에너지 대안 기술

[귀공자]

- 바이오매스
- 조력발전
- 파력발전과 온도차 발전
- 지열에너지
- 수력에너지
- 연료전지

바이오매스
바이오매스는 나무가 주된 에너지원이던 19세기까지 전세계에서 가장 많이 사용된 에너지원으로 지금도 저개발국가에서는 에너지의 상당 부분을 바이오매스가 공급하고 있다. 바이오매스는 아직도 풍부하게 존재하는데, 나무뿐만 아니라 곡물, 식물, 농작물 찌꺼기, 축산분뇨, 음식 쓰레기 등이 모두 바이오매스로서 에너지 생산에 이용될 수 있다. 바이오매스는 나무처럼 가공하지 않은 형태로 손쉽게 열을 생산하는 데 이용될 수도 있고, 가공하여 메탄올, 에탄올, 바이오디젤유 등의 액체 연료와 수소나 메탄 같은 기체 연료 등의 바이오연료(biofuel)를 얻어 자동차 연료나 발전용, 난방용 연료로 이용하는 것도 가능하다.

바이오매스는 직접적인 연소나 가스화, 열분해 등의 열화학적 변환과 혐기성 분해 또는 발효 등의 미생물과 박테리아를 이용한 생화학적 변환, 직접적인 기름 추출 방식 등을 통해 가공된다. 직접 연소를 통해서는 나무찌꺼기나 농작물 찌꺼기를 태워서 직접 열을 얻거나 연소열로 증기를 만들어서 난방열과 전기에너지를 얻는다. 또한 산소가 소량 공급되는 상태에서 가열하면 중질의 가스가 만들어지고 이를 정화한 후 열병합 발전기를 통해 난방열과 전기를 생산하는 데 이용할 수 있다. 열분해는 공기를 완전히 차단한 상태에서 섭씨 500 정도의 고온으로 가열하여 바이오기름, 가스, 목탄 등을 만드는 데 가스와 기름은 전기와 열을 생산하는 데에, 목탄은 연료로 이용된다.

혐기성 분해는 박테리아를 이용한 소화와 유사한 것으로, 음식 찌꺼기, 가축 분뇨 같은 유기질 쓰레기를 공기를 차단한 상태에서 박테리아를 이용해서 분해하는 것이다. 이 과정에서 주로 메탄이 50% 이상 함유된 가스가 생성되는데, 이것은 정화과정에서 수분 등을 제거한 후 열병합 발전기에서 전기와 열을 생산하는 데 이용한다. 발효는 사탕수수, 사탕무, 옥수수 등에 함유된 당을 에탄올로 변환하기 위해서 이용된다. 특히 에탄올은 액체 바이오연료 중가장 일찍 개발되어 수송용으로 사용되었다. 에탄올은 바이오매스에 함유되어 있는 탄수화물을 당으로 변환한 다음 이것을 알코올 발효시켜서 얻거나 사탕수수나 사탕무의 경우처럼 직접 당을 추출하여 알코올 발효를 시킨다. 바이오디젤은 최근에 개발된 것이지만 전력생산이나 난방용 또는 수송용으로 점차 이용범위를 넓혀가고 있는데, 이것은 메주콩, 유채씨앗, 동물성 지방, 폐 식물성 기름 등의 바이오매스로부터 유기질 기름을 직접 추출하여 촉매의 작용 하에서 에탄올이나 메탄올과 결합시켜 에스테르로 변환시켜서 얻는다.

바이오매스로 주목 받는 식물들은 대기중의 이산화탄소를 빠르게 흡수해서 성장하는 것들로 공기중의 이산화탄소가 축적되어 만들어진 것이기 때문에, 에너지로 사용될 경우 이산화탄소는 단지 순환할 뿐 추가적으로 배출되는 것은 없다고 말할 수 있으나 대규모로 경작할 경우나 대규모 가공과정에서 토양의 침식, 물 사용, 비료나 농약의 투입, 생물 다양성, 자연경관 등의 환경적인 측면에서 부정적인 결과를 가져올 수 있다.

조력발전
조력발전은 다른 대부분의 재생가능 에너지가 태양으로부터 오는 것과 달리 조석 간만의 차에 의해 생기는 조류를 이용한 달로부터의 힘을 이용하는 것이다. 이용 초기에는 수력발전을 응용하여 간만의 차가 심한 곳에 대형댐을 만들어서 전기를 생산하는 것이었다. 따라서 밀물과 썰물이 강한 좁은 만이나 양쪽에 삐죽 나온 곶이 있는 바다물의 통로를 가로질러, 즉 조수의 방향과 직각으로 육지를 잇는 댐을 세우고 댐 속에 터빈을 설치하였다. 그러나 이 경우 하루의 절반은 조수가 육지를 향해서 밀려들어오고, 나머지 절반은 조수가 육지로부터 멀어져간다는 문제와 조수의 힘이 계속해서 바뀌는 문제가 발생한다. 특히 간조때와 만조때는 조수의 흐름이 정지되므로 이 힘도 제로가 되어 조수의 힘이 하루에도 여섯시간마다 제로로 떨어지는 등 변화가 심해 댐을 건설 시 이러한 점을 세심하게 고려해야 하고, 물을 댐 속에 가두어둘 수 있는 장치도 건설해야 한다. 현재 전세계에서 가동중인 조력발전소는 프랑스의 부르타뉴 해안 라 랑스(La Rance)에 설치된 것과 러시아에 설치된 것으로 단 두 곳 뿐이다. 사실 수력발전과 유사하게 댐을 건설해서 발전하는 조력발전 방식은 바다를 막아 물의 흐름에 커다란 영향을 주기 때문에, 어업이나 연안 양식업에 지장을 주고 갯벌을 파괴할 우려가 있다. 연안 생태계에 부정적인 영향을 미칠 가능성도 배제할 수 없다. 이러한 환경적인 면에서의 문제 등으로 인해 커다란 댐을 이용하는 조력발전은 더 이상 확대되지 못했고, 현재는 거의 폐기된 상태이다.

최근에 개발되어 실용 단계에 들어간 좀더 환경친화적인 조력발전은 풍력발전기에서 사용되는 것과 비슷한 날개를 돌려서 발전하는 것이다. 규모도 댐 방식에 비해 훨씬 작다. 이것은 그림과 같이 바다 밑바닥에 박힌 기둥 중간에 날개가 달려 있고, 이 날개가 조수에 따라 회전하면서 전기에너지를 생산하도록 되어 있다. 날개는 해수면으로부터 10미터 아래에 놓여진다. 이러한 발전방식은 댐 방식에 비해서 여러 가지 잇점을 가지고 있는데, 바다의 경관을 해치지 않고 갯벌에도 아무런 영향을 미치지 않으며, 아무런 소음도 일으키지 않는다는 것이다. 이러한 발전기는 조수가 있는 곳에는 어디에나 큰 문제 없이 세울 수 있기 때문에 이로부터 얻을 수 있는 전력 잠재량은 대단히 클 것으로 예상된다.

파력발전과 온도차 발전
지구의 해안에 들이치는 파도의 에너지는 모두 200-300만 메가와트에 달할 것으로 추정된다. 이와 같이 잠재량은 매우 많지만 파도로부터 전기를 얻는 시도는 아직 연구개발단계에 머물어 있지 실용화되지는 않고 있다. 단지 몇 개의 원형 형태의 시스템이 실험적으로 설치되어 운영되고 있다. 이것들은 모두 해안선에 설치되어 있고, 총 발전용량은 1메가와트도 채 안된다.

바다에서의 온도차를 이용해서 에너지를 얻으려는 생각은 100년 이상 된 것이다. 이것이 실용화되면 가장 큰 재생가능 에너지원이 얻어지는 셈이지만, 열역학적으로 보면 온도차가 클수록 에너지를 뽑아내기가 쉽기 때문에 바다의 그다지 크지 않은 온도차를 이용해서 에너지를 얻는 것은 기술적으로 쉬운 일이 아니다. 온도차가 적어도 섭씨 20도 이상은 되어야 기술적으로 에너지를 얻기가 적합한데, 이러한 곳은 열대의 깊은 바다밖에 없다. 그러나 깊은 바다에 장치를 설치하는 데는 여러 가지 어려움이 따르기 때문에, 온도차를 이용한 발전이 실용화되려면 상당한 시간이 걸릴 것으로 예측된다. 온도차로 에너지를 얻기 위해서는 기술적으로 두 개의 시스템을 적용할 수 있다. 하나는 따뜻한 바다물을 낮은 압력에서 증발시켜서 증기를 만들고 이것으로 터빈을 돌린 후, 터빈을 통과한 증기는 응축기에서 차가운 바다물을 이용해서 냉각시키는 것이다. 다른 하나는 폐쇄된 회로 속에서 따뜻한 바닷물을 이용해서 암모니아 같이 끓는점이 낮은 액체를 끓여 그 증기로 터빈을 돌리는 것이다. 터빈을 돌린 암모니아 증기는 열교환기에서 차가운 바닷물에 의해 응축되어 되돌려진다.

지열에너지
땅 속 깊은 곳에서는 방사성 동위원소들의 붕괴로 끊임없이 열이 생성되고 있고, 땅 속 마그마는 종종 지각이 얇은 곳에서 화산이나 뜨거운 노천온천의 형태로 열을 분출한다. 이러한 열을 보통 지열이라 부르는데, 지열은 방사성 물질과 마그마의 작용으로 생성되는 것이기 때문에, 태양에너지와는 관계없는 것이다. 지열은 직접적인 난방, 전력생산, 열펌프를 통한 난방과 냉방, 제조용 열 등 여러 가지 형태로 이용될 수 있다.

온도가 그다지 높지 않은 섭씨 20도에서 150도 사이의 지열이 존재하는 땅속 저장소는 보통 주거지나 산업체에 직접 열을 공급하는 데 이용될 수 있다. 지열을 직접 이용하는 시스템은 세 개의 핵심요소로 구성되어 있다. 이것은 지하에 존재하는 또는 지하에서 데워진 뜨거운 물을 지표면으로 뽑아올리는 열공급장치, 열을 실내난방용이나 산업제조용으로 전달하는 기계장치 그리고 사용되고 나온 냉각된 물을 내보내는 장치이다. 직접적인 이용은 냉난방이나 산업용 외에도 온실, 양어장, 수영장, 목욕탕 등에도 이용될 수 있다. 지열의 직접적인 이용은 지열로 전력을 생산하는 경우와 비교할 때 열의 이용효율이 높고, 투자비와 개발비가 적게 든다는 잇점을 가지고 있다. 전력생산의 경우 효율은 5-20%에 지나지 않지만, 직접 이용은 50-70%에 달한다. 또한 온도가 그다지 높지 않은 지열도 직접 이용은 가능하다는 것도 장점이다. 그러나 지열을 이용해서 생산한 전기는 먼 곳까지 전달되기 쉽지만, 직접적인 이용은 그 장소 부근으로부터 벗어나기가 힘들다는 단점도 있다.

지열을 이용해서 전력을 생산하기에 적합한 곳은 뜨거운 증기나 뜨거운 물이 나오는 곳이다. 증기가 솟아나오는 곳에서는 이 증기로 직접 터빈을 돌려서 발전을 한다. 뜨거운 물이 나오는 경우 물의 온도는 섭시 182도 이상이 되어야 하는데, 이 물은 땅 속에서 높은 압력을 받고 있기 때문에, 지상으로 끌어올려지면 압력이 떨어지면서 일부가 증기로 바뀐다. 이 증기는 물로부터 분리되어 터빈으로 전달되어 터빈을 회전시키고, 이때 전력이 생산된다. 증기와 분리되어 나온 물과 터빈을 통과한 후 응축된 증기는 원래의 저장소로 되돌려진다.

물의 온도가 섭시 107도에서 182도까지인 경우에도 전기를 생산할 수 있는데, 이때는 물을 열교환기로 보내서 낮은 온도에서 끓는 액체를 증기로 변환시켜야 한다. 이 증기는 터빈을 돌리고 이때 발전기가 함께 회전하면서 전기를 만들어낸다. 끌어올려진 물은 열교환기를 통과한 후 땅속으로 보내져서 가열되어 다시 끌어올려진다. 이 시스템에서는 물이 흐르는 회로가 완전히 닫혀져 있어 땅 속에 뜨거운 물이 없고 뜨거운 암석층만 있어도 가능하다. 뜨거운 암석층은 거의 식지 않기 때문에 이 과정은 발전시설의 규모가 적당하면 오랫동안 반복 가능하기 때문이다.

그러나 땅속으로부터 뜨거운 증기나 물을 끌어올려서 발전하는 것은 엄밀한 의미에서 재생가능한 것은 아니다. 현재 지열 발전을 하는 모든 곳의 열저장량은 점차 줄어들어가고 있는데, 그 이유는 발전을 위해 빠져나가는 지열의 양이 저장소의 재충전 능력보다 더 빠르게 나가버리고 있기 때문이다. 물론 오랜 시간이 걸리기는 하겠지만, 땅속에서 뜨거운 물이나 증기가 고갈되고 뜨거운 암석층이 식어버리면 더 이상 열을 끌어올릴 수 없게 되는 것이다.

또한 지열은 원래 뜨거운 물이나 스팀이 나오는 곳에서만 이용 가능한 것으로 여겨졌다. 그러나 최근에 땅을 열 저장소나 열 싱크로 이용하여 난방이나 냉방을 하는 열펌프가 개발되어 퍼지면서 지열 이용은 어디서나 가능한 것으로 바뀌었다. 미국에서 지열 열펌프는 냉방과 난방용으로 가장 에너지 효율이 높은 것으로 평가되어 있다. 지열 열펌프는 땅 속에 이미 존재하는 약간의 열을 이용하기 때문에 기존의 공기를 이용한 열펌프보다 훨씬 높은 효율을 낸다. 이 기술은 땅속이나 지하수가 연중 비교적 일정한 온도(섭씨 10도 내외)를 유지한다는 점을 활용하는 것이다. 땅속은 여름에는 지상보다 온도가 낮고, 겨울에는 지상보다 온도가 더 높다. 지열 열펌프는 땅속이나 지하수에 저장된 열을 겨울에는 건물로 전달하고, 여름에는 열을 건물로부터 뽑아서 땅속으로 보내는 일을 한다. 그러므로 땅속은 겨울에는 열원으로, 여름에는 열 싱크로 작용하는 것이다. 지열 열펌프를 이용하는 시스템은 크게 땅속과 연결하는 장치, 열펌프, 열 배분장치로 구성되어 있다. 이와 같이 땅속 얕은 곳의 온도가 일정하다는 것을 이용해서 냉난방을 하는 것은 땅속의 온도가 오랜 시간이 지나도 변화하지 않기 때문에, 뜨거운 물이나 증기를 이용하는 지열발전과 달리 재생가능한 것이다.

지열을 적절하게 이용하는 것은 환경적인 측면에서도 꽤 유리하다. 이산화탄소 배출도 별로 없고 오염물질도 거의 나오지 않는다. 물론 땅속의 뜨거운 물이나 증기는 이산화질소, 이산화탄소, 황화수소 등을 함유하고 있고, 이러한 물이 지상으로 솟아오르면 이들 기체들도 함께 나와 대기로 방출된다. 그러나 이들 기체의 농도는 그다지 높지 않기 때문에 화석연료와 비교할 때 지열을 이용해서 1킬로와트시의 전기를 생산하면 약 13-380그램의 이산화탄소가 배출된다. 이에 비해서 석탄은 1킬로와트시를 생산하는 데 1000그램 가까운 이산화탄소가 배출된다. 황 방출량도 화석연료와 비교하면 무시할 정도로 적다. 낮은 온도의 지열 이용의 경우에는 이산화탄소와 황 배출량은 거의 무시할 만한 정도이다. 간혹 기체 함유량이 아주 높은 경우도 있는데, 이러한 경우에는 특수한 기술을 사용하여 기체가 대기로 방출되지 못하도록 해야 한다. 지열을 이용하는 열펌프는 에너지 효율이 매우 높다. 이 장치는 기존의 장치보다 적은 양의 전기를 소비하고, 따라서 이산화탄소나 오염물질 배출량도 적다. 또한 프레온 가스를 사용하지 않고도 냉방을 하기 때문에 오존층 파괴도 억제하는 효과도 낳는다.

수력 에너지
모든 재생가능 에너지 기술 중에서 수력을 이용하는 기술은 가장 오래된 것이고, 근대 산업사회에서 가장 중요한 역할을 했다. 지금도 지역에 따라서는 수력을 이용해서 물을 퍼올리거나 곡식을 가공하기도 하지만, 현재 수력은 대부분 전기를 생산하는 데 이용된다. 그런데 지금까지 전력생산을 위해서 세워진 대부분의 대형 수력발전소는 새로운 재생가능 에너지에 속하지 않고, 또한 이제는 재생가능하다고 보기도 어려운 면을 지니고 있다. 그리고 종종 심각한 환경문제를 초래하기도 한다. 커다란 댐을 건설해서 수력발전을 할 경우 댐은 물의 흐름을 느리게 해서 댐 바닥에 토사가 쌓이게 만든다. 이러한 토사는 강바닥을 높이고, 그 결과 댐으로 들어오는 강물의 흐름은 더 느려진다. 그리고 이는 댐으로부터 터빈을 통과할 수 있는 물의 속도를 점차 감소시키고, 따라서 그 양도 감소시켜 결국은 수력발전소의 최대 발전용량도 감소시킨다.

거대한 댐은 또한 주변지역의 기후에도 영향을 미친다. 대기를 습하게 만들어서 여름에는 날씨를 더 무덥게 만들고, 겨울에는 더 춥게 만들기도 한다. 거대한 댐의 경우에는 물의 무게 때문에 지각이 눌리기 때문에 약하기는 하지만 지진이 잦아지기도 한다. 댐은 물고기들이 강을 따라 이동할 수 있는 통로를 막아버리기 민물고기의 생존에도 심각한 위협요소로 작용한다. 이러한 여러 이유로 인해 대형 댐 건설은 많은 비판을 받았고, 그 결과 몇몇 계획은 최소되기도 했다.

대형 수력발전은 전세계적으로 강한 비판에 직면해 있지만, 다른 형태의 수력발전은 재생가능 에너지원으로서 세계 에너지 공급을 위해 상당한 기능을 할 것으로 기대된다. 새로운 형태란 소형 수력발전을 말하는데, 이러한 발전방식으로는 낙차가 큰 곳에 댐이 아니라 관을 설치해서 관속의 물의 힘으로 터빈을 돌리는 것과 흐르는 물을 그대로 통과시켜서(run of the river) 발전기를 돌리는 두 종류의 형태가 있다. 두가지 방식 모두 댐을 건설할 필요가 없고, 강을 크게 변형시키지 않는다는 장점을 가지고 있다. 관을 설치하는 경우는 낙차가 큰 강의 강물의 일부를 따로 끌어서 관 속을 흐르도록 하고 이 흐르는 힘을 이용해서 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 강의 낙차가 크지 않은 경우에는 물 속에 소위 '전구형 터빈'(bulb turbine)을 설치해서 전기를 생산한다. 기존의 수력터빈은 대형이든 소형이든 물이 터빈과 수직방향으로 떨어지면서 터빈의 날개를 때려서 돌리지만, '전구형 터빈'은 회전축이 물의 흐르는 방향과 평행으로 놓인다. 강물은 터빈 속으로 직접 들어가서 흘러 나오고, 이때 물의 흐르는 힘에 의해 발전기가 회전하면서 전기가 만들어지는 것이다.

소수력발전은 대형 댐을 건설해서 발전하는 경우와 달리 건설기간이 짧기 때문에, 대형 수력발전소에 비해서 산출되는 에너지의 양이 그다지 많지는 않아도 건설에 투입된 에너지의 상쇄기간도 길지 않다. 보통 대형 수력발전의 경우 투입에너지의 상쇄기간이 5-6개월 결리는 것에 비해 소형은 9개월 정도 걸린다. 이산화탄소 배출량은 대형이 킬로와트시당 약 10그램, 소형은 약 15그램 정도이다. 이산화황은 대형의 경우 킬로와트시당 약 0.02그램, 소형은 약 0.03그램이다.

연료전지
요즈음에는 연료전지가 미래의 에너지 생산장치로서 관심을 끌고 있다. 연료전지는 수소를 통과시켜 산소와 반응하게 해서 전기와 열을 만들어내는 장치로 재생가능 에너지원은 아니다. 다만 태양에너지나 풍력 등 재생가능 에너지를 이용해서 만든 수소를 이용할 수 있는 적절한 장치라는 점에서 종종 재생가능 에너지와 연관이 있는 것처럼 언급되고 있을 뿐이다. 그러나 현재 연료 전지용 수소는 거의 모두 천연가스를 분해해서 생산한다. 그런데 이 분해과정에서 이산화탄소가 배출되기 때문에 연료전지 그 자체로는 청정한 기술이 아닌 셈이다. 연료전지는 내부에 축적된 화학물질의 반응으로부터 얻어진 에너지를 이용하는 보통의 전지와 달리 연료(수소)가 공급되면 계속해서 전기와 열이 생산되는 장치이다. 전지는 양극과 음극으로 이루어져 있고, 음극에서는 수소가 양극에서는 산소가 공급된다. 음극에서 수소는 전자와 양성자로 분리되는데, 전자는 회로를 흐르면서 전류를 만들어낸다. 이것들은 양극에서 산소와 만나 물을 생성하기 때문에 연료전지의 부산물은 물이다. 연료전지는 자동차나 건물의 전기와 열 생산에 이용될 수 있다. 연료전지에 들어가는 수소의 원료는 고려하지 않고 그 자체만 놓고 볼 때는 배출물질이 물이기 때문에 매우 깨끗한 에너지 생산 장치로서 주목받고 있다.

일부 에너지 연구자들은 인류가 앞으로 탄소 경제로부터 수소 경제로 나아가면 연료전지가 그 핵심역할을 할 것으로 전망한다. 연료전지는 거의 모든 곳의 동력원과 열원으로 기능할 수 있다는 잇점을 가지고 있기 때문이다. 전기자동차의 수송용 동력을 제공할 수 있고, 전기를 생산함과 동시에 열도 생산하기 때문에 소규모의 것은 주택의 지하실에 설치해서 난방과 전기생산을 동시에 할 수 있다. 조금 큰 규모로 설치할 경우에는 큰 건물의 전기와 난방을 담당할 수 있다. 대규모로 설치하면 도시공급용 전기와 난방열을 생산할 수 있다. 그러나 수소는 폭발성이 강한 물질이고 섭씨 -253도에서 액체로 변환되기 때문에 다루기에 어려운 점이 있다. 그리고 수소경제로 전환하기 위해서는 석유에 맞게 건설되어 있는 모든 사회 기반시설을 바꾸어야 한다는 사회적, 경제적으로 대단히 어려운 과제를 해결해야만 한다.

---

에너지대안센터 110-819 서울특별시 종로구 부암동 332-25
Tel:02-394-2345 Fax:02-394-2355 mailto:ykh@kfem.or.kr

[웃는신성삼경]

안녕하세요?
수고가 많으십니다.^^

사람은 위대하다.

지금까지 사람이 만든 기계를

보면, 모든기계가 사람이

원하는대로 작동을 하고있다.

이것은 하고자 하는대로

잘 만들면 되는것이다.

무엇이든지 잘 못하면

당연히 안되는것이다.

되는 이론을 만들면,

되는것이고,

안되는 이론을 만들면

안되는 것인데,

된다, 안된다를 굳이

따질필요가 없다고

생각을 한다.

아래 영상을 보고,

논하고 싶다.

너무 오랜시간을

하다보니 자금이 다

떨어진 후에야

발명이 되어,

완제품을 만들지 못 하고,

이렇게 증거품으로

대신한다.

이것이 (무한 동력) 전기 모터와 발전기의 결합체이다. - https://youtube.com/watch?v=KtRhlZ_Aix4&feature=share