레포트: 에너지 문제와 미래

에너지 문제와 미래

 

산업혁명을 이끈 에너지원은 석탄이라 할 수 있을 만큼 인류는 석탄을 많이 사용해왔다. 석탄은 탄소질 물질이 50~70% 이상 함유된 것을 말한다. 이때, 탄소질 물질의 함유량이나 탄화 정도에 따라 종류가 나뉜다.

첫 번째 단계인 토탄이 수백만 년이 지나서 내부에 있던 기체 유기 화합물이 빠져나가 탄소 함량이 증가하면 갈탄이 되고, 그다음역청탄, 마지막으로 무연탄으로 바뀐다.

초기의 석탄은 불순물을 많이 함유하고 있어서 사용하기 어려웠지만, 상대적으로 깨끗하고 효율이 높은 역청탄과 무연탄이 발견되면서 산업에 큰 변화가 일어나게 된 것이다.

석탄의 진화과정

 

세계에서 생산되는 석탄광들은 대부분 고생대에 발달하였다(고생대 석탄기). 고생대는 기온이 따뜻하고 강수량이 많은 열대의 습지 환경에서 고사리 같이 씨가 없는 육상식물이 번성하였던 때이다. 이 식물들이 습한 땅에 묻힌 뒤, 오랜 세월 동안 퇴적물이 쌓여 높은 열과 압력을 받게 되면 석탄이 되는 것이다. 이렇게 석탄은 지표에 살던 나무, 덤불, 풀 등과 같은 식물이 땅속에 묻힌 뒤 굳어져서 만들어졌다.

 

 

19세기 중반에는 유전이 개발되면서 석유가 석탄을 대체하는 에너지원으로 주목을 받게 되었다.

초반에 석유는 주로 조명용이나 윤활용으로 쓰였지만, 석탄보다 효율도 높고 정제기술이 발달해 사용하기 편리하게 되면서 사용량이 크게 증가하게 되었다.

원유는 주로 탄소와 수소의 화합물로 기체, 액체 및 반고체 상태의 물질이다. 원유는 다양한 지질 시대의 지층에서 발견되지만 지금까지 발견된 오일 및 천연가스의 약 60%가 신생대 지층에서 발견되고 있다. 이 시기에 식물성 플랑크톤의 사체가 산소가 부족한 상태에서 분해되지 않고 해저에 가라앉게 되었다. 플랑크톤 사체 위에 퇴적물이 쌓이고 오랫동안 열과 압력을 받아 원유가 되고 이것이 한 곳에 모여 유전이 만들어진다. 석유를 채굴하기 위해서는 지층에 시추를 하여 파이프로 빼내거나 원유가 배어 있는 퇴적암에서 원유를 추출해야 한다.

원유의 분리와 이용

 

 

원자력 에너지는 화석연료인 석탄, 석유와 더불어 에너지원으로 널리 사용되고 있다. 원자력 에너지는 방사성 원소가 완전하지 않아 핵이 분열을 할 때 나오는 에너지이며, 우리는 이 에너지를 이용하여 열과 전기를 얻고 있다.

원자력발전에 사용되는 연료는 우라늄인데, 그 중에서도 핵분열을 일으키는 것은 자연계에 아주 미량으로 존재한다. 자연계에 있는 우라늄은 거의 238U 형태로 존재하지만, 0.7%는 완전한 원소가 아닌 235U 형태로 존재해서 핵분열이 일어난다. 235U와 중성자가 충돌하여 핵분열이 연쇄적으로 일어나면 그 과정에서 막대한 에너지가 발생하게 되는 것이다. 핵분열이 효과적으로 일어나게 하기 위해서는 빠른 중성자의 속도를 늦춰야 하는데, 여기에는 물이 제일 효과적이다. 늘어나는 중성자의 수를 조절하는 제어봉에는 카드뮴을 주로 사용한다.

원자력 발전소와 제어봉의 원리

 

우라늄 1g이 완전히 핵분열할 때 나오는 에너지는 석유 2,000L와 석유 3t의 양과 맞먹을 정도로 에너지 효율도 높고 이산화탄소 배출량이 적지만, 장치의 오작동이나 냉각수가 부족할 때는 반응로가 녹아내릴 가능성이 있다. 그리고 우라늄을 우라늄광에서 채굴하는 과정에서도 주변의 생태 환경에 부정적인 영향을 줄 수 있다.

무엇보다도, 원자력 발전 과정에서 발생하는 방사성 폐기물은 인체와 환경에 치명적인 영향을 주기 때문에 처리하는 데에 어려움을 겪고 있다.

 

우리가 지금 얻는 에너지의 대부분은 화석연료와 원자력 발전을 통해 얻는다. 그러나 이 에너지원들은 한정적이며 환경에 치명적인 영향을 주고 있다.

따라서 최근에는 지속적으로 사용할 수 있는 재생 에너지의 연구가 계속되고 있다. 재생 에너지는 크게 태양 에너지, 해양 에너지, 풍력 에너지, 지열 에너지, 바이오 에너지 등이 있다.

신 재생 에너지의 종류

 

태양 에너지는 크게 두 가지 방식으로 이용할 수 있다. 하나는 태양열을 직접 이용하여 뜨거운 스팀으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이고, 다른 하나는 태양광을 태양 전지를 이용해 전기로 변환하는 방식이다. 특히, 태양광 발전은 전에 비해 효율이 점점 좋아지고 있다.

해양 에너지는 다양한 형태로 이용되고 있다. 해수면의 높이 차이에서 생기는 위치 에너지로 전기를 생산하는 조력 발전, 조류의 흐름으로 수차 발전기를 돌리는 조류 발전, 그리고 파도의 힘으로 터빈을 돌리는 파력 발전 등 여러 방법으로 에너지를 얻고 있다.

풍력 에너지는 바람의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 에너지를 얻는 풍력 발전기를 예로 들 수 있다. 풍력 발전기는 소음과 같은 문제가 있지만 일반적으로 환경 친화적인 에너지로 주목을 받고 있다.

지구 내부에서 나오는 지열 에너지를 이용해 바로 사용하기도 하고, 고온수나 증기를 끌어올려 전기를 생산하기도 한다.

또한, 유기물에 저장된 바이오 에너지는 열이나 전기 에너지를 생산하는 연료로 활용되고 있다.

재생 에너지는 계속해서 쓸 수 있다는 장점도 있지만, 화석연료나 원자력 발전에 비해 에너지 효율이 현저히 떨어지고 시설비용도 많이 든다.

이에 따라 새로운 에너지 자원으로 핵융합 에너지와 수소 에너지가 각광을 받게 되었다.

 

핵융합 에너지는 핵융합을 할 때, 줄어든 질량만큼 열에너지 형태로 방출되는 것을 이용한 에너지이다. 토카막은 자기장을 이용해 고온∙고밀도 상태의 플라즈마를 가두는 장치로, 인위적으로 핵융합을 일으켜 에너지를 얻는다.

토카막

 

 

수소 에너지는 수소가 풍부하고 사용 후에도 물로 다시 돌아가는 이점을 이용한 것이다. 그러나 수소가 결합된 화합물에서 떼어내는 것에는 많은 에너지가 필요하고, 저장하는 데 비용이 많이 든다는 한계가 있다.

두 에너지는 아직 기술 수준이 기초단계에 머물고 있어 실용화되지는 못하고 있지만, 미래를 대비해 계속해서 연구가 진행되고 있는 중이다.

 

 

에너지 사용 신기술에는 태양 전지, 연료 전지, 하이브리드 기술 등이 있다.

태양 전지는 태양 에너지를 직접 에너지로 전환시키는 전지이다. 주로 규소로 만들며, p형 반도체와 n형 반도체를 서로 맞붙인 형태(p-n접합)를 하고 있다.

연료 전지는 전기를 지속적으로 생산하는 일종의 소형 발전소이다. 연료 전지는 전극을 이용한 산화∙환원 반응으로 전기 에너지를 발생시킨다. 기존의 내연 기관보다 효율도 높고 유일한 부산물이 물인 만큼 환경친화적이지만, 비용과 안정성 측면에서는 아직 더 개발이 필요한 상태이다.

하이브리드 기술는 두 개 이상의 요소의 장점만을 선택해 합친 기술로, 대표적인 예로는 하이브리드 자동차가 있다. 하이브리드 자동차는 동력 기관으로 내연 기관과 전지를 혼합해서 사용하는데, 연비는 일반적으로 가솔린 자동차보다 높다. 차량 가격 및 유지 면에서 부족하더라도, 더 많은 연구 개발이 지속된다면 기존 가솔린 자동차를 대체할 수 있을 것이라고 본다.

 

태양전지와 연료전지의 원리