초록 ▼

1세부과제 : 분산형 가상 다중발전 에너지수요관리 기술개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
■ 배경
·정부에서는 제 2차 에너지공급 기본계획을 통해 ICT 기술을 활용한 분산형 전원 기반의 수요관리형 정책으로의 전환 천명
·정부의 온실가스 감축 목표 실행을 위한 온실가스 배출권 거래제 제 1차 계획기간 "국가 배출권 할당계획 발표에 따라 배출권 거래제의 조기 도입에 따른 실효적인 대응 방안 수립의 필요성 대두
·단순한 에너지 분야에 대한 스마트 에너지관리 솔루션 개발의 관점에서 벗어나

1세부과제 : 분산형 가상 다중발전 에너지수요관리 기술개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
■ 배경
·정부에서는 제 2차 에너지공급 기본계획을 통해 ICT 기술을 활용한 분산형 전원 기반의 수요관리형 정책으로의 전환 천명
·정부의 온실가스 감축 목표 실행을 위한 온실가스 배출권 거래제 제 1차 계획기간 "국가 배출권 할당계획 발표에 따라 배출권 거래제의 조기 도입에 따른 실효적인 대응 방안 수립의 필요성 대두
·단순한 에너지 분야에 대한 스마트 에너지관리 솔루션 개발의 관점에서 벗어나, 도심화 심화에 따른 메가 시티(Mega City) 단위의 지속가능한 거주 및 생활 환경 유지를 위한 물, 식량, 연료, 에너지, 대기환경 등의 조건을 충족시킬 수 있는 융·복합 개념의 스마트 도심 운영 시스템 개발로 추세가 변화되고 있음.
■ 필요성
·에너지프로슈머 기반의 신산업 발굴과 제2차 에너지기본계획의 주요 근간인 수요관리 중심의 에너지정책 전환 기조에 부합할 수 있는 ICT 기반 분산형 에너지수요관리 기술개발의 필요성
·도심지 및 산업단지 수요처를 고려한 컴팩트한 신개념 대용량 열에너지 저장기술 개발을 통해 에너지수요관리 효율성 개선 방안 마련의 필요성
·국가적 에너지수급 안정 및 온실가스 감축 규제 대응을 효과적으로 달성하기 위한 1)에너지 이용 효율개선, 산업 경쟁력과 직결되는 온실가스 감축 목표 및 배출권 거래제 도입에 따른 2)국가 온실가스 저감 방안 수립, 그리고 제조산업을 포함하는 산업계의 3)에너지수요관리 기반의 신 산업 육성 정책에 부합할 수 있는 보급 모델 확립의 필요성에 대응하기 위한 스마트 에너지수요관리 기술의 획기적인 기술 프레임의 변화가 요구됨.

2세부과제 : 중·저온 폐열 활용을 위한 열화학 열저장 기반 열택배용 열저장 장치 개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
- 최근 에너지의 질적 수요관리에 대한 관심이 높아지면서 Energy mapping을 통해 전체 에너지 공급-수요 체계내 엑서지 손실을 최소화하는 여러 시도가 이루어지고 있음
- 산업체에서 발생하는 폐열을 활용함에 있어 수요처와 연계가 필수적이나 거리에 따른 배관설치비용 대비 수익성으로 인해 공급 영역이 제한되고, 열생산 시점과 열수요 시점이 일치하기 어려움으로 인해 산업단지 구입 에너지의 11.7%가 폐열의 형태로 버려지고 있음
- 이러한 폐열원-수요처간 공간적 제약을 극복하면서도 생산-수요 시점 불일치의 시간적 제약을 극복하기 위한 방법으로서 열을 저장해 수요처까지 이동시켜 사용하는 방식의 수송형 열저장장치를 이용할 수 있음
- 수송형 열저장장치는 배관네트워크 없이도 수요처를 연계할 수 있는 효과적인 방법이나 기존 현열/상변화 물질을 이용하는 경우 편의성 확보 대비 낮은 열저장밀도로 인한 부피증가와 거리에 따른 열손실 증가에 따른 경제성 저하 문제가 있음
- 상기의 문제를 해결하는 방안 중 하나로 최근 유럽의 여러 연구기관에서는 열화학열저장 물질을 이용한 축열/방열 시스템에 대한 연구가 이루어지고 있음
- 열화학열저장(Thermochemical heat storage)은 기존 단일물질의 현열이나 상변화를 이용하는 방식과 달리 두 물질의 분리 결합에 의해 발생하는 흡착/탈착반응 또는 화학반응 에 의한 발열 또는 홉열 현상을 이용
* 흡착/탈착 반응(Chemical adsorption/desorption: 경계면에서 용질분자가 고체표면의 계면에 붙거나 떨어져 나가는 현상
* 화학반응(Chemical reaction： 물질의 재배열에 따른 새로운 물질이 생성되는 현상
- 이는 기존 현열이나 상변화방식에 비해 수배 ~ 수십배의 높은 열저장밀도로 동일 축열량에서 작은 부피로 수송이 가능하며，두 가지 물질의 분리결합을 축/방열에 이용하는 방식이므로 물질을 분리시켜놓으면 열손실이 발생하지 않아 폐열을 발생시마다 저장해 놓았다가 수요처 요청시 이송하여 사용하는 수송형 열저장장치(열택배) 시스템을 구성하는데 용이함
- 최근 유럽의 연구기관을 중심으로 중저온 폐열의 열이송 분야，고온태양열의 야간발전 분야, 화학 히트펌프 분야로 연구가 이루어지고 있으며, 세부 연구분야는 아래와 같음
* 활용 온도대에 맞는 축열 물질 선정
* 높은 열저장 밀도 확보 방안 및 이를 뒷받침하는 시스템 구조
* 장기 반복사용에 열화되지 않는 축열 소재 기술 개발
* 재료 특성에 맞는 축열 시스템 개발
* 열저장/열방출 성능 평가

3세부과제: KIER 열에너지 네트워크 기반 냉난방 기술 개발 (Ⅱ)
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
KIER 통합에너지 모니터링 시스템 운영을 통해 2015년부터 각 연구건물 별 전력에너지와 열에너지 데이터가 저장되고 있다. 이러한 에너지 사용 히스토리는 건물에너지 사용 모델의 검증에 있어 중요한 참고자료로 활용될 수 있다. 또한 다년간의 에너지 사용 정보는 거주자 패턴 분석 연구에 있어서도 중요한 검증자료가 된다. 서로 다른 에너지 설비간의 네트워크 구축은 국내에 사례가 부족하기 때문에 이에 대한 실증 운전 결과는 향후 발전소와 도심간의 네트워크,산업단지와 상업지구간의 네트워크 등 광대역 네트워크 설계에 있어 주요한 참고자료가 된다. 미활용열을 이용한 냉난방 열생산 네트워크는 통합 모니터링 환경하에서 제어가 되도록 구현이 되었기에 EMS에 쉽게 적용이 될 수 있다.

4세부과제 : 사물인터넷(loT)용 고효율 자가발전 전원장치 개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
[사물인터넷(loT) 시대 도래]
► 기후 변화 대응에 발맞추어 에너지 효율적 사용을 위한 기술로 사물인터넷(Internet of Things, loT)의 중요성이 부각되고 있음.
► 사물인터넷(loT)란 사물에 센서를 부착해 필요한 정보를 실시간으로 주고받는 기술이나 환경을 의미함. 이미 건물효율 및 공장지대(예. 포스코)에서의 효율적인 에너지 사용을 위해 loT기술을 적용하고자 하는 노력이 시작되고 있음.
► 사물인터넷은 기본적으로 다량의 센서를 설치하여 많은 정보를 처리해야 하므로 효율적 운영을 위해서는 무선센서네트워크(Wireless Sensor Network,WSN) 구성이 필수적임.
► WSN을 구성하기 위해서 가장 큰 숙제 중 하나는 각 센서의 전원 공급 문제를 해결하는 것으로 현재는 재래식 배터리를 사용하고 있음.
► 하지만 재래식 전지의 가장 큰 문제는 사용 수명이 짧고 센서의 기능 유지를 위하여 지속적으로 충전하거나 주기적으로 교체해 주어야하기 때문에 WSM 구성에 있어 10년 이상 장기간 사용이 가능하며 저온 및 고온 환경에서도 무리가 없는 전원 공급 장치의 개발이 필수적임.
► 이러한 문제를 해결하기 위하여 에너지 하베스팅 소자의 연구가 국내·외적으로 활발히 진행되고 있지만 기존의 energy harvesting device는 압전효과(Piezoelectric effect) 또는 열전효과(Thermoelectric effect)와 같이 하나의 에너지원을 이용하여 전기를 만들어 내는 소자들로 무선 센서네트워크를 구현하기에는 어려움.
► 따라서, 본 연구과제는 사물인터넷의 센서에 필요한 전력 문제를 해결하기 위하여 (1)MEMS/NEMS 기술을 이용한 하이브리드 에너지 하베스팅 기술과 (2) 마이크로-슈퍼커패시터 기술을 융합 개발하여 장기간 무보수로 사용 가능한 ‘고효율 자가발전 전원 공급 장치’를 개발하는데 그 목적이 있음.

[에너지 하베스팅,Energy Harvesting]
► 에너지 하베스팅이란,주변 환경에서 낭비되는 또는 버려지는 에너지를 이용하여 전기에너지로 바꾸는 청정 에너지 기술임.
► 예로부터,태양전지,풍력 및 조력 발전 등 자연환경에서 발생되는 빛,바람,조수 간만의 차 등의 자연 현상을 이용한 에너지 발전 장치들이 개발되어 사용화가 진행 중. 그러나 이러한 발전 장치는 부피가 크고 휴대가 불가능하며 에너지 발전에 필요한 에너지원의 지속적인 공급 문제를 드러내고 있음.
► 이미 상용화가 진행된 태양 전지를 제외하면 나머지 기술들의 산업화 및 상용화는 아직 미미한 상황임. 각각의 에너지 하베스팅 기술은 효율과 출력 값에서 차이를 보이기 때문에 사용되는 분야에서도 차이가 발생함. 출력 값이 높은 태양 전지의 경우 주로 배터리를 충전시키는 용도로 활용되며,압전 재료의 경우 변환 효율이 높고 출력 값이 몇 mW정도이기 때문에 체내 삽입형 의료기기 또는 무선 센서 노드 등에 적합.
► 최근 에너지 하베스팅 기술은 기술 성숙도가 높고 상용화가 진행된 Photovoltaic 과 Piezoelectric vibration 기술이 대부분을 차지하고 있고 다음으로 Thermoelectric 소자가 많이 활용되고 있음.
► Cymbet 사는 기존 IC 와 함께 패키징할 수 있고,화학적인 위험요소가 없는 친환경적인 Rechargeable Solid state battery 인 “EnerChip”을 개발
► Energy harvesting 기술은 현재 미국과 일본을 중심으로 가장 많은 연구를 진행 중,그 예로 압전 및 진동을 이용한 energy harvesting 기술은 교량 및 도로 등 사회 기반 시설에 이용 중이며,사람의 보행을 통한 압전 발전으로 확대
► 일본에서는 통행이 많은 지하철 개찰구에 압력 센서를 설치하여 통행시의 압력에너지를 전기로 변환하여 활용하고 있으며 이스라엘은 도로에 센서를 설치하여 차량의 압력 에너지를 이용하여 전기로 활용하고 있음.
► 미국에서는 압전 센서를 군화에 부착하여 사람의 보행시마다 발전이 되는 군화발전기를 연구하고 있으며 캐나다에서는 인간의 관절 운동을 에너지로 변환시키는 연구를 진행 중
► 최근 일본의 Fujitsu Lab. Ltd.에서 하나의 device에서 두 개의 에너지원인 열과 빛을 이용하여 harvesting하는 기술을 선보였으며 미국의 Georgia Tech에서 빛과 진동을 이용한 nano-generator를 발표

[고에너지밀도 축전 장치]
► 센서의 소형화에 발맞춰 전원 공급 장치(배터리)도 매우 얇아지기 위해 노력 중이나,현재 주로 사용되는리튬배터리의 구조로는 소형 전자기기에 적용하기엔 어려움이 있음. 이를 극복하기 위해 개발된 리튬박막전지가 있으나,단위부피당 충전능력이 일반리튬배터리보다 떨어지고 제조원가는 3배나 높으며,리튬을 포함하는 특성상 선천적 위험성을 내포하고 있음.
► 현재 박막전지는 미국의 Oak Ridge National Lab.에서 개발된 개념을 기반으로 상용화가 시작된 만큼 박막전지 원천기술 및 박막전지 분야의 주요 선도업체는 미국에 근거를 두고 있는 상태이므로, 원천기술 확보면에서 어려움이 존재.
► 센서 노드 및 소형 전자기기의 장시간 사용을 위해 배터리의 용량을 증대시키기 위한 많은 노력들이 현재 이루어지고 있음. 또한,최근 연구결과들에서 보여 지는 것처럼 나노물질을 이용한 슈퍼커패 시터의 에너지밀도가 납축전지 수준까지 올라온 것으로 보아,충분히 도전 가능한 목표임(Ruoff et al., Science, 332 (6037) 1537-1541 (2011) / Li et al., Science, 341 (6145) 534-537 (2013) / Chen et al., Scientific Reports, 3, 1408 (2013)).

5세부과제 : 100kW급 저온폐열 유기랭킨사이클 발전 시스템 현장 실증
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
저온의 폐열을 이용하는 유기랭킨사이클의 시장규모는 지속적으로 증가하고 있으며, 국내에서도 유기랭킨사이클 발전시스템을 상용화하기 위한 노력이 계속되고 있다. 본 과제를 통하여 확보한 경험은 유기랭킨사이클 발전시스템 상용화에 큰 도움이 될 것이다.

Abstract ▼

3.Development of cooling and heating technology for KIER thermal energy network (Ⅱ)
Ⅳ. Result and Recommendations
After the installation of total energy monitoring infra of KIER, the electricity consumption data and thermal energy related data have been accumulated in energy database since 201

3.Development of cooling and heating technology for KIER thermal energy network (Ⅱ)
Ⅳ. Result and Recommendations
After the installation of total energy monitoring infra of KIER, the electricity consumption data and thermal energy related data have been accumulated in energy database since 2015. These accumulated data have importance in verification of building energy models, user pattern models, design of energy storage system, etc. There is few research activities for wide-range thermal energy network researches in Korea. Therefore, the demonstration results of the plant network of KIER will be used as the starting point to design wide-range network. The unused thermal energy network which is developed in this project can be controlled through ethernet-based protocol. Therefore it would be easily modified to cope with other Energy Management System.

5. On-Site Demonstration of lOOkW Class ORC Power- Generator
Ⅳ. Result and Recommendations
The market of organic Rankine cycle using low temperature waste heat is continuously increasing,and efforts to commercialize organic Rankine cycle power generation system in Korea are continuing. The experience gained through this project will be of great help in commercializing the organic Rankine cycle power generation system.

목차 Contents

• 표지 ... 1제 출 문 ... 3목차 ... 5I 분산형 가상 다중발전 에너지수요관리 기술 개발 ... 7 목차 ... 9 I 일반현황 ... 11 II 과제의 목표 및 내용 ... 12 III 추진 전략 ... 15 IV 추진 실적 ... 18 V 향후 계획 ... 82II 중·저온 폐열 활용을 위한 열화학 열저장 기반 열택배용 열저장 장치 개발 ... 83 목차 ... 85 I 일반현황 ... 87 II 과제의 목표 및 내용 ... 88 III 추진 전략 ... 90 IV 추진 실적 ... 92 V 향후 계획 ... 121III KIER 열에너지 네트워크 기반 냉난방 기술 개발 (II) ... 123 요 약 문 ... 125 SUMMARY ... 127 CONTENTS ... 129 목차 ... 131 그림목차 ... 132 표목차 ... 134 제 1 장 서 론 ... 135 제 2 장 KIER 에너지 센터 ... 140 제 3 장 플랜트 열에너지 네트워크 실증 ... 151 제 4 장 미활용열 연계 열에너지 네트워크 실증 ... 164 제 5 장 결 론 ... 179 참 고 문 헌 ... 180IV 사물인터넷(IoT)용 고효율 자가발전 전원장치 개발 ... 181 목차 ... 183 I 일반현황 ... 185 II 과제의 목표 및 내용 ... 186 III 추진 전략 ... 190 IV 추진 실적 ... 193 V 향후 계획 ... 216V 100kW급 저온페열 유기랭킨사이클 발전 시스템 현장 실증 ... 217 요 약 문 ... 219 SUMMARY ... 220 CONTENTS ... 223 목차 ... 224 그림목차 ... 225 표목차 ... 226 제 1 장 서 론 ... 227 제 2 장 본 론 ... 232 제 3 장 결 론 ... 254 참 고 문 헌 ... 255끝페이지 ... 255