신·재생에너지 1편 - 신재생에너지란? 신에너지 종류 3가지

◈ 신·재생에너지 1편(신재생에너지란? 신재생에너지 종류/장점/단점, 신에너지 종류 3가지)

재생에너지는 그 이름에서 알 수 있듯이, 화석연료와 원자력을 대체할 수 있는 무공해 에너지로 소비해도 자연적으로 다시 회복되는 에너지를 말합니다. 이는 지속 가능한 에너지 원처럼 환경에 부담을 주지 않고, 고갈의 우려가 적어 지속 가능한 세상을 위해 중요한 역할을 합니다.

현재의 에너지 소비는 전 세계적인 에너지 수요보다 부족한 공급에 따른 위기감 고조, 화석연료 중심의 에너지 소비 구조는 자원 고갈 심화 및 환경오염 등 구조적 한계에 직면하였고, 전 세계적으로 에너지원의 85%를 화석연료에 의존하고 있으며, 에너지 수요는 지속적 증가하는데 비해 화석연료 등 회복되지 않는 편중된 에너지 소비에 따른 에너지 위기 극복을 위한 지속적이고 새로운 에너지 발굴이 미래를 이끌어 가는 대안이 될 것입니다.

신재생에너지

 

한국에서는 대체에너지를 석유·석탄·원자력·천연가스가 아닌 11개 분야의 에너지로 규정하고 있다. 11개 분야는 크게 태양열·태양광발전·바이오매스·풍력·소수력·지열·해양에너지·폐기물에너지 등 재생에너지 8개 분야와 연료전지·석탄액화가스화·수소에너지 등 신에너지 3개 분야로 구분하고 있다.

여기 글에서는 신에너지 3개 분야만 소개하고  대체에너지 8개 분야는 별도의 글로 소개합니다. 

 

◇ 재생에너지의 종류

1. 대체에너지(8개 분야): 태양열·태양광발전·바이오매스·풍력·소수력·지열·해양에너지·폐기물에너지

2. 신에너지(3개 분야): 연료전지·석탄액화가스화·수소에너지

 

▶신재생에너지의 장점

① 새로운 에너지의 수단을 개발할 수 있다. 화석연료를 대체할 수 있는 국가(인류)적 에너지 원천의 다변화로 에너지 수급 (한국 에너지 수입의존도 약 97%)에 도움

② 친환경적이다. 신재생은 에너지는 지구환경에서 발생하는 자연적인 현상을 이용, 온실가스 등 환경에 대한 유해성이 미미하다.

③ 반영구적이다. 지속 가능한 발전이 가능 대부분의 신재생에너지(풍력, 태양광 등)는 지구환경으로 인한 벌어지는 자연현상으로 지구와 같은 운명체로 반영구적인 사용이 가능하다. (타 지속적인 에너지원 발굴에 한계가 상존)

④ 신재생에너지 연구, 개발에 따른 신사업으로 일자리를 창출할 수 있다.

⑤ 안전한 성장을 이룰 수 있다.

 

▶신재생에너지의 단점

① 개발 초기에 가격대비 효율성이 떨어진다. 과학적으로 100% 효율을 내는 기기는 아직 없다. 따라서 저비용 고효율은 신재생에너지의 한계에 추월해야 한다.

② 전기에너지(=부하)의 역할입니다. 우리나라 전기는 기저부하, 중간부하, 첨두부하로 운용하고 있으나 신재생에너지 대부분은 사용자가 원하는 즉시 에너지를 공급함에 즉각적 대 응(전기생산->공급)이 어려운 기술적 한계가 있습니다. 현재 우리나라는 원자력=기저부하 (기동에 시간이 많이 소요), 중간(기력, 화력 등, Cold Start 기준, 점화-전출력 : 90/250분, 대부분의 신재생은 첨두부하로 운영되고 있습니다.

③ 가장 큰 약점인 용량이 적다는 것입니다. 물론, 정부의 에너지 정책이 신재생에너지 분야를 분산전원 시스템으로 구현하고는 있으나 이 역시 기술적인 한계로 인하여 대용량 Plant를 짓지 못하고 있습니다. 다만, 바이오 신재생은 대용량화를 어느 정도는 구현하고 있습니다. (외국사례)

④ 에너지 가격(전력생산단가)입니다. 에너지 가격이 너무 비싸 소비가가 원하는 가격에 절충이 어렵습니다. 최근(2-3년 전) 국내기업들이 태양광은 많이 지은 것도 높은 가격(정부 지원금 등)을 인정받기 위해 서둘러 졌습니다. 그런 면에서 바이오에너지는 다소 경제성이 있는 편이기도 하다.

⑤ 현재 국내 바이오 분야는 아직도 생소한 분야입니다. 현재 한전 전력그룹사 일부 회사에서 바이오 대형화 발전소 건설 등을 검토 중인 것으로 알고 있다. 

 

※ 신에너지 3개 분야(자료: 한국에너지 공단)

1. 석탄액화가스화

▶ 석탄(중질잔사유)가스

가스화 복합발전기술(IGCC:Integrated Gasification Combined Cycle)은 석탄, 중질잔사유 등의 저급원료를 고온·고압의 가스화기에서 수증기와 함께 한정된 산소로 불완전연소 및 가스화시켜 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스를 만들어 정제공정을 거친 후 가스터빈 및 증기터빈등을 구동하여 발전하는 신기술

 

▶ 석탄액화

고체 연료인 석탄을 휘발유 및 디젤유 등의 액체연료로 전환시키는 기술로 고온 고압의 상태에서 용매를 사용하여 전환시키는 직접액화 방식과, 석탄가스화 후 촉매상에서 액체연료로 전환시키는 간접액화 기술이 있음

 

▶ 특징 및 시스템 구성

단  점	장  점
· 소요 면적이 넓은 대형 장치산업으로 시스템 비용이 고가이   므로 초기 투자비용이 높음 · 복합설비로 전체 설비의 구성과 제어가 복잡하여 연계시스템   의 최적화, 시스템 고효율화, 운영 안정화 및 저비용화가 요구	· 고효율 발전 · SOx를 95%이상, NOx를 90% 이상 저감하는 환경친화기술 · · 유지보수가 용이, 무인화 가능 · 다양한 저급연료(석탄, 중질잔사유, 폐기물 등)를 활용한 전기   생산 가능, 화학플랜트 활용, 액화연료 생산 등 다양한 형태의   고부가가치의 에너지화

 

▶ 시스템 구성도

석탄이용기술은 가스화부, 가스정제부, 발전부 등 3가지 주요 Block과 활용 에너지의 다변화를 위해 추가되는 수소 및 액화연료부 등으로 구성됨.

석탄액화가스화 기술

 

▶ 기술의 분류

 석탄가스화기술

석탄을 고온·고압 상태의 가스화기에서 한정된 산소와 함께 불완전연소시켜 CO와 H2가 주성분인 합성가스를 생성하는 기술로 전체 시스템 중 가장 중요한 부분으로 석탄 종류 및 반응조건에 따라 생성가스의 성분과 성질이 달라지며 건식가스화 기술과 습식가스화 기술이 있음

석탄가스화 기술

가스정제공정

생성된 합성가스를 고효율 청정발전 및 청정에너지에 사용할 수 있도록 오염가스와 분진(H2S, HCl, NH3 등) 등을 제거하는 기술

가스정제공정

 

가스터빈 복합발전 시스템(IGCC)

정제된 가스를 사용 1차로 가스터빈을 돌려 발전하고, 배기 가스열을 이용하여 보일러로 증기를 발생시켜 증기터빈을 돌려 발전하는 방식

수소 및 액화연료 생산

연료전지의 원료로 사용할 수 있도록 합성가스로부터 수소를 분리하는 기술과 생성된 합성가스의 촉매 반응을 통해 액체연료인 합성석유를 생산하는 기술

 

2. 수소에너지

▶ 수소에너지 기술

풍력은 바람에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 발전 기술

 

▶ 특징 및 시스템 구성

⊙ 수소에너지기술은 물, 유기물, 화석연료 등의 화합물 형태로 존재하는 수소를 분리, 생산해서 이용하는 기술

  - 수소는 물의 전기분해로 가장 쉽게 제조할 수 있으나 입력에너지(전기에너지)에 비해 수소에너지의 경제성이 너무 낮으

    므로 대체전원 또는 촉매를 이용한 제조기술 연구

    * 에너지보존법칙상 입력에너지(수소생산)가 출력에너지(수소이용)보다 큰 근본적인 문제가 있음.

⊙ 수소는 가스나 액체로 수송할 수 있으며 고압가스, 액체수소, 금속수소화물 등의 다양한 형태로 저장 가능함

 - 현재 수소는 기체상태로 저장하고 있으나 단위 부피당 수소저장밀도가 너무 낮아 경제성과 안정성이 부족하여 액체 및

   고체저장법을 연구 중

 

▶ 수소에너지시스템

▶ 기술별 기술개발 내용

대  분  류	중  분  류	기술개발내용
제조	물로부터 수소제조 (세계적으로 연구단계임)	전기분해(SPE, 태양광, 풍력 등 대체전원이용 등)
		저온열분해(산화물, ,유황화합물, 염화물, 불화물, 요드화물 등)
		광촉매(금속산화물, 페롭스카으트, 제올라이트 등)
		바이오(광합성 직·간접, 협기발효, 광합성 발효 등)
	화석연료로부터 수소제조	수증기개질(상용화 되어 있음)
		플라즈마 개질(반응기, 플랜트 건설) → 미국
		고온열분해(이론정립, 촉매, 반응기) → 미국 개발단계
	수소정제	고순도 수소 제조(PSA, MH이용 등) → 선진국 기술확립

저장	물리적저장	기체저장(상용화 되어 있음)
		액체저장(저장용기, 극저온 연구 등) → 독일 상용화
		고체저장(재료, 고용량저장, 무게 등) → 일부 상용화
		CNT(재료, 합성, 공정기술 등) → 선진국 개발단계
	화학적저장	CO2이용 메탄올, 에탄올 합성(상용화 되어 있음)
이용	이용	가정(전기, 열), 산업(반도체, 전자, 철강 등) 수송(자동차, 배, 비행기)→ 수소의 제조, 저장기술이 확립되지 않아 실용화된 사례가 없음
	안전대책	역화방지 등

 

3. 연료전지

수소를 연료로 전기를 생산하는 장치입니다. 연료전지는 공해와 소음이 없기 때문에 앞으로 수소 에너지와 더불어 미래의 에너지 장치로 사랑받을 것입니다.

 

▶ 연료전지 개요

연료전지(fuel cell)란 연료가 가진 화학에너지를 전기화학반응을 통해 직접 전기에너지로 바꾸는 에너지 변환 장치로서, 배터리와는 달리 연료가 공급되는 한 재충전 없이 계속해서 전기를 생산할 수 있고, 반응 중 발생된 열은 온수생산에 이용되어 급탕 및 난방으로 가능하다.

 

▶ 연료전지 원리 및 구조

개질기

화석연료인 천연가스(LFG), 메탄올, 석탄, 석유 등을 수소 연료로 변환시키는 장치

스택

수소로 부터 전기를 생성하는 발전부 전력변환기 연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하는 교류전기(AC)로 변환시키는 장치

폐열회수장치

폐열을 회수하여 급탕 또는 온수를 공급해주는 장치

 

▶ 연료전지 기술

연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술 H2+ 1/2O2→ H2O + 전기 생성물이 전기와 순수(純水)인 발전효율 30~40%, 열효율 40% 이상으로 총 70~80%의 효율을 갖는 신기술임

 

▶ 연료전지의 종류                                                                                                 (* 전해질 종류에 따라 연료전지를 구분)

 * AFC(Alkaline Fuel Cell), PAFC(Phosphoric Acid FC), MCFC(Molten Carbonate), SOFC(Solid Oxide),PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane), DMFC(Direct Methanol) → 순서대로 기술발전 단계임

 

▶ 시스템 구성도

⊙ 개질기(Reformer)

 - 화석연료(천연가스, 메탄올, 석유 등)로 부터 수소를 발생시키는 장치

 - 시스템에 악영향을 주는 황(10ppb이하), 일산화탄소(10ppm이하) 제어 및 시스템 효율향상을 위한 compact가 핵심기술

 

⊙ 스택(Stack)

 - 원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십장, 수백장 직렬로 쌓아 올린 본체

 - 단위전지 제조, 단위전지 적층 및 밀봉, 수소공급과 열회수를 위한 분리판 설계·제작 등이 핵심기술

 

⊙ 전력변환기(Inverter)

 - 연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하는 교류(AC)로 변환시키는 장치

 

⊙ 주변보조기기(BOP: Balance of Plant)

 - 연료, 공기, 열회수 등을 위한 펌프류, Blower, 센서 등을 말하며, 연료전지에 특성에 맞는 기술이 미비함

 

▶ 각 연료전지 발전 현황

⊙ 알칼리형(AFC : Alkaline Fuel Cell)

 - 1960년대 군사용(우주선 : 아폴로 11호)으로 개발

 - 순 수소 및 순 산소를 사용

 

⊙ 인산형(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell)

 - 1970년대 민간차원에서 처음으로 기술개발된 1세대 연료전지로 병원, 호텔, 건물 등 분산형 전원으로 이용

 - 현재 가장 앞선 기술로 미국, 일본에서 실용화 단계에 있음

 

⊙ 용융탄산염형(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell)

 - 1980년대에 기술개발된 2세대 연료전지로 대형발전소, 아파트단지,대형건물의 분산형 전원으로 이용

 - 미국, 일본에서 기술개발을 완료하고 성능평가 진행 중(250㎾ 상용화, 2MW 실증)

 

⊙ 고체산화물형(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)

 - 1980년대에 본격적으로 기술개발된 3세대로서, MCFC보다 효율이 우수한 연료전지, 대형발전소, 아파트단지 및 대형건물의 분산형 전원으로 이용

 - 최근 선진국에서는 가정용, 자동차용 등으로도 연구를 진행하고 있으나 우리나라는 다른 연료전지에 비해 기술력이 가장 낮음

 

⊙ 고분자전해질형(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane)

 - 1990년대에 기술개발된 4세대 연료전지로 가정용, 자동차용, 이동용 전원으로 이용 가장 활발하게 연구되는 분야이며, 실용화 및 상용화도 타 연료전지보다 빠르게 진행되고 있음

 

⊙ 직접메탄올연료전지(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell)

 - 1990년대 말부터 기술개발된 연료전지로 이동용(핸드폰, 노트북 등) 전원으로 이용

 - 고분자전해질형 연료전지와 함께 가장 활발하게 연구되는 분야임