에너지 분야 재료기술의 전망

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에너지 분야 재료기술의 전망

2007년 7월 1일 (일) 10:21:00 | 지면 발행 ( 2007년 6월호 - 전체 보기 )

일본의 1차 에너지 현상과 전망에너지 분야라고 한마디로 통들어 표현하더라도 재료기술은 아주 다양한 분야에 걸쳐 있다. <그림 1>은 에너지백서에 표시된 일본에너지흐름도(2001년도)와 삭감방침인데 1차 에너지 공급은 석유, 석탄, 천연가스, 원자력발전, 수력, 지열, 신재생에너지의 변화이며 이들은 전력, 가스, LPG, 석유제품, 석탄제품으로 변환되어 민생, 산업, 운송 등의 용도로 소비된다. 이 에너지의 흐름 가운데는 발전소, 엔진, 보일러 외에 전력변환, 파이프라인, 에너지 저장(탱크, 전지) 등 많은 설비?기기가 있으며 재료기술이 응용되고 있다.

에너지 분야에 있어서 주요 과제는 온난화 방지 등의 지구환경대책과 효율화, 에너지 시큐러티를 포함한 에너지의 안정적인 공급이다. 교토의정서에 의하면 일본은 2010년경(2008년~2012년 평균)에 CO2 등의 온실효과가스 전체를 90년도 대비 6% 삭감하기로 목표를 잡았다. 그러나 기존의 온실효과가스 배출량이 90년 보다 훨씬 증가하고 있기 때문에 혁신적인 기술을 포함한 큰 도전이 필요한 상황이다. 이같은 배경에서 일본은 다음과 같은 시책을 추진하고 있다.① 에너지절약· 산업부문 [에너지이용효율 향상(고성능 공업로, 고성능 레이저 / 보일러 등), CO2 회수·처리·고정, 등]· 민생부문(기기효율 개선, 급탕분야 등의 열에너지 고효율기기, 에너지매니지먼트시스템, 고효율조명, 주택의 에너지절약성능 향상, 대기시 소비전력 삭감, 등)· 운송부문 [연비효율 개설, 하이브리드 자동차 등 차종 다양화, 크린에너지 자동차(천연가스엔진, 캐퍼시터 등의 고효율 에너지 회수, 등)]② 신재생에너지· 태양광발전, 풍력발전, 바이오매스, 연료전지, 폐기물발전, 등③ 천연가스 이용확대· 파이프라인매설, LNG, 운송, 저장, GTL(Gas to Liquid), DME(Dimethyl Ether) 등④ 원자력 기술기반 확보· 안전확보, 조업? 보수 등의 착실한 실시, 고속증식로 및 연료사이클 확립, 등오히려 90년도의 에너지가 원인이 된 CO2는 287백만t-C, 최종 에너지소비(원유화산) 349백만kl로 평가되었다. 에너지 고효율이용기술의 도입이 추진되었지만 매년 기기의 대형화와 다양화에 따라 전체 CO2배출과 에너지 소비는 증가하고 있다.이 시책 가운데 몇가지 과제를 추려서 신재료기술에 대해 검토해본다.전기사업의 대책과 신재료기술전기사업은 2010년도에 사용단 CO2배출원 단위를 1990년도 대비 20%정도까지 개선하는 것을 목표로 한다.1. 기력발전 플랜트의 효율향상화력(석탕, LNG, 석유 등)발전소의 발전량은 현행 기술?시책에서는 2010년도에는 5,373억kWh(구성비 52%)로 주력 발전방식이라고 예상된다. 때문에 효율을 5% 개선한다면 일본의 CO2배출량을 1~2% 저감할 것으로 기대된다.효율개선에는 작동조건의 고온?고압화가 필요하며, 초임계전압(USC)발전에서는 페라이트계고Cr강개량재 등의 내열재료개발이 필요하다<그림 2>. 또, 콤바인드사이클발전을 위해서 고효율가스터빈용 단결정 Ni기초합금과 내열코딩 등의 개발이 진행되고 있다. 앞으로는 세라믹스, 금속간화합물, 탄소/탄소복합재 등의 선진재료가 개발될 것으로 기대된다.

2. 원자력 기술기반 확보원자력발전은 1kWh당 CO2배출량이 적으며, 안전성 확보를 전제로 CO2배출량 제어수단으로 기대된다<그림 3>. 앞으로 원자력발전소의 증설이 없을 경우, 2010년도의 에너지기원 CO2배출량은 약 20백만t-C증가할 것으로 시산하고 있다. <그림 3>에서 태양광 등의 1kWh당 CO2배출량이 원자력발전보다 약간 높은 것은 발전설비제조시의 에너지 필요량 때문이다.

원자력발전에서는 안전성의 확보를 위해서 구조재인 스테인리스강의 응력부식균열(SCC) 대책 등이 과제이지만 건전성이 높은 연료피복관용인 ‘J합금’등 질코니윰합금의 개량연구 등도 추진되고 있다. 또한, 양자역학(제1원리계산)에 기반한 재료메카니즘(질코니움 중의 수소 거동)의 기초연구 등도 진행되고 있다<그림 4>.

민생부문 운동부문에 있어서 대책과 신재료기술민생부문에서는 에너지절감 대책 효과로 원유 환산 1,860만kl을 목표하고 있다. 에어콘 등의 기기효율개선 : 540만kl, 대기시 소비전력 삭감 : 40만kl, 주택?건축물의 에너지 절감 성능 향상 : 860만kl, 고효율조명 : 50만kl 등에 추가해, 고효율 급탕기의 보급 : 50만kl(추가대책 케이스 : 260만kl)에 주목하고 있다. 히트펌프를 이용한 고효율 급탕기에서는 환경 등으로부터 채취한 에너지를 이용하기 때문에 수요단 전력 이상의 유용에너지를 얻을 수 있다<그림 5>. 특히 효율이 높은 CO2 냉매 히트펌프 급탕기(에코큐트)는 2010년까지 520만대 보급목표가 짜여져 있다.

국(지구환경소위원회)에서는 혁신적인 온난화대책기술이 얽혀져 있기 때문에 민생부문에서의 에너지절감대책에서는 광촉매이용 고기능주택, 디스플레이관련기술, 저손실 전력소자를 이용한 에너지네트워크화기술 등이 손꼽히고 있다. 저손실 전력소자에 의한 CO2삭감량은 산업부문, 민생부문을 아우러서 30만t-CO2 이상으로 평가된다. SiC변환기의 효율은 종래의 Si에서의 94%에 대해 99% 이상이며, CPU전원, 모터제어, UPS 등의 적용범위를 생각해서 가능성으로는 30만t-CO2의 수십배의 에너지절감과 CO2배출억제효과가 기대된다.운송부문은 CO2배출의 20%를 차지하고 있다. 그래서 에너지절약 대책효과로 원유환산 1,690만kl을 목표로 하고 있다. 기기의 효율개선에 의해 540만kl과 함께 크린에너지 자동차로 하이브리드차 등의 다양화에 따라 80만kl로 예상된다. 한편 교통시스템에 따라 에너지절약도 970만kl로 기대가 높다. 혁신적 온난화대책기술로 자동차의 경량화, 윤활성능을 제어 가능한 강재(鋼材) 개발 등이 기대된다. 신재생에너지2010년도에 신재생에너지도입목표는 1차 에너지 총공급의 3% 정도(원유환산 : 1,910만kl)로 매우 높은 수치다. 주요 내역은 다음과 같다.○ 발전분야태양광발전 : 482만kW(원유환산 : 118만kl), 풍력발전 : 300만kW(134만kl), 폐기물발전 : 417만kW(552만kl), 외○열이용분야태양열 이용 : 439만kl(원유환산), 폐액?폐재 : 494만kl, 외한편 수요 사이드의 신재생에너지이용으로 크린에너지 자동차 348만대, 천연가스 코제너레이션 464만kW로 목표가 잡혀 있다. 이 크린에너지 자동차로는 전기자동차, 연료전지자동차, 하이브리드자동차, 천연가스자동차, 메타놀자동차, 디젤 대체 LP가스자동차를 포함하고 있다. 최근에는 계통에서 충전해서 전기자동차가 주행할 수 있는 플러그인하이브리드자동차도 연구되고 있다.연료전지에는 자동차용으로 주목받고 있는 고체고분자형 연료전지(PEFC) 외에 용매탄산염형 연료전지(MCFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다<그림 6>. 이들은 고효율 코제너시스템으로 주목받고 있다.

2차전지는 전기자동차, 연료전지자동차, 하이브리드자동차의 주요 테크놀로지로 주목받고 있지만 신재생에너지와 분산형 전원의 부하제어용으로도 주목받고 있다. <그림 7>은 2차전지 가운데서도 에너지 저장밀도가 높으며 고효율 충방전이 기대되는 리튬 2차전지의 반응원리를 보여준다. 풍력과 태양광 등의 안정적인 이용에는 전지시스템의 대용량화와 저비용화 등의 재료기본에서의 기술개발이 열쇠가 되고 있다. 때문에 LiCoO2 정극 대체재료, 부하 탄소재료 등의 개선, 신규전해질 등 각종재료의 기술개발과제가 성능향상과 저비용화의 양면에서 검토되고 있다.

맺음말위와 같이 에너지분야 재료기술을 간단히 전망해보았다. 에너지분야의 재료기술은 금속재료, 세라믹재료, 반도체재료, 고분자재료 등 여러 분야에 걸쳐있기 때문에 이 지면으로 간단히 살펴본다는 것은 어려운 일이다. 그렇기 때문에 일본의 온난방지화 대책을 축으로 중요한 재료기술 과제의 유출을 시도해 봤지만 언급하지 못한 재료기술의 과제가 많다. 예를 들어 초전도기술은 고온초전도재료의 실용화가 진전되면 세계 에너지 지도를 크게 변하게 할 가능성을 갖고 있다. 또, 나노테크에 대한 기대도 크다. 에너지분야에서는 광촉매, 태양전지, 연료전지 등으로의 적용이 계획되어 있지만 나노사이언스 등의 발전에 따라서 재료기술의 브레이크쓰루가 예상된다<그림 8>.재료기술은 온난화방지 등의 지구환경대책과 효율화, 에너지시큐러티를 포함한 에너지의 안정공급을 실현하는 열쇠가 된다는 것은 두말할 필요가 없다.