태양열(Solar Thermal)발전, 21세기 청정에너지원

태양은 지구의 1백 9배 크기로 이곳으로부터 1억5천만km 떨어진 곳에 위치해 수소 73%, 헬륨 24%로 이뤄진 기체 덩어리로서 초당 3.8×10의 23승kW의 에너지를 우주에 방출하는 거대한 화염이다.

지구는 태양으로부터 지표면 1m2당 7백W의 에너지를 받게 되는데, 이는 다시 말해 지구 전체에 도달하는 태양에너지의 양이 태양 자신이 방사하는 에너지양의 22억분의 1이고 그 에너지량(1.2×1,014kW)은 전 인류의 소비에너지양(1.2×1,010kW)의 약 1만 배에 달하는 것이다.

아직까지 전 세계적으로 태양에너지 연구는 주택의 난방 및 급탕 시스템, 온수기, 농·수산물 건조기, 저가 집열기 및 소규모 태양광 발전 등이 주류를 이루고 있으며, 태양열 발전에 관한 연구는 발전에 필요한 고온 획득 방법과 고온 재료 개발 등이 문제가 되어 큰 진전을 보지 못하고 있다.

2000년대 이후 태양에너지 이용 방법 개발 붐

그러나 지난 '80대 중반 미국에서 10MW급의 태양열 발전 시스템의 실용화가 이루어진 이후 각국에서 집중적인 개발 투자를 계속하고 있어 2000년대에는 가장 강력한 태양에너지 이용 방법으로 광범위하게 보급될 전망이다.

태양열 발전 시스템의 종류는 크게 세 가지로 중앙 집중형 시스템(Central Receiver Solar Thermal Electric Power System)과 분산형 시스템(Distributed Solar Thermal Electric Power System)과 독립형 시스템으로 구분된다. 중앙 집중형 시스템은 태양 추적 장치(Heliostat)라고 불리는 거대한 태양 추적 반사경에서 반사된 태양광을 중앙에 위치한 탑의 한 점에 모아 고열을 얻고, 이 고열로 열교환기 등을 이용하여 고압 수증기를 발생시켜 전기를 얻는 방식이다.

집광비는 1,000 정도이며 증기 터빈은 약 600。C로 운전된다. 분산형 시스템은 선초점형이나 접시형 등 집광 집열기를 이용한 단위 집광 집열 시스템을 다수 분산 배치하여 배관 내에 흐르는 열매체를 가열시키고, 이를 이용하여 Stirling 엔진과 같은 열기관을 구동시켜 발전하는 방식이다. 독립형 시스템(Stand-Alone System)은 앞에서 언급한 집광 집열기를 이용하는 5∼25kWp 급의 시스템으로서 전력 계통으로부터 독립된 소규모 전원으로 이용되는 것을 말한다. 또한 태양열 발전 시스템은 그 규모에 따라 다음과 같이 구분하기도 한다.

소규모 태양열 발전 시스템

수십∼수백 W 범위의 것으로 열효율이 낮고 가격이 비싸며 열손실이 크다. 따라서 소규모 발전에는 태양광 발전 시스템보다 경제성이 없다.

중규모 태양열 발전 시스템

수십∼수백 kW 범위의 것으로 분산형 시스템이 주로 사용되며 다소 경제성이 있다. 태양광 발전 시스템과 특수한 경우에는 경쟁이 될 수 있다.

대규모 태양열 발전 시스템

수백 kW∼수십 MW급으로서 중앙 집중형 시스템이 대부분 여기에 들어간다. 최근까지 수백 kW로부터 수십 MW급의 태양열 발전 시스템이 각국에서 별 문제 없이 운영되고 있으며, 기술적인 문제들이 대부분 해결된 상태이나 아직 대규모 축열 시스템에 대한 연구는 미진한 상태이다. 대표적인 시스템으로는 SEGS(Solar Electric Generating System, Luz 사에서 건설)을 들 수 있다.

태양열 발전의 발전 단가는 '90년대 중반에 이미 상용되어 화력 발전 단가보다 약간 높은 수준까지 떨어졌으며 2000년대 초에는 10Φ/kWh 이하로 떨어질 전망이다. 대규모 중앙 집중식 타워형이 실용화될 2000년대에는 부하 평준화용으로서는 충분한 경제성을 가질 것으로 보인다. 시스템 설치 비용도 현재의 2,000$/kWP 정도에서 2000년경에는 1,000$/kWP 정도까지 낮아질 것으로 전망되고 있다.

이 발전 시스템에 쓰이는 열기관으로는 대규모 시스템인 경우는 일반 화력 발전에 쓰이는 증기 터빈 기술이 채택되고 있으며, 소규모 시스템의 경우는 열효율이 높고 크기가 작은 Stirling 엔진이 많이 쓰인다.

태양열 발전 시스템의 요체라고 할 수 있는 집광 집열기는 선초점형이 상용화되어 있고, 대표적인 분산형 태양열 발전 시스템인 미국의 SEGS에도 채택되고 있다. 접시형 집광 집열기는 규모가 상대적으로 작은 독립형 시스템과 소규모 분산형 시스템에 적합하며 아직은 본격적인 상용화 단계에는 이르지 못하고 있다.

태양열 발전에 있어 가장 앞서 있는 미국은 '90년대 초부터 태양열 발전 기술 개발 계획 ‘Solar Thermal Electric Program’을 의욕적으로 추진하고 있으며, 여기에는 Sandia Lab., NREL 등 국립 연구 기관과 Southern California Edison, 3M 등의 기업이 참여하여 대규모 시스템 개발과 집중식 시스템에 쓰이는 반사경을 비롯한 접시형 집광 집열기 등에 관한 연구를 수행하고 있다.

이러한 개발 투자가 열매를 맺을 21세기에는 태양열 발전이 새로운 에너지원으로 각광을 받게 될 것으로 보인다. 태양 추적 장치 가격이 40$/m2 선에 이르면 태양열 발전 시스템의 경제성도 크게 향상되어 점차 보급이 활발해질 것으로 전망된다.

우리나라에서는 아직 이런 대규모 태양열 발전 시스템을 건설하는 것은 재원이라든가 소요 부지 등의 제약 요소가 많아 실현을 기대하기가 어려우나 태양열 발전은 21세기를 대비할 수 있고 실용화의 가능성이 큰 청정 에너지원이기 때문에 기초 연구 차원의 소규모 발전 시스템 개발은 국책 사업으로 추진할 필요성이 높다.

태양광(Photovoltaic)발전, 선진국 중심 기술개발 한창

태양광 발전은 무한정, 무공해의 태양 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술이다. 기본 원리는 반도체 Pn접합으로 구성된 태양전지(Solar Cell)에 태양광이 조사되면 광에너지에 의한 전자 양공 쌍이 생겨나고, 전자와 양공이 이동하여 n층과 p층을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)에 의해 기전력이 발생하여 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르게 된다.

이러한 태양 전지는 필요한 단위 용량으로 직·병렬 연결하여 기후에 견디고 단단한 재료와 구조에 만들어진 태양 전지 모듈(Solar Cell Module)로 상품화된다.

그러나 태양전지는 비, 눈 또는 구름에 의해 햇빛이 비치지 않는 날과 밤에는 전기가 발생하지 않을 뿐만 아니라 일사량의 강도에 따라 균일하지 않은 직류가 발생한다. 따라서 일반적인 태양광 발전 시스템은 수요자에게 항상 필요한 전지를 공급하기 위하여 모듈을 직·병렬로 연결한 태양전지 어레이(Array)와 전력 저장용 축전지(Storage Battery), 전력 조정기(Power Controller) 및 직·교류 변환장치(Inverter) 등의 주변장치로 구성된다.

무한정, 무공해의 태양 에너지를 이용하므로 연료비가 불필요하고 대기오염이나 폐기물 발생이 없으며 발전 부위가 반도체 소자(素子)이고 제어부가 전자 부품이므로 기계적인 진동과 소음이 없으며 태양 전지의 수명이 최소 20년 이상으로 길고 발전 시스템을 반(半)자동화 또는 자동화시키기에 용이하며 운전 및 유지 관리에 따른 비용을 최소화할 수 있는 장점을 지니고 있다.

그러나, 태양 전지는 가격이 비싸 많은 태양광 발전 시스템의 건설에는 초기 투자가 요구되므로 상용 전력에 비하여 발전 단가가 높고 일사량에 따른 발전량 편차가 심하므로 안정된 전력 공급을 위한 추가적인 건설비 보완이 필요한 단점이 있다.

이러한 태양광 발전 시스템의 기상 조건에 따른 제약과 이용 기술상의 문제점은 기술 개발과 실증 실험을 통하여 개선될 수 있으나 초기의 많은 설비 투자와 높은 발전 가격은 태양광 발전의 보급에 있어서 선결되어야 할 당면 과제이다.

해외 선진국, 태양광 발전 기술 개발 한창

미국은 태양광 발전을 인공위성의 전원으로 1960년대부터 이용해 왔는데 지상용 태양광 발전시스템의 실용화를 위하여 1972년부터 5년 주기의 National Photovoltaic Program을 수립하여 기술개발을 추진해오고 있다. 최근에는 태양전지의 효율 향상과 가격 목표를 달성하기 위한 기술 개발과 병행하여 태양전지의 저가 제조기술을 개발하기 위한 PVMaT(Photovoltaic Manufacturing Technology) Project와 태양광발전의 상업화에 필요한 실증 실험 및 주변장치의 가격을 낮추기 위한 시스템 기술개발을 목적으로 하는 PVUSA(Photovoltaic Utility Scale Application) Project, 태양광 발전기술을 건물에 적용하기 위한 PV: BONUS 계획이 동시에 추진되고 있다. 또한 개발된 제조기술을 상업화하기 위하여 관련 제조업체들로 구성된 Photovoltaic Utility Group이 주관하는 TEAM­UP(Technical Experience to Accelerant Market) Project도 추진되고 있다.

한편 일본은 1974년에 태양광발전기술을 개발하기 위한 국가 주도의 Sunshine Project를 수립하여 추진하였으며, 1980년에는 신 에너지기술종합개발기구(NEDO, New Energy and Industrial Technology Development Organization)를 설립함으로써 본격적인 태양광 발전 기술의 개발에 착수하였다. 이와 함께 1987년에는 기업과 연구기관 등으로 태양광발전회(JPEA, Japan Photovoltaic Energy Association)를 구성하여 기술 및 시장에 관한 정보교환과 공동연구를 수행하고 있다.

1990년에는 24개 기업과 2개 단체로 태양광발전 기술연구조합(PVTEC, Photovoltaic Power Generation Technology Research Association)이 결성됨에 따라 정부와 기업 및 연구소의 상호 협력뿐만 아니라 대민 홍보와 연구개발의 기능을 수행하고 있다. 특히 1993년에는 경제성장, 에너지, 환경보전에 대한 균형있는 대책과 종합적인 기술개발을 위하여 기존의 Sunshine Project, Moonlight Project 및 지구환경 기술개발 계획을 통합한 에너지 환경 영역 종합 기술개발 추진계획(New Sunshine Program)을 수립하여 체계화하였다. 1999년부터는 환경을 보호하고 대체에너지의 보급을 촉진한다는 뜻에서 이러한 시스템을 설치할 경우 반액을 국가에서 지원하고 있다.

유럽공동체(EC)의 태양광 발전 기술개발은 비록 소규모이기는 하나 1975년 이후 꾸준히 계속되고 있다. 1989년부터는 1차 3년 3개월의 계획기간을 가진 Non Nuclear Energy Program JOULE(Joint Opportunities for Unconventional or Longterm Energy Supply) 계획을 수립하여 태양광발전 기술의 연구개발을 계속 추진하고 있다.

이 계획의 2000년까지 모듈 가격 목표는 1ECU/Wp이며 1994년까지의 JOULEⅡ 계획은 상업화를 목적으로 다결정 규소 태양전지 제조기술개발과 태양광발전 시스템에 대한 연구에 중점을 두고 있다. 또한 저가의 박막 태양전지를 개발, 실용화하기 위한 목적으로 EUROCIS 컨소시움을 구성하여 독일을 중심으로 CuInSe2 태양전지 연구에 주력하여 괄목할 만한 성과를 얻고 있다.

이와는 별도로 유럽 각국은 자체적인 장기계획에 의해 태양광발전 기술개발을 추진하고 있으며 독일의 소규모 태양광 발전 시스템의 실증 실험 및 개인 주택에의 실용화 보급을 위한 2250 Roofs Project, 이탈리아의 100kW급 태양광 발전 시스템의 표준화 및 보급을 위한 PLUG Project, 스위스의 MW House Project 및 프랑스의 PV 20 Project가 진행되고 있다.

태양광 발전 기술의 실용화를 위해서는 상용 전력과 경쟁이 가능한 발전 단가 수준의 태양전지를 대량생산하고 동시에 신뢰성과 이용효율이 높은 시스템을 개발하여야 하므로 2000년대 초까지 1$/Wp의 모듈 가격과 5 6Φ/kWh의 발전단가 실현을 개발목표로 설정하고 있다.

그러나 현재의 태양전지 가격은 4.5 5.5$/Wp 수준이므로 새로운 고효율 박막 태양전지재료의 개발에 치중하고 있으며 응용제품의 다양화뿐만 아니라 응용분야를 확대하기 위한 이용기술, 시스템의 신뢰성 향상과 최적화를 위한 실증 실험, 그리고 측정 및 평가기술 개발도 각국에서 활발히 진행되고 있다. 또한 미래의 태양광 발전은 우주공간에서의 태양광 발전과 Microwave 송전(SPS), 사막 지대의 대규모 태양광발전에 의한 초전도 송전 또는 수소 생산 이용 등이 구상되고 있으며 Zero Energy 개념의 지하공간, 또는 해상 구조물 전원으로서의 이용도 검토되고 있다.

풍력(Wind Power)발전, 가장 효율적 에너지 각광

풍력 발전이란 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적(Aerodynamic) 특성을 이용하여 회전자(Rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 전기를 얻는 기술이다.

풍력 발전기는 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평형 및 수직형으로 분류되고 주요 구성 요소로는 날개(Blade)와 허브(Hub)로 구성된 회전자와 회전을 증속하여 발전기를 구동시키는 증속 장치(Gear Box), 발전기 및 각종 안전장치를 제어하는 제어 장치, 유압 브레이크 장치와 전력 제어 장치 및 철탑 등으로 구성된다.

무공해 무한정 이용 가능한 청정에너지

풍력 발전은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고 국토를 효율적으로 이용할 수 있으며 대규모 발전 단지의 경우에는 발전 단가도 기존의 발전 방식과 경쟁 가능한 수준의 신 에너지 발전 기술이다.

또한 풍력 발전 단지의 면적 중에서 실제로 이용되는 면적은 풍력 발전기의 기초부, 도로, 계측 및 중앙 제어실 등으로 전체 단지 면적의 1%에 불과하며 나머지 99%의 면적은 목축, 농업 등의 다른 용도로 이용할 수 있다. 일반적으로 발전 방식에 따른 소요 면적은 풍력 1,335m2/GWh, 석탄 3,642m2/GWh, 태양열 3,561 m2/GWh 그리고 태양광 발전 3,237m2/GWh로서 풍력 발전이 가장 작은 면적을 필요로 한다.

풍력 발전은 공해 물질 저감 효과도 매우 커서 200kW급 풍력 발전기 1대가 1년간 운전하여 400,000kWh의 전력을 생산한다면 약 120~200톤의 석탄을 대체하게 되며 줄어드는 공해 물질의 배출량은 연간 SO2는 2~3.2톤, NOx는 1.2∼2.4톤, CO2는 300~500톤, 슬래그(Slag)와 분진(Ash)은 16~28톤에 달하며 부유 물질은 연간 약 160~280kg 정도 배출이 억제되는 효과가 있다.

풍력 발전 시스템의 발전 단가는 설치 지역의 풍력 자원에 따라 달라지나 현재 운전되고 있는 미국의 대규모 풍력 단지들은 약 750$/kW의 시스템 설치비와 약 5Φ/kWh 내외의 발전 단가를 나타내 기존 발전 방식과 경쟁 가능한 수준이다. 또한 계속적인 투자와 기술 개발이 병행되면 풍력 발전은 15년 안에 3.9Φ/kWh의 단가 목표를 달성할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

풍력 발전 관련 기술은 이미 실용화 단계이기 때문에 요소 기술 개발보다는 풍력 발전기의 저가화와 대형화 및 보급 확대에 치중하는 경향이다. 많은 국가에서 경쟁적으로 풍력 발전기를 보급하고 있다. 현재 가장 많은 풍력 발전기가 운전되고 있는 국가는 미국으로서 캘리포니아의 대규모 풍력 단지를 중심으로 현재 총 1,619MW용량을 지닌 2만여 대의 풍력발전시스템에서 연간 38억kW의 전력을 생산하고 있으며 시설추가에 박차를 가하고 있다.

미국은 AWEA(American Wind Energy Association)가 2000년도까지 약 100,000MW 정도의 풍력 발전기를 보급하기 위한 Wind Power 2000 계획을 채택하여 추진하고 있다.

유럽 국가 중 독일은 2000년까지 1,000MW의 보급이 이루어질 전망이며 영국은 950MW, 덴마크는 750MW의 보급 확대가 예상된다. 또한 2005년까지 영국이 2,200MW, 독일이 1,550MW, 덴마크가 1,050MW 정도의 풍력 발전기를 보급할 계획이므로 2000년대 초에는 전세계 풍력 발전의 보급 규모가 9,200~14,000MW 정도에 이를 것으로 전망된다.

국내기술, 단지건설 및 평가사업 지속

국내의 기술 개발 현황은, 1단계 대체 에너지 기술 개발사업으로 전국 64개 기상청 산하 기상 관측소의 통계 자료와 도서 및 내륙 일부 지역의 측정 자료를 이용한 풍력 자원 특성 분석이 우리 연구소에 의해 이루어 졌으나 지역적 조건에 크게 영향을 받는 풍력 자원의 특성때문에 아직 기초 통계 자료의 정비가 미흡한 실정이다. 따라서 앞으로 풍력 발전 유망 지역에 대한 풍력자원의 정밀한 평가와 풍력 단지 건설에 대한 타당성 평가 사업이 지속되어야 한다.

풍력 발전기 개발은 한국과학기술연구원이 1단계 대체 에너지 기술 개발 사업으로 20kW급 수평축 풍력 발전기의 국산화를 시도하였고 2단계 사업에서는 복합 재료 전문 업체인 한국화이바(주)가 다리우스형(Darrieus) 수직축 300kW급 풍력 발전기를 개발하여 시운전을 시도해 본 결과에 의하면 성능과 신뢰성의 확보가 충분하지는 못하였으나 본격적인 기술 개발의 계기가 되었다.

풍력발전의 국산화와 병행하여 이용 기술을 개발하기 위한 목적으로 한국에너지기술연구소는 이미 신뢰도가 확립된 외국의 풍력 발전시스템의 도입과 국내 시스템운용기술을 접목시켜 제주 월령에 100kW급 및 30kW급, 20kW급 풍력 발전기를 여러기 설치해 가동하고 있으며 계통 연계형 풍력 발전기의 이용 기술 개발과 성능과 운전 특성에 대한 각종 측정과 분석 작업을 수행하고 있다.

이밖에도 제주도 중문단지에 250kW급이 운영되고 있으며 제주도는 제주지역을 무공해 청정지역으로 발전시킨다는 목표아래 600kW급 풍차 4기를 구좌읍에 설치하여 가동하고 있는 한편, 최근에는 강원도가 대관령에, 전라북도가 새만금지역에 풍력단지의 조성을 계획하고 있다.

바이오매스(Biomass) 에너지,

재생가능한 지역에너지원 주목

바이오매스는 원래 생태학의 용어로서 생물량 또는 생체량이라고 번역되어 있다.

이것은 살아 있는 동물·식물·미생물의 유기물량(보통 건조중량 또는 탄소량으로 표시)을 의미한다. 따라서 생태학의 용어법에서는 나무의 줄기, 뿌리, 잎 등이 대표적인 바이오매스이며 죽은 유기물인 유기계 폐기물(폐재, 가축의 분뇨 등)은 바이오매스가 아니라고 할 수 있다. 그러나 이와 같은 생태학의 용어법과는 달라서 산업계에서는 유기계 폐기물도 바이오매스에 포함시키는 것이 보통이다.

바이오매스 자원은 재생이 가능하며 또 광역분산형의 자원으로서 지역 에너지원으로서 주목되고 있다. 에너지원으로서의 바이오매스의 장점은 에너지를 저장할 수 있다는 점, 재생이 가능하다는 점, 물과 온도조건만 맞으면 지구 상 어느 곳에서나 얻을 수 있다는 점, 최소의 자본으로 이용기술의 개발이 가능하다는 점, 그리고 원자력의 이용 등과 비교할 때 환경 보전적으로 안전하다는 점 등이다.

한편, 단점으로서는 넓은 면적의 토지가 필요하다는 점, 토지 이용면에서 농업과 경합한다는 점, 자원부존량의 지역차가 크다는 점, 비료, 토양, 물, 그리고 에너지의 투입이 필요하다는 점, 문란하게 개발하면 환경파괴를 초래한다는 점 등을 들을 수 있다. 또 바이오매스의 생산, 수집, 운반, 변환에 관련한 기술적 문제, 경제성과 에너지 균형(투입에너지에 대한 산출에너지의 비율)에 대한 문제도 있다. 이와 같이 바이오매스에너지의 이용·개발은 대단히 많은 문제를 안고 있으며, 또 바이오매스 자원의 부존량은 지역에 따라 큰 차이가 있다. 바이오매스가 지역의 에너지원으로서 얼마나 중요한가를 판단하기 위해서는 이들 문제를 다각적으로 검토할 필요가 있다.

바이오매스의 연료화

바이오매스를 에너지원으로 이용하는 방법에도 여러 가지가 있다. 바이오매스의 직접연소는 바이오매스의 용도 중에서 가장 저위의 것이다. 그러나 오늘날 세계 연간 에너지공급량의 1/6은 바이오매스로부터 얻고 있으며 벌채된 수목의 약 절반이 요리용과 난방용으로 이용되고 있는 것도 사실이다.

고형연료는 가장 오래된 이용방법이지만 연료의 균질성과 에너지 밀도가 높고 취급이 용이하다는 점 등에서 보면 연료의 유체화 쪽이 이점이 많다. 그러기 위해서 여러 가지 전환기술이 개발되어 있는데 가장 보급되어 있는 것이 알코올화(액체화)와 메탄의 생성(가스화)이다. 바이오매스는 다소간의 수분을 포함하며 유기계 폐기물 중에서도 분뇨, 폐액 등은 특히 수분이 많다. 이 수분을 증발시키려면 대량의 에너지가 필요하다. 그러나 메탄의 발효는 물을 포함하는 유기물로부터 연료에 해당되는 부분을 기체의 형태로 농축, 분리할 수가 있기 때문에 분리 그 자체에는 에너지가 필요하지 않다. 또 알코올발효에서는 물보다 비등점이 낮은 알콜올 증류, 분리하기 때문에 물을 증발시키는 것보다는 에너지 절약적이다. 특히 메탄의 생성에는 많은 돈이 필요하지 않으므로 중국에서는 1970년대에 많은 바이오가스 시설을 건설하여 1979년에는 700만개소가 가동되었다고 한다.

연료화의 대상이 되는 주요 바이오매스 자원

세계 각국에서 연료화의 대상이 되는 주요 바이오매스 자원을 들면 다음과 같다.

▲ 목질계(목재, 폐재): 특히 고성장 수종(포플러, 버드나무, 아카시아 등) ▲ 당질계: 사탕수수, 과실폐액 등 ▲ 전분질계: 고구마, 강냉이, 에너지식물, 초본식물, 수생식물, 해조, 조류, 광합성 세균, 유기계 폐기물, 농산 폐기물, 임산 폐기물, 축산 폐기물, 산업 폐기물, 도시 쓰레기 등 이상과 같이 바이오매스와 유기계 폐기물은 거의 모든 부분을 직접 또는 변환하여 연료화할 수가 있다.

폐기물 에너지(Waste Energy)

■ 정의

사업장 또는 가정에서 발생되는 가연성 폐기물 중 에너지 함량이 높은 폐기물을 열분해에 의한 오일화기술, 성형고체연료의 제조기술, 가스화에 의한 가연성 가스 제조기술 및 소각에 의한 열회수기술 등의 가공·처리 방법을 통해 고체 연료, 액체 연료, 가스 연료, 폐열 등을 생산하고 이를 산업생산활동에 필요한 에너지로 이용될 수 있도록 한 재생에너지이다.

■ 특징

비교적 단기간 내에 상용화 가능하며 폐기물 자원의 적극적인 에너지자원으로의 활용으로 인류 생존권을 위협하는 폐기물 환경문제의 해소가 가능하다.

■ 폐기물 대체에너지의 종류

- 성형고체연료(RDF): 종이, 나무, 플라스틱 등의 가연성 폐기물을 파쇄, 분리, 건조, 성형 등의 공정을 거쳐 제조된 고체연료

- 폐유 정제유: 자동차 폐윤활유 등의 폐유를 이온정제법, 열분해 정제법, 감압증류법 등의 공정으로 정제하여 생산된 재생유

- 플라스틱 열분해 연료유: 플라스틱, 합성수지, 고무, 타이어 등의 고분자 폐기물을 열분해하여 생산되는 청정 연료유

- 폐기물 소각열: 가연성 폐기물 소각열 회수에 의한 스팀생산 및 발전, 시멘트킬른 및 철광석소성로 등의 열원으로 이용

■ 이용 현황

각종 소각열 이용, 열분해시스템, RDF제조시스템이 개발되어 있으며 서울, 경기, 부산, 대구 등 484기가 설치되어 운용 중으로 1,760.5천톤의 에너지공급량으로 전체 대체에너지 이용량의 92.7%를 차지하고 있다.

■ 기술 현황

- 대형 도시쓰레기 소각장 건설 운용(국내)

- 산업 폐기물 소각장치 상용화(고려소각로)

- 폐프라스틱 열분해 상업화 공정시험 중(LG화학)

- 폐타이어 오일화(한국에너지기술연구원)

- 도시 폐기물 고형연료화 장치개발(기계연, 고려자동차)

- 일본: 수십 기의 상용 유동층 소각로 기술 상용화

- 일본, 독일: 폐타이어, 폐트라스틱처리 기술 상용화

- 미국, 일본, 독일: 고형연료화 기술 개발 상용화

조력(Tidal Power) 발전, 실용적인 해양에너지

오늘날 실용화되고 있는 해양에너지는 바다의 밀물과 썰물의 차이를 이용하는 조력 발전뿐이라고 볼 수 있다. 세계의 어떤 바다에서도 하루 두 번씩 밀물과 썰물을 만난다. 그런데 이런 조석 현상은 달이나 태양의 인력만으로 생기는 것은 아니다.

이런 기조력은 지구가 공전할 때 생기는 원심력의 차이에 의해서도 발생한다. 인류는 벌써 오래전부터 이런 조류를 이용해 왔다. 예컨대 11세기에 프랑스에서는 조류로 수차를 돌려 생기는 동력을 이용하여 옥수수나 밀을 가루로 빻기도 했다. 중세 유럽에서는 조류로 돌리는 수차를 이용하여 제재소를 가동하고 제분소도 운영했다.

조력 발전, 해양에너지 수위차 이용한 발전

조력 발전이란 조석이 발생하는 하구나 만을 방조제로 막아 해수를 가두고 수차발전기를 설치하여 외해와 조지 내의 해수를 가두고 수차발전기를 설치하여 외해와 조지 내의 수위 차를 이용하여 발전하는 방식으로써 해양에너지의 수위 차를 이용하여 발전하는 방식으로써 해양에너지에 의한 발전방식 중에서 가장 먼저 개발되었다.

현재 개발 가능한 조력자원을 보유한 국가는 세계에서 손꼽을 정도로 한정되어 있기 때문에 이들 국가에서는 조력자원을 미래의 중요한 대안에너지 자원의 하나로 지목하여 이에 대한 조사와 연구를 활발히 진행 중에 있다. 영불 해협과 이웃한 프랑스의 브르따뉴 지방의 ‘랑스’ 하구에는 밀물과 썰물의 차이가 13.5m나 벌어지고 밀물이 들어오고 나갈 때의 조류의 용량이 매초 5천m3나 된다. 프랑스는 1966년 이곳에 일당 최고 24만kW를 발전할 수 있는 조력발전소를 완공했다. 프랑스는 먼저 콘크리트 케이슨으로 랑스강 하구에 댐을 건설하여 우리나라의 팔당댐 보다 약간 적은 용량인 1만8천4백만 입방미터의 물을 담을 수 있는 저수지를 만들었다. 만조 때 이 저수지를 가득 메운 바닷물은 간조 때 낮아진 해면으로 떨어지면서 24개의 터빈 발전기를 돌린다. 바닷물이 저수지로 밀려들어 올 때도 발전기를 돌려 효율을 높일 수 있다. 조력발전의 효율을 결정하는 가장 큰 요소는 저수지의 저수량이다. 따라서 썰물과 밀물의 차와 함께 넓은 저수지가 들어앉을 수 있는 입지조건이 매우 중요하다. 조수간만의 차가 큰 곳은 황해·영국해협·아이리시 해의 연안에 있다.

조력 발전의 원리

조력 발전의 원리는 간단하다. 바닷물이 가장 높이 올라왔을 때, 물을 가두었다가 물이 빠지는 힘을 이용해 발전기를 돌리는 것이다. 수력발전소와 비슷한 원리인데, 차이점은 수력 발전의 낙차는 수십 m인데 비해 조력 발전은 낙차가 보통 10m 이하라는 점이다. 따라서 효율이 좋은 수차발전기를 개발하는 것이 관건이라고 할 수 있다. 밀물 때 수문을 닫아 두었다가 문을 열면 물이 쏟아져 들어오면서 터빈을 돌려 발전하게 된다. 썰물 때는 터빈의 날개가 반대 방향으로 돌면서 다시 발전하게 된다.

조력 발전 세계 현황

현재 가동 중인 조력발전소는 프랑스의 랑스(1967년 완공, 용량 400kW), 러시아의 키슬라야(1968년 완공, 용량 800kW), 캐나다의 아나폴리스(1986년 완공, 용량 2만kW), 중국의 지앙시아(1980년 완공, 용량 3,000kW)

등이다. 현재 캐나다, 중국, 프랑스, 러시아 등에서 조력발전소를 건설해 활용하고 있으며 우리나라를 비롯해 조력 발전이 가능한 지역을 보유하고 있는 미국, 호주, 인도 등의 국가에서도 조사 작업이 한창이다. 80년대 중반에 완성된 캐나다의 아나폴리스 조력발전소는 20kW급 대형발전소다.

프랑스는 랑스 조력발전소에 이어 연간 30억kW 규모의 조력발전소를 계획했으나 아직도 계획선에 머물러 있다. 러시아는 1968년 실험용 조력발전소를 준공했는가 하면 일본은 물결이 센 에히메현 내도 해협에서 조류발전 실험에 성공했다. 중국은 발해에서 북부만에 걸쳐 8기의 조석발전소를 보유하고 있는데 그 용량은 모두 합쳐 6천kW이다. 현재 영불 해협을 비롯하여 남북 아메리카, 중국, 러시아 그리고 우리나라 서해의 인천만, 아산만, 가로림만, 천수만 등을 포함하여 세계 도처에는 조석의 차가 크게 벌어지는 곳이 많다. 이런 곳을 이용하여 조력 발전을 한다면 수력 발전의 4배가 넘는 10억kW의 전력을 생산할 수 있다. 그러나 아직은 막대한 건설비때문에 주춤한 상태이지만 21세기 중반경에 화석연료 자원이 바닥이 나면 조력 발전은 다시 각광을 받게 될 것으로 전망된다.

조력 발전 우리나라 현황

우리나라 경기만 일대는 세계적으로 드문 조력 발전의 최적지로 부상한 곳이다. 1932년 일제강점기 때부터 발전소 설계도를 작성한 기록이 있을 정도이며 1986년 영국의 공식 조사 결과에 따르면 가로림만에 조력발전소를 지을 경우 시설용량이 40MW, 연간 발전량은 836GWH까지 가능한 것으로 판명되기도 했다.

국내에서는 현재 시험조력발전소 건설에 관한 조사사업을 추진 중에 있는데 앞으로 연구 개발되어야 할 주요 대상은 깊은 수심에서의 연안구조물 설계와 시공기술, 조력발전소 수심에서의 연안 구조물 설계와 시공기술, 조력발전소의 주요부분인 수차발전기의 설계제작기술, 발전계통기술, 발전시스템의 자동제어기술, 해수에 의한 소재의 부식방지기술 등이다.

우리나라에서의 조력 발전 건설은 서해안에 부존하는 천혜의 조력에너지를 개발함으로써 지역경제의 균형발전을 도모할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

조력 발전 장·단점

장점

- 조력 발전은 발전을 하는 지점이 결정되면 그 지점에 있어서 조위(潮位)의 변화를 예측할 수 있다.

- 청정에너지이다.

단점

- 얻어지는 유효낙차가 적고, 또한 조위의 변화가 연간을 통하여 균일하지 않으며 조위가 일정한 시간대에서는 발전할 수 없다는 문제점이 있다.

- 간만의 차가 심해야 하므로 지역적으로 한정된 장소에만 적용할 수 있다.

해양온도차발전(Ocean Thermal Energy Conversion)

효과 만점

수심에 따른 바닷물의 온도 차를 이용한 발전 방식이다. 열대해역에서 해면의 해수 온도는 20。C를 넘으나 해면으로부터 500∼1,000m 정도 깊이의 심해에서는 4。C에서 거의 변하지 않는다.

이런 표층수와 심층수의 온도 차로부터 프레온과 같은 저온 비등 매체(냉매)를 이용하여 발전하는 기술을 해양 온도차 발전, 줄여서 보통 OTEC이라 부른다. 1948년에 ‘해양에너지개발공단’이 조직되어 서아프리카 상아해안에 세계 최초로 해양온도차발전소가 건설되었다.

OTEC, 일반 발전소 가동원리와 같아

열대 부근의 바다는 태양열로 데워진 해수면과 수심 600∼700m의 바닷물 사이에 20。C 이상 온도 차가 있다. 가열된 바닷물을 파이프라인으로 끌어 증기를 만드는 장치에 보내면 뜨거운 바닷물이, 끓는점이 낮은 암모니아나 프레온을 증기로 만들고, 이 증기의 힘으로 터빈을 돌려 발전한다. 터빈을 돌리고 난 증기는 심해의 찬 바닷물로 냉각해서 다시 유체로 만들어 계속 사용한다.

OTEC 발전 시스템의 원리는 일반 발전소의 가동 원리와 같다. 바다 표면층의 더운물과 심층 냉수 간 온도차를 이용해 비등액이 낮은 액체를 증발 냉각시킨 뒤 그 압력차를 이용해 발전하는 것으로 즉, 고온의 열원에서 저온의 열원으로 열이 흘러 들어가 터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 방법이다.

Cycle System은 표면온수를 사용하여 오존층을 파괴하지 않는 암모니아나 프로필렌 같은 작동유체를 증발시켜 Turbine Generator를 구동시키는 방법이다. 바다 표면의 온수는 작동유체 시스템에 유입되어 열교환기를 통하여 열전달이 일어나며 이 때 비등을 통해 작동 증기가 생성된다. 이 생성된 증기가 터빈을 회전시켜 전력을 생산하는 시스템이다. 그 다음 Turbine을 나온 증기는 해저로부터 끌어올린 심층 냉수에 의하여 응축기에서 응축액으로 바뀌며 다시 재순환 된다. 이 시스템은 간단하여 전력 생산만을 위한 가장 실용적인 방법으로 알려져 있다. 이때 전력전환 효율은 약 5%이며 터빈 효율, 펌프 효율 등을 포함한 전체 시스템 효율은 약 2.5% 정도이고 Plant 설비 단가가 저렴하기 때문에 화석연료 시스템과 경쟁력이 있다고 할 수 있다.

Open Loop Cycle System은 해양표면 온수를 작동 유체로 직접 사용하는 방법이다. 표면 온수는 펌프로 증발기에 유입되고 증발기는 진공펌프로 압력을 낮추어 온수가 상온에서 비등하게 하며 생성된 증기로 저압터빈을 구동시켜 전력을 생산하게 된다. 이어 터빈을 나온 증기는 심해에서 펌프로 퍼 올려진 냉수로 열교환기에서 응축되어 부산물로 담수를 얻게 한다. 이러한 직접접촉 열교환 방식은 그 효율이 높아 더 많은 전력을 생산하는 장점이 있다. 이 시스템은 현재 선진국에서 테스트 중이며 전력 변환 효율은 약 5.5%이고 전체 시스템의 효율은 약 3.0% 정도로 Plant의 단가는 폐회로 시스템보다 약간 비싸나 도서 지방이나 선진국형에 적합할 것이다.

혼합형 Hybrid Cycle은 폐회로(Closed Loop)와 개회로(Open Loop) 시스템의 장점을 결합한 것으로 열원을 최대로 사용하도록 설계하여 전력과 담수를 동시에 얻게 하는 방법이다. 유입된 표면온수는 일차적으로 전력을 폐회로 싸이클에서 생산하며 여기서 나오는 온수를 이차적으로 개회로 싸이클에 보내어 직접 접촉식 증발기를 통과하게 하고 다시 응축기로 보내는 2단계 시스템을 사용함으로써 충분한 담수를 동시에 안정적으로 생산할 수 있게 한다. 아직은 이론적 단계에 있지만 두 시스템의 장점을 조합하였기 때문에 미래의 시스템으로 기대되며, 효율은 개회로 시스템과 거의 같을 것으로 보고되고 있다.

해양 온도차 발전 세계 현황

미국은 '80년대 초에 이미 160kW급의 해양 온도차 발전에 대한 실증 실험을 마친바 있으며 하와이에는 50 kW급의 상용 발전소가 가동 중이고(Mini OTEC) 10만kW급의 대규모 발전소가 건설되고 있다. 하와이 주변해역에 해양온도차발전소를 건설해 운영 중인 미국은 2000년부터 해양 온도차 발전을 통해 일부 연안지역에 전력을 공급할 계획이다.

일본은 일찍부터 Sun Shine 계획의 일부로 해양 온도차 발전 기술의 개발을 추진하여 Tokushima에 50kW급, Saga대학에 75kW급, Toyama에 3.5kW급, 국제 협력 사업으로 Nauru 섬에 100kW급 시범 발전소를 건설하여 가동하고 있으며 1,000kW급에 대한 실증 실험을 수행하여 동남아 국가에 관련 기술을 수출까지 하고 있다.

프랑스는 남태평양의 타히티 섬에 5,000kW급 해양온도차발전소 건설을 계획하고 있고 핀란드도 스페인과 공동으로 저온도차 OTEC 시스템을 이용한 해수 담수화 장치 개발을 추진하고 있으며 자메이카에 MW급 발전소 건설을 추진 중이다. 네덜란드도 '80년대 후반부터 개발에 착수하여 인도네시아의 발리 섬에 250kW급 발전소 건설을 추진 중이며 영국은 10MW급 해상 발전소 건설 사업을 추진하고 있다.

우리나라의 경우도 동해 남부 해역에는 표층수와 심층수 사이에 상당한 온도차가 존재한다고 알려져 있어 해양 온도차 발전 기술의 개발에 관한 전향적인 검토가 필요하다. 그러나 계절적인 편차가 심하여 개발 착수에는 신중한 접근이 요구된다. 국내에서는 아직껏 해양 온도차 발전 기술의 개발이 본격적으로 추진된 바는 없으나 외국의 예에서 보듯이 우리의 경제적, 사회적 활동 무대를 넓히기 위한 국제 협력 사업의 하나로 추진하는 것도 고려할 필요가 있다.

해양 온도차 발전 장·단점

장점

- 에너지공급원이 무한하다.

- 이산화탄소(CO2)와 같은 유해물질을 발생시키지 않는 청정 자연에너지이다.

- 주·야 구별 없이 전력생산이 가능한 안정적 에너지원으로 특별한 저장 시설이 필요없으며 계절적인 변동을 사전에 감안해 계획적인 발전이 가능한 우수한 자원이다.

단점

- 발전설비를 바닷물의 부식성에 영향을 받지 않는 재료로 만들어야 한다.

- 생물때문에 생기는 오염을 막기 위한 대책을 필요로 한다.

- 실제 OTEC 발전을 통한 전력 생산 시 열역학 시스템의 총 효율은 2.5∼3.0% 정도이다. OTEC 발전 시스템에서는 그 무엇보다도 적당한 작동유체를 개발하고 이를 향상된 열역학 사이클에 적용하여 그 성능을 측정하고 특성을 연구하는 일이 절대적으로 필요하다.

- 기존 화석연료를 전혀 소비하지 않는다.

낙뢰 대책은

피뢰기와 가공지선 등 병행해야 바람직

Q. 우리가 사용하는 발전기에 있어 그냥 지금껏 60Hz가 나온다고 당연히 생각하고 지내왔습니다. 그런데 어떻게 60Hz가 만들어지는지 갑자기 궁금합니다.

단순히 Hz=rpm×(극수/120)이 식으로 극수 및 회전수 조정으로 60Hz가 만들어지는 것 말고 발전기 회전자 및 극수에 따라서 어떻게 주파수가 만들어지는지 궁금합니다.

A. 발전기의 구조를 생각하면서 이해를 하세요. 발전기에는 크게 3개의 Coil을 120도씩 배치를 하고 그 속에 자석을 넣어 돌려주면 전기가 발생하는데 그 나오는 전기를 R, S, T 3상이라 합니다.

그리고 그 3개의 Coil이 각각 몇 개의 덩어리로 만들어졌냐가 극수입니다. 하여 각상 Coil 하나가 180도로 두 덩어리이면 2극이고 90도로 4덩어리이면 4극이고 60도로 6덩어리이면 6극입니다. (360도를 Coil 덩어리로 나누어 배치)

그 덩어리는 N극과 S극이 되어야 하니까 짝수이어야 합니다. 이 속에다 자석 N과 S를 넣어 회전을 시키는것이 발전기입니다. 그러면 두 개(2극)의 덩어리일 경우 이 자석을 1초에 몇 번 돌려 주냐가 주파수입니다. 1초에 60번 돌려주면 60Hz이고 50번 돌려주면 50Hz가 되는 것입니다.

그것을 1분으로 하면 60을 곱하여 주어야 하니까 회전수가 나오겠지요. 만약 4덩어리 4극일 경우엔 30번 돌려주면 2극의 2배이니까 2극과 똑같이 60Hz가 되는 것입니다. 6극일 경우엔 20번, 8극일 경우에 15번입니다. 먼저 극수에 따른 Coil 배치를 생각하시길 바랍니다.

Q. 1. Y 결선 직접접지에서 한선이 지락이 되면 건전상의 대지 전압상승이 작다고 하는데 이론상 1.3배 이하일 때 한선이 지락이 되면 중성점이 지락상으로 바뀌므로 건전상의 대지 전압은 루트 3배 증가하는 것 아닌가요? 또한 지락된 상은 대지와 등전위가 되어 0V가 되어 전위가 발생되지 않으므로 전류가 없어야 하지 않나요? 그런데 직접 접지에서 대전류가 흐른다고 하는데, 제 생각엔 아무리 직접접지지만 0옴이 아니므로 작은 저항값에 지락전의 대지 전압이 저항값의 양단에 걸려서 큰 전류가 흐른다는 생각이 맞나요? 잘 모르겠어요.

어떤 글을 읽으면 ‘저항이 있고 전류가 있으면 전압이 생긴다’라고 되어 있는데 전류 또한 전압이 형성되어야 흐르지 않나요?

2. 2종접지 원리에 대해 보다가 150, 300, 600V가 있는데 이들 값은 어디와 어디의 전위차인가요? 지락전류가 흘러 지락전류 값에 대한 대지 전압이라고 되어 있는데요. 고저압 혼촉이 되면 2차 측 선간전압도 고전압이 되나요?

고저압 혼촉시 저압측의 선간이 고압이 된다면 대지 전압도 고압/루트3(V)가 되지 않나요? 그럼 위의 150, 300, 600V은 뭐죠?

A. 1. 1선지락시 건전상 전위상승은 중성점접지를 하지 않았다면 루트 3배(중성점전위 이동에 의한 루트3배+지락전류×지락저항) 이상일 수 있습니다.

그러나 중성점 직접접지 시 유효접지계통은 1.3배 이하로 억제가 됩니다. 중성점 접지를 통해 1선지락시 건전상 저항보다 중성점 저항이 훨씬 낮아 지락전류의 분배가 감소되어(중성점으로 거의 흘러) 건전상 전위상승이 루트 3배가 안 되는 것입니다.

2. 150, 300, 600V의 의미는 고저압 혼촉시 예를 들어 22.9Kv라면 대지전압 13,200볼트가 그대로 2차 측으로 전달되기 때문에 중성점 접지를 통해 막는 것이지요.

즉 옴법칙에 따라 150=지락전류×접지저항 여기서 150, 300, 600V는 변압기 2차 측 즉 저압이 되지요. 380V의 대지전압 220V 그래서 220+150=370V 즉, 적어도 루트 3배 이상은 되지 않게 하는 측면 같고요.

300+220=520V, 600+220=820V 자동차단장치의 동작조건에 따라 분류한 것이죠. (동작시간 2초, 1초) 지락시 차단동작이 확실하다면 즉 빠르다면 대지전위 820볼트에도(1초 이내에 차단된다면) 적어도 저압측 기기의 손상이나 감전을 막을 수 있다 판단되어 지는것 같습니다.

참고로 어떠한 저항에 전류가 흐르면 전압이 형성되는것은 당연한 것이구요. (옴법칙에 의해) 지락시 대지(0전위)와 지락상의 쇼트이므로 전류가 흐르겠죠. 그러나 지락점의 저항이 있으므로 전압이 형성될 것이고요. 전위 상승이겠죠.

Q. 1차 입력측 380V 상태에서 Y-델타 기동이 불가능하다고 하는데 이유가 궁금합니다. 모터는 220/380V 겸용이고요.

A. 전동기를 제작하기 나름이겠지만 일반적인 전동기를 예를 들자면 220/380V 겸용 모터라는 것은 전동기가 380V에서도 동작하고 220V에서도 동작하는 것은 아닙니다.

선간전압이 380V(고전압)이면 Y 결선하고 선간전압이 220V(저전압)이면 델타결선하라는 의미입니다. 그렇게 되면 어느 것이나 코일 양쪽에는 220V가 공급하게 됩니다. 일반적으로 11kW 미만의 전동기가 이런 식으로 제작됩니다. 그 이상의 전동기는 380V 전용입니다.

220/380V 전동기를 Y-D 결선을 하게 되면 기동 시에는 관계없으나 델타로 넘어가게 되면 코일 양쪽에는 380V가 인가되어 전동기가 소손됩니다.

Q. 델타-델타 변압기의 접지와 관련해서 검색을 해보니 대부분 특고/고압, 특고/저압의 경우에 설명으로 저압 300V 이하의 경우 1상에 2종 접지를 한다고 하던데요!!

우리 회사가 6축로봇 때문에 동력반에서 1차 전압 380V를 받아 델타/델타 2차 220V(100KVA) 변압기를 사용 중입니다. 그런데 노동부에서 안전 관련해서 접지에 대해 지적을 받았는데요. (접지가 안 되어 있더군요!!)

수전은 22.9kV/380V 델타/스타 950KVA이구요. 2차 중성점 접지 되어 있구요. 전기안전관리하시는 분께 여쭙고 싶지만 제가 먼저 알아보고 싶은 게 있어서요.

1. 2차(220V) 3상 모두에서 검전드라이버에 램프가 켜져요! 정상인가요?

2. 저희 회사의 저압 델타/델타의 경우 외함 접지 해야 하는가요? 만약 해야 한다면 3종 접지가 맞나요?

3. 2차측 1상에 2종접지를 해야 하나요? 만약 해야 한다면 변압기 차단기는 누전차단기로 바꿔야 하나요? 바꿔야 한다면 1차/2차측 어느 쪽인가요?

길고 긴 질문에 답변해 주신다면 정말 감사 드리겠습니다.

A. 1. 정상입니다.

2. 전기기기의 외함은 접지를 해야 합니다. 3종 맞습니다.

3. 델타결선이라도 300V 이하이므로 2종 접지를 하셔야 합니다. 델타결선은 보통 비접지 계통인데, 2종 접지를 하여 접지계통으로 가게 되면, 많은 것이 바뀌어야 합니다.

비접지 계통의 지락보호에 사용되는 지락과전압계전기, 선택지락계전기 등이, 지락과전류계전기로 바뀌어야 하고 이렇게 되면 주배전반의 CT, PT회로 전체를 변경해야 하는 복잡한 상황이 됩니다.

기존의 변압기 2차 측 배선차단기를 누전차단기로 교체해야 하는데, 메인 측에선 교체할 필요는 없고 부하말단에서 누전차단기로 교체해야 합니다. 여기까진 봐 줄 만하더라도, 부하 말단까지 접지선을 전부 새로 깔아야 합니다.

Q. 변압기 500KW에, 저압배전반 - 600A 메인 , 부하 300A 3라인 콘덴사메인 50A(위 사진)에 콘덴서 20KVAR 부하연결됨(삼화 아님), 부하는 용광로150KW 2기, 프레스 100KW 1기(기동부하로 인하여 300A로 교체) 콘덴서 증상 심한 떨림, 소음 발생 수분 후 차단기에서 연기발생, 차단기 1차 측 10SQ 전선 소손되면서 메인 차단기 트립됨. 1차 예상 원인은 고조파로 판단됩니다. 고조파 대응법을 구합니다. 차단기 2차가 아닌 왜 1차 측이 소손된 것인지 의문입니다.

A. 이것은 어디까지나 추정입니다. 2차가 아닌 1차 측이 소손된 것은 원인이 1차에 있다는 것입니다. 단락 시에 가장 약한 부분에서 그 현상이 나타납니다. 전선과 단자의 접촉 불량에 의하여 R상의 전선이 용융이 되면서 T상과 단락 순간적으로 3상 단락사고가 발생한 것으로 추정합니다. 원인 추정 시에 1차 차단기에 연결된 전선의 상태를 보면 도움이 됩니다.

유도로 및 고조파 발생 부하에 진상용 콘데서 사용 시 차단기 소손보다는 5고조파 전류에 의한 차단기 트립이 가장 흔한 현상으로 나타나는 걸로 알고 있으면 위 사진을 봐서는 고조파와는 연관이 먼 것 같습니다.

Q. 여름철 궁금한 게 있어서 이렇게 글을 올립니다. 비와 낙뢰의 영향으로 회사의 순간 정전 시 대체 요령이 궁금합니다. 또 낙뢰 발생 시, LA가 정전을 막아 대지로 흘려 준다고 알고 있는데 저의 부족한 소견에 대한 답변도 부탁 드립니다. 만약 그렇다면 피뢰기가 많으면 좋은 건가요? 완전 초보가 들어도 알아듣기 쉬운 답변 부탁 드립니다.

A. 뇌의 보호대책은 피뢰기만으로 이루어지는 것이 아니라 가공지선과 피뢰기(요즘 점차 시설이 늘어가는 전선혼) 등의 기기와 병행하여 뇌의 보호대책을 세우는 게 바람직하다고 생각됩니다.

전선로의 기기가 많아서 좋은 점도 있겠지만 관리운영상 어려움도 있습니다. 그리하여 가장 경제적으로 운용하는 것이 바람직하다 할 수 있겠습니다.

피뢰기는 전선로의 경제적 운용에 일익을 담당하는 기기입니다. 피뢰기를 설치함으로써 BIL(기준충격절연강도)의 저감을 가능하기 때문에 전선로의 건설비를 작게 할 수 있습니다.

피뢰기는 절연이 약한 기기류(대표적인 게 변압기입니다.), 전력계통에 중요한 기기(개폐기나 변압기), 고장이 나면 복구에 상당한 시간을 요하는 기기(케이블은 자재수배부터 어려움이 따르죠) 등을 보호 하는 것이 목적이라 할 수 있습니다. 그리하여 비경제적으로 과다하게 설치를 할 필요는 없다고 할 수 있겠습니다. 기기류가 많을수록 관리의 어려움이 따르지요. 한전의 배전선로에 보면 매 전주마다 피뢰기가 설치되어 있지는 않지요. 한전 기준에는 IKL지수 11일 이상 지역에 설치된 주상변압기에 설치하나 200m 구간 내에 피뢰기가 설치되어 있을 경우 생략가능 합니다.

Q. 1. 만약 변압기가 6,600/380/220V이고 모든 부하는 병렬로 연결하여 선로의 전압강하를 무시 하였을 때 병렬이므로 부하에 걸리는 전압은 전부 380V, 220V가 부하 양단에 걸리지 않나요.

2. 부하단 부하가 저항부하일 경우 소비전력이 400W 이면 전압은 220V가 걸리고 전류는 1.81A가 흐릅니다. 실제 저항부하에 흐르는 전류의 전압이 다운되면 저항이 일정하므로 전류공급이 다운되어 저항 부하인 히터, 램프 등은 전기에너지 소비가 작아져서 즉 시간당 흐르는 전하량이 작아져서 불이 안 들어 오지 않나요.

3. 그런데 궁금한게 하나가 부하전류가 증가하면 부하단 전압이 다운된다는 것이 순수 저항부하가 아닌 L성분이 있는 유도전동기 및 코일과 저항 성분이 공존하는 임피던스에서 일어나는 건가요.

4. 예)소비전력이 400W 유동전동기가 무부하시 전압은 220V이고, 부하시 전압이 대충 210V라고 하면소비전력이 400W이므로 전류가 증가하였기에 부하단 전압은 다운되어 210V가 걸린다. 제 말이 맞는 건가요.

5. 그럼 베어링 및 회전축 등에서 부하시 전압강하의 원인이 되겠군요.

A. 1. 맞습니다.

2. 맞습니다.

3. 아닙니다. 전압강하는 저항부하, 유도부하에 상관없이 선로에 흐르는 전류의 크기에 비례하고 전원에서 부하까지의 거리에 비례하고 선로의 단면적에 반비례합니다. 부하에 저항성분만 있든, 유도성분이 포함되었든, 상관없이 전압강하는 일어납니다.

4. 맞습니다. 유도전동기의 경우, 일정치까지 전압이 떨어지면 슬립이 상승하여 전류가 상승하므로 전압강하가 상승합니다. 슬립이 1이 되어 모터가 정지시에 최대 부하전류가 흐르고, 그 이후에 전압이 하강하면 전류도 하강합니다. 하지만 일반 저항부하에서는 전압이 떨어지면 슬립개념이 적용되지 않으므로 전류도 떨어져서 소비전력도 적어집니다.

5. 베어링 불량이나 회전축 센터의 불량 등의 요소는 부하를 증가시키고 슬립을 상승시키는 요소이므로 부하전류가 더 걸리게 되어 전압강하의 원인이 될 수 있습니다.

Q. 변압기 22.9KV/380-220V, %Z=6입니다. 3상 1250KVA입니다.

ACB 4P 600V 2,500A 75KA입니다. 제가 KA값을 구할려고 하는데 단락전류는=100/%ZX변압기용량/(루트3X380)인 걸로 알고 있습니다.

계산해 보면 31.65KA가 나옵니다.

자 여기서 질문입니다!!!

1. 제가 구하는 식이 맞나요?

2. 계산값보다 ACB차단기의 KA가 높아야 되는건 알고 있는데 75KA면 너무 높은 것 아닌가요? 50KA를 사용해도 되지 않나요??

A. 1,250KVA의 2차 전류는 대략 1,894A입니다. 그런데 ACB의 정격이 2,500A 입니다.

원칙적인 계산을 하면 2,000A짜리 ACB가 달려도 되겠지요. 하지만 전동기 부하가 많은 곳에는 정격전류의 1.5배 정도의 여유가 있는 차단기를 선정하겠죠.

하여 2,500A차단기를 선정하여 시설하였을 겁니다. 따라서 정격차단전류(KA)도 여유를 주었다고 생각합니다. 2,500A로 본다면 KA수가 42KA정도 나오므로 1.5배의 여유를 두었다면 61KA가 나오고 그래서 직권상위의 KA수를 선정하다 보니 75KA가 되었다고 생각합니다.

Q. 수전 500KW에 시험설비로 210KW, 440V 펌프가동을 리엑터 기동으로 이것만 돌릴 때 변압기에 부담이 안 될까요?

A. 크게 문제가 없습니다. 리액터 기동하면 직입기동의 60%, 정격의 약 3.6배 정도 전류가 흐를 것입니다. 이것은 변압기의 1.5배 정도이고 그때의 전압강하는 변압기의 Z%가 5%일 경우 440V 전압이 5×1.5(7.5%)의 전압강하가 생길 것입니다. 7.5%의 전압강하는 변압기와 다른 부속Part(Magnet 등) 전기기기에 크게 영향이 없습니다.(기본적으로 전기기기는 ±10%까지는 사용 할 수 있습니다.)

전기설비 작업은 정전작업 후 실시해야

1. 사고개요

가) 발생일시: 2003년 10월 14:00경(맑음)

나) 발생장소: 경기도 양평군 양평읍 ○○(주)

다) 사 고 자: 기술대리 ○○○, 남 34세

(오른손 1도 화상)

기술주임 ○○○, 남 29세

(양손 등 2도 화상, 얼굴 1도 화상)

라) 피해상황: 왼쪽 팔과 안면부에 화상

2. 사고내용

상기 수용가의 분전함에 설치된 콘덴서가 불량하여 이를 철거하기 위해 콘덴서 A상 및 B상의 전원을 분리한 후 C상을 펜치로 절단하는 순간 접지선과 혼촉되어 아-크가 발생, 작업자 및 보조작업자가 얼굴 및 손등에 화상을 입은 사고임.

3. 사고 원인

작업자 부주의(활선상태 작업)

4. 사고 재발 방지 대책

- 현장의 사고사례 중심의 안전교육을 통한 위험예지 능력 배양

- 전기설비에 대한 작업은 정전작업을 실시

- 작업 전 위험요소에 대한 지적확인 실시

도전 정신과 일을 이뤄내는 근성 필요

통찰력을 갖추고 있더라도 ‘새로운 일에 도전하여 악착같이 성취해 내려는 근성’이 부족하다면 창의적 성과를 내기 어렵다.

한 조직의 리더들이 ‘도전 정신, 근성이 부족하다’는 평가를 받는다면, 그 이유는 다음 두 가지 중 하나 때문이다. 개인 성향의 문제이거나 조직 분위기 등 주변 환경으로 인해 발생한 문제이다.

일반적으로 리더들이 앞으로 나서지 않는 이유는 개인 성향 문제보다는 조직 분위기에 기인하는 경우가 많다. 즉, 주변의 반감을 사더라도 자신감 있게 자기주장을 펼치며 일을 밀고 나가던 사람들의 마지막 길이 별로 좋지 않은 경우가 많으면 아무리 도전적인 성향의 사람이라 할지라도 몸을 사리게 된다. 조직에서 도전적인 사람보다 안전하게 일을 추진하는 사람들에 대한 평가가 더 좋은 경우가 많으면, 사람들은 자연스레 그런 방향으로 사회화(Socialization)되기 마련이다.

리더들에게 새로운 시도를 두려워하지 않는 도전적인 모습들이 아쉽다면, 우리 조직 내에 도전적인 사람들이 어떻게 인식되고 있는지부터 살펴볼 필요가 있다. 혹시 도전적인 사람들이 인정받는 것은 고사하고 조직 내 불협화음을 일으키는 트러블 메이커(Trouble-Maker)로 인식되고 있는 것은 아닌가?

조직에서 성공하려면 실행은 차치하고 서류를 검토하고 또 검토하여 ‘신중하고 철저하다’고 정평이 나야 하는 것은 아닌가? 잡음 없이 사람들과 무난히 잘 지내야만 하는 것은 아닌가? 이러한 조직 분위기에 대한 진지한 성찰이 없다면, 단순히 리더들에게 도전적이지 못하다고 문제 제기할 수만은 없을 것이다.

조직의 특성에 맞는 창의적 조직 구조 필요

우수한 자질을 갖춘 리더가 있더라도, 조직 내 인적·물적 자원들이 창의적 성과 창출에 적합하게 조직화되어 있지 못하다면 실제적인 결과물을 만들어 내기란 쉽지 않다.

모든 조직에 적합한 조직 구조란 존재하지 않는다. 창의적 조직과 관련해서도 마찬가지다. 사업 구조, 전략적 방향, 조직 분위기, 구성원 성향 등 회사 고유의 특성들이 충분히 고려되어 조직 구조가 설계되어야 한다.

IBM과 구글의 경우를 보자. 대기업으로서의 오랜 역사를 가진 IBM은 최근 관료주의적 공룡 기업에서 혁신적인 기업으로 성공적으로 변화하고 있다는 평가를 받고 있다. IBM은 회사가 주도권을 쥐고 CTO 산하 전담 조직을 별도로 구축하여 창의적 아이디어를 발굴하고 있다. 발굴된 아이디어는 그 성격에 따라 적정 부서로 이관하거나 별도로 조직화하여 추진한다. 미국 실리콘밸리 벤처기업의 대표주자인 구글은 IBM과는 완전히 다르다. 구글에서 아이디어 발굴과 실행은 개별 구성원들에게 맡겨져 있다. 회사는 발굴된 아이디어 중 실행으로 옮길 것들을 선정하는 조직 정도만 만들어 운영하고 있다.

어째서 IBM은 회사 주도로 혁신을 관리하는 별도 조직을 만들었을까? 어째서 구글은 회사가 주도권을 쥐지 않고 그저 구성원들의 다양한 아이디어를 스크린하는 역할 정도만 조직화하여 수행하고 있는 것일까? IBM의 경우 오랜 역사에 기반한 기존 사업 영역이 매우 방대할 뿐 아니라 기존 방식에 익숙한 구성원들이 훨씬 더 많았기 때문인 것으로 추정된다. 미래 먹거리 확보 차원에서 창의적 성과를 만들어 내는 것은 필요하나 굳이 기존 조직의 근간까지 흔들 필요는 없다고 판단한 IBM이 선택한 효과적인 방법 중 하나였을 것이다.

반면 구글은 인터넷 컨텐츠 기반의 사업으로, IBM과 달리 다양한 아이디어를 빨리 실험해 보며 ‘치고 빠지는’ 활동이 중요하다. 또한 구성원들은 각자 기술적 전문성을 바탕으로 자신의 아이디어를 실험해 보고 성과를 내는 데 익숙한 사람들이다. 이러한 상황에서 구글은 회사보다 구성원들이 주도하게 내버려 두는 편이 더 바람직하다고 판단했을 것이다.

구성원 동기부여 방법에 대한 고민

조직의 구조도 중요하지만 조직 내 구성원들을 어떻게 동기부여 시킬 것인지에 대한 고민도 중요하다. 현장의 구성원들을 효과적으로 동기부여하지 못한다면 ‘마음에 소원은 있어 칼은 뽑았으나, 결국 몸이 움직이지 않아 성취하지 못하는’ 용두사미 격이 될 우려가 있다.

구성원 동기부여와 관련하여 우선 생각해 봐야 할 부분은 조직의 인사 철학에 대한 것이다. 조직이 처한 상황에 따라 인사 제도들은 다양하게 달라질 수 있지만, 그 모든 제도들은 인사 철학과 일관되게 만들어지고 운영되어야 한다. 그래야 회사가 지향하는 방향으로의 구성원 동기부여가 확실하게 이루어질 수 있다.

인사 철학을 정립한다는 것은 쉬운 일이 아니다. 다양한 딜레마적인 질문들에 대해 일관된 관점(예, 창의적 성과 높이기)을 가지고 대답을 해 나가야 하는 것이기 때문이다. 예를 들어, ‘팀워크와 경쟁 중 어디에 무게 중심을 둘 것인가’라는 질문을 생각해 보자.

창의적 성과를 높인다는 측면에서 보면 경쟁보다 팀워크가 중요할 수 있다. 새로운 아이디어를 발굴·실행하는 조직들의 경우, 기존 조직에 비해 언제, 어디에서 무슨 일이 생길지 예측하기 어려운 경우가 많을 뿐 아니라 각 구성원 개별적으로 문제를 해결하기 어려운 경우도 많기 때문이다. 그렇기에 구성원 간의 지나친 경쟁 의식 자극은 오히려 조직 성과를 저해할 수 있다. 마이크로소프트의 한 개발자는 “창의적 아이디어가 제대로 실행되지 않는 주요 이유 중 하나는 내부 경쟁 때문이다. 협력이 제대로 이루어지지 않는다”고 지적했다. 그러나 한편으로는 경쟁 메커니즘이 작동하지 않을 경우 구성원들의 긴장감이 떨어질 우려가 적지 않다. 또한 우수한 인재들은 충분히 인정받지 못한다고 느껴 실망할 수 있고, 무임승차(Free-Rider)하려는 움직임도 나타날 수 있다. 조직의 특성에 따라 이러한 딜레마 가운데 무엇에 무게 중심을 두며 균형을 잡아갈 것인지 결정이 되겠지만, 대안을 찾는 것이 그리 쉬운 것은 아니다. 그러나 이러한 작업이 탄탄하게 선행되어야 구성원에 대한 동기부여도 보다 효과적으로 이루어질 수 있다. 창의적 조직이 중요한 이유는 창의적 성과를 기대하기 때문에 중요한 것이다. 아무리 자유로운 분위기를 조성하여 구성원 간 토론이 생활화 되고 화기애애한 분위기가 갖추어 지더라도 창의적 성과가 없다면 그 모든 활동들의 중요성은 반감될 것이다. 창의적 조직을 만들기 위해 노력하는 이유는 구성원들의 스트레스를 낮추어 주는 것이 목적이 아니라, 창의적 아이디어를 통한 회사 성과의 지속적 창출에 있음을 잊어서는 안 될 것이다.

<자료: LG경제연구원>

작년 세계 태양광 시장 27.4GW까지 성장

지난해 전 세계 태양광 시장은 전년대비 40% 증가한 27.4GW를 달성한 것으로 나타났다. 또 올해는 유럽의 보조금 감축 및 가격 하락을 극복하는 것이 주요과제로 조사됐다.

태양에너지 시장 전문 조사기관인 NPD Solarbuzz는 최근 발행한 Marketbuzz 2012 리포트를 통해 이같이 밝혔다.

이 리포트에 따르면 지난해 전 세계 태양광 시장은 전년대비 40% 증가한 27.4GW를 달성하며 마감됐으며, 이 같은 시장 성장은 하반기 수요를 기반으로 이뤄졌다.

또 시장에서 중국의 결정질 웨이퍼, 셀 및 모듈 제조사들의 점유율은 강화된 반면 박막 전지 점유율은 하락했으며, 아시아 시장의 수요는 급속도로 증가했다.

태양광 산업의 2011년 글로벌 이익은 연간 12% 성장한 930억달러를 기록한 가운데, 관련 기업의 자산은 80억 달러 이상 증가했다.

Marketbuzz에서는 100개 이상의 국가를 포함하고 있는데, 독일, 이탈리아, 중국, 미국 그리고 프랑스가 2011년 전체 수요의 74%를차지하며 상위 5개 태양광 시장으로 확인됐다. 중국의 경우 연간 470% 성장하면서 2010년 7위에서 3위로 상승했다. 유럽 국가들은2011년 전 세계 수요의 68%(약 18.7GW)를 차지했는데, 이는 2010년 82%에서 하락한 수치다.

지난해 전 세계 태양광 셀 생산량에 있어서는 박막 생산량이 전체 11%(29.5GW)를 차지, 전년도 생산량이었던 23.0GW보다 증가했다. 또 중국과 대만의 생산량은 전 세계 셀 생산량의 74%를 차지했는데 이는 전년도 생산량인 63%보다 상승한 수치다.

상위 10개 폴리실리콘 제조사들은 지난해 20만4,000톤의 연간 생산 용량을 기록했으며, 상위 10개 웨이퍼 제조사들은 전 세계 생산용량의 20.7%를 차지했다.

또 지난해 상반기 태양 전지의 공급 과잉으로 인해 평균 모듈 출고 가격은 2010년 평균 대비 28% 하락했다. 이는 2009년 대비 14%하락했던 2010년보다 크게 늘어난 수치다. 더불어 2010년 4분기 대비 2011년 4분기 가격이 46%로 큰 폭으로 하락했다.

이 같은 추세를 반영, 향후 5년 동안 모듈의 출고가는 2011년 수준에서 43∼53%까지 하락할 것으로 예상된다. 결정질 모듈의 2012년평균 가격은 2011년 평균 가격보다 최소 29% 하락할 것으로 전망된다.

또한 Marketbuzz는 향후 12개월 동안 주요 태양광 수요 시장(독일 및 그 외 유럽, 미국, 일본)을 제외한 기타 시장(Rest of World)은 작년 전 세계 수요의 20%에서 32%까지 증가할 것으로 예상되는 반면 유럽의 점유율은 53%까지 하락할 것으로 내다봤다. 북미 및 여러아시아 시장의 급격한 성장이 예상되는 가운데, 2016년까지 유럽 시장 점유율은 42% 이하로 하락할 것으로 예상 되며, 중국은2016년까지 세계 시장의 17%까지 이를 것으로 전망된다.

NPD Solarbuzz 대표 Craig Stevens은 “독일과 다른 유럽 국가의 적극적 지원금 삭감이 본 정책 집행 이전의 설치 러쉬 현상을 발생시키며, 2012년 글로벌 시장의 잠재적 하락 가능성을 야기했다”고 분석하며 “이러한 보조금 지원의 삭감은 기업들이 예상했던 것보다빠르게 독자적으로 생존 및 지속 가능한 사업 모델을 구축해 나가도록 할 것이며, 이와 반면 중국의 태양광 정책 담당자들은 자국내수요 시장을 활성화시키기 위해 현재 전 세계적으로 형성된 자국 제조사 기반의 지원책 이상의 추가적 정책을 시행 할 것인가에 대한의사 결정에 직면하게 될 것”이라고 전했다.

또한 “폴리실리콘, 웨이퍼, 및 태양 전지 제조사들은 추가적인 이윤 감소를 피하기 위해 연 중반 이전에 생산 계획의 조정 혹은 축소가 요구될 것이다. 한편 태양광 체인 내에서 가장 진입 장벽 및 수익성이 높은 폴리실리콘의 생산 능력은 현 태양광 체인에서 가장 크다”고 분석했다.

미국태양광 시장, 67.4% ‘고성장’

미국 태양광 시장이 급팽창 중이라고 보고됐다. 외교통상부 글로벌에너지협력센터(GECC)는 미국의 태양광 시장이 연평균 67.4%로급성장 중이며 특히 지난달 20일 중국산 태양광 모듈에 대한 반덩핑 관세 부과결정 이후 가속화될 전망이라고 밝혔다.

GECC는 우선 세계 태양광발전 설비가 2004년~2009년 사이 연평균 60%의 성장을 달성하며 신재생에너지 중 가장 빠르게 성장 중이라고 밝혔다. 같은 시기 풍력발전 36%, 바이오매스발전 7.0%, 지열발전 4.0% 성장했다고 국제에너지기구 IEA의 자료를 인용했다.

시장규모는 2005년 120억 달러에서 2010년 449억달러, 2014년 900억달러로 성장할 전망이라고 덧붙였다. 특히 태양광발전 단가는3~5년 내 화석연료발전 단가에 근접하고 2020년에는 세계 전력생산의 약 9%를 차지할 전망이라고 보고했다.

또, 미국 시장 못지않게 유럽과 중국시장도 고성장 중이라고 밝혔다. 유럽은 세계시장 총액의 70%를 차지하며 시계시장을 주도하고있으나 그 비중은 점차 감소할 전망이며 보조금도 감소 추세라고 분석했다.

중국은 강력한 정부 지원, 대규모 투자, 저임금을 바탕으로 빠르게 성장하여 현재 세계 태양전지 및 모듈시장의 절반을 차지하고 있으며 2009년~2014년 사이 연평균 73.3%의 고성장을 이룰 것이라고 전망했다.

우리 정부는 세계 태양광 시장의 성장에 발맞춰 5월 7일∼10일 개최되는 사우디아라비아 Saudi Energy 2012 전시회와 세미나에 우리태양광 기업 7개 사가 12개 부스 규모로 참여 했으며 에너지관리공단은 사우디아라비아의 정부관계자 등을 대상으로 세미나를 개최하여 국내 기업의 수출 진흥을 도모할 것이라고 밝혔다. 또, 주 벨기에유럽연합대사관은 한-EU 태양광에너지 협력 포럼을 오는 6월18일 브뤼셀에서 개최할 예정이다.