친환경 기계공학

서울대학교 기계항공공학부

차 석 원

안 성 훈

• 지구를 살리는 신재생에너지

• 지속가능한 제조기술

이번 시간에는!

지구를 살리는 신재생에너지

: 우리에게 에너지는?

서울대학교 기계항공공학부

차 석 원

[ 학 습 목 차 ]

• 에너지 현황

• 기존 에너지원의 장점

• 기존 에너지원의 문제점

• 에너지의 중요성

자료준비: 서울대학교 차석원 교수님 연구실

1. 에너지 현황

• 전세계 에너지원별 소비율

#1

1. 에너지 현황

• 화석연료

#2

천연가스

#3

석유 석탄

#4

1. 에너지 현황

#5

• 원자력 에너지

화력, 원자력 발전이 국내 총 발전량의 약 97% 차지

2. 기존 에너지원의 장점

• 화력 발전 단기간에 저렴하게 발전소 건설 가능

전력 수요에 따라 탄력적으로 발전 용량 대응 가능

대도시와 가깝게 발전소 배치 가능

• 원자력 발전 환경오염물질 배출 없음

매우 저렴한 발전비용

큰 규모의 전력을 안정적으로 발전 #6

3. 기존 에너지원의 문제점

• 화력 발전 화석연료 가격이 발전단가에 영향

환경오염물질 배출

• 원자력 발전 방사능 폐기물 처리 문제

발전소에 사고 발생 시 심각한 재앙

원자로 냉각수 배출 시 고온으로 인한 바다 생태계 파괴 문제

#7

4. 에너지의 중요성

• 국가 안보와 직결

• 환경문제와 연관

• 기술, 경제적 측면 + 사회, 정치적 측면

• R&D를 통한 기술수준 극복 필요

#8

자료 출처

#1 전세계 에너지 소비율 그래프, https://en.wikipedia.org/

#2 LNG선, https://en.wikipedia.org/

#3 석유 시추시설, https://pixabay.com/

#4 석탄 채굴, https://en.wikipedia.org/

#5 원자력발전소, https://en.wikipedia.org/

#6 화력발전소, https://en.wikipedia.org/

#7 체르노빌 원전사고, https://commons.wikimedia.org/

#8 전구, https://pixabay.com/

지구를 살리는 신재생에너지

: 신재생에너지의 종류와 소개

서울대학교 기계항공공학부

차 석 원

[ 학 습 목 차 ]

• 신재생에너지 종류

• 풍력 발전

• 소수력 발전

• 바이오 에너지

• 지열 에너지

1. 신재생에너지 종류

풍력

#1

소수력

#2

바이오

#3

지열

#4

친환경적, 연료비가 들지 않거나 저렴

2. 풍력 발전

• 원리 바람의 힘으로 블레이드를 돌리면

연결된 제너레이터가 작동하며 발전

• 장점 연료비가 들지 않음

현존하는 목장이나 농장에 설치 가능

• 단점 날씨의 영향을 많이 받음

초기 투자비용(건설비)이 많이 듦

발전량이 많지 않음 #5

3. 소수력 발전

• 분류 Small hydroelectric power: 1~수십 MW

Mini hydroelectric power: 100~1000 kW

Micro hydroelectric power: 5~100 kW

Pico hydroelectric power: ~5kW

• 장점 댐이 없어 환경에 끼치는 영향 최소화

물이 흐르는 곳이면 어디든 설치 가능

송전이 힘든 낙오지역에서 발전 용이

• 단점 강∙하천 설치시 어족 통로 차단

#6

4. 바이오 에너지

• 바이오매스 발전 폐 목재, 낙엽, 작물 수확 후

남은 부산물 등을 태워 발전

• 바이오가스 발전 소 배설물이나 매립된 쓰레기에서

나오는 메탄 가스 등을 태워 발전

• 장점 환경오염 여지가 있는 배설물,

부산물 등을 이용해 발전하여 효율적

• 단점 이산화탄소 배출

독성가스 배출 및 가스 폭발 위험 #7

5. 지열 발전

• 원리 화산지대의 뜨거운 지열을 이용해

물을 가열하여 터빈을 돌려 발전. 터빈을 통과한 물은 응축하여 다시 지하에 주입

• 장점 연료비가 들지 않고 부산물이 없음

날씨 영향을 안받음

• 단점 발전소 건설 비용

발전 가능한 지역(화산지대)이 제한적

깊은 지하로부터 유독가스, 온실가스 또는 독성물질 등 분출 가능성 #8

자료 출처

#1 풍력발전소, https://commons.wikimedia.org/

#2 소수력발전소, https://en.wikipedia.org/

#3 바이오에너지발전소, https://it.wikipedia.org/

#4 지열발전소, https://commons.wikimedia.org/

#5 풍력발전기 분해도, https://en.wikipedia.org/

#6 소수력발전 시스템, https://en.wikipedia.org/

#7 바이오발전 시스템, https://commons.wikimedia.org/

#8 지열발전 시스템, https://en.wikipedia.org/

지구를 살리는 신재생에너지

: 태양에너지를 이용한 신재생에너지

서울대학교 기계항공공학부

차 석 원

[ 학 습 목 차 ]

• 태양광? 태양열?

• 태양광/태양열 발전 현황

• 태양광 발전

• 태양열 발전

1. 태양광? 태양열?

#1

태양광 발전 Solar Photovoltaic Power Plant

태양열 발전 Solar Thermal Power Plant

#2

2. 태양광/태양열 발전 현황

• 발전 비율

태양광/태양열 합쳐 전세계 발전량의 1.05% 차지 (2015년 기준)

International Energy Agency에서 2050년에는 태양광과 태양열 발전이 세계 전기 소비에서 각각 16%와 11%로 예상

• 태양광 발전은 수십 년 전부터 꾸준히 사용

• 태양열 발전은 10년 새 급성장

#3

3. 태양광 발전

• 원리

광전효과(Photovoltaic effect)를 이용해 태양광으로부터 전기 생산

태양전지, 축전지 및 전력변환장치 등으로 구성

• 특징

발전기가 따로 필요 없음

소형 발전모듈부터 대형 발전소까지 다양한 규모 가능

날씨 영향을 크게 받음

#4

#5

3. 태양광 발전

• 보급의 걸림돌이었던 태양광 전지의 가격이 많이 저렴해져 보급 확산

• 태양광 전지 효율도 과거에 비해 많이 개선됨

#6 #7

4. 태양열 발전

• 원리 태양열을 한 곳에 집중하여 물을 가열해

수증기로 터빈을 돌려 발전

태양열을 이용한다는 것 외에는 화력발전과 같은 발전 원리

#9

#8

• 특징

태양광 발전에 비해 비싼 건설비

열을 다른 형태로 저장하여 24시간 발전 가능

태양광 조사량이 많은 사막지역에 설치 & 대규모(50MW 이상)로 지어야 경제적 사막 생태계 파괴 우려

자료 출처

#1 태양광 발전소, https://pixabay.com/

#2 태양열 발전소, https://en.wikipedia.org/

#3 전세계 태양에너지 발전량 그래프, https://en.wikipedia.org/

#4 태양광 전지, https://en.wikipedia.org/

#5 태양광 발전 시스템, https://commons.wikimedia.org/

#6 태양광 전지 연도별 가격 그래프, https://en.wikipedia.org/

#7 제조사별 태양광 전지 효율 그래프, https://commons.wikimedia.org/

#8 태양열 발전 타워, https://en.wikipedia.org/

#9 태양열 발전 종류, https://commons.wikimedia.org/

지구를 살리는 신재생에너지

: 수소와 연료전지

서울대학교 기계항공공학부

차 석 원

[ 학 습 목 차 ]

• 수소경제

• 수소경제 전환 전망

• 수소 생산/저장 기술

• 연료전지란?

• 연료전지 종류 및 특징

1. 수소 경제

• 신재생에너지 발전을 통해 얻은 전기로 수소 생산

• 연료전지 발전소 혹은 수소 충전소에 공급

#1

1. 수소 경제

장 기

물리적 수소저장 (합금, LH2, CNT, 고압가스)

과도기 (현재)

천연가스

석 탄

석유/잔사유

풍 력

태양광

광분해

생물학적 분해

신 · 재 생 에 너 지

가 스 화

열 분 해

수 증 기 개 질

전기 분해

물

수 소 화학적 수소저장

(CO2 활용)

연료전지

발전소 제철소

발전용 가정용 수송용 휴대용

CO2

화 석 연 료

원 자 력

유기성 폐기물

열분해 고온 전기분해

2. 수소 경제 전환 전망

• 미국 에너지부(DOE)의 수소 경제 타임라인 Transitional

Phases

I. Technology Development Phase

II. Initial Market Penetration Phase

III. Infrastructure Investment Phase

IV. Fully Developed Market and Infrastructure Phase

Strong Government

R&D Role

Strong Industry

Commercialization Role

200

0

20

20

201

0

20

30

204

0

PhaseI

PhaseII

PhaseIII

PhaseIV

RD&D I

Transition to the Marketplace

Commercialization Decision

II

Expansion of Markets and Infrastructure III

Realization of the Hydrogen Economy IV

#2

2. 수소 경제 전환 전망

• 국내 수소경제 장기 로드맵

2040

기술개발단계

2010 2020 2030

도입단계

상용화단계

저가화, 고효율화, 내구성 향상을 위한 지속적인 Up-Grade

수소 이용 (연료전지)

2020년 도입목표 연료전지 차량 195만대 발전용 연료전지 2GW 가정용 연료전지 75만대

2040년 도입목표

연료전지 차량 1,250만대 발전용 연료전지 17GW 가정용 연료전지 350만대

수 소 제 조

석탄, 원자력…..신재생에너지 천연가스, 여유전력, 부생가스

2020년 도입목표 총 수소량중 신재생에너지비중 22%

2040년 도입목표 총 수소량중 신재생에너지비중 60%

3. 수소 생산/저장 기술

• 전세계 수소 제조원 비율

• 수소 생산 기술 ① - 천연가스 수증기 개질법

천연가스와 수증기를 고온(700~1000℃)가열하면 니켈 촉매에 의해 발생하는 발열 반응에 의해 분해

𝑪𝑯𝟒 + 𝑯𝟐𝑶 → 𝑪𝑶 + 𝟑𝑯𝟐

일산화탄소는 약 360의 더 낮은 온도에서 수성가스전화반응(water gas shift reaction)을 통해 추가적으로 수소 생성

𝑪𝑶 + 𝑯𝟐𝑶 → 𝑪𝑶𝟐 + 𝑯𝟐

원료 천연가스 석유 석탄 전기분해

비율 48% 30% 18% 4%

3. 수소 생산/저장 기술

• 수소 생산 기술 ② - 나프타 열분해법

국내에서 가장 많이 쓰이는 수소 생산 기술

제조원리는 천연가스 수증기 개질과 비슷

• 수소 생산 기술 ③ - 물 전기분해법

국내에서 가장 많이 쓰이는 공정

물을 수소와 산소로 전기분해하여 생산

비싼 공정과정이기 때문에 재생에너지 발전을 통한 전기로 생산

종류: Solid Oxide Electrolysis Cells (SOECs)

Polymer Electrolyte Membrane Cells (PEM)

Alkaline Electrolysis Cells (AECs)

3. 수소 생산/저장 기술

• 수소 저장 기술 ① - 액체 저장 극저온(-252℃) 요구

기화방지 위해 철저한 단열 필요

부피 적게 차지

• 수소 저장 기술 ② - 기체 저장 가장 보편적인 저장 방법

고압(350~700 bar) 요구

액체 저장보다 부피가 큼

• 수소 저장 기술 ③ - 수소저장합금 가장 안전한 저장 방법

저장효율이 높지 않아 큰 부피 차지

#3

#4

4. 연료전지란?

• 원리

수소와 산소를 합성하여 발생하는 전기와 물로 발전

• 특징

배출물질이 물 밖에 없음

출력밀도(부피 또는 무게당 출력)가 높음

기계적으로 구동하는 부품이 없어 소음/진동 없음

화학연료 → 전기에너지로 바로 변환해 효율이 높음 (cf. 내연기관: 화학연료 → 열에너지 → 기계에너지 → 전기에너지)

#5

5. 연료전지 종류 및 특징

• 양이온 교환막 연료전지 (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFCs)

연료전지 자동차에서 쓰는 방식으로 가장 보편적으로 쓰임

작동온도가 낮음 (약 80℃)

낮은 작동온도로 인해 고성능 촉매(백금, Pt) 필요

백금 가격으로 인해 제조단가가 비쌈

반응식

Anode: 𝑯𝟐 → 𝟐𝑯+ + 𝟐𝒆−

Cathode: 𝟏

𝟐𝑶𝟐 + 𝟐𝑯+ + 𝟐𝒆− → 𝑯𝟐𝑶

Overall: 𝑯𝟐 +𝟏

𝟐𝑶𝟐 → 𝑯𝟐

#6

5. 연료전지 종류 및 특징

• 고체산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs)

작동온도가 매우 높음(600~1000℃)

PEMFC와 다르게 전해질에서 산소이온 전도

높은 작동온도로 백금 아닌 다른 촉매 사용 가능

반응식

Anode: 𝑯𝟐 + 𝑶𝟐− → 𝑯𝟐𝑶 + 𝟐𝒆−

Cathode: 𝟏

𝟐𝑶𝟐 + 𝟐𝒆− → 𝑶𝟐−

Overall: 𝑯𝟐 +𝟏

𝟐𝑶𝟐 → 𝑯𝟐𝑶

#7

자료 출처

#1 수소경제 모식도, http://blog.daum.net/windada11/8766747

#2 DOE 수소경제 타임라인, https://en.wikipedia.org/

#3 혼다 Clarity 액체수소 저장탱크, https://en.wikipedia.org/

#4 수소저장합금 스쿠터, https://commons.wikimedia.org/

#5 연료전지 모식도, https://en.wikipedia.org/

#6 PEMFC 모식도, https://en.wikipedia.org/

#7 SOFC 모식도, https://en.wikipedia.org/

지속가능한 제조기술 (1)

서울대학교 기계항공공학부

안 성 훈

[ 학 습 목 차 ]

• 친환경 제조기술의 필요성

• 친환경 설계

1. 친환경 제조기술의 필요성

1) 제품과 제작과정에서의 환경 파괴

• 1톤의 제품을 만들기 위해 30톤의 쓰레기가 만들어진다.

그리고 그 제품의 98%는 6개월 안에 버려진다.

-Edwin Datschefski-

#1

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

1500 1600 1700 1800 1900 2000

전세계 인구와 CO2 배출량

1. 친환경 제조기술의 필요성

1) 제품과 제작과정에서의 환경 파괴

• 환경을 보호하는 제조기술이 지속가능

(연도)

35

30

25

20

15

10

5

0

(Gt, Gigaton) (백만명)

2012년 10월 13일

1984년 10월 14일

#2,3 #4

2. 친환경 설계

1) 설계 전체 과정에서 환경을 고려

• 재료를 고려한 설계

• 생산 과정에서 환경에 미치는 영향을 고려한 설계

• 제품 수명, 사용 에너지를 고려한 설계

• 제품 분해, 재활용, 폐기를 고려한 설계

천연재료 재료가공 제품생산 수송 사용

재활용

폐기

2. 친환경 설계

2) 친환경 설계 예시

• 재활용 섬유

• 재활용/ 친환경 재료

#5 #6

#7

#8

2. 친환경 설계

2) 친환경 설계 예시

• 친환경 에너지 사용 제품

#9

#10

#11

2. 친환경 설계

2) 친환경 설계 예시

• 방수 제품

• 모듈화

#12 #13

지속가능한 제조기술 (2)

서울대학교 기계항공공학부

안 성 훈

[ 학 습 목 차 ]

• 친환경 제조

• 미래 제조기술

1. 친환경 제조

1) 제조 에너지 효율이란

• 제조 과정에서 전체 에너지와 가공 에너지 비율

전기 에너지

가공 에너지

에너지 손실: 열, 소리 에너지

에너지 효율 =가공 에너지

전기 에너지

#14

#15

1. 친환경 제조

2) 제조 과정에서 존재하는 다양한 에너지 종류

변형 가공에너지

이송부 운동에너지

컨트롤러 전기에너지

마찰 열에너지

절삭 공정 적층 공정 소리에너지

재료 녹임 열에너지

이송부 운동에너지

컨트롤러 전기에너지

마찰 열에너지

소리에너지

#16 #17

1. 친환경 제조

3) 에너지 효율 향상을 위한 기술

A. 에너지 저감 생산 기술 개발

B. 에너지 발전 기술 도입

시간 단축

버려지는 에너지 이용 발전

보조 공정 친환경 생산 기계 개발

에너지 절약

1. 친환경 제조

4) 제조 과정에서 발생하는 환경파괴

절삭유

재료

공구

수질오염

대기오염

쓰레기

칩, 잔여물

#18

1. 친환경 제조

5) 칩 재활용

#19 #20

1. 친환경 제조

6) 절삭유 사용량 조절

• 최소 절삭유 사용 또는 건식가공

절삭유를 충분히 사용 최소 절삭유 사용 건식가공

수질 오염 정도

#21 #22 #23

1. 친환경 제조

7) 유증기 트랩

• 유증기 트랩을 이용한 제조 환경 공기정화

유증기 트랩이 없는 경우 유증기 트랩이 있는 경우

유증기 트랩

#24 #25 #26

2. 미래 제조 기술

1) 스마트 팩토리

• 공장 모듈화

#27

2. 미래 제조 기술

1) 스마트 팩토리

• 공장유연화를 통한

다품종 소량생산

• 효율적인 제조

및 효율적인 재고관리

#28

자료 출처

#1 쓰레기 처리, https://commons.wikimedia.org/

#2 이산화탄소 배출 변화, http://data.worldbank.org/

#3 세계 인구 변화, https://en.wikipedia.org/

#4 북극 빙하 비교, https://commons.wikimedia.org/

#5 재활용 섬유, https://upload.wikimedia.org/

#6 친환경 자동차, http://www.autoblog.com/

#7 페트병 재활용, https://en.wikipedia.org/

#8 재활용 의자, https://commons.wikimedia.org/

#9 자가발전 라디오, https://www.flickr.com/

#10 태양광 충전기, https://commons.wikimedia.org/

#11 전기자동차, https://commons.wikimedia.org/

#12 방수 시계, https://www.flickr.com/

#13 조립형 스마트폰, http://cosmositview.tistory.com/

#14 에너지 등급, http://bpm.kemco.or.kr/

자료 출처

#15 CNC 가공기, http://www.productionmachining.com/

#16 CNC 가공기, http://www.productionmachining.com/

#17 3D 프린터, https://en.wikipedia.org/

#18 5축 CNC 가공기, https://youtu.be/

#19 칩, http://www.arp-mb.de/

#20 칩 재활용, https://www.youtube.com/

#21 절삭유 사용 가공, http://unist.com/

#22 절삭유 사용 가공, http://unist.com/

#23 건식가공, http://www.ehu.eus/manufacturing/

#24 유증기 트랩, http://www.ymtt.co.th/

#25 유증기 트랩, http://www.hyganfilter.com/

#26 유증기 트랩, http://www.hyganfilter.com/

#27 스마트 팩토리, https://youtu.be/

#28 스마트 팩토리, https://youtu.be