기름값 파동, 고갈되지 않는 신재생에너지 개발 가속화









[환경해양에너지분야 20세기 이후 10대 사건 4]


 


기름값 파동, 고갈되지 않는 신재생에너지 개발 가속화


 


 


석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석연료들은 인류 발전을 이끌어 온 중요한 에너지 자원이다. 특히 액체인 석유는 다루기 쉬워, 현대사회를 지탱하는 가장 중요한 에너지원으로 사용돼 왔다. 하지만 인류의 계속된 채굴과 그 사용량 증가로 인해 석유는 점차 고갈돼 가고 있다.

1973년, 석유파동이 일어나 세계는 혼란에 빠졌다. 이러한 위기로 인해 석유를 주요 에너지원으로 사용하던 나라들은 새로운 에너지원을 개발해야 한다는 필요성을 절실히 느꼈다. 또한 화석연료 고갈에 대한 우려와 지구온난화 방지를 위한 노력이 범세계적으로 진행되면서, 2000년 이후 신재생에너지 기술 개발과 활용이 두드러지게 증가하고 있다.

새로운 에너지원으로 떠오른 신재생에너지는 태양과 지구가 존재하는 한 고갈되지 않으며, 지구환경에 치명적 영향을 주지 않는 에너지원으로 주목받고 있다. 이렇듯 차세대 에너지원으로 떠오른 신재생에너지 개발은, 20세기 이후 환경에너지분야에서 일어난 중요한 사건이다.













신재생에너지의 등장


19세기 산업혁명 이후, 현대사회가 발전하고 풍요로울 수 있었던 것은 과학과 산업의 발전과 더불어 석유가 풍족했기 때문이다. 액체인 석유는 개발에서 사용까지 취급하기 쉽고 열량도 높아 난방, 수송, 산업용 에너지로 널리 사용돼 왔다.
또한 의약품, 플라스틱 등 유기화합물 제품의 원료로도 사용되기 때문에 사회 발전에 중요한 역할을 해 왔다.

특히 20세기 들어 자동차가 대중화되기 시작하면서, 석유 사용량은 급속도로 증가하고 있다. 이렇듯 세계가 석유를 꾸준히 사용함에 따라 석유 매장량은 점차 감소하고 있다. 이미 세계적으로 최대채유량을 넘어선 유전이 증가하고 있으며, 새로운 유전이 발견되는 빈도는 줄고 있다. 최대채유량을 지난 유전에서는 석유를 채굴하는 것이 기술적으로 어려우며, 그 비용도 많이 든다.

또한 새로운 유전은 개발이 어려운 심해에서 발견되고 있어 석유 채굴에 드는 비용은 점점 늘어나고 있다.

한편, 석유가 연소되면 이산화탄소가 배출된다. 석유 사용이 증가하면서 배출되는 이산화탄소는 지구온난화의 주범으로 알려져 있다. 따라서 지구온난화와 환경오염을 억제하기 위해 많은 나라가 범세계적 기후변화협약을 맺고 화석연료 사용 및 지구온난화가스 배출 감축 정책을 강력히 추진하고 있다.

이에 따라 연료가 고갈되지 않으면서도 친환경적인 새로운 에너지기술 개발과 활용이 2000년 이후 두드러지게 증가하기 시작했다. 이러한 기술로는 햇빛, 바람, 물, 지열 등 자연의 에너지를 모아 사용하는 재생에너지가 있다.


재생에너지란
재생에너지는 태양광, 풍력, 수력, 조력, 지열 등 자연에서 회수할 수 있는 에너지를 의미한다. 우리나라는 폐기물을 연소시켜 회수하는 에너지도 포함시키고 있다.







● 태양에서 얻는 에너지, 태양에너지









태양에너지는 공해가 없고 연료가 무한하며 지역 편중이 적은 에너지로, 전기와 열로 활용할 수 있다. 태양에너지 기술은 석탄이 고갈될 것을 예측하고 1860년대에 개발되기 시작했지만, 20세기 초 경제성, 이용성이 좋은 석탄, 석유와 같은 화석 연료에 밀려 개발이 부진했다. 그러던 중 1973년 일어난 석유파동으로 인해 전 세계가 몸살을 앓은 후, 대체 에너지 개발에 관심을 보이기 시작했다. 미국, 일본, 독일을 중심으로 태양에너지 기술을 연구, 개발하기 시작했고, 1997년 이후 석유자원 고갈, 지구온난화문제 등을 이유로 태양광발전기의 설치가 가속화됐다.
태양광 발전은 태양전지로 전기를 발생시키는 기술이다. 태양전지는 구성 소재 및 기술에 따라 단결정실리콘, 다결정실리콘, 비결정형 박막실리콘, 다층의 무기박막(CIS, CIGS, CdTe 등), 반도체화합물(GaAs 계), 색소증감형(염료감응), 폴리머 기반의 유기박막 등 다양한 유?무기 태양전지가 있다. 실리콘 태양전지와 무기박막태양전지는 이미 실생활에 보급돼 건물 옥상 및 외벽을 이용하는 소규모 발전뿐만 아니라 대규모 태양광 발전소에도 많이 사용되고 있다. 하지만 다른 발전에 비해 비용이 많이 든다는 문제점이 있어, 태양전지 효율을 향상시키기 위해 노력하고 있다.







현재 광전변환효율이 가장 높은 반도체화합물 태양전지는 광전변환효율이 가장 높지만, 가격이 비싸 인공위성, 우주탐사선, 군용장비 등 특수용도로만 사용되고 있다.
색소증감형과 유기박막 태양전지는 제조공정이 간단해 가격이 저렴하지만, 효율과 내구성이 낮아 이를 극복하기 위한 연구가 진행되고 있다. 태양광 발전은 일반적으로 햇빛이 비치는 동안에만 발전할 수 있다는 단점이 있지만, 박막태양전지를 개발해 구름에 의한 산란광에서도 발전할 수 있게 됐다.

한편, 태양열을 이용한 태양열 발전은 반사경으로 태양광을 한 곳에 모아 300~950도(oC)의 높은 온도로 물을 끓여 증기를 발생시키고, 이를 이용해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 기술이다. 태양열 발전은 대규모 발전설비에 적합한 기술로, 미국 모하비사막과 켈리포니아의 광활한 평지에 설치돼 평균 15% 정도의 광-전기 변환효율로 발전하고 있다. 태양에너지는 열로 활용할 수도 있다. 집열판에서 물을 40~100도(oC) 가까이 되게 가열해 건물의 온수, 난방, 흡수식 냉방, 산업공정열 등에 활용하고 있다.






● 바람에서 얻는 에너지, 풍력발전









풍력발전은 바람의 힘을 기계의 회전운동으로 변환시켜 전기를 만드는 기술로, 대용량 발전에 유리하다. 하지만 바람이 일정하게 부는 장소에 설치해야 하는 제한이 있으며 소음, 전파방해와 같은 환경적 문제, 높은 유지관리비가 든다는 단점이 있다.
일반적으로 도심지에서의 풍력발전은 태양광 발전보다 비효율적이다. 그러나 해상에 설치된 해상풍력발전은 바람이 비교적 일정하고 많으며, 도심에 비해 대형 부지 확보가 쉽고 거주에 대한 환경문제가 없어, 대규모 발전시설 설치가 가능하다.

해상풍력발전은 대체에너지원 가운데 가장 많은 에너지를 공급할 수 있어, 유럽과 미국에서는 다수의 해상풍력단지 프로젝트를 추진하고 있다. 고가의 해상구조물 및 해저전력선 설치, 염분 부식에 대한 방식처리, 유지관리의 어려움 등이 기술적 단점으로 지적되고 있지만, 이를 극복하기 위한 연구가 진행되고 있다.






● 물에서 얻는 에너지, 수력발전







수력발전은 높은 곳에 위치한 물의 위치에너지를 이용하는 발전기술로, 대형 수력발전 설비는 이미 일반화되어 있다.

수력발전 방식은 보통 강을 막아 댐을 지은 후, 댐의 상류에 물을 가두었다가 수문을 열고 이를 댐의 하류로 떨어뜨려서 그 힘으로 터빈을 돌린다. 건설이 되면 직접적인 폐기물도 없으며, 이산화탄소 배출량도 적은 것이 장점이다. 하지만 수력발전을 위해서는 댐을 건설해야 하는데, 이를 위한 초기 비용 부담이 크며 강수의 영향을 많이 받는다는 단점이 있다.






● 바다에서 얻는 에너지, 해양에너지











해양에너지를 활용한 에너지에는 조력발전과 조류발전, 파력발전, 해양온도차발전 등이 있다.
조력발전은 바다의 밀물과 썰물 때, 바닷물의 빠른 흐름을 이용해 대형 프로펠러를 돌려 발전하는 방식이다.
이 발전 방식은 에너지 밀도는 높으나, 강한 조수의 힘이 필수적이어서 입지 선정에 제한이 있다. 우리나라는 인천만, 시화호, 천수만 등 서해안에 조력발전소를 설치하고 있다.

조류발전은 빠른 물살의 힘으로 바람개비 모양의 수차를 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 댐이 필요 없이 온전히 자연 여건을 이용하는 방식이기 때문에 노르웨이, 영국 등 유럽 몇몇 나라들만 시험 발전하고 있는 단계다. 우리나라는 2009년 서해안 울돌목에 조류발전소를 설치했다.

파력발전은 파도의 상하운동을 회전운동으로 바꿔 발전하는 방식이다. 이 발전 방식은 파도의 세기에 의존하므로, 에너지 밀도가 낮은 편이어서 대형발전에 적용하기 어렵다.
해양온도차발전은 바다의 표층수와 심해의 해양심층수 온도차를 이용하는 발전 방식이다. 이 발전 방식은 기후나 날씨에 크게 영향을 받지 않으므로 발전량이 일정하다. 하지만 표면과 심해의 온도차이가 20도(oC) 이상 돼야 하므로, 입지선정이 매우 제한적이고 발전비용이 비싸다.






● 땅에서 얻는 에너지, 지열에너지







지열에너지를 활용하는 방식은 크게 두 가지로 나뉜다.
첫째, 지하 수백m 깊이에서 10~20도(oC)로 균일하게 유지되는 온도를 열펌프로 순환시켜 냉난방에 이용하는 기술과 둘째, 지하 수km 깊이의 고온열을 난방에 활용하거나, 발생되는 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 기술이다. 지열 냉난방기술은 국내에서도 개발에 성공해 현재 일부 신축 건축물에 적용하고 있으며, 공동주택용 지열 냉난방 기술이 개발되고 있다. 하지만 지열을 에너지로 활용하기 위해서는 지하 깊은 곳을 개발해야 하기 때문에, 개발 비용이 많이 들고 입지조건에 의존성이 크다는 단점이 있다. .






● 바이오에너지











바이오에너지는 나무나 꽃, 해양식물에서 바이오디젤, 바이오알콜 등을 생산해 석유를 대체하거나 축산물 분뇨, 음식물 쓰레기등을 발효시켜 얻은 메탄가스로 천연가스를 대체하는 기술이다.
바이오연료를 연소시키면 이산화탄소를 배출하지만, 그 원료가 되는 식물이 이산화탄소를 흡수하며 성장한다. 따라서 전체적으로 보면 이산화탄소 배출이 적은 에너지인 셈이다.

또한 축산물 분뇨, 음식물 쓰레기 등을 발효시켜 얻는 메탄가스는 지구온난화에 미치는 영향력이 이산화탄소의 20배 이상 크므로 이를 포집해 연소시키면 에너지로 활용할 수 있을 뿐만 아니라 지구온난화가스의 대기 중 배출을 크게 줄이는 효과가 있다.
하지만 바이오연료의 사용을 늘이면, 원료 확보를 위해 산림과 열대우림, 해양생태계를 훼손할 우려가 있다. 또한 연료 제조와 연소 시 이산화탄소를 배출하기 때문에 결국은 환경에 영향을 주게 된다. 따라서 바이오에너지는 다른 재생에너지들의 기술이 향상될 때까지 활용 가능한, 한시적인 대체에너지로 여겨진다.










신재생에너지의 미래, 기술 개발이 관건
각 나라의 신재생에너지 사용은 지리적 위치와 추진 정책에 따라 차이가 있다. 일례로, 태양광 발전은 햇빛이 강하고 내리쬐는 시간이 긴 지중해 연안 국가가 많이 채택하고 있으며, 독일과 프랑스는 태양광 발전과 풍력발전을 정책적으로 장려하고 있고, 일본은 소규모 태양광 발전과 풍력발전을 장려하고 있다.

중국은 수력발전이 전체 신재생에너지의 대부분을 차지하고 있고, 네덜란드는 풍력발전과 바이오에너지를 주요 신재생에너지로 채택하고 있다. 대규모 발전에 유리한 태양열 발전은 태양광이 세고 광활한 평지가 있는 사막지역에 설치되고 있다.


오늘날 신재생에너지가 차지하는 비중은 화석에너지에 비해 극히 낮은 수준이다. 하지만 세계의 학자들은 지구환경 보존을 위해서는 2050년경까지 신재생에너지의 활용률을 전체 에너지의 50% 수준으로 끌어 올려야 한다고 지적하고 있다. 특히 환경파괴가 적은 태양광에너지의 활용을 극대화해야 한다고 강조하고 있는 만큼, 전 세계적으로 신재생에너지의 개발과 활용은 증가세를 보일 것이다.






[교육팁]
신재생에너지는 그 종류가 다양하며, 각 종류별로 쓰이는 원료와 발전하는 방식도 각양각색이다. 그중에서 간단한 방법으로 원리를 이해할 수 있는 신재생에너지에 대해 알아보자.

– 태양열 발전
: 태양열을 이용하는 태양열 발전은 반사경으로 태양광을 한 곳에 모아 높은 온도를 얻는다. 돋보기와 검정색 도화지를 준비해 태양광을 한 곳에 모아보자. 바닥에 검정 도화지를 놓고 돋보기 거리를 조정하며 햇빛을 모은다. 빛을 한 곳에 집중하고 기다리면, 어느 순간 불이 붙는 것을 볼 수 있다. (이 실험을 할 때는 불이 나지 않도록 조심해야 한다.)

– 바이오에너지
: 바이오에너지는 나무나 꽃, 해양식물에서 에너지를 얻는 발전 방식이다. 일상생활에서 바이오 연료를 통해 에너지를 얻을 수 있는 가장 간단한 방법은 겨울에 야외에서 장작을 태워 열에너지를 얻는 것이다.

[교육 과정]

– 초등학교 5학년 과학, 에너지
– 초등학교 6학년 과학, 연소와 소화
– 중학교 2학년 과학, 전기
– 고등학교 1학년 과학, 환경





/ 김홍곤 KIST 에너지본부 태양전지센터장  hkim@kist.re.kr