인류는 기존 에너지자원의 고갈과 유해한 물질의 증가에 따른 대책으로 오래 전부터 대체할 에너지원을 찾기 위하여 노력해 오고 있다.
본 교재에서는 평소 우리가 많은 경로를 통하여 접하고 있는 신재생에너지(new and renewable energy)에 대한 정확한 정의와 에너지의 생성 원리 등을 간략하면서 이해가 쉽도록 설명하고자 하였다.
집필 방향은 신재생에너지 기술을 중심으로 작성하였다. 신재생에너지를 개발과 응용에는 이공학분야의 거의 모든 전공분야가 활용된다. 자연현상을 공학적 원리에 의하여 자연에너지를 열 및 전기에너지로 변환하는 과정을 설명해야 하므로 물리 및 화학법칙, 기계적 원리, 전기적 원리, 그리고 소재 등의 지식이 활용되어야 한다.
신재생에너지는 기존의 에너지 공급체계를 보완하거나 대체하는 기술이므로 새로운 기술의 개발과 이에 따르는 경제성의 고려는 필연적이다. 이와 함께 신재생에너지의 산업적인 관점에서 볼 때, 과학·공학 뿐 아니라 법률·행정, 경제·경영 등 다양한 분야의 지식이 활용되어야 한다.
본 교재를 준비하면서 신재생에너지가 아직은 경제성 측면에서 기존의 에너지 자원과의 경쟁에는 어려움이 있지만 미래에는 우리 인류가 가야만 하는 방향임을 알 수 있고, 가능성이 점점 높아짐을 느낄 수 있었다.
국내에서 이미 많은 관련 교재는 나름대로의 집필방향과 수준이 다양하여 독자들이 선택의 여지가 많다는 장점이 있다. 하지만 우리나라가 지정하는 신재생에너지의 전체 12개 분야를 다룬 교재는 찾아보기 힘들다. 본 교재가 대학과 대학원과정의 학생들에게는 폭넓은 기초지식을
전달할 뿐만 아니라 여러 신재생에너지 분야에 종사하는 기술자에게도 타 에너지원에 대한 이해를 넓히고 자신의 분야에 대한 위치와 중요성을 인식하는 기회를 가지는데 조그만 도움이 되었으면 한다.

머리말 Ⅰ
차 례 Ⅲ

제1편 에너지와 신재생에너지 1

제1장 서론 3

제2장 에너지의 분류(classification of energy) 5
2.1 1차 에너지(primary energy) 5
2.2 2차 에너지(secondary energy) 5
2.3 세계의 에너지 현황과 전망 6
2.4 기후변화와 신재생에너지 7

제3장 신재생에너지의 정의(definition of new and renewable energy) 11
3.1 국내외 신재생에너지 분류 12
3.2 국내외 재생에너지(Renewable Energy)의 발전 경과 13

제4장 신재생에너지 현황과 정책 17
4.1 세계의 재생에너지 17
4.2 국내의 에너지원과 신재생에너지 22

제5장 국외 신재생에너지 정책 25
5.1 재생에너지 지원제도 26
5.1.1 재생에너지 의무할당제(RPS, Renewable Portfolio Standard) 26
5.1.2 기준가격 구매제도(FIT, Feed-in-Tariff) 26
5.1.3 기타 제도 27
5.2 국내의 신재생에너지 지원제도 관련 사항 28
5.2.1 신재생에너지 공급인증서(REC, Renewable Energy Certificate) 29
5.2.2 계통한계가격(SMP, System Marginal Price) 31
5.2.3 한국형 FIT제도 31
5.3 국내의 에너지 관련법의 주요내용 31
참고문헌 32

제2편 신에너지: New Energy 33

제1장 수소에너지 35
1.1 개요 35
1.1.1 수소(Hydrogen) 35
1.1.2 수소에너지(hydrogen energy) 37
1.2 수소에너지와 국제동향 38
1.2.1수소사회와 수소경제 38
1.2.2 세계적 동향 39
1.2.3 국내 동향 43
1.3 수소가스와 수소에너지 48
1.3.1 수소가스 48
1.3.2 수소가스의 종류 48
1.3.3 수소가스의 제조 및 생산방법 50
1.3.4 국내 수소가스의 생산 61
1.3.5 국외 수소가스의 생산과 활용 63
1.4 수소가스의 활용 65
1.4.1 수소가스의 주요 활용 65
1.4.2 수소사회와 대량 수요 67
1.5 수소가스의 운송 및 저장방법 71
1.5.1 액화(liquefaction) 71
1.5.2 압축가스화(compression process) 72
1.5.3 금속과의 화합물화(metal hydrides) 73
1.6 수소가스의 위험성 75
1.6.1 수소가스의 안전특성 75
1.6.2 수소폭탄과의 관련성 77
1.6.3 수소가스 폭발관련 사고예시 77
1.6.4 수소가스와 취급의 안전성 79
참고문헌 80

제2장 연료전지 83
2.1 연료전지 기술개요 83
2.2 연료전지의 개발 역사 84
2.3 연료전지의 작동원리(principle of fuel cell) 87
2.3.1 수소와 에너지 87
2.3.2 연료전지의 전기화학반응 88
2.3.3. 연료전지 반응 89
2.4 연료전지 시스템의 구성 89
2.4.1 건물용 연료전지 89
2.4.2 수송기기용 연료전지 91
2.4.3 연료전지의 종류 및 특징 93
2.5 연료전지의 구성 97
2.5.1 셀의 구성요소 97
2.5.2 스택 108
2.5.3 연료전지 시스템 119
2.6 연료전지의 활용 및 개발동향 128
2.6.1 수송용 연료전지 128
2.6.2 건물용 연료전지 130
2.6.3 발전용 연료전지 131
2.6.4 군용 및 기타 용용 132
참고문헌 134

제3장 석탄액화·가스화 137
3.1 개요 137
3.2 석탄 가스화(CTG, Coal-to-Gas) 및 액화기술(CTL, Coal-to-Liquid) 139
3.2.1 석탄 가스화 기술(CTG, Coal-to-Gas technology) 139
3.2.2 합성가스 정제(cleanup of synthesis gas)기술 141
3.2.3 합성천연가스(SNG, Synthetic Natural Gas) 제조기술[3] 143
3.3 석탄가스액화기술(CTL, Coal-To-Liquid Technology) 144
3.3.1 간접액화(ICL, Indirect Coal Lquefaction)공정 145
3.3.2 직접액화(DCL, Direct Coal Liquefaction)공정 147
3.4 석탄액화기술의 전망 148
3.5 석탄가스화 연료전지(IGFC, Integrated Gasification Fuel Cell) 발전 149
3.5.1 IGFC 국내외 현황 150
3.6 석탄가스화 복합발전(IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle) 기술 151
3.6.1 IGCC의 장단점 154
3.6.2 석탄가스화 기술과 IGCC의 현황 155
3.6.3 우리나라의 석탄가스화?액화 및 IGCC기술 157
3.7 CO2 포집 및 저장기술(CCS, Carbon dioxide Capture and Storage) 157
3.8 석탄가스화액화기술과 IGCC의 미래 158
참고문헌 159

제3편 재생에너지 161

제1장 태양열에너지 163
1.1 태양 에너지(The Sun’s Energy) 163
1.2 태양열에너지 164
1.3 태양 스펙트럼(solar spectrum) 165
1.4 태양열에너지 활용의 역사 165
1.5 태양열 온수장치(SWHS, Solar Water Heating System) 166
1.5.1 집열-저장 일체형 태양열 온수시스템(ICS, Integral Collector Storage Solar Thermal System) 167
1.5.2 Thermo-Siphon 태양열 온수장치-수동형시스템(Passive System) 168
1.5.3 능동형 온수시스템(active solar water heating system)-개방회로형 시스템(open loop system) 169
1.5.4 능동형 태양열 온수시스템(active solar water heating system)-폐쇄형 회로시스템(closed loop system) 170
1.6 집열장치(solar collector)의 종류 172
1.6.1 평판형 집열기(flat plate collector) 172
1.6.2 진공관 튜브형 집열기(evacuated tube collector) 174
1.7 태양열 온수장치의 응용 175
1.8 태양열 냉방 175
1.8.1 태양열 흡수식 냉방 177
1.8.2 장점 및 단점 179
1.9 태양열 난방 179
1.9.1 자연형 난방시스템(수동형 시스템, passive system) 179
1.9.2 직접 흡수형 시스템(direct gain system) 180
1.9.3 간접 흡수형 시스템(indirect gain system) 181
1.9.4 분리 흡수형 시스템(isolated gain system) 181
1.9.5 설비형 난방시스템(active system, 능동형 시스템) 182
1.10 태양열 냉난방 기술의 현황 182
1.10.1 국외 기술현황 및 보급현황 182
1.10.2 국내 기술 및 보급현황 183
1.11 태양열 발전(solar thermal power) 184
1.11.1 포물선 구유형 집열장치(PTC, Parabolic Troughs Collector) 186
1.11.2 직선형 프레즈넬 집열장치(LFR, Linear Fresnel Reflector) 188
1.11.3 타워형 태양열 집열장치(SPT, Solar Power Towers) 190
1.11.4 포물선 접시형 집열장치(PDC, Parabolic Dishes Collector) 191
1.11.5 집중화 태양열 발전(CSP, Concentrated Solar Power)의 비교 192
1.11.6 태양열 발전의 장점과 단점 195
1.12 태양열 발전 기술의 분석 195
1.12.1 국외의 태양열 발전 195
1.12.2 국내의 태양열 발전 197
참고문헌 198

제2장 태양광에너지 201
2.1 개요 201
2.1.1 태양광 에너지의 활용 201
2.1.2 태양광 발전의 역사 202
2.1.3 태양광 발전의 종류 203
2.2 태양광 cell과 어레이(photovoltaic cell and array) 206
2.2.1 Solar cell의 구조 207
2.2.2 태양광 모듈(solar module)의 구조 210
2.2.3 태양광 패널(solar panel)과 어레이(array) 216
2.3 태양광 발전의 원리 217
2.3.1 Solar cell의 발전원리 217
2.3.2 PV 셀의 전류-전압곡선 220
2.3.3 PV 셀의 특성 222
2.4 태양광 셀 소재 226
2.4.1 태양전지의 소재별 종류 226
2.4.2 제1세대-결정질 실리콘 소재(crystalline silicon material) 227
2.4.3 제2세대-박막형 PV 셀(thin film PV cell) 229
2.4.4 제3세대 태양전지 소재 232
2.4.5 PV 셀 소재별 효율 236
2.4.6 결정질 실리콘 PV셀의 제조 239
2.5 태양광 발전제어 및 저장장치 243
2.5.1 충전장치(battery, battery bank) 243
2.5.2 충전제어장치(charge controller) 246
2.5.3 PCS(Power Conditioning System) 및 DA/AC inverter 249
2.5.4 적산전력량계 혹은 전력계량기(meter or counter) 250
2.5.5 과전류 차단기(circuit breaker) 251
2.5.6 접속함(combiner box) 251
2.6 태양광 발전설비의 연결 251
2.6.1 태양광 모듈의 연결 251
2.6.2 태양광 발전시스템의 구성 252
2.7 소형 태양광 발전시스템의 구성 예시 253
2.7.1 사용 부하의 결정 253
2.7.2 태양광 모듈의 출력 전압과 전류 254
2.7.3 상용 태양광 모듈 255
2.7.4 상용 battery의 선정 257
2.7.5 충전제어기(Charge Controller)의 선정 257
2.7.6 DC/AC Inverter(전력변환장치) 258
2.7.7 가정용 계통연계형 PV 시스템 259
2.8 태양광 설치와 종류 259
2.8.1 태양광 패널 설치의 구분 259
2.8.2 건축물에의 설치 방식 261
2.8.2 지상설치형 262
2.8.3 수상설치형 262
2.8.4 수송기기 설치형 263
2.8.5 태양광 발전의 설치 및 활용 예시 264
2.9 태양광 발전단지 조성 266
2.9.1 태양광 발전사업 입지 선정[38] 267
2.9.2 환경영향 평가 및 주민수용성 문제 269
2.9.3 태양광 발전사업 제도적 진행절차 270
2.10 태양광 발전기술 및 시장[13] 273
2.10.1 해외 현황 273
2.10.2 국내 현황 275
2.11 태양광 관련 인증 277
참고문헌 277

제3장 풍력에너지 279
3.1. 바람의 발생 279
3.2 풍력에너지와 풍력발전의 역사 280
3.3 풍력에너지(wind energy)의 생성 283
3.3.1 바람의 운동에너지의 변환 283
3.3.2 풍력에너지와 풍황 285
3.4 풍력발전단지 290
3.4.1 풍력발전단지의 조건 291
3.4.2 육상풍력발전단지(onshore wind farm) 293
3.4.3 해상풍력발전단지(offshore wind farm) 293
3.5 풍력발전기(wind power generator) 296
3.5.1 풍력발전기의 정의 297
3.5.2 풍력발전기의 종류와 특징 297
3.5.3 풍력발전기의 구조 302
3.5.4 블레이드(wind turbine blades) 303
3.5.5 드라이브 트레인(drive train)과 증속기(gearbox) 310
3.5.6 기타 요소부품 314
3.5.7 발전기(generator) 315
3.5.8 전력변환장치(Power Converter System 혹은 Power Conditioning System) 318
3.6 풍력발전기의 효율과 성능 319
3.6.1 출력계수(power coefficient) 320
3.6.2 추력과 토크(thrust와 torque) 323
3.6.3 솔리디티(solidity) 324
3.6.4 주속비 또는 선단속도비(tip speed ratio) 325
3.6.5 출력곡선(power curve) 326
3.6.6 풍력발전기의 제어(control of wind turbine) 326
3.6.7 가동률과 이용률 및 발전량 329
3.6.8 풍력터빈의 인증 및 성능평가 331
3.6.9 소형 풍력발전(small wind power) 334
3.7 풍력에너지 국내외 현황 337
3.7.1 국제적 현황 337
3.7.2 국내의 현황 339
참고문헌 344

제4장 수력에너지 345
4.1 수력발전(Hydropower, hydroelectric power) 345
4.2 수차(water wheel)의 활용과 원리 345
4.2.1 하사형 수차(undershot wheel) 345
4.2.2 상사형 수차(overshot wheel) 346
4.2.3 피치백형 수차(pitchback wheel) 346
4.2.4 브레스트샷형 수차(breastshot wheel) 347
4.3 수력발전의 원리와 구성 348
4.3.1 수력발전소의 구성 349
4.3.2 수력발전소의 종류 350
4.4 터빈의 종류 352
4.4.1 충동식 터빈(impulse turbine) 353
4.4.2 반동식 터빈(reaction turbine) 353
4.5 주요터빈의 종류 353
4.5.1 펠톤 터빈(Pelton turbine) 353
4.5.2 프란시스 터빈(Francis turbine) 354
4.5.3 프로펠러 및 카플란 터빈(Kaplan turbine) 355
4.5.4 벌브 터빈(bulb turbine) 357
4.5.5 S-type tubular turbine(원통형 터빈) 357
4.5.6 피트 설치형 터빈(pit turbine) 358
4.5.7 데리아즈 터빈(Deriaz turbine) 359
4.5.8 튜고 터빈(Turgo turbine) 359
4.5.9 크로스 플로우 터빈(횡류터빈, CFT, Cross-Flow Turbine) 359
4.6 수력용 터빈의 종류별 활용예시 361
4.7 수력발전 용량에 따른 구분 362
4.8 수력발전소의 설치 장소의 조건 363
4.9 수력발전용 발전기 363
4.10 수력발전의 장단점 363
4.10.1 장점 363
4.10.2 단점 364
4.11 국내외 수력발전소의 현황 364
4.11.1 대수력발전?양수발전?소수력발전 366
4.12 국내 수력발전 개발과 현황 367
4.13 국외 수력발전소 현황 369
4.14 세계 수력발전과 타 에너지원과의 비교 370
4.15 국내외 수력발전 기술개발과 전망 371
참고문헌 372

제5장 지열에너지 375
5.1 개요 375
5.2 냉동의 원리(principle of refrigeration) 377
5.2.1 상전이(상태 변화)의 원리(principle of phase transition) 378
5.2.2 냉매(Refrigerant) 379
5.3 냉장고의 구조와 원리 380
5.3.1 압축-응축-팽창-증발 사이클 381
5.4 에어컨의 작동원리 381
5.4.1 몰리에르 선도(Mollier diagram) 382
5.5 히트펌프(heat pump) 혹은 열펌프 383
5.5.1 히트펌프의 발전 384
5.5.2 공기 열원 히트펌프(ASHP, Air-Source Heat Pump) 385
5.5.3 지열원 히트펌프(GSHP, Ground-Source Heat Pump) 388
5.6 지열발전(geothermal power) 393
5.6.1 직접 건증기 지열발전(direct dry steam geothermal power plant) 394
5.6.2 플래쉬 지열발전(flash steam geothermal power plant) 395
5.6.3 바이너리 지열발전(binary geothermal power plant, ORC-Organic Rankine Cycle) 396
5.6.4 복합사이클 지열발전(geothermal combined-cycle plant) 398
5.7 국내외 지열에너지 기술개발과 시장현황 399
5.7.1 해외 히트펌프 기술 및 시장현황 399
5.7.2 국내 히트펌프 기술 및 시장현황 401
5.8 지열발전의 기술 및 시장현황 403
5.8.1 국내현황 403
5.8.2 지열발전 국외현황 403
5.8.3 증진형 지열시스템(EGS, Engineered/Enhanced Geothermal System) 406
참고문헌 408

제6장 해양에너지 411
6.1 개요 411
6.2 파력발전(wave power generation) 411
6.2.1 진동수주형 파력발전(oscillating water column wave generation) 412
6.2.2 가동물체형 파력발전(oscillating body wave generation) 415
6.2.3 월파(월류)형 파력발전(overtopping 혹은 run-up wave generation) 417
6.2.4 회전수류형 파력발전(wave-induced swirl water chamber wave power generation) 419
6.2.5 파력발전 장단점 420
6.2.6 국내의 연구 동향 422
6.2.7 국제동향 423
6.3 해류발전과 조류발전(ocean and tidal current power generation) 425
6.3.1 조류 및 해류발전(tidal current/stream and ocean current power) 427
6.3.2 조류?해류발전(tidal current와 ocean current power)의 국제적 현황 428
6.3.3 조류/해류발전 기술개발 국제동향 분석 437
6.3.4 국내 기술개발 현황 438
6.4 조력발전(tidal range power) 443
6.4.1 조력발전의 원리 444
6.4.2 조력 발전용 터빈과 발전기의 종류 444
6.4.3 Tidal Lagoon Power Generation(인공호수형 조력발전) 449
6.4.4 조력발전의 장단점 450
6.5 해수염도차발전(Salinity Gradient Power) 451
6.5.1 압력지연 삼투발전(PRO, Pressure Retarded Osmosis power) 452
6.5.2 역전기투석발전(RED, Reversed Electro Dialysis power) 453
6.5.3 해수염도차 발전의 현황 및 발전방향 455
참고문헌 456

제7장 수열에너지 461
7.1 개요 461
7.2 수열에너지의 정의 461
7.3 수열에너지와 히트펌프 465
7.4 담수 활용 히트펌프 465
7.4.1 담수 SWHP의 응용 467
7.4.2 국내 활용 예시 468
7.5 해수 활용 히트펌프 471
7.5.1 해외 적용사례 471
7.5.2 국내 적용 예시 472
7.6 해양(해수)온도차발전(OTEC, Ocean Thermal Energy Conversion) 474
7.6.1 해수온도차발전의 역사 474
7.6.2 해수온도차 발전의 원리 476
(1) 작동유체 480
(2) 증발기 및 응축기 481
(3) 터빈과 발전기 481
7.6.3 열전소자 방식 해수온도차발전 482
7.6.4 OTEC의 기술적 한계 및 단점 483
7.6.5 OTEC의 국내외 개발 현황 484
참고문헌 487

제8장 바이오에너지 489
8.1 개요 489
8.1.1 바이오매스의 정의와 종류 490
8.1.2 바이오매스와 바이오에너지 491
8.1.3 바이오에너지의 특성과 장단점 492
8.2 바이오 액체연료와 제조기술 492
8.2.1 당질계 바이오에탄올 495
8.2.2 전분계 바이오에탄올 497
8.2.3 목질계 바이오에탄올(lignocellulose ethanol) 499
8.2.4 바이오디젤(biodiesel) 503
8.3 조류계 바이오연료 506
8.3.1 조류(algae) 원료 506
8.3.2 조류 바이오에탄올(algae bioethanol) 510
8.3.3 해조류 바이오디젤(algal diesel) 512
8.3.4 조류 활용 바이오수소(bio-hydrogen by algae) 514
8.3.5 조류 활용 바이오메탄(biomethane by algae) 516
8.4 제4세대 바이오연료 517
8.5 바이오가스(bio-gas) 519
8.5.1 바이오가스의 원료 520
8.5.2 바이오가스의 생산공정 520
8.5.3 바이오가스의 일반공정 522
8.6 국내의 바이오메스 활용 바이오가스 설비의 예시 525
8.6.1 음식물 쓰레기 활용 바이오가스 설비의 예시 525
8.6.2 가축분뇨 활용 바이오가스 설비의 예시 526
8.6.3 병합처리공정 527
8.6.4 국내의 음식물류 폐기물 처리현황 527
8.7 바이오 고형연료(bio-solid fuel) 529
8.7.1 개요 및 정의 529
8.7.2 목질계 펠릿의 원료 530
8.7.3 목질계 펠릿의 제조공정 534
8.7.4 목질계 펠릿의 장단점 537
8.7.5 목질계 펠릿의 국내외 동향 및 시장 537
참고문헌 540

제9장 폐기물에너지 543
9.1 개요 543
9.2 폐기물에너지 공급원료 544
9.3 도시 고형 페기물(MSW, Municipal Solid Waste) 546
9.4 폐기물에너지 기술 548
9.4.1 소각(incineration 혹은 direct combustion) 및 소각열 회수 548
9.4.2 가스화 기술(gasification technology) 556
9.4.3 고형 폐기물 연료기술(SRF, Solid Refuse Fuel technology) 564
9.4.4 고형 폐기물 열분해(유화) 기술(MSW pyrolysis technology) 575
9.5 하수슬러지 연료(sewage slurry fuel) 579
9.6 LFG(Landfill Gas, 매립가스) 582
9.6.1 LFG 개요 582
9.6.2 LFG의 생성 582
9.6.3 LFG의 포집공정 586
9.6.4 LFG의 정제공정 587
9.6.5 활용 분야 590
9.7 기타 폐기물 관련 이슈 591
9.7.1 흑액(black liquor) 591
9.8 폐기물에너지 기술의 국내외 현황 593
9.9 바이오·폐기물에너지의 REC현황 595
참고문헌 596

제4편 신재생에너지와 미래생활 599

제1장 화석연료와 지구온난화 601
1.1 탄소경제 601
1.1.1 화석연료시대 601
1.2 이산화탄소 배출과 기후변화 602
1.2.1 온실가스의 배출현황 602
1.2.2 지역별 이산화탄소 배출량 604
1.2.3 분야별 이산화탄소 배출량 604
1.3 기후변화(climate change) 606
1.3.1 온실가스와 온실효과 607
1.3.2 온실효과의 결과 608
1.3.3 기후변화 대응 610
1.4 화석연료의 특성 612

제2장 신재생에너지와 미래비전 615
2.1 신재생에너지의 역할 615
2.1.1 신재생에너지의 출발 615
2.1.2 신재생에너지의 중요성 616
2.1.3 신재생에너지의 과제 619
2.1.4 신재생에너지와 폐기물에너지 619
2.2 저탄소경제와 수소경제 620
2.2.1 신재생에너지와 수소경제사회 621
2.2.2 수소가스와 연료전지 623
2.2.3 수소경제사회 626
2.2.4 미래형 재생에너지 냉난방 시스템 631
참고문헌 635

부록: 신재생에너지관련 법규 및 재생에너지 발전사업 절차 요약 637
Ⅰ. 에너지 관련 법 주요내용 638
Ⅱ. 에너지 수요관리 및 신재생보급 관련 정책 수단별 법적근거 일람표 641
Ⅲ. 재생에너지 인허가 관련법 및 절차(태양광 및 풍력) 643
Ⅳ. 태양광 패널과 설치에 관한 인증 648

색인 653
영문 653
국문 657