Why? 미래 에너지

Why? 미래 에너지 ㅣ Why? 초등과학학습만화 79
윤상석 지음, 강신영 그림, 허은녕 감수 / 예림당 / 2017년 10월

에너지가 없는 현실은 상상도 할 수 없는 세상이 되었어요. 점점 고갈되어가는 화석 에너지, 지구의 환경을 파괴하는 화석 에너지의 희소성과 심각성 때문에 미래 에너지에 대한 관심이 커져가고 있어요. 아마도 이런 관심과 고민이 없다면 우리 아이가 살아갈 가까운 미래엔 희망이 아닌 절망이 펼쳐지지 않을지요. 아이와 함께 책을 읽으며 미래 에너지에 대한 고민의 해결책은 무엇이고, 현재 어느 정도까지 진행되고 있는지, 앞으로 현실화하기 위해 노력해야 할 해결책은 무엇인지 함께 이야기해 보았어요.

미래 에토피아는 에너지를 소수가 독점함으로써 일반인들은 에너지 부족의 심각성에 당면해있어요. 에토피아에 대항하는 반군인 에릭이 에너지에 대한 정보를 얻으러 과거로 돌아와 에너지학과의 교수인 엄지, 꼼지의 아빠와 엄지, 꼼지와 함께 미래 에너지에 대한 이야기를 우리에게 들려줍니다. 에릭을 잡으러 온 에토피아의 비밀 경찰 카루와 차르는 어떻게 에릭을 방해할지 궁금해집니다. 과연 미래의 에너지는 어떤 것이 있는지 공부해봐요.

화석 연료의 고갈과 환경 오염 문제를 해결하기 위해 개발하고 있는 신재생 에너지가 있어요. 신에너지는 새로운 에너지 자원인 수소 에너지와 연료 전지, 석탄 가스화 에너지 등을 이용하고, 재생에너지는 다시 쓸 수 있는 햇빛, 해양, 지열, 물, 생물 유기체, 폐기물 등을 이용해요. 초기 개발 비용이 많이 들지만, 환경 오염 물질을 발생시키지 않고 계속해서 사용할 수 있다는 점에서 미래형 에너지로 주목받고 있어요.

풍력 발전기는 바람이 가진 운동에너지를 전기에너지로 바꾸어 주는 장치입니다. 300 - 600미터까지 올라가면 지상보다 8배나 바람이 강하므로 거대한 풍선 모양으로 하늘에 띄운 후 전기를 만드는 공중 풍력 발전기를 만드는데 성공했어요.

해양 에너지는 다양한 가능성을 가지고 있어요. 밀물과 썰물 때 발생하는 바다나 호수의 수위 차이를 이용해 전기를 생산하는 조력 발전이 있어요. 조력 발전소를 짓기 위한 좋은 위치 조건에는 밀물과 썰물 때 바닷물의 높이 차가 크고, 바다가 육지 쪽으로 파고든 '만'이 있고, 만의 입구가 좁은 곳이에요. 우리나라 시화호 조력 발전소는 국내 최초이자 세계에서 가장 큰 규모의 조력 발전소 중 하나입니다.

바닷물의 운동에너지를 전기에너지로 바꾸는 발전 방식인 조류 발전도 있어요. 바닷물이 빠르게 흐르며 날개를 돌리면 날개가 회전하며 발전기를 돌려 전기를 만들고 지상으로 보내요. 바닷물의 흐름이 빠를수록 발전기의 날개가 빨리 돌아가므로 조류의 흐름이 빠른 바닷속에 설치하지요.

파도가 치면 바닷물이 위아래로 높아지고 낮아지는데, 이때 생기는 공기의 흐름으로 발전기의 터빈을 돌려 전기를 만드는 파력 발전이 있어요. 수면의 움직임에 민감하게 반응하도록 가동 물체형 파력 발전기를 사용하고 있어요.

바다 표면과 깊은 곳의 온도 차이를 이용한 발전인 해양 온도차 발전이 있어요. 끓는점이 낮은 암모니아 액체를 바다 표면의 따뜻한 바닷물로 데우면 기체가 되는데, 이 암모니아 기체의 압력으로 발전기를 돌려 전기를 얻어요. 바다 표면과 깊은 곳의 온도 차가 큰 적도 부근의 바다가 적합해요.

방사능 유출에 의한 심각성이 이미 알려졌지만 들이는 비용에 비해 만들 수 있는 에너지 양이 커서 현재도 찬반 논란이 지속되는 원자력 발전소가 있어요. 핵분열이 연쇄적으로 일어나 엄청난 열에너지를 방출하는데, 이 원자력 에너지를 이용하는거에요.

쓰레기가 썩으면서 배출하는 매립 가스가 에너지가 되요. 산업이나 가정에서 버려지는 폐기물 중에 가연성 폐기물을 변환시켜 만드는 재생에너지를 폐기물 에너지라고 해요. 여러 처리 기술을 통해 연료를 만들거나 소각해서 에너지를 얻어요.

또한 동물의 배설물이나 음식물 쓰레기 등을 포함해 생물 또는 생물을 구성하는 물질을 바이오매스라고 하는데 이 바이오매스를 이용한 에너지를 바이오 에너지라고 해요. 지구에서 1년간 만들어지는 바이오매스의 양은 전체 석유 매장량과 비슷한 정도라서 적당히 이용하면 고갈될 염려가 없는 환경 친화적인 재생에너지에요.

곡물을 연료로 쓰기도 해요. 사탕수수, 밀, 옥수수, 감자, 보리, 고구마 등 녹말이 많은 작물을 발효시켜 만든 것을 바이오에탄올이라고 하는데 바이오 에너지 중 하나지요.

콩, 유채, 해바라기 등에서 뽑아낸 식물성 기름으로 만든 연료인 바이오디젤도 있어요. 버려지는 둥물 지방이나 가정에서 사용하고 남은 폐식용유 등을 이용해서 만들기도 해요. 일반 경유와 물리, 화학적 특성이 거의 같아서 경유에 섞어서 사용할 수도 있고, 100퍼센트 바이오디젤만으로 사용할 수도 있어요. 하지만 곡식으로 연료를 만드는 건 애그플레이션에 의해 식량이 부족해서 굶는 사람들 문제도 있고 곡물을 키우려고 삼림을 파괴하고, 화학 비료를 쓰고, 물을 많이 사용하므로 친환경 에너지가 아니라는 문제가 있어요. 그래서 곡물 대신 조류 등을 이용해 바이오에탄올을 만들려는 연구가 진행중이랍니다.

지구 전체가 한 시간 동안 받는 태양 에너지는 세계 전체가 1년 동안 사용하는 에너지 총량과 같아요. 태양의 열에너지를 이용해 전기를 생산해요. 집열판으로 햇빛을 모으면 섭씨 300도 이상의 높은 온도를 가진 열에너지를 얻을 수 있는데, 이 열로 물을 끓여 수증기를 만들고, 수증기로 터빈을 돌려서 전기를 생산해요.

태양광 발전은 태양 전지를 이용해 햇빛을 직접 전기로 바꾼다는 점에서 열을 모아 발전기를 돌리는 태양열 발전과 차이가 있어요. 하지만 태양 전지는 제작 비용이 비싸고 전기에너지로의 변환율도 낮아서 개선해야 할 문제가 많아요.

더운 여름이나 추운 겨울, 동굴 속에 들어가면 바깥보다 시원하고 따뜻함을 느낄 수 있어요. 이렇게 일정한 온도를 유지하는 땅의 특성을 이용해 냉난방을 하는 지열 시스템이 있어요. 에너지 제로 주택의 냉난방은 이 시스템을 이용하고 있어요.

화산 근처에는 마그마가 지하 수십 킬로미터까지 올라온 곳들이 있어요. 이런 곳에서 빗물이 지하로 스며들면 마그마의 열로 데워져 뜨거운 지하수와 증기가 만들어져요. 이곳에 관정을 파서 고온의 지하수와 증기를 꺼내고, 이 증기를 이용해 발전 터빈을 돌려서 전기를 만드는 지열 발전이 있어요. 일본, 아이슬란드, 필리핀 등 화산이 많은 나라에서 활발히 이루어지고 있어요.

지금은 발전소에서 만든 전기가 가정으로 일방적으로 흐르게 되어 있지만 미래의 전력망은 달라질거에요. 낮 동안에 발전소나 집에서 생산된 전기를 저장해 두었다가 사용량이 가장 많은 저녁 시간에 필요한 곳으로 보낼 수 있고, 소비자가 풍력이나 태양광 발전 등으로 직접 생산한 전기를 판매할 수도 있는 지능형 전력망, 스마트 그리드가 실현될거니까요.

압력이 높고 온도가 낮은 깊은 바닷속 퇴적층에서 메테인가스와 천연가스 등이 물과 섞여 얼어 붙은 고체 에너지인 메테인 하이드레이트는 같은 양의 화석 연료보다 배출되는 이산화 탄소는 24퍼센트 정도로 깨끗한 편이고 발견된 지 20년 정도밖에 되지 않아서 앞으로 500년 정도 사용할 수 있는 충분한 양이 매장되어 있다고 하니 미래의 에너지로 주목받지만 아직 압축된 고체에서 메테인가스를 분리해 내는 기술이 부족해 분리중 방출되면 지구에 심각한 온실 효과를 일으키게 되므로 아직 해결할 문제가 많아요.

어떻게 사용하느냐에 따라 화석 연료인 석탄도 미래 에너지가 될 수 있어요. 가스화 복합발전기술을 통해 석탄을 기체로 변형시켜 에너지를 얻을 수 있어요. 석탄이나 원유를 정제하고 남은 잔재물 등의 저급 연료를 높은 온도와 압력에서 산소와 수소에 반응시켜 합성 가스를 얻으면 발전 효율이 높고, 환경 오염을 일으키는 성분을 제거하기 때문에 환경 친화적 미래 에너지가 될 수 있어요.

아직은 연료 전지에서 전기를 일으키는 촉매제인 백금이 비싸서 가격이 비싸지만 아주 친환경적인 자동차가 있어요. 바로 수소 자동차지요. 공기 중의 산소와 연료 탱크의 수소가 만나면 전기와 물이 만들어지는데 전기는 모터를 돌려 자동차를 움직이고 물은 밖으로 배출하는 원리를 이용해요. 수소나 산소는 고갈될 염려가 없으니 빨리 수소 자동차가 개발되어 실용화되었으면 좋겠네요.

원자핵을 이용하지만 핵분열 방식이라 방사능 문제가 있는 원자력 발전과 달리 안전하고 원료인 중수소도 바닷물에서 얻을 수 있어 고갈될 염려가 없는 핵융합 발전이 있어요. 효율이 원자력 발전의 7배 이상이고 방서성 폐기물도 없으니 현실이 된다면 미래를 바꿀 수 있을거에요.

아주 먼 미래에나 개발될 수 있는 에너지 생산 기술이 있어요. 바로 반입자지요. 모든 종류의 입자에 대하여 반입자가 존재하는데, 반입자는 입자와 만나면 곧바로 사라지기 때문에 발견이 어려워요. 하지만 실험을 통해 반입자의 존재를 확인했고, 반입자로 반수소 원자를 만드는 데도 성공했어요. 반입자와 입자가 만나서 충돌할 때 엄청난 에너지가 발생하는데 핵융합으로 생기는 에너지는 원료 질량의 1퍼센트도 되지 않지만 물질과 반물질이 만나면 물질의 질량 100퍼센트가 에너지로 바뀐다고 하니 이론에서나 가능한 일이지만 ​실현이 된다면 그 가능성은 정말 대단할거에요.

미래에서 온 에릭과 함께 미래 에너지에 대하여 공부하는 즐거운 시간이었어요. 아직은 연구중이거나 이론적으로 가능한 것도 있지만 이미 실현되어 점점 발전하고 실용화를 위해 나아가는 에너지도 많다는 것을 알 수 있었어요. 현재의 즐거움을 위해 에너지를 낭비하면 미래의 후손들이 힘들어진다는 것을 깨닫게 되었어요. 하지만 절약하는 것으로만 미래의 에너지 문제를 해결할 수 없어요. 깨끗하고 안전하고 계속해서 쓸 수 있는 에너지를 찾아 우리 미래의 문명을 행복하게 바꿀 수 있도록 더욱 더 노력해야겠다는 생각을 하게 됩니다.​