Nothing, Everything _ Soli Deo Gloria

 신 재생에저지는 재생에너지와 신에너지로 분류된다. 재생에너지는 8개로 태양열, 태양광, 바이오, 풍력, 수력, 해양, 지열, 폐기물 에너지이다. 신 에너지는 3개로 수소에너지, 연료전지, 석탄액화가스이다. 재생에너지 중 몇 개는 신 재생에너지 카테고리에 포스팅 되어 있으니 참고하기 바란다.

 신 에너지 중 연료전지에 대해 소개하고자 한다. 연료전지의 최종생성물은 물이다. 가장 무공해적 재생에너지라 할 수 있다.

1. 기본원리

 연료전의 기본원리는 수소와 산소가 가지고 있는 화학에너지를 전기화학반을 통하여 직접전기에너지로 변화시키는 고효율 무공해 발전장치다. 연료전지는 연료극과 공기극으로 나뉘어진다. 나중에 그림을 통해 자세히 설명하겠다. 연료극(anode)에 수소, 공기극(cathode)에 산소가 공급되고 물의 전기분해 역반응을 통해 산소이온과 수소이온이 결합하여 전기, 물, 빛을 생성한다.

  연료전지 반응과정에 대해 좀 더 자세히 알아보면,

1. 연료극에 공급된 수소가 수소이온과 전자로 분리된다. 연료전지는 산화반응을 통해 전자를 내어놓고, 환원반응을 통해 전자를 받아들이는 전기화학적 기초를 바탕으로 진행된다.

2. 수소이온은 전해질을 통해 공기극으로 이동하고, 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동한다.

3. 공기극에서 수소이온과 산소이온이 만나 최종산물인 전기, 물, 빛을 생성한다.

참고로, 전류는 (+)에서 (-)으로 흐르고, 전자는 그 반대로 흐른다.  

2. 연료전지 발전 시스템

연료전지 발전 시스템은 개질기, 연료 단위전지, 전력변환기(Inverter) 등으로 구성된다. 각각의 역할에 대해 알아보면, 개질기는 천연가스, 메탄올 등을 수소가 많은 연료로 변화시킨다. 연료 단위전지는 전해질을 포함한 판, 연료극, 공기등으로 구성되면 통상 0.6~0.8V의 낮은 전압이 발생된다. 전력변환기 연료전지에서 나오는 DC전류를 가정에서는 사용하는 AC전류로 변화시키는 장치이다.

      *아래는 연료전지의 종류와 특성에 대한 표이니 참고하기 바란다.

 현재 연료전지는 전기자동차의 배터리를 대체하는 수송용 동력원을 비롯하여 이동 및 비상용 전원, 군사용 전원등으로 활발히 개발중이다. 하지만 연료전지는 재료의 물리적 한계와 동작에 따른 고열발생 등으로 인해 상용화되지 못하고 있다. 따라서 기존 구성재료의 한계를 극복하기 위한 새로운 소재기술 개발이 절실히 필요하다.

참고 사이트

1. energynatura.org

2. howeng.co.kr

3. amenews.kr

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  태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변화시키는 반도체 소자다. 한국은 반도체 강국으로써, 충분히 발전된 반도체산업을 기반으로 태양전지 사업을 확장시켜 나갈 수 있다. 그러나 현재 태양전지 사업에 박차를 가하고 있는 곳은 현대중공업 뿐이다. 반도체 산업의 대표주자라 할 수 있는 삼성과 LG는 태양전지 사업에 뛰어들지 않고 있다. 왜냐면 사업이라는 것이 일단 경제성이 보장되어야 한다. 투입되는 시간과 돈만큼의 수익이 창출되어야 한다. 삼성과 LG는 태양전지를 개발하지 않더라도 현재 개발한 반도체분야만으로도 막대한 수익을 거둘수 있으며, 거두고 있다. 굳이 태양전지 사업에 뛰어들 필요가 없다는 것이다. 그렇다 하더라도 태양전지는 정부가 추진 중인 4대 신성장 동력 에너지의 하나기 때문에 태양전지발전 산업에 대한 투자는 계속 증가될 것으로 생각된다.

그러면 태양전지에 대해 간단하게 알아보자

 태양전지는 크게 실리콘 태양전지와 화합물 태양전지로 나누어진다. 현재 상용화되어 널리 쓰이고 있는 것은 실리콘 태양전지다. 아래의 산업별 태양전지 분류표다. 목록중에 CIGS계 화합물 박막형 태양전지는 광흡수계수가 가장 높아 얇은 층으로도 고효율의 성능을 낼 수 있다. 이러한 이유때문에 요즘 각광받고 있다. 참고하기 바란다.

 실리콘 태양전지는 태양에너지를 전자에너지로 변화시키는 반도체로써 P층과 N층으로 나누어진다. P-N 결합에서 P층은 정공, 즉 전자가 빠져간  빈자리에 전공이 생성되어 있는 것이 특징이며 N층은 전자를 많이 가지고 있다. 여기서 하나 알아둘 것은, 전자가 흐르기 위해서는 두가지 조건이 필요하다. 첫째, 자유전자가 많아야 한다. 두번째, 정공이 존재해야 한다. 전자가 들어갈 자리가 있어야 전자의 이동이 쉽게 이루어진다는 것이다. 

 실리콘(Si)에 자유전자를 많이 가진 5족 원소 인, 비소, 안티몬 등을 N층에 첨가시키고, 전공을 보유한 3족 원소 붕소, 칼륨등을 P층에 첨가시킨다. 참고로, 전자의 이동은 음극(-)에서 양극(+)으로 이루어지지만 전류는 그 반대 방향으로 흘러간다. 태양에너지를 의해 P층에 전자가 발생되고, 발생된 전자는 빈자리를 채우면서 전자-정공 쌍을 만들어 N층으로 넘어가게 된다. 이때, 전류가 발생된다.  

 태양전지 제조 기술은 신뢰성 및 에너지변환 효율 향상, 저가화에 초점을 두고 진행되고 있다. 태양광 발전 시스템 설비비의 40%를 태양전지가 차지하고 있어, 태양전지의 저가화는 시급히 해결되어야 할 문제다.

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해양 에너지

1.해양 에너지

   1)정의

  해양에너지는 해양의 조수·파도·해류·온도차 등을 변환시켜 전기 또는 열을 생산하는 기술로써 전기를 생산하는 방식은 조력·파력·조류·온도차 발전 등이 있다.

   2) 분류 

      (1) 에너지원별 분류 : 조력발전, 조류발전, 파력발전, 해양 온도차발전, 해수 염도차발전 등

     - 종류별 입지조건

(2) 기술적 분류

   가) 후보지 해양특성 평가 및 예측 기술

   나) 에너지 직접, 추출, 변환 기술

   다) 발전 시스템 기술

   라) 해양 구조물 설계 및 시공기술

   마)　발전기 및 전력 변환 기술

   사) 환경영향분석 및 피해저감기술

바이오 에너지

1. 바이오 에너지 정의

▹ 태양광을 이용하여 광합성 되는 유기물(주로 식물체) 및 동 유기물을 소비하여 생성되는 모든 생물 유기체(바이오매스)의 에너지를 바이오에너지라 한다.

▹ 바이오에너지 생산기술이란 동 생물 유기체를 각종 가스, 액체 혹은 고형연료로 변환하거나 이를 연소하여 열, 증기 혹은 전기를 생산하는데 응용되는 화학, 생물, 연소공학 등을 일컫는다.

참고) 바이오매스(Bio-mass)란?

태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의해 생성되는 식물체,균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물 유기체를 일컬는다. 따라서 바이오매스자원은 곡물, 감자류를 포함한 전분질계의 자원과 초본, 임목과 볏짚, 왕겨와 같은 농수산물을 포함하는 셀룰로오스계의 자원과 사탕수수, 사탕무와 같은 당질계의 자원은 물론 가축의 분뇨, 사체와 미생물의 균체를 포함하는 단백질계의 자원까지를 포함하는 다양한 성상을 지님 이들 자원에서 파생되는 종이, 음식 찌꺼기 등의 유기성폐기물도 포함한다.

2. 바이오 에너지 종류

1) 바이오 디젤

(1)개요

콩기름 등의 식물성 기름을 원료로 해서 만든 바이오연료로 바이오에탄올과 함께 가장 널리 사용된다. 보통 메탄올을 이용해 3가의 지방산에 글리세롤이 결합한 트라이글리세리드로부터 글리세롤을 분리한 다음, 지방산에스터를 만들어 내는 에스테르 교환방법을 통하여 만든다. 이때 만든 바이오디젤이 바로 지방산 메틸에스테르(FAME)이다.

(2)생산 공정

① 바이오디젤의 생산과정은 트랜스에스테르화 공정(Transesterification Process)과 바이오디젤 정제공정(Biodiesel Refining Process)으로 구분할 수 있다.② 트랜스에스테르화 단계에서는 원료인 식물성 오일과 메탄올을 촉매와 함께 적정한 온도와 압력에서 반응을 시키고 이 과정을 통하여 생성된 메틸에스테르와 글리세린은 분리시켜 각각 정제공정을 거쳐 바이오디젤과 글리세린 제품으로 생산된다.

(3) 장 ‧ 단점

1) 장점

① 국내 자급이 가능하고,재생가능한 식물자원(바이오매스)에서 생산되므로 에너지자원의 고갈 문제가 없고,폐식용유 등 폐자원을 유효 활용할 수도 있다.

② 공정의 전 주기(Life cycle)에서 볼 때, 연료 사용에 의해 배출된 CO2는 바이오매스의 생산과정(식물의 광합성)에서 회수되므로 CO2의 순 배출량이 대단히 적다.

③ 산성비의 주범인 SOx를 전혀 배출하지 않고, 함산소연료(산소 10% 이상)이므로발암물질인 입자상물질 등을 크게 저감할 수 있다.

④ 세탄가가 경유보다 높아 압축착화엔진에 그대로 적용이 가능하며, 경유와 20%정도 혼합 사용하는 경우에는 기존 엔진이나 연료 인프라를 그대로 사용할 수 있고 출력이나 연비 변화도 거의 문제시되지 않는다.

⑤ 윤활성이 좋기 때문에, 경유의 저황화에 따른 윤활성 저하 대책으로 사용할 수 있다.(1%첨가에 30%의 윤활성 향상)

⑥ 벤젠 등을 배출하지 않아서 독성이 적고, 생분해도가 높아서(3주 이내에 90% 이상 분해), 유출시 환경오염이 적은 등 여러 장점이 있다.

2) 단점

①경유보다 점성이 높아서 연료분사 인젝터의 막힘이나 실린더 내 카본퇴적이 증가한다.

②한냉 시 유동성 저하에 따른 냉시동성의 악화 등을 유발할 수 있다.

(4)산업 현황 및 전망

① 해외

② 국내

가.바이오 보급 실적 및 전망

(5) 문제점

- 자동차 배출가스의 유해물질 저감을 위해서는 바이오디젤의 배합비율이 높아져야 하는데 바이오디젤은 엔진을 부식 시키는 특성이 있어서 엔진의 고장을 유발할 가능성이 있다.

- 오래 저장하는 경우 변질될 위험이 있다.

- 바이오디젤을 생산하기 위해서는 많은 양의 식물자원이 필요한데, 이를 재배하기 위한 토지를 확보하기 어렵고, 기후 변화에 따라 생산량의 변동이 있어 가격의 안정성을 확보하기 어렵다는 등 사용량을 늘리는데 한계가 있다.

2) 바이오 에탄올

(1) 개요

사탕수수·밀·옥수수·감자·보리 등 주로 녹말작물을 발효시켜 차량 등의 연료 첨가제로 사용하는 바이오연료이다.

(2) 제조 과정

 대표적인 원료는 사탕수수·밀·옥수수·감자·보리·고구마 따위의 녹말 작물이다. 바이오매스 안에 있는 탄수화물을 글루코스(포도당)로 전환시킨 뒤, 다시 포도주나 양조 맥주를 발효시키는 것과 비슷한 발효과정을 거쳐 만든다.

(3) 장·단점

(4) 현황 및 사업전망

① 해외

3) 바이오 가스

(1)개요

미생물의 작용에 의하여 유기질 폐기물에서 생성되는 메탄가스. 이것을 이용하여 발전이나 열 에너지원으로 사용한다. 바이오가스 생성 시스템으로는, 소규모의 것으로 축산물 쓰레기용 메탄 발효 장치 등이 이용되고 있고, 대규모의 것으로 전력 소비량이 많은 제지·펄프 공장 등에서 이용되고 있다.

(2) 생산 원리

바이오가스 생산 공정으로 투입된 유기물은 공정운전에 손상을 줄 수 있는 이물질을 제거, 분쇄, 혼합하여 혐기성 소화조로 유입하며, 혐기성 소화조 내에서의 메탄생산 단계는 기능적으로 서로 다른 미생물에 의해 세단계로 구분된다.

첫 번째 단계 :복합 고분자 유기물이 가수분해 미생물에 의해 단순 단위화합물로 쪼개지는 가수분해(hydrolysis) 단계이고, 두 번째는 단순 단위화합물이 메탄생성의 원료로 사용되는 각종 휘발성지방산, CO2, H2를 생산하는 산생성(acetogenesis) 단계, 마지막으로 전 단계에서 생산된 산물을 이용하여 CH4를 생산하는 메탄생성(methanogenesis) 단계로 구분한다.

4)BTL 디젤

3. 바이오 에너지 기술

  1) 분류

2) 최근 바이오 기술

(1) 지금까지 바이오매스자원을 이용하여 주로 연료(eg. bio-ehyanol, hydrogen etc.)나 화학원료(eg. organic acid, other platform chemical) 생산기술은 석유자원(protrochemical feedstocks)를 이용한 화학적 합성공정에 의존하였으나 이로 인한 환경문제 및 자원고갈등의 문제가 대두되었다. 따라서 이러한 공해 유발형 및 고에너지 소비형 화학원료 생산공정을 재생가능한 자원(renewable feedstocks)인 바이오매스(biomass)를 이용한 생물공학적 발효공정으로 대체하여 탈공해 및 저공해의 청정생물공학기술(green- biotechnology)을 이룩하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

(2) 생물유기체(바이오매스)를 구성하는 탄수화물은 석유를 구성하는 탄화수소와 마찬가지로 이론적으로는 화학, 생물공학기술을 응용하여 우리 일상생활에 쓰이는 거의 모든 화학제품을 만들 수 있다.

예) 미국의 카킬사(Cargill corp.)는 네바라스카 주에 건설된 Biorefinery에서 옥수수를 원료로 Lactic acid(젖산)를 포함한 수개의 화학제품과 생분해성 플라스틱인 Polylactic Acid를 생산하기 시작 이와 같은 바이오 매스를 이용한 범용 화학제품의 생산은 비 연료유용 석유(나프타)의 소비를 절약할 뿐만 아니라 공정자체의 에너지소비를 줄일 수 있어 석유소비를 절감하며, 유화계 플라스틱 등을 대체하여 환경오염을 저감시킨다.

참고) Biorefinery 기술이란?

(목질계 바이오연료/ 및 화학원료 생산기술)

- 식물체 등 바이오매스를 원료로 BT(Bio-Technology)를 이용하여 바이오 연료류(에탄올,부탄올,아세톤 등)와 화학원료(젖산,숙신산)를 만드는 기술과 이를 실현한 플랜트를 말한다.

4. 국내 바이오 에너지 산업의 발전 방향

1) 바이오 에너지 도입에 따른 사회적 편익에 대한 가치 인식 필요

바이오 에너지를 도입하면서 화석연료 에너지 소비감소라는 직접적인 이익 이외의 사회적 편익에 대한 가치를 인식할 필요가 있다. 추가적으로 얻게 되는 사회적 편익은 농가소득증대, 온실가스 저감, 대기오염 감소, 에너지 안보 강화 등을 들 수 있다. 시장가격만을 고려하지 않고 사회적 편익까지 고려한 경제성 판단이 되어야 할 것으로 판단된다.

2) 인프라 구축과 기술 개발의 고도화

바이오 에너지를 보급하기 위해서는 바이오 연료와 화석연료를 혼합하는 혼합시설과 저장 시설설비를 위한 투자와 준비기간이 필요하다. 결국, 생산과 유통채널까지의 인프라 구축이 선행되어야 하며 경제성평가부분에서 효익이 발생 할 수 있도록 효율을 높일 수 있는 고도의 기술개발까지 필요하다. 바이오 에너지의 확대는 생산비용 낮추는 것이 관건이다.

3) 시장 메커니즘을 보완할 수 있는 인센티브 제공

상용화가 시작된 바이오 디젤의 경우 제조와 판매가 이원화됨으로써 혼합 및 판매를 담당한 정유업체에 대한 인센티브가 불충분하다. 바이오 디젤의 제조는 3개 중소기업(BDK, 에코에너텍, 3M안전개발)에서, 혼합 및 판매는 4곳 정유회사(SK, SK인천정유,GS 칼텍스, S-Oil)에서 담당하고 있는 실정이다. 소비자와 생산자는 시장가격에 따라 행동하므로 시장에 개입하여 보조금 지급이나 면세혜택을 통해서 사회적 편익에 대한 국가의 인센티브 제공이 필요하다.

4) 정부의 적극적인 바이오 에너지 활성화 대책 필요

에너지 문제와 환경문제의 해결책으로 대두되고 있는 신재생 에너지 활성화를 위한 정부의 조치가 더욱 더 강화 되어야 한다. 해외자원 개발 및 석유비축 2007년 예산은 1조 1773억원 인데 비해서 신재생 에너지 관련예산은 전력산업기반기금까지 더해서 4300억원 대에 불과하다. 2011년까지 1차 에너지 중에서 재생가능 에너지가 차지하는 비중을 5%로 확대하겠다는 정부 목표를 달성하기 위해서는 재원마련과 공공기관에 재생가능 시설 의무화 제도 등이 필요하다.

참고 사이트

1. 조선 일보, www.chosun.com

2. 중앙일보, joongang.joinsmsn.com

3. http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=codms0611&logNo=110121354921

4. http://knowhow-textcube.blogspot.kr/

5. http://blog.daum.net/8902ksh/95

6. http://racer.kemco.or.kr/html/main5_1_5.jsp

7. http://blog.naver.com/energyplanet?Redirect=Log&logNo=10138284938

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1.  소수력 발전

  (1) 정의 및 현황

- 소수력발전은 물의 유동을 이용한 시설용량 10,000㎾이하의 수력발전을 말한다.

(대체에너지개발 및 이용보급촉진법시행규칙 개정 2003. 1. 3)

주) 시행규칙 개정전에는 시설용량 3,000kW이하('82. 3 소수력개발 기본 방침)

미국 : 시설용량 15,000㎾이하

중국 : 시설용량 25,000㎾이하

- 국내 소수력발전은 '82년 이후 정부 및 에너지관리공단의 지원으로 현재까지 30여개 지역에(용량 약 43,000kW) 설치되었으며, 연간전력생산량은 약 1억 kWh에 달한다.

- 소수력발전은 전력생산 외에 농업용 저수지, 농업용 보, 하수처리장, 정수장, 다목적댐의 용수로 등에도 적용할 수 있는 점을 감안할 때 국내의 개발 잠재량은 풍부하며, 또한 청정자원으로서 개발할 가치가 큰 부존자원으로 평가받고 있다.

  (2)시스템 구성도

1) 소수력 발전 시스템

 2) 수차

  - 소수력의 가장 중요한 설비이며, 설비별 특징은 아래과 같다.

- 종류별 특징

① 펠톤 수차

- 펠턴 수차는 물의 양이 적으나 고낙차(200∼2,000m)를 얻을 수 있는 곳에 적합하다. - 작동 원리는 수압관으로 도입된 물의 유량을 제어하여 노즐을 통해 고속으로 분출시키고, 이 분류를 버킷에 부딪히게 하여 날개차를 돌려 동력을 얻는다.

②타고(Turgo) 수차

- 펠톤 수차와 같은 충동 수차이지만 버킷의 형상이 펠톤 형과 달리 분사 물 반사각도가 작다.

         - 낙차가 작고 수량이 적은 경우에 사용가능하다.

③프란시스 수차

- 수차는 50∼530m의 낙차에서 주로 쓰이는 반며, 프로펠러 수차는 3∼90m의 비교적 낙차가 작은 곳에 쓰이는데, 구조는 프란시스 수차와 같으나 날개차의 모양이 프로펠러 형태로 되어 있다.

④프로펠러(카플란) 수차

- 날개 설치 축을 회전할 수 있도록 하고, 날개의 각도가 변화하는 특징이 있다.

      - 낙차가 작고 수량이 많은 경우에 사용 가능하다.

⑤벌브(bulb) 수차

- 수차의 내부에 발전기를 내장하고 있는 것이 특징이며, 이 수차는 프랑스의 랑스(La Rance) 발전소에서 채택된 이후현재까지 30년 이상 가동되고 있어 그 실용성이 입증되고 있다.

3) 소수력 발전 분류  

풍력에너지 (Wind Energy)

1. 풍력에너지 개요

- 1891년 덴마크에서 전력공급원으로서 풍력에너지 이용이 시작됐다.

- 전 세계적으로 약47,317MW(2004년말)가 보급되어 있다.

- 풍력발전 기술의 성장 및 대형화,단지화를 통해 현재발전단가는 4c€/kWh까지 감소시킬 수 있다.

- 유럽이 시장을 선도하고 있으며, 미국과 아시아시장이 급속도로 팽창하고 있다.

- 독일, 스페인의 경우 전체전력의5%, 덴마크의 경우 전체 전력의20%를 풍력발전이 담당한다.

2.다각적 측면에서 바라본 풍력 발전

  1)풍력 에너지 잠재성

    - 가용성 측면에서 가장 풍부한 신 재생 에너지원이다.

2) 경제적 측면

         - 기술의 발달과 시장의 형성으로 발전단가는 지속적으로 낮아지고 있다.

         - 유럽의 경우 시장의 성숙으로 기존 화석연료와 경쟁 가능한 수준이다.

         - 신·재생에너지원 중 기존에너지원과 유일하게 가격경쟁력을 가진다.

1. 지구의 역사와 구조

 1) 지구의 형성과정

 약 46억 년 전에 만들어진 원시 지구의 주변에는 수많은 미행성체들이 존재했다. 지구 자체의 중력이 커지면서 지구와 미행성체들이 충돌했다. 충돌로 인해 지구는 점점 커져갔고, 지구의 온도가 올라가면서 지구 내부에 녹아 있던 무거운 금속인 철이나 니켈 등은 중심부에 모여 핵이 되었고, 상대적으로 가벼운 규산염 광물은 맨틀을 이루었다. 이후 지구의 온도가 내려가 표면이 식으면서 지각이 만들어졌다. 원시 지구와 충돌할 때 미행성체에서 배출된 물과 이산화탄소, 메탄 등의 성분은 대기를 형성했다. 시간이 흘러 충돌이 줄어들고 충돌 에너지가 감소하자 원시 지구는 점차 냉각되었고, 대기 중의 수증기가 응축하여 큰 비를 내려 지구의 바다를 이루었다.

          2) 지구의 내부 구조

우리가 살고 있는 지구는 대기로 둘러싸인 둥근 고체 안에 우의 그림과 같이 지각과 맨틀, 핵 3층 구조로 이루어져 있다. 핵은 내핵과 외핵으로 나누어진다.

① 지각 : 지구의 가장 바깥 껍질로 고체인 암석으로 이루 어져 있다. 지구 전체 부피의 약 1% 정도를 차지한다

- 현무암질층: 해양지각은 지구 전체 표면의 2/3를 차지하며 두께는 약 5~10km이다. 평균 밀도는 약 3.3g/cm3이다.

- 화강암질층: 대륙지각은 지구 전체 표면의 1/3을 차지하며 두께는 약 30~65km이다. 평균 밀도는 약 2.7g/cm3으로 해양지각 보다 낮다

       ② 맨틀 : 지구 내부의 82%를 차지할 정도로 가장 두꺼운 층이다.

       ③ 핵(내핵, 외핵)

-외핵 : S파가 통과하지 못하는 것으로 보아 액체로 이루어졌다고 생각된다. 맨틀과 외핵의 경계면을 구텐베르크면이라고 한다.-내핵 : 지진파의 속도가 빨라지는 것으로 보아 고체라고 생각된다. 외핵과 내핵의 경계면을 레만면이라고 한다. 성분은 약간의 니켈이 있는 철로 이루어져 Fe-Ni층이라고 한다.

2. 지열에너지

  1)정의 및 구분

  ① 땅(토양, 지하수, 지표수 등)이 지구 내부의 마그마 열에 의해 보유하고 있는 어네지이다

  ② 지열에너지는 온도에 따라 중, 저온(Low to Medium Temperature, 10~90℃) 지열에너지와 고온 (High      Temperature, 120℃ 이상) 지열에너지로 구분된다.

2)지열에너지 이용 기술 분류

지열에너지는 최종 생산물의 관점에 따라 직접이용(Direct Use)와 간접이용(Indirect Use) 기술로 구분된다. 열을 생산하면 직적이용이고, 전기를 생상하면 간접이용이다.

     (1)지열에너지 직접 이용 (Direct use of geothermal energy)

        ① 지열원 펌프 시스템

가. 지열에너지 직접이용은 가장 오래된 기술로서 지열 히트펌프(geothermal heat pump), 온천(spa), 건물난방 (space heating), 시설원예 난방(greenhouse heating), 지열 지역난방(geo -thermal district heating) 등이 대표적인 기술이다.나. 땅에서 중 온수(30～150℃)를 추출하여 사용자에게 직접 공급(집단에너지 개념)할 수 있으며, 또한 히트펌프나 냉동기와 같은 에너지 변한기기의 열원으로 활용 된다.다. 지열 히트펌프 시스템을 제외한 나머지 기술들은 중온수가 풍부한 지역에서 가능하기 때문에 지리적 제약이 있다.

라. 지열 히트 펌프

- 시스템 구성도 상세

- 지열 히트 펌트 특성

① 직접이용 기술 중 가장 큰 부분을 차지하는 기술로 저온(10～30℃)의 지열에너지를 효율적으로 활용하는 지열분야의 대표기술이다.② 저온의 에너지를 활용하지만, 연중 일정한 온도를 유지하기 때문에 항온성이 우수하며 지리적 제약이 없는 것이 큰 장점이다.③공기열원(air-source) 히트펌프와 구분하기 위해 지열원 히트펌프(ground-source heat pump)로 부르기도 한다.

-냉•난방 시스템 원리

난방 : 히트펌프 내부의 열교환기(증발기)를 지나는 차가운 액냉매는부동액(지중열교환기 내의 순환유체)으로부터 열을 흡수하고 증기냉매로 상변화를 하게 된다. 증발과정 후 온도가 강하된 부동액은 지열 열교환기를 순환하면서 다시 온도를 회복하게 된다. 그러한 원리로 지중열원인 히트소스(Heat Source)의 역할을 수행하며, 난방사이클을 구성한다.

냉방 : 난방사이클과는 반대로 히트펌프 내부의 열교환기(응축기)를 지니는 뜨거운 기체 냉매는 부동액(지중열교환 내의 순환유체)으로 열을 방출하고 액체냉매로 상변화를 하게 된다. 응축과정 후 온도가 상승된 부동액은 지중열교환기를 순환하면서 온도가 하강하게 된다. 이러한 원리로 지중온열을 방출하는 히트싱크(Heat Sink)의 역할을 수행하며, 냉방 사이클을 구성한다.

②지열 직접 이용 시스템의 종류

지열시스템의 종류는 대표적으로 지열을 회수하는 파이프(열교환기) 회로구성에 따라 폐회로(Closed Loop)와 개방회로(Open Loop)로 구분된다.

가. 밀폐형 시스템

 일반적으로 적용되는 폐회로는 파이프가 폐회로로 구성되어 있는데, 파이프내에는 지열을 회수(열교환)하기 위한 열매가 순환되며, 파이프의 재질은 고밀도폴리에칠렌이 사용된다. 폐회로시스템(밀폐형)은 루프의 형태에 따라 수직, 수평루프시스템으로 구분되는데 수직으로 100~150m, 수평으로는 1.2~1.8m정도 깊이로 묻히게 되며 상대적으로 냉난방부하가 적은 곳에 쓰인다.

 ㄱ. 수직형 시스템(vertical loop system)  깊이 100~150m 의 지중에 수직으로 파이프를 매설하여 지열을 얻으며 주로 소규모 냉난방 시스템에 적용되면 우리나라와 같이 면적이 좁은 지역에서는 널리 사용되며 적당한 시스템이다. 수평형 시스템보다는 시공비가 비싸나 루프의 길이가 짧고 냉난방에 효율적이다.

 ㄴ. 수평형 시스템(horizontal loop system)  운동장과 같은 큰면적만 확보되면 설치가 간단하여 가장 경제적인 시스템이다.수평으로 설치하기 때문에 파이프의 손상 등 우려가 있어 뒤채움을 철저히 하여야 하고 효율은 수직형에 비해 떨어지며 소형 시스템에 적용이 용이하다.

 ㄷ. 우물형 시스템(pond  loop system) 설치가 간단하고 경제적이나 이용 가능한 적정 넓이의  우물이 있어야 한다.

나. 오픈형 시스템(open system)  수원지나 호수 강등에서 공급받는 물을 개방형 회로를 순환하여 열교환하고 장점은 설치 비용이 저렴하고 설치 공간이 작으며 열전달 효과가 좋다. 오픈형 시스템은 풍부한 수자원이 있는 곳에 적용될 수 있으며 단점으로는 폐쇄형에 비해 유지 보수비가 많이 든다는 것이다.

   (2)지열에너지 간접 이용 (indirect use of geothermal energy)

① 땅에서 추출한 고온수나 증기(120～350℃)의 열에너지로 터빈을 구동하여 전기를 생산하는 지열발전 (geothermal power generation)이다.② 최종 생산물은 전기이며, 화산지대에서 유리하기 때문에 지리적 제약이 크다③건증기(dry steam), 습증기(wet or flash steam), 바이너리(binary), EGS(enhanced geothermal systems) 발전 등으로 구분된다.

 가. 습증기 지열발전 : 플래시증기 지열발전이라고도 한다. 이 지열방식 역시 현재 널리 보급이 된 방식이다. 터빈의 단 수에 따라 1단과 2단 습증기 지열발전으로 분류하며, 최근 에너지 이용 효율을 높이기 위해 3단 습증기방식도 도입이 되고 있다.

 나.바이너리 사이클(2유체 사이클) 지열발전은 지하에서 추출한 저온 지열수(100~120℃)가 비등점이 상대적으로 낮은 2차 유체를 증발시켜 터빈을 구동하고 있다. 2차 유체로는 냉매계열·프로판·펜탄·암모니아 등을 이용하고 있다.

 다. EGS(Enhanced Geothermal Systems) 발전은 심부 고온암체에 인공파쇄대를 형성한 후, 이 파쇄대를 통해 물을 주입하여 열을 추출하는 방식을 말한다. 물을 주입하는 수압 파쇄용 시추공, 인공 저류층 그리고 뜨거운 물을 퍼 올리기 위한 생산정 등으로 구성이 되고 있습니다. 화산지대가 아닌 지역에서도 지열 발전이 가능하기 때문에 최근 전 세계적으로 중장기 기술개발 프로젝트로 많은 관심을 받고 있다.

4) 에너지원별 효율 비교 분석

- 표에서 볼 수 있듯이 지열 발전 시스템이 운영비 측면에서 효율적임을 알 수 있다.

5) 전 세계 지열에너지 사용 현황

   (1)직접이용

① 현재 78개 국가에서 지열 직접이용 기술을 활용중이다.

② 2009년 말 기준, 지난 5년 동안 지열 히트펌프 시스템 보급용량은 2.3배(연평균 18%), 에너지 이용량은 2.45배(연평균 19.7%) 증가했다.

③ 전체 보급용량(51 GWth) 중 지열 히트펌프 시스템 보급용량은 35 GWth로 69.7% 점유한다.

④ 이용량은 215 PJ(60 TWh)로 전체 이용량(438 PJ, 122 TWh) 중 49% 점유한다.

⑤ 전 세계 78개국의 지열에너지 이용 국가 중 43개 국가에서 지열 히트펌프 시스템 보급한다.

⑥ 현재 미국, 스웨덴과 독일을 포함한 유럽 그리고 중국 등이 보급시장 주도한다.

⑦ 전 세계 보급용량을 12 kWth급 히트펌프로 환산했을 때, 약 294만대 보급. 2005년(약 130만대) 대비 2배 이상 증가했다.

▲ 활용 방식별 전 세계 지열에너지 직접이용 현황(1995~2010)

(2) 지열 간접이용 기술 활용 현황

 ① 2009년 말 기준, 전 세계 24개 국가에서 약 10,715 MWe의 용량과 연간 67,246 GWh의 발전량으로 지열발전 플랜트 운전주이다.

 ② 전체 플랜트 중 88%가 미국(3,093 MWe)·필리핀(1,904 MWe) 인도네시아(1,197 MWe)·멕시코(958 MWe)·이탈리아(843 MWe)·뉴질랜드(628 MWe)·아이슬란드(575 MWe)에 있다.

참고 사이트

1. http://www.kogea.or.kr/

2. http://energy.korea.com/ko/archives/48014

3. http://s_catharina.blog.me/30122911976

4. http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1023089&mobile&categoryId=3075

5. http://sos119002.blogspot.kr/2012/09/blog-post_3810.html

6. http://blog.naver.com/energyplanet/101399892

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나, 열받고 있다.

곰의 서식처가 위험하다.

 지구온난화의 주범은 온실가스다. 온실가스는 말그대로 지구의 표면을 온실처럼 둘러싼 채, 복사열의 방출을 가로 막아 지구를 따뜻하게 하는 기체다. 온실가스에서, 메탄은 동물의 소화작용에 의해 대부분 대출된다. 아산화질소는 주로 자동차나 공장에서 배출되며 대기오염의 주범이다. 그외 기체들은 인간편의를 위해 인공적으로 합성된 기체다.

기상청 기후변화정보센터(2005)

 세계는 지구의 온난화를 우려하여 1992년 정식으로 '기후변화협약'을 체결했다. 선진국들이 본격적인 온실가스 감축을 위해 발 벗고 나선것이다. 그때 감축 대상으로 지정된 온실가스는 이산화탄소와 메탄, 아산화질소, 수소화불화탄소, 아불화탄소, 육불화황 등 6개다. 그런데 협약 자체가 각국의 온실 가스 배출에 대한 어떤 제약을 가하거나 강제성을 띠고 있지는 않다는 점에서 법적 구속력은 없다. 대신 협약은 시행령에 해당하는 의정서(protocol)를 통해 의무적인 배출량 제한을 규정하고 있을 뿐이다. 그런데 온실가스 배출량 1~3위국인 중국, 미국, 인도가 이미 빠졌다.  미국은 자국 산업 보호를 명분으로 2001년 교토의정서를 탈퇴했고, 중국과 인도는 개발도상국으로 분류돼 감축의무가 없다. 다시 협약을 재조정 해야 한다. 

그리하여 각 당국들이 다시 모였다

 2011년 12월 남아프리카공화국 Durban에서 제 17차 유엔기후변화협약 당사국 총회가 열렸다. 총회에서 선진국의 '교토의정서 연장'이 합의되었으며, 2020년 이후부터 개도국을 포함한 모든 당사국이 온실가스 감축체계에 참여하기로 결정났다. 우리나라는 회의에서 교토의정서 연장을 지지하며, 의무감축 대상이 아닌 개도국들도 자발적인 감축이 필요하다 역설했다.

 한국도 자발적인 감축을 언급했기에, 선도적인 정책을 마련해서 추진했다. 정부는 2009년 코펜하겐 총회에 앞서 의무감축 비대상국가로는 처음으로 2020년 배출전망치(BAU)보다 온실가스를 30%감축하겠다는 계획을 발표했다. 또 개도국의 자발적인 온실가스 감축활동(NAMA)을 유엔기후변화협약 사무국에 등록하는 ‘나마 레지스트리(NAMA registry : 개도국 감축활동 등록부)’를 제안하는 등 감축 비의무국가로서의 자발적 노력을 강조해왔다.

 그리고 온실 감축을 위한 또 다른 한 가지 대안이 신 재생에너지 산업을 개발 및 성장시키는 것이다. 천연에너지를 이용하여 전기를 생산하는 것이다. 신 재생에너지 산업의 잠재 가능성은 이미 입증 되었다. 이제 어떻게 산업을 육성하고 키워서 신 재생 에너지 대국으로 발전할 것인가를 생각해야 한다.

참고 사이트

http://71hades.tistory.com/2169

http://www.hkbs.co.kr/hkbs/news.php?mid=1&r=view&uid=233300

http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=ewon33&logNo=110149334307

http://www.kemco.or.kr/up_load/pds/hongbo/l_1.pdf

http://www.kosif.org/board/bbs/board.php?bo_table=interior&wr_id=404&page=2

http://cheilstory.com/410

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1. 태양에너지(Solar Energy)

    1) 태양열의 원리 : 이용할 수 있는 지표면에 도달하는 태양에너지는 저밀도의 에너지(최대1100W/㎡)로 주간에만 존재하며, 시간에 따라 변화가 크다.

  지표면에 도달하는 태양 복사에너지는 아래 그림과 같은 파장대별 분포를 가지며, 주로 우리가 열에너지로 이용하는 파장 은 가시광선이다. 파장별 분포는 가시광선 46%, 적외선 47%, 자외선 7%이다.

   2) 지표면에 도달하는 일사광선의 형태

                  (1)직달일사: 태양으로 부터 구름이나 먼지 등에 산란되지 않고 지표면에 직접 도달되는 복사광선

                  (2)산란일사: 태양으로 부터 지구로 오는 도중에 구름이나 먼지 등에 산란되어 지표면에 도달되는

                                     복사광선

             3) 국내 일사량 분포

 좌측에 국내 연평균 일사량 지도에 따르면 목포가 가장 일사량이 많고, 진주, 광주, 대전 순이다. 그리고 우측에 정밀 태양광 자원 지도를 보면 일사량(日射量·태양의 복사 에너지가 땅에 닿았을 때의 세기)이 가장 풍부한 국내 최대의 '태양 벨트(belt)'는 경남 진주~대구~경북 안동을 잇는 길이 200여㎞에 20~60㎞ 폭으로 형성돼 있다.

         4) 세계 태양열 에너지 분포

대체적으로 북반구보다 남반구에서 일사량이 많으면,

태양열에너지를 사용하기가 좋은 지역이다.

         5) 장·단점

      2. 태양 에너지 시스템의 구성

          1) 태양열을 이용하는 시스템은 크게 설비형 태양열시스템(Active Solar System)과 자연형 태양열시

 스템(Passive Solar System)으로 구분된다.

- 태양열 시스템 : 자연형 태양열시스템은 태양열에 의해서 얻어지는 열을

이동하는 펌프나 휀(Fan)과 같은 구동장치가 없이 직접 이용하는 시스템을

- 설비형 시스템 : 열에너지로 변환된 열(열매체)을 구동 장치에 의해서 이용부로 이동되는 시스템을 의미한다.

 2) 시스템 구성도

집열부 : 태양으로 부터 에너지를 모아서 열로 변환하는 장치

축열부 : 모아진 열을 저정했다가 필요시 사용하기 위한 저장 탱크

이용부 : 축열조에 저장된 태양열을 효과적으로 공급하고 사용량 부족시 보조열원(보일러)에

의해 공급

제어장치 : 태양열을 효과적으로 집열, 축열, 공급하기 위한 조정장치

3) 온도에 따른 분류

4) 태양열 집열기

(1) 저온열 집열기

①평판형 집열기

 태양열을 저온으로 집열하는데 사용되는 평판형 집열기는 우측상단의 그림과 같다. 열손실을 줄이는 투과체(transparent cover)가 부착된 상단부와 일사광선을 흡수해서 열에너지로 변화시키는 흡수판이 있는 하단부로 구성되어 있다. 위의 단면도와 같이 상단부는, 그 하단부에는 이관이나 통로를 통해서 흡수판에 집열된 열에너지가 열매체로 전달되어 이용부나 축열조로 이송된다.

  저온열 집열기 장점은 여러 가지가 있다. 첫째, 직달 및 산란 일사 성분 모두를 집열할 수 있다. 둘째, 태양광을 추적하지 않아도 된다. 셋째, 저온에서서 집열효율이 높다. 하지만 집열온도가 높을 수록 집열 효율이 크게 저하되어 일정온도(동절기의 경우 80℃ 이상) 이상에서는 거의 집열이 되지 않는 단점도 가지고 있다.

②진공관형 집열기

 평판형 집열기와 집열 방식은 거의 동일하나 흡수판을 진공유리관 내부에 위치시켜서 대류에 의한 열손실을 없게 만든 집열기다. 그 단면과 전체 형상을 위의 그림에 나타나 있다. 현재 상용화된 진공관식 집열기는 유리관이 2중의로 되어있고 그 사이가 진공인 이중진공관식 집열기와 단일 유리관을 사용하고 그 유리관 내부 전체가 진공인 단일 진공관식 집열기(위쪽 그림의 가운데) 2종류가 있다. 위 우측의 그림은 2중 진공관식 집열기에서의 집열과정을 나태낸 그림이다.

 평판형 집열기에 비해 집열기에서의 열손실이 적고 고온에서 집열 효율이 높아 난방 뿐아니라 흡수식 냉방 등에도 적용될 수 있다.

(2)중온형 집열기

 중온형 집열기는 태양에너지를 이용하여 중.고온을 얻기 위해서는 일사광선을 집광하여 고밀도의 에너지형태로 변환시키는 집광장치(concentrator)를 포함한다. 집광형 집열기는 집광형태의 기하학적 구조에 따라 CPC, PTC(prabolic trough concentrator)형이나 parabolic dish형, Tower 형 등이 있다.

① CPC(compound parabolic concentrator) 집열기

② PTC(prabolic trough concentrator) 집열기

  이 집열기는 아래의 그림과 같이 기하학적으로 포물선형 반사체를 갖는 집열기로서 평행하게 입사하는 일사광선이 포물선 축에 초점이 맞춰지도록 해서 포물선 축에 집열관을 위치시킨 선집광형 집열기다. 이 집열기는 집열관을 중심으로 반사면이 상하로 태양을 추적되며,직달일사 만이 집열이 가능하다.

(3) 고온형 집열기

① Dish 형 집광장치

  반사면이 접시형상을 갖는 집광형 집열기가 바로 Dish 형 집광장치(접시형 안테나 형 상)로 반사체에 의해 반사된 일사광선이 한 점에 모이는 점집광형 집열기이다. 이 집열기는스터링(stirling) 엔진을 집광부에 장착하여 태양열발전용으로도 사용되고 있다.

② Solar Power Tower

 주로 태양열 발전시스템에서 사용되는 시스템으로 아래 사진과 같이 반사판(Heliostat)이 중앙있는 Tower에 집광이 되어 높은 온도를 올려서 증기터빈을 구동하여 발전을 하는 시스템이다.