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에너지 효율

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목차

1. 개요

에너지 효율은 에너지 변환 과정에서 투입된 에너지 대비 유용하게 사용되는 에너지의 비율을 의미한다. 이는 0에서 1.0 사이의 무차원 수로 표현되며, 냉장고나 열펌프와 같이 열을 이동시키는 장치에서는 성능 계수(COP)를 사용하기도 한다. 에너지 효율은 전기 효율, 기계적 효율, 열효율, 광효율 등 다양한 형태로 나타나며, 화학적 변환, 광학 시스템, 발전, 엔진, 배터리 등 다양한 분야에서 적용된다. 에너지 효율은 다양한 에너지 변환 과정과 장치에 따라 다르며, 발전, 에너지 저장, 엔진, 가전제품 등에서 다양한 효율 값을 보인다.

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에너지 효율
지도 정보
개요
정의유용한 출력과 투입의 비율
다른 명칭에너지 효율성
측정
방식에너지의 유용한 형태의 출력 비율
효율성 표현비율이나 백분율로 표시
범위0에서 1 사이 (또는 0%에서 100%)
이상적인 효율1 (또는 100%)
실제 효율1보다 낮음 (100%보다 낮음)
활용 분야
예시전기 모터
전구
히터
중요성에너지 소비 및 환경 영향 감소
에너지 변환 효율
에너지 변환에너지 형태의 변화 과정
효율 계산변환된 에너지량과 투입된 에너지량의 비율
효율 감소 요인열과 같은 에너지 형태의 손실
에너지 사용 효율
정의특정 목적을 달성하기 위해 에너지 사용을 최적화하는 정도
중요성에너지 소비를 줄이고 비용을 절감
실천 방법더 효율적인 장비 사용
에너지 낭비 줄이기
경제적 중요성
에너지 비용높은 효율성은 에너지 비용 절감
경쟁력효율적인 제품은 시장에서 경쟁력 확보
경제 성장에너지 효율은 지속 가능한 경제 성장에 기여
환경적 중요성
온실 가스 배출에너지 효율 증가는 온실 가스 배출 감소에 기여
지속 가능성에너지 효율은 지속 가능성을 위한 필수 요소
추가 정보
관련 분야열역학, 에너지 관리
관련 기술단열
에너지 효율적인 조명
고효율 모터
정부 정책에너지 효율 증진을 위한 장려금 및 규제

2. 에너지 변환 효율의 정의

에너지 변환 효율은 투입한 에너지와 그 결과로 얻어낸 유용한 출력 에너지의 비율을 의미한다. 에너지를 다른 형태로 변환할 때, 효율은 입력 에너지와 출력 에너지를 동일한 단위(예: 줄(J))로 환산하여 계산한다. 예를 들어, 화력발전에서는 연료의 발열량이 입력 에너지이고, 전기 에너지가 출력 에너지이다. 이때 전기에너지로 변환되지 않은 부분은 폐열에 해당한다.

2008년 전 세계 발전 통계를 보면, 소비 에너지는 4398768ktoe이고, 생산된 전력은 총량(그로스) 기준으로 1735579ktoe (20185TWh), 최종 소비에 공급된 전력은 1446285ktoe (16430TWh)였다.[39] 따라서 총량(그로스) 효율은 39%, 최종 효율은 33%이다.

특정 온도에서 정의된 화학 변환의 깁스 에너지 변화는 그 변화를 일으키는 데 필요한 최소 이론 에너지량(반응물과 생성물 사이의 깁스 에너지 변화가 양수인 경우) 또는 그 변화로부터 얻을 수 있는 최대 이론 에너지량(반응물과 생성물 사이의 깁스 에너지 변화가 음수인 경우)이다. 화학적 변화를 포함하는 공정의 에너지 효율은 이러한 이론적 최소값 또는 최대값과 비교하여 나타낼 수 있다. 특정 온도에서 화학 변환의 엔탈피 변화와 깁스 에너지 변화의 차이는 그 온도를 유지하는 데 필요한 열 입력 또는 열 제거(냉각)를 나타낸다.[5]

연료 전지는 전기분해의 역으로 생각할 수 있다. 예를 들어, 25°C에서 작동하는 이상적인 연료 전지는 기체 수소와 기체 산소를 입력으로, 물(액체)을 출력으로 하여 생성된 물 1그램 몰(18.0154그램)당 237.129kJ (0.06587kWh)의 이론적 최대 전기 에너지를 생산할 수 있으며, 그 온도를 유지하기 위해 생성된 물 1그램 몰당 48.701kJ (0.01353kWh)의 열 에너지를 전지에서 제거해야 한다.[6]

25°C에서 작동하는 이상적인 전기분해 장치는 물(액체)을 입력으로, 기체 수소와 기체 산소를 생성물로 하여 소비된 물 1그램 몰(18.0154그램)당 237.129kJ (0.06587kWh)의 이론적 최소 전기 에너지 입력이 필요하며, 그 온도를 유지하기 위해 소비된 물 1그램 몰당 48.701kJ (0.01353kWh)의 열 에너지를 장치에 추가해야 한다.[6] 이는 1.24V의 전지 전압에서 작동한다.

추가적인 열 에너지 입력 없이 25°C의 일정한 온도에서 작동하는 수전해 장치의 경우, 소비된 물 1그램 몰당 반응의 엔탈피(열) 또는 ()에 해당하는 속도로 전기 에너지를 공급해야 한다.[6] 이는 1.48V의 전지 전압에서 작동한다. 이 전지의 전기 에너지 입력은 이론적 최소값보다 1.20배 크므로 이상적인 전지에 비해 에너지 효율은 0.83이다.

1.48V보다 높은 전압과 25°C의 온도에서 작동하는 수전해 장치는 일정한 온도를 유지하기 위해 열 에너지를 제거해야 하며, 에너지 효율은 0.83보다 낮다.

물(액체)과 기체 수소 및 기체 산소 사이의 큰 엔트로피 차이는 반응의 깁스 에너지와 반응의 엔탈피(열) 사이의 상당한 차이를 설명한다.

2. 1. 에너지 변환 효율의 공식

에너지 변환 효율은 출력의 유용성에 따라 달라진다. 에너지 변환기는 에너지 변환의 한 예이다. 예를 들어, 전구는 에너지 변환기의 범주에 속한다.[4]

:

\eta = \frac{P_\mathrm{out}}{P_\mathrm{in}}



일반적으로 에너지 변환 효율은 0과 1.0, 또는 0%와 100% 사이의 무차원 수이다. 효율은 100%를 초과할 수 없는데, 그렇게 되면 영구 기관이 되어 불가능하다.[4]

그러나 냉장고, 열펌프 및 열을 변환하는 것이 아니라 이동시키는 다른 장치에는 1.0을 초과할 수 있는 다른 효과 측정이 사용된다. 이것은 효율이라고 부르지 않고 COP라고 한다. 이는 필요한 일(에너지)에 대한 유용한 난방 또는 냉방의 비율이다. 더 높은 COP는 더 높은 효율, 더 낮은 에너지(전력) 소비 및 따라서 더 낮은 운영 비용을 의미한다. COP는 특히 열펌프에서 1을 초과하는데, 단순히 일을 열로 변환하는 대신(100% 효율적인 경우 COP가 1이 됨), 열원으로부터 열을 필요한 곳으로 펌핑하기 때문이다. 대부분의 에어컨의 COP는 2.3~3.5이다.[4]

투입한 에너지와 그 결과 얻어낸 출력의 비율을 에너지 변환 효율이라고 한다. 열기관의 에너지 효율은 열효율이라고도 하며, 고온 열원으로부터 들어온 열량을 Q₁영어, 저온 열원으로 배출되는 열량을 Q₂영어라고 하면, 열효율 η영어는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:\eta = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}

반드시 투입한 에너지와 회수(이용)할 수 있는 에너지의 형태가 같은 것은 아니다. 예를 들어, 태양전지의 경우, 수광 에너지에 대한 출력 전기 에너지의 비율로 에너지 효율을 나타내는 경우도 있다. 단, 이 경우에는 변환 효율이라고 하는 경우가 많다.

2. 2. 효율 관련 용어

에너지 변환 효율은 출력의 유용성에 따라 달라진다. 예를 들어, 열역학적 순환 과정에서 일이 원하는 출력인 경우, 연료 연소에서 발생하는 열의 전부 또는 일부는 폐열로 배출될 수 있다. 에너지 변환기는 에너지 변환의 한 예이다. 예를 들어, 전구는 에너지 변환기의 범주에 속한다.

:

\eta = \frac{P_\mathrm{out}}{P_\mathrm{in}}



정의에는 유용성의 개념이 포함되어 있지만, 효율은 기술적인 또는 물리적인 용어로 간주된다. 목표 또는 임무 지향적인 용어에는 효과성과 효능이 포함된다.

일반적으로 에너지 변환 효율은 0과 1.0, 또는 0%와 100% 사이의 무차원 수이다. 효율은 100%를 초과할 수 없는데, 그렇게 되면 영구 기관이 되어 불가능하다.

그러나 냉장고, 열펌프 및 열을 변환하는 것이 아니라 이동시키는 다른 장치에는 1.0을 초과할 수 있는 다른 효과 측정이 사용된다. 이것은 효율이라고 부르지 않고 COP라고 한다. 이는 필요한 일(에너지)에 대한 유용한 난방 또는 냉방의 비율이다. 더 높은 COP는 더 높은 효율, 더 낮은 에너지(전력) 소비 및 따라서 더 낮은 운영 비용을 의미한다. COP는 특히 열펌프에서 1을 초과하는데, 단순히 일을 열로 변환하는 대신(100% 효율적인 경우 COP가 1이 됨), 열원으로부터 열을 필요한 곳으로 펌핑하기 때문이다. 대부분의 에어컨의 COP는 2.3~3.5이다.[4]

열기관과 발전소의 효율에 대해 이야기할 때는 협약, 즉 HHV(총 발열량 등) 또는 LCV(일명 순 발열량)와 총 출력(발전기 단자에서) 또는 순 출력(발전소 울타리에서) 중 어느 것을 고려하는지 명시해야 한다. 두 가지는 별개이지만 둘 다 명시해야 한다. 그렇게 하지 않으면 끝없는 혼란을 야기한다.

관련된 더 구체적인 용어는 다음과 같다.

  • 전기 효율: 소비된 전력당 유용한 전력 출력
  • 기계적 효율: 한 형태의 기계적 에너지(예: 물의 위치 에너지)가 기계적 에너지(일)로 변환되는 경우
  • 열효율 또는 연료 효율: 소비된 연료와 같은 입력 에너지당 유용한 열 및/또는 일 출력
  • ‘총 효율’: 예: 열병합발전의 경우, 소비된 연료 에너지당 유용한 전력 및 열 출력. 열효율과 동일.
  • 광효율: 방출된 전자기 방사선 중 인간의 시각에 사용 가능한 부분.


투입한 에너지와 그 결과 얻어낸 출력의 비율이다. 열기관의 에너지 효율은 열효율이라고도 하며, 고온 열원으로부터 들어온 열량을 Q_1, 저온 열원으로 배출되는 열량을 Q_2라고 하면, 열효율 \eta는

:\eta = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}

로 나타낼 수 있다.

반드시 투입한 에너지와 회수(이용)할 수 있는 에너지의 형태가 같은 것은 아니다. 예를 들어, 태양전지의 경우, 수광 에너지에 대한 출력 전기 에너지의 비율로 에너지 효율을 나타내는 경우도 있다. 단, 이 경우에는 변환 효율이라고 하는 경우가 많다.

3. 화학적 변환 효율

특정 온도에서 정의된 화학 변환의 깁스 에너지 변화는 해당 변화를 일으키는 데 필요한 최소 이론 에너지량(반응물과 생성물 사이의 깁스 에너지 변화가 양수인 경우) 또는 그 변화로부터 얻을 수 있는 최대 이론 에너지량(반응물과 생성물 사이의 깁스 에너지 변화가 음수인 경우)이다. 화학적 변화를 포함하는 공정의 에너지 효율은 이러한 이론적 최소값 또는 최대값과 비교하여 나타낼 수 있다. 특정 온도에서 화학 변환의 엔탈피 변화와 깁스 에너지 변화의 차이는 그 온도를 유지하는 데 필요한 열 입력 또는 열 제거(냉각)를 나타낸다.[5]

효율은 전 공정·기기 등에서의 소비나 손실은 고려하지 않았으며, 에너지 변환 공정·기기에 직접 투입되는 에너지와 출력의 비교이다. 다음 표는 에너지 변환 효율(독일어판) 등을 참고했다.

에너지 변환 효율[44]
변환 형태입력
에너지		유효 출력효율(%)비고
화력 발전 (석탄)화학전력40–53
복합화력발전화학전력50–60연료가 천연가스인 경우
CHP 열병합발전화학전력, 열65-75, <98발전 효율 15~33퍼센트, 종합 효율로 65~75퍼센트가 가능하다.
오토 사이클화학동력10-37
가솔린 엔진 (자동차)화학동력20-51
디젤 엔진화학동력< 50
2행정 저속 디젤화학동력55대형 선박용
펄스 제트화학동력?
터빈 엔진 (항공기)화학동력40
캠프파이어/화로화학열< 15직화이며 조리용 열원으로만 본다면 효율은 좋지 않지만, 동시에 조명, 난방 효과도 있다。
솥화학열？
가스레인지화학열60–70
난로화학열10–30
가스히터화학열80–90
석탄난로 (가정용)화학열30–50
석탄난로 (산업용)화학열80–90
반딧불이화학전자파(가시광선)< 95
전기뱀장어화학전력？
인간의 골격근화학동력20–30
채탄부터 연소까지[43]화학열30–60
광합성에 의한 바이오매스 생산부터 그 연소까지[44]전자파(태양광)화학0.1–2.5


3. 1. 연료 전지와 전기 분해

연료 전지는 전기 분해의 역반응으로 생각할 수 있다. 예를 들어, 25°C에서 작동하는 이상적인 연료 전지는 기체 수소와 기체 산소를 입력으로, 액체 물을 출력으로 하여 생성된 물 1그램 몰(18.0154 그램)당 237.129kJ (0.06587kWh)의 이론적 최대 전기 에너지를 생산할 수 있다. 또한, 그 온도를 유지하기 위해 생성된 물 1그램 몰당 48.701kJ (0.01353kWh)의 열 에너지를 전지에서 제거해야 한다.[6]

25°C에서 작동하는 이상적인 전기분해 장치는 액체 물을 입력으로, 기체 수소와 기체 산소를 생성물로 하여 소비된 물 1그램 몰(18.0154 그램)당 237.129kJ (0.06587kWh)의 이론적 최소 전기 에너지 입력이 필요하며, 그 온도를 유지하기 위해 소비된 물 1그램 몰당 48.701kJ (0.01353kWh)의 열 에너지를 장치에 추가해야 한다.[6] 이는 1.24V의 전지 전압에서 작동한다.

추가적인 열 에너지 입력 없이 25°C의 일정한 온도에서 작동하는 수전해 장치의 경우, 소비된 물 1그램 몰당 반응의 엔탈피(열) 또는 ()에 해당하는 속도로 전기 에너지를 공급해야 한다.[6] 이는 1.48V의 전지 전압에서 작동한다. 이 전지의 전기 에너지 입력은 이론적 최소값보다 1.20배 크므로 이상적인 전지에 비해 에너지 효율은 0.83이다.

1.48V보다 높은 전압과 25°C의 온도에서 작동하는 수전해 장치는 일정한 온도를 유지하기 위해 열 에너지를 제거해야 하며, 에너지 효율은 0.83보다 낮다.

액체 물과 기체 수소 및 기체 산소 사이의 큰 엔트로피 차이는 반응의 깁스 에너지와 반응의 엔탈피(열) 사이의 상당한 차이를 설명한다.

에너지 변환 효율[44]
변환 형태입력
에너지		유효 출력효율 (%)비고
연료 전지화학전력30–70
물의 전기 분해전력화학70


4. 발열량과 효율

유럽에서는 연료의 사용 가능한 에너지 함량을 일반적으로 그 연료의 '''하위 발열량'''(LHV)을 사용하여 계산한다. 이 정의는 연료 연소(산화) 과정에서 생성되는 수증기가 기체 상태로 남고, 액체 물로 응축되지 않아 그 물의 증발 잠열을 사용할 수 없다는 것을 가정한다. LHV를 사용하면 응축 보일러가 "난방 효율"을 100%를 초과하는 수준으로 달성할 수 있다(LHV 규칙을 이해한다면 이는 열역학 제1법칙을 위반하지 않지만 혼란을 야기하기도 한다). 이는 장치가 연료의 하위 발열량 정의에 포함되지 않는 증발열의 일부를 회수하기 때문이다. 미국 및 기타 지역에서는 수증기를 응축하는 잠열을 포함하는 '''상위 발열량'''(HHV)이 사용되므로 열역학적 최대 효율인 100%를 초과할 수 없다.

에너지를 다른 형태로 변환할 경우, 그 효율은 입력 에너지와 출력 에너지를 동일한 에너지 단위로 환산하여 구할 수 있다. 화력발전의 경우, 연료의 발열량이 입력 에너지이고, 전기에너지가 출력 에너지이며, 둘 다 줄(J)로 환산함으로써 효율을 얻을 수 있다. 전기에너지로 변환되지 않은 부분은 폐열에 해당한다. 전 세계 2008년도 발전 실적은 소비 에너지가 석유환산톤(ktoe) 4,398,768킬로톤이고, 생산 전력은 총량(그로스)으로 1,735,579ktoe 상당의 전력(20,185TWh), 최종 소비에 공급된 전력은 1,446,285ktoe 상당의 전력(16,430TWh)이었다.[39] 총량(그로스) 효율은 39%, 최종 효율은 33%가 된다.

5. 광학 시스템의 효율

플래시 튜브에 사용되는 네 가지 다른 기체의 절대 조도. 크립톤이 특정 파장의 빛에서 더 효과적이지만, 제논이 압도적으로 가장 효율적인 기체이다.


조명 및 레이저와 같은 광학 시스템에서 에너지 변환 효율은 종종 벽면 플러그 효율이라고 한다. 벽면 플러그 효율은 총 입력 전력(와트)당 출력 복사 에너지(와트, 즉 초당 줄)를 측정하며, 총 입력 에너지의 백분율로 표시된다.

광 효율은 벽면 플러그 효율과 다르다. 벽면 플러그 효율은 에너지의 직접적인 출력/입력 변환을 설명하는 반면, 광 효율은 인간의 눈이 다른 파장에 대해 다르게 민감하게 반응하는 것을 고려한다. 와트 대신 루멘으로 광원의 출력을 측정한다. 인간의 눈은 555 나노미터(녹황색) 파장에 가장 민감하며, 양쪽으로 민감도가 급격히 감소한다.[4]

광원의 광 효능은 전기에너지를 가시광선 파장으로 변환하는 효율성으로, 와트당 루멘(lm/w) 단위로 측정된다. 효율은 백분율로 표현되는 측정 단위이며, 입력 및 출력 단위가 동일해야 한다. 광원의 광 효율은 특정 파장에서 이론적 최대 효능에 대한 광 효능의 백분율이다. 555 nm 파장에서 1와트의 복사 에너지는 683루멘과 같으므로, 이 파장에서 광 효능이 683 lm/w인 단색 광원은 광 효율이 100%이다. 이론적 최대 효능은 555 nm 양쪽 파장에 대해 낮아진다.

저압 나트륨 램프는 589 nm에서 200 lm/w의 광 효능을 가진 단색광을 생성하는데, 이는 모든 램프 중 가장 높다. 그 파장에서의 이론적 최대 효능은 525 lm/w이므로 램프의 광 효율은 38.1%이다.[7][8] 형광등은 저압 나트륨 램프보다 벽면 플러그 효율이 높지만, 광 효능은 절반 정도이므로, 형광등의 광 효율은 나트륨 램프보다 낮다. 제논 플래시 튜브는 일반적으로 50~70%의 벽면 플러그 효율을 가지지만, 광 효능은 약 50 lm/w이다.

레이저 펌핑의 경우 효능은 인간의 눈과 관련이 없으므로 "광" 효능이라고 하지 않고, 레이저 매질의 흡수선과 관련이 있으므로 단순히 "효능"이라고 한다. 크립톤 플래시 튜브는 Nd:YAG 레이저 펌핑에 자주 선택된다. 크립톤의 스펙트럼 선이 네오디뮴-도핑된 결정의 흡수선과 더 잘 일치하기 때문이다.[9][10]

백열전구와 같은 소수의 광원을 제외하고, 대부분의 광원은 "벽면 플러그"와 최종 광 출력 사이에 여러 단계의 에너지 변환을 거치며, 각 단계마다 손실이 발생한다.[12][13]

5. 1. 벽면 플러그 효율

벽면 플러그 효율은 총 입력 전력(와트)당 출력 복사 에너지(와트, 즉 초당 줄)를 측정한 값이다. 출력 에너지는 일반적으로 절대 조사도로 측정되며, 벽면 플러그 효율은 총 입력 에너지의 백분율로 표시되고, 역 백분율은 손실을 나타낸다.

벽면 플러그 효율은 ''광 효율''과 다르다. 광 효율은 인간의 눈이 다른 파장에 대해 다르게 반응하는 것을 고려하여 공간을 얼마나 잘 비출 수 있는지 나타내는 반면, 벽면 플러그 효율은 에너지의 직접적인 출력/입력 변환, 즉 수행할 수 있는 일의 양을 나타낸다.

백열전구와 같은 소수의 광원을 제외한 대부분의 광원은 "벽면 플러그"(전기 입력 지점)와 최종 광 출력 사이에 여러 단계의 에너지 변환을 거치며, 각 단계마다 손실이 발생한다. "벽면 플러그 효율" 또는 "에너지 변환 효율"이라는 용어는 각 단계의 손실을 공제하여 에너지 변환 장치의 전반적인 효율을 나타내는 데 사용되지만, 냉각 펌프와 같이 일부 장치를 작동하는 데 필요한 외부 구성 요소는 제외될 수 있다.[12][13]

형광등의 벽면 플러그와 광 출력 사이의 여러 단계의 에너지 손실을 보여주는 샌키 다이어그램. 가장 큰 손실은 스토크스 이동으로 인해 발생한다.

5. 2. 광 효율

광 효율은 방출된 전자기 방사선 중 인간의 시각에 사용 가능한 부분을 나타내는 용어이다. 광학 시스템에서 에너지 변환 효율은 종종 벽면 플러그 효율이라고 불리는데, 이는 총 입력 전력(와트)당 출력 복사 에너지(와트, 즉 초당 줄)의 측정치이다.

벽면 플러그 효율은 ''광 효율''과 다르다. 벽면 플러그 효율은 에너지의 직접적인 출력/입력 변환을 설명하는 반면, 광 효율은 인간의 눈이 다른 파장에 대해 다르게 민감하게 반응하는 것을 고려한다. 와트 대신, 인간의 지각에 비례하는 파장을 생성하는 광원의 출력은 루멘으로 측정된다. 인간의 눈은 555 나노미터(녹황색) 파장에 가장 민감하며, 이 파장의 양쪽으로 민감도가 급격히 감소한다.[4] 황색과 녹색은 복사 에너지 측면에서 백색광이 모든 색상의 동일한 부분으로 구성되는 것과 달리, 눈이 백색으로 인식하는 것의 50% 이상을 차지한다.[4] 따라서 광원의 복사 강도는 광도보다 훨씬 클 수 있으며, 램프의 벽면 플러그 효율은 일반적으로 광 효율보다 크다. 전기에너지를 인간의 눈의 민감도에 비례하는 가시광선 파장으로 변환하는 광원의 효율성을 광 효능이라고 하며, 와트당 루멘(lm/w) 단위로 측정된다.[4]

다양한 파장에 대한 인간 눈의 민감도. 각 파장이 1와트의 복사 에너지라고 가정하면, 중앙 파장만 683 칸델라(1와트의 광 에너지), 즉 683루멘으로 인식된다.


효율은 백분율로 표현되는 측정 단위이며, 입력 및 출력 단위가 동일한 유형이어야 한다. 광원의 광 효율은 특정 파장에서 이론적 최대 효능에 대한 광 효능의 백분율이다. 파장이 555 nm인 경우 1와트의 복사 에너지는 683루멘과 같으므로, 이 파장에서 광 효능이 683 lm/w인 단색 광원은 광 효율이 100%이다. 이론적 최대 효능은 555 nm의 양쪽 파장에 대해 낮아진다. 예를 들어, 저압 나트륨 램프는 589 nm에서 200 lm/w의 광 효능을 가진 단색광을 생성하는데, 이는 모든 램프 중 가장 높다. 그 파장에서의 이론적 최대 효능은 525 lm/w이므로 램프의 광 효율은 38.1%이다. 램프가 단색이기 때문에 광 효율은 40% 미만의 벽면 플러그 효율과 거의 일치한다.[7][8]

형광등은 저압 나트륨 램프보다 벽면 플러그 효율이 높지만, 약 100 lm/w의 광 효능의 절반만 가지므로, 형광등의 광 효율은 나트륨 램프보다 낮다. 제논 플래시 튜브는 일반적으로 50~70%의 벽면 플러그 효율을 가지며, 다른 대부분의 조명 방식보다 높다. 플래시 튜브는 많은 양의 적외선과 자외선을 방출하기 때문에 출력 에너지의 일부만 눈에 사용된다. 따라서 광 효능은 일반적으로 약 50 lm/w이다.[4]

레이저 펌핑의 경우 효능은 인간의 눈과 관련이 없으므로 "광" 효능이라고 하지 않고, 레이저 매질의 흡수선과 관련이 있으므로 단순히 "효능"이라고 한다. 크립톤 플래시 튜브는 Nd:YAG 레이저 펌핑에 자주 선택된다. 크립톤의 스펙트럼 선은 네오디뮴-도핑된 결정의 흡수선과 더 잘 일치하므로, 이 목적을 위한 크립톤의 효능은 제논보다 훨씬 높다.[9][10]

백열전구와 같은 소수의 광원을 제외하고, 대부분의 광원은 "벽면 플러그"(전기 입력 지점)와 최종 광 출력 사이에 여러 단계의 에너지 변환을 거치며, 각 단계마다 손실이 발생한다. 저압 나트륨 램프는 처음에 전기 안정기를 사용하여 전기에너지를 변환하지만, 안정기에서 일부 에너지가 손실된다. 형광등도 안정기를 사용하여 전기를 변환한다. 그런 다음 전기는 전기 아크에 의해 광 에너지로 변환된다. 빛은 형광 코팅으로 전달되며, 코팅에서의 반사와 투과로 인해 일부 파장이 손실된다. 코팅에 의해 흡수되는 광자의 수는 형광(양자 효율)으로 재방출되는 광자의 수와 일치하지 않는다. 마지막으로, 스토크스 이동 현상으로 인해 재방출된 광자는 흡수된 광자보다 파장이 길고 에너지가 낮다.[12][13]

5. 3. 광 효능

에너지 변환 효율은 출력의 유용성에 따라 달라지는데, 광 효능은 방출된 전자기 방사선 중 인간의 시각에 사용 가능한 부분을 나타내는 특수한 용어이다.

광학 시스템에서 에너지 변환 효율은 종종 벽면 플러그 효율이라고 불리며, 이는 총 입력 전력(와트)당 출력 복사 에너지(와트, 즉 초당 줄)의 측정치이다. 벽면 플러그 효율은 ''광 효율''과 다른데, 광 효율은 인간의 눈이 다른 파장에 대해 다르게 반응하는 것을 고려한다. 와트 대신, 인간의 지각에 비례하는 파장을 생성하는 광원의 출력은 루멘으로 측정된다.

인간의 눈은 555 나노미터(녹황색) 파장에 가장 민감하며, 이 파장의 양쪽으로 민감도가 급격히 감소한다. 눈은 특정 광원에서 방출되는 모든 파장을 보지 못하며, 가시 스펙트럼 내의 모든 파장을 동일하게 보지도 않는다. 예를 들어, 녹색 레이저 포인터는 동일한 출력의 적색 포인터보다 최대 30배 이상 밝게 보일 수 있다.[7]

광원의 광 효능은 전기에너지를 인간의 눈의 민감도에 비례하는 가시광선 파장으로 변환하는 효율성을 나타내며, 와트당 루멘(lm/w) 단위로 측정된다. 파장이 555 nm인 경우 1와트의 복사 에너지는 683루멘과 같으므로, 이 파장에서 광 효능이 683 lm/w인 단색 광원은 광 효율이 100%이다.

저압 나트륨 램프는 589 nm에서 200 lm/w의 광 효능을 가진 단색광을 생성하는데, 이는 모든 램프 중 가장 높다. 그 파장에서의 이론적 최대 효능은 525 lm/w이므로 램프의 광 효율은 38.1%이다. 램프가 단색이기 때문에 광 효율은 40% 미만의 벽면 플러그 효율과 거의 일치한다.[7][8]

형광등은 저압 나트륨 램프보다 벽면 플러그 효율이 높지만, 약 100 lm/w의 광 효능의 절반만 가지므로, 형광등의 광 효율은 나트륨 램프보다 낮다. 제논 플래시 튜브는 일반적으로 50~70%의 벽면 플러그 효율을 가지며, 다른 대부분의 조명 방식보다 높지만, 광 효능은 일반적으로 약 50 lm/w이다.

레이저 펌핑의 경우 효능은 인간의 눈과 관련이 없으므로 "광" 효능이라고 하지 않고, 레이저 매질의 흡수선과 관련이 있으므로 단순히 "효능"이라고 한다. 크립톤 플래시 튜브는 Nd:YAG 레이저 펌핑에 자주 선택되는데, 이는 크립톤의 스펙트럼 선이 네오디뮴-도핑된 결정의 흡수선과 더 잘 일치하기 때문이다.[9][10]

백열전구와 같은 소수의 광원을 제외하고, 대부분의 광원은 "벽면 플러그"와 최종 광 출력 사이에 여러 단계의 에너지 변환을 거치며, 각 단계마다 손실이 발생한다.[12][13]

6. 에너지 변환 효율의 예시

에너지 변환 효율은 출력의 유용성에 따라 달라지며, 일반적으로 0%에서 100% 사이의 값을 가진다. 효율(η)은 입력 에너지(Pin)에 대한 유용한 출력 에너지(Pout)의 비율로 정의된다.

:\eta = \frac{P_\mathrm{out}}{P_\mathrm{in}}

열역학적 순환 과정에서 일이 원하는 출력이 아닌 경우, 연료 연소에서 발생하는 열의 전부 또는 일부는 폐열로 배출될 수 있다. 효율은 기술적 또는 물리학적 용어이며, 효과성 및 효능과 같은 목표 지향적인 용어와는 구별된다.

냉장고, 열펌프와 같이 열을 변환하는 것이 아니라 이동시키는 장치는 1.0을 초과하는 성능 계수(COP)를 가질 수 있다. 높은 COP는 더 높은 효율, 더 낮은 에너지 소비 및 운영 비용을 의미한다.

열기관과 발전소의 효율을 논할 때는 HHV(총 발열량) 또는 LCV(순 발열량)와 총 출력 또는 순 출력 중 어느 것을 고려하는지 명시해야 한다.

다음은 다양한 에너지 변환 과정 및 장치들의 에너지 효율 예시이다.

변환 과정변환 유형에너지 효율
발전
가스터빈화학 에너지 → 전기 에너지최대 40%
가스터빈 + 증기터빈 (복합 사이클)화학 에너지 → 열에너지+전기 에너지 (열병합발전)최대 63.08%[14]
수력 터빈위치 에너지 → 전기 에너지최대 %[16] (실제 달성)
풍력 터빈운동 에너지 → 전기 에너지최대 50% (단독 HAWT,[17] 이론적 한계 = 59%)
태양전지복사 에너지 → 전기 에너지6~40% (기술에 따라 다름, 15~20%가 가장 일반적)
연료 전지화학 에너지 → 열에너지+전기 에너지 (열병합발전)일반적으로 40~60%, 열병합발전 방식으로 폐열 회수 시 최대 85%[24]
2008년 기준 세계 평균 화석 연료 발전 발전소 [25]화학 에너지 → 전기 에너지총 출력 39%, 순 출력 33%
에너지 저장
리튬 이온 배터리화학 에너지 ↔ 전기 에너지80~90%[26]
니켈-금속 수소화물 배터리화학 에너지 ↔ 전기 에너지66%[27]
납축전지화학 에너지 ↔ 전기 에너지50~95%[28]
양수 발전위치 에너지 ↔ 전기 에너지70~85%[29]
엔진/모터
내연 기관화학 에너지 → 운동 에너지10~50%[30]
전기 모터전기 에너지 → 운동 에너지70~99.99% (> 200W); 50~90% (10~200W); 30~60% (< 10W)
터보팬화학 에너지 → 운동 에너지20~40%[31]
자연 과정
광합성복사 에너지 → 화학 에너지0.1% (평균)[32] ~ 2% (최고);[33] 원칙적으로 최대 6%[34]
근육화학 에너지 → 운동 에너지14~27%
가전제품
가정용 냉장고전기 에너지 → 열 에너지저가 시스템 ~ 20%; 고가 시스템 ~ 40~50%
백열 전구전기 에너지 → 복사 에너지~ 80% 벽면 플러그 효율[35] 0.7~5.1% 광효율[36]
발광 다이오드(LED)전기 에너지 → 복사 에너지4.2~53%[37]
형광등전기 에너지 → 복사 에너지8.0~15.6%,[36] 28%[38]
저압 나트륨등전기 에너지 → 복사 에너지15.0~29.0%,[36] 40.5%[38]
금속 할라이드 램프전기 에너지 → 복사 에너지9.5~17.0%,[36] 24%[38]
스위칭 모드 전원 공급 장치전기 에너지 → 전기 에너지최대 96%
전기 샤워기전기 에너지 → 열 에너지90~95% (발전 효율 고려 필요)
전기 히터전기 에너지 → 열 에너지~100% (발전 효율 고려 필요)
기타
화기화학 에너지 → 운동 에너지~30% (.300 Hawk 탄약)
물의 전기 분해전기 에너지 → 화학 에너지50~70% (이론적 최대치 80~94%)



에너지 변환 효율[44]
변환 형태입력
에너지		유효 출력효율 %비고
화력 발전 (석탄)화학전력40–53
복합화력발전화학전력50–60연료가 천연가스인 경우
CHP 열병합발전화학전력, 열65-75, <98발전 효율 15~33%, 종합 효율 65~75% 가능
원자력 발전[40]원자력전력33
수력 발전역학전력80–90양수발전 효율은 70% 정도
풍력 발전역학전력<59
태양광 발전전자파(태양광)전력5–40보급품 12%~21%[41], 이론 한계 85-90%
MHD 발전 (전자유체 발전)열원전력<30
세계 전체 발전 효율모두전력39종합 효율 33%, 전력 내부 소비, 송전 손실 등으로 감소. 2008년 실적[42]
물의 전기 분해전력화학70
에너지 변환 기계·장치
연료 전지화학전력30–70
열전대열전력3–8
증기 기관열동력3–44
스터링 엔진열동력10–66
오토 사이클화학동력10-37
가솔린 엔진 (자동차)화학동력20-51
디젤 엔진화학동력< 50
2행정 저속 디젤화학동력55대형 선박용
펄스 제트화학동력?
터빈 엔진 (항공기)화학동력40
전기 모터전력동력20–99.5출력 200W 이상 모터: 70% 이상
자전거용 다이나모역학전력20–65고효율 허브 다이나모 존재, 일반 타이어·림식 효율: 20% 전후
발전기역학전력95–99.5
백열 전구전력전자파(가시광선)3–5할로겐 램프 제외
형광등전력전자파(가시광선)28
LED전력전자파(가시광선)5–25
송신기전력전자파(전파)30–80
고전압 송전전력전력95고압송전망, 전선로 거리(길이)에 의존하지 않음(송전 손실 미포함). 다단계 변전소, 주상변압기 변환 효율
스위칭 전원전력전력50–95
변압기전력전력50–99.8
인버터전력전력93–98
스피커전력음파0.1–40일반 하이파이 스피커: 0.3
기어 펌프역학동력< 90
열원
캠프파이어/화로화학열< 15직화, 조리용 열원 효율 낮음. 조명, 난방 효과 동시
솥/화로화학열？
가스레인지화학열60–70
전기레인지전력열50–60
전자레인지전력열83
난로화학열10–30
가스히터화학열80–90
석탄난로 (가정용)화학열30–50
석탄난로 (산업용)화학열80–90
냉장고전력열(냉각)20–50
태양열 패널전자파(태양광)열< 85
담금 히터전력열< 98
자연계
광합성전자파(태양광)화학35
반딧불이화학전자파(가시광선)< 95
전기뱀장어화학전력？
인간 골격근화학동력20–30
기타
채탄부터 연소까지[43]화학열30–60
광합성에 의한 바이오매스 생산부터 연소까지[44]전자파(태양광)화학0.1–2.5


7. 한국의 에너지 효율 정책 및 현황

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참조

[1] 웹사이트 Energy Glossary https://www.energy.c[...] 2021-04-03
[2] 웹사이트 What is efficiency? https://cryo.gsfc.na[...] 2021-04-03
[3] 웹사이트 Efficiency https://energyeducat[...] 2021-04-03
[4] 웹사이트 COP (Coefficient of performance) https://www.grundfos[...] 2019-04-08
[5] 서적 The Principles of Chemical Equilibrium with Applications in Chemistry and Chemical Engineering Cambridge University Press
[6] 논문 The NBS Tables of Chemical Thermodynamic Properties
[7] 서적 Applied Atomic Collision Physics, Volume 5 Academic Press
[8] 웹사이트 Efficacy Limits for Solid-State White Light Sources https://www.photonic[...]
[9] 서적 Advanced Optical Instruments and Techniques CRC Press
[10] 서적 Solid-state laser engineering Springer-Verlag
[11] 서적 Understanding LED Illumination CRC Press
[12] 웹사이트 Wall-plug Efficiency https://www.rp-photo[...]
[13] 서적 Handbook of Luminescent Semiconductor Materials CRC Press
[14] 웹사이트 GE-Powered Plant Awarded World Record Efficiency by Guinness https://www.power-en[...] 2021-10-04
[15] 보도자료 HA technology now available at industry-first 64 percent efficiency https://www.genewsro[...] GE Power 2017-12-04
[16] 웹사이트 Heavy Metal: Building A Huge Hydropower Plant Involves Steady Hands And A Boatload Of Finesse https://www.ge.com/n[...] 2021-10-04
[17] 웹사이트 Enercon E-family, 330 kW to 7.5 MW, Wind Turbine Specification http://www.enercon.d[...]
[18] 논문 Numerical modelling and optimization of vertical axis wind turbine pairs: A scale up approach Elsevier Ltd. 2021-06-01
[19] 뉴스 11 års vinddata afslørede overraskende produktionsnedgang http://ing.dk/artike[...] 2013-11-01
[20] 논문 Photovoltaic Degradation Rates – An Analytical Review https://www.nrel.gov[...] John Wiley & Sons, Ltd. 2012-06-01
[21] 논문 Compendium of photovoltaic degradation rates: Photovoltaic degradation rates https://www.osti.gov[...] John Wiley & Sons, Ltd. 2016-02-07
[22] 논문 Detailed balance limit of the efficiency of tandem solar cells
[23] 논문 On the Thermodynamic Limit of Photovoltaic Energy Conversion
[24] 웹사이트 Types of Fuel Cells http://www1.eere.ene[...] 2011-08-04
[25] 웹사이트 2008 Energy Balance for World http://www.iea.org/s[...] 2011-06-08
[26] 간행물 The effect of PHEV and HEV duty cycles on battery and battery pack performance 2007 Plug-in Highway Electric Vehicle Conference 2010-06-11
[27] 웹사이트 NiMH Battery Charging Basics
[28] 간행물 PowerSonic, Technical Manual PowerSonic 2014-01-01
[29] 웹사이트 Pumped Hydro Storage http://www.electrici[...] 2012-02-01
[30] 웹사이트 Motivations for Promoting Clean Diesels http://www.epa.gov/m[...] US Department Of Energy
[31] 웹사이트 11.5 Trends in thermal and propulsive efficiency http://web.mit.edu/1[...] 2016-10-26
[32] 웹사이트 What is photosynthesis? http://www.life.uiuc[...]
[33] 웹사이트 The Green Solar Collector; converting sunlight into algal biomass http://www.narcis.in[...]
[34] 웹사이트 Chapter 1 - Biological energy production http://www.fao.org/d[...] Food and Agriculture Organization of the United Nations 2009-01-04
[35] 서적 Handbook of Digital Image Synthesis CRC Press
[36] 위키 Luminous efficacy#Lighting efficiency
[37] 웹사이트 All in 1 LED Lighting Solutions Guide http://www.philipslu[...] Philips 2012-10-04
[38] 서적 Light Pollution Handbook https://books.google[...] Springer
[39] 웹사이트 2008年度エネルギー収支 http://www.iea.org/s[...] 2011-06
[40] 기타 The efficiency of nuclear power plants
[41] 웹사이트 太陽光発電の効率 http://standard-proj[...] 2013-10
[42] 위키 IEA/OECD 자료
[43] 기타 Wirkungsgrad der Kohleförderung
[44] 기타 Gesamtwirkungsgrad


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