목차
1. 기술개요
2. 시장 및 산업 동향
3. 한계점
4. 마무리
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Passward 1234
Source : EIC
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2010년 9월 8일 수요일
2010년 8월 27일 금요일
이차전지 현황분석
목차
1. 제품 개요
2. 시장 동향
3. 기술 동향
4. 업체 점유율
5. 업계 동향
6. 가격 동향
ID dves
Passward 1234
Source : EIC
2010년 7월 22일 목요일
고온 고분자연료전지용 멤브레인 개발 동향
I. 서론
II. 멤브레인 연구 개발 동향
1. 불소계(Perfluorosulfonic acid, PFSA) 멤브레인
2. 탄화수소계(Hydrocarbon, HC) 멤브레인
3. 고온용 멤브레인
III. 결론
IV. 참고문헌
서강대학교 화공생명공학과 / 길이진, 이희우(hwrhee@sogang.ac.kr)
Source : chempolicy.or.kr
2010년 6월 21일 월요일
결정형태양전지 현황분석
목차
1. 제품 개요
2. 시장 동향
3. 기술 동향
4. 업체 점유율
5. 업계 동향
6. 가격 동향
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Passward 1234
Source : EIC
태양전지 산업동향.exe
목차
Ⅰ. 개요
Ⅱ. 시장 전망
Ⅲ. 주요국가의 태양전지산업 육성 현황
Ⅳ. 주요업계 동향
V. 맺음말
ID dves
Passward 1234
Source : EIC
2010년 6월 15일 화요일
바이오 플라스틱 정보집
바이오 플라스틱 정보집.pdf
본 정보집은 친환경 그린화학과 관련된 바이오플라스틱에 대하여 크게 바이오폴리에스터, 바이오폴리아미드, 바이오폴리우레탄 등으로 나누어 국내·외 연구동향을 집약·정리하고 특허동향을 조사·분석한 정보집입니다.
Source : chempolicy
2010년 6월 11일 금요일
석유 시장의 잠재적인 안전판
석유 시장의 잠재적인 안전판
Non-Conventional Oil
세계 석유 수요는 개도국의 빠른 경제 성장으로 지속 증가가 예상되는 반면 세계 석유 공급은 비OPEC의 생산 감소, 중동의 지정학적 긴장 지속으로 증가세가 둔화될 것으로 예상된다. 장기적으로는 원유 공급 부진이 발생할 가능성이 높아 보인다.
석유를 대체할 에너지원의 개발에는 아직 넘어야 할 난관들이 많아 석유의 형태로 사용할 수 있는 비전통 석유에 대한 관심이 높아지고 있다. 비전통 석유(非傳統 石油, Non-Conventional Oil)는 원유 채굴과 같은 전통적인 방식으로는 추출이 불가능했던 자원을 기술 발전과 채산성 개선에 힘입어 생산 가능하게 된 탄화수소를 함유한 에너지원이다. 비전통 석유는 원유 매장량과는 비교할 수 없을 정도의 막대한 매장량이 존재함에도 불구하고 개발이 부진했으나 채굴 기술의 발전과 유가 상승으로 인한 채산성의 개선으로 수질오염 등 환경문제에도 불구하고 캐나다 오일샌드를 중심으로 개발이 확대되고 있다. 채산성 측면에서는 초중질유가, 환경측면에서는 GTL이, 공급 안정성 측면에서는 오일샌드가 유망한 비전통 석유로 평가된다.
향후 국제 석유시장에 미치는 비전통 석유의 파급력은 커질 전망이다. OPEC의 석유 공급 비중 확대는 앞으로 유가의 변동성을 심화시킬 가능성이 있으나 비전통 석유는 이 같은 영향을 완화하는 역할을 할 것으로 보인다. 다만 비전통 석유는 기존 석유를 대체할 수 있는 잠재력에도 불구하고 아직 질적 측면에서 한계가 있고 생산비용, 환경문제 등 해결과제가 남아 있다.
< 목 차 >
Ⅰ. 전통 석유의 수급
Ⅱ. 비전통 석유의 잠재력
Ⅲ. 비전통 석유, 유가 변동성 줄일 듯
최근 그리스발 유럽 재정 위기의 여파로 국제유가가 하락세를 보이기도 했으나 석유 공급에 대한 중장기적인 우려는 지속되고 있다. IEA(국제에너지기구) 등 주요 에너지 기관과 Merrill Lynch 등 일부 투자은행들은 중장기적으로 석유 공급이 부족해 질 수 있다고 경고하고 있다. 더욱이 영국 에너지 연구센터는 2009년 10월에 피크오일(Peak Oil; 석유 공급 증가의 한계)이 10년 내에 도래할 것으로 전망했다.
중국, 인도 등 신흥국의 고성장이 계속되어 원유 부족 문제가 심각해질 경우에 대비하여 태양광, 풍력 등 신재생에너지 개발, 에너지 절약 등 다각적인 방안이 모색되고 있다. 비전통 석유(非傳統 石油, Non-Conventional Oil)의 개발도 이러한 방안 중의 하나이다. 비전통 석유는 전통적인 방식으로는 석유 추출이 불가능했던 자원을 기술 발전과 채산성 확보에 힘입어 생산되는 탄화수소를 말한다. 유전에서 생산되는 원유가 아닌 에너지 자원이 석유의 형태로 사용되는 것이다.
이하에서는 국제석유시장의 중장기 원유 수급 상황을 살펴보고 비전통 석유의 잠재력을 점검해 본다.
Ⅰ. 전통 석유의 수급
IEA, EIA(미국에너지정보청) 등 주요 에너지 기관들에 따르면 국제유가는 명목 가격으로 2010년에 배럴 당 85 달러(기관 평균값)에서 2015년에 103.7달러로 연평균 4.1%씩(2003년부터 5년간 WTI 기준으로 유가의 연평균 상승률은 26.3%) 완만하게 상승할 것으로 전망되고 있다.
국제유가의 상승세가 완만히 나타나는 중요한 이유 중의 하나는 원유 공급 능력의 확대를 들 수 있다. 사우디아라비아 등에서 개발되던 신규 유전들이 지난해부터 생산을 개시하면서 원유 생산 능력이 확대된 것이다. 이에 따라 세계 석유의 여유 생산 능력이 예전(2008년 7월, 세계 수요 대비 1.1%)과는 달리 크게 늘어나(2010년 4월, 세계 수요 대비 6.2%) 공급의 여력이 커져 국제유가 상승에 완충 요인으로 작용하고 있다(<그림 1> 참조).
글로벌 경제위기에 따른 석유 수요의 감소, 원유 공급 능력 확대 등에 힘입은 석유 공급 상황의 여유가 언제까지 지속될 수 있을까? 새로운 유전의 발견으로 원유 생산이 석유 수요 증가만큼 확대된다면 지금과 같은 여유로운 공급 상황이 장기적으로도 이어질 것이다. 이에 반해 세계 원유 생산이 감소한다면 석유 공급 부족 상황이 발생할 것이다.
장기 석유 수급을 수요와 공급으로 나눠서 예측해보기로 하자.
1. 석유 수요 완만한 증가세
먼저 세계 석유 수요는 개도국 중심의 세계 경제 성장, 포스트 교토 체제의 불확실성, 신재생에너지의 파급 한계 등으로 인해 지속적으로 증가할 전망이다.
앞으로 세계 경제는 중국, 인도 등 거대 개도국의 약진을 발판 삼아 중기적으로 3%대의 성장률을 기록할 것으로 예상된다. 미국, 유럽 등 선진국 경제는 소비 조정, 재정적자와 국가부채 부담 등으로 인해 서브프라임 사태 발생 이전처럼 성장을 구가하기는 어려울 것으로 보인다. 이에 반해 생산기지로 인식되던 개도국은 견실한 성장이 지속되어 연간 소득이 2만 달러를 넘는 인구가 2015년에는 8억 5천만 명으로 늘어나면서 선진국의 8억 명을 추월할 것으로 보이는 등 소비가 크게 늘어날 것으로 예상된다.
경제 성장으로 인한 소득 증가는 석유 수요 증가로 이어진다. 따라서 석유 수요 증가를 억제하기 위해서는 에너지 사용을 줄이고 비화석 에너지 사용 확대를 목표로 둔 저탄소 녹색성장이 필요하다. 더욱이 저탄소 녹색성장의 효과가 극대화되기 위해서는 개도국도 적극 참여하는 국제공조가 필요하다. 그러나 지난 해 말 코펜하겐 회의에서 선진국과 개도국 간에 의견 차이가 좁혀지지 못하고 폐막됨에 따라 저탄소 녹색성장의 국제공조 강화는 요원한 실정이다. 현재로서는 포스트 교토 체제가 각국이 제시하는 목표를 큰 수정 없이 채택하는 ‘포트 폴리오’ 접근 방식으로 구축될 가능성이 크다. 이 경우 저탄소 녹색성장이 선진국과 일부 개도국에 국한해 전개될 것으로 보여 개도국의 석유의존 성장 패턴이 크게 변화하기는 어려울 것으로 예상된다.
한편, 태양광 발전, 풍력 발전 등 신재생에너지가 2020년대까지는 석유 수요를 크게 감소시킬 정도로 발전할 가능성도 낮아 보인다. 정책 지원을 바탕으로 신재생에너지의 사용이 빠르게 늘어나고는 있지만 최근 불거지고 있는 재정 건전성 문제, 유가의 안정세 등에 따라 중기적으로는 적극적인 정책 지원을 받기가 어려울 것으로 보이기 때문이다. 스페인의 경우 태양광 발전 산업이 정부의 정책 지원으로 급성장하다가 지원이 줄고 유가가 급락하자 순식간에 위축된 경험이 있다(<그림 2> 참조). 태양광 발전이나 풍력 발전의 지속적인 생산비용 절감이 예상되지만 정책적 지원이 필요 없는 상황이 단기간에 도래하기는 어려울 것으로 보인다.
또한 신재생에너지가 그리드 패리티(Grid Parity; 기존 에너지와 대비해 채산성을 확보)에 빨리 도달한다고 해도 석유 수요에 영향을 미치기 위해서는 발전 인프라 구축, 전기차 개발·보급 확대 등이 개도국에서도 이뤄져야 하는데 이는 상당한 시간을 필요로 할 것이다. 바이오 연료의 경우도 식용작물 사용에 대한 논란과 작황상황에 따라 공급이 불안정해질 가능성이 있기 때문에 주된 석유 대체 에너지로 자리잡기에는 역부족일 것으로 보인다.
이에 따라 세계 석유 수요 증가세가 소폭 둔화되겠지만 과거 추세에서 크게 벗어나기는 힘들 전망이다. 개도국의 수요 확대에 영향을 받으면서 세계 석유 수요가 증가할 것이기 때문이다. 선진국의 석유 수요는 저성장 속에서 저탄소 녹색성장 정책의 영향으로 감소할 것으로 보인다. 그렇지만 견실한 성장이 예상되는 개도국들은 빠른 인구 증가와 도시화로 인해 석유 수요 증가세가 가속화될 것으로 보인다. IEA와 EIA는 향후 10년간 세계 석유 수요의 연평균 증가율을 각각 0.93%, 0.92%(과거 10년간 세계 석유 수요의 연평균 증가율은 1.04%)로 전망하고 있다(<그림 3> 참조).
2. 비OPEC의 생산 한계와 중동의 지정학적 문제로 석유 공급 확대 둔화
세계 석유 수요가 지속적으로 증가할 것으로 예상되는 반면 원유 생산 확대는 미진할 전망이다. 비OPEC이 피크오일에 도달하고 중동의 원유 생산 확대도 부진을 이어갈 것으로 예상되기 때문이다. 따라서 장기적으로는 원유 공급 부족이 발생할 가능성이 높아 보인다.
세계 원유 생산의 60.7%를 차지하는 비OPEC의 원유(전통 석유) 생산은 기존 대형 유전의 원유 생산 감소세 가속화, 신규 대형 유전 발견의 부진 등으로 인해 피크오일에 조만간 도달할 전망이다. 이미 북해, 멕시코만의 원유생상은 2000년대 초부터 감소세를 보이고 있다. 그리고 신규 대형 유전의 발견도 과거 1970년대 이전처럼 획기적으로 늘어날 기미가 보이지 않는다(<그림 4> 참조). 기술 발전으로 탐사 성공률은 높아졌지만 오히려 대형 유전의 발견 실적이 부진을 면치 못하고 있다.
게다가 지난해 저유가와 신용경색으로 유전 개발 투자가 위축되면서 회수율 증진(EOR; Enhanced Oil Recorvery) 사업과 유전 탐사 사업이 축소되었다. 이에 따라 기존 노후화된 대형 유전의 생산 감소율이 7%(2008년에 4~5%로 추정)로 높아졌고 신규 대형 유전의 발견 가능성도 낮아지면서 중장기적으로는 비OPEC의 원유 생산 감소가 불가피해 보인다. IEA 역시 피크에 도달한 비OPEC의 원유 생산이 조만간 감소할 것으로 내다보고 있으며, EIA는 2020년대 초반까지 비OPEC의 원유 생산이 감소할 것으로 예상하고 있다.
이와 더불어 OPEC은 풍부한 원유 매장량에도 불구하고 자원민족주의와 지정학적 리스크로 인해 생산 확대가 순조롭지 않을 전망이다. OPEC의 원유 확인 매장량은 세계 전체 대비 76%를 차지하고 있으면서도 원유 생산 비중은 39.3%에 그치고 있다. 매장량에 비해 생산량이 적은 이유로는 일부 매장량 통계의 정확성이 떨어지는 데다 이들이 유전 개발과 원유 생산을 통제하면서 유가 상승을 통해 자국의 경제적 이익을 극대화하는 자원민족주의를 추구하고 있기 때문이다.
또한 대다수 OPEC 회원국이 있는 중동 지역이 지정학적 불안에서 벗어나지 못하고 있는 점도 원유 생산 능력 확대의 걸림돌로 작용할 것이다. 특히 원유 확인 매장량에서 사우디아라비아 다음인 이란, 이라크가 내정 불안, 서방의 경제 제재 등으로 인해 노후화된 유전 및 신규 유전 개발에 어려움을 겪고 있다. 이란은 핵 문제로 인해 서방의 투자 제재가 강화될 전망이고 지난 3월에 총선을 치른 이라크는 새정부가 아직 출범하지 못한 채 폭탄 테러와 요인암살이 발생하는 등 정국이 불안한 상황이다.
따라서 비OPEC의 원유 생산 감소와 OPEC의 더딘 원유 생산 확대로 인해 세계 원유 공급은 매우 느리게 확대될 것으로 예상된다. IEA와 EIA도 2020년까지 연평균 원유 공급 증가율을 각각 0.2%, 0.4%로 과거 10년보다(1.4%) 크게 둔화될 것으로 전망하고 있다. 더욱이 캠브리지 에너지 연구소(CERA)가 2009년 11월에 신규 대형 유전의 발견이 기대에 훨씬 못 미칠 경우에는 2010년대 중반 이후 세계 원유 생산량 자체가 피크오일에 도달할 것이라는 전망을 제기한 바 있다(<그림 5> 참조).
결국 원유 공급 확대에 비해 석유 수요가 빠르게 늘어나면서 현재 세계 석유 수요의 6.2%인 원유의 여유 생산 능력이 2015년에는 3%대 초반으로 감소할 것으로 보인다(<그림 6> 참조).
Ⅱ. 비전통 석유의 잠재력
1. 원유에 비해 매장량 풍부
석유를 대체할 에너지원의 발전이 쉽지 않고 원유 공급 확대가 부진할 것으로 예상됨에 따라 매장량이 풍부한 비전통 석유에 대한 관심이 고조되고 있다.
비전통 석유로는 오일샌드(Oil Sands), 초중질유(Extra Heavy Oil), 가스액화연료(GTL; Gas to Liquids), 석탄액화연료(CTL; Coal to Liquids), 오일셰일(Oil Shales) 등이 있다.
오일샌드는 1973년 제1차 오일쇼크 이후부터 석유를 대체할 화석연료로서 주목을 받았는데 초중질유에 해당하는 비투멘(Bitumen), 모래, 점토, 그리고 미량의 미네랄로 이뤄져 있다. 1차 오일쇼크 이후 관심을 받아 온 초중질유는 타르와 같이 점성이 강한 원유로서 물보다 무거운 특징을 가지고 있으며 주로 발전용 연료로 사용되고 있다. GTL은 천연가스를 화학적, 물리적으로 가공해서 상온에서도 사용이 가능하게 만든 액체상태의 석유를 뜻하며 1920년대부터 기술발전으로 사용돼 왔다. 2차 대전 당시 석유 부족을 겪던 독일이 처음 개발해 사용한 CTL은 석탄에 촉매를 사용해 직접 원유 성분을 추출하거나 석탄의 가스화와 화학반응을 통해 만든 액체상태의 석탄을 지칭한다. 다른 비전통 석유에 비해 개발 기술이 아직 초기단계에 있는 오일셰일은 원유 성분 물질인 케로겐(Kerogen)을 함유한 퇴적암을 뜻하며 2020년 이후에나 상용화될 것으로 예상되고 있다.
이러한 비전통 석유가 관심을 받는 가장 큰 이유는 석유로 사용이 가능하면서도 매장량이 풍부하기 때문이다. IEA에 따르면 생산된 것을 제외한 원유의 궁극 가채매장량(기존 발견 매장량에 발견 가능성이 있는 미발견 매장량을 합한 매장량)은 약 2.4조 배럴이다. 반면 오일샌드, 초중질유, 오일셰일 등의 매장량은 약 8.5조~9조 배럴로 예상하고 있다. 또한 석유보다 가채연수가 긴 석탄이나 가스를 석유화 하는 GTL, CTL을 석유 매장량으로 환산하면 이들의 매장량은 2.5조 배럴로 추정된다. 비전통 석유의 매장량 전체가 원유 매장량에 약 4.8배 많다(<그림 7> 참조). 다만, <그림 7>과 같이 비전통 석유의 경우는 기존 전통 석유에 비해 생산비용이 높기 때문에 유가 수준에 따라 매장량이 의미를 갖게 되는 특징이 있다.
2. 유가 상승으로 비전통 석유의 채산성 상승
풍부한 부존량을 가진 비전통 석유는 최근 들어 유가 상승으로 인해 채산성을 확보할 것으로 보인다. 초중질유와 오일샌드를 1배럴 생산하기 위해서는 40~80 달러(IEA 추정치) 정도의 비용이 든다(<그림 7> 참조). 또한 GTL과 CTL도 석탄과 가스의 가격에 영향을 받지만 1배럴 당 40~120 달러(IEA 추정치) 정도의 생산비용이 든다. 오일셰일은 배럴당 60~120 달러 정도의 생산 비용이 든다. 현재의 유가 수준을 고려해 보면 비전통 석유가 채산성을 부분적으로는 확보한 것으로 보인다. 앞으로도 석유 수요 증가에 따라 유가가 지속 상승할 것으로 보이기 때문에 비전통 석유의 채산성은 확보될 전망이다. 캐나다의 오일샌드 경우 채산성이 개선됨에 따라 세계 생산량이 2000년의 1일 60만 배럴 생산에서 2008년에는 130만 배럴로 두 배 증가하였다(<그림 8> 참조).
더 나아가 비전통 석유는 장기적으로 볼 때 가혹한 자연환경에서 생산되는 일부 원유에 대해서도 경쟁력을 가질 수 있다. 사우디아라비아가 유전 탐사를 육상에서 해상으로 옮긴 것처럼 향후 유전 개발이 미탐사 지역인 심해나 극지를 중심으로 이뤄질 것으로 예상되기 때문이다. IEA는 심해유전이나 극지유전의 생산비용을 배럴 당 각각 65달러, 40~100 달러로 추정하고 있다. 이 수치를 비전통 석유와 비교해 보면 초중질유와 오일샌드는 가격 경쟁력을 확보한 것으로 판단된다. 또한 GTL도 셰일가스(Shale Gas)의 생산 확대로 천연가스의 가격이 하향 안정화될 가능성이 있기 때문에 가격 경쟁력이 개선될 여지가 있다.
3. 탄소배출, 토양오염 등의 환경문제, 비전통 석유의 아킬레스건
채산성을 확보한 비전통 석유가 원유에 대해 가격 경쟁력도 갖출 것으로 보이지만 여전히 극복해야 할 과제가 남아있다. 비전통 석유는 원유에 비해 탄소 배출이 많고 토양을 오염시키는 등 환경문제를 안고 있다.
비전통 석유는 추출, 운송, 변환 등에서 에너지 소모가 많기 때문에 원유보다 탄소 배출량이 더 많다. 비전통 석유 중에서는 오일셰일, CTL, 오일샌드, 초중질유, GTL 등의 순서로 탄소 배출량이 많다(<그림 9> 참조). 오일샌드의 경우 원유 추출을 위해서 고온·고압의 증기가 주입되는데 이때 천연가스를 통한 에너지 투입과 탄소 배출이 크게 나타난다(<그림 10> 참조). 초중질유 역시 오일샌드보다 점성이 낮아 증기를 사용하지 않는 등 생산 조건이 좋지만 운송과정에서 점성을 낮추기 위해 가열을 해야 하기 때문에 원유보다 더 많은 탄소를 배출한다. 또한 연료 자체로서는 탄소 배출량이 적어 청정연료로 각광받고 있는 GTL과 CTL도 생산 과정에 에너지가 많이 투입됨에 따라 탄소를 원유보다 많이 배출한다.
탄소 배출 문제 외에도 오일샌드, 초중질유, 오일셰일은 토양오염, 대기오염 등의 문제도 가지고 있다. 오일샌드에서 원유 1 배럴을 추출하기 위해서는 물 1.8~4.5 배럴이 필요하다. 오일샌드 덩어리를 조각 내고 원유 성분인 비투멘의 점도를 낮추기 위해서 증기가 주입되어야 한다. 막대한 물이 투입되는 것도 문제이지만 더 큰 문제는 오일샌드의 원유 성분이 증기로 사용된 물에 섞이면서 토양을 오염시킨다는 데 있다. 오일셰일 역시 암석을 녹이는 발열기를 식히기 위해 많은 물이 사용되고 폐기물을 처리하는 과정에서 지하수가 오염되는 등 환경문제를 낳고 있다. 또한 원유보다 황이 많이 포함돼 있고 석탄이나 원유에 비해 바나듐 함유량이 10배 이상 높은 초중질유는 석유 생산 과정에서 탈황설비와 중금속 처리설비 등을 필요로 하고 있다.
4. 비전통 석유 부국들의 개발 활성화
비록 비전통 석유가 환경오염을 발생시키는 단점을 가지고는 있지만, 보유량이 많은 국가들은 경제적 이익을 위해 개발을 확대해 나갈 전망이다. 다만 초중질유는 베네수엘라가 자원민족주의를 추진하고 있어 다른 비전통 석유에 비해 개발이 더딜 것으로 예상된다.
비전통 석유 중에서 오일샌드, 초중질유, 오일셰일은 캐나다, 베네수엘라, 미국에 집중적으로 매장돼 있는데 세계 매장량 대비 점유율이 각각 71.6%, 97.9%, 73.8%이다(<표 1> 참조).
비전통 석유 중 개발이 가장 활발히 나타나고 있는 나라는 오일샌드 부국(확인매장량 기준으로 15억 배럴)인 캐나다이다. 오일샌드의 매장량까지 합칠 경우 캐나다는 사우디아라비아 다음의 석유부국이다. 이러한 캐나다는 오일샌드 개발을 개방하고 있어 국내외 기업의 참여가 활발하다. 오일샌드는 캐나다의 전체 원유 생산 중 36%를 차지하고 있으며 알버타 주정부의 최대 수입원이다. 이에 따라 전문가들은 지역주민들이 오일샌드의 환경오염 문제를 제기하고는 있지만 캐나다 정부나 지방 정부가 환경보호를 위해 경제적 이익을 포기하기는 어려울 것으로 보고 있다. 오히려 지난 해 상반기에 유가가 폭락하면서 오일샌드 투자가 위축되자 지방정부가 투자 활성화를 위해 인센티브 프로그램의 도입을 계획한 바 있다.
이와는 반대로 초중질유의 개발 환경은 열악해 오일샌드와는 대조적이다. 베네수엘라 정부가 자원민족주의를 추구하고 있기 때문이다. 1970년대처럼 유전 자산 몰수나 강제 국유화 등이 나타나지는 않지만 자원민족주의는 석유산업에 대한 각종 세율 인상, 재계약 거절 및 계약 조건 강화 등을 수반한다. 이에 따라 베네수엘라의 초중질유 개발은 기술력이 상대적으로 뛰어난 석유메이저 보다는 Gazprom, Petrobras, CNPC 등 외국계 국영 석유기업들이 직접 협상을 통해 많이 참여하고 있다(<박스기사> 참조). 지난 해 4월에는 오리노코 지역의 초중질유 개발에 외국 석유기업의 투자를 유치하려고 했으나 참여 저조로 입찰이 연기된 적이 있다.
오일셰일의 경우 최대 매장국인 미국이 수자원 등 환경문제를 놓고 개발 활성화에 대해 논의 중이다. 다만, 미국, 러시아에 이어 오일셰일 3대 매장국인 요르단은 발전용 연료로 사용하기 위해 Shell 등 메이저 기업, 오일셰일 개발 경험이 풍부한 에스토니아 기업(Eesti Energia) 등과 협력해 오일셰일을 개발하고 있다.
한편, GTL, CTL은 천연가스와 석탄이 풍부한 국가들을 중심으로 개발이 이뤄지고 있다. GTL의 경우 남아프리카 공화국, 말레이시아, 카타르 등 3개국에서 생산되고 있으며, CTL은 남아프리카 공화국, 미국, 중국 등에서 상용화가 진행되고 있다. LNG 최대 생산국인 카타르는 천연가스 가격이 저렴하고 정세가 안정돼 있어 Shell 등 메이저 석유기업이 GTL 개발 사업을 진행하고 있다. 그러나 카타르 정부가 자국에서 생산되는 천연가스를 LNG 수출이나 국내 내수용으로 활용할 계획을 가지고 있어 추가적인 GTL 사업은 2011년까지 보류된 상태다. GTL, CTL 개발이 다른 비전통 석유 개발과 다른 점은 천연가스, 석탄 등 원료를 수입해서 생산할 수 있다는 점이다. 2006년부터 일본은 경제산업성, 신일본석유 등 기업연합을 구성해 GTL의 상용화 사업을 추진하고 있다.
Ⅲ. 비전통 석유, 유가 변동성 줄일 듯
채산성 확보로 개발이 진행 중인 비전통 석유는 장기적으로 원유 공급 확대 부진에 의해 가치가 높아질 것으로 보인다. 채산성 측면에서는 초중질유가, 환경측면에서는 GTL이, 공급 안정성 측면에서는 오일샌드가 유망한 비전통 석유로 평가된다. CTL은 탄소포집저장(CCS; Carbon Capture and Storage) 기술이 상용화된다면 급속히 부각될 잠재력을 가지고 있다.
그러나 비전통 석유가 유발하는 환경오염 문제는 당분간 지속될 것으로 예상된다. 따라서 비전통 석유의 개발·생산 비용에 환경 비용이 추가적으로 발생할 위험을 충분히 고려할 필요가 있다.
특히 수자원 관리 비용은 생산이 확대될수록 커질 것이기 때문에 대응기술 마련이 절실해질 것으로 보인다. 이를 해결하기 위해 기술 개발 투자가 이뤄지고는 있지만 기술 발전 시기를 예측하기는 어려운 실정이다(<박스기사> 참조). 다만 최근 발생한 멕시코만 원유 유출 사태로 인해 비전통 석유의 환경오염 문제가 원유 생산에 비해 그다지 특별한 것은 아니라는 주장이 제기되고 있어 주목된다. 오히려 오일샌드나 초중질유는 육상에서 통제가 가능하기 때문에 심해유전 개발보다 안전할 수도 있다는 것이다.
그리고 비전통 석유는 생산 과정에서 많은 에너지가 투입되기 때문에 석유 수급 개선 효과에는 한계가 있다는 점을 고려해야 할 것이다. 캐나다 오일샌드의 경우 투입 에너지에 대한 산출 에너지의 비중(EPR; Energy Profit Ratio)이 1.5로 60 정도인 중동 석유에 비해 너무나 빈약하기 때문이다. 또한 기술발전으로 생산비용이 줄어들기 위해서는 이를 적용할 수 있는 인력, 장비의 공급도 충분히 이뤄져야 한다는 것도 염두에 둬야 할 것이다. 개발 프로젝트의 생산비용이 계속 상승하고 있고 과거 모든 자원 광구의 개발비용이 기술발전에도 불구하고 탐사 등 개발 서비스의 공급이 부족해 비용이 상승세를 보여왔기 때문이다.
그럼에도 불구하고 비전통 석유의 가치 상승은 생산 확대로 이어지면서 세계 석유 공급 확대에 대한 기여도를 높일 전망이다. EIA는 2035년까지 비전통 석유의 생산이 현재의 사우디아라비아(2010년 4월에 797만 bbl/d)의 약 90%만큼 늘어날 것으로 예상하고 있다(<그림 11> 참조). 또한 과거 15년간 비전통 석유의 세계 석유 생산 증가 기여율이 7.7%였지만 향후 15년 동안에는 약 21%로 크게 늘어날 것으로 내다보고 있다.
이에 따라 국제 석유시장에 미치는 비전통 석유의 파급력도 커질 것으로 예상된다. 베네수엘라의 초중질유가 OPEC의 생산쿼터 제한을 받지 않는 등 비전통 석유의 공급은 유가 안정에 기여할 수도 있을 것이다. OPEC의 공급 비중 확대로 앞으로 유가의 변동성이 심화될 가능성이 있으나 비전통 석유는 이를 억제하는 효과를 가지는 것이다. 더욱이 비전통 석유에서 비약적인 기술 발전이 빨라질 경우에는 유가의 하향 안정화가 기대된다.
결국, 비전통 석유는 양적 측면에서 기존 석유를 대체할 수 있는 잠재력이 충분하지만 질적 측면에서 한계가 있고 생산비용, 환경문제 등의 극복이 과제가 될 것이다. 따라서 석유의 공급 부족 문제를 단독으로 해결할 것이라고는 단정하기 어렵다. 다만, 비전통 석유가 석유시장에서의 영향력을 점차 높일 것으로 보이기 때문에 에너지 절약, 신재생에너지 개발 등과 함께 에너지 문제의 해결에 적지 않게 기여할 것으로 보인다.
Source : LGERI
2010년 4월 5일 월요일
2차전지-주요 애플리케이션 동향
1. 하이브리드차+전기자동차
2. 노트PC/미니노트PC
3. 휴대전화
4. 디지털카메라
2차전지,하이브리드차,전기자동차, LED.IT.NEWS, 노트PC,미니노트PC,휴대전화,디지털카메라,2차전지_주요 애플리케이션 동향
Source : silicontimes
2010년 1월 14일 목요일
에너지효율화 기기란 이런 것!
에너지효율화 기기란 이런 것!
CES에 전세계 기업제품 쏟아져
직접 태양이나 풍력으로 충전하는 기기, 초절전LED조명,전력운영시스템, 대기전력을 서서히 줄여주는 시스템, 자동차 원격제어시스템, 페달을 밟으면 전력이 발생,축적되는 자전거...
10일 폐막된 올 라스베이거스 전자전(CES2010)은 그 어느 해보다도 특별했다. 이 전시회에 등장한 수많은 절전효율화 및 충전제품 들은 그 동안 더 크고,더 화려함만을 지향해 오던 지금까지의 전자제품 트렌드에 에너지효율화라는 거대한 흐름이 덧붙여졌음을 여실히 보여주었다.
지구온난화가 그 어느 때보다도 관심거리로 등장하면서 IT업계도 제품 자체의 에너지사용 효율화는 물론 외부에서 전기제품의 전력사용량, 심지어는 자동차충전까지도 원격 제어하는 기술이 등장했다.
이번 CES에서는 미국,일본,호주 등지의 기업들이 주도적으로 절전제어용 기기와 충전기 등을 집중적으로 내놓았다.
■TV로 제어하는 파나소닉의 그린 룸
파나소닉은 이미 다양한 가정용 및 상용 제품을 만들고 있다.
올해는 TV를 통해 가정용 에너지를 운영하는 친환경아이디어 전용 룸을 마련했다.
이것은 자연가스를 이용해 전기를 만드는 연료전지다. 이 부산물이 열인데 가정에서 온수를 만
드는데 사용된다. 이 회사의 가정용에너지제품은 일본과 덴마크에서 테스트되고 있다. 2018년까지 파나소닉은 가정용 에너지효율화의 주도적 회사가 된다는 계획이다.
■4만시간의 수명을 자랑하는 LED전구
LED조명은 가전 쇼에서 이미 많은 회사들이 참여하고 있는 분야다.
도시바는 E코어 전등을 내놓았는데 미국에서 봄에 판매된다. 이 전구는 40W백열전구에 해당하는 빛을 내지만 전력사용량은 6W에 불과하다. 60W밝기의 백열전구라면 8W전력만으로 충분하다.
LED벌브는 전구보다 40배나 되는 4만시간의 수명을 자랑한다. 수은을 포함하지 않으면서도 백열 전구처럼 단순하다.
■대기전력을 서서히 내려주는 하이세이버 스마트파워스트립
대기전력을 서서히 내려주는 것이 자동화 파워스트립이다. 하이세이버(HiSaver)의 이 제품은 광 센서를 이용해 대기전력을 거의 제로로 줄여준다. 올 CES부스에서는 이 회사는 주변기기의 전기를 끔으로써 180W의 전력을 80W로 줄이는 것을 보여주었다. 2월부터 온라인에서 99달러에 판매될 예정이다.
대기전력을 줄여주는 스마트플러그 제조사에는 호주의 엠버텍(Embertec)도 있다. 내년에 미국에서 제품을 출시한다. Z웨이브나 지그비 등 무선 홈네크워키이 기술을 사용하며 PC를 통해 에너지사용량을 보여준다. 호주에서 시험해 본 결과 1년에 게임기에서 85달러, PC에서 41달러를 줄이는 것으로 나타났다.
■솔라 및 풍력충전기
올해 전시회장에는 지속 가능한 공간 존(Sustainable Space Zone)이 다양한 솔라충전기와 다른 소형 태양광으로 작동되는 랜턴, 캠핑랜턴, 정원용 라이트 등을 선보였다.
여기에는 미미위즈에서 AA배터리충전기에 이르는 수많은 옵션이 포함된다.
오른쪽은 미니위즈(MiniWiz)의 하이미니( HyMini)로 풍력발전기기로서 자전거에 붙여 USB로 내부배터리를 충전할 수 있다.
■끈을 잡아당겨 충전하는 이지 에너지사의 요겐 요요 충전기
손으로 끈을 당겨서 전자기기를 충전할 수 있도록 설계했다. 손으로 끈을 당기면 플라이휠이 돌면서 전력을 생산하는데 1분만 당기면 5W가 충전돼 휴대폰전원으로 충분하다.
■ 태양광으로 전등을 밝혀주는 레겐 레누 솔라충전기
대부분의 소형 솔라 충전기는 매일매일 가정용으로 사용되지만 주로 그리드와 연계되지 않은 상태에서 작동된다. 레겐은 지난 6월 가정용 솔라 충전시스템을 출시했다.
각 솔라 충전기는 6W 충전기와 USB를 갖춘 통합배터리라는 특징을 가진다.
이 회사는 또 빌트인 아이팟 및 스피커 접속, 그리고 데스크램프처럼 작동하게 하는 LED를 접속시킬 수 있는 도킹스테이션, 그리고 데스크램프처럼 켜지는 LED등 도 선보였다.
■웹과 접속, 에너지비용을 줄여주는 싱크에코사의 스마트 플러그
이번 전시회에서는 텐레테(Tenrehte)사의 스마트플러그, 싱크에코의 모드릿(modelet) 등 가정에서 사용되는 에너지의 효율화에 주안을 둔 많은 제품들이 등장했다.
모드릿은 모던아웃릿 즉, 현대적 콘센트를 의미한다. 모드릿은 사람들이 가전품을 웹애플리케이션과 접속된 모드릿 콘센트에 끼워 가전품을 제어할 수 있도록 해주는 USB키 및 SW와 함께 작동한다.
사용자는 컴퓨터와 주변기기 또는 엔터테인먼트센터를 위한 스케줄을 설정하거나 끌 수 있다.
이는 내년에 출시될 예정인데 6개월만 사용하면 설치비용이 빠진다.
■ 스마트폰으로 가전기기를 제어하는 에너지 모니터링,보안기기
가정용 에너지 모니터링 및 절전은 이번 행사의 가장 큰 주제 중 하나로 많은 제품이 등장했다.
소개되는 제품은 영국의 얼러트미로 미국에 올 연말 출시된다.
에너지사용량을 모니터 하면서 전열기,전등 같은 가정용 전기기기를 스마트폰으로 원격 제어할 수 있다.영국에서는 월 사용료를 받고 보안회사와 함께 서비스 중이다.
지그비를 이용한 스마트파워스트립이나 냉난방 컨트롤러도 있다. 왼쪽에 있는 이 시스템은 시계줄이 딸려 온다. 얼러트미 CEO는 자신이 집에서 사용해 본 결과 사용하지 않는 전력을 끄는 것만으로도 전력을 25% 줄일 수 있었다고 말했다.
■전기자동차 원격 충전 및 제어
GM자동차는 스마트폰 애플리케이션으로 셰비볼트를 원격제어 할 수 있음을 보여주었다. 전기자동차를 제어하기 위해서는 충전시간과 남아있는 거리가 매우 중요하므로 는 원격제어를 위해서는 서로 다른 충전시스템부터 조절해야 한다.
이번에 소개된 애플리케이션은 아이폰, 블랙베리스톰, 안드로이드 스마트폰으로 제어되는 것으로서, 1회 충전 운행거리, 주행거리,피크타임을 피해서 충전할 스케줄 등을 볼 수 있게 해준다.
GM은 또한 자동차가 충전 중일 때 배터리를 사용하지 않고 에어컨이 가동되도록 원격제어를 할 수 있는 기능, 시건 장치 원격제어 기능 등을 갖고 있다.
볼트는 올 11월 4만 달러(세전)에 출시될 예정이다.
■달리면 충전되고 재활용하는 에네루프 전기자전거
산요의 에네루프(Eneloop)전기자전거는 엄청난 관중을 불러모았다. 앞쪽 바퀴 허브에 모터와 발전기를 설치해서 페달을 밟을 때 가속할 수 있도록 했다. 멈추거나 브레이크를 잡을 때에는 발전된 전기가 시트아래 붙어있는 검은 배터리 팩에 재충전된다. 배터리가 닳으면 산요에 반납하고 40달러에 새 배터리 팩을 구입할 수 있다.
산요는 올해 미국에서 이 자전거를 대대적으로 판매할 계획이다. 전기자전거의 가격은 2천300달러이며 베스트바이나 다른 유통점을 통해서 판매될 예정이다.
이재구 국제과학전문기자 jklee@zdnet.co.kr
2009년 12월 27일 일요일
2009년 12월 23일 수요일
2009년 12월 15일 화요일
폐기용 비닐봉투로 탄소 나노튜브 제조하기
폐기용 비닐봉투로 탄소 나노튜브 제조하기
업사이클링(upcycling)
업사이클링(upcycling)이라고 명명되는 이러한 기술은 폐기물을 보다 더 가치 있는 제품으로 전환시키는 기술이다. 폐기물을 업사이클링하기 위한 방법을 찾는 것은 재활용을 독려할 수 있는 방안이라 할 수 있다. 예를 들면 박테리아는 보다 더 고가의 플라스틱인 플라스틱 음료수 병으로 전환될 수 있다. 비닐 봉투를 나노튜브로 전환시키는 기술은 미국 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory) 소속의 Vilas Ganpat Pol이 개발했으며, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE; high-density polyethylene) 또는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE; low-density polyethylene)을 가치 있는 다중벽 탄소 나노튜브(multiwalled carbon nanotube)로 전환했다.
Pol은 초산코발트(cobalt acetate) 존재 하에서 2시간 동안 약 700 °C에서 HDPE 또는 LDPE 1 그램을 가열하여 나노튜브를 만들고, 만들어진 혼합물을 점진적으로 냉각시켰다. 600 °C 이상에서 플라스틱 내의 화학 결합은 완전히 분해되고 다중벽 탄소 나노튜브가 촉매 입자의 표면에 성장한다. 좋은 결과를 얻으려면, 플라스틱 중량의 약 1/5 가량의 많은 촉매가 필요하다. 또 이 과정은 후에 손쉽게 회수되기 어렵다. 그러나 Pol은 새로운 방안이 아직까지 나노튜브를 성장시키기 위하여 발견된 방법 중 가장 저렴하고 환경 친화적인 방법 중 하나라고 밝혔다.
다른 방법들은 일반적으로 시스템 뿐 아니라 촉매와 산소의 상호작용을 피하기 위하여 진공을 요한다고 Pol은 밝혔다. 새로운 반응은 약 700 °C에서 탄화수소 공기가 지속적으로 감소되어, 산화물의 형성이 방해받기 때문에 진공이 불필요하다고 Pol은 지적했다. 개별적인 촉매 조각은 새로 성장한 나노튜브 덩어리 내에 갇히게 된다. 그러나 Pol은 나노튜브가 추가적인 촉매 제거 공정 없이 이용될 수 있다는 사실을 보여 주었다.
만들어진 코발트(cobalt)를 감싸고 있는 나노튜브를 리튬 이온 배터리의 전극 물질로 사용하여 우수하게 작동하는 것을 확인했다고 Pol은 밝혔다. 연구진이 개발한 탄소 나노튜브의 우수한 용량은 상용화되고 있는 나노튜브보다 더 높았다. Pol은 제작 동안 공기를 줄여줌으로써 일반적으로 규칙적인 구조의 나노튜브에서 관찰되는 약간의 결점을 줄일 수 있을 것으로 믿고 있다.
또 코발트가 배터리에서 이온의 반응을 돕는 촉매로 작용하는 코발트 산화물(cobalt oxide)로 전환되어 전류를 흐르게 하기 때문에, 코발트 불순물은 나노튜브가 리튬-공기 배터리(lithium-air battery)에 이용되기 적당하게 만들어준다고 Pol은 지적했다. Pol은 리튬 이온 배터리와 리튬 공기 배터리 모두에서 코발트를 함유하는 나노튜브의 이용과 관련한 특허를 획득했다. 코발트는 불순물이 아니라 유용한 물질이라고 Pol은 밝혔다.
영국 레딩 대학교(University of Reading) 소속의 Geoffrey Mitchell은 플라스틱 재활용 분야 전문가이다. Mitchell은 새로운 기술이 플라스틱 폐기물을 고부가 가치의 전자 재료로 만들어주는 흥미로운 기술이라고 밝혔다. 그러나 Mitchell은 회수할 수 없는 촉매로 상대적으로 고가의 코발트를 사용하는 것이 이 시스템의 규모가 커질 경우 문제가 될 수 있다고 생각하고 있다. Pol은 Mitchell의 의견에 동의했지만 그가 제안한 나노튜브를 사용하는 배터리 유형이 이미 코발트를 재활용하고 있으며, 따라서 금속은 궁극적으로 회수될 수 있을 것이라고 주장했다. 공정 중에 촉매를 남겨 두는 것은 다른 가치 있는 탄소 제품을 산출할 수 있으며 2-10 마이크로미터 사이의 탄소 구체는 프린터 잉크로 사용될 수 있다고 Pol은 밝혔다.
Plastic bags recycled into nanotubes
Waste plastic from "throwaway" carrier bags can be readily converted into carbon nanotubes. The chemist who developed the technique has even used the nanotubes to make lithium-ion batteries.
This is called "upcycling" – converting a waste product into something more valuable. Finding ways to upcycle waste could encourage more recycling: for instance, bacteria can convert plastic drinks bottles into a more expensive plastic.
The carrier-bag-to-nanotube technique was developed by Vilas Ganpat Pol at the Argonne National Laboratoryin Illinois and converts high or low-density polyethylene (HDPE and LDPE) into valuable multiwalled carbon nanotubes.
Bag baker
Pol made the nanotubes by cooking 1-gram pieces of HDPE or LDPE at 700 °C for 2 hours in the presence of a cobalt acetate catalyst and then letting the mixture cool gradually. Above 600 °C the chemical bonds within the plastic completely break down and multiwalled carbon nanotubes grow on the surface of the catalytic particles.
A lot of catalyst is needed to get good results – about a fifth of the weight of the plastic being converted – and it cannot easily be recovered afterwards. But Pol says this is still one of the cheapest and environmentally friendly ways yet found to grow nanotubes.
"Other methods generally require a vacuum to avoid oxygen interaction with the catalyst as well as with the system," he says. "In my new reaction there is no vacuum – the formation of oxide is inhibited due to the presence of a continuous reducing hydrocarbon atmosphere at 700 °C."
Nanotube nuggets
Individual pieces of the catalyst become trapped inside forests of newly grown nanotubes. But Pol has shown the nanotubes can be used as is without further processing to cut them free.
"I have used the as-prepared cobalt-encapsulated nanotubes as an anode material for lithium-ion batteries and they work fantastically," he says. "The specific capacity of my carbon nanotubes is higher than commercial nanotubes." He thinks that might be down to slight imperfections in the usually-regular structure of the nanotubes, created by the reducing atmosphere during fabrication.
The cobalt impurities also make the nanotubes suitable for use in lithium-air batteries, because the cobalt is converted to cobalt oxides that perform as catalysts to help the reactions of ions in the battery that let current flow, says Pol. He has patented the use of the cobalt-containing nanotubes in both lithium-ion and lithium-air batteries: "The cobalt is not an impurity, it is an asset," he says.
Recycling jigsaw
Geoffrey Mitchellat the University of Reading in the UK is an expert in recycling plastic. He thinks the new technique is an "interesting part of the jigsaw" of recycling plastic waste to make high-value electronic materials.
But he thinks the use of relatively expensive cobalt as a non-recoverable catalyst might be problematic if the system is ever to be scaled up. Pol agrees, but adds that the type of batteries he proposes using the nanotubes for are already recycled for their cobalt, so the metal would ultimately be recovered.
Leaving the catalyst out of the process altogether yields another carbon product of potential value, though: carbon spheres between 2 and 10 micrometres across that can be used in printer ink, says Pol.
Journal reference: Journal of Environmental Monitoring, DOI: 10.1039/b914648b
Source : KISTI, newscientist
2009년 12월 14일 월요일
태양빛과 이산화탄소로 부터 디젤유를 제조하기 위한 개발 프로그램
태양빛과 이산화탄소로 부터 디젤유를 제조하기 위한 개발 프로그램 
광합성을 이용한 바이오 연료 제조법은 두 가지로 나뉜다. 일반적 방법은 식물을 키워서 식물로부터 얻어진 당 (sugar)을 효모나 미생물을 이용해 발효하여 연료를 만드는 것이다. 옥수수를 발효시켜 에탄올을 만드는 것이 이에 해당한다. 다른 방법은 광합성 미생물을 이용해 연료를 직접 만드는 것인데, 조류를 이용하여 바이오디젤 원료를 만들거나 또는 가솔린이나 탄화수소를 직접 만들 수 있는 미생물을 연구하는 것이 이에 해당된다.
Arpa-e가 고려중인 광합성을 이용하지 않는 방법 중의 하나는 유기체와 태양전지를 결합시키는 것이다. 펜실베니아 주립대학교 (Pennsylvania State University) 환경 공학과의 Bruce Logan 교수에 따르면, 어떤 미생물들은 전기를 이용해 메탄과 같은 유기분자를 만들 수 있다는 것이 최근 알려졌다. 이 미생물들을 더 연구하면 액체 연료를 생성할 수 있을지도 모른다.
Arpa-e가 고려중인 또 다른 비광합성 방법은 극한미생물 (extremophiles)을 이용하는 것이다. 이 미생물들은 매우 뜨겁거나 산성조건 같은 극한의 환경에서 살아간다. 대게 어두운 환경에서 살기 때문에 빛을 에너지 원으로 사용하지 않는다. 또 극한 환경에서는 당 같은 유기물이 존재하지 않기 때문에 유기 분자로부터 에너지를 얻지도 않으며, 그대신 황화 금속 (metal sulfides)과 같은 다른 에너지원을 사용한다. 단백질이나 지질을 만드는데도 유기 물질을 원료로 사용하는 것이 아니라 이산화탄소와 같은 무기 물질을 원료로 사용한다.
이 미생물들은 원래, 이들이 만들어 내는 효소가 공업 공정에 필요한 고온 조건을 견딜 수 있다는 이유로 오랫동안 연구되어 왔다. 하지만, 최근 이들의 유전자에 관한 연구로부터 이산화탄소를 유기 물질로 변화시키는 전체 대사 경로 (metabolic pathways)가 밝혀지게 되었으며, 이를 조작하면 연료를 만들어내는 것도 가능할 지 모른다.
노스캐롤라이나주 바이오기술 프로그램의 책임자인 Robert Kelly는 이와 같은 특징을 가진 미생물 중의 하나가 주로 광산에서 발견되는 메탈로스페라 세듈라 (Metallosphaera sedula)라고 밝혔다. 이 미생물은 황화 금속을 산화시켜 세포활동에 필요한 에너지와 전자를 얻는다고 설명하면서 이 미생물이 만들어내는 유기물로부터 부탄올 (butanol) 과 다른 액체 연료를 만들어 냈다고 설명했다.
생화학적으로 가능한 과정을 만들어내기 위해서는 여러 가지 해결과제가 있다. 하지만 전자연료 프로그램의 프로젝트 책임자인 Eric Toone은 광합성은 연료를 만들기에는 비효율적 이라며 비광합성 접근법을 개발해볼 가치가 충분하다고 한다. 그는 광합성보다 효율적인 방법이 될지 지금은 알 수 없지만 아직 바이오연료 생산 목적으로 충분한 연구가 진행되어 본 적이 없으며, 이와 같은 새로운 분야가 Arpa-e가 지원하고자 하는 일이라고 밝혔다.
Majumdar는 Arpa-e의 전자연료 프로그램은 유기체를 이용하는 방법에 국한되지 않을 것이며, 중요한 것은 광합성을 대체할 만한 방법을 찾아내는 것이라고 설명했다. 또 다른 방법은 인공 광합성이라는 것으로 태양 에너지와 무기 촉매를 결합해 물과 이산화탄소로부터 연료를 만들어 내는 것이다.
[그림] 메탈로스페라 세듈라 (Metallosphaera sedula)는 황동석 (chalcopyrite, 사진의 검은 물질)이라는 황화 구리-철로부터 에너지를 뽑아낸다. 황동석은 구리 이온 (녹색), 산화 철 (오렌지색), 황 (노란색)으로 바뀐다. 이 미생물은 얻어진 에너지로부터 세포의 구성 성분인 acetyl-CoA를 만든다. 연구팀들은 미생물을 조작해 Acetyl-CoA를 부탄올이나 다른 액체 연료로 전환시키도록 하는데 성공했다.
Making Diesel from CO2 and Sunlight
A new program will develop novel approaches to renewable fuels.
By Kevin Bullis
A new "electrofuels" program announced this week by the Advanced Research Projects Agency-Energy (Arpa-e) will fund research into novel ways to make renewable fuels. The approaches could prove more efficient than using photosynthetic organisms--such as plants and algae--to make biofuels. And instead of making ethanol, they will make fuels such as diesel, which could be easily distributed and sold with existing infrastructure.
Metal eater: Metallosphaera sedula can draw energy from a copper-iron sulfide called chalcopyrite, the black substance shown here. As it feeds, it produces copper ions (green), iron oxide (orange), and sulfur (yellow). The organism uses the energy from the sulfides to produce acetyl-CoA, a fundamental building block in cells. Researchers have been able to engineer organisms to convert acetyl-CoA into butanol and other liquid fuels.
Credit: Robert Kelly, North Carolina State
The idea is to make liquid fuels using organisms that can convert carbon dioxide into organic molecules without using photosynthesis, says Arun Majumdar, the director of Arpa-e. The mechanisms these organisms use could be more efficient than photosynthesis, he says.
Photosynthetic approaches fall into two categories. The most common is to grow plants and then use yeasts or other microorganisms to ferment sugars from the plants to produce fuels--as in converting corn into ethanol. The other approach is to use photosynthetic organisms to make fuels more directly. This might involve using algae that make oils that can then be processed into biodiesel, or even experimenting with microorganisms that make gasoline or other hydrocarbons directly.
One nonphotosynthetic approach Arpa-e may fund is to pair organisms with solar cells. Recent research has suggested that some microorganisms can use electricity to form organic molecules, such as methane, says Bruce Logan, a professor of environmental engineering at the Pennsylvania State University. These microorganisms could be further engineered to make liquid fuels.
A second nonphotosynthetic approach involves microorganisms such as extremophiles. These microorganisms live in extreme environments, such as hot and acidic water. Unlike plants and algae, these organisms don't use light as an energy source, since they live in dark environments. They also don't draw energy from organic molecules, such as sugars, because those aren't available to them. Instead they draw energy from other sources, such as metal sulfides. They also don't use organic matter for making proteins and lipids, instead using inorganic molecules, such as carbon dioxide.
These organisms have long been studied for the enzymes they produce, since these enzymes can survive at high temperatures, and thus could be useful for industrial processes. But in recent years, researchers' access to the genomes of organisms has allowed them to identify entire metabolic pathways--series of reactions undertaken by organisms--for converting carbon dioxide into various organic molecules. It may be possible to modify these pathways so that these organisms produce fuels.
One such organism is called Metallosphaera sedula, says Robert Kelly, director of the North Carolina State biotechnology program. It's often found in mines. "It oxidizes the metal sulfide, and that's how it gets energy and electrons for cellular processes," he says. These organisms produce organic molecules that have been used to make butanol and other liquid fuels.
Numerous challenges exist to making a feasible process of the biochemistry. But Eric Toone, the project director in charge of the electrofuels program, thinks it's worth trying, because photosynthesis is a very inefficient way to make fuels. "Is this going to be more efficient than photosynthesis? I have no idea," he says. "But the only way we find out is to try. There's a lot of 'white space' here. This is not an area that has been investigated as a possible route toward biofuels. And this is what Arpa-e is supposed to do--try new things."
Arpa-e's electrofuels program will not be limited to approaches that use organisms, Majumdar says. The key is to find alternatives to photosynthesis. Another approach is to use solar energy and inorganic catalysts to make fuel from water and carbon dioxide, an approach called artificial photosynthesis.
이산화탄소로 디젤연료 만든다 (사이언스타임즈)
재생연료에 대한 신개념 접근법 내주 미국서 발표예정
이산화탄소를 합성해 디젤연료를 만드는 등 새로운 "전자연료(electrofuels)" 프로그램이 몇 주 내로 발표될 것으로 보인다.
MIT에서 발행하는 TR(Technology Review)은 10일 Arpa-e(the Advanced Research Projects Agency-Energy)가 재생연료를 만드는 새로운 방식에 대한 연구를 지원할 것이라고 보도했다.
이 접근방법은 작물이나 무화식물 등 광합성 유기체를 이용하는 것보다 효과적으로 바이오연료를 만들어 낼 수 있어 기대를 모으고 있다.
에탄올을 만드는 대신 디젤처럼 현재 통용되는 엔진에 직접 쓰이는 연료를 만들 수 있어 기존 인프라를 그대로 계승할 수 있는 장점도 있다.
Arpa-e는 솔라셀을 이용해 비광합성적인 방법으로 유기체를 만들어내는 접근법을 지원할 것으로 알려졌다.
최근 연구에 따르면, 전기를 사용할 수 있는 어떤 미생물이 유기분자로 부터 메탄과 같은 물질을 만들어 낸다. 펜실베니아 주립대 환경공학과 브루스 로간(Bruce Logan)교수는 이런 미생물들이 액체연료를 만들어낼 것으로 전망한다.
두번째 비광합성적인 접근방법은 익스트레모필레스(extremophiles)같은 미생물과 관련돼 있다. 이들 미생물은 뜨겁고 산성이 강한 물처럼 극단적인 환경에서 산다.
작물이나 조류와 달리, 이들 유기체는 어두운 곳에서 살기 때문에 에너지원으로 빛을 사용하지 않는다. 이들은 또 당 등과 같은 유기분자로 부터도 에너지를 얻지 않는다. 대신 다른 소스로 부터 에너지를 얻는데 바로 철 황화물이다.
이들은 단백질이나 지방을 만들어내기 위해 유기물질을 사용하지 않으며 이산화탄소와 같은 무기분자를 사용한다. 이들 유기체는 그들이 만들어낸 효소때문에 오래전부터 연구돼 왔다. 이들 효소는 고온에서 살아남을 수 있기 때문에 산업적으로 유용했다.
유기물질 아닌 무기분자 사용
그러나 최근 몇 해 전부터 연구자들은 유기체의 유전자지도를 분석하면서 이들 유기체의 전체적인 신진대사 방식을 밝히기 시작했다. 유기체가 활동하는 반응 과정 등에서 알아낸 것에 따르면, 이들은 이산화탄소를 다양한 유기분자로 변환시킨다. 이 과정을 수정하면 이들 유기체가 연료를 바로 만들어 낼 수 있다는 것이다.
메탈로스페에라 세둘라(Metallosphaera sedula)라고 불리는 이같은 유기체에 대해 노스케롤라이나주립 생명공학프로그램(the North Carolina State biotechnology program)의 책임자 로버트 캘리(Robert Kelly)는 "이들이 세포의 활동을 위한 에너지와 전기를 얻어내는 방법은 철 황화물을 산화시키는 것"이라며 "이들 유기체는 사용된 유기분자를 부탄이나 다른 액체 연료로 만든다"고 설명했다.
많은 화석연료는 에너지를 발생하면서 많은 양의 이산화탄소를 배출한다. 이들 유기체들은 이에 대한 역반응을 만들어낸다는 설명이다. 이에 따르면 전세계적으로 증가된 이산화탄소량을 줄이면서도 연료를 얻을 수 있게된다.
화석연료를 사용하지 않는 차세대 재생에너지는 탄소를 배출하지 않는다. 그러나 이들 재생에너지를 사용하기 위해서는 전반적인 사회적 인프라가 바뀌어야 하는 부담이 든다. 차세대 재생에너지로 에너지사용방법이 완전히 변하기 전까지 인프라를 유지할 수 있는 방법이 고안된 것이다.
한편, 광합성을 이용한 접근법은 두 가지 방식으로 나뉜다. 가장 일반적인 것은 작물을 키워서 효모나 다른 미생물을 이용해 작물이 연료가 될 수 있고록 당을 발효시키는 것이다. 옥수수를 에탄올로 만드는 과정과 같다.
다른 방식은 광합성 유기체를 이용하는 것으로 연료를 보다 직접적으로 만들어낸다. 이는 기름을 만들어내는 조류(algae)를 사용해 바이오디젤을 직접 생산해낸다. 또는 가솔린이나 다른 탄화수소를 만들어내는 미생물도 실험 중에 있다.
Source : KISTI, technologyreview, sciencetimes
2009년 11월 23일 월요일
나노크리스탈 잉크를 사용한 저렴한 박막 태양 전지
나노크리스탈 잉크를 사용한 저렴한 박막 태양 전지
나노결정 잉크제조 기술은 Solexant의 이사이자 캘리포니아 주립대학교 (University of California, Berkeley) 교수인 Paul Alivisatos로부터 라이센스를 받았다. Alivisatos는 이 기술의 장점이 높은 효율과 낮은 원가의 결합에 있다며, 실리콘 결정(crystalline silicon) 태양전지는 효율은 높지만 원가가 높은 단점이 있다고 설명했다. Solexant는 원가를 낮추기 위해 실리콘 결정보다는 효율이 낮지만 가격이 훨씬 낮은 박막 반도체 태양 전지를 개발해 왔다.
Solexant의 목표는 비교적 높은 효율의 저렴한 박막 태양전지를 개발하는 것이다. 나노결정 잉크에 대해 자세히 밝히지는 않았지만 지름 4나노미터, 길이 20~30 나노미터인 막대기 모양 반도체 나노결정 현탁액(suspension) 이라고 한다. 나노결정 박막은 간단히 만들 수 있지만 전기적 특성이 불량한 단점이 있다. 전자가 나노입자 사이에 갇힐 수 있기 때문이다. Alivisatos는 전도성이 양호한 박막을 얻는 것이 중요한 기술이라며, 이를 통해 높은 효율을 얻을 수 있다고 밝혔다. Solexant가 나노결정을 선택한 이유는 간단히 인쇄할 수 있고, 가열 융해 시키면 전기적 특성이 양호한 넓은 면적의 고품질 마이크로 결정을 얻을 수 있기 때문이다.
아래: 나노결정 잉크
태양 전지의 나머지 부품, 즉 전기 접점이나 광 흡수 층도 유연한 금속 필름 위에 인쇄된다. 따라서 대면적 제조가 가능하며, 완성되면 크기에 맞게 재단되어 유리에 장착된다. Solexant의 CEO인 Damoder Reddy는 전체 공정이 롤투롤 (roll-to-roll) 공정으로 이루어져 있어, 소면적으로 가공해야 하는 유리 인쇄 박막 태양전지에 비해 경쟁력이 있다고 한다. 그는 First Solar사의 경우, 진공 증착으로 유리에 인쇄해 박막 태양전지를 만들며 제조원가는 와트당 85센트인데 비해 Solexant는 와트당 50센트로 생산이 가능하다고 밝혔다. Nanosolar사의 경우 Solexant와 같이 나노결정을 이용해 태양전지를 만들지만 인쇄 과정 중에 화학반응을 수반하는 방법을 사용하기 때문에 공정이 복잡해져 제조원가가 올라가는 단점이 있다고 한다.
Solexant는 현재 2메가 와트 파일럿 플랜트를 건설하기 위해 2250만 달러의 벤처자금을 모금했으며, 내년에 100메가 와트 설비를 건설하기 위해 4000만 달러 이상의 모금을 계획하고 있다. Reddy는 태양 에너지 분야 신생 기업들은 이정도 규모의 설비를 위해 통상적으로 2억5천만 달러를 모금한다고 한다. Reddy는 이들의 첫 번째 제품은 나노결정 1층으로 이루어져 있으며 내년에 와트당 1달러에 판매할 계획이라고 밝혔다. 현재 전지의 효율을 높이기 위해 태양광의 다른 파장대를 흡수할 수 있는 다른 형태의 나노결정이 개발되고 있으며, 궁극적으로는 넓은 범위의 파장대를 흡수할 수 있는 다층 구조를 제조할 계획이라고 밝혔다.
산업분석기관인 iSuppli의 분석에 의하면 실리콘 기반 태양광 패널 가격은 2010년 와트 당 2달러로 예상되며, 박막필름 패널 가격은 와트당 1.4달러로 예상되고 있다. First Solar는 미국 최대 태양에너지 기업이자 박막 태양과 패널 대표 생산업체이며, 박막 기술을 이용한 패널의 비중은 전체 태양광 패널 중에서 2008년 14퍼센트, 2013년 31퍼센트를 차지할 것으로 전망되고 있다.
Thin-Film Solar with High Efficiency
Solexant is printing inorganic solar cells with nanomaterials.
Solar cells made from cheap nanocrystal-based inks have the potential to be as efficient as the conventional inorganic cells currently used in solar panels, but can be printed less expensively. Solexant, a company in San Jose, CA, is currently manufacturing solar cells to test the technology. In order to compete with other thin-film solar companies, Solexant is banking on simpler, cheaper printing processes and materials, as well as lower initial capital costs to build its plants. The company expects to sell modules for $1 per watt, with efficiencies above 10 percent.
Nanocrystal solar: The solar cells at top were made on a roll-to-roll printer from an ink consisting of the rod-shaped inorganic semiconducting nanocrystals shown below. The cells were printed on a flexible metal foil and will be topped with a glass plate.
Credit: Solexant
The company has licensed methods for growing nanocrystals and making them into inks from Paul Alivisatos, professor of nanotechnology at the University of California, Berkeley and interim director of the Lawrence Berkeley National Laboratory. (Alivisatos is on Solexant's board of directors.) Alivisatos says the advantage of these materials is their potential to combine low cost with high performance. Solar cells made from crystalline silicon are efficient at converting sunlight into electricity, but they're expensive to manufacture. To bring down the cost, companies have been developing thin-film solar cells from semiconductors that don't match crystalline silicon's performance but are much less expensive to make.
Solexant's goal is to make cheap thin-film solar cells with relatively high efficiencies. It would not disclose what the nanoparticle inks are made of, but the company says they are suspensions of rod-shaped, semiconducting nanocrystals that are four nanometers in diameter and 20 to 30 nanometers long. The Solexant cells are printed on a metal foil as the substrate. Nanocrystal films are simple to print but have poor electrical properties. Electrons tend to get trapped between the small particles. "The trick with these cells is how to deposit the materials on the fly in a way that makes a very conductive surface," which in turn ensures decent light-to-electricity conversion, says Alivisatos. Solexant begins with nanocrystals because they're easier to print, and heats them as they're printed, causing them to fuse together into larger, high-quality microcrystals that don't have as many places for electrons to lose their way.
The remaining parts of the solar cell, including the electrical contacts and a light-absorbing layer, are also printed on the flexible metal films. This process allows Solexant to print very large areas. When complete, the cells are cut and then topped with a rigid piece of glass.
Making the entire cell using a roll-to-roll process gives the company an advantage over other thin-film photovoltaic companies that print on glass, which is heavier and limited to smaller areas, says Solexant CEO Damoder Reddy. "The cost benefit is dramatic, allowing us to produce cells for 50 cents a watt," he says. First Solar, a thin-film company that uses vacuum deposition to print its cells onto glass, has manufacturing costs of 85 cents per watt.
Nanosolar, another company making nanocrystal solar cells, uses a different semiconductor that requires chemical reactions to take place during printing, which increases the complexity and expense of the process. "We print a preformed semiconductor," which eliminates such steps, says Reddy.
Solexant has raised $22.5 million in venture funding to build its two-megawatt pilot plant, and is seeking $40 million more over the next year to build a 100-megawatt facility. Solar startups typically seek about $250 million in capital to build such a plant, says Reddy.
The company's first product, which Reddy says will sell for $1 per watt next year, will contain a single layer of the nanocrystals. The company is currently developing other types of nanocrystals that are more responsive to different bands of the solar spectrum in the hopes of boosting its cells' efficiency. "Ultimately we want to make a multilayer, broad-spectrum cell," says Reddy.
Source : KISTI, technologyreview.com
2009년 11월 22일 일요일
태양 에너지 관련 주요 장치 및 기술 ㆍ 태양전지 분야 용어 쉽게 이해하기
태양 에너지 관련 주요 장치 및 기술
Guide to Solar Cell
Ⅰ. 태양광발전 시스템
그림 1. 태양광 발전시스템
태양광발전 시스템은 전력 계통 연계유무에 따라 독립형(Stand alone)과 계통 연계형(Grid-Connected)으로 분류할 수 있으며, 일부의 경우 풍력 발전, 디젤발전 등 타 에너지원에 의한 발전 방식과 결합된 하이브리드(Hybrid)형을 별도로 구분하기도 한다.
독립형의 시스템의 경우 주로, 등대, 중계소, 인공위성, 도서, 산간벽지 전원 등에 사용되고, 계통 연계형 시스템의 경우는 주택, 빌딩 등의 옥상, 대규모(수 MW급) 발전 시스템에 사용되고 있다.
(1) 태양광발전 시스템의 구성요소
태양전지 어레이(PV array)
직류 전력 조절장치(DC Power Condition)
인버터(Inverter)
축전지(Battery)
계통 연계 제어
(2) 태양광발전 시스템의 종류
●계통연계형(Grid Connected System)
- 태양광으로 발전된 직류 전기 에너지를 인버터에 공급하여 사용 전력으로 변환시켜 안정된 전원을 수요자에게 공급하는 시스템
- 계통과 연계가 가능하게 하여 야간이나 태양광 발전 전력이 부족할 경우 계통 전압을 유입하여 사용하게 하고 잉여전력이 발생할 경우 계통 전원으로 역 전송하도록 하는 방식
- 가정 및 일반 건물 전원용, 태양광 발전소용 등으로 사용
그림 2. 계통연계형 시스템 구조
●독립형(Stand Alone System)
- 야간이나 태양광이 적을 때 전력을 공급하기 위한 축전 설비를 갖추고 있어, 태양광 발전이 가능한 기간 동안 축전지에 전력용 전력을 저장하였다가 사용하는 방식
- 태양광이 적은 날이 장기화되거나 시스템 고장 등의 문제시 보조용으로 디젤발전기 및 풍력 발전기를 갖춘 복합 발전(Hybrid) 시스템으로 활용 가능
- 산간 지역 및 도서 지역 발전소용, 해양기지 전원용, 등대 전원용, 원거리 통신기지 전원용 등
그림 4. 독립형 시스템 구조
그림 5. 독립형 시스템 개념
Ⅱ. 태양전지 동작원리 및 구성
태양광 발전(Photovoltaic Power Generation)은 태양광을 직접 전기로 변환시키는 발전방식으로 그 핵심은 태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)이다.
그림과 같이 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(Eg : Bandgap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력: Photovoltage)이 발생하게 된다. 이 때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 동작원리이다. 이러한 태양전지는 필요에 따라 직∙병렬로 연결하여 장기간 자연환경 및 외부 충격에 견딜 수 있는 구조로 만들어 사용하게 되는데, 그 최소 단위를 태양광 모듈(Photovoltaic Module)이라 한다. 그리고 실제 사용부하에 맞추어 모듈을 어레이(Photovoltaic Array) 형태로 구성하여 설치하게 된다.
Ⅲ. 태양전지 공정(태양전지는 어떻게 만들어지나)
그림 6. 태양전지 양산공정
현재 상업용 태양광발전소에서 쓰는 90%이상의 전지는 결정질 실리콘 태양전지이다. 태양전지를 만들기 위해선 반도체를 만들 때처럼 실리콘 웨이퍼라는 게 필요하다. 보통 반도체용 웨이퍼는 둥근 형태이지만, 태양전지용 웨이퍼는 사각형이 일반적이다. 웨이퍼를 다이아몬드나 절단용 와이어로 필요한 크기로 자른 뒤 절단 시 발생한 표면 자국을 없애기 위해 특수 화학약품에 담그는 세정작업을 실시하는데, 이를 에칭(Etching) 공정이라고 한다. 에칭 공정을 마친 웨이퍼는 태양광이 닿는 면적을 최대한 넓히기 위해 인위적으로 줄무늬형식의 스크래칭 작업을 거치며 이를 텍스처링(Texturing) 공정이라고 한다. 그 다음과정으로는 웨이퍼에 전도성을 띠게 하기 위해 불인산 등 불순물을 주입하고, 고온 처리하면 반도체와 같은 형태가 된다. 이후 불순물 도포과정에서 발생한 얇은 막(PSG)을 제거하는 에칭 공정을 다시 한번 거치게 된다. 다음으로 태양광 반사를 막아 효율을 높이도록 해주는 반사방지막을 형성시키고, 그 위에 전극 형성을 위해 푸른색의 실크스크린을 인쇄하는 작업을 거친다. 이후 저온에서 두 차례 건조시킨 후, 고온에서 실크스크린 표면을 소재 내부로 접합시키는 `소성(Firing) 공정을 진행하고, 레이저를 이용해 전극을 분리시켜주면 태양전지가 완성된다. 생산된 태양전지는 효율 측정을 거쳐 효율별로 자동 분류돼 출고된다.
그림 7. 태양전지 제작과정
Ⅳ. 태양전지 종류
시장의 약 90%를 차지하고 있는 단결정 및 다결정 실리콘계열, 최근에는 카드뮴텔러라이드(CdTe)와 카파인디움다이셀레나이드(CulnSe2:CIS) 반도체들도 활용한다. 단결정실리콘이 가장 비싸며 효율이 높으며, 비정질실리콘 계열은 가격은 낮으나 효율이 떨어지는 단점이 있다. 염료감응 방식이 실리콘태양전지에 비해 효율은 낮지만 가격을 5분의 1 정도로 낮출 수 있고 흐린 날에도 사용할 수 있는 점, 유연하고 반투명하게 만들 수 있어 건축물, 모바일 기기 등에 다양하게 사용할 수 있는 것이 장점이다.
[참고자료]
1. www.symphonyenergy.com
2. 네이버, 구글 검색
태양전지 분야 용어 쉽게 이해하기
● 태양에너지(Solar Energy)
태양으로부터 전자기파의 형태로 방출되는 에너지. 태양이 방출하는 에너지는 막대하지만 지구에 오는 것은 약 20억분의 1에 지나지 않는다. 그 중에서 70%만이 흡수되는데 세계 연간 에너지 소비량은 이 에너지의 겨우 1시간 분에 불과하다. 태양은 거대한 핵융합로와 같다. 태양에너지의 활용방법에는 태양열과 태양광선 이용이 있다. 대체에너지로서 무진장하며, 공해가 없고 지구대기의 열 균형이 보존되는 등 인류에게 절대적인 에너지 원천이다.
● 태양전지(Solar Battery)
태양 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 장치. 전지라고 하지만 건전지 등의 전지와는 다르며 방송 위성뿐만 아니라 휴대용 전자 계산기, 전자 시스템, 옥외 시계, 무인 등대, 텔레비전∙라디오 중계소 등에 이르기까지 응용 범위가 넓어지고 있다. 인공위성에 태양 전지를 쓰는 것은 우주에는 공기∙구름∙먼지 등이 없기 때문에 지표에 비해 태양 에너지 양이 훨씬 많아 발전 효율이 높기 때문이다. 태양전지는 태양광에너지를 직접 전기로 변환시키는 반도체화합물 소자이다. 대부분의 반도체들은 광기전력효과(photovotaic effect)를 나타내지만 태양전지의 다량생산으로 이어지는 반도체들은 주로 실리콘(Si)과 갈륨아세나이드(GaAs)이며, 실리콘이 가장 많이 활용되고 있다. 그러나 최근에는 카드뮴텔러라이드(CdTe)와 카파인디움다이셀레나이드(CulnSe2 ; CIS) 반도체들이 활용되고 있기도 하다. 이들은 박막형 태양전지로 구분되고 있다. 실리콘이 반도체산업에서 가장 많이 사용되는 이유는 지구상에서 두 번째로 보편화된 화학물질이고, 석영모래로부터 얻을 수 있기 때문이다.
그러나 전자부품이나 태양전지에 사용할 수 있는 것은 고순도의 실리콘을 회수하여야 한다. 실리콘 태양전지는 결정상태에 따라서 단결정실리콘(monocrystalline silicon) 태양전지, 다결정실리콘(multicrystalline silicon) 태양전지, 비정질실리콘(amorphous silicon) 태양전지의 세 가지로 분류한다. 이들 중에서 가격은 단결정실리콘이 가장 비싸고, 다결정, 비정질순으로 가격이 저렴한데 현재 이들이 국내외의 태양전지 시장을 석권하고 있다. 지금까지 개발되었거나 개발 중인 여러 형태의 태양전지들의 실험실 규모와 대량생산 규모에 따른 효율을 표로 비교하였다.
현재 결정계 태양전지들의 두께는0.3~0.5mm로 제작되는데, 이 두께 정도면 기계적 강도를 만족시킴은 물론 태양전지의 표면에 조사되는 일사량을 충분하게 흡수할 수 있다. 비정질계는 광에너지의 흡수율이 더 우수하기 때문에 태양전지로 수 마이크론의 두께로 제작이 가능하다. 그러나 비정질계의 경우 장시간 사용시에는 점차 퇴화가 빨라져서 효율이 감소한다는 단점이 있다. 일반적인 태양전지의 구조와 원리를 살펴보면 단결정실리콘 태양전지의 경우에는 실리콘에 5가의 원소들인 인, 비소, 안티몬 등을 함침시켜 만든 p형 반도체로 이루어진 p-n 결합구조이다. 이와 같이 p형 반도체와 n형 반도체가 하나의 단결정으로 접합이 되면 불순물의 농도차에 의하여 n형 반도체의 잉여전자(electron)가 p형의 반도체로 확산해 가고, 반대로 정공(hole)은 p형에서 n형으로 확산한다. 이에 따라서 p형 반도체의 전도대(conduction band) 내에 있는 전자의 에너지는 n형보다 좁아지고 n형 반도체의 가전자대(valence band)에 있는 정공이 갖는 에너지는 p형 반도체보다 높아지게 되므로써 내부 전위차가 발생하게 된다. 이때 금지대폭 이상의 광에너지가 흡수되면 가전자대에 있는 전자가 여기 되어 금지대폭을 건너뛰어 전도대로 이동하게 된다. 이와 같은 상황으로 인하여 가전자대에 있었던 전자의 자리가 비게 되어 양전하처럼 행동하는 정공이 형성되므로 양전하(정공)와 음전하(전자)의 쌍이 생기게 된다. 이렇게 생성된 전자-정공 쌍은 각각의 농도차와 전위차에 의하여 각각 전자는 n형으로, 정공은 p형으로 이동하여 외부회로에 의하여 전류가 흐르게 되는 것이다. 일반적으로 cell은 태양광 방사에너지를 조사했을 때 전기를 발생하는 반도체 소자를 일컫고 module은 복수의 태양전지 셀을 전기적으로 접속하고 내구환경을 고려하여 제작된 최소단위의 발전유닛을 말한다.
● 태양전지모듈
한 개의 태양전지는 0.6V 전압과 3A 이상의 전류를 생성한다. 적절한 전압과 전류를 생성하기 위하여 여러 개의 태양전지를 서로연결하고 외부환경으로부터 보호하기 위하여 충진재, 유리 등과 함께 압축한 것이 모듈이다. 모듈이란 보통 2~100개의 태양전지를 연결한 것을 말하며 이러한 모듈을 연결하여 어레이를 제작한다. 태양전지를 모듈화하기 위해서는 모듈의 광학적 성질, 전기적 성질을 만족해야 하며, 특히 내구성, 신뢰성 등이 요구된다. 모듈을 만드는데 필요한 태양전지의 수는 축전지 입력 전압축전지 직렬 개수/태양전지 모듈의 출력 전압으로 결정한다. 태양전지 모듈은 일반적인 결정질 실리콘 태양전지 모듈 구조와 박막태양전지 모듈이 있다. 결정질 실리콘 태양전지 모듈은 여러 개의 태양전지를 얇은 선으로 연결하여 충진재와 유리기판, Back sheet 등과 함께 압축시켜 제조한다. 이와 달리 박막 태양전지 모듈은 태양전지 자체가 모듈형태로 제작되며, 후에 보호막을 입히는 과정만이 들어간다.
● 다결정 실리콘 태양전지
다결정 실리콘 재료로 만든 태양전지를 말하는 것으로 다결정 실리콘은 재료 내부의 원자가 규칙적으로 배열 되어있는 방향이 서로 다른 부분으로 구성되어 있다. 따라서 원자 배열의 불연속면이 존재하게 되고 이러한 불연속면 때문에 전력변환효율이 단결정에 비해 낮다. 제조공정이 간단하고 대량 생산이 가능하여 가격이 저렴하다는 장점이 있다.
● 단결정 실리콘 태양전지
단결정 실리콘 재료로 만든 태양전지를 말하는 것으로 재료 내부의 원자 배열의 방향이 균일한 상태이므로 태양전지의 전력변환효율이 우수하나 제조가격이 비싸다.
● 태양광 발전
태양광 발전은 무한정, 무공해의 태양 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술이다. 기본 원리는 반도체 pn 접합으로 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 구조의 만들어진 태양전지 모듈(solar cell module)로 상품화 된다. 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.
● 플라스틱 태양전지(Plastic Solar Cell)
플라스틱의 한 종류인 고분자와 플러린이라는 물질을 이용해 빛을 전기로 만드는 전지. 기존의 태양 전지는 실리콘이나 화합물반도체 등의 무기물을 이용한 것으로 제조공정이 복잡하고 제작 단가가 비싸다는 단점이 있었다. 그에 반해 플라스틱 태양 전지는 유기물인 식물의 광합성 작용 원리를 응용한 것으로 무기물 태양 전지에 비해 값이 싸고 가벼우면서 제작 공정은 간편하다.
● 아모르퍼스 태양전지(Amorphous Solar Battery)
태양의 빛 에너지를 전력으로 변환시키는 소자로서 아모르퍼스(非晶質) 실리콘을 이용한 태양전지. 태양전지의 소자로서는 현재 단결정(單結晶) 실리콘이 주류를 이루고 있는데 비정질 실리콘을 사용하면 실리콘 원료가 소량으로 가능해지므로 생산비가 100분의 1로 낮아진다. 이 전지를 넣은 탁상전자계산기 등이 이미 판매되고 있으며 현재 전력용으로도 연구 개발되고 있다.
● 태양로
태양로란 태양열을 모아 화로를 만드는 것이다. 빛을 모으는 부 분은 높이 40m, 폭 54m의 건물에 45cm x 45cm 크기의 평면경 9500개를 붙여 만든 초점 거리 17,7m의 포물면경이다. 태양빛을 한 점에 모으기 위하여 항상 이 포물면경의 축에 평행하게 햇빛을 보내야 하는데 이것은 포물면경의 정면에 높이 6m x 7m의 평면경 63개를 8계단으로 층층이 세워 태양의 위치에 따라 평면경의 각도를 컴퓨터로 자동 조절함으로 이루어진다. 반사 평면경 하나하나는 50 x 50cm의 작은 거울로 조립되어 있다. 포물 면경에 도달하는 태양빛은 17.7m의 초점에 맞추어 세워진 27m 건물꼭대기에 직경 60cm 정도의 원형으로 모아진다. 최고 3000℃까지 온도를 얻을 수 있다. 태양로는 고온 물리화학의 연구, 융점의 측정, 단일 결정의 생성 연구 등에 이용되고 있다.
● 태양열 발전
태양열로 증기 원동기를 작동시킨 힘으로 발전하는 것을 의미한다. 이것은 태양으로부터 입사되는 햇빛을 수없이 많은 거울 등의 반사체로 한 점에 집광시켜 고온을 얻고, 이 높은 열로써 태양로에서 증기를 발생시켜 터빈을 돌리는 것을 말한다.
● 태양열발전소(Solar Thermal Power Station)
태양열을 열 매체에 전달하여 수집된 열에너지를 전기에너지로 바꾸도록 설계된 발전시설. 태양열 탑 발전소(Solar tower power station)는 태양열을 집열하기 위한 탑을 세우고 다수의 거울로 태양광을 탑에 반사시켜 집열된 고온의 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 태양열 발전소의 일종이다.
● 염료감응 태양전지
값싼 유기 염료와 나노 기술을 이용하여 저렴하면서도 고도의 에너지 효율을 갖도록 개발된 태양 전지. 가시광선을 투과시킬 수 있어 건물의 유리창이나 자동차 유리에 그대로 붙여 사용할 수도 있다. 1971년 스위스 연방 기술원(EPFL) 화학과의 마이클 그랏젤 교수가 개발하였고, 국내에서는 한국전자통신연구원(ETRI)이 처음으로 10~20nm 크기의 산화물 표면에 유기 염료를 흡착해 수십um 필름을 만들고 전극화하는 데 성공했다.
[참고자료]
1. 태양전지 어떻게 만들어지나(디지털 타임즈, 2008. 4)
2. 네이버, 구글 지식검색
Source : IT SoC
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