대체에너지와 개발

목차

대체에너지란?

대체 에너지의 종류와 장단점

연료 전지(燃料電池)

태양광발전 시스템

태양광발전의 일반적인 특성

태양열 발전 시스템

소규모 태양열 발전 시스템

지열(地熱) 에너지

풍력발전(風力發電)

소수력 발전

水素(수소) 에너지

Biomass 에너지

MHD 발전

파력 발전(波力 發電)

해양온도차 발전

조력 발전(潮力 發電)

핵융합(核融合) 에너지

대체에너지 이용보급현황

본문내용

정도로 다양하다. 핵융합에너지개발에는 필수적인 주요 기술의 개발이 요구되고 이러한 기술개발은 관련산업에 영향을 주어 서로 도움을 주는 역학 관계로 발전하게 된다.
핵융합장치가 궁극적으로 달성해야할 목표는 경제적이고 안전한 에너지를 생산하는 것이다. 현재까지의 개발결과는 1차적 목적인 임계조건에 가까이 다가와 있음을 보여준다. 임계조건이란 핵융합을 일으키도록 투입된 에너지가 핵융합의 결과로 발생하는 에너지와 같아지게 되는 핵융합플라즈마의 조건으로 1억도 정도의 온도에서 플라즈마 밀도와 플라즈마가 유지된 시간의 곱이 1020m-3sec 정도에 이르러야 한다는 것이다. 핵융합발전을 실용화 하려면 임계조건을 넘어서 핵융합의 결과로 발생된 에너지가 스스로 핵융합을 지속시키는 점화조건에 도달하여야 한다. 이는 임계조건의 약 10배에 해당한다.
아래에 핵융합의 원리에 대한 간단한 설명이 그림과 함께 제시되어 있다.
맨 왼쪽에 있는 것이 수소(H)이며, 중성자가 한개 있는 중수소(D)와, 중성자가 두개 있는 삼중수소(T)가 있으며, 이 D와 T가 바로 핵융합의 원료이다. 핵융합에는 DT반응, DD반응, DHe반응이 있다.
D + T -> He(3.5Mev) + n(14.1Mev)
D + D -> T(1) + P(3)
D + D -> He(0.81Mev) + n(2.44Mev)
D + He -> He(3.6Mev) + P(14.6Mev)
DT반응은 위의 그림에 나타나 있으며, 이런 반응을 일어났을 때 에너지가 생성되는 이유는 반응이 일어난 후에, 질량결손이라는 현상이 일어나기 때문이다. 아래의 그림을 보면, 중성자(n)와 헬륨(He)의 무게는 중수소(D)와 삼중수소(T)의 무게 보다 가볍다. 즉 질량이 그만큼 없어진 것으로 유명한 E=mc2이라는 아인슈타인의 상대성원리에 의해 없어진 질량만큼 에너지가 생기는 것이다.
D와 T의 밀도가 높을 수록 반응이 잘 일어나며, 반응 시간이 길수록 많은 에너지가 얻을 수 있다. 핵융합공학에서는 이 두 요소를 곱한 값이 어느 정도보다 크야 한다는 기준이 있다.
이 조건을 만족시킬 수 있는 방법에는 Inertial Fusion, Thermonuclear Fusion, Cold Fusion, Muon-Catalyzed Fusion, Fusion with Polarizing Nuclear Spin 등이 있는데, Inertial Fusion이라는 것은 DT를 향해 사방에서 레이져들 쏘아서, 순간적으로 매우 높은 밀도가 되도록 하는 방법인데, 이 방법은 밀도는 높지만 반응시간이 짧다. Thermonuclear Fusion이라는 것은 DT의 온도를 높여(온도가 높다는 것은 입자의 운동에너지가 높다는 의미) 반응이 더 잘 일어나도록 하는 방법이다. 이 방법은 Inertial Fusion보다는 밀도는 작고 반응시간은 길다. 토카마크는 바로 이 방법에 해당한다.
Thermonuclear Fusion을 실현하기 위해, 각국에서 여러 가지 장치를 고안했는데, Mirror, Stellarators, TOKAMAK 등이 그것이다. 핵융합로를 만드는 것은 돈이 매우 많이 드는 일이어서 각국의 공학자들이 모였는데, 러시아에서 고안한 도너츠 같이 생긴 TOKAMAK이 가장 성능이 좋았기 때문에, 요새는 Thermonuclear Fusion을 실현하기 위해 주로 토카마크를 도입하고 있다.
핵융합이 제대로 일어나기 위해서는 온도가 1억도 정도가 되어야 하며, 온도를 1억도까지 올리는 것은 방전(discharge)이나 고주파 가열, 전기적인 가열(ohmic heating)등으로 가능하다. 그러나 이 정도의 온도가 되면 물질은 플라즈마라는 상태가 되어버리는데, 플라즈마란 고체-액체-기체 다음의 물질의 상태이다. 플라즈마 상태에서는 전자가 거의 분자로부터 분리되어 있으며, 온도가 1억도가 되는 플라즈마를 가두기 위해서는 자기장을 이용해서 플라즈마를 가두는 방법을 고안하게 되었다. 플라즈마는 전자가 분리되어 있기 때문에, 전기적인 특성도 띄기 때문에 이것이 가능하다.
위의 그림을 보면 자석들이 복잡하게 설치되어 있는데, 이것들이 자기장을 만들어내고, 자기장이 플라즈마를 가두는 것이다. 그러나 플라즈마는 유체적인 특성, 전기적인 특성, 입자적인 특성을 함께 가지고 있어서 다루기가 매우 까다롭다. 현재까지는 플라즈마를 수 초동안 가두는 기술 수준에 머물러 있다.
토카마크를 설계하는데에는 기계공학, 전기공학, 재료공학, 컴퓨터공학 등의 다양한 공학이 필요하다.
토카마크에서 얻은 열에너지를 이용해서 증기를 만들고, 증기로 터빈을 돌려서 전기를 만드는 과정은 다른 발전방식들과 동일하다.
대체에너지 이용보급현황
대체에너지가 우리나라에서 차지하고 있는 공급비중은 '98년현재 총에너지 사용량의 1.03%(1,715천TOE)로서 전년대비 약 21%가 증가했으나 아직도 선진국들에 비해 공급 비중이 낮다.
이는 대체에너지 기술개발에 대한 투자규모가 미약한 것으로 요약될 수 있는 것으로서 미국은 우리나라보다 74배, 일본은 27배, 영국은 9배를 투자하고 있다.
실용화 이용현황
분야별
주요 이용현황
태양열
가정용 태양열 온수기 176,800여기
태양광
소규모 도서용 및 특수전원용으로 총 3,240kW
바이오
산업체 및 농가의 메탄가스 이용시설 100여기
폐기물
도시쓰레기 : 목동, 부천, 일산, 다대포등 31개소(소각열이용)
산업폐기물 :520여개소 폐기물소각열 이용
소수력
23개소 37MW
풍력
제주지역 등에 7기 약 2,000kW
'98 대체에너지 공급 비교
총네너지
대체에너지
공급비중(%)
사용량(천TOE)
전년비 증감율(%)
사용량(천TOE)
전년비 증감율(%)
167,370
△7.4
1,715
20.7
1.03
대체에너지원별 비중 (단위 ; 천 TOE)
구분
폐기물
바이오
태양열
소수력
태양광
풍력
계
공급량
1,577
63
44
27
4
0.4
1,715
비율(%)
91.9
3.7
2.6
1.6
0.2
-
100
선진국과의 공급 비교 ('96 IEA통계)
덴마크
프랑스
미국
일본
한국
6.9%
4.3%
4%
2%
0.7%
[자료원 : 한국에너지기술연구소]

키워드

대체에너지,   재생에너지,   신 에너지