며느리도 모른다는 11대 '신재생에너지' 총정리!

주말 내내 비가 오더니 오늘도 비로 시작하고 있습니다. 사무실 창밖으로 주룩주룩 내리는 비를 바라보니 지난 주말 방바닥을 뒹굴뒹굴 해야 했던 아픈 추억이 다시금 생각나는데요. 그래도 토요일 늦은 밤, 맥주 한 캔과 함께했던 영화 '아바타'의 감동은 아직도 생생하기만 합니다.(아무리 비가 오고 하늘이 우중충해도 이렇게 여유로운 주말을 보낼 수 있으니, 그리고 주말 내내 에너지 충전을 해왔으니 다시금 활기찬 월요일은 맞이할 수 있는 것 아닐까요? ^^*)

작년 개봉해 엄청난 인기를 끌며 3D로 제작되었던 화제의 그 영화, '아바타(Avatar)' 기억나시나요? 영화를 보는 내내 감독의 상상력에 박수를 보내며 뛰어난 CG 덕분에 눈을 떼지 못하고 재미있게 봤던 기억이 있는데요, 그래서인지 다시 봐도 질리지가 않더라구요. 영화는 그리 멀지 않은 미래, 지구의 에너지 고갈 문제의 심각성을 보여주며 시작되죠. 이 때문에 '아바타 프로그램'이 기획되고, 대원들은 외계의 행성인 '판도라'에 파견되어 대체 에너지를 찾는 임무에 파견됩니다.

                                                                                                     (사진출처 / 영화 아바타 캡쳐)

하지만 '아바타 프로젝트' 팀이 몰랐던 점이 있었으니!

고갈되어 가는 화석연료를 대체할 수 있는 다양한 신·재생 에너지가 지구 곳곳에 다양한 형태로 매장되어 있다는 것입니다. 세계각국은 잠재적인 에너지원들을 개발하고 활성화학 위해 노력하고 있는데요, 우리나라의 경우도 예외는 아닙니다.

  

우리나라는 8개 분야의 재생에너지(태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지)와 3개 분야의 신에너지(연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지), 총11개 분야를 신재생에너지로 지정하고 있습니다. 이에 대한 정의와 장.단점에 대해 이해하기 쉽도록 내용을 정리하여 보았습니다.

 

1. 태양광 발전[ solar photovoltaic, 太陽光發電 ]  

태양 에너지에 의한 발전 기술의 하나. 태양의 빛 에너지를 태양 전지라는 광전 변환기를 써서 직접 전기 에너지로 변환시켜 이용하는 것입니다. 이는 부분적으로 빛을 이용하는 것이기 때문에 흐린 날에도 이용이 가능해요. 그러니 태양 에너지의 이용 효율이 열발전보다 높겠죠?

태양 에너지에 의한 발전 기술에는 이 밖에도 태양열 발전이 있는데, 이는 태양열을 모아 물을 데운 후 증기기 터빈을 돌려 발전하는 것입니다. 또한 태양 전지를 이용하여 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 시스템으로, 반도체 소자에 의한 발전 방식이기 때문에 보수가 쉽고, 소규모에서 대규모까지의 발전이 모두 가능합니다.

태양광 발전의 기본 원리는 p형 반도체와 n형 반도체의 접합으로 구성된 태양 전지에 태양광이 비치면 전자와 정공이 이동하여 n층과 p층을 가로질러 전류가 흐르게 되며, 이 때 발생하는 기전력에 의해 전류가 흐르게 됩니다. 태양 전지는 단위 용량으로 직·병렬 연결되어 기후와 같은 자연 조건에 영향을 받지 않도록 단단한 재료와 구조로 만들어진 태양 전지 모듈(module)로 상품화됩니다.

2. 태양열발전[ solar thermal power generation, 太陽熱發電 ]

태양열 발전은 태양열을 모아 고온의 공기, 수증기를 만들어 터빈을 돌려 발전하는 시스템입니다. 집열방식에는 곡면집광방식과 타워집광방식의 두가지가 있는데, 두 가지 모두 거울면을 사용해 태양광선을 집열기에 집광시킵니다. 빛을 열로 변환하는 집열기에서는 급수되는 물을 가열해 증기화하고, 축열조를 거쳐 터빈으로 보내게 됩니다. 그 뒤의 발전과정은 종래의 화력발전과 같습니다. 미국 캘리포니아주 모하베사막에 1만kw의 미러필드형(타워집광방식)발전소가 있습니다.

 

 

3.바이오메스[ Biomass Energy ]  

바이오매스는 나무가 주된 에너지원이던 19세기까지 전세계에서 가장 많이 사용된 에너지원으로 지금도 저개발국가에서는 에너지의 상당 부분을 바이오매스가 공급하고 있습니다. 바이오매스는 아직도 풍부하게 존재하는데, 나무뿐만 아니라 곡물, 식물, 농작물 찌꺼기, 축산분뇨, 음식 쓰레기 등이 모두 바이오매스로서 에너지 생산에 이용될 수 있습니다.

바이오매스는 나무처럼 가공하지 않은 형태로 손쉽게 열을 생산하는 데 이용될 수도 있고, 가공하여 메탄올, 에탄올, 바이오디젤유 등의 액체 연료와 수소나 메탄 같은 기체 연료 등의 바이오연료(biofuel)를 얻어 자동차 연료나 발전용, 난방용 연료로 이용하는 것도 가능합니다. 쉽게 말해 축산농가에서 나오는 가축들의 매설물이나 쓰레기장의 쓰레기가 썩으면서 발생하는 메탄이나 기타 가스를 태워서 발전이나 난방에 사용하는 방법입니다.

 

4. 풍력발전[風力發電, wind power generation]  

풍력발전기는 바람의 에너지를 전기에너지로 바꿔주는 장치로서, 풍력발전기의 날개를 회전시켜 이때 생긴 날개의 회전력으로 전기를 생산합니다. 풍력발전기는 날개, 변속장치, 발전기로 구성되어 있습니다.

 

5. 소수력발전[Small Hydropower]  

소수력 발전은 하천내에서(run-of- river) 위치에너지에 의해 작은 규모의 물로 부터 운동에너지를 만들고 이를 전기에너지(대체로 20MW이하)로 바꾸어 전기를 얻는 발전을 의미합니다. 일반적인 수력발전은 큰 다목적 댐의 수두차에 의해서 에너지를 얻습니다.

 

6. 지열에너지[ Geothermal Energy ] 

지열은 지하의 물체가 갖는 열을 말합니다. 지구가 생성될 때부터 존재하던 열로, 아직 방열되지 않은 상태이거나 우라늄/토륨 같은 방사선원소의 붕괴에 의하여 생기는 것이죠. 일본과 같이 화산이 많은 고온 지열 지대는 지하에 용융암석의 활동에 의한 것으로, 여기에 물을 주입하여 증기를 생산하고 이것으로 증기터빈을 돌려서 발전에 이용할 수가 있는데, 이런 시스템을 지열발전소라고 합니다.

보통 화산이 없는 지대에서는 약 3000미터 지하로 들어가면 섭씨 100도 정도가 되지만, 지역에 따라서는 이보다 온도가 높을 수도 있습니다. 파리 같은 곳에서는 약 1500미터 정도에서 약 70도 전후의 열을 퍼올려 지역난방에 이용한다고 하네요.

 

7. 해양에너지[海洋─, ocean energy]

해양에너지는 파랑, 조석, 조류, 해류, 해수의 온도차에 의한 에너지입니다. 파력발전·조력발전·조류발전·해양온도차발전 등을 통해 이용되고 있고. 조수간만의 차 혹은 파도를 이용하거나 해양의 온도차를 이용하는 방법도 있습니다. 하지만 주로 파력(波力)발전·조력발전·조류발전·해양온도차발전 등을 통해 이용되고 있죠.

파력발전(wave activated power generation)은 파도에 의한 해면의 상하운동을 이용한 것입니다. 해안선에 발전장치를 설치하는 고정식과 근접한 바다에 발전장치를 계류시키는 부체식(浮體式)의 두 종류로 나뉘죠.

조석발전(tidal power generation)은 달이나 태양의 인력에 의해서 생기는 조석에너지를 이용하는 것입니다. 구체적으로 만(灣) 내에 댐을 설치하여 밀물과 썰물 사이의 낮은 낙차를 이용하는데, 프랑스의 랭스조력발전소(발전출력 24만 Kw)가 유명하죠.

이에 반해 조류발전은 밀물과 썰물로 생기는 조류를 이용하는 것입니다. 하지만 방대한 조류의 에너지에도 불구하고, 낮은 단위밀도와 발전장비 설치에 필요한 대규모 토목공사 등의 난관 때문에 이를 실용화하는데는 기술적인 어려움이 많습니다.

해양온도차발전(ocean thermal energy conversion)은 표층과 심층의 해수의 온도차를 이용하여, 암모니아 등의 작동유체(作動流體)로 터빈을 돌려 발전하는 방식입니다. 나우루나 하와이주 등에서 실용화를 위한 연구가 진행되고 있죠. 앞으로 발전 뿐 아니라 영양염이 풍부하고 잡균이 적은 심층수를 어류양식 등에 사용할 수 있을 것으로 기대되는 잠재력이 큰 에너지원입니다.

 

8. 폐기물 에너지[ Waste to Energy ]

폐기물 에너지는 소각, 매립방법 외에 처리가 쉽지 않은 합성고분자 화합물인 혼합폐플라스틱과 폐유 등을 비촉매 저온밀폐식 액상열분해 반응원리 응용기술로 해결하는 방법과 장치기술(The Processing of Gasoline and Diesel from Waste Plastic & Waste Oil)입니다.

여기서 비촉매 저온밀폐식 액상열분해 반응원리 (炭化水素工程原理)란, (Mechanism of Non-Catalytic Cracking Reaction : N.C.C.R process) 촉매없이 공기와 산소가 차단된 상태에서 온도 350 - 500℃, 압력 200 ~ 400 M.bar 하에서 저온의 열을 계속 가하여 합성고분자물질이 저분자물질로 액상화된 것을 Cracking하는 열분해 반응원리입니다. 다시 말해 사업장, 가정에서 발생되는 가연성 폐기물 중 에너지 함량이 높은 폐기물을 열분해 하여 고체연료, 액체연료, 가스연료, 폐열 등을 생산하고, 이를 산업활동에 필요한 에너지로 이용될 수 있도록 재생하는 기술입니다.

 

9. 연료전지[燃料電池, fuel cell]  

연료전지는 수소를 공기중 산소와 화학반응시켜 전기를 생성하는 미래 동력원입니다. 연료의 산화(酸化)에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 것이죠. 물을 전기분해하면 수소와 산소로 분해되는 것 아시죠? 반대로 수소와 산소를 결합시켜 물을 만들면 이때 발생하는 에너지를 전기 형태로 바꿀 수 있게 됩니다. 연료전지는 바로 이 원리를 이용한 거랍니다.

연료전지의 구성은 전해물질 주위에 서로 맞붙어있는 두 개의 전극봉으로 구성돼 있으며, 공기중의 산소가 한 전극을 지나고 수소가 다른 전극을 지날때 전기 화학반응을 통해 전기와 물, 열을 생성합니다. 화학적 반응에 의해 전기를 발생시킨다는 점에서 배터리와 비슷하죠? 하지만 연료전지는 반응 물질인 수소와 산소를 외부로부터 공급 받으므로, 배터리와는 달리 충전이 필요 없고 연료가 공급되는 한 지속적으로 전기를 발생시킨다는 장점이 있습니다.

또 연료의 연소반응 없이 에너지를 발생시키기 때문에 기존의 내연기관과 달리 유독공해물질의 배출이 없고 이산화탄소배출량도 획기적으로 줄일 수 있으며 소음이 거의 없습니다. 에너지효율도 50%로 기존의 내연기관 30%보다 높습니다.

 

10. 석탄/액화가스화 

(1) 석탄 가스화

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 기술입니다.

 

(2) 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 기술입니다.

 

 11. 수소에너지[水素─, hydrogen energy]

수소에너지기술은 물, 유기물, 화석연료 등의 화합물 형태로 존재하는 수소를 분리, 생산 해서 이용하는 기술입니다. 수소는 물의 전기분해로 가장 쉽게 제조할 수 있으나 입력에너지(전기에너지)에 비해 수소에너지의 경제성이 너무 낮으므로 대체 전원 또는 촉매를 이용한 제조기술을 연구 중에 있습니다.

수소는 가스, 액체로서 수송할수 있으며 고압가스, 액체수소, 금속수소화물 등의 다양한 형태로 저장 가능합니다. 현재 수소는 기체상태로 저장되지만, 단위 부피당 수소저장밀도가 너무 낮아 경제성과 안정성이 부족하기 때문에 액체 및 고체저장법을 연구 중입니다.

사진출처: 플리커(martin_morris, Colt Group, David W. Siu,Agronne National Laboratory, Duke Energy, LHOON)

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조현수 l 한화63시티 운영팀 대리 안녕하세요. 한화63시티 운영팀 조현수 대리입니다. 빌딩에 관련된 전기와 통신설비 운영이 제 업무입니다. 블로그에서는 빌딩에 꼭 필요한 전기, 통신시설 운영 및 사고 시 대처요령을 알려드리겠습니다.