5. 바이오매스 및 폐기물 에너지

5.1 바이오매스 에너지

바이오매스(Biomass)는 생태학 분야에서 사용되던 용어로 생태계의 살아있는 유기체의 전체 질량을 뜻합니다. 인간도 바이오매스에 포함됩니다. 그러나 에너지원의 관점으로 보면 살아있거나 죽은 지 얼마 되지 않은 식물이나 음식물 쓰레기, 축산분뇨 등 다양한 유기물을 의미하는 단어입니다. 지구에서 1년간 생산되는 바이오매스의 총량은 석유의 총 매장량과 비슷하다고 합니다. 그리고 바이오매스를 에너지원으로 활용하면 화석연료와 달리 새로운 이산화탄소를 만들어 내지 않는다는 장점이 있습니다. 다시 말해, 동시대 대기의 이산화탄소를 흡수한 식물을 다시 연소하여 이산화탄소가 생성되는 것과 수백만 년 전의 이산화탄소를 흡수했던 식물로 만들어진 화석연료를 오늘날 사용하여 대기에 이산화탄소를 추가하는 것의 차이라고 볼 수 있습니다.

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바이오매스와 바이오연료(Biofuel)라는 두 용어는 자주 혼용되어 사용됩니다. 두 단어는 범주의 차이가 있기 때문에 혼용되어 사용할 수 있더라도 구분하는 것이 좋습니다. 바이오매스와 바이오연료의 차이는 당근과 당근 주스의 차이라고 볼 수 있습니다. 바이오매스는 가공되지 않은 에너지원으로 사용할 수 있는 유기체의 총량을 지칭하는 단어이고, 바이오연료는 바이오매스를 가공하여 사용하기 쉬운 형태로 만든 것을 의미하기 때문입니다. 바이오매스는 직/간접적으로 사용할 수 있습니다. 가령 나무를 태워 요리나 난방을 하거나 바이오연료를 만들 수 있습니다. 그러나 바이오연료는 가공되지 않고서는 자연상태에서 찾을 수 없습니다.
(http://www.ehow.com/info_8010864_differences-between-biomass-biofuel.html)

바이오매스를 활용하는 방법은 다양합니다. 가장 일차원적인 활용으로는 예로부터 해온 것과 같이 태워 난방을 하거나 조리에 이용하는 것입니다. 요즘도 시골에는 아궁이에 장작을 때고 온돌로 집을 난방하고 요리를 하며, 도시에서는 장작이나 숯으로 고기를 구워 먹는 등의 활용도 사실 바이오매스를 열로 활용하는 것입니다. 또한, 바이오매스를 열병합발전(CHP)의 연료로 사용하여 전기를 생산하거나 난방에 사용하는 방법도 있습니다. 지난 태양에너지와 지열에너지의 활용과 같이 열을 얻어내는 원료로 활용하는 것입니다.

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(
http://www.biomassinnovation.ca/CombinedHeatAndPower.html)

가정용 등 소형 난방 시스템의 연료로 활용하는 방법으로 톱밥이나 나무 가공 중 생기는 부산물들을 목질계 펠릿(Wood Pellet)으로 만드는 예도 있습니다. 또한 열대지방은 팜(Palm) 나무나 팜 열매껍질, 코코넛 열매껍질이나 가지 등도 활용합니다. 나무와 비슷하게 풀 또한 펠릿 형태로 가공하여 연료로 사용하기도 합니다. 이러한 펠릿 형태의 바이오매스 가공은 균일한 크기와 적은 물 함량 그리고 높은 밀도로 만들 수 있어 자동으로 제어하기 쉽고, 높은 연소 효율을 보입니다.

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바이오매스 중 사탕수수나 사탕무, 옥수수나 당밀을 미생물과 효소를 이용하여 발효시켜 에탄올을 만들 수 있습니다. 이를 바이오연료라고 하는데, 사실 이름은 거창하지만, 그 과정은 술을 빚는 과정과 큰 차이는 없습니다. 바이오연료 중 에탄올은 전 세계적으로 860억 리터를 생산하며 그 중 미국이 230억 리터 정도를 생산하며, 브라질이 약 540억 리터를 생산하고 있습니다. 미국과 브라질이 전 세계 바이오 에탄올 중 90%를 생산, 소비하고 있습니다.

바이오매스로 만든 바이오디젤(Biodiesel)은 화석연료로 생산된 디젤과 그 성분이 비슷하여 붙여진 이름입니다. 바이오 디젤은 유럽연합 국가들이 절반 가까이 생산하고 있으며 전 세계적으로 약 150억 에서 200억 리터 정도 생산되고 있습니다. 주로 동/식물성 기름과 폐기유로 바이오디젤을 만듭니다.

위에 설명한 바이오연료는 몇 가지 논쟁의 대상이 되기도 합니다. 사탕수수나 옥수수를 대량 생산하기 위해서는 넓은 농지와 많은 물이 필요하며 보조금 없이는 화석연료와 가격 경쟁에서 밀린다는 점 때문입니다. 또한, 식량으로 사용할 수 있는 자원이기 때문에 재생에너지로 활용하기보다 식량으로 활용해야 하는 것이 아니냐는 의문도 많이 제기되고 있습니다. 식량이냐 연료냐에 관하여 양측이 유효한 논쟁을 세계적으로 여전히 지속하고 있기 때문입니다. (http://en.wikipedia.org/wiki/Food_vs._Fuel)

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(http://www.renewableenergyfocus.com/view/20379/the-biofuel-generation-gap/)

이러한 논란이 되는 바이오연료를 1세대로 칭하며, 논란에서 상대적으로 자유롭기를 원하거나 자유로운 바이오연료를 2세대 바이오연료라고 합니다. 2세대 바이오연료는 사탕수수나 옥수수 같은 식량 자원이 아닌 지속가능한 공급이 가능한 바이오매스 자원을 이용하여 만든 연료를 의미합니다. 따라서 식량 자원이 아닌 식물의 줄기나 잎이나 외피 등이나 수확하고 남은 부산물을 이용하거나 잡초와 같은 풀을 이용한다거나 산업용 부산물인 나뭇조각이나 펄프 등을 활용합니다.

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(http://www.liganord.com/story.php?catid=3&artist=45&story=1511&pid=242&lang=de)

물론 2세대 바이오연료를 사용하는 것이 지속 가능한 재생에너지로서 적절할지 몰라도 만들어내는 과정이 어렵다는 단점이 있습니다. 2세대 바이오연료의 원료가 되는 바이오매스는 목질계 바이오매스(Lignocellulosic Biomass)입니다. 목질계 바이오매스에는 대부분 목질소(Lignin), 헤미 셀룰로오스(Hemicellulose), 셀롤로오스(Cellulose) 등의 복잡한 탄화수소로 이루어져 있어, 이를 효소와 증기 가열, 전처리를 통해 목질 섬유 에탄올(Lignocellulosic Ethanol)로 만들어 1세대 바이오연료와 같은 바이오에탄올을 만드는 복잡한 과정을 거쳐야 합니다. 따라서 아직 연구 개발이 필요하며 상업화되어 가격 경쟁력을 가지기엔 갈 길이 먼 상황입니다.

위에서 설명한 바이오연료 이외에도 해조류(Algal Biofuel)나 자트로파(Jatropha), 진균류(Fungi) 등을 바이오매스로 활용하여 바이오연료를 만드는 연구도 진행되고 있습니다.

5.2 폐기물 에너지

폐기물 에너지(Waste-to-Energy, WtE)는 쉽게 쓰레기를 직접 혹은 간접적으로 이용하는 에너지를 말합니다. 주로 쉽게 태울 수 있는 폐기물을 바로 소각하여 열로 활용하거나 가공하여 연료로 변환하여 활용하는 식으로 나눠집니다. 또한, 폐기물 에너지는 일종의 이미 사용한 에너지를 회수하는 개념으로 생각할 수 있습니다. 어떤 생산물을 만들면서 에너지를 사용하고 그 과정에서 생기는 부산물이나 폐기물로부터 사용한 에너지 일부를 회수하는 경우가 많기 때문입니다.

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폐기물의 에너지화 방식은 소각열 회수, 고체 연료화, 액체 연료화, 기체 연료화로 나눌 수 있습니다. 소각열 회수 방식은 폐기물 소각장의 소각열을 활용해 전력을 생산하거나 난방에 사용하는 방식입니다. 고체 연료화는 가연성 폐기물을 가공과정을 거쳐 고체 형태의 연료로 변환하는 것을 말합니다. 생활폐기물, 플라스틱, 폐타이어, 폐목재 등 재료에 따라서 부르는 이름이 다르며 각각 RDF(Refuse Derived Fuel), RPF(Refuse Plastic Fuel), TDF(Tire Derived Fuel), WCF(Wood Chip Fuel)으로 명합니다. 액체 연료화는 다양한 폐유를 가공하거나 고분자 폐기물을 가공하여 연료유를 만드는 방식입니다. 마지막으로 기체 연료화는 음식물 쓰레기나 하수 슬러시, 가축 분뇨 등과 같은 유기성 폐기물로부터 가스를 얻는 방식을 말합니다.

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(http://www.betalabservices.com/renewable-carbon/tire-derived-fuels.html)

우리나라에선 폐기물 에너지가 신재생에너지 중 70% 이상(2006년 기준)을 차지하고 있기도 합니다. 주로 석유정제와 화학공장에서 발생하는 폐가스의 활용이 많고(46%) 생활폐기물의 소각 여열 회수(30%)와 폐목재 연료화(6%), 시멘트 소성로 연료(9%) 등으로 활용하고 있습니다. 한 예로 부산 염색공업 공단에서는 폐플라스틱 고형연료(RPF)를 원료로 열병합발전(CHP)을 운영하고 있습니다(환경부 공식 블로그 참조: http://mevpr.tistory.com/1625).


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4. 지열 에너지

지열 에너지는 말 그대로 땅의 열 에너지를 말합니다. 지구 내부에는 내핵, 외핵, 맨틀, 지각으로 구성되어 있는데, 지열 에너지는 지각이나 맨틀에 있는 마그마의 열이 지각으로 전달 된 것과 내핵, 외핵의 열이 바깥으로 방출된 것 두 가지가 더해진 것입니다. 마그마는 우라늄이나 토륨, 칼륨 등의 방사능 붕괴로 인한 열로 암석이 녹은 상태로 있는 것을 말하며, 이 열이 지각으로 전달되는 것이 약 80% 입니다. 그리고 내핵과 외핵에서 지표면으로 전달되는 열이 약 20% 정도입니다. 지하 10 km정도 내의 지열 에너지는 전 세계의 석유와 천연가스의 에너지를 모두 합한 것의 50,000 배나 많다고 하니, 엄청난 에너지가 지구 속에 저장되어 있다는 것입니다.

4.1 열의 직접적인 활용

지열 활용의 역사는 온천으로부터 시작됩니다. 고대 로마시대부터 지열을 이용해서 난방을 한 역사로부터 시작한 지열의 활용은 목욕용 온수와 바닥 난방으로 활용되다가 시간이 흐르면서 담수화나 농업에도 활용하고 있습니다. 이러한 활용은 28 GW 정도로 활용되고 있는데 지열 발전 용량인 11 GW 보다 두 배 이상 많은 활용을 하고 있습니다.

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(http://en.wikipedia.org/wiki/File:Jigokudani_hotspring_in_Nagano_Japan_001.jpg)

4.2 지열 발전

지열 발전 방식은 태양열 발전 방식과 동일합니다만 그 에너지원이 지표면 아래의 열을 이용한다는 것의 차이가 있습니다. 증기 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이 동일하지만 어떤 에너지원으로 증기를 생산하느냐의 차이입니다. 지열 발전은 지열로부터 증기를 생산해 터빈을 돌리고 전기를 생산합니다.

지열을 이용해 발전하는 방식은 건증기(Dry Steam), 습증기(Wet or Flash Steam), 바이너리 사이클(Binary cycle)로 세 가지가 있습니다. 건증기 방식은 지하에 물을 주입하고 생성되는 증기를 바로 터빈을 돌리는 방식이며 습증기 방식은 충분히 뜨겁고 고압의 물을 압력을 낮추면서 증기를 만들어 터빈을 돌리는 방식을 말합니다. 마지막 바이너리 사이클 방식은 지하의 뜨거운 물의 열을 열교환기를 통해 다른 유체(가령, 이소 부탄과 같은)를 끓이는데 사용하여 다른 유체의 증기로 터빈을 돌리는 방식입니다.

Photo credit to Union of Concerned Scientists (http://www.ucsusa.org/clean_energy/our-energy-choices/renewable-energy/how-geothermal-energy-works.html)

세 가지의 방식은 지열 에너지원의 성질에 따라 선택하게 됩니다. 가령 물이 수증기 형태로 바로 땅에서 나오는 경우에는 건증기 방식을 사용할 수 있으며 충분히 뜨겁고 고압력인 액체로 물이 나온다면 습증기 방식을 사용하는 것이 좋습니다. 에너지원의 온도와 압력이 충분하지 않은 경우에는 이를 상대적으로 낮은 온도에서 끓는 다른 액체를 사용해서 터빈을 돌리는 바이너리 사이클 방식을 사용하게 됩니다. 그러나 순수하게 증기만 나오는 경우는 그리 많지 않기 때문에 습증기 방식이나 바이너리 사이클 방식을 대부분 사용하고 있습니다.

위의 세 가지 방식 이외에 최신 기술로 인공 지열 저류층 생성(EGS, Enhanced Geothermal System) 방식이 있습니다. 기존의 방식은 자연적으로 있는 열과 물을 이용한 발전이었다면 EGS 방식은 심부 시추공을 굴착하여 수압 파쇄나 자극(stimulation)을 통해 인공적으로 지열 저류층을 만들어 발전하는 방식입니다. , 일반적인 지면 가까운 곳에서 높은 온도를 얻을 수 있는 곳이 아닌 지역에서 지하 3~5 km 아래로 땅을 판 다음 암반을 깨거나 하는 방식으로 사이에 틈을 만들어 물을 주입하고 거기서 생성된 증기를 뽑아 올려 증기 터빈을 돌리는 방식입니다. 이러한 방식은 어느 지역이나 발전이 가능하다는 장점이 있지만 지진을 일으키는 원인이 될 수 있다는 점입니다. 이것은 석유 시추나 이산화탄소 포집시에도 마찬가지로 조심하는 부분이며 각 지역의 특성을 잘 판단하여 적용해야 합니다.


인공 지열 저류층 생성 방식: 1. 저수지, 2. 펌프실, 3. 열교환기, 4. 터빈실, 5. 증기 생성정, 6. 주입정, 7. 지역 난방용 온수 라인, 8. 다공성 퇴적층, 9. 관측정, 10. 결정 암반층
Photo credit to Siemens Pressebild (http://www.siemens.com)

IGA(International Geothermal Association)에 따르면 전세계에 약 11 GW 정도의 지열 발전 용량이 설치되어 있다고 합니다. 현 건설 중인 발전소를 더하면 2015년엔 18.5 GW 정도의 발전 용량이 될 것으로 예측하고 있습니다. 미국은 세계에서 지열 발전 용량이 가장 큰 나라입니다. 2010년에 약 3 GW 용량으로 미국 전체 전력 생산의 0.3 % 정도를 담당하고 있습니다. 지열 에너지원이 풍부한 나라인 필리핀, 아이슬란드, 엘살바도르는 각 나라의 전력 생산의 25% 이상의 전력을 담당하고 있습니다. 우리나라는 최초의 지열 발전소 건설 계획이 지난해 9월 발표했습니다. 경북 포항 남송리에 EGS 방식의 지열 발전소를 계획하며 MW 급의 용량을 계획하고 있다고 합니다.

4.3 냉난방

지열을 이용해 냉방을 하는 방식은 태양열을 이용한 냉방과 동일합니다. 난방의 경우 열펌프를 이용하거나 직접 난방에 활용하는 경우로 나뉩니다. 지열을 이용하여 냉난방 시스템으로 활용하는 경우 지열 열펌프(Ground Source Heat Pump 또는 Geothermal Heat Pump)라고 합니다.


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3. 수력

지구 상의 물은 계속 순환하고 있습니다. 지표상의 물은 햇빛에 의해 증발하고, 공중에서 수증기가 모여 다시 강수로 땅으로 돌아오는 과정을 반복합니다. 수력의 활용은 이렇게 순환되는 과정 중간에서 물의 위치에너지를 사용하는 것입니다. 이것 또한 태양 에너지에 의한 간접적인 재생에너지라고 할 수 있습니다. 물의 위치에너지, 수력을 활용은 풍력의 활용만큼이나 역사가 깁니다. 로마 시대나 한나라 시대에도 활용했다고 하니, 풍력보다 더 오랜 역사가 있을 것 같습니다.

3.1 기계적인 동력

물레방아로 익숙한 수력의 기계적인 동력으로의 활용은, 로마 제국이나 중국 한나라 시대 때부터 이미 시작했습니다. 보통 곡식의 제분을 위해 사용했습니다. 풍차와 같이 예전부터 쉽게 활용할 수 있었던 재생에너지원인 것입니다.

Photo credit to Jean-Pol GRANDMONT

3.2 수력 발전

18세기부터 시작된 수력 발전은 그 발전 방식이 풍력 발전과 거의 같습니다. 풍력 발전은 바람의 운동에너지를 이용해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것이고, 수력 발전은 물의 위치에너지에서 비롯된 운동에너지로 터빈을 돌려 전기를 생산합니다. 사실 바람과 물은 둘 다 유체이므로 두 가지 발전에는 큰 차이가 없습니다.

수력 발전은 기존의 댐(Dam) 형식의 발전, 양수 발전, 흐르는 강에서의 발전, 그리고 조력 발전 등으로 나눌 수 있습니다.

댐 형식은 커다란 댐을 만들어 물을 가두어 모은 다음 그 물의 위치에너지로 전기를 생산하는 익히 알려진 방식입니다. 이때 댐의 용량과 물의 높이차, 즉 수두(Head)가 발전 용량을 결정짓습니다. 세계에서 가장 큰 댐 형식의 수력 발전소는 중국의 싼샤댐(Three Gorges Dam) 발전소입니다. 2,250kW의 전력을 생산할 수 있으며 지금까지 5,648 kWh의 전력량을 생산했습니다. 대략 1년에 100일 정도만 이 댐으로 전기를 생산하면 우리나라 1년 전력 사용량을 생산할 수 있는 규모입니다.

Hoover Dam

양수 발전(Pumped-storage Hydroelectricity)은 인위적으로 저수지에 펌프를 이용해 낮은 곳의 물을 퍼 올린 다음 다시 내려보내며 발전하는 방식입니다. 전기를 사용해 퍼 올린 물을 다시 발전하면 오히려 효율이 더 낮을 것으로 보이지만 이것은 심야 전기와 같이 전기 사용량이 적을 때 물을 퍼 올리고, 전기 소비가 많은 시간에 발전하는 방식으로 활용합니다. 에너지 생산과 소비에서 완충 역할을 할 수도 있으며 잉여 에너지를 저장하는 기능으로도 사용할 수 있습니다.

양수 발전은 아래 그림과 같이 산 위의 저수지를 만들기도 하지만, 지하에 발전 시설을 만드는 예도 있습니다. 지하에 설치하는 경우에는 지하 발전소(Underground Power Station)이라고도 합니다.


Photo credit to Vattenfall (http://www.flickr.com/photos/vattenfall/)

흐르는 강에서의 발전(Run-of-the-river hydroelectricity)의 경우 이름 그대로 물을 저장하는 공간 없거나 아주 적은 상태로, 흐르는 강물을 이용해 발전하는 방식입니다. 이러한 방식의 발전은 갑자기 전력 소비량이 늘어날 때를 대비한 발전용으로 주로 사용합니다. 이런 방식은 대형 댐의 단점인 생태계 파괴가 없는 방식입니다. 물론 날씨나 강우량에 따른 발전량의 차이가 발생할 수 있다는 단점도 존재합니다.

Photo credit to Advameg, Inc.

조력 발전은 태양과 지구 그리고 달의 운동으로 주기적으로 생기는 간만(干滿)의 차를 이용해 전기를 생산하는 방식입니다. 밀물과 썰물 때의 들어오고 나가는 바닷물의 에너지를 이용해 터빈을 돌려 전기를 생산합니다.

Aerial view of the French tidal power plant in the Rance estuary near St Malo. Photo credit to dpa

수력 발전의 방식은 위에서 설명한 것과 같이 발전 방식으로 분류하기도 하지만 발전 용량에 따라서도 분류합니다. 일반적으로 수력 발전이라고 하면 10 MW 이상의 발전 용량을 가지는 것을 의미하며 그 이하는 소수력(Small Hydropower) 발전, 100 kW 이하는 마이크로 수력(Micro Hydropower) 발전, 5 kW 이하는 피코 수력(Pico Hydropower) 발전으로 분류됩니다.

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2. 풍력

조금 과장하면 바람 에너지도 태양 에너지와 같다고 할 수 있습니다. 결국 기온차이로 인한 밀도차이로 생기는 공기의 이동이 바람이니까요. 그러나 바람 에너지는 태양에너지처럼 빛이나 열의 형태를 이용하는 에너지라기 보다는 바람의 저항을 이용해 물리적인 기계장치를 움직이게 하여 활용하는 형태가 일반적입니다.

2.1 기계적인 동력

기계장치에서 회전 동력을 얻는 것은 매우 중요합니다. 풍력을 발전으로 사용하기 이전부터 바람을 동력으로 사용한 역사는 깁니다. 풍차(Windmill)가 대표적인 예입니다. 곡식을 제분하기 위해서 예전부터 풍차를 사용해 왔었고, 또 네덜란드의 경우에는 낮은 지역의 물을 퍼 올리기 위해 풍차의 동력을 이용했습니다.


2.2 풍력 발전

바람으로부터 회전하는 동력을 얻을 수 있다면 발전은 쉬운 일입니다. 발전기 대부분은 회전하는 동력으로 전기를 생성해내기 때문입니다. 화석연료나 태양열 발전은 증기를 생산하여 터빈을 돌리고, 터빈의 회전운동을 발전기로 전달하여 전기를 생산하는 구조이지만 풍력 발전은 바람의 운동에너지로 풍력 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식입니다.

바람 에너지는 지구 상에 얼마나 있을까요? 태양 에너지의 불균형적인 조사로 지역에 따른 온도차이를 만들고 그에 따라 생기는 바람의 에너지양을 계산한 A. Kleidon에 따르면 18 TW에서 68 TW 정도의 풍력 자원을 얻을 수 있다고 보고했습니다. 반면, C. Archer M. Z. Jacobson은 실제로 측정된 풍속을 바탕으로 계산했을 때 고도 100 m 위치에서 1,700 TW 정도의 풍력 자원을 얻을 수 있다고 보고 했습니다. (Anil Ananthaswamy and Michael Le Page (30 January 2012). "Power paradox: Clean might not be green forever". New Scientist) 지구에 부는 풍력 자원이 얼마나 되는지는 계산 방법에 따라 다르게 산출되지만, 결과적으로는 인류가 사용하고 있는 모든 에너지를 감당할 수 있다는 것에는 변함이 없습니다.

(크게 중요하진 않지만) 풍력 발전에서 알면 좋은 것 중 하나는 벳츠의 법칙(Betz’ Law)입니다. 간단히 설명하면 풍력 발전으로 얻을 수 있는 최대 효율은 59.3 %라는 것입니다. 풍력 발전기를 통과하기 전 풍속과 지나간 뒤의 풍속의 비가 1/3일 경우가 가장 효율이 높은데, 그때의 효율이 59.3 %라는 것입니다. 이미 상용화된 풍력 발전기는 벳츠의 법칙의 상한선의 80, 90% 정도의 효율을 보인다고 합니다. 간단한 물리 지식이 있으시다면 아래 그림을 통해 이유를 아실 수 있습니다. 또 다른 한가지는 바람 에너지는 풍속의 3승과 비례한다는 점입니다. 바람의 운동에너지를 생각하면 쉽게 알 수 있습니다. 왜 그런가 궁금하시다면 벳츠의 법칙 (http://en.wikipedia.org/wiki/Betz'_law)에 대해서 찾아보면 알 수 있습니다.

(http://en.wikipedia.org/wiki/Betz'_law)

풍력 터빈

터빈은 유체의 흐름으로부터 동력을 얻는 기관, 장치입니다. 증기 터빈은 증기의 운동에너지를 이용해 회전을 얻어내며 풍력 터빈은 바람의 힘으로부터 회전을 얻어내는 장치입니다.

바람이 불면 돌아가는 형태는 아주 많습니다만, 풍력 터빈에 사용되는 형태는 크게 수평축 풍력 터빈(Horizontal Axis Wind Turbine, HAWT)와 수직축 풍력 터빈(Vertical Axis Wind Turbine, VAWT)로 나눌 수 있습니다. 또 수직축 풍력 터빈에는 다리우스(Darrieus) , 자이로밀(Giromill) , 사보니우스(Savonius) 형 등이 있습니다.

수평축과 수직축에는 어떤 장단점이 있을까요? 수평축 풍력 터빈은 에너지 변환 효율이 높은 것이 장점입니다. 그러나 바람의 방향을 맞추기 위한 요잉(Yawing)장치가 필요하고 증속기(Gear Box)와 발전기 등을 포함한 무거운 나셀(Nacelle)이 타워 위에 설치되어야 하므로 유지 보수가 어려운 점이 있습니다. 수직축은 바람의 방향에 무관하고 나셀을 지면에 설치하여 유지 보수가 쉬운 장점이 있지만, 효율이 수평축보다 낮다는 단점이 있습니다. 일반적으로 수평축은 소규모에서 대규모 발전까지 모두 사용되며 수직축은 소규모 발전에만 사용됩니다.

   

왼쪽부터 다리우스, 자이로밀, 사보니우스, Photo credit to StahlkocherToshihiro Oimatsu

풍력 발전기를 설치하는 위치에 따라서도 육상(Onshore) 혹은 해상(Offshore) 풍력 터빈으로 나뉩니다. 육상과 해상의 차이는 땅에 설치하느냐, 물위에 설치하느냐의 차이이며 강이나 호수에 설치되는 경우도 해상이라고 표현합니다. 풍력 터빈을 해상에 설치하는 이유는 육상 설치의 단점을 보완하기 위함입니다. 육상에 풍력 터빈을 설치하면 소음 문제와 효율 저하 그리고 대형 단지화가 불가능하거나 어렵다는 단점이 있지만, 해상에 설치하면 단점 대부분이 해결됩니다. 물론 해상에 풍력 터빈을 설치할 때의 비용은 육상보다 증가한다는 단점은 있습니다. 또한, 설치와 유지 및 보수가 어렵고, 생산한 전력을 육상으로 전송하는 것도 육상 풍력 터빈보다 어렵다는 단점이 있습니다. 따라서 단순히 어떤 것이 좋다기보다 주변 환경, 인구, 부지, 풍력 자원 등 여러 요소에 따라 장단점이 결정됩니다.

(http://www.ecofriend.com/europes-largest-onshore-wind-farm-to-get-a-massive-expansion.html)

(http://www.evwind.es/2012/10/12/offshore-wind-energy-in-poland-up-to-10000-mw-of-offshore-wind-power-possible-before-2030/24649/)

위에서 소개한 풍력 터빈의 분류는 회전축, 설치 장소에 따른 분류입니다. 그 외에도 소개하진 않았지만, 풍력 터빈을 분류하는 방식은 증속기(Gear Box) 유무에 따른 분류, 공기역학적 방식에 따른 분류, 운전 속도에 따른 분류, 출력제어방식에 따른 분류, 계통연계 여부에 따른 분류 등으로 나눌 수 있습니다.

위의 일반적인 풍력 발전 형식도 있지만 간단한 아이디어로 제3세계에 전력을 공급하기 위해 값싼 소형 풍력 발전기를 만든 사례도 있습니다. 바람 에너지를 이용한 여러 아이디어가 있지만 그중에서도 아이디어가 독특하고 그 구조가 단순한 Wind Belt가 있습니다. Wind Belt는 아이티(Haiti)에서 일하던 Shawn Frayne이 발명한 것으로 바람에 의해 진동하는 긴 막을 이용해서 전기를 만들어 내는 장치입니다. 바람에 의해 떨리는 막 끝에 자석을 붙여 코일 사이에서 진동하도록 한 원리입니다. 이 장치는 제작하기 쉽고 비용이 적으며 모듈화가 가능하다는 장점이 있습니다. (Youtube 동영상 참고: https://www.youtube.com/watch?v=dZ0v-CK63-4)

(http://www.humdingerwind.com)

2.3 파력 발전

파도의 힘으로 전기를 생산하는 것 역시 바람 에너지라고 볼 수 있습니다. 물론 달과 지구의 인력의 영향도 파도가 생성되는 것에 영향을 주지만 역시 바람이 파도를 만드는데 대부분의 역할을 하기 때문입니다. 파력 발전은 대략 세 가지 형태로 나누어지며, 파도의 고저에 따른 부력을 이용하는 방식, 파도의 높낮이에 의한 공기 펌프로 터빈을 돌리는 방식, 해상 표면에서 파도의 고저를 이용하여 에너지를 얻는 방식이 있습니다. 이런 기술은 1990년대부터 개발되어 많이 상용화되어 있습니다. 아래는 다양한 파력 발전에 관한 링크들입니다.

Photo credit to OceanLinx (http://www.oceanlinx.com/)

Photo credit to BioPower Systems (http://www.biopowersystems.com/biowave.html)

Photo credit to Pelamis Wave Power Ltd. (http://www.pelamiswave.com/)

펠라미스 파력 발전기: https://www.youtube.com/watch?v=F0mzrbfzUpM

2.4 물 생산

사막이나 개발 도상국 같은 곳은 전력 문제도 있지만 깨끗한 물을 얻는 것에도 어려움이 많습니다. 이러한 문제를 바람 에너지를 이용해 동시에 해결하는 방식의 활용도 있습니다. 프랑스의 벤처 기업인 Eole Water사는 풍력 터빈 나셀(Nacelle)에 열교환기(Heat Exchanger)와 응축기(Compressor) 등을 설치해 공기 중에 있는 수분을 모아서 저장하고 필터를 통해 식수로 활용할 수 있는 풍력 터빈을 개발했습니다.

Photo credit to Eole Water (http://www.eolewater.com/)


* 출처 표시가 없는 사진이나 그림의 출처는 Public Domain 입니다.


Posted by Chuck Hong

1. 태양에너지

태양은 수소의 핵융합으로 에너지를 생성하며 태양에서 오는 에너지는 엄청납니다. 사실 표현하는 방법은 여러 가지겠지만 한국에너지기술연구원의 딱딱한 표현을 빌리자면 아래와 같습니다.

태양은 지구의 19배크기로 이곳으로부터 15천만km떨어진곳에 위치해 수소 73%, 헬륨 24%로 이뤄진 기체덩어리로서 초당 3.8 x 10 23kW의 에너지를 우주에 방출하는 거대한 화염이다. 지구는 태양으로부터 지표면 1㎡당 7W의 에너지를 받게 되는데, 이는 다시 말해 지구전체에 도달하는 태양에너지의 양이 태양자신이 방사하는 에너지량의 22억분의 1이고 그 에너지량(1.2 x 1014kW)은 전 인류의 소비에너지량(1.2 x 1010kW)의 약 1만배에 달하는 것이다. (한국에너지기술연구원)

아무튼 지구에 오는 에너지는 태양이 내보내는 에너지의 22억분의 1이고, 22억분의 1이 인류가 소비하는 에너지의 10,000배쯤 된다는 겁니다. 대단하죠. 이러한 태양에너지를 어떻게 활용할까요? 다양한 방법으로 과거부터 활용해 왔습니다.


1.1

가장 단순한 경우는 빛으로의 활용입니다. 시시하다고 생각하실지 모르지만 여러 저개발 국가 같은 경우는 집 내부에 창을 내기 어렵거나 구조상의 문제로 어두운 집 내부에 불을 켤 전구가 없거나 있더라도 전기세를 감당하기 어려운 경우가 있습니다. 실제로 태양광을 이용해서 실내 전등을 대체하는 형태의 발명이 있었습니다. 페트병에 물을 담아 태양광을 실내로 산란시키는 방식입니다.


(출처: http://ecotopia.hani.co.kr/38429)

단지 개발도상국이나 저개발 국가에서만 필요한 방식일까요? 그렇지만은 않습니다. 낮 시간에 활동하는 공간이지만 햇빛이 들지 않는 곳에서 전등에 드는 전력을 태양광으로 대체할 수 있는 곳이라면 어디든지 가능합니다. 부산시 온천천 산책로의 경우도 태양광을 잘 활용한 예입니다. 지하철 역과 주차시설 아래로 산책로가 있지만 낮 시간의 어두움을 태양광을 이용해 밝힌 경우입니다.


(출처: http://reporter.korea.kr/reporterWeb/getNewsReporter.do?newsDataId=148732231)

영어로는 Light Tube 혹은 Light Pipe라는 이름으로, 더욱 관심 있으시면 검색어로 찾을 보실 수 있습니다. 위키피디아 자료


1.2 발전

신재생에너지의 관심이 대부분 전기 생산인 것과 마찬가지로 태양에너지를 활용하는 것의 대부분은 전기 생산을 위한 것입니다. 태양에너지를 전기로 바꾸는 방법은 태양을 이용한 방법과 태양을 이용한 방법입니다. 태양이 내뿜는 에너지는 동일하지만 어떤 형태나 방법으로 활용하느냐에 따라서 나눠지는 것입니다.

태양광 발전 Photovoltaic Power Generation 이라고 합니다. Photovoltaic effect, 즉 광기전력효과를 이용하는 것으로, 다시 말해 태양광을 어떤 종류의 반도체에 비추면 조사된 부분과 조사되지 않은 부분 사이에 전위차가 생기는 효과를 이용하는 것입니다. 전위차가 생긴다는 것은 하나의 전지와 같은 역할을 할 수 있다는 것입니다. 물론 직류로 생산되지만 교류로 바꿔주면 생활 전기로 사용할 수 있게 됩니다.

사용되는 용어를 간단하게 살펴보면, 다음과 같습니다. 광기전력을 말하는 Photovoltaic Photo- Voltaic-전압(기전력)을 의미하고 축약해서 PV라고 표현합니다. 전지 같은 역할을 한다고 해서 태양전지(PV cell/PV solar cell/Solar cell)로 표현하기도 합니다. 이런 태양 전지를 사용할 수 있도록 제품화 한 것을 태양전지 모듈(PV module)이라 하며, 모듈을 길게 늘어뜨려 연결해 놓은 것을 태양전지 어레이(PV array)라고 합니다.

일반적인 태양전지 모듈

태양전지가 발전해 오며 세대가 나눠집니다. 태양전지가 더 나아진다는 것은 다양한 요소가 있지만 대표적으로는 같은 에너지를 받았을 때 얼마만큼의 전기를 생산할 수 있는지를 결정하는 효율’, 그리고 그것을 생산할 때 드는 노력(‘비용공정’), 그리고 내구성등이 있습니다. 세대별로 비교한 자세한 내용에 대한 참고 사이트로 이곳 있습니다.

태양광 발전소는 위에서 설명한 태양전지 모듈을 수천, 수만 개를 연결하여 직류 전기를 생산하고, 직류에서 교류로 바꿔주는 인버터(Invertor)를 이용해서 생활에 필요한 전기를 생산합니다.

(Solar panels connect to base electric grid - http://www.nellis.af.mil/news/story.asp?id=123071269)

이외에도 태양광을 단순히 조사하는 것이 아니라 집광기를 이용하는 CPV(Concentrated Photovoltaic) 시스템도 있습니다.

태양열 발전 Solar Thermal Power Generation이라고 표현할 수 있는데, 말 그대로 태양의 복사 열에너지를 이용한 전력 발전 방식이라는 뜻입니다. 태양발전과는 전력 생산 방식이 다른 것입니다. 태양열 발전은 기존의 대형 발전소들의 경우와 전력 생산방식이 동일합니다.

기존의 석탄/석유/원자력/천연가스 발전소는 각각의 원료를 태우거나 핵분열 시켜 얻는 에너지로 물을 끓이고, 얻은 증기를 이용해 터빈을 돌리고, 발전기를 돌려 전기를 얻습니다. 태양열 발전 또한 그 과정이 동일하지만 에너지를 태양의 복사 열에너지로부터 얻는다는 점만이 다른 것입니다.

그러나 태양열은 바로 사용할 경우 물을 끓일 정도는 아닌 것이 사실입니다. 그래서 빛을 집중시켜서 높은 온도를 얻어냅니다. 일반적으로 섭씨 500 도 이상의 온도를 얻어내어 발전을 합니다. 이렇게 빛을 집중해서 열을 얻는다고 해서 태양열 발전을 집중형 태양열 발전 혹은 CSP(Concentrated Solar Power)이라고 부르기도 합니다.

태양광을 집중해서 높은 열을 얻는 방식은, 타워형(Solar Power Tower), 포물선 홈통형(Parabolic Trough Collector), 접시형(Dish), Fresnel 렌즈형(Fresnel lens) 등이 있습니다. 설치되는 형태로 나눠보면 중앙 집중형 시스템(Central Receiver System), 분산형 시스템(Distributed System), 독립형 시스템(Stand-alone System)으로도 나눌 수 있습니다(한국에너지기술연구원 태양열 발전 소개글 참조, www.kier.re.kr). 그러나 일반적으로 집광기의 형태에 따른 분류를 하는 것이 보통입니다.

타워형은 다수의 반사판이 태양 추적기(Heliostat)를 이용하여 높게 설치된 타워의 끝 부분에 태양광이 집중되도록 하는 방식입니다. 공중에서 보면 하나의 거대한 접시형 반사판 처럼 보이지만 각각의 반사판이 시간에 따라 태양을 추적하여 계속해서 타워 끝부분에 열을 집중하는 방식입니다.

(Photo courtesy of Sandia National Laboratories)

포물선 홈통형과 Fresnel 렌즈 형은 타워형과 달리 집광기와 열전달유체(Heat Transfer Fluid, 기름 종류를 사용합니다)가 흐르는 관의 어레이(Array)를 만들어 열을 집중하는 방식입니다. 열전달유체가 길게 흐르면서 계속해서 열을 축적하여 마지막에 적절한 온도가 되도록 하는 방식입니다. 포물선 홈통형과 Fresnel 렌즈는 집광하는 방식의 차이일 뿐 방식은 거의 동일합니다.

(Photo courtesy of SkyFuel Inc.)

(Photo courtesy of AREVA Solar)

마지막으로 접시형의 경우 위의 두 형태와 달리 독립적인 형태입니다. 태양을 바라보며 추적하는 포물선 형태의 접시가 태양광을 반사하여 초점에 빛을 집중하는 형태입니다. 이 집광기의 경우 증기를 생산하는 방식을 사용하지 않고, 스털링 엔진(Stirling Engine)을 이용하여 전기를 생산하는 방식을 대부분 사용합니다. 이것은 태양전지 모듈과 같은 개념으로 활용하기 위함이기도 하고, 구조상 기존의 방식을 사용하는 것이 어렵기 때문으로 생각합니다.

(Photo courtesy of Sandia National Laboratories/Randy Montoya)

앞에서 열을 집중해서 발전에 이용하는 방식과 조금은 다르게 Solar Updraft Tower를 이용하여 전기를 생산하는 발전 방식도 있습니다. 아래 그림에서 아래 공간을 온실처럼 만들어 열을 가두어 두면 밀도차이에 의해서 자연스럽게 타워쪽으로 공기가 흐르게 됩니다. 타워에 모인 공기는 속도가 빨라지고 이때 생기는 바람으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식입니다. 인위적인 바람을 만든 풍력발전이라고 해도 무방할 것 같습니다.


(Photo courtesy of EnergyPlenty.com) / (Photo courtesy of EnviroMission Ltd.)

이 방식은 아직 상용화 되지 않았거나 되었더라도 시험용 정도 일 것으로 생각하는데, 공간을 차지하는 것보다 발전 효율이 극히 낮은 것이 특징입니다. 물론 비용은 아주 적게 드는 장점이 있지만 공간을 차지하는 것과 비용, 그리고 발전량을 비교했을 때 시장성이 있는지는 회의적인 견해가 많습니다.

태양 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 것을 끝마치기 전에 태양광 발전과 태양열 발전의 차이를 간단히 정리하면 좋을 것 같습니다. 이미 아시겠지만, 태양광 발전은 광기전력 효과를 이용하여 태양광을 반도체 소자에 조사하여 직류 전기를 생산하는 방식이며 태양열 발전은 태양광을 집광하여 높은 열을 얻고, 그 열로 수증기를 생산해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식입니다. 아래 그림이 간단히 요약해줍니다.

(태양광 발전과 태양열 발전의 차이, 출처 미상)

1.3 냉난방

태양에너지를 냉난방에 활용하는 방식도 이미 많이 발전된 기술입니다. 가정 집 지붕에 설치된 태양열 온수기 등과 같이 열을 모아 난방과 온수 사용에 활용할 수 있으며, 태양열을 열원으로 흡수식/흡착식 공기조화, 냉장 및 냉동기(Absorption/adsorption Air Conditioning, chiller and refrigerator)도 만들 수 있습니다.

1.4 그 외

이 외에도 태양열 에너지를 이용하는 영역은 다양합니다. 열전소자(Thermoelectric generator)를 이용해서 직류 전기를 생산할 수도 있으며, 집광기를 이용해서 용광로로 이용하는 태양로(Solar Furnace)도 예전부터 이용해오던 것들입니다. 또한 태양열을 이용해서 물의 수소 분해나 담수화에 사용하는 등 다양한 분야에서 태양열 에너지를 활용하고 있습니다.

Posted by Chuck Hong

 신재생에너지란 무엇일까요?

 태양에너지, 풍력, 지열, 수력 이런 것들을 떠올릴 수 있겠습니다만 간단하게 생각하면 석탄, 석유, 우라늄 외의 에너지라고 보면 더 이해하기 쉬울 것 같습니다. 즉, 곧 사라질 연료(물론 이 부분에도 논란의 여지가 많지만) 외에 다른 에너지를 이야기 하는 것입니다. 다시 말해 (무한하거나) 재생(재사용)이 가능한 에너지 혹은 새로운 에너지라는 것입니다. 

 그럼 신재생에너지원에는 어떤 것이 있을까요?

 우리나라 법에서 정의한 신재생에너지원을 살펴보면 태양열, 태양광, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지, 연료전지, 석탄액화·가스화, 수소에너지 등이 있습니다. 그 외에도 또한 핵융합, 자기유체, 연료전지, 수소에너지 등이 있습니다.

종류가 굉장히 많지만 범주를 나눠보면, 태양 에너지, 수력, 풍력, 지열, 바이오/폐기물, 조수/파력 등의 재생에너지, 그리고 그 외의 신 에너지 분야로 나눌 수 있습니다.


 사실 파력은 바람에 의해 생기고, 바람은 태양에 의해 생기니, 간략하게만 나누면 태양에너지, 수력에너지, 지열에너지, 조수에너지, 바이오/폐기물 에너지로 나눌 수 있겠네요. 분류를 나누는 것이 큰 의미는 없지만 에너지원이 어떤 것인가에 대한 생각을 해보는 것은 좋을 것 같습니다. 좀 더 나눠 보자면 태양의 핵융합으로 인한 복사 에너지, 중력/위치 에너지, 지구 내부의 열 에너지로 간단히 정리 할 수 있겠습니다. 

Posted by Chuck Hong