에너지와 환경 (대체에너지- 연료전지, 태양열, 해양에너지)

 

1. 대체에너지의 정의

 

가. 우리나라의 대체에너지 개발 추이

 

2. 연료전지

 

(1) 연료전지의 개념

가. 연료전지의 원리

나. 연료전지의 특징

 

(2) 연료전지의 이용

가. 연료전지 자동차의 개발

나. 연료전지의 빌딩에서의 응용

 

3. 태양열 에너지

 

(1) 태양열 에너지의 개념

가. 태양열 에너지의 원리

나. 태양열 에너지의 특징

 

(2) 태양열 에너지의 이용

 

4. 해양 에너지

 

(1) 해양 에너지의 개념

 

(2) 해양 에너지의 종류와 이용

가. 파력 발전

나. 온도차 발전

다. 조력발전

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. 대체에너지의 정의

 

대체 에너지의 정의는 각 나라별로 자국의 에너지 상황에 따라 다르며 넓게 정의하는 경우 석유 이외에 석탄, 원자력, 천연가스 및 신재생에너지 등 석유가 아닌 모든 에너지원으로 정의하기도 하며, 좁게는 신재생 에너지 자체로만 정의하기도 한다. 우리나라에서 대체에너지는 「대체에너지 개발 및 이용 · 보급 촉진법」 제2조에 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 에너지로써 태양에너지(태양열, 태양광발전), 바이오 에너지, 풍력, 소수력, 연료전지, 석탄액화 및 가스화, 해양에너지, 폐기물에너지, 기타 대통령령으로 정하는 에너지로 정의되어 있다.

 

가. 우리나라의 대체에너지 개발 추이

대체에너지 기술개발의 기본목표에서는 대체에너지 기술개발 목표를 계획기간의 최종 연도인 지난 2006년까지 국가 에너지 시스템과 자원특성에 적합한 기술을 개발하여 대체에너지 신뢰성을 확보하고 해외 에너지 자원보호기술의 국내개발을 통하여 기술자립을 이룩하며, 이용기술의 경제성 제고를 위하여 기반기술, 수요개발과 관련산업 형성 등을 도모하여 보급을 확대시킴으로써 국내 최종에너지의 대체비중을 제고하는데 있다고 밝히고 있다. 각 단계별로는, 대체에너지 기술개발이 시작된 1988년부터 국가 선도 기술개발사업이 시작된 1992년의 전년도까지를 1단계로 기술개발을 위한 기반구축을 목표로 하였으며, 2단계로는 선도 기술개발 사업으로는 태양광발전, 태양열 이용, 석탄가스화 복합발전 및 연료전지 분야가 집중 지원되기 시작한 1992년부터 5년간 실용화 기반 구축을 추진하였다. 3단계로는 전술한 바와 같이 1988년부터 1996년까지 추진하였던 결과를 분석하고 에너지 기술개발 10개년 계획의 일환으로 대체에너지 기술 개발 계획을 포함시켜 시장창출을 위한 중점기술 개발을 추진하고 있다. 4단계인 2002년~ 2006년에는 중점 개발된 기술분야를 중심으로 사용화를 통한 시장 진출과 보급으로 국내 총에너지 수요의 2%를 보급할 것을 목표로 하고 있다.

 

대체 에너지 기술개발 기본계획
구분	제 1단계	제 2단계	제 3단계	제 4단계
계획기간	1988~1991	1992~1996	1997~2001	2002~2006
개발목표	연구기반 구축	실용화 기반 구축	중점 기술 개발	기술의 상용화
보급목표	금융지원 (0.5%)	수요개발, 시범보급 (0.6%)	시장 창출 (1.39%)	보급 확대 (2.0%)
총 연구비	302억원	708억원	2,033억원	3,237억원

 

 

 

 

 

2. 연료전지

 

(1) 연료전지의 개념

 

가. 연료전지의 원리

연료전지는 전지라는 이름 때문에 전기를 축적하는 장치로 생각하는 사람이 많이 있을 것입니다. 그러나 연료전지는 전기를 저장하는 장치가 아닙니다. 이것은 일종의 발전기입니다. 이런점에서 연료전지는 자동차 등에 사용되는 납축전지보다는, 디젤발전기 또는 규모는 다르지만 차라리 화력 발전소에 가깝다고 말할 수 있습니다. 연료전지는 전기화학반응에 의한 화학에너지로부터 직접 전기를 만들어 내고 있습니다. 수용액 안에 한 쌍의 전극을 넣고, 그 사이에 전압을 가하면 양극에서는 산소가 발생하고, 음극에서는 수소가 발생합니다. 이것이 고등학교에서 배우는 물의 전기분해의 원리입니다. 연료전지는 이것과 정반대의 반응입니다. 즉, 수소와 산소의 반응에서부터 전기를 발생시키는 것입니다. 다만 수소는 지구상에서 단독으로는 존재하지 않기 때문에 보통은 화석연료를 고온 또는 촉매를 사용해서 화학반응시켜, 반응에 필요한 수소를 만들어 냅니다. 이 과정을 연료전지의 세계에서는 개질 프로세스라고 말합니다. 연료전지의 경우, 전기와 함께 필연적으로 열이 발생합니다. 따라서 연료전지는 단순히 발전기로만 사용되는 것이 아니라, 코제너레이션(전기와 열을 동시 공급)용 기기로도 자주 이용되며 또한 연료전지와 터빈을 조합하면 효율이 매우 높은 발전시스템을 실현할 수도 있습니다.

 

※ 연료전지의 동작 원리

 

(1) 셀의 동작 원리

 

연료전지 동작의 기본적 최소단위를 셀이라고 부르고 있다. 셀은 음극 및 양극이라고 부르는 한 쌍의 전극과, 이 한 쌍의 전극 안에 끼워져 있는 얇은 전해질, 그리고 양극단을 이어 주는 외부 회로로 구성되어 있습니다. 전해질은 이온의 통로이며 전자는 통과할 수 없습니다. 만약 전해질이 전자를 통과시키면, 그것은 리크전류가 되어 연료전지의 전기 출력은 저하됩니다. 이미 말했듯이, 전해질의 종류에 따라서 연료전지의 종류는 달라지며, 연료전지의 종류에 따라 전극에서는 다른 전기화학반응이 진행됩니다.

예를들어 PAFC나 PEFC의 경우, 음극에 수소가 공급되면 전극반응에 의해 수소원자로부터 전자가 분리되어 수소이온을 생성하며, 분리된 전자는 외부 회로를 거쳐 양극에 도달합니다. 이 외부 회로를 통과하는 전자가 외부에 일을 하기 위한 전류를 구성합니다. 한편 수소이온은 전해질을 통과해서 음극에서 양극 방향으로 이동하여 양극에서는 수소이온, 전자 및 외부로부터 도입된 산소와 결합하여 물을 생성하게 됩니다.

 

- 연료전지의 원리

 

나. 연료전지의 특징

 

① 연료전지 셀 스택

 

연료전지 셀은 기본적으로 저전압의 직류 전압(이론적인 기전력은 1.23V, 출력 시의 셀 전압은 1V이하)이므로, 실용적인 전압을 얻기 위해서는 많은 셀을 직렬로 접속하지 않으면 안 됩니다. 이와 같은 목적으로 각각의 셀을 적층해서 셀 스택을 구성하는 것이 일반적인 방법입니다. 이것에 비해 휴대전화나 노특북용 연료전지는 연료탱크의 표면에 평면적으로 셀을 나열하여 스택을 구성하는 방법을 택하고 있습니다.

 

② 이상 열 효율과 현실의 발전 효율

 

연료전지는 전기화학반응에 의해 화학에너지를 전력으로 변환시키기 때문에, 화력 발전과 같은 카르노효율의 제약이 없으며, 특히 저온에서는 원리적으로 효율이 높습니다. 화학반응이 진행되는 경우, 엔탈피의 감소분에 대한 깁스 에너지의 감소분의 비를 이상 열효율이라고 하는데, 표준상태에서의 이상 열효율은 83% 및 94%로 높은 값을 나타내고 있습니다. 또한 엔탈피의 감소분에서 깁스에너지의 감소분을 뺀 나머지 부분은 열로 발생되므로 연료전지를 동작시키면 필연적으로 열이 발생합니다.

 

③ 코제너레이션

연료전지는 전력과 함께 필연적으로 열이 발생하기 때문에 코제너레이션에 적합합니다. 200˚C에서 동작하는 PAFC는 현재 병원이나 슈퍼마켓, 또는 호텔 등에서 코제너레이션용으로 많이 사용되고 있으며, 구모가 작고 상온에서 동작 가능한 PEFC는 가정의 전력수요를 조달함과 더불어 열탕을 공급하는 역할을 수행하고 있습니다.

 

④ 환경적응성

 

반응 생성물은 원리적으로 물뿐이므로 유황산화물, 질소산화물, 분진 등 유해한 배기가스가 극히 적거나 제로이며, 또한 열기관처럼 고속으로 움직이는 부품이 필요 없으므로 소음이나 진동이 없고 조용합니다. 이처럼 연료전지는 환경에 극히 유익한 발전 수단이라고 말할 수가 있습니다. 탄화수소계의 연료를 개질하는 과정에서 발생하는 CO₂ 의 배출은 피할 수 없지만, 효율이 높기 때문에 출력당 CO₂ 발생량은 매우 적습니다.

이 밖에도 소규모 발전에 유리하고 발전효율이 높으며 이용 가능한 연료가 다양하다는 장점이 있다.

 

	용도 · 이용목적	개발단계
DMFC(직접 메탄올형 연료전지)	모바일 기기, 휴대용전원, 자동차	연구개발
PEFC(고체고분자형 연료전지)	자동차, 가정용CHP, 휴대용전원	연구개발, 실증운전
PAFC(인산형 연료전지)	CHP전원, 보조전원, 자원재활용	상용운전, 시장개척
MCFC(용융 탄산염형 연료전지)	중규모 CHP, 전력산업, 도시 EC, 석탄이용 발전	연구개발, 실증운전
SOFC(고체산화물형 연료전지)	전력사업, 가정용, 석탄이용, 자동차용, 콤바인드	연구개발, 실증운전

 

(2) 연료전지의 이용

 

가. 연료전지 자동차의 개발

 

기존 가솔린 내연기관 대신 연료전지(수소와 공기중의 산소를 반응시키고, 이때 발생하는 전기)를 이용한 차세대 친환경 자동차.

이때 수소의 공급방식에는 2가지가 있다.

수소공급방식:

압축수소탱크/액체수소탱크를 이용하여 수소를 공급하는 방식. 같은 방식의 경우 운행시 발생하는 것은 물 뿐으로 완전무공해임. 단 이 경우 탱크탑재로 인한 차량크기증대 및 안전성, 수소공급 인프라 구축의 어려움 등이 문제임.

메탄올개선방식 :

메탄올을 분해하여 수소를 만들어 공급하는 방식. 메탄올을 분해할 때 CO, HC, NOX가 발생하지만 기존 차량에 비해 크게 감소됨. 같은 방식의 경우, 기존의 연료공급 인프라의 이용이 가능하다는 잇점이 있음.

세계최초로 연료전지 자동차를 개발한 회사는 다임러 크라이슬러로 1994년에 수소저장방식의 연료전지를 이용한 NECAR1(New Electric Car)을 선보였다.

현재 다임러 크라이슬러, 포드, GM, 도요타 등 대부분의 자동차 회사들이 연료전지 자동차의 개발에 투자하고 있으며 시장 선점을 위한 각축전을 벌이고 있다.

 

제너럴모터스(GM)는 2001년 가솔린 이용한 연료전지를 개발했으며, 2002년 1월 미국 디트로이트에서 열린 ""북미 국제모터쇼""에서 연료전지 컨셉트가인 '오토노미(AUTOnomy)'를 공개해 눈길을 끌었다.

우리나라에서는 현대에서 2001년에 순수 연료전지로 가동되는 '싼타페 연료전지차'의 시범주행에 성공했으며, 2002년 9월 미국 캘리포니아주에서 개최된 `2002 퓨얼셀 로드랠리'에서 다임러 클라이슬러ㆍ포드ㆍGMㆍ혼다 등 경쟁사 연료전지차와 함께 300마일 연속주행에 성공했다.

 

나. 연료전지의 빌딩에서의 응용

 

국내 에너지 소비 동향을 살펴보면, 사무용의 소비량이 급증하고 있으며, 그에 따른 대책 또한 시급합니다. 에너지 절약 대책으로서 연료전지를 사무용 빌딩에 적용하는 경우에는 연료전지의 특성과 건물의 에너지 수요와의 적합성을 살펴볼 필요가 있습니다. 사무용 빌딩은 호텔, 병원, 사무실 등 사용목적이 다양하고 계절과 시간에도 의존하는 고유의 전력, 열부하 패턴을 나타내며, 건물 특유의 전력, 열에 대한 수요를 가지고 있다.

연료전지를 에너지 절약이나 CO₂ 삭감의 목적으로 사무용 빌딩에 도입하려고 하면 코제너레이션(열병합발전, 폐열발전)의 이용이 전제가 된다.

 

3. 태양열 에너지

 

(1) 태양열 에너지의 개념

 

태양에너지란 태양으로부터 전자기파의 형태로 방출되는 에너지를 말한다. 태양이 방출하는 에너지는 9.2 x 10²²kal/s로 막대하지만 지구에 오는 것은 약 20억분의 1인 1.96cal/cm² · min에 지나지 않는다. 또 그중에서 70%만이 흡수되는데 세계 연간 에너지 소비량은 이 에너지의 겨우 1시간분에 불과하다. 이러한 태양 에너지의 활용방법에는 태양열과 태양광선 이용이 있다. 가장 매력 있는 대체에너지원으로서 무진장하며, 공해가 없고 지구대기의 열 균형이 보존되는 등 인류에게 절대적인 에너지 원천이다.

 

가. 태양열 에너지의 원리

 

① 태양열을 모으는 기구인 집열판에서 열을 모은다. 집열판은 햇빛을 받아 더워진다. 집열기는 태양열을 잘 받기 위해 검은색의 집열판을 이용하고 태양과 각도를 이루도록 경사지게 세워야 한다.

② 그 열로 찬물을 데운다. 집열기 밑에는 열 전달관에 물이 담겨 있기 때문에 열을 받은 열 전달관은 파이프의 물을 따뜻하게 데운다.

③ 데워진 물은 펌프에 의해 온수 저장탱크로 이동한다.

 

※ 집열기: 태양복사에너지를 흡수하여 열에너지로 전환하는 장치

집열판: 태양열 난방 및 급탕 시스템에 사용되는 기본적인 태양열을 흡수하는 판이다.

태양열 이용시스템 구성도

 

나. 태양열 에너지의 특징

장 점	단 점
무공해, 무제한 청정에너지원 기존의 화석에너지에 비해 지역적 편중이 적음 다양한 적용 및 이용성 저가의 유지보수비	밀도가 낮고, 간헐적임 유가의 변동에 따른 영향이 큼 초기 설치비용이 많음 봄,여름은 일사량조건이 좋으나 겨울철에는 조건이 불리함

(2) 태양열 에너지의 이용

 

가. 기본기술

① 지구로 내려 쬐이는 무한한 태양열을 효율적으로 집열하는 기술

② 모은 열에너지를 장시간에 걸쳐 축열하는 기술

③ 집열, 축열 과정에서 열손실을 억제하는 단열기술

④ 열의 수송에 필요한 열전달 열 교환기술

 

나. 응용기술

① 가정용 및 업무용 냉난방 급탕시스템

② 공업용 가열원으로서의 유체가열시스템

③ 농업관련 온실난방 및 건조시스템

④ 주택관련 건축구조물에의 응용

4. 해양 에너지

 

(1) 해양 에너지의 개념

조력, 파력, 해류. 해수 온도차와 같은 형태로 해양에 존재하는 해양에너지는 주로 발전 에너지 자원으로 주목을 받고 있는 분야로서, 비교적 가용자원이 지구상 특정지역에 편중되어 있기 때문에 몇몇 해양 선진국을 중심으로 기술 개발이 활발하게 추진되고 있다. 초기 투자비가 매우 크기 때문에 아직까지 본격적인 실용단계에 이르지는 못하고 있는 실정이다.

 

(2) 해양 에너지의 종류와 이용

 

가. 파력 발전

 

파력발전에는 여러 방법이 있는데, 한가지 예를 들면 발전기 ·진자(흔들이) ·전구 등을 내장한 부표를 만들고 이것을 물에 띄워 파도치는 대로 동요시켜서 부표 속에 장치한 진자의 움직임을 포착하여 회전운동으로 바꾸고 기어를 통해서 속도를 올려 발전기를 회전시키는 방식이 있다.

이 방식에서는 파고(波高) 40 cm에서 10 W 정도의 전력이 얻어지며, 전등을 켜거나 소리를 내게 하여 위험한 항로의 표지로 이용한다든가, 안전항로의 안내에 사용할 수 있다. 이 밖에 암벽(岸壁)에 고정시킨 장치에 발전기를 내장하여 파도의 상하운동을 동력화해서 발전하는 방식도 있다.

 

나. 온도차 발전

 

해양 온도차 발전이라고도 한다. 태양에 의해서 가열된 높은 온도의 표층수(表層水)를 파이프라인으로 증화기(蒸化器)에 흡인하여 진공펌프로 감압한다. 물은 기압이 낮아지면 그만큼 낮은 온도로 비등하여 증발한다. 서(西)아프리카 상아해안 아비잔에서는 약 30 ℃의 표층해수를 증화기에 흡인하여 약 1/25 atm으로 감압해서 비등시켜 증기를 얻는다. 이 증기로 저압터빈을 돌려서 발전한다. 일을 한 증기를 약 400 m 심층에서 취한 8 ℃의 차가운 바닷물로 냉각하여 일의 능률을 올린다. 냉각한 증기는 담수(淡水)로서 회수한다.

아비잔에서는 7,000 kW 전력과 부산물로서 1일 약 1만 4000 t 의 담수를 얻는다. 온도차 발전의 연구는 프랑스가 가장 앞서고 있다. 처음 G.클라우드의 고안에 의해 멕시코만의 선상(船上)에서 많은 실험을 하였다. 1948년 반관반민(半官半民)의 회사 ‘해양 에너지 개발공단’을 조직하였다. 이 공단에 의해서 서아프리카 상아해안에 세계 최초의 온도차발전소가 완성되었다. 프랑스 외에 미국 ·이스라엘 등도 온도차발전 개발을 하고 있다. 근년에 이 온도차를 암모니아나 프론 등의 작업유체(作業流體)로 이환(移換)하여 발전 터빈을 돌리는 구상이 있었으나 발전규모가 거대하여 실용화까지에는 이르지 못하고 있다. 또다른 연구로서 20~30 ℃의 해수로부터 100 ℃의 열탕(熱湯)을 질산(窒酸)을 써서 효율화할 수 있는 방법이 있는데, 이론효율(理論效率)이 비교적 높아서 주목받고 있다.

 

 

※ 해양 온도차 발전의 중요성

1. 지구환경문제에의 대응

2. 에너지 문제로의 대응

3. 해양온도차 발전은 새로운 산업을 창출한다.(심층해수의 청정성에 따른 먹는물, 심층해수는 많은 유용물질을 함유, 심층해수는 풍부한 냉열원이다.)

 

다. 조력발전

 

조석이 발생하는 하구나 만을 방조제로 막아 해수를 가두고 수차발전기를 설치하여 썰물 때에 저수지와 해수면의 수위차를 이용하여 발전하여 전기에너지를 생산하는 방식이다. 조석 간만의 차가 큰 만이나 강 하구에 댐을 건설하고 밀물과 썰물 때에 터빈을 돌려 발전하는 시스템으로 수력발전과 유사한 방식이다.

조력발전의 주기는 썰물발전(ebb generation)과 밀물발전(flood generation)으로 이루어진다. 프랑스의 랑스강 하구에 있는 조력발전소의 경우, 수문을 닫아 밀물 때 들어왔던 물을 내만에 가득 채워 썰물 때에 낮아진 해면으로 가둔 물을 떨어뜨려 24개의 터빈 발전기를 돌려 전기에너지로 전환한다. 또한 밀물 때에도 발전기를 돌려 효율을 높일 수 있는데, 밀물 때에는 수차가 썰물 때보다 적으므로 썰물발전보다 발전효율이 낮다.

 

 

참고 문헌

 

환경에너지공학, 김재용 · 김영해 등, 동화기술, 2008년

그림으로 보는 연료전지, 혼마 타쿠야, 교보문고 2007년

첨단에너지 환경기술, 배재근, 아진, 2005년

 

참고 홈페이지

에너지 관리공단: http://www.kemco.or.kr

네이버 백과사전: http://100.naver.com/

위키피디아: http://ko.wikipedia.org/wiki/

 

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