순배출 제로 시대에서 재생에너지의 역할

이상훈(Sanghoon Lee),이나연(Nayeon Lee) 한국에너지기후변화학회 2021 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2021 No.11

세계 주요국이 탄소 중립 목표를 선언하고 빠르게 대책을 마련하고 추진 중이다. 유럽연합이 2050년 탄소 중립을 선도하는 가운데 독일은 2045년까지 탄소 중립 달성을 앞당기는 목표를 추진 중이고 미국, 일본, 중국 등 주요국도 2050년을 전후하여 탄소 중립을 달성하려는 전략을 강력하게 추진 중이다. 한국도 세계적 흐름에 뒤처지지 않고 2020년 12월, 2050년 탄소 중립 목표를 유엔에 제출하고 탄소중립위원회 출범, 탄소중립기본법 제정, 2030년 국가온실가스감축목표(NDC) 상향 조정 등 발빠르게 후속 행동을 추진 중이다. 지구평균기온 상승을 1.5℃에서 억제하는 목표를 달성하는 지속가능한 경로에 대해 IPCC, 국제에너지기구(IEA), 국제재생에너지기구(IRENA) 등에서 다양한 분석을 수행하고 시나리오를 제시하였다. 1.5℃ 목표를 달성하려면 국제사회는 2050년 전후로 순배출 제로를 달성해야 하고 이는 화석연료 의존에서 벗어난 무탄소 에너지시스템 전환을 기본 과제로 한다. 에너지 관련 온실가스 배출량은 전세계 온실가스 배출량의 2/3를 차지한다. 무탄소 에너지 전환의 기본 축은 에너지 효율 향상과 재생에너지 등 무탄소 에너지 공급 확대이다. 에너지 효율 향상은 최종에너지소비를 줄여서 에너지 투입량 증가를 억제하거나 감소함을 통해 무탄소 에너지 전환을 가속화할 것이다. 현재 상용화된 무탄소 에너지원은 재생에너지와 원자력을 꼽을 수 있고 온실가스 배출의 주범인 화석연료도 CCS 기술이 적용된다면 대기 중에 온실가스를 배출하지 않고 이용할 수 있다. 이런 무탄소 에너지원들은 각각의 장단점이 있는데 여러 국제기구들은 순배출 제로를 달성하는 에너지시스템에서 재생에너지가 핵심적 역할을 할 것으로 전망하고 있다. 특히, 2050년 전후로 전세계 발전량의 80~90%를 태양광, 풍력, 수력 등 재생에너지가 담당해야 할 것으로 기대한다. 순배출 제로 시대에 소비될 그린수소도 대부분은 재생에너지 전력으로 물을 전기분해하여 생산할 것으로 예상하기 때문에 그린수소의 상당부분도 간접적으로 재생에너지가 담당하게 될 것이다. 이런 전망은 재생에너지 기술과 산업에 엄청난 기회를 제공할 것이고 또한 변동성 재생에너지의 증가는 에너지시스템을 지능화, 유연화하는 추동력으로 작용하여 혁신적인 기술과 산업, 사업 모델의 번창을 가져 올 것이다.

재생에너지 이용의 변화와 RE100 현황

이예지(Yeji Lee),김재창(Jae Chang Kim),이수출(Soo Chool Lee) 한국에너지기후변화학회 2019 에너지기후변화학회지 Vol.14 No.2

The year 2019 was the biggest growth year so far, and also served as a springboard for the establishment of policies to expand renewable energy by launching a RE100 committee, holding a forum and industry meetings to introduce the RE100. Since the start of the 2014 campaign, the number of companies that have expressed their willingness to participate has continued to rise, with 57 companies increasing since November 2018, officially announcing statistics that 211 companies will participate. In April 2019, the Ministry of Trade, Industry and Energy announced a plan to strengthen competitiveness of the renewable energy industry in order to lay the foundation for an ecosystem where Korea’s renewable energy business can take a fresh leap forward. It was divided into direct and indirect implementations to push for expansion of private sector-led investment in the domestic renewable energy market and to prepare a foundation for the implementation of RE100 so that global companies could respond to demands for production of eco-friendly products such as renewable energy. The Korea Energy Corporation and the Korea Electric Power Corp. announced on October 23, 2019 their plan to implement a pilot project to introduce the renewable energy usage recognition system. It is time for the entity to understand the RE100 flow changes and modify its strategy for procuring renewable energy. The government should set the stage for accelerating investment in renewable energy and strengthening industrial competitiveness by utilizing it.

재생에너지 출력 변동에 대응하기 위한 석탄화력 발전소의 유연 운전 기술

이찬(Chan Lee) 한국에너지기후변화학회 2021 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2021 No.5

재생에너지의 확대 및 보급은 온실가스 감축을 위한 유일한 대안으로서, 앞으로도 전 세계 모든 국가들에서 더욱 강화되고 지속되어 나갈 것으로 예견된다. 이러한 추세는 앞으로는 재생에너지 설비를 통해 생산되는 에너지(전기, 열)가 국가 에너지망(energy grid)에 연결되어, 재생에너지와 전통적인 화석연료 에너지가 국가나 사회에서 필요로 하는 총 에너지 수요를 같이 담당하는 방식으로 에너지 공급체계와 포트폴리오가 변화될 것임을 의미한다. 그러나 재생에너지를 급격히 확대하고 보급시키고 있는 유럽의 여러 국가와 도시들에서는 재생에너지 설비의 부하 변동성으로 인해, 재생에너지 설비와 같이 전력망(electricity grid)에 묶여 있는 기존의 화력 플랜트들이 매일 출력을 과도한 속도로 증·감발하면서 재생에너지 설비의 부하 변동을 보충하고 총 에너지수요량을 충족시켜 주어야 하는 상황으로 내몰리고 있다. 즉 기존의 화력발전 설비들은 실제 총 전력 수요량에서 재생에너지가 차지하는 그 외 부분에 해당하는 일일 부하 패턴에 따라 수요와 공급의 불일치 부분을 담당하고 있으며, 그 편차는 각 국가별 재생에너지의 확대 경향에 따라 더욱 더 증가될 것으로 기대된다. 기존의 석탄화력 발전소들은 대부분이 기저 부하(base-load)용으로 정격 출력에서 최대의 효율을 달성할 수 있도록 설계, 운영되는 대형 설비들이므로, 부하 변동률도 크지 않고 부하 변동에 걸리는 시간도 상대적으로 긴 편이다. 그러므로 이러한 기존의 화력 발전소 설비들이 앞으로는 재생에너지 부하 변동에 신속히 대응하기 위해서 좀 더 유연한 운전 특성을 가져야 하고, 이를 위해서는 기존 설비들의 개조(retrofit) 및 개량(improvement)과 그에 따른 새로운 운전 기술의 개발/적용이 이루어져야 한다. 이러한 재생에너지 부하 변동에 대응하는 화력 발전소의 새로운 운전 기술을 유연운전 기술(flexible operation techniques)이라 칭하며, 최근 들어 유럽 및 미국의 다수의 화력 발전소에서 다양한 유연 운전 기술에 대한 연구/개발과 그에 따른 실증 적용이 활발히 이루어지고 있다. 그러므로 본 고는 최근에 관심이 집중되고 있는 석탄화력 발전소의 유연 운전 기술들을 소개하고자 한다. 이를 위해서, 먼저 유연 운전 기술의 주요 인자와 기준을 정의하고, 유연 운전 기술의 종류와 특징을 요약하여 설명하고자 한다. 그리고 소개한 유연 운전 기술들이 석탄화력 발전설비들에 어떻게 적용되고 있는지를 설명하고, 유연운전 기술의 적용에 따른 효과들도 검토하고자 한다.

P2H를 활용한 분산에너지 시스템에 적합한 시스템 모델 연구

전영신(Youngshin Jeon),김현철(Hyuncheol Kim),이중용(Joong Yong Yi),최기봉(Gibong Choi) 한국에너지기후변화학회 2021 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2021 No.11

지구 온난화로 인한 이상기후 현상이 곳곳에서 나타남에 따라, 탄소중립은 전 세계가 주목하고 있는 핵심 과제가 되고 있으며 그중에서도 온실가스 배출량의 절반 이상을 차지하는 에너지 부분에서의 탄소중립 실현이 중요하게 여겨지고 있다. 이에 따라 재생에너지로 대표되는 분산에너지 활성화의 필요성이 더욱 강조되고 있는 상황이며, 우리나라 역시 「제 3차 에너지기본계획」에서 2040년 총 발전량의 30%를 분산에너지로 하겠다는 목표를 제시한 바 있다. 그러나 태양열, 풍력 등의 재생에너지는 외부 환경에 따른 변동성이 강한 특성으로 인하여 전력계통의 불안정성 등을 가지고 있어 안정적인 에너지 수급을 위해서는 유연성 자원의 확보가 필요하며, 이를 위해 Sector Coupling(전력-비전력 부문간 결합)과 같이 전력계통의 유연성을 증가시킬 수 있는 방안에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 본 연구에서는 최근 발의된 「분산에너지 활성화 특별법」에 따라 분산에너지 시스템 도입이 가능할 것으로 예상되는 지역을 대상으로 도심형 분산에너지 시스템 모델 대안을 도출하고, 기존의 대용량 집단에너지 열원설비(열병합발전설비)를 기반으로 하는 3세대 지역난방 공급계통과 다양한 재생에너지원의 연계 가능성을 살펴보고자 하였다. 특히, P2H 기술을 이용한 Sector Coupling 방식 등을 통해 변동성 재생에너지에 대한 유연성 확보 방안과 3세대와 4세대 지역난방 연계형 시스템 대안들을 도출하여 비교 분석함으로써 도심형 분산에너지 시스템 도입 방안을 도출하고자 하였다.

에너지총조사 보고서를 활용한 건물 부문별 온실가스 배출량 산정 및 분석

김동규(Dongkyu Kim),이정환(Jeonghwan Lee),박현신(Hyunshin Park),이주봉(Joobong Lee),정재수(Jaesoo Jung) 한국에너지기후변화학회 2013 에너지기후변화학회지 Vol.8 No.1

본 연구의 목적은 건물의 에너지사용량을 토대로 온실가스 배출량을 산정하여 다각도에서 비교 및 분석하고 건물의 용도별, 업종별, 건축년도별, 에너지원별 등의 특성을 파악하는데 있다. 현재 건물의 온실가스 배출량은 온실가스·에너지 목표관리제의 관리대상 건물에 해당하는 수 십개의 건물만 의무적으로 산정하고 있으며 전국 600만동에 이르는 건물에 대해서는 온실가스 배출량을 비교할 기반자료가 부족하다. 이를 위해 건물의 에너지사용량 정보를 가장 많이 수록하고 있는 에너지총조사보고서를 토대로 건물의 각 부문별 온실가스 배출량을 산정하였다. 연구 결과 대부분의 건물은 전력과 도시가스에 의한 온실가스 배출량이 많은 것으로 분석이 되었지만 연탄류 및 기타 석유류에 의한 온실가스 배출량도 소량 존재하였고 건물별 특성도 매우 다르게 나타났다. 건물의 온실가스를 관리하고 감축하기 위해서는 어느 배출원에서 어떤 용도로 사용된 어떤 에너지원에 의해 얼마나 온실가스가 배출되는지를 명확히 파악하여야 할 것이다. 또한 시계열적 분석을 통하여 연도별 배출 추세 및 변화를 분석할 필요가 있다. 건물의 온실가스 배출량에 대한 지속적인 연구로 건물 부문 온실가스 배출량 감축 전략 및 정책수립에 기여하여야 할 것이다.

분산에너지자원에 대한 효율적 배전계통 운영과 시장활성화 방향

이유수(Yoo-Soo Lee) 한국에너지기후변화학회 2021 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2021 No.11

2050년 탄소중립과 2030년 국가온실가스감축목표(NDC) 상향조정의 목표달성을 위해서는 태양광 및 풍력 발전 등 변동성 재생에너지의 획기적 증대가 요구된다. 이에 따라 재생에너지의 비중이 높아지는 전력운용시스템으로의 변화가 불가피하다. 이러한 환경변화와 함께 분산에너지자원도 기술발전으로 시장의 경제성이 개선되고, 대규모 발전설비의 중앙집중적 공급설비의 건설도 어려워짐에 따라 지역을 중심으로 확산가능성이 커지고 있다. 이미 유럽에서는 전력계통의 변동성에 대비해 분산에너지자원이 지역 유연성 자원거래 시장을 통하여 활발하게 거래되고 있다. 배전계통운영자가 지역 유연성 자원시장의 운영자로서 역할을 하면서 거래플랫폼을 제공하기도 한다. 반면, 우리나라는 분산에너지자원 증가에 대해 전통적인 배전망 확대투자 방식으로 비용증가를 유발하고, 독점적 시장구조와 가격규제체제로 인해 분산에너지자원을 활성화하는 데에는 한계가 있다. 따라서 우리나라에서 분산에너지자원을 활성화하기 위해서는 배전계통운영자에게 망의 제어 및 관리 등의 권한 및 기능을 부여하고, 시장거래 방식의 자원조달을 통해 비용효과적인 운영이 가능하도록 할 필요가 있다. 또한 독점적 전력 소매시장의 개방과 가격체계 개선을 통해 분산에너자원 소유자와 소비자의 선택폭을 확대하는 등 경쟁시장을 통한 자원조달 방식을 채택할 필요가 있다.

마이크로웨이브 가열 탄소물질 CO₂ 가스화 및 에너지 저장

김하진(Ha Jin Kim),전영남(Young Nam Chun) 한국에너지기후변화학회 2021 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2021 No.11

최근 들어 공기오염과 기후변화 문제로 인해 재생에너지의 사용이 증가되고 있다. 이러한 에너지는 소위 청정에너지 또는 저탄소에너지로서의 가치가 있으나 에너지 강도와 지속성 문제를 가지고 있다. 특히 재생에너지의 경우 에너지 생산이 연속적이지 못하다는 단점이 있는데 주요 재생에너지의 하나인 태양과 풍력에너지로 에너지를 생산할 경우 낮과 밤 그리고 지형적 요인으로 인해 에너지 생산이 단속적이고 요구되는 시간대와 항상 일치하지 못하는 중대한 지속적 공급 문제를 가지고 있다. 이러한 한계로 인해 현재 재생에너지는 화석에너지의 보조에너지원으로 사용되고 있다. 이러한 문제의 해결책으로 본 연구에서는 온실가스인 이산화탄소를 화학에너지로 저장하는 기술을 개발하고자 탄소 수용체 적용 마이크로웨이브 전환기술에 대한 연구를 수행하였다. 탄소물질의 가스화는 화학에너지 저장문제를 해결하는 매력적인 대체방법이다. 탄화물 가스화에 의한 고정탄소 에너지를 활용하고 이전 가스화에 의해 생성된 생성가스를 연소하여 소모된 에너지를 회복하는 것이다. 재생에너지의 경우 전기와 열이 생산되는데 이는 가스화과정에 사용되어질 수 있다. 특히, 재생에너지의 대부분이 전기에너지로 생산되는데 마이크로웨이브 개질전환 장치를 적용할 경우 마이크로웨이브 파워 전원용으로 바로 사용할 수 있다. 일반적으로 탄소물질은 마이크로웨이브 흡수제로 탁월한 효과가 있다고 알려져 있으며, 마이크로웨이브 가열 가스화에 사용되어질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 탄소 수용체 마이크로웨이브 가열 CO₂가스화 특성을 규명하고 이를 근거로한 화학 에너지 저장 가능성을 확인하고자 하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다. 탄소 수용체를 바이오 탄화물로 사용하고 마이크로웨이브 가열 전환기술을 적용하였을 때 이산화탄소 최대 전환율이 96%이었으며 4시간까지 지속적으로 거의 일정하게 안정된 운전이 되었다. 그리고 CO₂가스화 온도를 증가시키고 처리가스 유량과 온도가 감소되고 탄소 수용체를 활성탄 보다 차콜로 하였을 경우 CO₂전환율과 발열량이 증가되었다.

PID 제어가 적용된 목재 펠릿의 가스화를 통한 합성가스 조성 및 발열량 변화

박부개(Bugae Park),고재궁(Jae Gung Go),박제갑(Jye Gap Park),박상철(Sang Cheol Park),김상도(Sangdo Kim),윤상준(Sang Jun Yoon),문태영(Tae-Young Mun),임혁(Hyuk Im),이시훈(Sihyun Lee) 한국에너지기후변화학회 2021 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2021 No.5

최근 기후변화에 따른 탄소 저감 및 폐자원 에너지화(Waste to Energy)가 화두가 되고 있으며, 기존 화석연료를 대처하기 위한 기술개발 연구들이 진행 중에 있다. Waste to Energy기술로서 음식 폐기물, 폐플라스틱, 바이오매스 등을 가스화하여 생성된 가스를 열원 혹은 발전용으로 사용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 가스화는 완전 연소 대비 희박한 산소를 주입하여 불완전한 연소를 일으켜 수소와 일산화탄소가 풍부한 가스를 얻는 기술로써, 가스화기 내에 주입된 산소의 양에 따라 생성되는 가스의 조성이 변하게 된다. 가스화 시 발생하는 타르는 필터에 증착되거나 반응기 내부 온도의 변화에 따라 공기의 흐름을 방해하고 이에 따라 외부에서 주입되는 공기량을 변화시킨다. 이런 공기량의 변화는 가스 조성을 변화시키며 결국 발열량에도 큰 영향을 미친다. 이러한 발열량의 변화는 가스엔진을 이용하는 발전의 경우 발전기에 가해지는 부하가 전력사용량의 변화에 따른 부하와 가스 발열량의 변화에 따른 부하로 두 종류의 부하가 존재하게 되며 이로 인해 발전기 출력인 전압 및 주파수가 정상상태에 이르는 시간을 지연시켜 계통(Grid)에서 탈락시키거나, 전력품질을 저하시켜 전자제품의 수명을 단축시키게 된다. 따라서, 본 논문은 외부에 주입되는 공기의 양을 PID제어(Proportional-Integral-Differential controller)로 일정한 양을 주입함으로써 목재 펠릿의 고정층 가스화 운전 중 발생하는 Producer Gas의 조성 및 발열량의 변화를 살펴보았다.

기후변화와 미세먼지에 대응하는 산림의 역할

김정인(Jeongin Kim),유경태(Kyoungtae Ryou) 한국에너지기후변화학회 2021 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2021 No.5

오래 시간동안 지구의 온도는 조금씩 평균값에서 변화를 보이지만, 평균값을 벗어나지 않는 자연적인 기후의 움직임을 ‘기후변동성’이라고 부르며, 기후변화는 이러한 자연적인 기후변동성에서 범위를 벗어나 더 이상 평균상태로 돌아오지 않는 기후체계를 의미하며, 최근에는 지구온난화라는 말로 기후변화를 가리키고 있다. 이러한 지구 온난화를 부치추는 것으로 온실가스 농도가 급격히 짙어 지면서 지구 평균기온이 비정성적으로 높아지는 온실가스 효과를 들 수 있다. 온실효과를 높이는 주요 요인은 인구의 증가와 산업화에 따른 온실가스 양이 과거에 비해 늘어난 것으로 이산화탄소, 메탄, 수소불화탄소, 과불화탄소, 이산화질소등이 있으며, 자연적인 요인으로는 화산분화 등으로 성층권 에어로졸 증가, 태양활동 변화, 태양과 지구의 상대위치 변화 및 대기, 해양, 육지, 설빙, 생물권등 각 요소들이 각기 상호작용하여 변화한다. 인위적 요인으로는 석탄, 석유, 가스 등 화석연료의 사용으로 인한 온실가스 배출이 가장 큰 원인이며, 쓰레기 분해로 인한 메탄가스 발생, 무분별한 산림 벌목으로 온실가스 흡수가 줄어드는 산림 벌목 등 인간 활동 생활의 결과로 인한 부분도 차지하고 있다. 미세먼지는 주로 공장이나 자동차 등 연료를 태우는 과정에서 배출되거나, 여러 오염물질이 공기중에서 나타나 대기오염물질(아황산가스/질소산화물/납/오존/일산화탄소 등)등을 유출하여 건강뿐 아니라, 기상요인 악화, 경제적 피해를 발생시키게 된다. 본 연구에서는 이러한 온실가스 배출을 통한 기후위기에서 탄소중립의 배경과 세계탄소중립 국가의 현황 및 대응을 통해 산림 분야의 탄소중립 방안을 제시하고, 더불어 우리국민의 건강을 위협하는 미세먼지의 영향을 살펴봄으로써 산림의 역할과 나아갈 방향을 고찰해 보고자 하였다.

건식스크러버 설계최적화를 위한 스크러버 내 열-유동 특성 연구

정희숙(Hee-Suk Jung),노정훈(Jung-Hun Noh) 한국에너지기후변화학회 2023 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2023 No.5