신재생 에너지와 에너지 효율 ① {신재생 에너지}

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통합과학 전개도

AI, 궁극의 생체모방

 

자연은 언제나 인류에게 영감의 원천이었습니다. 동식물의 대사 과정을 관찰하며 얻은 통찰은 증기기관의 발명으로 이어져 산업혁명을 일으켰고, 자연의 대칭성에 대한 역발상은 전자기 유도의 발견으로 이어져 전기 혁명을 가능하게 했어요. 이처럼 자연으로부터의 영감은 인류 문명을 한 단계씩 끌어올리는 계단형 발전의 동력이었습니다.

 

그리고 지금, 인류는 또 한 번의 도약을 준비하고 있습니다. 인간은 이번에는 자신의 본연, 뇌에게서 영감을 얻었어요. 우리의 뇌는 전기적 신호의 패턴으로 사고하고, 판단하며, 상상하는 정교한 전기 시스템입니다. 그 작동 원리를 모방하여 인간은 마침내 인공지능(AI)을 만들어 낸 거죠. 즉, 인공지능은 인간의 뇌를 닮은 또 하나의 전기적 시스템이자, 자연 모방의 여정이 도달한 궁극의 형태라 할 수 있습니다.

 

전기로 돌아가는 뇌와 반도체

 

자연의 아날로그 신호는 디지털 신호로 변환되어야만 인공지능을 비롯한 기계들이 연산 작업을 할 수 있습니다. 이 변환을 담당하는 핵심 부품이 바로 반도체입니다. 뇌세포가 전기적 신호를 주고받으며 사고하고 기억을 형성하듯, 반도체도 전자의 흐름을 통해 정보를 인식하고 판단해요. 즉, 인간의 두뇌가 전기로 작동하는 신경의 회로이듯, 인공지능 칩 또한 전기로 작동하는 반도체의 회로입니다. 따라서 인공지능의 성능이 정교해지고 처리해야 할 데이터가 많아질수록, 더 많은 전기를 필요로 할 수밖에 없습니다. 

 

우린 지구의 주인이 아니다, 지구에 세 들어 사는 임차인일 뿐.

 

1900년대를 기점으로 이산화탄소 배출량의 증가와 지구 연평균 기온 상승 추세는 놀라울 만큼 닮아 있습니다. 지금 이 순간에도 전기를 생산하는 과정에서 배출되는 이산화탄소는 지구의 온난화를 더욱 심화시키고 있어요. 그런데 인공지능의 발전이 요구하는 막대한 전력 수요는 이러한 피해를 줄이기보다 오히려 그 규모를 키울 가능성이 큽니다.

 

 

게다가 우리는 여전히 화석연료에 의존해 전기를 생산하고 있어요. 석탄과 석유, 천연가스는 언젠가 고갈될 한정된 자원이며, 그 연소 과정에서 배출되는 온실가스는 지구의 온도를 끊임없이 높이고 있습니다.

 

지구 온난화의 피해를 직접 목도한 지금, 우리는 과거에 자신을 지구의 주인이라 여겼지만, 사실은 그저 지구에 세 들어 사는 임차인에 불과하다는 사실을 깨닫게 되었습니다. 그리고 이제, 지구는 우리가 저질러온 행태에 대한 비싼 청구서를 우리에게 내밀고 있어요. 앞으로 우리가 공부하게 될 내용들은 그 청구서를 어떻게 지불할 것인가에 대한 선택의 이야기입니다.

 

판서 조직도

 

신재생 에너지는 기존의 화석 연료를 변환하여 이용하거나, 햇살과 바람처럼 자연에서 얻을 수 있는 재생 가능한 에너지를 활용하는 형태입니다. 초기 투자 비용은 다소 높지만, 자원이 고갈될 걱정이 없고 환경오염이 거의 없다는 지속 가능성의 장점을 가지고 있습니다. 신재생 에너지라는 말은 ‘신(新) 에너지’와 ‘재생 에너지’의 합성어입니다. 그렇다면 이 두 가지는 어떻게 다를까요? 이제부터 신재생 에너지의 종류와 원리를 살펴보며, 각 발전 방식이 가진 특징과 장단점을 함께 알아보겠습니다.

 

1. 신 에너지

신 에너지는 기존에 없던 기술로 생산하는 새로운 형태의 에너지입니다. 가령 기존의 화석 연료를 그대로 사용하는 것이 아니라, 그 연료를 새로운 방식으로 변환하거나 화학 반응을 통해 얻는 에너지를 말합니다.

 

1) 수소 에너지

수소 에너지는 수소가 산소와 결합할 때 발생하는 에너지를 이용하는 기술입니다. 이 과정은 두 가지 방식으로 이루어집니다. 하나는 수소를 연소시켜 발생한 열로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 전통적 발전 방식, 다른 하나는 수소의 전기화학 반응을 직접 이용해 전기를 얻는 연료전지 방식입니다. 두 방식 모두 수소의 산화 반응을 바탕으로 하지만, 하나는 열을 거쳐 에너지를 얻고, 다른 하나는 화학 반응을 통해 곧바로 전기를 만들어냅니다.

① 수소 연소 발전

 

두 분자의 수소(H₂)와 한 분자의 산소(O₂)가 반응해 물(H₂O)을 만들면서 방출하는 열 에너지로 물을 끓여 터빈을 돌려 발전하는 방식입니다. 이 과정에서 오직 물만 생성되고, 탄소 배출이 없다는 점이 가장 큰 장점입니다. 기본 구조는 전통적인 화력 발전과 거의 동일하지만, 수소 연소 발전이 신 에너지로 분류되는 이유는 무엇일까요?

 

수소는 자연에 바로 존재하지 않기 때문에 물의 전기분해, 천연가스 개질 등 새로운 공정 기술로 인공적으로 생산해야 합니다. 이러한 수소 생산·저장·이용 기술 전체가 신에너지 기술군에 속합니다. 즉, “단순히 온실가스를 배출하지 않는다” 이상의 새로운 기술 체계와 인프라를 요구하는 에너지이기 때문에 수소 연소 발전은 신에너지로 분류됩니다.

 

② 수소 연료 전지 

출처 SK이노베이션 E&S

 

수소 연료 전지는 수소와 산소의 화학 반응에서 발생하는 전자의 이동을 이용해 전기를 직접 생산하는 장치입니다. 즉, 수소를 태워 열을 만드는 것이 아니라, 연료 속의 화학 에너지를 전기 에너지로 바로 변환하는 방식이에요. 수소 연소 발전은 열을 거쳐 터빈을 돌리는 간접 변환이라면, 연료전지 발전은 전기를 바로 얻는 직접 변환이기에 발전 효율이 매우 높은 기술입니다.

 

이외의 연료 전지

연료전지는 연료 및 전해질에 따라 여러 종류가 있지만, 모두 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 전기화학 장치라는 공통점이 있습니다.

 

 

미래학자 제레미 리프킨은 석탄과 증기기관이 산업혁명 초기에 그랬던 것처럼 수소 경제가 우리의 시장, 정치, 사회제도를 본질적으로 바꿀 것이라고 전망했습니다. 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) 석탄의 액화 및 가스화

석탄의 액화 및 가스화 기술은 석탄을 새로운 연료 형태로 변환해 효율과 활용성을 높이려는 전환형 신에너지 기술입니다. 다만, 여전히 탄소 기반 연료이므로 지속 가능한 청정에너지로 가는 과도기적 기술로 보는 것이 타당합니다.

 

2. 재생 에너지

재생 에너지는 자연의 순환 과정에서 끊임없이 만들어지기 때문에 고갈될 염려가 없고, 지속적으로 이용할 수 있는 친환경적인 에너지입니다. 햇살, 바람, 바다, 이들은 모두 지구 스스로 만들어내는 ‘재생 가능한 힘’을 이용한다는 점에서 화석연료와 뚜렷한 차이를 가집니다.

 

1) 햇살

 

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.

 

 

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

 

태양 에너지는 무한하고 깨끗한 자원이라는 점에서 가장 대표적인 재생 에너지입니다. 해가 떠 있다면 언제든 전기를 만들 수 있고, 발전 과정에서 오염 물질이 거의 발생하지 않습니다. 그러나 날씨나 낮·밤의 변화에 따라 발전량이 일정하지 않다는 점이 한계이며, 충분한 에너지를 얻기 위해서는 넓은 설치 면적과 초기 비용이 필요합니다.

 

2) 바람

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.

 

풍력 에너지는 온실가스나 오염 물질이 전혀 발생하지 않으며, 해상 풍력처럼 넓은 공간을 활용하면 발전량을 크게 높일 수도 있습니다. 하지만 바람의 세기와 방향이 일정하지 않으면 발전이 불안정하고, 풍력 터빈의 소음 문제나 주변 경관 훼손이 단점으로 지적됩니다.

 

3) 바다

 

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.

 

① 파력 발전

 

파력 발전은 파도가 칠 때 해수면이 상승하거나 하강하여 생기는 공기의 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 발전 방식입니다.

 

파력 발전의 가장 큰 장점은 에너지원이 무한하고 청정하다는 점입니다. 이산화탄소나 오염물질이 전혀 발생하지 않으며, 해양 공간을 활용하므로 육상 생태계 훼손이 거의 없습니다. 또한 파도는 날씨와 관계없이 지속적으로 발생하기 때문에, 풍력보다 비교적 꾸준한 에너지 공급이 가능하다는 장점도 있습니다.

 

하지만 단점도 분명합니다. 파도의 세기와 방향이 일정하지 않아 발전량이 불안정하고, 거센 파도나 태풍이 발생하면 설비가 손상될 위험이 있습니다. 또한 염분으로 인한 부식과 해양 생물의 부착 등으로 인해 유지·보수가 까다롭고 비용이 많이 드는 점도 기술 발전의 걸림돌로 꼽힙니다.

 

② 조력 발전

 

조력 발전은 달과 태양의 인력에 의해 생기는 조석(=밀물과 썰물)의 높이 차이를 이용해 전기를 생산하는 기술입니다. 밀물 때 들어온 바닷물을 가두었다가 썰물 때 방출하면서, 그 흐름으로 터빈을 돌려 발전하는 방식이 일반적입니다.

 

조력 발전의 장점은 발전량을 예측할 수 있다는 점입니다. 조석 현상은 주기적으로 반복되기 때문에, 발전 시점과 전력량을 정확히 계산해 안정적인 전력 공급이 가능합니다. 또한 연료를 사용하지 않아 온실가스를 배출하지 않는 친환경 에너지라는 점도 강점입니다.

 

그러나 단점도 존재합니다. 조차(=밀물과 썰물의 높이 차)가 큰 해안 지역에서만 가능하기 때문에 입지 조건이 매우 제한적이며, 방조제와 터빈을 설치하는 과정에서 갯벌과 해양 생태계가 훼손될 수 있습니다. 또한 설치 비용이 매우 높고, 밀물과 썰물이 반복되는 주기에 따라 전력 공급이 간헐적이라는 한계도 있습니다.

 

이외의 해양 에너지

 

조류 발전은 바닷물의 흐름 자체, 즉 밀물과 썰물 때 발생하는 해류의 운동 에너지를 이용해 전기를 생산하는 기술입니다.

 

 

해수 온도차 발전은 표층의 따뜻한 바닷물과 심층의 차가운 바닷물의 온도 차를 이용해 전기를 생산하는 기술입니다. 이 온도 차로 작동 유체를 기화시키고, 그 증기로 터빈을 돌려 전기를 얻습니다.

 

4) 기타 재생 에너지

 

바다 위의 햇살을 빌리고, 바람에 날개를 달다.

 

우리는 해를 뜨게 할 수 없고, 풍랑을 제어할 수 없습니다. 그러나 이제는 햇살을 빌리고, 바람에 날개를 달며, 바다의 리듬에 귀 기울이는 문명을 만들어가고 있어요. 이처럼 자연의 거대한 흐름을 통제할 수는 없지만, 그 안에서 어떻게 살아갈지 선택하는 힘은 우리에게 있습니다. 세상의 파도를 멈출 수는 없을지라도, 우리 안의 배가 가라앉지 않도록 지킬 수는 있어요.

태양물고기 - 윤하 

https://www.youtube.com/watch?v=UkyQbuP1Cag&list=RDUkyQbuP1Cag&start_radio=1

 

어둠 속에서 꿈을 꾸는 뇌 

 

우리의 뇌는 모든 감각을 스스로 해석하고 재구성하는 가장 창의적인 전기 회로입니다. 눈으로 보는 빛, 귀로 듣는 소리, 피부로 느낀 온도는 그저 신호에 불과하지만, 뇌는 그 신호들을 조합해 세상을 의미 있는 형태로 그려내요. 그 이유는, 역설적으로 뇌가 어둠 속에서 살아가기 때문입니다. 두개골이라는 어둡고 닫힌 공간 안에서, 뇌는 단 한 줄기의 빛도 보지 못한 채 세상을 상상하고 해석하며, 꿈을 꿉니다.

 

그림자가 있다는 건 어딘가에 빛이 존재한다는 것. 

 

우리의 삶도 마찬가지예요. 우리는 현실의 어둠 속에서 미래의 찬란함을 키워가는 존재입니다. 그러니 어둠을 두려워하지 마세요. 그림자가 있다는 건, 어딘가에 빛이 존재한다는 뜻입니다. 그리고 기억하세요. 빛이 밝을수록 그림자는 더 짙어집니다. 현실이 막막하고 앞이 보이지 않는 순간이 있다면, 그건 오히려 여러분 안에 간직한 꿈의 포부가 그만큼 찬란하다는 증거일지도 모릅니다. 이러한 삶의 역설들을 마음에 품으며 하늘 담은 바다처럼 단단한 사람, 바다의 태양처럼 밝은 사람이 되기를 바랍니다. 윤하의 태양물고기를 들으며, 오늘도 물리를 통해 인생을 배웁니다.