재생에너지
재생에너지는 태양과 바람 물, 등 자연의 힘을 전기에너지로 만들어 사용하는 발전 방식이다. 탄소 배출을 하지 않으며 미세먼지 등 대기오염 물질을 발생하지 않는다. 세계적으로 기후변화 대응을 위해 탄소배출을 줄이기 위한 노력이 본격화되면서 재생에너지가 주목받고 있다. 발전단가가 점차 낮아지고 관련 투자가 증가하면서 글로벌 전력시장의 전체 발전량 중 재생에너지 비중은 점점 늘어나는 추세이다.
재생에너지 (2021년 기준) (출처 : 한국전력)
발전비중 : 7.5%
발전량 : 43.085GWh
재생에너지는 다양한 발전방식이 있다. 가장 쉽게 접할 수 있는 태양에너지는 열을 이용하는 태양열 에너지와 빛을 이용하는 태양광 발전이 있다. 태양열 발전은 거울을 이용해 한 점으로 태양빛을 모아서 집중된 열로 물을 끓인 후, 여기에서 발생하는 증기로 터빈을 돌려서 발전한다. 여러 개의 거울을 IT 기술로 제어해 태양빛을 모으기 때문에 넓은 부지와 햇빛이 강한 사막 지역에 많이 건설된다.
태양광발전은 빛의 입자가 특정한 물질에 닿으면 전자가 튀어나오는 ‘광전효과’를 기본원리로 한다. 전자가 튀어나오면서 N형 반도체와 P형 반도체를 결합시켜 만든 태양광 셀이 각각 다른 전하를 지니게 되는데 이 차이를 활용해 전류가 흐르게 하는 것이 태양광 발전이다. 태양광발전의 기본 단위인 태양광 셀은 크기가 작아 이를 타일처럼 배열해서 커다란 판으로 만든 것이 태양광패널, 또는 태양광모듈이다. 여러 장의 태양광패널을 직렬로 연결해서 사용하며 생산된 전기를 필요한 전압이나 주파수로 변환하는 인버터, 전체 전력시스템을 조율하는 컨트롤러로 구성된다. 태양광발전의 장점은 별도의 연료비가 필요 없고, 태양광 이외의 연료를 사용하지 않아 환경에 해로운 오염물질이 나오지 않는다는 점이다. 반면 날씨나 기후의 영향을 크게 받는다는 것은 태양광발전이 해결해야 할 과제다.
풍력발전은 바람으로 돌아가는 회전날개가 직접 터빈의 역할을 한다 간단한 구조로 자연의 힘을 이용할 수 있기에 재생에너지 중 가장 먼저 산업적 규모로 운영되기 시작했다 풍력발전기는 회전날개, 축, 발전기, 전선 외에도 발전기가 일정한 회전수로 돌아가도록 도와주는 기어 박스로 구성된다. 또 바람이 너무 강하게 불면 제동장치가 작동해 과열을 막아준다 풍력은 다른 에너지원에 비해 오염물질이나 온실가스 배출량이 현저히 적고 유지보수가 간편하나 소 음과 부피가 크다는 과제가 있다. 해상풍력발전은 이러한 단점을 해결할 수 있는 방법 중 하 나이다. 영국 등 세계적으로 해상풍력발전 시장이 증가하고 있는 추세이다.
해양에너지는 다양한 종류가 개발되고 있는데 바닷물 이용방식에 따라 조력에너지, 조류에너지, 파력에너지, 해수온도차 에너지로 분류할 수 있다. 조력에너지는 밀물과 썰물의 차가 큰 연안에 바닷물을 막는 댐과 수문을 설치해 수위 차이로 터빈을 회전시키는 방식이다. 연료가 불필요하고 발전량을 정확하게 예측 가능하나 바닷물의 염분에 발전설비가 노출되어 유지관리비가 많이 든다. 조류발전은 밀물과 썰물로 인한 바닷물의 흐름을 직접 이용하며 풍력과 유사한 방식으로 전기를 만든다. 비교적 안정적이나 대량의 조류가 충분한 빠르기로 흐르는 곳이 많지 않다. 파력발전은 파도의 운동에너지와 위치에너지를 이용해 터빈을 돌리는 방식이다. 설치 장소나 발전기의 유형 제약이 덜해서 소규모 발전도 가능하나 출력 변동이 심한 편이며 배의 운항이나 어업에 방해가 되므로 대규모 조성이 어렵다는 한계가 있다. 해수온도차 발전은 해수 표면의 온도와 심층의 온도 차이를 이용해 냉매를 증기로 만들어 터빈을 돌린다. 터빈을 돌리고 난 증기는 찬 바닷물로 다시 냉각, 액화하여 순환 사용이 가능하다.
무궁무진한 ‘물’에서 얻는 에너지는?
수소핵융합, 수력발전, 조력발전 등
- SF 작품 속의 에너지 ③ -
▶ SF 작품 속의 에너지 ① 핵융합 https://blog.naver.com/energyinfoplaza/222659999219 ▶ ② SF가 보여주는 에너지의 미래, 실현 가능할까? |
1996년에 나온 영화 <체인 리액션>은 그다지 유명한 작품은 아닙니다. 우리에게 <매트릭스> 시리즈로 친숙한 영화배우 키아누 리브스가 출연했지만, 흥행에는 성공하지 못했습니다. 영화를 본 기억이 있는 사람이라도 아마 영화관보다는 TV에서 방영할 때 본 경우가 많을 것입니다.
영화 <체인 리액션>의 포스터. © 20th Century Fox
이 영화는 과학자들이 개발한 깨끗하고 풍부한 에너지를 둘러싸고 벌어지는 이야기를 다룹니다. 연구 결과를 발표하기 직전 실험실에서 폭발이 일어나고, 연구원이 살해당하거나 사라지는 사건이 생깁니다. 주인공은 용의자가 되어 쫓기는 신세가 됩니다. 누가 이런 짓을 벌였을까요? 아무래도 새로운 에너지가 등장하면 손해를 보게 되는 사람들이겠지요.
그런데, 이 영화에 등장하는 ‘깨끗하고 풍부한 에너지’란 어떤 에너지일까요? 바로 C-시스템이라는 장치인데, 원료는 물입니다. 물을 이용해 에너지를 만든다는 것이지요. 그런데 문제가 조금 있습니다. 영화 속에서는 물을 이용해 어떻게 에너지를 만든다는 것인지 구체적으로 알려주지 않습니다. 물속의 수소를 청정에너지로 변환한다는 정도에 그칩니다. 따라서 수소로 에너지를 어떻게 만드는지는 우리가 직접 생각해보아야 합니다.
영화에서 묘사되는 ‘새로운 에너지원’의 실체는 불분명합니다. 물을 이용해서 에너지를 만든다며
복잡한 기계장치를 보여주기는 하는데, 구체적인 원리는 묘사되지 않지요. © 20th Century Fox
물은 수소 원자 두 개와 산소 원자 하나가 결합한 물질입니다. 그러니 물에서 수소를 떼어낼 수 있는 건 사실입니다. 수소를 이용하는 방법에는 여러 가지가 있는데, 가장 간단한 건 그냥 태우는 겁니다. 수소 내연기관 자동차가 바로 그런 방식을 이용합니다. 그 힘을 전기를 만드는 데 쓸 수도 있겠지요. 수소와 산소가 결합하면 다시 물이 되므로 깨끗한 방법입니다.
그런데 요즘 수소차라고 하면 내연기관이 아니라 보통 연료전지차를 말합니다. 수소연료전지로 전기를 만든 뒤 그 전기로 자동차를 움직이는 방식이지요. 전기차의 일종이며, 마찬가지로 물과 열만 나오므로 오염물질 발생이 적습니다. 하지만 C-시스템이 이런 방식이라면 크게 혁신적일 게 없습니다. 영화 속에서는 물 한 잔이면 도시의 전력을 공급할 수 있다고 나오는데, 위의 방법대로라면 불가능한 일입니다. 게다가 물에서 수소를 뽑아내는 데도 에너지가 들어간다는 점을 생각하면 더욱 그렇지요.
그 정도의 에너지가 나오려면 핵 에너지일 수밖에 없어 보입니다. 일단 제목부터가 그렇습니다. ‘체인 리액션’은 우리말로 연쇄 반응이라는 뜻입니다. 말 그대로 해석하면 어떤 반응이 연쇄적으로 일어난다는 뜻인데, 에너지와 관련해서는 자연스럽게 핵분열 연쇄 반응이 떠오릅니다. 우라늄235가 중성자를 흡수하면 분열하면서 에너지와 새로운 중성자를 방출합니다. 이 중성자가 또 다른 우라늄235에 가서 부딪치고…. 이런 식의 핵 연쇄 반응을 이용하는 게 원자력 발전이지요.
그러나 수소로는 ‘핵분열’을 일으킬 수 없습니다. 다만 ‘핵융합’의 원료로는 사용될 수 있습니다. 수소 원자 여러 개가 결합해 헬륨 원자로 바뀔 때 나오는 에너지를 이용하는 방식입니다. 아직 개발 중인 기술이지만, 상용화된다면 비교적 깨끗하고 풍부한 에너지를 얻을 수 있는 것도 사실입니다. 만약 여기서 말하는 에너지가 수소 핵융합 에너지라면, C-시스템은 작고 간편한 핵융합 발전기일 수 있습니다. 어쩌면 고온·고압이 필요하지 않은 상온 핵융합 시스템일 수도 있습니다. 아무래도 이쪽이 가장 그럴듯해 보입니다.
현실에서 물을 이용해 대량의 에너지를 얻는 ‘혁신적인’ 방법이라면 핵융합밖에는 없어 보입니다.
문제는 현실의 핵융합 장치는 영화에 등장한 기계장치와는 비교할 수 없을 정도로 거대하고
복잡하다는 것입니다. © ITER
<체인 리액션>은 물을 원료로 하는 에너지를 소재로 삼고 있지만, 엄밀히 따져 원료는 수소라고 봐야 합니다. 지구에서 수소를 풍부하게 얻을 수 있는 원천이 물이다보니 그렇게 표현했을 뿐이지요.
그렇다면 정말로 물을 이용해 에너지를 얻는 방법도 있을까요? 일단 수력발전이 있습니다. 높은 곳에서 물이 떨어지는 힘으로 터빈을 돌려 전기를 만드는 방법입니다. 물의 위치에너지를 전기에너지로 바꾸는 겁니다. 조력발전도 있습니다. 밀물과 썰물의 차이를 이용해 터빈을 돌려 전기를 만드는 방법이니 궁극적으로는 달의 중력을 이용한다고도 할 수 있습니다.
바닷물의 온도차를 이용하는 방법도 있습니다. 차가운 심해 바닷물로 암모니아와 같은 기체를 액화한 뒤 따뜻한 표면의 바닷물로 다시 증발시켜 그 증기의 압력으로 터빈을 돌리는 식입니다. 터빈을 돌리지 않고 ‘열전 효과’를 이용해 직접 전기를 만들 수도 있습니다. ‘열전 효과’에 관해서는 지난번 글을 참고하시기 바랍니다(▶ ② SF가 보여주는 에너지의 미래, 실현 가능할까? https://blog.naver.com/energyinfoplaza/222692376602).
영국의 SF작가 아서 C. 클라크는 단편소설 ‘빛나는 것들’을 비롯한 몇몇 작품에서 이 에너지 생산 방식이 현실화된 미래를 그렸습니다. 사실 이 기술을 SF에서 더 먼저 소개한 선배 작가도 있습니다. 19세기 프랑스의 작가 쥘 베른이지요.
‘해저 2만리’에 나오는 네모 선장은 노틸러스 호가 움직이는 동력을 전기에서 얻는다고 설명합니다. 바닷물 속에서 소듐을 추출해 전지를 만들어 사용한다는 것이죠. 그러면서 “바다는 전기를 생산하고, 전기는 노틸러스 호에 열과 빛과 동력을 준다”며 “한마디로 말해서 생명을 주는 것”이라고 말합니다.
해저 2만리에 등장한 네모 선장의 잠수함, 노틸러스는 바다로부터 전기를 얻는다는 설정입니다.
소듐을 추출해서 수은과 섞어 아말감을 만들어서 전기를 생산합니다. 원작을 집필한 당시의 배경을
생각하면 원작자 쥘 베른이 어떻게든 최신 기술에 대한 지식을 집대성한 결과물임을 알 수 있습니다.
© Walt Disney Productions
아무래도 물에서 에너지를 얻겠다는 생각에는 오랜 전통이 있는 것 같습니다. 아마도 물은 생존에 반드시 필요하기 때문에 ‘생명 에너지’의 근원처럼 보여서가 아닐까요? 마치 외계 행성에서 생명의 가능성을 찾기 위해 물의 흔적부터 찾는 것처럼 말이죠. 영화 <체인 리액션>은 그러한 전통의 현대적인 버전이라고 봐야겠지요.
정책
(단위 : %. 2015년 기준)
자료 : 국제에너지기구 (IEA)
민간과 공공기관이 제안한 프로젝트 가운데
5GW 규모의 프로젝트를 집중 추진
대형발전사의 재생에너지공급의무화(RPS) 비율을 단계적으로 상향 조정하여 대규모 프로젝트 추진 유도