[특종!!!]대체 에너지!!!!!

[05년무한반김승근]

대체에너지란 무엇을 말하는 것일까?

대체에너지는 화석연료를 대체가능한가?

재래식 발전 원리를 이용하는 대체에너지

새로운 원리에 의한 발전

대체에너지란 석탄, 석유, 원자력 및 천연가스가 아닌 태양에너지, 바이오매스, 풍력, 소수력, 연료전지, 석탄의 액화, 가스화, 해양에너지, 폐기물에너지 및 기타로 구분되고 있고 이외에도 지열, 수소, 석탄에 의한 물질을 혼합한 유동성 연료를 포함한다. 그러나 실질적인 대체에너지란, 넓은 의미로는 석유를 대체하는 에너지원으로 좁은 의미로는 신·재생에너지원을 나타낸다.

우리나라는 미래에 사용될 대체에너지로 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 에너지로 11개 분야를 지정하였고 (대체에너지개발 및 이용·보급촉진법 제 2조) 세분하여 보면 아래와 같다.

태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지

연료전지, 석탄액화·가스화, 수소에너지 최근 10년간 우리나라의 에너지 소비는 매년 10%라는 세계 최고의 증가율을 기록하고 있으며, 온실가스배출량 증가율 역시 세계 1위를 기록하고 있다. 다행히 세계기후협약 이행이 늦추어지고는 있지만 머지않아 우리도 여기에 참여하지 않을 수 없는 형편이어서 대체에너지 개발의 필요성은 더욱 무게를 더해가고 있는 실정이다.

전기를 생산할 수 있는 기술이 확보되고 난 후 가히 혁명이라 할 정도로 전기를 이용하는 각종 편리기구들이 발명되어 이용되어 왔다. 석탄이나 석유 등의 화석연료는 직접 연소시켜 열을 얻는 것을 제외한 상당부분은 전기를 생산하는데 사용된다. 전기는 거의 모든 현대문명을 끌고 나가는 중추적인 에너지 형태인 것이다. 직접 열을 생산하는 것도 전기에너지로 가능하다. 전기에너지의 저장과 수송설비 또한 잘 확립되어 있다. 즉 현대 문명에서는 전기란 모든 에너지로 교환할 수 있는 화폐와 같은 역할을 하고 있으며, 대체에너지란 것은 얼마나 효율적으로, 즉 싼 경비로 그리고 환경친화적으로 전기 에너지화할 수 있는가가 개발 성공의 관건이 된다.

우리나라 전기생산의 주종을 이루는 화력발전의 경우를 살펴보도록 하자. 화력발전의 원리는 바로 1830년 영국의 마이클 패러데이가 발견한 전자기유도 현상이다. 패러데이는 코일 속에 자석을 집어넣으면 코일에 전류가 흐르며, 다시 빼내면 처음과 반대방향으로 전류가 흐름을 발견하였다. 그가 발견한 내용을 바탕으로 고안한 가장 간단한 직류발전기를 살펴보면 다음과 같다.

그림에서의 설명과 같이 자력장을 통과하는 전선에 전류가 흐른다는 사실을 이용하여 코일을 회전시키면, 지속적으로 전류를 흐르게 할 수 있다. 이것이 가장 기본적인 형태의 발전기가 된다. 이때 정류기를 사용하지 않으면 교류전류가 된다. 물을 끓여 생성되는 수증기를 좁은 통로로 빠져나가게 하면 밀고나가는 힘은 대단하다. 화력발전은 바로 수증기의 힘으로 이 코일에 해당하는 대단위 발전장치의 터빈을 회전시키는 것이다.

화력발전뿐 아니라 다수의 대체에너지는 전기를 생산하는 데에 같은 원리를 갖고 있다. 즉 터빈을 돌리는 에너지의 원천만 다를 뿐 그 후는 같다는 이야기이다. 각 대체에너지에서 터빈을 돌리는 원리를 살펴보면 다음과 같다.

태양열을 렌즈형태의 집광판으로 모아 물을 끓인 후 수증기의 힘으로 터빈을 회전. 생물체유래의 분뇨 등을 포함한 모든 유기물을 바이오매스라 정의함. 건조목재나 마른 잎 등과 같이 직접 연소하여 수증기 발생, 또는 수분을 포함한 바이오매스(가축분뇨, 유기폐액 등)경우는 발효나 화학적 분해를 통해 연소 가능한 액체 또는 가스(메탄, 에탄올, 메탄올 등)로 만든 후 그를 연소하여 수증기 발생.

바람의 힘으로 터빈을 회전. 지역 실정에 맞게 소규모의 수력발전이나 대규모 수력발전의 원리와 같이 물의 떨어지는 힘에 의해 터어빈을 회전. 지열에 의해 데워져 분출되는 수증기를 터빈회전에 이용.

① 조력발전 : 우리나라 서해안과 같이 조수간만의 차이가 크면 물살이 빠르다. 그 물살이 좁은 해역을 지날 때 발 생되는 강한 힘으로 터어빈 회전. ② 파력발전 : 파도의 밀어붙이는 힘이 강한 일본, 노르웨이, 영국 등에서 활발하게 연구 중. 파도의 힘으로 터어빈 회 전. ③ 해양온도차 발전 : 열대해역의 해수면 온도는 20℃가 넘으 나 수심 500m 이하에서는 거의 4℃를 넘지 않는다. 보통 터어빈은 수증기의 압력으로 돌리지만, 다른 기체의 압력 을 이용할 수도 있다.

즉 20℃이하에서 비등점을 갖는 물 질, 예를 들면 암모니아, 프레온 등 흔히 냉매로 쓰이는 물질들은 그 정도의 온도에서 기화되어 증기로 변한다. 이 때 발생되는 압력으로 터어빈을 회전시키며, 기화된 냉매 는 심해로 보내어 냉각시켜 액화 후 다시 사용.


사업장 또는 가정에서 발생하는 가연성 폐기물 중에 에너지 함량이 높은 폐기물에 대해 먼저 오일화, 가스화, 고체화 등에 의해 연료로 바꾸고 그를 연료로 수증기를 생산 터어빈 회전.


연소시킬 때 발생하는 열로 발전하는 것은 고체 석탄을 이용하는 화력발전과 같으나, 액화 또는 가스화를 통해 취급상의 편의를 높이고 연료로서의 적용범위를 확장.

이와 같이 화석연료를 대신하여 전기를 생산하거나 열을 생산하는데 사용될 여러 가지 대체에너지들이 개발되고 있다. 그러나 이들은 초기투자비가 높아 아직 화력발전의 전기생산 단가보다 비싼 편이다. 이를 낮추는 노력들이 한창 연구 중에 있다.

금속이나 반도체에 빛을 조사하면 전자가 방출되는 현상 즉 아인슈타인의 광기전력효과(photovoltaic effect)를 이용한 것이다. 일반적으로 반도체에 빛이 입사하면 흡수되어 빛과 반도체간에 반응이 일어난다. 즉 (-) 전하(전자)와 (+) 전하를 띤 정공(전자가 빠져나간 것)이 발생하여 외부회로로 전류가 흐르게 된다. 반도체에는 (-) 전하를 띤 전자를 끌어당기는 n형 반도체와 (+)전하를 띠는 정공을 끌어당기는 p형 반도체의 두 종류가 있는데, 태양전지는 이 두 가지를 접합한 것이다.

일반적으로 반도체에서 발생한 (-) 전하는 n형 반도체 쪽으로, (+) 전하는 p형 반도체 쪽으로 끌어당겨져 각각 양쪽의 전극부에 모인다. 마치 건전지와 같은 상태가 되는 것이다. 양쪽의 전극을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다. 약하긴 하지만 형광등 빛으로도 이런 식으로 발전이 가능하다.

? 연료전지는 전기화학적 에너지 전환장치이다. 내연기관에 비해 연료를 전기연료전지에서 배출되는 것은 전기, 물, 그리고 열밖에 없다. 양극의 연료셀에 수소가 유입되면 중간의 백금촉매 층이 수소를 전자와 양자(수소이온)으로 분리시킨다. 수소이온은 음극쪽으로 끌려가며 막을 통과할 때 음극에서 다시 백금촉매에 의해 산소와 결합하여 물을 생산한 다. 막을 통과하지 못하는 전자는 외부로 연결된 회로를 통해 음극에서 양극으로 흐르게 되어 전기를 생산하는 것이다.

설비용량 15,000 KW 이하의 수력발전을 의미하나 우리나라에선 3,000 KW 이하를 지칭한다. 대규모 수력발전과 원리에 있어서 차이는 없으나, 국지적인 지역조건과 조화를 쉽게 이룰 수 있다는 점에서 실용범위가 크다

바이오매스는 원래 생태학의 용어로서 생물량 또는 생체량이라고 번역되어 있다. 즉 생물유래의 에너지화 가능한 모든 것을 바이오매스라고 할 수 있다. 여기에는 직접 태워서 에너지를 얻는 나무를 비롯하여 발효를 통한 메탄가스의 생산에 이용되는 가축분뇨에 이르기까지 다양한 생물유래의 물질이 포함된다.

연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 새로운 발전 기술이다. 이러한 연료 전지는 작동 온도와 주 연료의 형태에 따라 알카리형, 인산염형, 용융 탄산염형, 고체 전해질형, 고분자 전해질형 등으로 구분된다.

연료 전지의 일반적인 특성은, 연료가 전기화학적으로 반응하여 전기를 생산하는 과정에서 열도 발생하므로 총 효율을 80% 이상으로 높이는 고효율 발전이 가능하며, 기존의 화력 발전에 비해 효율이 높으므로 발전용 연료의 절감이 가능하고 열병합 발전도 가능하다. 또한 NOx와 CO2의 배출량이 석탄 화력 발전의 1/38과 1/3 정도이며, 소음도 매우 적어 공해 배출 요인이 거의 없는 무공해 에너지 기술이다.

水素에너지는 미래의 청정에너지源(원) 가운데 하나이다. 수소가 미래의 궁극적인 대체에너지원 또는 에너지매체로 꼽히고 있는 것은 현재의 化石燃料(화석연료)나 원자력 등이 따를 수 없는 장점을 갖고 있기 때문이다. 또한 수소는 연소 시 불순물로 인한 극소량의 질소가 생성되는 것을 제외하고는 공해물질이 배출되지 않으며, 직접 연소를 위한 연료 또는 연료전지 등의 연료로 사용이 간편하다.

또 무한정인 물을 원료로 해 제조할 수 있으며 가스나 액체로 쉽게 저장 수송할 수 있는 장점이 있다. 게다가 산업용 기초소재에서부터 일반연료, 자동차, 비행기, 연료전지 등 현재의 에너지시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 응용돼 미래의 에너지시스템에 가장 적합한 에너지원으로 평가되고 있는 것이다.

사업장 또는 가정에서 발생되는 가연성 폐기물 중 에너지 함량이 높은 폐기물을 열분해에 의한 오일화 기술, 성형고체연료의 제조기술, 가스화에 의한 가연성 가스 제조기술 및 소각에 의한 열회수 기술 등의 가공· 처리 방법을 통해 고체 연료, 액체 연료, 가스 연료, 폐열 등을 생산하고, 이를 산업생산 활동에 필요한 에너지로 이용될 수 있도록 한 재생에너지

석탄은 탄소 외에 다량의 유황과 질소 성분을 포함되고 있기 때문에 그대로 연소시키면 대기를 오염시킨다. 이들의 대기오염을 제거하고 또한 고체 연료의 결점인 수송 저장상의 문제를 해결하기 위해서 석탄을 가스화 또는 액화해서 발전하는 방식.

온실가스 배출을 줄이기 위해서 각국 선진 각국에서 줄여야 할 화석에너지 소비량과 기간을 명시한 협약. 특히 1997년 일본 교토에서 최종 의정되었으므로 교토의정서라고도 함. 의무적으로 에너지소비량을 줄여야한다는 것은 특별한 대책이 없는 한 곧바로 경제활동을 줄여야 하는 것임.

현재 우리나라는 개발도상국으로 지속적인 경제성장을 위하여 많은 에너지를 소비하고 있는 실정이기 때문에 특단의 대책 없이 온실가스 감축대상국이 될 경우 막대한 경제적 타격을 입을 것으로 예상

1997년 일본 교토에서 선진국 이산화탄소 의무 감축량으로 합의된 내용은 2008∼2012년 기간 중 1990년 발생량 대비 평균 5.2% 감축한다는 것이 골자이다.
<참고자료 : 한국에너지기술연구원>

<검수위원 : 세종대학교 물리천문지구환경학부 교수 이창영