친환경기계공학 서울대학교기계항공공학부차석원안성훈
이번시간에는! 지구를살리는신재생에너지 지속가능한제조기술
지구를살리는신재생에너지 : 우리에게에너지는? 서울대학교기계항공공학부차석원
[ 학습목차 ] 에너지현황 기존에너지원의장점 기존에너지원의문제점 에너지의중요성 자료준비 : 서울대학교차석원교수님연구실
전세계에너지원별소비율 1. 에너지현황 #1
1. 에너지현황 화석연료 #2 천연가스 #3 석유 #4 석탄
1. 에너지현황 원자력에너지 #5 화력, 원자력발전이국내총발전량의약 97% 차지
2. 기존에너지원의장점 화력발전 단기간에저렴하게발전소건설가능 전력수요에따라탄력적으로발전용량대응가능 대도시와가깝게발전소배치가능 원자력발전 환경오염물질배출없음 매우저렴한발전비용 큰규모의전력을안정적으로발전 #6
3. 기존에너지원의문제점 화력발전 화석연료가격이발전단가에영향 환경오염물질배출 원자력발전 방사능폐기물처리문제 발전소에사고발생시심각한재앙 원자로냉각수배출시고온으로인한바다생태계파괴문제 #7
4. 에너지의중요성 국가안보와직결 환경문제와연관 기술, 경제적측면 + 사회, 정치적측면 R&D를통한기술수준극복필요 #8
#1 전세계에너지소비율그래프, https://en.wikipedia.org/ #2 LNG선, https://en.wikipedia.org/ #3 석유시추시설, https://pixabay.com/ #4 석탄채굴, https://en.wikipedia.org/ #5 원자력발전소, https://en.wikipedia.org/ #6 화력발전소, https://en.wikipedia.org/ #7 체르노빌원전사고, https://commons.wikimedia.org/ #8 전구, https://pixabay.com/ 자료출처
지구를살리는신재생에너지 : 신재생에너지의종류와소개 서울대학교기계항공공학부차석원
[ 학습목차 ] 신재생에너지종류 풍력발전 소수력발전 바이오에너지 지열에너지
1. 신재생에너지종류 #1 풍력 #2 소수력 #3 바이오 #4 지열 친환경적, 연료비가들지않거나저렴
원리 바람의힘으로블레이드를돌리면연결된제너레이터가작동하며발전 장점 연료비가들지않음 현존하는목장이나농장에설치가능 2. 풍력발전 단점 날씨의영향을많이받음 초기투자비용 ( 건설비 ) 이많이듦 발전량이많지않음 #5
3. 소수력발전 분류 Small hydroelectric power: 1~ 수십 MW Mini hydroelectric power: 100~1000 kw Micro hydroelectric power: 5~100 kw Pico hydroelectric power: ~5kW 장점 댐이없어환경에끼치는영향최소화 물이흐르는곳이면어디든설치가능 송전이힘든낙오지역에서발전용이 단점 강 하천설치시어족통로차단 #6
4. 바이오에너지 바이오매스발전 폐목재, 낙엽, 작물수확후남은부산물등을태워발전 바이오가스발전 소배설물이나매립된쓰레기에서나오는메탄가스등을태워발전 장점 환경오염여지가있는배설물, 부산물등을이용해발전하여효율적 단점 이산화탄소배출 독성가스배출및가스폭발위험 #7
5. 지열발전 원리 화산지대의뜨거운지열을이용해물을가열하여터빈을돌려발전. 터빈을통과한물은응축하여다시지하에주입 장점 연료비가들지않고부산물이없음 날씨영향을안받음 단점 발전소건설비용 발전가능한지역 ( 화산지대 ) 이제한적 깊은지하로부터유독가스, 온실가스또는독성물질등분출가능성 #8
자료출처 #1 풍력발전소, https://commons.wikimedia.org/ #2 소수력발전소, https://en.wikipedia.org/ #3 바이오에너지발전소, https://it.wikipedia.org/ #4 지열발전소, https://commons.wikimedia.org/ #5 풍력발전기분해도, https://en.wikipedia.org/ #6 소수력발전시스템, https://en.wikipedia.org/ #7 바이오발전시스템, https://commons.wikimedia.org/ #8 지열발전시스템, https://en.wikipedia.org/
지구를살리는신재생에너지 : 태양에너지를이용한신재생에너지 서울대학교기계항공공학부차석원
[ 학습목차 ] 태양광? 태양열? 태양광 / 태양열발전현황 태양광발전 태양열발전
1. 태양광? 태양열? 태양광발전 Solar Photovoltaic Power Plant #1 태양열발전 Solar Thermal Power Plant #2
발전비율 2. 태양광 / 태양열발전현황 태양광 / 태양열합쳐전세계발전량의 1.05% 차지 (2015 년기준 ) International Energy Agency 에서 2050 년에는태양광과태양열발전이세계전기소비에서각각 16% 와 11% 로예상 태양광발전은수십년전부터꾸준히사용 태양열발전은 10 년새급성장 #3
3. 태양광발전 원리 광전효과 (Photovoltaic effect) 를이용해태양광으로부터전기생산 태양전지, 축전지및전력변환장치등으로구성 #4 특징 발전기가따로필요없음 소형발전모듈부터대형발전소까지다양한규모가능 날씨영향을크게받음 #5
3. 태양광발전 보급의걸림돌이었던태양광전지의가격이많이저렴해져보급확산 태양광전지효율도과거에비해많이개선됨 #6 #7
4. 태양열발전 원리 태양열을한곳에집중하여물을가열해수증기로터빈을돌려발전 태양열을이용한다는것외에는화력발전과같은발전원리 특징 태양광발전에비해비싼건설비 열을다른형태로저장하여 24 시간발전가능 태양광조사량이많은사막지역에설치 & 대규모 (50MW 이상 ) 로지어야경제적 사막생태계파괴우려 #9 #8
자료출처 #1 태양광발전소, https://pixabay.com/ #2 태양열발전소, https://en.wikipedia.org/ #3 전세계태양에너지발전량그래프, https://en.wikipedia.org/ #4 태양광전지, https://en.wikipedia.org/ #5 태양광발전시스템, https://commons.wikimedia.org/ #6 태양광전지연도별가격그래프, https://en.wikipedia.org/ #7 제조사별태양광전지효율그래프, https://commons.wikimedia.org/ #8 태양열발전타워, https://en.wikipedia.org/ #9 태양열발전종류, https://commons.wikimedia.org/
지구를살리는신재생에너지 : 수소와연료전지 서울대학교기계항공공학부차석원
[ 학습목차 ] 수소경제 수소경제전환전망 수소생산 / 저장기술 연료전지란? 연료전지종류및특징
1. 수소경제 신재생에너지발전을통해얻은전기로수소생산 연료전지발전소혹은수소충전소에공급 #1
1. 수소경제 과도기 ( 현재 ) 화석연료 발전소제철소 천연가스 석 탄 석유 / 잔사유 CO 2 수증기개질 화학적수소저장 (CO 2 활용 ) 열 분 해 가 스 화 열분해 수소 연료전지 원자력 물 고온전기분해 전기분해 풍력 태양광 광분해 생물학적분해 유기성폐기물 물리적수소저장 ( 합금, LH 2, CNT, 고압가스 ) 장기 신 재생에너지 발전용가정용수송용휴대용
2000 2040 2030 2010 2. 수소경제전환전망 미국에너지부 (DOE) 의수소경제타임라인 Strong Government R&D Role Strong Industry Commercialization Role Transitional Phases Phase I RD&D I I. Technology Development Phase Commercialization Decision Phase II Transition to the Marketplace II II. Initial Market Penetration Phase Phase III Expansion of Markets and Infrastructure III III. Infrastructure Investment Phase Phase IV 2020 Realization of the Hydrogen Economy IV IV. Fully Developed Market and Infrastructure Phase #2
국내수소경제장기로드맵 2. 수소경제전환전망 2010 2020 2030 2040 기술개발단계 도입단계 상용화단계 저가화, 고효율화, 내구성향상을위한지속적인 Up-Grade 수소이용 ( 연료전지 ) 2020 년도입목표 연료전지차량 195 만대발전용연료전지 2GW 가정용연료전지 75 만대 2040 년도입목표 연료전지차량 1,250 만대발전용연료전지 17GW 가정용연료전지 350 만대 수소제조 천연가스, 여유전력, 부생가스 2020 년도입목표총수소량중신 재생에너지비중 22% 석탄, 원자력.. 신 재생에너지 2040 년도입목표총수소량중신 재생에너지비중 60%
전세계수소제조원비율 3. 수소생산 / 저장기술 원료천연가스석유석탄전기분해 비율 48% 30% 18% 4% 수소생산기술 1 - 천연가스수증기개질법 천연가스와수증기를고온 (700~1000 ) 가열하면니켈촉매에의해발생하는발열반응에의해분해 CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 일산화탄소는약 360 의더낮은온도에서수성가스전화반응 (water gas shift reaction) 을통해추가적으로수소생성 CO + H 2 O CO 2 + H 2
3. 수소생산 / 저장기술 수소생산기술 2 - 나프타열분해법 국내에서가장많이쓰이는수소생산기술 제조원리는천연가스수증기개질과비슷 수소생산기술 3 - 물전기분해법 국내에서가장많이쓰이는공정 물을수소와산소로전기분해하여생산 비싼공정과정이기때문에재생에너지발전을통한전기로생산 종류 : Solid Oxide Electrolysis Cells (SOECs) Polymer Electrolyte Membrane Cells (PEM) Alkaline Electrolysis Cells (AECs)
3. 수소생산 / 저장기술 수소저장기술 1 - 액체저장 극저온 (-252 ) 요구 기화방지위해철저한단열필요 부피적게차지 수소저장기술 2 - 기체저장 가장보편적인저장방법 고압 (350~700 bar) 요구 액체저장보다부피가큼 수소저장기술 3 - 수소저장합금 가장안전한저장방법 저장효율이높지않아큰부피차지 #3 #4
원리 특징 수소와산소를합성하여발생하는전기와물로발전 배출물질이물밖에없음 4. 연료전지란? 출력밀도 ( 부피또는무게당출력 ) 가높음 기계적으로구동하는부품이없어소음 / 진동없음 화학연료 전기에너지로바로변환해효율이높음 (cf. 내연기관 : 화학연료 열에너지 기계에너지 전기에너지 ) #5
5. 연료전지종류및특징 양이온교환막연료전지 (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFCs) 연료전지자동차에서쓰는방식으로가장보편적으로쓰임 작동온도가낮음 ( 약 80 ) 낮은작동온도로인해고성능촉매 ( 백금, Pt) 필요 백금가격으로인해제조단가가비쌈 #6 반응식 Anode: H 2 2H + + 2e Cathode: 1 O 2 2 + 2H + + 2e H 2 O Overall: H 2 + 1 O 2 2 H 2
5. 연료전지종류및특징 고체산화물연료전지 (Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs) 작동온도가매우높음 (600~1000 ) PEMFC 와다르게전해질에서산소이온전도 높은작동온도로백금아닌다른촉매사용가능 #7 반응식 Anode: H 2 + O 2 H 2 O + 2e Cathode: 1 2 O 2 + 2e O 2 Overall: H 2 + 1 2 O 2 H 2 O
자료출처 #1 수소경제모식도, http://blog.daum.net/windada11/8766747 #2 DOE 수소경제타임라인, https://en.wikipedia.org/ #3 혼다 Clarity 액체수소저장탱크, https://en.wikipedia.org/ #4 수소저장합금스쿠터, https://commons.wikimedia.org/ #5 연료전지모식도, https://en.wikipedia.org/ #6 PEMFC 모식도, https://en.wikipedia.org/ #7 SOFC 모식도, https://en.wikipedia.org/
지속가능한제조기술 (1) 서울대학교기계항공공학부안성훈
[ 학습목차 ] 친환경제조기술의필요성 친환경설계
1. 친환경제조기술의필요성 1) 제품과제작과정에서의환경파괴 1 톤의제품을만들기위해 30 톤의쓰레기가만들어진다. 그리고그제품의 98% 는 6 개월안에버려진다. -Edwin Datschefski- #1
1. 친환경제조기술의필요성 1) 제품과제작과정에서의환경파괴 2012 년 10 월 13 일 환경을보호하는제조기술이지속가능 ( 백만명 ) 7000 6000 전세계인구와 CO 2 배출량 (Gt, Gigaton) 35 30 5000 4000 3000 2000 1000 25 20 15 10 5 1984 년 10 월 14 일 #2,3 0 0 1500 1600 1700 1800 1900 2000 ( 연도 ) #4
1) 설계전체과정에서환경을고려 2. 친환경설계 재료를고려한설계 생산과정에서환경에미치는영향을고려한설계 제품수명, 사용에너지를고려한설계 제품분해, 재활용, 폐기를고려한설계 재활용 천연재료재료가공제품생산수송사용 폐기
2. 친환경설계 2) 친환경설계예시 재활용섬유 재활용 / 친환경재료 #7 #5 #6 #8
2. 친환경설계 2) 친환경설계예시 #10 친환경에너지사용제품 #11 #9
2. 친환경설계 2) 친환경설계예시 방수제품 모듈화 #12 #13
지속가능한제조기술 (2) 서울대학교기계항공공학부안성훈
[ 학습목차 ] 친환경제조 미래제조기술
1. 친환경제조 1) 제조에너지효율이란 제조과정에서전체에너지와가공에너지비율 #15 가공에너지 전기에너지 에너지손실 : 열, 소리에너지 #14 가공에너지에너지효율 = 전기에너지
1. 친환경제조 2) 제조과정에서존재하는다양한에너지종류 #16 변형가공에너지 #17 재료녹임열에너지 이송부운동에너지 이송부운동에너지 컨트롤러전기에너지 컨트롤러전기에너지 마찰열에너지 마찰열에너지 절삭공정 소리에너지 적층공정 소리에너지
3) 에너지효율향상을위한기술 1. 친환경제조 A. 에너지저감생산기술개발 시간단축 보조공정 친환경생산기계개발 B. 에너지발전기술도입 에너지절약 버려지는에너지이용발전
1. 친환경제조 4) 제조과정에서발생하는환경파괴 절삭유 수질오염 대기오염 재료 공구 쓰레기 칩, 잔여물 #18
1. 친환경제조 5) 칩재활용 #19 #20
1. 친환경제조 6) 절삭유사용량조절 최소절삭유사용또는건식가공 #21 #22 #23 절삭유를충분히사용최소절삭유사용건식가공 수질오염정도
1. 친환경제조 7) 유증기트랩 유증기트랩을이용한제조환경공기정화 유증기트랩 유증기트랩이없는경우 유증기트랩이있는경우 #24 #25 #26
2. 미래제조기술 1) 스마트팩토리 공장모듈화 #27
2. 미래제조기술 1) 스마트팩토리 공장유연화를통한다품종소량생산 효율적인제조및효율적인재고관리 #28
#1 쓰레기처리, https://commons.wikimedia.org/ #2 이산화탄소배출변화, http://data.worldbank.org/ #3 세계인구변화, https://en.wikipedia.org/ #4 북극빙하비교, https://commons.wikimedia.org/ #5 재활용섬유, https://upload.wikimedia.org/ #6 친환경자동차, http://www.autoblog.com/ #7 페트병재활용, https://en.wikipedia.org/ #8 재활용의자, https://commons.wikimedia.org/ #9 자가발전라디오, https://www.flickr.com/ #10 태양광충전기, https://commons.wikimedia.org/ #11 전기자동차, https://commons.wikimedia.org/ #12 방수시계, https://www.flickr.com/ #13 조립형스마트폰, http://cosmositview.tistory.com/ #14 에너지등급, http://bpm.kemco.or.kr/ 자료출처
#15 CNC 가공기, http://www.productionmachining.com/ #16 CNC 가공기, http://www.productionmachining.com/ #17 3D 프린터, https://en.wikipedia.org/ #18 5축 CNC 가공기, https://youtu.be/ #19 칩, http://www.arp-mb.de/ #20 칩재활용, https://www.youtube.com/ #21 절삭유사용가공, http://unist.com/ #22 절삭유사용가공, http://unist.com/ #23 건식가공, http://www.ehu.eus/manufacturing/ #24 유증기트랩, http://www.ymtt.co.th/ #25 유증기트랩, http://www.hyganfilter.com/ #26 유증기트랩, http://www.hyganfilter.com/ #27 스마트팩토리, https://youtu.be/ #28 스마트팩토리, https://youtu.be 자료출처