[동향분석] 태양열 발전 기술의 국내외 현황 분석

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[동향분석] 태양열 발전 기술의 국내외 현황 분석

2007년 1월 2일 (화) 23:49:00 | 지면 발행 ( 2006년 12월호 - 전체 보기 )

신·재생에너지는 교토의정서 등 국제환경규제에 대비할 수 있는 청정에너지이자, 지속가능발전을 견인할 기술주도형 미래에너지원으로서, 전 세계적으로 2020년까지 매년 2.3%씩 성장이 예상되는 미래 신에너지 산업이다. 지난 10년간 우리나라 1차 에너지소비는 급속하게 성장하여 세계 10대 에너지 소비국으로 부상하였고, 부존자원이 없는 우리나라 에너지 해외의존도는 1990년 87.9%에서 2004년 97.7%로 계속 상승하였다. 현재 사용하고 있는 화석연료는 가채년수 제한(석유 41년, 석탄 218년, 가스 63년 등/BP자료)과 지역편중이 심한 환경오염 및 지구온난화 주범이며, 우리나라는 세계9위 이산화탄소 배출국이다.최근 중동지역 정정 불안, BRICs국가의 수요 증가, OPEC의 시장지배 강화 등에 따른 고유가 상황이 고착화될 전망 속에 지속가능발전을 견인할 ‘국산에너지’의 중요성이 보다 증대되고 있다. 또한 온실가스 감축부담이 본격화되어 EU의 배출권 거래제도(ET) 시행(2005. 1) 등 본격적인 환경경제시대가 도래하고 있고, 우리나라는 2차 이행기간(2013~2017)중 온실가스 감축의무 부담이 예상되고 있어 환경비용을 최소화할 수 있는 신재생에너지의 관심이 고조되고 있다. 자원고갈, 환경오염 등 기존의 화석에너지 체제의 한계를 극복할 미래대안으로 태양에너지를 기반으로 한 지속가능한 에너지 패러다임이 필요한 시점이다.태양에너지는 지구상에서 최대의 신재생 에너지 자원이라 할 수 있다. 전 세계 일사량 조건이 충분한 지역의 약 1% 정도만 태양열 발전소가 건설되어진다고 하더라도, 2000년도의 전세계 수요 발전량에 해당하는 충분한 전기를 생산할 수 있다. 이런 태양열 에너지원은 풍력 또는 바이오메스 보다 전세계의 훨씬 넓은 지역에 걸쳐 태양권역이 고르게 분포하고 있어, 보다 넓은 지역에서 에너지원의 이용이 가능하다. 태양에너지를 이용하는 기존의 방법은 열 이용의 경우 건물에 일사되는 태양에너지를 수동적으로 활용하거나, 평판형 혹은 진공관형 집열기 등을 이용하여 열에너지를 회수하여 난방이나 급탕 등의 목적으로 활용하여 왔으며, 전기이용의 경우 PV셀을 이용하는 광화학적 방법을 통해 약 10% 내외의 효율로 전기를 생산하는 고가의 이용기술이 널리 적용되고 있다.그러나 태양에너지는 이를 일정한 장치를 통하여 집적하여 고집광의 태양에너지를 얻어 활용할 경우 보다 다양하고 높은 효율의 활용이 가능하다.발전의 경우 고온태양열을 이용한 고효율의 발전과 고집광 기술을 적용한 고효율 PV 발전 등이 가능하며, 열화학반응 응용분야의 경우, 수소 등의 유용한 에너지저장/수송 매체를, 궁극적으로는 이산화탄소의 배출 없이 생산하는 등 각종 첨단 활용기술의 적용이 가능하다. 태양열 발전은 기술이 이미 증명되었고, 대단히 잘 개발된 기술이다. 캘리포니아 지역에서의 태양열 에너지원을 이용하여 90억 kWh의 전기를 이미 생산한 9개의 parabolic through type의 태양열 발전 단지가 대표적인 예이다. 태양열 발전에서 수십년이 넘는 축적된 운영 경험은 태양열을 이용한 발전 개념이 매우 타당함을 설명해 주고 있다.태양열은 현재의 발전 단가가 US￠ 12 -20/kWh이며, 장기 발전 단가가 US￠ 5 -10/kWh 으로, 가장 경제적인 신재생 발전 기술 중의 하나이며, 미래에 화석 연료를 에너지원으로 하는 발전 단가와 경쟁 할 수 있는 최소의 태양열 발전 단가라고 할 수 있다.현재는 태양에너지 일조시간 및 기후조건에 따른 자원활용의 시간적 한계로 인하여 현재 태양열발전이 가지고 있는 한계를 극복하여 전체적인 태양에너지 이용효율을 최대화시키 위한 태양열복합발전이 중.단기적으로 태양열을 이용하여 고효율, 양질의 발전을 행할 수 있는 가장 효과적인 대안으로 선진 각국에서 집중 연구를 시작하였다.고집광에 따른 이점을 추산해 보기 위해 태양에너지의 일사량이 최고 약 1kW/m2라 가정하고 집열효율을 계산하면, 각각 다른 집광비에서 집열온도에 따라 <그림 1>의 실선과 같이 나타낼 수 있다. 또한 이러한 이상적인 집열 온도로부터 열역학적 최대 효율인 Carnot 효율을 계산하고, 집열효율과 Carnot 효율로부터 최대 시스템 효율을 추산할 수 있다. 계산된 Carnot 효율과 시스템 효율은 <그림 1>에 집열효율과 함께 나타내었다.

이상적인 경우에 대한 계산 결과인 <그림 1>로부터, 예로 1,000배의 집광비를 살펴볼 경우, 완벽한 광학장비를 이용하여 최상의 일기조건에서 집광을 할 때에, 최고 약 2,050K의 온도를 얻을 수 있으며, 약 1,100K 근처에서 최대 시스템 효율 약 0.68을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이러한 수치들은 이상적인 값으로 반사에 따른 손실이 증가하고 흡수율이 감소하거나 방사율이 증가할 때에, 또한 태양에너지의 일사량이 감소할 때에 낮아질 수 있다. 그러나 그림을 통하여 기본적으로 두가지 중요한 정보 즉, 집광을 통하여 그 활용의 폭이 매우 넓은 높은 열원의 획득이 가능하다는 사실과 보다 높은 고집광을 통하여 보다 높은 효율의 에너지 활용이 가능하다는 사실을 확인할 수 있다.태양열 발전기술 개요 태양열 발전은 일사된 태양복사에너지를 고비율로 집광하여 회수된 고온(250-1200 ℃)의 열에너지를 이용, 발전설비를 구동하여 전기에너지를 얻는 것으로서, 대규모 태양열 발전설비는 <그림 2>와 같이 기본적으로 집광, 흡수, 저장, 발전 시스템을 포함하고 있다.

이 때 전달된 고온의 태양에너지는 열에너지의 형태로 발전설비에 공급되어 직접 전기를 생산하거나 열함량이 증가된 연료 혹은 수소 등의 화학에너지 생산을 위한 흡열반응의 열원으로 공급되어 발전을 위한 연료의 생산에 이용되기도 한다. 또한 발전방식 및 고온 태양열 연계방식에 따라 (효과적, 안정적 발전을 위해) 별도의 연료를 사용하는 복합시스템을 구축하기도 한다태양열에 의한 현재의 발전단가는 약 US￠ 12 -20/kWh 정도인데, 장기적으로는 약 US￠ 5 -10/kWh 정도의 발전단가를 형성할 수 있을 것으로 예상되어, 미래에 화석연료 발전과 경쟁할 수 있는 경제성 높은 신재생에너지 발전기술 중 하나로 여겨지고 있다.1. 태양열 집광방식집광장치를 통하여 고온으로 집열된 태양에너지를 활용하는 응용분야는 다양한 형태의 집광방식에 따라 분류될 수 있는데, 각각의 집광방식이 가지는 특성과 한계로 인하여 획득 온도 및 활용방식이 결정된다.

<그림 3>은 기존에 널리 사용되는 집광방식을 네 가지로 분류하여 나타낸 것으로 parabolic trough 형 집광방식으로 불리우는 (a)는 1축 방식의 태양추적이 가능한 parabolic 곡면의 반사경을 통하여 300 ℃ 내외의 열원을 얻을 수 있는 집광 장치로 주로 스팀생산을 통한 태양열 발전설비에 응용되어지는 고전적인 집광 방식이다.(b)는 central tower형 집광방식으로 개별적으로 태양을 추적하는 수백개의 반사경(heliostat)을 이용하여 중앙의 tower에 집광을 행하는 방식으로 parabolic trough형 집광방식보다 높은 온도의 획득이 가능하여 대규모 발전 및 화학반응에 응용되고 있다. (c)는 작은 집열면적으로 고집광이 가능한 dish형 집광으로 스터링 엔진 등을 구동하는 소규모 독립형 발전시스템에 주로 응용되고 있다. (d)는 기존의 central tower형 집광에 반사경을 설치하고 이를 통하여 반사된 빛을 CPC라 불리우는 2차 집광장치로 빛을 전달하여 보다 높은 초고온의 획득이 가능토록 하는 특별한 집광 형식으로 이때 CPC는 tower에 직접 설치될 수도 있다. 2. 고집광과 초고온 태양로일반적으로 초고온 태양로라고 하면 기존의 dish형 반사경 혹은 central tower형 집광설비에 CPC 형태의 2차 집광시스템을 추가로 설치하여 수천K에 이르는 초고온을 얻을 수 있는 장치를 의미한다. 1,000 ~ 수천K에 이르는 고온의 획득이 가능한 초고온 태양에너지 집광 설비는 기존의 태양열 발전이 아닌 화학반응을 통해 보다 유용한 에너지의 획득이 가능한 첨단 설비가 된다고 할 수 있다.<그림 4>는 좌로부터 각각 이스라엘(WIS), 미국(SNL), 그리고 스페인(PSA)에 구축되어 각종 초고온 태양에너지 활용 시스템의 연구에 사용되어지고 있는 대규모 central tower형 초고온 집광설비이다. 이러한 설비들은 크게는 10 MW급에 이르는 대규모 장치로서 요구되는 온도조건에 따라 타워 내부에 2차 집광 장치를 설치하여 초고온 태양로로 이용한다.

<그림 5>는 좌로부터 미국(NREL), 프랑스(CNRS), 스위스(PSI)에 구축된 실험용 태양로로서, 이들은 dish 형태의 1차 집광설비를 기본으로 하여 2차 집광 장치를 조합한 비교적 소형(수~수십 KW)의 초고온 집광 설비들이다.

3. (초)고온 태양열 화학반응 시스템 (초)고온으로 집열된 고집광 태양에너지를 활용하여 화학반응을 수행할 경우 복사에너지를 효과적으로 활용해야 하는 관계로 화학반응 시스템의 구조는 기존의 방식과 다른 형상을 필요로 하게 되는데, 이에 따라 반응기의 형상, 열전달, 촉매의 적용 등 핵심 요소기술도 기존의 것과는 다른 방식으로 응용되어져야 한다.그러나 1,000K 이상의 초고온 태양열 화학반응을 응용하는 고집광 태양에너지 활용을 위한 반응기는 효과적인 열전달을 위해 반응물과 집광된 태양에너지가 window를 사이에 두고 직접 접촉하는 형태를 가지고 있다.

<그림 6>은 세계적으로 초고온 태양열화학반응 관련연구를 주도하고 있는 스위스 PSI의 태양반응기들로서 좌로부터 작동의 개념과 특성에 따라 rotating-cavity solar reactor, vortex-cavity solar reactor, two-cavity solar reactor로 명명하고 있으며, 2,000K 이상의 초고온에서 태양연료 생산을 위한 화학반응을 수행할 수 있다.태양열 발전시스템 종류태양열 발전시스템은 집열방식에 따라 집중형과 분배형으로 나누며, 집중형의 경우는 대규모 발전플랜트에 적합하고 분배형은 중규모 이하 플랜트나 독립형 발전시스템에 적합하다. 에너지 전환 시스템으로는 발전기와 열방출 부설시스템이 부착된 열엔진(증기랭킨, 유기랭킨, 가스브래이튼 또는 스터링)으로 구성되며, 열엔진에 따라 시스템 설계 및 구성이 변한다. 에너지 수송 및 저장은 기존 타열원 발전시스템과 유사하여 기술의 공유가 가능하다. 태양열 발전시스템의 개발과 더불어 운전기술의 확보는 시스템 최적화 및 효율 향상을 위해 필수적이며, 시스템의 성능 및 경제성 평가를 위한 측정평가 기술도 필요하다. 집광기술에 따른 분류는 다음과 같다.· Parabolic Traughs : 1축 태양추적· Power Towers : heliostat· Dishes : 2축 태양추적1. Parabolic TroughsPTC의 반사면은 trough의 촛점에 놓인 집열관에 태양열을 모은다. 집열관내의 가열된 열매체는 파이프를 통해 터빈/발생기에서의 사용을 위해 열교환기로 수송되어 증기로 때로는 직접 집열관에서 증기로 만들어지기도 한다. PTC는 1축은 고성되어 1축산 태양을 추적한다. 이 기술은 공정열이나 화학반응을 위해 열을 제공하기 위해 제공되며, 현재는 전력생산을 위해 많이 사용되고 있다. 집광비는 10 ~30sun정도이다.2. Power TowersPower Towers 시스템에서는 heliostat가 중앙타워에 설치된 집열기에 태양일사를 반사하고 모으는 역활을 한다. 집열기의 열전달 매체로는 molten salt, 공기 또는 액체금속등이 사용된다. 가열된 열매체는 축열소를 거쳐 전력 변환장치에서 전기를 생산한다. 이 시스템의 집광비는 300~1500sun정도이며 1500℃이상에서도 작동이 가능하다. 3. Dish SystemsDish 시스템은 dish의 촛점에서 태양열을 모은다. 이 시스템은 수천 sun의 집광비를 얻을 수 있다. 이 집열기는 태양에너지를 직접 열로 변환시켜 열로 직접 이용하거나 화학공정에 사용할 수 있으며, 가장 보편적인 사용형태는 전력생산이다.4. 태양열 복합발전태양에너지는 일조시간 및 기후조건에 따른 자원활용의 시간적 한계를 가지고 있다. 이러한 이유로 태양에너지를 전기나 화학물질등 유용한 형태로 전환하고자 하는 공정은 최적의 운전조건에서 장치의 용량을 최대한 활용하여 연속적인 조업을 하지 못하게 되는 결과를 가져와 전체적인 태양에너지 이용효율의 저하를 가져온다는 약점을 지니고 있다. 이러한 약점을 보완할 수 있는 방법은 크게 두 가지다.첫째는 태양에너지를 일정한 저장매체를 통하여 저장하고 야간이나 기후조건이 좋지 않은 시기에 적절하게 활용하는 방법으로, 이는 사막 등에 설치된 대규모 태양열 발전설비에서 일반적으로 사용되고 있는 방법이다. 두 번째는 태양에너지와 천연가스등의 화석연료를 동시에 이용하는 복합시스템을 구축하는 것으로, 이러한 방식은 일조조건에 따라 화석연료의 사용량을 조절하여 (발전의 경우) 발전설비를 최적의 조건에서 최대용량으로 운전하여 일정한 양을 전기를 지속적으로 생산할 수 있으며, 공급되는 태양에너지를 모두 발전에 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 따라서 별도의 화석연료 공급이 불가능한 (사막 등)특수한 지역에서의 태양열 발전설비가 아니라면 두 번째 방법인 ‘복합발전’은 중·단기적으로 태양열을 이용하여 고효율, 양질의 발전을 행할 수 있는 가장 효과적인 대안이 될 수 있다.복합발전은 태양열 집열방식, 이에 따른 집열온도, 발전방식, 사용되는 화석연료의 종류, 복합열원 연계방식, 발전용량 등 다양한 조건에 따라 서로 다른 시나리오를 가지게 되는데, 현재 전세계적으로 적용 가능한 기술수준을 고려할 때에 <그림 10>과 같이 5가지로 크게 분류할 수 있다.

시나리오 (1)-(3)의 경우 집광기를 통하여 얻어진 고온의 태양열을 발전설비에 열의 형태로 전달하는 경우인데, (1)은 태양열을 열유체를 이용하여 회수한 후 ORC 등의 발전사이클을 별도의 연료와 함께 구동하여 복합발전을 행하는 경우로 복합장치의 구성은 용이하나 비교적 낮은 발전효율을 가진다. (2)의 경우는 발전설비로 가스터빈을 이용하고 터빈으로 공급되는 압축공기를 태양열을 이용하여 가열하여 공급되도록 하는 장치구성으로, 이때 태양열은 터빈 발전기의 효율을 향상시키고 연료를 절감시키는 데에 기여하게 된다. (3)의 경우는 외연기관인 스터링 엔진을 이용하여 발전을 행하고 열원공급을 위한 고온부를 태양열과 연료의 연소열에 함께 이용할 수 있도록 설계한 방식으로, 간단한 구조를 가지면서도 비교적 작은 규모의 고효율 복합발전을 행할 수 있으나 복합열원의 효과적 사용을 위한 복합기를 필요로 한다. 시나리오 (4)-(5)의 경우 고온태양열을 반응에 이용하고 이를 통하여 얻어진 생성물을 발전설비에 연료의 형태로 공급하는 경우로서, NG 등의 연료를 고온태양열로 열분해하여 수소함량이 높은 연료로 개질하고 이를 터빈에 연료로 사용하거나 수소만을 분리하여 연료전지에 사용토록 하는 방식이다. 그 밖에도 기존의 발전 설비와 적절한 방식으로 열을 교환하여 전체적인 열효율을 높임과 동시에 발전을 위해 태양에너지를 효과적으로 활용토록 하는 다양한 형태의 복합시스템의 구축이 가능하다. 태양열발전을 위한 일사량 태양에너지는 무한량하다. 지구가 태양으로부터 받는 에너지는 우리가 상상할 수 없는 정도로 막대한 양이며, 이것은 태양이 존재하는 한 유지된다(약 50억년). 지구의 대기권에서 반사되는 에너지량은 2.4 x 1015 kcal/min, 또는 1.7 x 1014 kW으로 이중 약 35%는 대기권에서 반사되고, 18%는 대기권에서 흡수되고 바람을 일으키며, 47% 정도가 지구에 도달한다. 태양에너지는 지구상에서 가장 풍부한 신재생에너지 자원으로서 년간 태양으로부터 지구에 도달되는 태양에너지 양은 전세계 에너지 수요의 약 2만 배에 이르며, 전세계 지표면의 약 0.1%의 지역에 일사되는 태양에너지 양은 (약 10%의 활용효율을 고려하더라도) 전세계 총 에너지 수요와 맞먹는 막대한 양에 이르는 것으로 알려져 있다. 이러한 태양 에너지원은 풍력 또는 바이오메스 등 타 신재생에너지원에 비하여 보다 넓은 지역에 걸진 태양권역에 고르게 분포하고 있어, 광범위한 지역에서 에너지원으로서의 이용이 가능하다.

국내 연평균 1일 수평면 전일사량은 3,079kcal/-m2로 그 결과 남한면적(통계청자료 99,143km2)의 태양에너지자원 부존량은 1.11×1017kcal/연로 연간 111억TOE의 석유에너지에 해당되며 태양에너지자원의 연간 가용량은 국토면적중 임야와 하천면적 등을 제외한 사람이 살 수 있는 가주지면적(30,870km2)으로 계산하여 부존량 1.11×1017kcal/연의 31.5%(35억TOE)로 추정하고 있다. 현재 흔히 쓰이고 있는 평판식 태양열집열기나 태양열온수기, 혹은 태양전지판, 그린하우스 등 고정형 태양열집열시스템은 넓은 면적에 입사하는 태양광선인 전일사량(Global Radiation)을 받아들여 이용하여야 한다. 전일사량은 산란일사량과 직달일사량의 총량이다.그러나 중·고온용 집광식시스템, 즉 태양열발전용 집광형집열기나 태양로 등은 직달에너지만을 가용에너지원으로 받아들이기 위하여 빛을 반사 혹은 굴절시켜서 상대적으로 넓은 면적에 입사하는 태양광선을 한 곳으로 모아 고온에너지를 얻도록 설계되어야 하는 특성을 가지고 있으며, 이 같은 시스템은 직달일사량만을 필요로 한다. 우리나라 법선면 직달일사량은 전 지역에서 청명한 날 하루에 연평균 4,600kcal/m2 정도의 일사에너지를 받고 있는 것으로 나타났다. 계절별로는 연중(年中) 여름철의 법선면 직달일사조건이 가장 좋은 것으로 나타났으며, 겨울철은 연평균치에도 못미치는 낮은 수준인 것으로 나타났다. 월별로는 봄철인 5월에 법선면 직달일사량이 가장 많으며(4,972kcal/m2.일), 가장 적은 달은 겨울철인 12월로 나타났다(3,908kcal/m2.일). 전국적인 법선면 직달일사량 분포상의 특징을 연평균치를 분석한 결과, 하루에 4,500kcal/m2 이상의 법선면 직달일사량을 받는 비교적 큰 지역은 전주-광주-진주를 잇는 남원분지 및 진주분지 일대와 유성-청주를 잇는 대전분지, 그리고 역시 분지지대인 춘천-원주-영주-포항을 잇는 일대임을 알 수 있으며, 그 중에서도 특히 광주와 유성, 그리고 청주지역은 하루에 5,000kcal/m2 이상인 것으로 나타났다. 반면에 법선면 직달일사량이 비교적 낮은 하루에 4000~4,500kcal/m2인 지역은 수도권지역인 서울과 대도시지역인 대구, 해안지역인 부산, 서산으로 나타났으며, 하루 4,000kcal/m2 정도에도 못 미치는 매우 작은 지역은 역시 해안지역인 목포로 나타났다.국내외 기술개발 및 보급 동향1. 국내 관련기술의 현황고집광 태양에너지에 기초한 국내의 관련 연구는 최근 한국에너지기술연구원(KIER)에서 개발을 완료한 dish형 집광시스템을 중심으로 소규모 발전(혹은 복합발전)을 행하는 수준에 머물고 있으며, 대규모 발전을 고려한 집광기술 개발에 관한 연구로는 90년대 후반 parabolic trough형 집광시스템 개발에 관한 연구를 시작으로 이루어지고 있다.고집광 태양에너지 활용(태양열 발전) KIER 기술개발의 현황은 다음과 같다.- 1994~1997 중·고온 집광시스템 개발- 1996~1999 Dish형 태양열 집광시스템 개발 (5 kW급 발전용)- 1998~2000 Parabolic Trough형 중.고온 집광시스템 개발- 2000~2003 Dish형 집광시스템 실용화 (10 kW급 발전용)- 2003~현재 Dish-Stirling 엔진 발전시스템 실증연구 (10 kW급)- 2004~현재 Dish-Gas Turbine 복합발전 기술개발 (30 kW급) - 2004~현재 LFG-태양열(dish형) 복합발전 기술개발 (10 kW급) - 2005`~현재 대규모 Power Tower형 태양열발전 기술개발 (국제공동, 1MW급) 2. 국외 관련기술의 현황(1) 각국 태양열 연구동향태양열 이용기술 개발은 저온분야의 경우 첨단소재 개발을 통한 고효율, 저가화에 집중하고 있으며, 최근에는 중고온분야의 태양열발전, 태양열 화학시스템의 응용 개발에 많은 연구 투자가 이루어지고 있음.□ 미 국 ㅇ 미국의 경우 1970년대 저온 분야(집열기, 온수기, 자연형시스템) 개발, 1980년대 자연형 건물과 중고온 분야에 연구 투자, 1990년대 이후 중고온분야중 태양열집광형 발전분야에 집중적으로 연구 투자 ㅇ 태양열 발전 및 산업 이용기술 의 상업화 (365MW) : 10MW Solar Tower Power, 25Kw Dish Engine , Hybrid PTC Plant, 산업공정열, 유독성폐기물 ㅇ 미국에서는 태양열발전 기술을 저가화하여 2020년에는 발전 단가를 5￠/kWh로 하여 20백만MW보급 추진□ 일 본ㅇ 일본 NEDO를 중심으로 이루어지고 있으며, New Sunshine 계획에 따라 대규모 설비형 태양열시스템 등이 중점 개발 보급되고 있음.ㅇ 태양화학열펌프 개발 (250~300℃)ㅇ 대규모 산업용 시스템 개발 : New Sunshine 계획□ 유 럽 (EC)ㅇ 유럽의 기술개발 및 보급의 핵심은 태양열 난방 및 온수기, 자연형 태양열 등이고, 수출을 목적으로 한 태양열 발전 등의 개발이 지속적으로 추진중임.ㅇ 태양열 발전 실용화 : IEA SolarPACES Program, 7.5㎾ Dish형 개발, 태양화학공정 (폐수, 유독성폐기물처리)□ 호 주 ㅇ 태양열 발전 실용화 : PTC, 50Kw Big Dish 운전□ 중 국ㅇ 막대한 자국 시장수요에 맞춰 국가개발계획 수립(2006~2010, 제11차 ) ㅇ 발전분야 보급목표 : 2020년 전체 발전의 10%를 신재생에너지로 대체ㅇ 열에너지 보급목표 : 2020년까지 400 MTCE 신재생에너지 연료 및 열공급(2) 태양열복합발전 개발 동향화석연료를 열원으로 동시에 사용하는 복합발전은 투자리스크 감소, 태양열 발전효율 증가, 설비비의 감소 등 많은 이점을 가져다 줄 수 있어 실제로 현존하는 모든 PTC(Parabolic Trough Concentra-tor)형 Power Plant는 화석연료를 복합으로 사용하는 복합(Hybrid) 시스템이며 화석연료에 의한 에너지 공급은 약 25% 이다. 다만 이러한 기존의 발전설비들이 스팀터빈을 이용하는 발전사이클을 적용하고 있는 관계로, 상대적으로 낮은 온도영역의 구동에 따른 효율상의 한계를 가지고 있어 가스터빈을 사용하는 고효율 발전, 스터링엔진을 사용하는 외연기관 발전 등을 복합화하기 위한 연구들이 활발하게 이루어져 온 바 있다. 이들 주요 연구들에 관한 개요는 아래와 같다.□ SOLARSYS Project (1998~2002)- 연구기관 : 독일 DLR, 이스라엘 WIS- 집광/발전방식 : Power Tower/가스터빈- 메탄을 태양열로 개질 - 합성가스+별도연료의 가스터빈 연소- 400 kWt급 Solar Receiver Reactor 개발□ REFOS 1, 2 project (1996~1999, 2002~)- 연구기관 : 독일 DLR, 스페인 PSA- 집광/발전방식 : Power Tower/가스터빈- 압축공기를 태양열로 가열- 가열공기+별도가스연소 터빈 구동 발전- 350 kWt 급 Solar Receiver 개발- 1MWt급 Solar Receiver 목표(REFOS 2)□ HyHPIRE Project (1998~1999)- (독일 DLR) 1998~1999- 집광/발전방식 : Dish/스터링 엔진- Hybrid Heat Pipe Receiver 개발- 태양열/가스연소 혼합열원 사용- 10 kWe 급 복합 발전(3) IEA Solar PACES ProgramSolar PACES 프로그램은 태양열 발전 및 태양화학에너지 시스템 분야의 (Solar Thermal Power and Chemical Energy System) IEA (International Energy Agency) 사업으로 1977년 소규모 태양열 발전 시스템 (SSPS : Small Solar Power System) 개발을 위해 10개국이 참여하여 시작되었다. (오스트리아, 벨기에, 독일, 영국, 그리스, 이탈리아, 스페인, 스웨덴, 스위스, 미국)SSPS그룹은 1단계로 2개의 500kwe급 태양열 발전소를 설계하고, 2단계로 스페인 남부 알메리아(Almeria)에 2개의 발전소를 건설하고 운영에 들어갔다.1983년과 1984년에 태양열 발전소의 건설 및 운영이 기술적으로 타당하고 입증되었으나, 상업화를 위해서는 보다 실용적인 연구와 개발이 필요하였다. 더욱이 태양열을 공정열이나 화학에너지로 전환해야 하는 필요성이 대두하였다. 1, 2단계를 바탕으로 3단계에서는 오히려 연구개발호 되돌아가 저장, 집열기, 태양연료 및 화학, dish/stirling 시스템등 특정 목적에 연구가 집중되었다. 1990년에 IEA REWP ( Renewable Energy Workhg Party )이 SSPS사업의 성공을 확인한 후 1991년부터 몇개국 (러시아, 이스라엘, 호주 )이 추가로 참가하여 제4단계 계획에 돌입하였으며, 동시에 프로그램이름도 SSPS에서 Solar PACES로 바뀌었다. 제4단계에서는 실험실수준의 소규모 태양열 발전소에서 거의 상업용 대형발전소와 이를 위해 아직 수행해야할 연구분야를 포함하는 광범위한 태양열 응용 분야로 확대되었으며, 현재 연구개발 분야에서 산업 및 적용분야에서의 시범실중 실험단계로 계획되고 진행되고 있다. · Task Ⅰ : 시스템 개발1) 분배형(Dish) 태양열 발전 시스템의 개량 분배형 시스템의 목적은 2000년가지 독립형 7.5kw dish/stirling 시스템 개발 및 연계형 25kw 시스템의 상업화이다. 2) 개선된 집중형(Tower) 태양열 발전 시스템의 개발 및 시험 집중형 시스템은 PTC의 운전 유지비의 감소와 첨단 열전달 기술을 포함한 Tower의 대규모 시스템의 입증등이 목표이다. · Task Ⅱ : 화학공정에서의 R&D태양화학 분야는 현재 태양열 발전보다 앞서있다. 이분야의 핵심은 태양에너지를 장기저장과 먼거리 수송이 될 수 있는 화학에너지로의 전환이다.· Task Ⅲ : 부품개발여기서는 TaskⅠ, Ⅱ를 위한 필수적인 부품, 장비, 지원도구 등을 제공하는 것이다. 이것은 부품과 Subsystem의 개발, 시험 및 실증을 포함한다. ; 집광장치, 집열기, 축열조, 시험장비 및 시설, 측정장치 및 기술, 이론치 및 시뮬레이션 값의 DB, 평가방법, 평가기준.(4) 국외 보급 및 정책동향 □미 국□ E C□ 호 주향후 기술개발 및 전망1. 기술개발 목표 (1) 개발목표 ㅇ 태양열 발전 기술의 실용화 (2) 핵심기술의 성능 최종목표( 2003~2012년)2. 파급효과 (1) 첨단 신기술 창출로 고도성장이 전망되는 미래유망산업 주도 ㅇ 새로운 에너지 패러다임 전환의 중심 역활 기대ㅇ 21세기의 첨단 우주산업, 생명공학, 환경과도 불가분의 공생관계 확립 (위성발사체, 태양광화학, 폐수처리 등)ㅇ 우리나라 어느 곳이든 획득 가능하고적용 가능한 기술산업으로 정착(2) 타 산업과의 연계성 증대 ㅇ 우주산업 연계 : 태양열발전, 인공위성 태양열발사장치, 태양구동레이저 발생시스템 등의 미래우주산업ㅇ 생명공학 연계 : 광합성 등 태양광화학 산업ㅇ 환경산업 연계 :유독성폐기물처리, 슬러지건조 등(3) 타 산업에 미치는 영향 확대ㅇ 에너지이용 전 분야의 태양에너지이용 산업구조로의 변환에 따른 활성화ㅇ 자연에너지 사용에 따른 자연친화적 산업 및 제품증대ㅇ 기존 적용분야 관련산업 확대 : 건축, 냉난방, 산업공정, 발전 등