화석 연료에 대체할 수 있는 에너지. 1973년의 제1차, 78년의 제2차 석유파동 이후 석유고갈 후의 대량소모를 감당할 수 있는 석유 대체에너지 개발이 시급하게 되었다.
개발대상 에너지로는 원자력 · 타르샌드 · 오일셰일 · 태양열 · 태양광 · 수력 · 지열 · 풍력 · 해양에너지 등 다양하다.
특히 석유의 대체물로서는 알코올 · 식물성기름 · 생선기름 · 석탄액화유 등이 있다.
-태양에너지
초등학교 시절 볼록렌즈를 가지고 햇빛의 초점을 맞추어 종이를 태워 본 경험이 있을 것이다. 이 원리가 바로 빛에너지를 열에너지로 바꾸는 기초 개념이며, 태양 에너지를 이용하는 방법이다. 우선 태양에서 지구로 들어오는 에너지가 얼마나 될까? 전체 태양에너지의 22억분의 1 정도가 복사의 형태로 지구에 도달한다. 이 양은 세계 총에너지 수요의 약 3만 배이다. 즉, 15~20분 동안의 태양에너지로 세계의 총에너지가 공급되는 셈이다. 천문학자들은 태양의 수명을 50억 년 정도로 보고 있으니, 태양에너지는 무한하다고 할 수 있다.
에너지 효율을 얼마나 올리느냐가 앞으로 풀어야 할 과제이다. 1초 동안에 태양이 방출하는 에너지는 9.2×1022 kcal이고, 1분 동안에 지표면에 도달하는 복사에너지는 2 cal/cm2 정도이다. 밤낮, 위도, 날씨 등을 고려하면 약 0.25 cal/cm2가 된다. 현재까지의 기술로는, 열효율의 한계성 때문에 3분의 1 정도를 전기로 바꿀 수 있다고 가정하면, 1 m2의 햇빛 집광판으로 얻을 수 있는 전기는 약 60 W이다. 대략 형광등 두 개를 켤 수 있는 전력이다. 가정에서 필요한 전력을 충당하려면 적어도 40장 이상의 집광판이 필요할 것이다.
태양광과 태양열은 모두 태양에너지를 이용하는 대체에너지이지만 사용 방법에서 약간의 차이가 있다. 태양광은 햇빛을 전기로 변환시켜 발전하는 방법인데, 태양전지를 이용한다. 우리 주위에서 흔히 볼 수 있는 전자계산기나 손목시계 안에 들어 있는 태양전지판과 같다. 태양열은 햇빛 집광판을 이용하여 햇빛을 열에너지로 전환하는 방법이다. 태양열은 주택난방, 급탕시스템, 온수기, 농수산물 건조기 등에 활용된다. 태양에너지는 초기 투자비용이 많이 들고 넓은 면적이 필요하다는 단점이 있지만, 미국, 호주, 중국 등 사막지대가 넓게 분포하는 국가에서는 상당량 전력 에너지원으로 사용되고 있다.
우리나라에서 대규모의 태양열 발전시스템은 아직 활성화된 단계는 아니지만, 2006년 3월부터 전남 순천의 200kW급 태양열 발전기에서 생산되는 전기는 모두 한국전력에서 사들이고 있다. 소규모로는 이미 다양한 종류의 제품들이 상품화되어 판매되고 있다. 이종학 할아버지도 태양광으로 만든 전기를 팔아서 쏠쏠한 수입을 올리고 있다고 한다. 태양에너지는 21세기를 대비하여 개발 가능성이 가장 큰 미래의 대체에너지가 될 것으로 예상하고 있다. 현재까지의 기술개발 역시 다른 분야에 비하여 실용화 연구가 가장 많이 진행된 분야 중 하나이다.
-풍력에너지
바람이 프로펠러(풍차)를 돌리면 수평운동이 회전운동으로 바뀐다. 이렇게 변환된 운동에너지를 이용하여 발전기로부터 전기를 얻는 방법이 풍력 발전이다. 발전기에서 생산되는 전력을 직접 이용하거나 축전지에 저장할 수도 있다. 최근까지 가장 많이 개발 보급된 풍력 발전기의 형태는 2~3개의 날개를 가진 프로펠러형이다. 풍력 발전의 장점은 풍력자원이 무한정이고 공해물질의 배출이 전혀 없는 청정에너지원이라는 것이다. 풍력단지의 관광자원화가 가능하고, 농사, 목축 등 토지 이용을 병행할 수 있다. 비용 면에 있어서도 현재 외국의 경우 발전 단가가 4~5센트/kWh로, 핵발전의 단가와 거의 비슷한 수준이다. 핵폐기물 처리 비용까지 생각 한다면, 풍력 발전이 훨씬 경제적이고 친환경적인 에너지라고 할 수 있다.
풍력 발전시설은 비용이 비교적 저렴하고 건설과 설치 기간이 짧아서, 개인적인 규모로도 충분히 이용할 수 있다. 단점으로는 바람이 평상시에도 지속적으로 불 수 있는 지역이어야 풍력단지로 조성할 수 있다는 점을 들 수 있다. 삼면이 바다인 우리나라는 해안 지역과 산악 지역이 많아, 풍력에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 자연지리적인 조건을 모두 갖추고 있다.
우리나라는 풍력 발전의 국산화 개발을 위하여, 초기에는 외국의 발전 시스템을 도입하여 국내 운용기술을 접목시켰다. 제주 월령에 100kW급 및 30 kW급, 20 kW급 풍력 발전기를 설치해 가동하면서 풍력 발전의 이용기술, 성능 개발, 운전 특성 등에 관한 다양한 측정 결과와 자료를 분석해 왔다. 이 밖에도 제주 중문단지에 250 kW급 발전기가 운영되고 있으며, 제주 지역을 무공해 청정지역으로 발전시킨다는 목표로 600 kW급 풍차 4대를 구좌읍에 설치하여 가동하고 있다. 그러나 2005년 4월부터는 경북 영덕군 영덕읍 창포리 발전단지 내 39.6 MW급 발전기 24대가 가동을 시작하면서 풍력 발전의 상업화가 시작되었다. 그리고 2005년 12월에는 강원도 대관령의 풍력 발전기가 본격적인 전력 생산을 시작했다. 해발 1,140 m의 대관령 정상에 설치된 높이 60 m, 날개 길이 40 m의 거대한 풍력 발전기 1대가 생산하는 전력은 하루 3만 kW이다. 현재까지 14대가 설치되어 가동되고 있으며, 2006년 말까지 35대를 추가로 설치하여 연간 발전량을 21만 MWh로 늘릴 계획이다. 양구와 평창에도 풍력 발전단지 건설이 추진되는 등, 강원도가 바람을 이용한 청정 에너지 생산의 선두주자로 나서고 있다.
-조력에너지
바다를 지켜보고 있으면 끊임없이 움직이는 바다에는 꼭 풍부한 에너지가 있을 것이라는 생각이 든다. 해양에너지를 가장 뚜렷하게 보여주는 것이 파도이다. 파도의 높이가 3 m일 경우 폭 1 m의 파봉에 100 kW의 비율로 에너지가 전달된다고 한다. 이것은 대형 승용차가 최대한 촘촘하게 나란히 서서 해안을 향하여 전속력으로 달려가는 것과 비슷한 힘이다. 영국의 화가 월터 크레인(Walter Crane)은 밀려오는 파도의 위력을 바다의 신 넵튠이 열 마리의 말이 끄는 마차를 타고 질주하는 모습으로 표현하였다. 힘차게 달리는 말들의 모습에서 파도의 역동적인 힘을 느낄 수 있다. 해양에너지는 이용하는 방식에 따라 조력, 파력, 온도차, 해류, 염분차 등 여러 형태로 존재한다. 고갈될 염려가 전혀 없고, 일단 개발만 된다면 에너지 수요를 충족하고도 남을 만큼 풍부하다. 세계 각국은 해양에너지 자원의 개발에 집중적인 투자와 연구를 계속하고 있다. 미래의 에너지 자원은 재사용이 가능하고 환경 친화적이어야 하므로, 바로 이런 관점에서 해양에너지는 무공해·무한정의 청정자원으로 주목받고 있다.
조력 발전은 해양에너지를 이용하는 여러 가지 발전 방식 중에서 가장 먼저 개발되었다. 하구나 만을 방조제로 막아서 밀물과 썰물의 조차(조석간만의 차이)를 이용하는 발전 방식이다. 방조제 중간 부분에 여러 개의 수문을 만들고 그 밑에 터빈을 설치한다. 저수지의 안쪽과 바깥쪽의 해수면 차이가 제일 클 때 수문을 열면, 들어오거나 나가는 바닷물이 터빈을 돌리면서 발전하게 된다. 따라서 조차가 클수록 효과적인데, 세계적으로 조차가 큰 해양 조건을 갖추고 있는 나라는 그렇게 많지 않다. 프랑스의 서북부에 위치하는 랑스 조력 발전소는 세계 최초로 건설되었고 대규모의 발전소로 유명하다. 만 입구에 길이 850 m의 댐이 건설되었고 연간 평균 조차 13.4 m를 이용하여, 1966년부터 10 MW급 발전기 24대로 240 MW의 전력을 생산하고 있다. 그 밖에 건설이 검토되고 있는 곳은 미국 북부의 파사마쿼디 만, 캐나다의 펀디 만, 프랑스의 생미셸 만 등이 있으며, 소련의 키스라야 만에서는 현재 공사가 진행되고 있다.
우리나라의 경기만 일대는 세계적으로 드문 조력 발전의 최적지로 부상한 곳이다. 1970년대부터 수차례에 걸쳐 타당성을 검토해본 결과, 충남 서산 가로림 만이 제1후보 지로 선정되었다. 가로림 만의 최대 조차는 6.5 m, 평균 조차는 4.8 m로, 시설 용량 40만 kW(2만 kW급 발전기 20대 설치), 연간 발전량은 836 GWh로 평가되었다. 지금은 시험 조력 발전소 건설을 위한 조사 연구를 진행하고 있다. 한편 수자원공사가 건설 추진중인 시화호 조력발 전소는 25 MW 규모의 발전기 10대를 설치하는 250 MW급 규모로서, 프랑스의 랑스 조력 발전소를 능가하는 세계 최대 조력 발전소로 2009년 완공될 예정이다. 연간 5억 5,200만 kWh의 전력을 생산할 경우, 연간 436억원의 원유수입 대체 효과와 9억원의 CO2 저감 효과가 기대된다. 특히 인접한 시화호 부지에 태양광과 풍력 발전 시스템 등을 종합적으로 설치하여, 생태단지를 조성하고 관광을 겸한 종합 레저타운으로 개발할 계획이다.
2. 현재 문제점
최근에는 에너지 자원량의 한계와 에너지 공급지역의 불안 등으로 에너지가격의 상승과 공급 불확실성이 심화되고 있으며, 고유가 시대의 장기화는 필연적이라는 전망이 계속 나오고 있다.
이에따라 각국은 에너지 안보가 국가 에너지정책의 주요 과제로 대두되고 있다. 석유 가격의 경우 수년 이내에 배럴당 100달러 선까지 상승할 것으로 전망되고 있으며, 나아가 에너지 수요가 급증하고 있는 중국과 인도와 같은 개발도상국은 물론 선진국들까지 자원보유국과의 에너지외교를 강화하며 에너지 수급에 총력을 기울이는 양상을 보이고 있다. 바야흐로 세계는 에너지 자원 전쟁이 진행 중에 있다. 뿐만 아니라 분쟁지역에서는 석유나 천연가스 생산시설 등에 대한 테러나 사보타지, 원유와 천연가스 파이프라인 공격, 해상분쟁지역의 수송 안보 등 에너지 안보를 최우선 과제로 에너지정책이 재조명되고 있다.
한편 대기 중의 이산화탄소 농도 증가에 따른 지구 온난화에 대한 우려 또한 국제적 차원에서 심화되고 있다. 이에 따라 온실가스 방출 감축 의무이행을 위한 교토의정서가 발효되면서 선진국들에 대한 온실가스 방출규제가 강화되고 있으며,이산화탄소 배출권 거래제도도 도입되어 온실가스에 대한 관심이 높아지고 있다. 이산화탄소 배출권 거래가격은 석유가격과 직?간접적으로 연계되어 중동의 석유가격 폭등 시 유럽에서의 이산화탄소 배출권 거래 가격 상승을 가져온 바 있으며, 이는 석탄 화력발전의 가격상승을 야기한 바 있다.
더구나 2012년 이후, 개도국들의 온실가스 방출 감축 협상이 진행되면 현재보다 더 많은 국가들이 온실가스 감축에 나서야 하며, 이는 화석에너지에 에너지 수요를 의존하는 비율이 높은 국가들의 에너지 정책 전반에 엄청난 영향을 야기할 것으로 예상되고 있다.
이와 같은 에너지 수급의 환경변화에 따라 주요 선진국들은 온실가스 방출 감축의무 이행과 에너지 안보를 제고하기 위한 에너지 정책과 전략에서 많은 변화를 보여주고 있다. 이러한 변화를 통해 선진 각국은 에너지의 효율적 이용, 국산 에너지 공급 확대를 통한 에너지 자급률 제고, 환경오염을 유발하지 않고 온실가스를 방출하지 않는 환경친화적인 에너지 공급원 개발 등을 위주로 하는 신에너지 전략을 수립하고 있다. 이와 함께 편리한 에너지인 전력의 수요를 충족하기 위한 전력공급원의 다양화도 추진되고 있다.
이러한 측면에서 자원 소비형 에너지 공급 전략에서 기술 의존형 에너지 공급 전략으로 지속가능 발전을 지향하는 에너지 패러다임의 전환을 적극 추진하고 있으며 이러한 패러다임 전환의 기반에는 풍력 발전 및 태양광 발전, 그리고 원자력 발전의 확대 등에 초점을 두는 전략이 있다. 또한 고유가 시대를 대비하여 석유와 천연가스를 대체하는 수소 에너지 경제 구축을 적극 추진해 오고 있다. 수소 에너지 경제를 구축하기 위해 신재생에너지와 원자력발전을 에너지 공급원으로 활용하는 기술개발 투자가 확대되고 있다.
3. 새로운 에너지개발, 즉 실용성이 높은 원자력과 지금의 태양에너지기술을 접합한다.
태양- 거대한핵융합발전소
■ 태양 에너지의 근원
1. 100억년을 타오르는 태양의 비밀
인류 생명에너지의 원천인 태양은 그 자체로 거대한 핵융합 발전소
2. 태양 발전소의 조건
① 플라즈마(제4의 물질 상태)상태이어야 한다.
태양 중심부의 1,500만˚C 고온에서 원자핵과 전자가 분리되어 서로 어지러이 날아다니고
있는 상태가 플라즈마이다.
② 핵융합 반응이 필요하다.
플라즈마 상태에서 어지러이 날아다니는 수소 원자핵(양성자)2개가 융합하여 헬륨 원자핵
으로 합성되며 에너지를 내어 놓는 핵융합 반응이 일어나야 한다.
3. 핵융합 반응이 태양을 타오르게 한다.
핵융합 반응으로 헬륨원자핵이 만들어지면서 감소된 질량이 막대한 에너지로 변환되어 태양
을 타오르게 한다.
핵융합의장점
1. 연료 고갈 걱정이 없다.
- 주원료인 중수소 : 보통의 물에서 쉽게 추출
- 지구 표층수에서 추출할 수 있는 중수 : 1013톤
- 삼중수소 : 리튬으로부터 값싸게 생산됨
2. 공기 오염이 없다.
화석 연료를 사용하지 않기 때문에 화학연소로 인한 부산물이 전혀 없다.
3. 방사능 폐기물이 거의 없다.
고준위 방사능 폐기물을 남기는 핵분열 반응과 달리 방사능 폐기물이 거의 없다.
4. 핵 사고의 위험이 없다.
중수소와 삼중수소가 핵융합 반응을 일으키는 공간이 작기 때문에 통제되지 않는 막대한 에너지
유출이 일어나지 않는다. 기계 오작동이 일어나도 플라즈마가 용기벽에 부딪치면서 식어 버려 유
출 사고가 발생하지 않는다.
5. 핵무기 개발에 쓰이는 물질이 발생하지 않는다.
핵분열 반응 후 남게 되는 물질은 재처리 과정을 거쳐 핵폭탄의 원료로 쓰일 수 있지만 핵융합 반
응에서 남는 헬륨 등은 핵무기의 재료가 될 수 없다.
■ 결론
원료가 무한정이고 지역적으로 편중되어 있지 않으며 환경오염이 없는 핵융합 에너지는 전력
생산에도 매우 경제적으로 이용될 것으로 예상되고 있다.
