에너지원

화석연료 석탄

태양광발전기

수직축 풍력발전기

수평축 풍력발전기

수력발전소

게이저스 지력 발전소

에너지원(Energy source)은 에너지로 사용이 가능한 자원이다. 에너지는 에너지원의 특성에 따라 크게 재생가능에너지와 재생불가능에너지 두 가지로 분류될 수 있다.

재생불가능에너지

재생불가능에너지는 일정기간이 지나면 그 수명이 다하거나 다시 채워질 수 없는 에너지원을 통해 얻어진다. 대부분의 재생불가능한 자원은 석탄, 석유 및 천연가스인 화석연료(Fossil fuel)를 말한다. 화석연료의 주요 요소는 탄소(carbon)이며 유기체들이 활동하여 남긴 화석과 같은 잔여물로부터 생성된 에너지 원료들을 말한다. 대부분의 화석연료들은 비슷한 방식으로 형성된다. 식물, 조류 및 플랑크톤 등이 태양 에너지를 흡수하여 광합성을 통해 에너지를 생성하게 되면 동식물들이 이를 흡수하여 동식물에 그 에너지가 저장된다. 그리고 죽은 동식물은 바위나 다른 퇴적물 등에 묻혀 높은 열과 압력을 받아서 석탄, 석유 및 천연가스와 같은 화석 연료로 변하게 된다. 화석연료는 상대적으로 저렴하며, 또한 세계 어디에서나 쉽게 저장될 수 있고 공급될 수 있다는 점에서 귀중한 에너지원이다. 하지만 화석연료가 연소되면서 발생하는 물질은 해로운 불순물과 이산화탄소가 포함된 상태로 대기 중에 방출되어 산성비, 천식과 같은 호흡기 질환 그리고 온실 효과 등의 문제를 발생시키는 요인이 된다. 대표적인 화석연료는 석탄이다.

재생가능에너지원

재생 가능한 에너지는 햇빛, 바람, 비, 지열 등 자연적으로 재보충되는 천연 자원에서 나는 에너지다. 이들은 화석연료와 핵연료에 대해 대안으로 제시되었으며, 7~80년대에는 대체에너지라는 이름으로 불렸다. 2008년, 세계 에너지 소비 중 19%가 재생 가능한 에너지였으며, 그 중 13%는 주로 난방을 위해 사용된 바이오매스 에너지, 3.2%는 수력 발전이었다. 또, 신 재생 에너지 (현대 바이오매스, 풍력, 태양광, 지열, 바이오연료)도 2.7%를 차지하였으며 매해 비율이 증가하는 추세다.[1]

풍력발전은 매해 30%씩 늘고 있으며, 2009년 세계적으로 158 기가와트의 전력이 사용되고 있고, 특히 유럽, 아시아, 미국에서 많이 사용되고 있다. 한편, 태양광 발전은 독일, 스페인에서 폭넓게 사용되어 현재 21기가와트가 생산되고 있다. 태양열 발전소는 미국과 스페인에서 가동되고 있으며, 이 중 가장 큰 것은 모하비 사막에서 354 메가와트를 생산하고 있다. 세계 최대의 지열 발전소는 캘리포니아주의 '더 게이저'(The Geyser)로, 750메가와트가 생산되고 있다. 브라질은 세계 최대의 재생가능 에너지를 생산하는 나라 중 하나로, 사탕수수에서 추출한 에탄올 연료는 현재 브라질 차량 연료의 18%를 책임지고 있다. 에탄올 연료는 미국에서도 폭넓게 사용되고 있다.

기후 변화에 대한 걱정은 고유가, 피크 오일, 정부 지원 증가 등과 함께 재생 가능 에너지 관련 법안 통과와 상업화를 촉진시키고 있다. 과학자들은 2030년까지 풍력, 태양 에너지만으로 지구 에너지 수요의 100%를 공급하는 계획을 세워놓은 상태다.

많은 재생 가능 에너지가 대규모로 만들어지긴 하지만, 개중에는 지방 및 외곽 지역에서 사용하기 적합한 것들도 있다. 전 세계적으로 약 300만 가구가 태양열 시스템을 사용하고 있으며 촌락 정도의 규모에 알맞게 개조된 초초소수력 시스템도 사용되고 있다. 3000만 가구 이상이 가정용 소화조를 이용한 바이오가스를 조명 및 요리에 사용하고 있다. 바이오매스 오븐은 1억 6천만 가구가 사용하고 있다.

태양에너지

태양에너지(solar energy)는 태양으로부터 전달된 에너지이다. 일례로 태양광에너지가 있는데, 태양전지(solar cell, solar battery)에 빛을 조사하면 광전효과로 전기가 발생하게 된다. 태양에너지를 이용하는 발전 시스템은 환경에 해로운 공해를 만들지 않을 뿐더러 추가적인 연료의 사용도 필요하지 않아서 자원유지에 도움을 준다. 그리고 설치 또한 비교적 쉽게 할 수 있다. 태양광발전소의 설치 사례로는 2009년 경북 예천국 김천면 돈산리에 설치된 솔라태양광발전소가 있다.

풍력에너지

풍력에너지(wind energy)는 바람이 가지고 있는 운동에너지를 말한다. 보통 풍차를 이용하며 바람이 풍차의 날개를 돌리면 날개의 운동에너지가 발전기를 통해 전기 에너지로 전환 되는 원리이다. 풍차의 날개가 가지는 회전축 방향에 따라 수직축 발전기와 수평축 발전기로 나뉜다. 수직축 발전기의 경우에는 바람이 불어오는 방향에 영향을 받지 않기 때문에 평원에도 설치가 가능하다는 장점이 있으나 건설에 필요한 비용이 비싸다는 단점과 수평축 발전기에 비하여 그 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 이에 비하여 수평축 발전기는 건설이 비교적 쉽지만, 바람이 불어오는 방향에 따라서 영향을 받는다는 단점이 있다.

수력에너지

수력에너지(hydroelectric energy)는 물이 가지고 있는 위치에너지와 운동에너지를 말한다. 유속이 빠른 강이나 폭포 등 물의 운동에너지를 쉽게 사용할 수 있는 곳에 적합하다. 수력에너지를 사용한 발전은 보통 물의 낙차를 이용하여 발전소에서 수차(turbine)를 작동시켜 전기에너지를 생산한다. 이러한 수력 발전은 환경 친화적이며 유해한 공해를 만들지 않는다는 장점이 있고 농업용 저수지, 하수처리장 그리고 다목적 댐 등에서 사용될 수 있어서 응용분야가 넓다.

농업용 바이오매스

바이오매스 생산은 쓰레기나 옥수수 같은 식물 등의 재생 가능 자원을 사용하여 전기를 생산하는 것이다. 쓰레기가 분해되면서 나오는 메탄이 파이프를 통해 모아지고, 이것을 태워서 전기를 생산하는 것이다. 식물과 나무는 불에 태워서 바로 에너지를 생산할 수도 있고, 가공하여 알코올을 만들 수도 있다. 브라질은 현재 세계 최대 재생 가능 에너지 프로그램을 진행 중으로, 사탕수수로 만든 에탄올 연료는 이미 국가 자동차 연료의 18%를 공급하고 있다. 에탄올 연료는 미국에서도 광범위하게 사용되고 있다.

식물성 기름은 햇빛, 물, 이산화탄소로 식물에 의해 만들어진다. 가솔린이나 디젤 경유보다 발화점이 높아 사용하고 저장하기가 안전하다. 또 에스테르화시켜 바이오디젤이 되는데, 이는 보통 디젤처럼 사용할 수 있다.

지열에너지

지열에너지는 지구 밑에서 올라오는 열 에너지를 사용한다. 두 개의 구멍을 땅에 뚫고, 한 구멍에 물을 주입한다. 뜨거운 암석들이 물을 가열하여 수증기를 만든다. 이 수증기는 나머지 하나의 구멍을 통해 올라와 터빈을 돌리고, 발전기를 작동시킨다. 물의 온도가 끓는점 아래로 내려갈 때를 대비해 끓는점이 낮은 액체를 사용하기도 한다. 지열 에너지의 원천은 화산, 간헐천, 온천 등이 있다. 세계 최대의 지열 발전 시설은 캘리포니아의 '더 게이저스' (The Geysers)로, 750MW 정도의 에너지를 생산하고 있다.

조력 발전

조력에너지는 달의 중력으로 인해 조수가 생기는 위치에 수중 터빈이나 댐을 설치하여 추출한다. 터빈은 발전기를 가동시킬 수도 있고, 가스 압축기를 가동시켜 필요할 때를 대비해 에너지를 저장하는 것도 가능하다. 해안 조수는 청정, 재생 가능, 지속 가능한 에너지 중 하나로 볼 수 있다.

새로운 에너지원

수소에너지

수소에너지는 물, 천연가스 등의 화합물 형태로 존재하는 수소를 분리, 연소 시켜 얻는 에너지이다. 그렇기 때문에 이용 가능량이 많고, 연소시켜도 산소와 결합하여 다시 물이 되기 때문에 활용도가 아주 뛰어나 일반 연료, 수소 자동차 등 여러 분야에서 사용되고 있다.

연료전지

연료의 화학에너지를 전기 화학반응에 의해 전기에너지로 직접 변화하는 발전장치를 말한다. 이는 기존의 발전 방식과 달리 연료를 연소하지 않고, 화학반응을 통해 전기가 발생하기 때문에, 기존 화력발전 대비 온실가스의 주범인 이산화탄소를 약 40% 감소하고, 에너지 사용량은 약 26% 절감하는 효과가 있을 만큼 가능성이 무궁무진하다.

석탄 액화·가스화

석탄 액화·가스화 기술​은 석탄, 폐기물, 바이오매스 등을 산소 및 스팀에 의해 가스화하여 생산된 합성가스를 정제해 전기, 화학연료, 액체연료 및 수소 등의 고급 에너지로 전환하는 복합 기술이다. 석탄 액화 기술은 석유를 대체할 수 있는 액체 연료를 만들고, 석탄 가스화는 석탄으로부터 도시가스에 사용할 수 있는 기체 연료를 만들어 낸다. 이 기술들은 발전 효율이 높고, 대기 오염의 원인 중 하나인 '황(S) 성분'을 제거하기 때문에 친환경적이다.

중력에너지

중력은 지구 위의 물체가 지구로부터 받는 힘이다. 따라서 이를 잘만 활용하면 임의의 물체에 저장되는 위치에너지를 운동에너지로 변환할 수 있고, 이 운동에너지는 다시 전기에너지로 전환할 수 있기 때문에 새로운 에너지원으로 주목받고 있다. 중력이 새로운 에너지원이 될 수 있다는 가능성을 보여준 사례는 '전기 공급이 없어도 어두운 밤을 밝힐 수 있는 램프(lamp)'가 발명되고 나서 부터다. 그래비티라이트(Gravity Light)라는 이름의 이 LED 램프는 중력에 의해 빛을 낼 수 있도록 설계되었다.

참고자료

• 〈에너지원〉, 《물리학백과》
• 〈에너지 개발〉, 《위키백과》
• 김준래 객원기자, 〈새롭게 주목받는 신재생 에너지원 ‘중력’〉, 《사이언스타임즈》, 2021-03-08

같이 보기

• 에너지
• 풍력에너지
• 태양에너지
• 지열에너지
• 수력에너지
• 조력에너지
• 중력에너지
• 연료전지

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