신에너지첨단소재및혁신융합기술 제 1 강 21 세기와에너지
목 차 에너지의정의 화석에너지 새로운에너지로의전환 신재생에너지 강의내용
에너지 (Energy) 에너지 (Energy) 원래그리스어로일을의미하는에르곤 (ergon) 에서유래된에네르기아 (energia) 가 어원이며, " 일을할수있는능력 " 을의미로일본어로는에네르기, 중국어로는능 ( 能 ) 에너지의단위 일과같은단위 : 줄 (J) 1 J = 0.239 cal 인간의생존에필요한에너지 원시사회 : 2,000 kcal 기술사회 : 230,000 kcal
에너지의종류 태양복사에너지 에너지의근원, 빛에너지와열에너지로구성 운동에너지 움직이고있는물체가가지고있는에너지 위치에너지 평형상태로부터위치가변할때생기는에너지 기타 전기에너지, 화학에너지, 열에너지, 핵에너지, 소리에너지등
에너지의이용 원시시대 모닥불로밤을밝힘 가축의힘을이용해서농사를지음 현대시대 음식을요리 / 교통 수단을이용 / 에어컨이나선풍기를사용 / 난방등 다방면에서에너지사용 인류의문명은에너지의개발과이용을통해발달
에너지의이용 우리나라총에너지의에너지원별소비비중 (2005 년 ) 원자력, 16.1 수력 / 신재생, 2.7 석탄, 23.8 LNG, 12.9 석유, 44.4
에너지의이용 우리나라의에너지소비 에너지자원은적은반면소비는지속적인증가 경제성장보다에너지소비가큰폭으로증가 총에너지소비량세계 9위 (2005) 1인당에너지소비량세계 17 위 (2004) 에너지소비에따른문제 경제적문제발생 : 수입의존성심각 ( 약 97%) 환경적문제발생 : 환경오염 에너지자립을위한청정에너지의개발절실
화석에너지 석유 확인매장량은 1조1886 억배럴 ( 가채년수 : 41 년 ), 궁극적으로인류가채굴할수있는양은확인매장량의 3배정도 석유수요증가세는지속 2010 년전후석유 공급능력이확대되어도석유시장불안정은지속될전망
화석에너지 석유의매장량분포 686 98 50 North America Europe & Eurasia 99 Central & South America 77 Africa Middle East 39 Asia Pacific 단위 : 10 억배럴 1 배럴 = 159 리터
배럴 (barrel) 한통의양 ; 배럴 ( 용량의단위 ; 美 에서는 31.5 gallons, 석유는 42 gallons, 야채 과실의건량 ( 乾量 ) 105 quarts 에상당 ; 英 에서는 36 gallons; bbl., bl.). 1 gallon = 3.78 리터 1 quart = ¼ gallon
화석에너지 천연가스 매장량은 1.1 조석유상당배럴 ( 가채년수약 60 년 ). 절반이이란과러시아에집중 2030 년경생산량 Peak 가예상되어장기적석유 대체에는불충분 대규모가스전은 LNG 의형태로, 경제성이확보되지않는가스전은 GTL 이나 DME 와같이 액체전환기술을통해활용하려는노력이지속중 GTL : Gas To Liquids DME : Dimethyl Ether
화석에너지 천연가스의매장량분포 459 399 47 North America Europe & Eurasia 46 Central & South America 88 Africa Middle East 86 Asia Pacific 단위 : 10 억석유상당배럴 TOE: ton of oil equivalent
화석에너지 석탄 매장량은약 5조석유상당배럴 ( 가채년수약 200 년 ). 세계적으로고르게분포 단위발열량당가격이석유의 1/3 수준으로낮으나, CO 2 배출량이과다하고수송용으로 활용이어려운고체형태라는단점 주용도는발전및산업용. 향후발전용수요증가예상 CO 2 배출저감을위해 Clean Coal Technology 가필요. CTL 기술을통해수송연료및화학산업 원료로사용가능 CTL : Coal To Liquids
화석에너지 석탄의매장량분포 584 567 North America 129 Western Europe 307 FSU 375 311 Other Asia China 39 Central & South America Africa & Middle East 237 Australia FSU : Former Soviet Union 단위 : 10 억석유상당배럴
화석에너지 액체전환연료 : GTL/CTL/DME 액체연료는취급이용이하고에너지밀도가높아수송용으로적합 석유공급부족시천연가스및석탄의액체전환 필요성증가예상 Gas Reforming SynGas FT Reaction SynCrude GTL CTL BTL Gasification Coal, Biomass Dehydration Methanol DME BTL : Biomass To Liquids
화석에너지 액체전환연료 : GTL/CTL/DME GTL : 가스전개발과연계된대규모프로젝트이므로투자비가큼. Shell 등 Major 중심으로 2015 년까지 200 만 BPD 생산전망 CTL : 투자비높으나원료비가낮음. SASOL 이 16 만 BPD 생산중이며, 생산량이증가할것으로예상 DME : 물리적특성이 LPG 와유사. 세탄가가높아경유엔진에사용가능. 기존차량및유통시설의부분적인개조필요. GTL 과경제성유사함
세탄가 / 옥탄가 N-cetane 사용 % + 0.15xheptamethylnonane 사용 % 높을수록소음이적고연기가적게나고배기가스냄새도적고엔진출력이높아져효율이증가. 추운날씨에사용이쉽고워밍업이순조로움. 옥탄가 : 안티노킹정도가높은이소옥탄 (2,2,4- Trimethylpentane, 옥탄가 :100) 과안티노킹정도가낮은헵탄 (n_heptane, 옥탄가 :0) 을혼합하여표준연료를만든후, 시료와동일한안티노킹정도를나타내는표준연료중이소옥탄의부피백분율 (%) 로시료의옥탄가를나타냄.
화석에너지 Oil Sands, Oil Shale Oil Sands : 매장량은약 1조배럴. 2010 년부터 생산량이급증하여 2030 년경 1,300 만 BPD 에달할것으로예상됨. 유가상승 및채굴기술발전시유용성이증가할가능성이있으므로활용방안연구필요 Oil Shale : 매장량은약 2.6 조배럴이며 북미지역에편재. 채굴시많은에너지가소모되므로생산량증가에한계가있을것으로예상
에너지이슈의발전 (1) 에너지안보 1973 년이후에너지시스템의안정성과효율성에대한관심이고조되기시작 1972 년 Limit to Growth 는화석연료의공급부족사태전망 ( 로마클럽보고서 ] 환경 1980 년중반에너지로인한환경오염에대한관심 1992 년기후변화협약체결이후에너지소비와온실가스배출에대한관심고조
에너지이슈의발전 (2) 지속가능한발전 [ESSD] 1987 년 지속가능한발전 의개념이등장하고에너지는발전과환경양측면에서핵심적인요소로인식 환경적으로건전하고지속가능한개발유엔환경개발회의리우회담모토 (1992.6) Environmentally Sound and Sustainable Development 2000 년 UN MDG (Millennium Development Goals) 는에너지를지속가능한발전을위한기초적인투입물인동시에환경을위협하는요인으로지적
유가급등 국제유가 : $33 (04) $58 (05. 8) $75 (2006. 7) 수요측원인 전세계경제규모확대 석유수요의낮은가격탄력성 경질원유수요증가 미래유가상승기대 공급측원인 달러화의약세 공급능력및생산위축 석유공급의낮은가격탄력성
기후변화협약 교토의정서합의및발효 1979 : 제 1차 World Climate Conference 1988 : WMO & UNEP 에의해 Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 설립 1992 : 기후변화협약체결 1995 : 독일베를린 (COP1), 2000 년이후선진국의감축목표에대한의정서를 COP3 에서결정하기로한 Berlin Mandate 채택 1997 : 일본교토 (COP3), 제 1차공약기간의감축방식을규정한교토의정서채택 2001 : 독일본 (COP6 속개회의 ), 미국의불참하에교토의정서체제에대한합의문승인 2005 : 교토의정서발효 WMO : World Meteorological Organization UNEP : United Nations Environment Program COP : Conference of Parties
기후변화협약 기후변화협약의파급효과 기후변화협약 교토의정서 국내기후정책 당사국기후정책 우리나라산업계 선진국산업계 CDM: Clean Development Mechanism - 비관세장벽으로인한수출감소 - 국내산업계의국제경쟁력향상 - 에너지가격및비용상승 - 탄소시장 (CDM, 배출권 ) 의등장 - 온실가스배출규제및기술변화
신재생에너지 기존의화석에너지를대체할환경친화형, 재생가능형에너지 Biodiesel Bioethanol 풍력에너지 수소에너지 연료전지 2차전지 태양에너지
신재생에너지 Biodiesel 유해배출가스저감등의장점이있으나저온유동성등품질문제로일정이상배합에제약이따름. 1톤사용시 2.2 톤의 CO 2 배출권 확보가능 유럽은에너지안보, 자원활용, 환경오염개선측면을, 일본은기후변화협약에대한대응측면을중시 현재는경제성이확보되지않으나원유가격상승시 ($80/bbl) 경제성개선가능하며, 정부의 신재생에너지보급정책에따라장기적으로보급확대예상
신재생에너지 Bioethanol 외교통상정책및교토의정서이행을위해정책적 도입가능성있음 원료수급안정성및품질문제를감안하여최소배합비로도입하거나, 유럽이나일본과같이 ETBE 형태로사용되도록유도 장점 단점 - 옥탄가가높아엔진개조없이휘발유차량에사용가능 - 휘발유대비 CO 2 배출 60~90% 저감효과 - 원료수급안정성에문제 - 수분오염시상분리되어품질저하및환경오염유발 ETBE : Ethyl Tertiary Butyl Ether
신재생에너지 풍력에너지 자연상태의무공해에너지원으로현재기술로대체에너지원중가장경제성이높은에너지원으로써바람의힘을회전력으로전환시켜발생되는전력을전력계통이나수요자에직접공급 ( 미국테차하피 ) 무한정의청정에너지인바람을동력원으로하므로열공해나대기오염그리고방사능누출등과같은문제가없는무공해발전방식
신재생에너지 수소에너지 연료전지기술을통해고효율 / 청정에너지로활용할수있는수소에너지가대두 상용화를위해서는보급, 연료전지의가격경쟁력및내구성등의개선이필요하며, 미국, 유럽, 일본등은시장선점을위한기술개발및실증시범사업을본격화 기존사업보호및신규에너지시장창출을위한대비필요
신재생에너지 연료전지및수소스테이션 연료전지 고효율의수소이용기술로서자동차용, 가정 / 상업용, 분산발전용및휴대용등다양한분야에활용가능 2010 년대에응용분야별로상업화에착수하여 2030 년경세계시장규모가약 150 조원으로추정되며, 2040 년대에수소경제가정착될것으로전망 수소스테이션 초기수소공급모델은유통비용감안시 On-Site 생산방식이유망 국내에서는 2012 년까지정부주도로 50 기보급예정
신재생에너지 2차전지 반도체, 디스플레이와더불어국내전자정보기기산업을이끌어나갈 3대핵심전략제품 폴리머전지는고분자물질을전극또는전해질로사용함으로써전지형상을자유롭게하며, 박형화, 경량화등의장점을가짐 HEV (Hybrid Electric Vehicle) 용배터리등 대용량 2차전지시장은 10 조원이상으로추정
신재생에너지 HEV 향후 20~30 년간신기술자동차시장의대세를이룰것임. 기존차량대비효율은 1.3~2 배, 배출가스량은 1/10 수준으로, 고유가지속시선호도급증예상 2030 년경전체등록차량의 40% 점유가예상되어 2015 년경부터수송용연료매출이감소할가능성이높음 HEV 시장이확대됨에따라, 추가부품비용의 30% 이상을차지하는 2차전지시장역시확대될것으로전망
신재생에너지 태양에너지 가장확실한미래의대체에너지원. 국내외적으로광범위한분야에서이를활용하기위한연구사업이활발하게진행 공해가없고지구대기의열균형이보존되는등인류에게절대적인에너지원천 태양이방출하는에너지는막대하지만지구에오는것은약 20 억분의 1에지나지않으며, 그중에서 70% 만이흡수되는데세계연간에너지소비량은이에너지의겨우 1시간분에불과
강의내용 전지 연료전지 2차전지 수소에너지 수소에너지의제조기술 수소에너지의저장기술 수소에너지의이용기술 태양에너지 태양열발전시스템 태양광발전시스템