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[기획연재] 신재생에너지 기술 현황과 전망(1) 신재생에너지 국내외 최신 기술 현황 및 동향
2008년 7월 3일 (목) 08:59:00 |   지면 발행 ( 2008년 6월호 - 전체 보기 )

신재생에너지 국내외 최신 기술 현황 및 동향한국에너지기술연구원(www.kier.re.kr) 건물열성능연구센터_박효순 책임연구원 (042)860-3217 / hspark@kier.re.kr 도입 최근 지구환경은 화석연료 사용 증가로 인해 대기오염, 지구온난화, 오존층 파괴 등 환경재해가 심화되고 있다. 우리나라도 급속한 산업화와 소득수준 향상으로 에너지수요가 크게 증가하고 있으며 환경오염의 심화에 따른 국민들의 쾌적한 환경요구가 늘어남으로써 환경 친화적인 에너지원 및 에너지기기의 중요성이 크게 부각되고 있다. 이러한 가운데 화석연료에 의한 환경오염을 줄이기 위해 정부는 에너지 절약 및 신재생에너지(Renewable Energy) 보급 확산 등에 많은 투자를 하고 있다.신재생에너지는 지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래에너지원으로서 에너지공급구조가 취약하고, 소요 에너지의 97% 이상을 수입에 의존하고 있는 우리나라의 경우 기술개발을 통해 에너지원을 확보해야 한다. 2030년에는 전 세계 신재생에너지 비중이 10%까지 증가될 것으로 예상(현재 약 2%)되며, 앞으로 25년간의 신재생에너지의 연평균 증가율(CAGR)은 9% 정도로 추정된다. 이 기간 동안에 약 2조 5천억 달러의 투자가 예상된다.

[표 1] 신재생에너지의 연평균 성장률(CAGR) 전망(2004~2030년)

1. 신재생에너지의 필요성2002년 남아공화국 요하네스버그에서 열린 ‘지속가능 발전을 위한 지구정상회의(WSSD : World Summit on Sustainable Development)에서 신재생에너지 사용 비율 확대에 관한 논의가 제기되었다. 유럽연합은 2010까지 풍력, 태양열 등 신재생에너지를 1차 에너지 공급의 15%까지 확대할 것을 주장하고 있다. 우리나라는 최대 2% 수준을 요구하고 있지만 최소한 5% 이상으로 합의할 가능성이 높고, 선진국들은 생태계 파괴를 이유로 수력발전을 신재생에너지에서 제외할 움직임을 보이고 있기 때문에 신재생에너지 사용 확대는 필수불가결할 것이다.2. 신재생에너지 소비 전망신재생에너지는 중동지역의 정세 불안과 새롭게 등장하고 있는 개발도상국(BRICs)의 경제성장에 따른 국가 에너지 수요 증가 및 세계 원유 생산량의 정점 도래 우려 등으로 가격 불안정이 심화되면서 국제 원유가의 상승세가 지속되고 있다. 이에 따라 세계 에너지 소비량은 2002년 103억 toe에서 2020년 150억 toe로 44% 정도 증가할 것으로 전망되고 있어 세계 에너지 시장의 불안정이 심화되고 있다. 또한 지구온난화에 따라 세계적으로 화석연료 사용에 대한 환경규제가 강화되는 등 ‘기후변화 협약’에 따른 온실가스 감축 부담이 본격화되면서 환경비용을 최소화할 수 있는 청정에너지에 대한 관심이 고조되고 있다. 기후변화협약에 의한 교토의정서에 따라 선진국은 2008년~2012년에 기준 년도인 1990년 대비 온실가스를 평균 5.2% 감축해야 하며 우리나라의 경우 기후변화 협약에 의한 2차 이행 기간(2013년~2017년) 중에 의무 부담을 지게 될 전망이다. 감축 기준 년도인 2000년 대비 CO2 배출량 5% 감축할 경우, 2015년 GNP 성장률이 0.47~0.78% 감소될 것으로 전망된다. 2007년 기준 주요 선진국 신재생에너지 공급률을 살펴보면 유럽 각국은 4~10% 이상의 공급률을 나타내고 있으나 우리나라의 경우 2.2%로 아직 미미한 수준이다.

[그림 1] 주요 선진국의 신재생에너지 공급률국내외 건물의 신재생에너지 기술 현황 1. 태양열에너지⑴ 태양열에너지 기술 개요신재생에너지로서 태양열 이용은 크게 설비형 태양열시스템(Active Solar System)과 자연형 태양열시스템(Passive Solar System)으로 구분된다. 자연형 태양열시스템은 태양열에 의해서 얻어지는 열을 이동하는 펌프나 팬과 같은 구동장치 없이 직접 이용하는 시스템을 의미하며, 설비형 태양열시스템은 열에너지로 변환된 열(열매체)을 구동 장치에 의해서 이용부로 이동되는 시스템을 의미한다. 자연형 태양열시스템은 주로 건물 구조물을 이용하여 태양열을 집열 및 축열하는 방법으로 트롬월(Trombe Wall), 축열벽, 온실 등이 있다. 설비형 태양열 시스템은 태양열 집열기를 이용하여 태양 복사 에너지를 열에너지로 변환하여 변환된 열에너지를 직접 이용하거나 별도의 축열장치에 저장했다가 필요 시 사용하는 시스템이다. 설비형 태양열시스템은 일반적으로 <그림 2>와 같이 태양열을 집열하는 집열부, 집열된 열을 저장할 수 있는 축열부, 태양열이 없거나 부족할 경우 열을 공급하는 보조열원장치, 이용부와 이를 총괄적으로 제어하는 제어장치로 구성된다.

[그림 2] 태양열 시스템 구성도⑵ 국내외 기술 수준1) 국내 현황현재 국내의 태양열 기초 기술 및 이용 시스템에 대한 연구 체계는 완성되어 가고 있지만, 다양한 기술의 복합과 태양열 분야만이 갖는 특성인 집열기술, 축열기술, 태양열 시스템 제어기술들을 통합할 수 있는 태양열 시스템 엔지니어링 설계기술 등에 대한 전문적인 지식이 필요하다. 대부분의 업체가 영세하여 기술인력 확보가 미미한 실정이기에, 태양열 산업 분야에서 필요로 하는 인력을 양성할 수 있는 교육기관 및 제도가 필요하며, 인력수급을 원활하게 하기 위한 프로그램의 보급과 정착이 요구된다.

[표 2] 세계에너지 소비 전망
기술개발이 시급한 분야로는 냉난방 기술이 18.8%로 가장 높게 나타났으며, 그 이유에 대해서는 모두 “기술 개발 시 보급에 크게 기여할 것이다”라고 생각하고 있다. 그밖에 시급히 개발이 필요한 기술로 집광형(15.9%), 진공관형(14.5%) 및 건물일체형(13.0%) 기술이 선정되었다.

[표 3] 태양열 분야 핵심과 세부기술 설문결과
현재 평판형 집열기, 단일 진공관형 집열기, 집열판 접합시스템, 태양열 집광시스템 국산화 등 요소기술에 대한 원천기술 확보 및 실증이 완료되었으며, 난방일체형 복합시스템, 태양열 지역난방시스템, 흡수식 냉방시스템, 진공관 모듈 개발 등 이용률 향상을 위한 급탕 및 냉·난방분야의 태양열시스템 제조공정 및 상용화가 추진 중이다.2007년 8월 기준으로 전문기업으로 등록된 업체 수는 1,251개 업체이며, 이 중 태양에너지 관련업체는 1,102개로 가장 많지만 태양열 업체 수는 10% 정도이며, 2006년 기준으로 국내에서 생산된 집열기의 총 면적은 24,313㎡이고 매출액은 약 200억 원이다.향후 기술개발 성과에 따른 제품 경쟁력 상승으로 단기적으로 105억, 중기 413억, 장기적으로 연간 1,012억의 수출을 예상하고 있다. 이를 위하여 저온 분야의 기술개발과 함께 현재 선진국에서 개발에 집중하고 있는 중고온 태양열발전 및 제어 기술 등의 선점을 통한 플랜트 해외 수출이 필요하다. 따라서 이러한 분야에서는 국내시장 및 보급과는 별도의 관점에서 장기적인 연구개발이 요구된다.

[표 4] 핵심기술 국내 수준(분야별 비중 고려) (단위 : %)
가) 기술 개발 추진계획(Road Map) ① 단기(2008~2012) : 국내 산업적인 혹은 건물 상업적인 측면에서의 기술들에 대한 적 용 가능성을 유럽(독일)과 같이 시스템 측면에서 접근하여 달성 ② 중기(2013~2020) : 신집열, 복합집열, 요소기술 성능평가 기초 ?응용 기술들을 실용 화·상용화하여, 에너지 산업으로서의 경쟁력 제고가 가능한 수준으로 저가 및 고효 율화 달성할 수 있도록 추진 ③ 장기(2021~2030) : 다양한 경로의 태양열 발전 시스템 상용화 및 보급 추진, 태양연 료 생산기술 상용화 추진 나) 기술개발 소요예산 예측 ① 단·중기(2008~2020) : 저온 분야는 복합 이용 집열기 기술, 신소재 적용 집열기 자 동화 기술, 산업 이용 기술에, 중고온 분야는 중대규모 고 집열기술, Novel 흡수기 기 술, 초고온 태양로 기술 등에 보다 많은 예산이 필요한 것으로 예측 ② 장기(2021~2030) : 저온 분야는 태양열 이용 집단에너지 기술에, 중고온 분야는 다단 계 열화학반응 수소생산 기술, 금속산화물 이용 수소생산 기술, 직접 물 분해 기술, 복합발전기술, 고온 축열 기술, 발전시스템 최적화 기술 등에 보다 많은 예산이 필요 한 것으로 예측2) 국외 현황태양열 온수ㆍ난방 기술은 널리 보급되어 중국과 유럽, 이스라엘, 터키, 일본에서 에너지 절약에 많은 기여를 하고 있다. 중국이 현재 세계시장의 60%를 점유하고 있고, 유럽이 11%, 터키가 9%, 일본이 7%를 차지한다. 2004년의 매출 규모는 중국이 13.5백만 ㎡로 전년대비 26% 증가하였다. 현재 진공관형 태양열 온수기가 88%의 시장을 차지하면서 중국시장을 지배하고 있다. 일본의 경우 태양열온수기 산업이 약간 침체경향을 보이고 있으나 유럽에서는 1.6백만 ㎡가 보급되었다. 전 세계적으로 약 77GWth 설비(4천만 호)가 보급된 상황이고, 이는 전 세계 가구 수 16억의 2.5%에 해당된다. 현재 태양열을 이용한 난방이 몇몇 국가에서 점차 정착되기 시작하고 있는 모습이다. 스웨덴과 오스트리아에서는 연간 설치되는 집열기의 50% 이상이 온수와 난방을 겸한 시스템이며, 독일에서는 25∼30%가 온수ㆍ난방 겸용이다.집광형 태양열발전사업은 1990년대 초기 캘리포니아의 세액공제 인센티브에 힘입어 350㎿ 설비용량이 설치된 이후 증가가 정체된 모습이다. 하지만 최근 이스라엘과 스페인, 미국에서 상업용 설비가 설치되어 다시 관심을 끌면서 기술개발과 잠재투자수요를 불러일으키고 있다. 2004년 미국 애리조나 주에서 1㎿급 파라볼라형 태양열 발전설비가 개시되었다. 스페인에서도 시장이 조성되고 있고 2007년 11㎿급의 사업발전을 시작하였고 50㎿급 발전설비 2기가 건설되고 있다. EU는 향후 재생에너지 정책에 있어서 태양열을 중요한 미래 열생산 에너지원으로 보고 있는데, EU백서에 의하면 2010년까지 1억 ㎡의 태양열을 설치하여 인구 100명당 260㎡를 설치한다는 계획을 가지고 있다. 최근 EREC(European Renewable Energy Council)는 유럽의 태양열시장은 2020년까지 연간 23%씩 증가하여 2020년 EU-15의 설치누계가 2억 ㎡에 도달할 것으로 발표한 바 있다.

[표 5] 소요예산 예측 총괄(2008~2030년) (단위 : 억원)
⑶ 국내외 적용사례1) 국내 적용사례

[그림 3] 국내 태양열 시스템 적용사례2) 국외 적용사례

[그림 4] 국외 태양열 시스템 적용사례2. 태양광에너지⑴ 태양광발전 기술 개요태양광발전은 태양광을 직접 전기에너지로 변환시키는 기술로, 햇빛을 받으면 광정효과에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용한 발전방식이다. 태양광발전 핵심요소 기술 분류는 크게 태양전지 제조 기술과 Power Conditioning 기술, 기타 구성요소 기술 및 시스템의 최적설계 등의 주변장치 기술로 구성되는 종합기술의 융합이라고 할 수 있다.태양전지 제조 기술은 태양전지 종류에 따라 실리콘 태양전지와 화합물 반도체 태양전지 등으로 크게 분류할 수 있으며, 현재 상용화되어 시판되고 있는 태양전지는 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지 등으로 태양전지의 에너지변화효율은 단결정 태양전지가 18%, 다결정 실리콘 태양전지 15%, 비정질 실리콘 태양전지 10% 정도이다. 태양전지는 일반적으로 소재와 제조 기술에 따라 Si계 태양전지와 화합물 반도체 태양전지로 분류되고, 소재의 형태에 따라 기판형과 박막형으로 나뉜다. 다양한 태양전지 중에서 현재 태양광발전용으로 널리 쓰이고 있는 것은 기판형 결정질 Si 태양전지이다.태양광발전(PV : Photovoltaic)은 무한정, 무공해의 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 발전방식으로 태양전지(모듈), PCS, 축전장치 등의 요소로 구성된다. 가장 일반적인 태양전지 기본구조 및 발전원리는 <그림 5>와 같다. 태양전지는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합시키고(p-n접합) 양단에 금속전극을 코팅하여 제작한다. 태양빛을 받아 반도체 내부에 흡수되면 전자와 정공이 발생하여 p-n접합부 전기장에 끌려, 전자는 n측으로 정공은 p측으로 새로운 흐름이 생겨 접합부 양단의 전위차가 작아진다. 즉, 반도체가 태양빛을 흡수하면 전기가 발생되는 원리인 광기전력효과(Photovoltaic Effect)를 이용한 것으로 반도체 접합부에 태양빛이 입사되면 접합부에서 전자가 발생하여 외부회로에 전류가 흐르게 된다.

[그림 5] 태양전지의 기본구조 및 발전원리태양광발전용 PCS(Power Conditioning System) 기술은 일반 산업용 인버터 기술과는 상당한 차이점을 갖고 있으며, 전문용어로 PCS라고 불리고 있다. 태양광발전용 PCS기술은 전력전자 기술 중에서도 디지털 기술의 발전으로 커다란 기술 향상을 가져왔다. 그러나 기존 기술적 개념으로는 저가화 및 신뢰성 및 전력변화효율에 한계가 있다고 판단하여 선진 각국은 태양광발전시스템의 잠재능력과 부가가치 향상을 위한 기능 다양화에 대한 연구를 추진하고 있으며, 전력변화 효율은 95% 이상을 상회하는 기술수준에 도달하고 있다. 현재 기술수준으로는 시스템 설치비용 중 PCS가 차지하는 비중은 약 25~30%를 차지하고 있다.

[그림 6] 태양광발전 시스템의 기본구성주변장치(BOS : Balance of System) 기술은 태양광발전시스템을 구성하기 위해 태양전지 및 PCS를 제외한 태양전지 모듈, 태양전지 어레이, 가대, 전력저장장치(축전지), 시스템의 최적 설계기술, 구성요소 간 최적 매칭기술 등과 같은 기타 기술을 주변기술로 정의하고 있다. 주변장치 기술개발은 선진국의 경우 태양광발전에 대한 연구개발이 1970년대 초 제1차 오일쇼크로부터 시작됐기에 주변장치 연구개발 성과도 국내기술과는 상당한 기술격차를 보이고 있다. 또한 실용화 및 상용화에 문제가 되는 기술은 대부분 해결되어 표준화 혹은 규격화에 기술개발 포인트를 두고 추진 중이다.

[표 6] 기술 개발 추진계획(Road Map)
⑵ 국내·외 기술수준1) 국내 현황태양광 기술은 폴리실리콘 등의 소재, 태양전지 등 반도체산업, 인버터 및 전기제어시스템 등 중전기산업, 건자재 일체형 모듈, 건축물 적용 및 설치 등 전기공사 및 건설 산업과 같이 산업 복합적인 성격이 있으며, 타 산업과의 연관성이 매우 높아 실리콘 원 소재부터 시스템 설치에 이르기까지 산업의 수직계열화를 달성한다면 태양전지 생산, 설치, 판매 및 유지보수를 통해 관련 산업의 활성화, 신규 고용창출 등 국민경제에 미치는 파급효과는 매우 클 것으로 기대된다.2006년 12월 국내 기술수준 조사에서 일본, 미국, 독일 등 선진국의 기술수준을 100%로 했을 때, 단결정 기판, 단결정 실리콘 태양전지 및 모듈, 가정용 및 산업용 PCS, 시스템 및 시공 분야 등에서 85% 이상의 수준을 갖는 것으로 조사되었다. 2007년 태양광 관련 전문가들에 대한 설문조사 결과 국내 태양광 기술(개발된 기술이 상업화되어 현장에 적용 후 성능의 실증 연구가 이루어지는 수준)은 71% 정도로 평가되며, 전체 국산화율은 설계분야에서 70%, 제작ㆍ생산 분야에서 68% 정도인 것으로 나타났다. 위 설문조사에 따르면 2020년 국내 보급규모는 4GW, 2030년에는 18GW, 수출규모는 2020년에 연간 1조 4천억 원, 2030년에 연간 6조 원에 이를 것으로 전망된다.(산업자원부, 신재생에너지 R&D 전략 2030(태양광), 2007)2) 국외 현황전 세계 태양광 산업의 급속한 성장은 과거 6년간 40%의 성장률에 육박하며 2006년에 2.5GW 태양전지를 생산하여 2005년 1.7GW와 비교하여 47%의 성장률을 보인다. 일본, 유럽, 미국 등 태양광 선진국들은 향후 기술 및 시장의 주도권을 잃지 않기 위해 중장기 기술개발 프로젝트 및 로드맵 등을 작성하여 체계적으로 수행하고 있다. 선진국 주요전략은 무공해 신재생에너지원으로 가격 경쟁력을 확보하는 데 초점을 맞추고 있다. 현재 세계 최대 생산국인 일본은 NEDO 기술개발 프로젝트를 통해 2030년까지 모듈 설치비용을 0.43$/W, 발전단가를 6¢/kWh(2007년 10월 환율 기준)까지 낮추는 것을 목표로 하고 있다. (다층박막 등 신기술을 상용화하여 30% 효율의 태양전지를 양산할 계획) 최대 설치국인 독일을 비롯한 유럽 국가들은 2030년까지 시스템 설치비용을 1.4¢/W, 발전단가를 지역에 따라 8.5¢/kWh(남부유럽 기준) 수준까지 낮추는 것을 목표로 하고 있다.(2030년에는 200GW를 보급할 계획)최근 ‘Greenpeace/EPIA 시나리오’에 따르면 2025년 전 세계 보급규모가 55GW일 경우 제조, 설치 판매, 유지·보수 등의 분야에 한 해 동안 약 3백 2십만 개의 고용이 창출될 것으로 전망된다.⑶ 국내·외 적용사례1) 국내 적용사례

[그림 7] 국내 태양광 시스템 적용사례2) 국외 적용사례

[그림 8] 국외 태양광 시스템 적용사례3. 풍력에너지⑴ 풍력에너지 기술 개요풍력발전이란 공기 유동을 가진 운동에너지의 공기력학적(Aero Dynamic) 특성을 이용하여 회전자(Rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고, 이 기계적 에너지로 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 기술이다. 풍력에너지는 날개를 이용해서 전기로 바꾸는데, 이때 날개의 이론상 바람에너지 중 59.3%만이 전기에너지로 바뀔 수 있다. 여기서 날개의 형상에 따른 효율, 기계적인 마찰, 발전기의 효율 등을 고려하면 실제적으로 20~40%만이 전기에너지로 이용 가능하다. 풍력발전시스템은 기계장치부, 전기장치부와 제어장치부로 구성된다. 기계장치부는 바람으로부터 회전력을 생사하는 Blade(회전날개), Shaft(회전축)를 포함한 Rotor(회전자), 이를 적정속도로 변환하는 증속기(Gearbox)와 기동·제동 및 운용 효율성 향상을 위한 브레이크(Brake), 피칭(Pitching) & Yawing System(요잉 시스템) 등 제어장치 부문으로 구성되어 있다. 전기장치부는 발전기와 계통연계형의 경우에는 계통선과의 연계운전을 위한 계통연계장치로 구성되며, 독립전원용의 경우에는 독립형 전력변환장치로 구성된다. 제어장치부는 풍력발전기가 무인 운전이 가능토록 설정, 운전하는 Control System(컨트롤 시스템) 및 Yawing Pitching Controller(요잉 피칭 컨트롤러)와 원격지 제어 및 지상에서 시스템 상태 판별을 가능하게 하는 Monitoring System(모니터링 시스템)으로 구성되어 있다.유럽위원회(European Commission)는 CO2 배출 감축을 CO2 톤당 13~ 26 정도로 예측했으며, 영국의 경우는 이보다 훨씬 높은 49로 예측했다. 2000년 풍력발전으로 CO2방출 감축량은 15Mt이었다. 2002년 영국에서 발표된 자료에 의하면 에너지별 발전단가 비교를 토대로, 2020년의 육·해상 풍력발전 예상발전단가가 타 에너지원에 비해 CO2 감축을 위한 저비용, 고효율 기술이라고 결론을 내렸다.⑵ 국내·외 기술수준1) 국내 현황국내 풍력발전기의 기술개발은 ‘대체에너지개발촉진법’에 따라 88년부터 체계적인 기술개발이 시작되어 현재 750㎾ 급, 1.5㎿급 풍력발전기가 국제인증을 취득하였고 2㎿급의 중대형 발전기가 현재 개발 중이다. 풍력발전기의 대형화 및 해상 풍력발전용 발전기 개발은 풍력발전 경제성 증가를 위한 세계적인 경향을 따라 현재 국내에서도 3㎿급 해상 풍력발전 시스템 개발이 진행 중이다. 또한 변압기, 차단기, 회전기 등 풍력발전 부품관련도 생산 및 수출 중에 있다. 특히 타워, 주축, 플렌지, 메인 샤프트 등 부품산업은 자생적으로 활성화되어 수출 중에 있다. 그러나 현재 우리나라에 설치되어 가동 중인 중대형(200㎾ 이상)급 풍력발전 설비용량은 약 175㎿(2006년말 기준)으로 주요 부품 및 시스템은 수입에 의존하고 있고, 타워 구조물이나 기초 구조물만이 국내에서 제작ㆍ시공되고 있는 실정이다. 소형 풍력발전기 시스템 개발의 경우, 현재 1㎾급 저소음 풍력발전기가 개발 중에 있으며 인구밀도가 높고 도시화가 급속히 확산되고 있는 국내 현황을 고려한 기술개발이 필요하다. 도시형 소형 풍력발전 시스템 개발을 위해서는 소음 및 진동저감기술을 적용한 저소음 소형 풍력발전 블레이드의 개발이 필요하며, 인구이동이 많은 지역에 설치될 수 있는 소형 풍력발전기 시스템을 감안한다면 블레이드의 구조적 신뢰도를 높이기 위한 기술이 적용되어야 한다. 향후 풍력발전시스템은 점차 대형화되는 추세이며 해상 풍력발전용 대형 발전기의 수요가 점차 증가할 것으로 예상된다. 대형 해상 풍력발전 시스템을 위한 기반기술 개발을 위해서는 신형 수중 기초 개발이 필요하며 향후 2009년 이후 개발이 예상되는 5㎿급 이상의 대형 해상 풍력발전기 개발을 위해서는 미래형 수중 기초를 위한 기반기술 확보가 필요하다.

[그림 9] 풍력발전 보급계획 현황(2007년 9월) 가) 기술 개발 추진계획(Road Map) ㉠ 단기(2008~2012년) : 육·해상 풍력발전기 기술 고도화 - 3~5㎿급 해상풍력 발전기 개발 ㉡ 중기(2013~2020년) : 초대형 풍력발전기술 기반 확립 - 5㎿급 해상 풍력발전 / 10㎿급 풍력발전 시스템 개발 ㉢ 장기(2021~2030년) : 초대형 풍력발전기 기술 고도화 및 신개념 풍력발전 기술 상용화 - 10㎿급 이상 풍력발전기 기술 개발2) 국외 현황지난 5년간 풍력 시장의 동향을 살펴보면 연평균 28%(누적설치용량대비)의 고성장률을 보여주고 있으며, 연간 설치 용량 대비 연평균 성장률은 15.8%로 높은 성장률을 보였다. 2004년도에만 전 세계적으로 약 8,000㎿(핵발전소 8기에 해당)가 증가했으며, 80억 유로에 해당하는 풍력 터빈 시장이 형성됐다. 그러나 연간 설치 용량은 2003년도에 비해 2.3% 감소했다. 이는 1996년 이후 처음 있는 일로서 일시적으로 미국 시장이 감소되어 야기된 것이며 유럽 등지에서 육상풍력 시장의 정체와 해상풍력의 활성화 전 단계가 맞물려 있는 상황에서 비롯된 것이다.유럽은 2004년 말 한 해 동안 건설된 설치용량의 73%를 차지하고 있으며 스페인(2,064㎿), 독일(2,054㎿)이 새로운 시장 리더로 부상하고 있다. 유럽연합 국가 중 오스트리아(192㎿)와 이탈리아(357㎿), 네덜란드(199㎿), 포르투갈(274㎿), 영국(253㎿) 등은 최근 들어 눈부신 설치용량 증가세를 보이고 있다. 전 세계적으로 가장 풍부한 풍력 자원을 가지고 있는 캐나다의 경우 2004년 말 기준 총 설치량이 444㎿로 미약한 수준이지만, 대형 프로젝트가 진행 중이므로 풍력시장이 급속히 증가할 것으로 예상된다. 새로운 시장으로는 호주와 인도, 일본, 중국 등으로 대표되는 아시아 시장이 떠오르고 있다. 호주는 2004년 한 해 동안 두 배 가까운 성장률을 기록했으며(2004년 말 누적 설치용량 421㎿), 현재 많은 수의 풍력 발전단지가 들어서고 있다. 아시아 시장은 2004년 한 해 동안 설치된 용량 중 20.2%를 차지하는 놀라운 성장을 보이고 있다. 아시아 시장 중 인도는 1990년대 후반 이후로 시장이 다시 살아나고 있는 추세로 2004년 한 해 동안 875㎿가 설치되어 세계 3위에 해당하는 시장으로 성장했다. 일본 또한 2004년 한 해 동안 230㎿로 눈부신 성장을 이루었고, 중국(198㎿)이 그 뒤를 잇고 있다. 아프리카 시장은 이집트와 모로코가 유럽의 개발자와 국가 계획을 통해 가능성을 확인할 수 있었으며, 이집트는 홍해 해변에 독일, 일본, 덴마크 등의 외자유치로 풍력단지를 건설 중이다. 전 세계 풍력발전기의 누적 보급량은 2006년 말 기준 74,000㎿에 이르고 있으며, 그 증가 폭은 더욱 커지고 있다. 2006년에 13개 국가에서 100㎿ 용량 이상의 풍력발전기를 새로 설치했으며 이 중 미국, 독일, 스페인이 1,000㎿ 이상을 새로 설치하였다. 하지만 이러한 눈부신 시장의 성장에도 불구하고 아직까지는 전 세계 보급량의 50% 이상을 미국, 독일, 스페인이 차지하는 바와 같이 전 세계 보급의 불균형이 여전하다는 점이 풍력시장의 한계로 지적되고 있다.

[그림 10] 풍력발전기 발전 추이(미국)4. 지열에너지⑴ 지열에너지 기술 개요

[그림 11] 지열에너지의 활용지열은 심층부의 지열수로부터 토양, 지하수, 지표수에 이르기까지 지구 중심으로부터 지표면에 이르는 지구가 포함하고 있는 열을 통칭한다. 즉, 태양 복사열과 지구내부에서 발생하는 열이 지중에 저장된 것을 말하며, 이는 전체 태양 복사에너지 중 약 47%를 차지한다. 이러한 지열은 지표면으로부터의 깊이에 따라 천부지열(Shallow Geothermal)과 심부지열(Deep Geothermal)로 구분할 수 있는데, 천부지열은 지표로부터 150~200m 깊이까지에 저장된 열을 말하며, 온도는 지형에 따라 다르지만 10~20℃ 정도이다. 심부지열은 지하 200m 이하부터 존재하는 에너지를 말하며, 40~150℃ 이상의 온도를 유지한다. 최근 건물의 냉·난방을 위해 관심을 끌고 있는 지열원 열펌프는 천부지열을 활용한 시스템이다. 이 시스템은 크게 지중열교환기(Ground Heat Exchanger, GHX)와 열펌프 유닛(Heat Pump)로 구성된다. 냉동사이클을 기본으로 한다는 측면에서 일반냉동기(열펌프)와 동일하나 응축기(증발기)를 지중에 설치하는 점에서 구조적인 차이가 있다. 즉, 냉방 사이클(Cooling Cycle)로 작동하는 지열원 열펌프는 실내에서 흡수한 열을 지중 열교환기를 통해 지중으로 방출하며, 반대로 난방 사이클(Heating Cycle) 경우 지중 열교환기는 지중에서 열을 흡수하여 실내로 공급하게 된다. 지열원 열펌프는 외기의 급격한 변화에도 영향을 받지 않고 일정하게 온도를 유지하는 지열을 활용하기 때문에 효율이 높은 에너지 절약형 시스템이다. 특히 여름과 겨울이 확연한 우리나라의 기후 조건을 미루어 볼 때 활용 가능성이 우수한 시스템이라 할 수 있다.

[표 7] 전형적인 토양 및 암석의 물성치(Salomone과 Marlowe, 1993)
지중 열교환기가 지중으로부터 열을 흡수하거나, 또는 지중으로 방출하는 과정은 지중 열교환기 순환유체가 지중의 온도차에 기인한다. 일반적으로 지면에서 대략 지하 5m까지의 지중 온도는 외기온도 변화에 다소 영향을 받지만, 그 이하부터는 거의 일정한 값을 갖는다. 지중(토양 또는 암반)과 지중 열교환기 사이의 열전달에 영향을 미치는 요인으로는 지중 열교환기 표면적과 지중 열물성치(Thermal Properties) 등이 있다. 이러한 지중 열물성치는 계절, 연간 강우량 그리고 시스템 운전에 따른 열교환기 주위 토양의 수분함량 변화 등과 같이 다양한 요인에 의해 영향을 받는다. 따라서 지중 열물성치에 대한 정량적인 데이터 확보는 시스템 설계에서 매우 중요하다. <표 7>은 토양 및 암석의 전형적인 열물성치로 암석의 열전도계수 또는 열확산계수가 토양보다는 큰 값을 갖고, 암석이나 토양은 모두 건조한 상태보다 습한 상태일 때 다소 큰 값을 갖는 것을 알 수 있다.⑵ 국내·외 기술수준1) 국내 현황

[표 8] 국내 지열관련 연구개발 현황(2004~2007)
주) 지식경제부, 신재생에너지 R&D 전략 2030(지열), 2007국내 지열 냉난방관련 기술개발은 주로 정부(지식경제부) 주도의 연구개발로 진행되고 있다. <표 8>은 2004~2007년까지 국내에서 지열관련 연구개발 현황 자료이다. 여기서 보듯이 주로 지열 냉난방 시스템의 실증연구에 치우쳐 있으며, 요소기술에 대한 선행연구가 부족한 실정이다. 향후 정부의 신재생 에너지 보급목표를 달성하기 위해 주거용 지열원 열펌프 시스템과 관련하여 표준 지중 열교환기 개발이나 소형·소용량 열펌프 표준 모듈 개발 그리고 표준 설계기준 및 시공기준 구축 등 향후 국가지원 중대형 사업으로 추진할 수 있는 과제를 발굴하여 지원할 필요가 있다. 국내에 지열 냉난방 시스템이 처음 도입되었을 당시에는 많은 시행착오를 겪었으나, 전문 시공기술과 관련 기준, 기술 인력 등이 확보되면서 경쟁력을 바탕으로 한 시장 확보가 가능해짐에 따라 2006년까지 총 15,071RT가 설치됐으며, 매년 100% 이상 급격한 성장을 보이고 있다. 하지만 지열발전의 경우 경제적으로 개발하기 위해서는 국내 특성에 적합한 많은 기술개발이 필요하다. 먼저 국내에서는 내륙에서 3~10㎞의 심부 굴착이 가능한 기술개발이 이루어져야 하지만 기존 굴착 업체들의 기술 수준은 아직 2.5㎞ 심도 안팎의 굴착심도로서 지열발전을 위한 충분한 심도까지 굴착할 수 있는 기술을 보유하고 있지 않다. 향후 심부 굴착에 앞서 해당 지역 지질에 대한 정확한 분석을 통해 그에 맞는 기술개발이 요구된다.

[표 9] 연도별 지열 냉난방 시스템 보급 용량(2001~2006)
주) 산업자원부, 신재생에너지 R&D 전략 2030(지열),20072) 국외 현황지열 발전시스템은 연중 전기를 생산할 수 있는 친환경 시스템으로 전 세계 지열발전 용량은 2000년 7,972㎿에서 2005년 8,933㎿로 증가하였으며, 이는 전 세계 총 발전시설 용량의 0.2%, 연평균 2.3%의 성장세를 보인다. 미국, 필리핀, 멕시코, 이탈리아, 인도네시아, 일본 등 6개국이 전 세계 지열발전의 86%를 차지하며 이 중 미국의 경우, 2050년에 이르면 지열 발전이 미국 내 전체 기저부하의 10%를 담당할 수 있을 것으로 예상하고 있다.(미국 MIT 보고서)

[표 10] 유렵 주유국가에서 지열 직접이용과 지열 열펌프 시스템 현황(2005년 기준)
2005년도 기준 전 세계 지열 열펌프 시스템 보급대수는 12㎾급 열펌프 유닛으로 환산했을 때 약 130만 대로 추정되며, 약 43만 대의 지열 열펌프 시스템이 유럽 전 지역에 보급됐다. 스웨덴, 스위스, 오스트리아, 독일, 핀란드 등에서는 지열 에너지 직접 이용 방식 중 지열 열펌프 시스템이 독점하고 있다. 스위스의 경우 면적대비 지열 열펌프 설치건수로는 세계 1위로 2k㎡당 1대 이상의 지열 열펌프 시스템이 설치되어 있다. 면적대비 이용량에서 1위인 아이슬란드는 국토 자체가 대서양 판이 갈라지는 곳에 있기 때문에 지하 열자원이 풍부하여 국가 전체 난방의 87%를 지열로 공급하고 있다.전 세계적으로 2005년 초까지 490기의 지열발전 플랜트가 건설되었으며, 총 설비용량(Installed Capacity)은 8,933㎿e이다. 용량 면에서 보면 1단 플래시 증기(Single Flash Steam) 방식[3,294㎿e(37%)]과 2단 플래시 증기(Double Flash Steam) 방식[2,2936㎿e (26%)]이 단연 지열발전의 대세다. 뒤를 이어 건조증기 28%(2,545㎿e), 바이너리 8%(682㎿e), 역압(Back Pressure)방식이 1%(119㎿e)의 점유율을 보이고 있다. 바이너리 방식은 용량 면에서는 비율이 낮았지만, 전체 490기의 플랜트 중 208기(42%)를 차지하고 있어 플랜트 수만 보면 타 방식(1단 플래시 증기 128기(26%), 2단 플래시 증기 67기(14%), 건조증기 58기(12%), 역압방식 29기(6%))보다 우세하다. 향후 2010년까지 전 세계의 지열발전 플랜트의 용량은 지속적으로 증가할 것으로 전망된다.⑶ 국내·외 적용사례1) 국내 적용사례

[그림 12] 국내 지열에너지 적용사례2) 국외 적용사례

[그림 13] 국외 지열에너지 적용사례마무리본고에서는 국내외 신재생에너지 이용 기술수준 및 건물 적용 신재생에너지 이용 기술사례를 고찰하였다. 상기의 내용을 통해 알 수 있듯이 신재생에너지 이용기술은 아직 기존 화석연료를 이용하는 기기에 비해 경제성이 떨어지는 것은 사실이다. 그러나 CO2 저감 및 환경문제, 자원고갈 등의 문제를 고려한다면 청정에너지인 신재생에너지는 미래의 유일한 에너지원이 될 것이다. 그러므로 신재생에너지의 기술 개발 및 보급은 단지 경제성 측면만을 고려해서는 안 되며, 보다 폭넓게 환경 및 사회적인 측면이 중요하게 검토되어야 한다. 또한 신재생 관련 연구 인력의 양성, 기술 개발을 통한 각각의 신재생에너지의 표준화 및 규격화가 이루어져야 할 것이다.참고 문헌1) 신재생 에너지센터(www.knrec.or.kr)2) 에너지관리공단(www.kemco.or.kr)3) 한국에너지기술연구원, 제16회 신재생에너지 워크숍(2004)4) 산업자원부, 에너지관리공단, 2005년 신재생에너지 백서 최종본(2005)5) 산업자원부, 신재생에너지 R&D 전략 2030 태양열, 태양광, 풍력, 지열(2007)6) 한국에너지기술연구원, 에너지·환경기술 총서 07-2, 재생에너지 이용기술(2007) 박효순- 1974년 고려대학교 건축공학과 졸업, 1980년 고려대학교 건축공학 석사(주거건축의 보온설계와 단열공법에 관한 연구), 1993년 프랑스 파리12대학(PARIS XII) 건물에너지공학(물리학) 박사(자연대류로 발생되는 증발에 의한 국부 냉각에 관한 연구)- 현 배재대학교 강사, 한국에너지기술연구원 책임연구원, National Bureau Standard(미국 표준연구소) 및 Center for Building Technology(건물연구센타) 연구원, 프랑스 PERPIGNAN대학 동력학연구소 연구원, 건축환경연구팀장, 건물에너지연구팀장, 목원대학교 겸임교수 역임, - 대한건축학회, 건축에너지분과위원회 위원장, 태양에너지학회 편집 및 논문심사위원 학술이사, 미국 ASHRAE(공기조화냉동공학회) 회원, 한국교육시설학회 회원, 설비공학회 건축환경·설비분과위원회 위원장, 한국생태환경건축학회 국제교류 부회장, 한국그린빌딩협의회 회원- 현재 에너지관리공단 에너지사용계획협의회 심의위원 및 건물에너지효율등급인증 자문위원, 태양에너지 건축설계공모전 운영위원, 한국과학기술 홍보대사(엠베서더), 대한설비공학회 건축환경부문위원회 위원장, (사)한국환경건축연구소 이사, 서울특별시 시정연구원 자문위원, 기술신용보증기금 외부자문위원, 태백관광개발공사 건축환경 설계자문위원 - 지식경제부(전 산업자원부) 건물에너지절약대책위원회, 대한 건축사 협회, 건축에너지분과 위원회, 전문위원, 대전21추진협의회 에너지보전분과 위원장, 에너지관리공단 보급형건물기술 연구회 회장, 대전광역시 유성구청 지방건축위원회 심의위원, 국립기술표준원 산업표준심의회 요업부회 단열재(ISO/TC163) 전문위원회 위원장, 고려대 개교백주년 기념관 건립자문위원회 위원, 대한 건축학회 대전충남지부 평의원, KIER 에너지절약워크숍 편집위원, 대한건축학회 논문편집위원회 상임심사위원, 환경관리공단 건축계획 분야 기술위원 건축계획 분야, 행정중심 복합도시 건설 에너지계획 T/F위원, 환경관리공단 환경기술평가 심의위원, 한국에너지기술연구원 친환경 건축물인증 심사위원 역임-특허 출원기기 및 실용신안ㆍ평판 및 모서리 구조체의 단열성능 측정장치(특허 제 148595호)ㆍ열성능측정기기(등록 제0174469호)ㆍ건물 단열 구조체의 온도분포 해석용 시뮬레이터 장치(등록 제 0311085호)- 건축설계 및 에너지사용계획서 심의 실적ㆍ열병합발전시스템(집단에너지 사업) : 대전시 남부집단에너지사업허가대상자 선정 심의(2004.2.18)ㆍ건축설계심의(호텔, 연구소, 호텔, 사이언스빌, 공동주택 등) : 연구단지 사이언스빌 신축공사외 약 40여건ㆍ에너지관리공단, 에너지사용계획서심의 : 경상사동 2지구 택지개발사업(2003. 12)외 약 100여 건ㆍ태백시 관광개발공사 일괄입찰 설계심의(2004.4.29) : 서학레저단지조성공사 심의평가ㆍ과학기술 창조의 전당 건립공사(2004.9.15) 심의평가ㆍ이응노 화백 기념관(2005.12.20) 심의평가ㆍ제천시 재천하수종말처리장 고도처리시설공사(2006.1) 심의 평가- 이해찬 전 국무총리, 공공기술연구회 표창장 및 한국태양에너지학회 공로상, 한국생태환경건축학회 학술상 수여- 공저 : 에너지총설(한국에너지정보센타, 2003.11.10)- 건물에너지효율등급인증평가 실적 : 꿈의그린아파트 2등급 인증(2003.9.24)외 약 30건

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