문명과 에너지 ⑤ {신재생 에너지}

2024.10.18 - [2024 통합과학 톺아보기] - 문명과 에너지 ④ {변압기}

문명과 에너지 ④ {변압기}

판서 조직도

 

우리는 여태껏 지구의 자원을 마음껏 써도 되는 권리가 있는 것처럼 살아왔습니다. 하지만 폭염, 태풍, 빙하 해빙, 폭설 등 세계 곳곳에서 발생하는 이상기후 현상을 직시하며 그것이 오만이었음을 깨닫게 됐죠. 이처럼 지구온난화로 인한 환경 문제가 지역적 위기만이 아니라 인류 전체의 문제가 된 이상 인류는 지구 환경에 관심을 가지지 않을 수가 없게 됐습니다.

 

지구 온난화와 이산화탄소

 

1700년께 소빙기가 끝나면서 지구의 온도는 꾸준히 상승하고 있습니다. 특히 1900년대부터는 산업화로 인해 이산화탄소 배출량이 늘어나면서 공교롭게도 온도 상승세가 더욱 가팔라졌습니다. 이러한 추이라면 2100년이 되었을 때 지구 연평균 기온이 지금보다 3~5도가량 높아진다고 합니다. 

 

지구온난화를 일으키는 주범인 이산화탄소, 메테인, 아산화질소 등을 온실가스라고 합니다. 온실가스가 태양으로부터 받은 복사에너지를 대기 중에 머물게 해 지구 표면의 온도를 높이는 것이 온실효과입니다. 사실 온실효과가 무조건 나쁜 건 아니에요. 온실효과 덕분에 지구의 연평균 기온이 안정적으로 유지될 수 있는 것이거든요. 문제는 온실가스 농도가 급격히 짙어지면서 지구의 연평균 기온이 비정상적으로 높아지고 있다는 겁니다. 이것이 현재 우리가 직면하고 있는 지구온난화입니다.

 

200여 개 국가가 2015년 파리에서 지구 연평균 기온 상승폭을 2도 아래로 유지하되 1.5도를 넘지 않겠다는 기후협약을 맺었습니다. 하물며 우리 체온도 정상에서 1.5도를 넘어가면 고열 증상 때문에 치료를 받아야 하는데 지구는 오죽할까요. 이미 지구의 연평균 기온은 1750년대 산업혁명 시기와 비교해 1도 이상 올라있습니다. 이 1도의 영향으로 기상 이변이 빈번하게 발생하고 있는 실정이에요.

 

 

기후 재앙의 마지노선에 다다른 현재, 이산화탄소 배출량을 목전에 두고 더 이상 방치할 수 없는 상황에 이르렀습니다. 따라서 국가적 차원을 넘어 글로벌 규모에서의 이산화탄소 배출량을 줄이기 위한 협력과 그에 따른 정책들이 쏟아지고 있어요. 우선 이산화탄소가 어떤 산업 영역에서 많이 배출되는지에 대한 현황을 파악하는 게 먼저입니다.

 

 

2019년 우리나라 기준, 대부분의 이산화탄소는 전기를 생산하고 철을 제련하는 과정에서 배출됩니다. 그리고 오른쪽 도표에서 확인할 수 있듯이 발전원의 점유율은 석탄과 LNG(천연가스)가 대부분을 차지하고 있습니다. 석탄을 비롯한 화석 연료는 탄소로 이루어진 탄소 화합물이기에 연소 후 다량의 이산화탄소가 나올 수밖에 없어요.

 

이산화탄소를 배출하여 지구온난화를 일으키는 점 이외에도 화석 연료는 무한정 쓸 수 없다는 문제점도 있습니다. 석탄과 석유는 과거에 살던 동식물의 사체가 변화하여 오랜 기간에 걸쳐 생성된 유한한 자원으로써 언젠가는 고갈될 수밖에 없어요. 현재 지구에 매장된 석유 총량을 연간 석유 생산량으로 나누면 52.3년이 나오는데, 이는 인류가 석유를 쓸 수 있는 기간이 50년 정도 남았음을 의미합니다. 석탄은 그보다 유효기간이 길다고는 하지만, 그래도 제한된 자원이기 때문에 석탄과 석유에만 의존해서는 안될 일이죠.

(좌) 모래가 머금은 석유, 오일샌드 (우) 돌이 머금은 석유, 셰일오일

 

기술의 발전으로 오일 샌드, 셰일 오일과 같은 비전통 석유의 활용으로 사용할 수 있는 화석 연료의 양이 증가하고 있다지만 이들 역시 고갈 자원입니다. 따라서 인류는 이산화탄소를 배출하지 않으면서, 자원의 유한함에 구애받지 않는 지속 가능한 에너지 개발에 여력을 다하고자 화석 연료에서 벗어나 신재생 에너지로 탈바꿈하는 방안을 적극 모색하고 있습니다. 

 

지속 가능한 에너지, 신재생 에너지

 

신재생‌ 에너지는 기존의 화석 연료를 변환하여 이용하거나, 햇빛과 바람을 비롯한 재생 가능한 에너지를 이용하는 형태입니다. 신재생 에너지는 초기 투자 비용이 많이 들지만, 자원이 고갈될 염려가 없고 환경 문제가 거의 없는 장점이 있습니다. 신재생 에너지는 신 에너지와 재생 에너지의 합성어인데요. 그렇다면 신 에너지와 재생 에너지의 차이는 무엇일까요?

 

1. 신(新) 에너지

신 에너지는 기존에 쓰이던 석유, 석탄, 원자력 등이 아닌 새로운 에너지로써 화석연료를 변환시키거나 수소나 산소의 화학반응으로 생성된 전기를 이용한 것입니다.

 

1) 수소 에너지

 

미래학자 제레미 리프킨은 “석탄과 증기기관이 산업혁명 초기에 그랬던 것처럼 수소 경제가 우리의 시장, 정치, 사회제도를 본질적으로 바꿀 것“이라고 전망했습니다. 물이나 천연가스 등의 화합물 형태로 존재하는 수소를 분리, 연소시켜 얻는 에너지로써 이용 가능량이 많은 데다 활용도가 아주 뛰어나고 연소시켜도 산소와 결합하여 다시 물이 되기 때문에 환경오염 문제에서도 자유로워요. 현재 각 나라와 기업들은 수소 화합물의 효율적 분리를 위한 여러 시도를 통해 수소를 활용할 수 있는 인프라 구축 등 수소 경제 생태계를 조성하기 위해 다방면으로 노력하고 있습니다.

 

2) 수소 연료 전지

수소 연료 전지는 수소의 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치입니다. 수소 연료 전지에서는 어떻게 전기가 생성될까요? 다음 실험을 통해 수소 연료 전지의 원리를 알아봅시다.

 

https://youtu.be/jJCPr73ebUA

 

물에 소금을 타서 전해질 용액으로 만들어주면 전류가 잘 흐르게 됩니다. 이때 건전지 (+)극에 연결된 양극에서 산소 기체가 만들어지고, 건전지 (-)극에 연결된 음극에서 수소 기체가 만들어집니다. 이 상태에서 건전지를 제거한 회로에 LED를 연결해 주면 (-)극에서는 수소가 전자를 잃어 산화되고, (+)극에서는 산소가 전자를 얻어 환원되면서 물이 생성됩니다. 이때 수소가 내놓은 전자가 회로를 따라 (-)극에서 (+)극으로 이동하여 전류가 흐르게 됩니다. 실제 수소 연료 전지에는 물을 전기 분해하는 대신 다른 방법으로 수소를 공급해요.

 

수소 연료 전지에서는 최종 생성물로 물만 생성되므로 환경오염 물질이 거의 배출되지 않습니다. 또 연료 전지에서는 화학 에너지가 곧바로 전기 에너지로 전환되다 보니 여러 단계의 에너지 전환 과정을 통해 전기 에너지를 생산하는 화력 발전에 비해 에너지 효율이 높습니다.

 

3) 석탄 액화 및 가스화

석탄 액화 및 가스화 기술은 말 그대로 석탄을 액화 및 가스화하여 전기, 수소 등의 고급 에너지로 전환하는 복합 기술입니다. 이 기술들은 발전 효율이 높고, 대기 오염의 원인 중 하나인 황(S) 성분을 제거하기 때문에 친환경적이에요.

 

2. 재생 에너지, 바다 위의 태양을 훔치고 바람에 날개를 달아주다.

재생 에너지는 자연 과정에 의해 발생하기에 지속적으로 이용이 가능하고, 친환경적입니다.

태양 에너지, 풍력 에너지, 해양 에너지

 

1) 태양 에너지

 

태양 에너지를 이용한 발전 방식은 두 가지가 있는데, 두 발전 방식의 원리는 다릅니다.

 

태양열로 물을 끓여 증기의 힘으로 터빈을 돌리는 태양열 발전의 원리는 전자기 유도이며, 태양 전지를 이용해 빛을 직접 전기 에너지로 변환하는 태양광 발전의 원리는 광전 효과입니다.

태양광 발전의 원리, 광전 효과(물리학1에서 공부함)

 

빛이 태양 전지에 닿으면 태양 전지는 자유 전자를 방출합니다. 이 자유 전자의 흐름이 곧 전류, 전기 에너지입니다.

 

2) 풍력 에너지

바람의 운동 에너지를 이용하여 발전기와 연결된 날개를 돌려 전기 에너지를 생산하는 풍력 발전의 원리는 전자기 유도입니다.

풍력 발전의 원리

 

풍력 발전기는 바람이 지속적으로 부는 산이나 바다 근처에 설치합니다. 현재 우리나라는 제주도와 서남해안에 해양 풍력 발전 단지를 건설하고 있어요.

 

3) 해양 에너지

 

바다를 내려다보는 이순신과 병사들의 심경은 사뭇 비장했습니다. 고작 12척의 배로 133척의 왜군 함대에 맞서야 했기 때문이죠. 누구도 이 전투에서 조선 수군이 승리할 것이라고 예상하진 못했습니다. 그러나 말도 안 되는 승리를 이순신은 해내고야 맙니다. 그는 좁은 해협에서 거세게 휘몰아치는 조류의 힘을 활용하여 왜선을 격파하는 대승을 거둡니다. 이순신은 이처럼 해양 에너지를 올바르게 활용하여 나라를 구해낸 역사적 위인이에요.

 

이순신이 그랬듯이 우리는 3면이 바다로 둘러싸여 있다는 대한민국의 지정학적 이점을 충분히 활용하여 바다의 청정에너지를 개발 및 적용하고 있습니다. 해양 에너지와 관련된 모든 발전의 원리는 전자기 유도입니다.

파력 발전의 원리

 

조력 발전의 원리

 

조류 발전의 원리

 

해수 온도차 발전

 

1도 없어 - Apink

https://www.youtube.com/watch?v=f1ur25317fI

 

국가적 단위에서 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 어떤 노력을 해오고 있는지 배웠습니다. 그러나 새로운 에너지의 개발이나 확보보다 더욱 빠르고 강력한 효과와 잠재성을 간직하고 있는 건 에너지 절약입니다. 그렇기에 우리는 에너지 사용 패턴을 점검하여 낭비되는 에너지를 줄이려는 노력을 1이라도 해야만 합니다. 에너지를 무작정 줄이자는 것이 아니에요. 아낄 수 있는 부분에서는 최대한 아끼자는 말입니다. 아직은 기후 재앙의 한계를 넘지 않았지만, 여기서 1도가 더 올라버리면 우리 인생은 진짜 1도 없습니다.