에너지

[spectro]

1. 4 에너지의 분류

        지금 사용되고 있는 에너지는 일반적으로 화석에너지, 핵에너지, 대체에너지, 그리고 신에너지로 분류된다. 이 장에서는 이들 에너지들을 간단하게 소개하여 다음 장들에서 다룰 내용들의 이해에 도움을 주려고 한다.

1. 4. 1 화석에너지

        화석에너지는 땅속에 저장되어 있는 석탄, 석유, 천연가스를 연소하면 얻을 수 있으며 이런 에너지원들을 화석연료라고 하며 태양에너지가 저장되어 있는 통조림이다.

1. 4. 1. 1 석탄

        지질시대 주로 고생대의 석탄기와 페름기의 식물, 즉 인목, 노목 등의 양치식물이 지하에 매몰되어 공기와 차단된 후 고온, 고압의 조건에서 탄화되어 생성된 암갈색의 암석이 석탄이다. 함유된 탄소량에 따라 이탄, 갈탄, 역청탄, 무연탄으로 분류한다. 이탄은 식물질 덩어리이며 갈탄은 점착력이 없고 무르다. 무연탄은 더욱 단단하며 암석이 용융되어 생성된 고온의 마그마 근처에서 열과 압력을 받아 만들어진다. 탄화가 더 진행되면 순수한 탄소로 이루어진 흑연이 만들어진다. 용융석탄은 나무보다 탄소의 함량이 높고 산소와 물의 함량이 낮으므로 나무보다 좋은 연료이다. 1g의 석탄을 태우면 10_～14kJ의 열량을 얻을 수 있다.

        석탄은 주로 섬유소(셀룰로오스), 헤미셀룰로오스, 목질부(리그닌) 등으로 구성되어 있다. 섬유소의 화학식은 (C₆H₁₀O₅)_n이며 안정한 고분자이다. 헤미셀룰로오스 역시 고분자이며 셀룰로오스가 가수 분해되어 생성된다.

그림 1. 3 에너지의 분류

화학식은 (C₅H₈O₁₁)_n이다. 목질소는 식물의 세포사이를 채우고 있으며 형태가 불규칙한 고분자로 목질부를 형성하고 있다.

        우리나라에서 산출되는 석탄은 주로 무연탄이며 가정과 공장에서 연료로 사용되고 있다. 휘발성분이 무연탄보다 더 많이 함유되어 있는 역청탄은 화력발전 및 산업용 연로로 사용되고 있지만 국내에서는 생산되지 않으므로 필요한 양 모두를 수입하여 사용하고 있다.

1. 4. 1. 2 석유

        석유는 탄화수소들의 혼합물이며 액체로 존재한다. 정제되지 않고 지하의 암반 속에 매장되어 있는 석유를 원유라고 하며 채유한 후에 분별증류 하여 휘발유, 경유 등으로 분리된다. 원유는 중생대 또는 신생대에 살고 있던 바다 동식물들이 해저에 매몰되어 오랫동안 분해되어 만들어진다.

        이전에는 주로 조명과 윤활제로 사용되었지만 석유가 증산되면서 액체이므로 수송, 취급 등이 용이하고 열효율이 석탄보다 높다는 이점을 가지고 있기 때문에 점점 연료로 많이 이용되고 있으며 현재에는 연료로 사용될 뿐만 아니라 플라스틱, 합성섬유, 살충제, 합성세제 등의 제품 생산에도 쓰이고 있다.

        석유는 중동지역에 가장 많이 매장되어 있으므로 공급이 원활하지 않을 때가 많으며 이미 두 차례에 걸친 석유파동으로 우리나라처럼 석유가 전혀 생산되지 않는 나라들은 상당히 곤란한 일을 겪었다.

1. 4. 1. 3 천연가스

        천연가스는 석유와 같이 생산되기도 하지만 대부분은 따로 생산되고 있다. 천연가스는 주로 메탄으로 이루어져 있으며 연소 시 이산화탄소의 배출량이 적으므로 에너지원으로 점점 더 많이 사용되고 있다. 천연가스는 기체이므로 저장과 운송에 어려움이 많았지만 액화기술의 개발로 대량수송과 대량저장이 가능하게 되었다.

        프로판이나 부탄 등의 끓는점이 낮은 가스를 액화하여 만든 것을 LPG(liquefied petroleum gas)라고 하며 메탄이 주성분이 가스에서 수분과 질소 등의 불순물을 제거한 후 -162℃의 저온에서 액화시킨 것을 LNG(liquefied natural gas)라고 한다. 우리나라에서도 1986년에 도입되어 가정용 연료와 발전용과 산업용 가스보일러의 연료로 사용되고 있으며 점점 사용량이 증가하고 있다. 또한 LNG가 사용될 때의 다시 기체가 되는 과정에서 흡수되는 열인 냉열을 이용하기도 한다. 예를 들면 냉열을 이용한 발전을 하거나 공기를 액화하여 액체산소, 액체질소, 액체 이산화탄소들을 만들며 식품의 냉장, 냉동에도 이용되며 고무, 플라스틱, 금속 등의 저온에서 분쇄하여 가공처리하기도 한다.

1. 4. 1. 4  메탄 하이드레이트(methane hydrate)

        바다의 미생물이 부패하여 생성된 메탄가스가 해저 또는 유빙 아래서 높은 압력과 낮은 온도에서 물과 결합하여 드라이아이스 형태의 고체상 격자구조로 형성된 연료로, 차세대 대체연료로 주목받고 있다. 녹게 되면 물과 함께 천연가스로 사용할 수 있는 메탄이 발생한다. 이를 천연가스로 환산할 때 지구에는 총 250조㎥에 달하는 양이 매장되어 있는 것으로 추정된다. 그러나 깊은 바다 밑에 매장되어 있어 채취에 따른 기술적 어려움과 경제성 등으로 인해 실용화 여부는 아직 알 수 없으며, 또한 이 물질에서 발생하는 메탄은 이산화탄소보다 지구 온실효과에 훨씬 많은 영향을 미치기 때문에 과학자들의 경고성 목소리가 그치지 않고 있다. 아직까지는 메탄을 분리하여 포집할 수 있는 기술이 개발되지 않고 있다. 우리나라에도 울릉도, 독도 주변 해저에 많이 매장되어 있으므로 개발 기술이 만들어지면 에너지 공급에 아주 큰 도움이 될 것이다.

그림 1. 4 메탄 하이드레이트

1. 4. 2 원자력에너지

        원자력에너지는 가벼운 원자핵들의 핵융합과 무거운 원자핵들의 핵분열과정에서 발생하는 에너지이며 발전 등에 이용된다. 핵분열 반응은 연쇄반응이며 원자로에서 연쇄반응 속도를 조절하여 에너지를 얻는다. 원자로에는 연료로 사용되는 우라늄-235와 플라토늄과 중성자가 생성되는 속도를 조절하는 감속제 그리고 발생하는 열을 제거하는 냉각제 등이 필요하다. 또한 핵분열과정에서 배출되는 방사선과 방사능을 가진 페기물의 처리가 문제점이다.  핵융합은 항성에서 빛과 열이 발생하는 과정이며 고온에서 생성되는 플라스마가 필요하므로 이것을 제어하는 방법이 연구 중에 있다. 핵분열이나 핵융합에서는 온실가스의 배출이 없고 연료 소량으로도 많은 에너지를 방출하므로 특히 우리나라와 같이 석유가 생산되지 않는 나라에서는 이것을 이용한 핵발전소의 건설이 활발히 이루어지고 있다.

1. 4. 3 대체에너지

        대체에너지는 자연을 이용하는 에너지이며 환경에 미치는 영향이 화석에너지보다 아주 적으며 재생할 수 있는 에너지로 지열, 풍력, 수력, 해양(조력, 파력, 온도차)에너지 등이 있다.

1. 4. 3. 1 지열에너지

        지구표면에서 중심부로 들어갈 때 lkm 내려가면 온도가 대략 30℃씩 높아지고 중심부에 있으며 용융되어 있는 철과 니켈로 이루어진 내핵의 온도는 4000℃ 정도이다. 지표에는 5에서 35km의 두께를 가진 지각이 분포되어 있고 지역에 따라 차이는 있지만 지구 내부에서 평방미터당 약 50mW 정도의 열이 열전도나 가스, 온수 및 화산분출 등에 의하여 밖으로 방출된다. 지표에서 3km정도 아래의 평균온도가 약 90℃이므로 난방 등에 이용되며 5km깊이에서의 온도는 240℃ 정도에 도달하므로 터빈을 이용한 발전이 가능 하다.

        지열에너지는 저온 열수를 직접 이용하는 온천 등의 관광 자원이나 프랑스나 헝가리에서 이용되고 있는 것처럼 난방 열원 등으로는 많이 개발되었지만 에너지원으로는 그렇게 많이 개발된 것은 아니다. 지하에 있는 고온층에서 나온 고온의 수증기 또는 열수를 이용하여 발전기의 터빈을 회전시켜 전기를 만드는 것이 지열발전이다. 지열발전은 운전기술이 비교적 간단하고 가동률이 높으며 남은 열을 지역에너지로 이용할 수 있다는 이점이 있다. 1900년도 초 이탈리아의 랄데렐로에서 처음으로 지열발전이 시작되었으며 일본, 미국에서도 지열발전소들이 건설되어 가동 중이다. 우리나라에서도 이 분야에 대한 연구 개발을 추진 중에 있다.

1. 4. 3. 2 풍력에너지

        풍력에너지는 기원전부터 이용된 에너지로 물을 퍼내거나 곡식을 찧거나 또는 배를 움직이게 하는 등 최근까지도 이용되고 있다. 바람은 지표의 온도가 태양에 의하여 상승하고 그 열에 의하여 일어나는 공기의 흐름과 지구의 자전 때문에 발생한다, 풍차를 이용하여 바람에서 많은 에너지를 얻기 위해서는 바람의 방향, 속도, 풍차 모양이 신중하게 검토되어야 한다. 바람은 지상 10m이상의 높이에서 난류현상이 사라지며 속도가 급격하게 증가하므로 일반적으로 풍차는 최소 10m이상에 설치한다.

        풍력발전은 바람이 가지고 있는 운동에너지를 이용하여 회전자를 회전시킬 때 나오는 기계적 에너지를 기계적 에너지를 전기에너지로 변환시켜 전기를 생산한다. 풍력발전은 오염물질을 배출하지 않지만 넓은 지역이 필요하고 풍차 부근의 토지를 적절히 이용해야 하는 등의 문제도 있다. 풍차의 출력은 공기 밀도 ρ와 풍차의 회전 단면적 A에 비례하고 풍속 V_o의 세제곱에 비례한다. 즉, 출력 P는

        P = 1/2C_pρV_o³A

로 표시되며 출력계수 C_p는 풍차의 효율이다.

        풍차는 1970년 이후에 많이 설치되어 이용되고 있다. 미국 등에서는 가정용이나 농촌용으로 소형 풍력발전기가 개발되어 사용되고 있으며 중형 발전기를 집단적으로 설치하여 전력을 생산하는 풍력단지가 조성되고 있다. 우리나라에서는 제주도와 서해안에 풍력발전기들이 설치되어 전기를 생산하고 있다.

1. 4. 3. 3 수력에너지

        강이나 호수의 물을 이용하여 발전을 하려면 수위차를 만들어야 한다. 수위차를 만드는 방법으로 댐식, 유역변경식 등이 있다. 당이나 호수에 댐을 만들어 물을 모아두었다가 수문을 열어 물을 흘려보내는 것이 댐식이며 2개의 하천이 가까이 있을 때 높은 쪽 하천의 물을 낮은 하천으로 보내는 방식이 유역변경식이다.

        수력 발전은 가동과 정지가 용이하며 운영비가 적게 들고 운전과 보수 및 유지가 간단하며 반영구적이라는 등의 장점이 있지만 환경훼손이 심하다는 등의 단점도 있다. 댐을 만들 때 많은 지역이 수몰되는 것은 바람직하지 않지만 홍수, 가뭄 등을 조절할 수 있다는 장점도 있다. 우리나라에서는 1983년 설치된 섬진강 발전소를 시작으로 팔당, 청평, 충주, 합천, 보성강, 양양, 무주, 안동 등에 수력발전소가 건설되어 전력을 생산하고 있다.

1. 4. 3. 4 해양에너지

        바닷물을 이용하여 에너지를 생산하는 것이 해양에너지이며 조수간만의 차이 (조력에너지), 바닷물의 깊이에 따라 변하는 온도의 차이(온도차에너지) 그리고 파도의 힘(파력에너지)을 이용한다.

        조력발전은 강한 조석이 발생하는 큰 하구나 만의 입구에 방조제를 만들고 댐을 설치하여 바다와 댐 사이에 수위차를 만들어 발전한다. 조력발전은 대체로 평균수위차가 5m이상이어야 경제성이 있으며 해저의 기반이 견고하고 송전거리가 가능한 한 짧아야한다. 1966년 세계 최초로 프랑스에 시설용량 24만kW급의 랑스 조력발전소가 완공된 이후 구소련, 중국, 캐나다에 조력발전소가 건설되었으며 우리나라에서도 대규모 조력발전을 위한 조사 연구가 활발히 진행되고 있다. 

        파력발전은 입사하는 파력에너지를 터빈 등의 원동기의 주동력으로 변환하여 발전하며 파력에너지는 물입자의 운동에 따른 운동에너지와 위치에너지가 같은 비율로 이루어졌으며 기계적 에너지, 열에너지, 전기에너지로 변환하여 사용할 수 있는데 전기에너지가 가장 실용적이라고 한다.

        해류발전은 바다 속에 큰 프로펠라식 터빈을 장치하고 해류의 흐름으로 이를 회전시켜 발전하며 해양온도차 발전(OTEC: ocean thermal energy conversion)은 열을 일로 바꾸어 발전한다. 바다표면의 고온해수(15_～30℃)와 깊은 바다의 저온해수(1_～8℃)를 열원으로 사용하여 발전하며 작동유체로는 상온에서 증발하는 CFC(chlorofluorocarbon) 또는 탄화수소 등이 사용된다.

1. 4. 4 신에너지

        최근에 개발 연구되고 있는 신에너지에는 태양에너지, 핵융합에너지, 연료전지, Magneto Hydro Dynamics(MHD), 바이오에너지 등이 있다. 본 장에서는 태양에너지와 바이오에너지만을 간단하게 소개하려고 한다.

1. 4. 4. 1 태양에너지

        태양은 막대한 양의 열과 빛에너지를 지구에 보내고 있으며 영구적으로 사용할 수 있는 에너지원이다. 태양에너지의 이용은 크게 나누어 열과 빛을 이용하는 두 가지로 나눌 수 있다. 태양열 집열판과 태양열 발전소 등은 열을 이용하며 태양전지는 빛에너지를 이용한다. 건물의 냉난방 및 온수, 농수산물의 재배와 건조 그리고 소형 계산기, 도서지방의 전기 공급, 등대 및 통신 중계소, 가정용 전기 등에 사용되고 있다. 우리나라에서는 전남 하화도에 25kW급 그리고 마라도에 30kW급 시스템이 설치되어 주민들에게 전기를 공급하고 있다.

1. 4. 4. 2 바이오에너지

        바이오매스는 태양에너지를 광합성에 의해 저장 및 이용하고 있는 동물, 식물, 미생물의 유기물량을 의미한다. 바이오매스를 에너지로 변환하는 기술에는 바이오매스의 육성, 개량 및 이용하는 방법과 유기질 산업폐기물, 농수산폐기물, 음식쓰레기 등의 에너지를 회수하는 방법 등이 있다. 핵심기술로는 난방, 공정열 및 취사를 위한 직접연소, 발전용 연료열 전환 또는 생물학적 혐기성소화에 의한 바이오가스 및 합성가스의 생산, 그리고 액체연료로의 전환 등이 있다.

그림 1. 5 바이오에너지의 생성과 이용

[하유진]

영구적인 에너지를 사용하는게 앞으로의 발전에 좋으니까 좋은거~

[아리은지]

지열에너지는 온천이나 화산있는곳에서만 사용가능할듯...

[아2자식~]

에너지를 통조림으로 파는날이 올까.....