너지 9대 기술분야 및 산업

수소 연료전지사업 로드 맵

연료전지 개발사업 로드 맵

에너지 이용 동향(자동차)

구분 전기자동차 연료전지 자동차

구동방법 전동기 전동기

동력원 발전소 공급전력 순수소 or 개질 수소에 의한 자체 전원

환경오염 문제 화력발전소의 유해 가스 및 다량의

축전지 사용 개질과정에서 극소량 발생

공해정도 가솔린 차량보다 심각함 진정한 무공해 차

제조 회사 차종 개발 년도 연료전지 사양

연료 출력(용량) 20kW 주행거리

일본 (4) Mazda Cart 1997 수소저장합금

(2x15㎥) 20kW(5kW x4) 170km

Toyota RV 1997 메탄올 500km

유럽 (7) Daimler-Benz 승용차 1999 액화수소 25kW 400km

Renault 승용차 1996 액화수소 70kW 500km

북미 (9)

Ballard 버스 1997 압축수소 30kW 170km

George-town U 버스 1998 메탄올 100kW 560km

GM 승용차 EV-1 1999 메탄올 100kW 500km

FORD 승용차 1999 압축수소 50kW 170km

Virginia Tech 승용차 1999 압축수소 70kW 110km

자동차용 연료전지 핵심기술 보유현황

회사 스택

생산

스택 제작

파일럿 전단계 생산

정격 용량 스택

스택 기반 기술

단위 전지 기술

MEA 개발 생산

막 개발 생산

촉매 개발

분리판 개발

Ballard o o o o o o o o

Benz o o o o

G.M. o o o o o

Toyota o o o o o

Allied Signal o o o o

Denora o o o o

Energy Partner o o

Honda o o o o

Hpower o o o o

Ford/IFC o o o o

Mitsubishi o o o

Nissan o? o o? o

Plug Powe o o o o

Simens o o o

PAFC (인산염 연료전지)

AFC (알칼리 연료전지)

PEFC (고분자전해질

연료전지)

DMFC (메탄올 연료전지)

MCFC (용융탄산염

연료전지)

SOFC (고체산화물

연료전지)

전해질 H₃PO₄ KOH Nafion Nafion 62% Li₂CO₃

38% K₂CO₃ YSZ

전극 재료

연 료 극

Pt/C 80% Pt

20% Pd

Pt black or Pt/c

Pt black or Pt껴/c

90% Ni

10% Cr Ni-ZrO₂ 공

기 극 동작온도

(℃) 190~200 80~90 25~80 20~90 650 600~1,000

효율(%) 40 40 46 30 45 ~50

연료 수소 수소 수소 메탄올 메탄 메탄, 프로판,

부탄, 디젤 출력범위

(kW)

100~

5,000 1~100 1~250 1~100 1,000~

10,000

1,000~

10,000

주요용도/

개발단계

분산발전/

상용화

우주선용 전원/

상용화

가정용, 자동차용/

시험-실증

휴대용 전원/

시험-실증

대규모 발전/

상용화 추진

대규모 발전/

개발-시험

특징

-200 kW~수 MW 용량으로 처음 개발 -낮은 전력밀도

-아폴로 우주선 적용 -백금 전극사용 -고순도 연료 (H₂)사용

-빠른 시동

- 초고순도 연료 (H₂)사용 -백금촉매 필요

- CO에 의한 촉매 성능저하

-빠른 시동 -액체연료로 휴대 가능

- 다량의 백금 촉매 필요

-메탄가스를 연료로 사 용하여 MW급으로 기술 개발완료

-전해질 증발에 따른 운전성능저하

-메탄을 비롯한 다양한 연료의 사용가능 -가장 높은 전력밀도 -내구성 미확보

연료전지의 종류(전해질에 따른 분류)

- 연료전지의 기본원리는 수소와 산소의 반응을 이용한다.

- Anode(음극)에서 발생한 전자를 전기에너지로 이용하고 이때 수소이온은 전해질을 통과하여 cathode(양극)의 산소와 반응하여 물을 생성하게 된다.

- 이때 발생된 물은 연료전지의 동작온도에 따라서 난방열로 사용되기도 한다

Anode(산화전극) : H₂ --→ 2H⁺ + 2e^- Cathode(환원전극) : O₂ + 2H⁺ + 2e^- --→ H₂O

Overall(총 반응식) : H₂ + O₂ --→ H₂O + 전류 + 열

연료전지의 원리와 구조

종류 크기 대상연료전지

이동형

10 W 이하 DMFC, μ-연료전지 수 W - 수백 W DMFC, PEMFC

분산형

수십 kW PEMFC, SOFC 수백 kW - 수 MW PAFC, MCFC, SOFC 중앙 집중 형 수백 MW MCFC, SOFC

연료전지의 종류(응용제품별 분류)

소형 연료전지

국가 개발기관 개발내용 기타

캐나다 Ballard Laptop computer 용

미국

H-Power 군용, 전자기기용, 백업용 35,50,100,200,500W

DCH 라디오, CD player 용 10W (12V) 공기호흡형

ElectroChem 200W 시스템 18cell, 12V

일본 Sanyo 전자기기용

유럽

FhG(독일) Laptop computer 용 10시간 작동

NavArs(독일) 7,25,100W 경량분리판, Laptop

용

가정용 고분자 연료전지의 국외 개발 현황

카나다 ^{Ballard, 250kW, 30kW, 10kW generation systems, 1997. 08 - GEC} Alsthom(Europe), 1998. 06 - EBARA Co.(Japan), 1998. 05

미 국 ^{Avista Lab. Inc., US DoC, multi fuel} processing, 2kW, 1998. 10 Energy Partners, NUI Co., Epyx 및 DoE, 2kW natural gas, 1998. 12 General Electric 과 Plug Power 공동 개발, 7kW system, 1999. 02

일 본 ^{Osaka Gas Co., 1kW Natural gas, 1999. 02 Sanyo Electric, 2kW system (NEDO),} 가정용, 1996 Toshiba, 30kW system (NEDO), 빌딩용, 1996

독 일 ^{Bewag, Alsthom, Ballard, 250kW, 1998. 08 first fuel cell} house(Machern), 1999. 3 3 house (Hamburg Gas Consult(Hamburg), WINGAS(Ludwigshafen)), 1999. 04

가정용 고분자 연료전지

Plug Power L.L.C Analytical Power Co.

한국 서울 세계 최초의 연료전지 아파트 시공!!!!!!!

연료전지 시스템

2010년 3월 서울 목동에 들어설 수소연료전지 발전소 조감도

연료전지 발전소

에너지 소비 측면

에너지 공급 측면

• Future Gen • Hydrogen Fuel Initiative • IPHE 국제협력

• Gen-Ⅵ 원자력기술 • 핵융합협력사업[ITER]

• 재생에너지[풍력, 태양광, 바이오매스] • 첨단 생명공학

온실가스 처리 측면

• 저비용 CO₂처리[회수 및 저장]

• 지역간 국가간 협력[CSLF : Carbon Sequestration Leadership Forum

• 기타 온실가스 [메탄,SF6등] 처리

• 연료전지차량(Freedom Car) • 첨단 중대형 차량 • 초전도 기술

• 제로에너지 주택 및 상업건물 • 신조명

국외 그린에너지기술 개발 동향(미국)

미국 CCTP[2005]

에너지 소비 측면

에너지 공급 측면

• 차세대 신재생에너지 확보 • 지속가능 2세대 바이오 연료 기술

• 대형 풍력발전 용량 확대 • 대형 태양광발전 상용화

• ITER 핵융합 설비 구축 • 핵 분열 기술, Gen-Ⅵ 핵분열 반응로 구축

온실가스 처리 측면

• CCS 기술 상용화

• 에너지 효율향상[건물,수송,산업] • 수소연료전지 자동차 실용화

• EU 에너지 네트워크 • 분산전원을 위한 Smart Grid

• 에너지저장 • 첨단기술[소재/NT/IT/BT 융합, 컴퓨터 기술 등] 확보

국외 그린에너지기술 개발 동향 (EU)

EU SET-Plan[2007]

효율향상 저탄소화

에너지공급측면

발전송전

1. 고효율천연가스 화력발전(부품, 소재) 2. 고효율천연가스화력발전(발전소) 6. 초전도 고효율 송전

3. CCS

4. 혁신적 태양광발전 5. 첨단원자력발전

운송 7. 고속도로 교통시스템 8. 연료전지 자동차

9. plug-in Hybrid 자동차, 전기자동차

10. 바이오매스 수송용 대체 연료제조

에너지 소비 측면

산업 11. 혁신적 재료, 제조, 가공기술 12. 혁신제철프로세스

민생 13. 고효율건물, 빌딩 14. 차세대 고효율조명

15. 고정용 연료전지

공통 - 16. 초고효율 Heat pump

17. 고효율 정보기기,시스템

18. HEMS,BEMS, 지역 level EMS

국외 그린에너지기술 개발 동향 (일본)

Cool Earth [2008]

’07 ’12 ’30

* 신재생에너지 : IGCC포함

• 정부 : 1.7조원

• 민간 : 1.3조원

태양광 수소 연료전지

LED

83%

95%

100%

66% 85%

65%

90%

태양광 수소연료전지

IGCC LED

* 로드맵 : 단계별 기술개발 목표, 요소기술, 기술 획득방안 등을 구체화한 중장기 기술개발전략

’20년 화석연료 수준의 경제성 확보 (발전단가 150원/kWh)

’15년 kW급 가정용 전지 양산 기술개발

’12년 300MW급 설계 기술 자립

’15년 100 lm/W급 이상 비질화물계 LED 원천기술 확보

5 15 6 15 1 10 16 20

정부의 투자전략(1)

그린에너지 통합 실증단지 (Test-Bed) 구축 (2개소, ’10년 ~ ’12년) 해상풍력 시범 상용화단지 (300MW, ’10년 ~ ’15년)

IGCC 실증 플랜트 (300MW, ’08년 ~ ’12년) 건설

* 외국인 투자 유치 : 핵심 부품·소재

정부의 투자전략(2)

신재생에너지

청정연료

고효율기기

신재생에너지 보급 확대 방안에서 상세 보고

노후 화력발전소 교체, 20년까지 15기 10GW 석유대체연료에 포함하여 보급

외국과 공동 CDM 추진

우체국 등 시범 건물사업, 보급 장려금 지원

’12년까지 1만가구 실증사업 추진

’12년까지 1만가구 실증사업 추진

그린에너지 리서치센터 설치

「Renewable Korea」(’10) 등 국제전시회 개최

IGCC, CCS 플랜트를 개도국 수출전략품목으로 육성 (IGCC 300MW 1기당 6억불) 태양광

풍력

수소연료전지 IGCC

CTL/GTL CCS LED 전력 IT 에너지 저장

정부의 투자전략(3)

대구경북광역경제권 선도산업 현황

태양광 부품소재 글로벌 경쟁력 강화사업 수소연료전지 글로벌 허브 구축사업

저탄소 녹색성장의 세계적 선도 지역으로 발전 글로벌 경쟁력의 차세대 에너지 부품 및 소재 개발

<5+2 광역경제권역별 선도산업 발전비전>

환동해권 관광휴양 및 웰빙산업의 프론티어

환태평양시대의 기간산업 및 물류 중심지

선진 일류국가를 선도하는 글로벌 비즈니스 허브

과학기술과 첨단산업의 중심, 대한민국 실리콘벨리

21세기 문화예술과 친환경 녹색성장의 창조지역

아시아 최고수준의 국제자유도시

전통문화와 첨단지식 산업의 신성장지대

대구경북광역경제권 그린에너지 기업 현황

태양광, 405개(79.9%)

기타, 13개(6.3%) 풍력, 12개(2.4%)

지열, 31개(6.1%)

수소연료전지, 32개(6.3%)

10억 미만, 126개(24.9%)

10억-30억 미만 124개(24.5%) 50억 이상, 32개(6.3%)

30억-50억 미만 112개(22.1%)

무응답 113개(22.3%)

대경권역의 그린에너지 관련기업은 태양광 과 수소연료전지 분야에 86,2 %가 분포됨 !!

대구경북광역경제권 선도산업 지역 인프라 현황

• 풍력발전

• 태양광발전

• 구미전자정보기술원

• 구미산업단지혁신클러스터

• 포스코파워 연료전지

• 나노기술 집적센터

• 광 가속기 연구소

그린에너지 산업벨트

• 대구기계부품연구원

• 나노부품실용화센터

• 대구경북과학기술연구원 • 영남대 그린에너지 인재양성 센터

• 대경 태양전지/모듈 RIC

동해안 에너지 산업벨트

포항

칠곡 김천

구미 군위

상주

문경

의성 안동

영천 영주

예천

봉화

영양

영덕 울진

청송

경산

대구 ^경주

울산

[지역별 신재생에너지업체 대규모 유치현황]

• 상주 : 웅진그룹 폴리실리콘 공장(2012/5조원)

• 구미 : LG 계열사 , STX그룹 태양광공장설립 예정

• 포항 : 에너지소스 폴리실리콘 5천억

• 김천 : STX , 삼성 등 (최근 2년간 8조 3천억원 유치)

• 대구 : 미리넷 솔라, 대구도시가스, 아바코

대구경북 광역권 선도산업의 세부특화분야