대체 에너지

 

  제목 ; 대체 에너지의 현황과 전망

1.대체 에너지의 종류

     재생에너지

재생에너지는 화석 연료와 원자력을 대체할 수있는 에너지자원으로, 고갈되지 않는 에너지를 말한다. 화석 연료를 대신할 수 있는 태양 에너지, 지열 에너지, 조력, 풍력 등의 무공해 재생 가능한 에너지이다.

위와 같은 재생 에너지들은 깨끗하고 고갈될 염려가 없다는 큰 장점을 가지고 있다. 그러나 에너지 밀도가 너무 낮아 현대 문명 사회와 같이 많은 양의 에너지를 필요로 하는 곳에서는 그 실용성이 적다는 것이 한계로 지적된다.

또한 태양열이나 풍력은 기후에 영향을 받으므로 보조 발전 설비를 갖추어야 하고 아직은 경제성이 없으며 소규모 발전에만 유망하다는 점들때문에 제약을 받고 있다. 그밖의 다른 재생 에너지들도 무공해이긴 하나 대용량의 에너지원으로는 부적합하고 효율성이나 경제성 등에서 아직은 해결해야 할 문제들이 많이 남아 있다.

이들 문제의 해결과 함께 장기간에 걸쳐 대량으로 사용할 수 있고, 채취하고 수송하는데 있어서 환경과 인체에 주는 피해가 적고 사용하는데 있어 깨끗하고 안전한 미래 에너지 개발에도 노력해야 한다. 현재 미래 에너지로 관심을 모으고 있는 것으로 고속 증식로와 핵융합 에너지가 있다.

 

*태양 에너지 (Solar Energy)

태양은 막대한 양의 열과 빛에너지를 생산하는 무한정의 에너지원으로 건설 및 이용 가격도 점차 싸지고 있는 중이다. 태양에너지는 집이나 회사에서 물을 데우는 데 사용될 수도 있고 태양빛으로 음식을 만들 수도 있다.

 

태양 전지 (solar cells) :

태양 에너지를 충전할 수 있는 전지나 밧데리로 이미 전자 계산기, 손목 시계, 인공 위성의 전원으로서 이용되고 있다.태양 전지는 태양 에너지만 존재하면 언제라도 발전이 가능한 무공해 에너지원으로 소음 및 온 배수 공해도 없다. 그러나 이러한 태양광 발전은 햇빛이 있어야만 발전이 가능하기 때문에 계절과 기후의 제약을 크게 받으며, 큰 발전량을 얻기 위해서는 태양 전지판이 매우 커야 하는데 이를 위해서는 넓은 땅이 필요하다는 결점이 있다. 현재 기준으로 보면 10m2당 약 1kW의 발전이 가능한 것으로 알려져 있다.

이들 태양광 발전 시스템의 이용은 초기에는 주로 인공 위성 및 등대, 통신용의 전원 등으로 이용되었으나, 보급이 확대됨으로써 주택용이나 낙도 전원용, 그리고 아파트 단지 등의 전원 공급용으로도 개발되고 있다. 그러나 여전히 태양 전지의 특성을 최대로 활용할 수 있는 조건 즉, 적은 전력을 필요로 하는 외딴 지역 등에 국한되어 실용되고 있다.

우리 나라의 경우에는 전남 하화도에 25kW급, 최남단 마라도에 30kW급 시스템이 설치되어 섬 주민들에게 전원을 공급하고 있다. 그리고 제주도 한라산의 백록담 가는 길목에 있는 산장과 휴게소 등에는 이러한 태양전지를 활용한 곳이 많이 있다.

 

*지열 에너지(Geothermal Energy)

지구상의 모든 지역은 지하로 내려갈수록 온도가 증가하는데, 이를 지열 에너지라 하고, 이것을 이용하여 뜨거운 물이나 증기를 얻을 수 있다. 때때로 이곳 뜨거운 바위 근처에 물이 스며들기도 하는데, 이것은 너무 뜨거워서 증기로 바뀌게 된다. 이 뜨거운 물이 땅의 갈라진 틈을 통해 스며 나왔을 때, 우리는 이를 온천이라고 부른다.

우리나라에서는 경상남북도 지방의 동북 해안 지대, 즉 영덕과 사천을 잇는 선의 동쪽에 고온대가 분포한다. 세계적으로 볼 때 고온의 지열대는 필리핀, 대서양 지열대, 아프리카 지열대 등 몇 개의 지열대들이 알려져 있다.이러한 지역들에서는 온천을 상업적으로 개발하여 관광객을 유치하거나 수백 m 깊이에서 100~300℃의 증기를 얻어 지열 발전 등에 이용한다.

또한 이들 지열대에서 멀리 떨어진 곳에서는 2~3km를 파서 100℃ 미만의 열수를 얻어 식물을 키우는 온실이나 가정집 같은 건물을 따뜻하게 하기 위해서 사용되어지기도 한다.지구 내부의 열을 이용하여 전기를 생산하는 지열 발전에서는 먼저 평행하게 2개의 시추공을 뚫는다. 찬 물이 한 쪽 시추공으로 내려가면 가열되어서 증기 상태로 되돌아 오는데 이 증기를 이용하여 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 지열 발전소는 미국, 뉴질랜드, 필리핀, 아이슬랜드, 일본 등에서 가동 중이다.

 

*수력 또는 조력 (Tidal Power)

천연 무공해 에너지원인 물을 이용하여 에너지를 생성할 때는 댐이나 장벽을 만들어 수위차를 이용한다. 강이나 호수에 댐을 설치하여 물을 가두었다가 수문을 열어 물을 흘려보낼 때, 터빈을 돌려 전력을 생산하는 수력 발전과 바다의 조수의 흐름을 이용하는 조력 발전이 있다.

수력 발전은 기동과 정지가 쉽고, 운영비가 적게 들며, 운전과 보수 유지가 간단한 것은 물론 기기 수명이 반영구적인 장점을 가지고 있다. 우리나라에는 1983년 섬진강에 수력 발전소를 건설한 이래 팔당, 청평, 충주, 합천, 보성강, 양양, 무주 등에 수력 발전소를 건설하여 무공해 에너지를 얻고 있다.

지구상에서 조석은 지역마다 다르게 나타나며 발생하는 조차의 범위는 최고 17m에 달한다. 우리나라의 서해안은 강한 조석이 발생하는 지역으로서 세계적으로 보기 드문 훌륭한 조력 발전 개발 여건을 갖추고 있는 것으로 알려져있다.

조력 발전의 방식에는 여러 가지가 있으나 오늘날 실용화된 것은 강한 조석이 발생하는 큰 하구나 만의 입구에 방조제를 만들고 수차 발전기와 수문을 설치하여 조지(해수를 저장할 수 있는 저수지)를 형성한 후 수문의 조작을 통하여 조지와 바다와의 수위차를 발생시켜 발전을 하게 하는 것이다.

1966년 세계 최초로 프랑스에 시설 용량 24만 kw급의 랑스 조력 발전소가 완공된 이후 소련, 중국, 캐나다에 조력 발전소가 건설되었고 우리 나라를 비롯 여러 나라에서 대규모 조력 발전을 위한 조사 연구가 활발히 진행되고 있다.

 

*풍력(Wind power)

옛날부터 사람들은 바람을 이용하여 배를 움직이고(범선), 방아를 찧었다(풍차). 근래에는 바람을 전기 에너지로 변환시키는 풍력 발전기를 개발하여, 전 세계적으로 2만여대가 가동 중이다.오늘날 가장 많이 개발 보급된 풍력 발전기의 형태는 프로펠러 형이다. 발전 장치에 2~3개의 날개를 가진 프로펠러가 달여있고 바람에 의해 프로펠러가 돌면서 전기를 생성하게 된다.

바람이 날개를 마치 종이로 만든 팔랑개비처럼 돌리는데 바람의 운동 에너지가 회전력으로 변환되고 이 회전력은 보통 증속 장치를 거쳐 회전 속도를 높인 다음 발전기로 전달되어 전기를 생산하게 되며 이 발전된 전기는 철탑을 거쳐 축전지나 수용기에 공급된다이러한 풍력 발전기는 바람이 많이 부는 지역에 설치되어 있는데 날개의 무게나 길이 형태 등은 최대의 에너지 효율을 얻을 수 있도록 설계되어 있다.

캘리포니아지역의 어떤 곳은 일년내내 특히 여름에 많은 바람이 부는데 이것은 여름동안에 Central Valley와 사막은 아주 더워 뜨거운 공기는 위로 올라가고, 시원한 바다로부터 불어온 바람이 대류 현상에 의해 이 뜨거운 공기의 자리를 메우면서 많은 바람이 불게되는 것이다. 이처럼 지형적으로 바람이 많이 부는 곳이 풍력 발전기를 설치하기에 적절한 곳이다.

 

*원자력에너지

우리 나라를 비롯한 여러 나라에서 석유의 의존도를 낮추기 위해 원자력 이용을 증가시키고 있다. 이것은 에너지원으로서의 화석 연료의 고갈에 대한 예상과 인류의 자연 환경 보존에 대한 욕구의 증대로, 앞으로 안정된 에너지 공급을 위해, 자원 의존형 에너지원에서 기술 의존형 에너지원으로의 변화가 요구되기 때문이다.

일부 에너지 전문가들은 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지원으로서, 현재 세계 전력량의 15%이상을 차지하고 있는 기술 의존형 에너지원인 원자력을 들고 있다. 원자력은 에너지 효율도 높고 환경 오염의 문제도 어느 정도 해결할 수는 있지만, 원자력의 원료인 우라늄 역시 매장량에 한계가 있고, 또한 방사성 폐기물에 의한 환경오염과 폐기물 처리 문제는 끊임없는 분쟁과 논쟁을 일으키고 있다.

그러므로 환경을 파괴하지 않으면서 자원의 고갈을 염려하지 않아도 되는 새로운 미래형 에너지를 개발하려는 노력에 박차를 가해야하는 한편, 에너지 자원을 효율적으로 사용하는 방법에 대해서도 끊임없이 연구해야 한다.

핵융합 발전의 원리:원자력 발전은 원자핵이 분열할 때 발생하는 에너지를 이용하는 것이다. 반면, 핵융합 발전은 핵이 결합할 때 나오는 에너지를 활용하는 것이다. 핵융합 원료인 중수소는 바다 속에 무한정으로 존재할 뿐만 아니라 방사성 오염 물질도 전혀 발생하지 않는다.

그러나 핵융합이 가능하기 위해서는 초고온(약 1억도)을 만들어 주어야 하므로 아직 실용화 단계는 아니다.초고온의 상태에서 중수소와 삼중수소를 계속적으로 공급해주면서 중수소와 삼중수소가 충돌할 수 있게 해주면, 중성자와 원자핵을 각각 하나씩 가진 중수소와 중성자 2개를 가진 삼중수소가 융합한 후 헬륨과 중성자 하나로 나누어지면서 에너지를 생성한다.

원자력 발전의 현황:전 세계적으로 원자력 발전에 의한 에너지 생산량이 증가하고 있는 추세에 있다. 프랑스나 벨기에와 같은 나라에서 50%이상을 원자력에 의존하고 있으며, 우리 나라의 경우도 현재 40%이상을 원자력에 의존하고 있으며, 앞으로도 계속 늘어날 전망이다. 이것은 화석 연료의 고갈 문제와 에너지 사용량의 증가와 맞물리면서 싫던 좋던간에 현실로 다가오고 있다. 원자력은 적은 양으로 많은 에너지를 효율적으로 생산할 수 있고, 화석 연료의 문제점인 대기 오염 물질을 거의 배출하지 않는다는 큰 장점이 있다.

 

2. 본론 - 핵 융합 에너지

 

현황 –

핵   융합은 한마디로 꿈의 에너지다.

우주를 지탱하는 자연적인 원천 에너지와 같다.

핵융합 에너지는 고갈될 염려가 없어 무한한 자원을 제공하며

무엇보다 방사능 물질의 양이나 방사선이 나오는 기간은

현재 원자력에 비하면 무시해도 좋을 정도로 적고 짧아 핵융합 에너지는 환경친화적이다.

원자력 발전소의 방사능 누출과 같은 대형 사고가 발생할 염려도 없다.

때문에 1980년대 후반부터 IAEA의 지원 아래

미국, 유럽연합, 일본, 러시아가 공동협력하여 연구를 진행해왔다.

ITER 사업에 참여하는 국가는 영원불멸의 핵융합 에너지 개발로

세계 패권국가를 꿈꾸고 있다 해도 과언이 아니다.

과거 영국은 증기기관의 힘으로, 독일은 가스엔진의 힘으로

세계를 제패하였다는 사실을 떠올리면 과장된 얘기도 아니다.

 

연구 동향 -

핵융합 에너지의 발생 원리는 아래와 같다.

수소는 가장 가벼운 원소이며 산소와 더불어 물을 만드는 기본 물질이다.

수소에는 보통 수소와 무거운 수소가 있고, 아주 무거운 수소가 있다.

이것을 섭씨 1억도 이상의 높은 온도로 가열하면,

수소 원자핵은 겉옷 같은 전자를 버리고 자유스러운 운동을 하는데,

이때 무거운 수소 원자핵과 아주 무거운 수소 원자핵이 서로 충돌하고 결합하여

헬륨 원자핵을 만들면서 '핵융합 에너지'를 발생시킨다.

이 에너지를 이용해서 전기를 만들고 열을 만들어 활용하게 되는 것이다.

하지만 핵융합을 위해서는 1억도의 온도에서 플라즈마를 약 1초 동안 용기에 밀폐해야 한다.

플라즈마는 수소 원자에서 전자가 떨어져 전자와 원자핵이 따로 노는 제4의 물질상태를 말한다.

즉, 플라즈마는 원자핵들끼리 좀 더 쉽게 충돌해 '핵 융합'을 일으키게 하는 역할이다.

하지만 이 1억도의 온도를 감당해낼 물질 자체는? 현실적으로 존재하지 않는다.

모든 물질은 1억도의 온도면 녹아내리기 때문에 플라즈마를 담아두는 것은 사실상 불가능하다.

때문에 이 플라즈마가 새어나가지 않도록 하기 위해선 '토카막'이라는 용기를 개발해야 한다.

     

그리고 첫 성과를 보인 건 이웃나라 일본이었다.

일본원자력연구소가 중심이 돼 핵융합 실험시설을 건설하기 시작했고 토카막을 개발해낸 것이다.

하지만 일본의 토카막은 치명적인 한계점을 지녀 상용화에 실패하였다.

일본은 구리코일을 사용하여 토카막을 개발하였는데

1억도에 달하는 고열에 구리로 구성된 토카막 자체가 달궈져

열을 식히는 냉각 및 제어에 들어가는 에너지가

핵융합으로 만든 에너지의 양을 초월하였기 때문에 되려 에너지 낭비가 되었기 때문이다.

ITER 가입국들은 '토카막'을 개발하기 위해 매진했지만

인류가 핵융합 에너지를 활용하는 일은 기술적으로 불가능해 보였다.

심지어 미국은 핵융합 에너지를 개발하기보다는

다른 대체 에너지를 개발하는 것이 더 경제적이라고 판단하여 손을 놓았고

그렇게 ITER 사업은 점차 물거품이 되는듯 했다.

하지만 그때 등장한 것이 우리나라의 세계 최고 수준의 토카막 핵융합장치인 'KSTAR'였다.

한국 차세대 초전도 핵융합연구장치를 완공하여 최초 플라스마 발생에 성공시킨 것이다.

'구리'를 써 상용화에 실패했던 일본과 달리

우리나라는 '초전도체'를 사용하여 토카막 장치 개발에 성공하였고, 때문에 상용화에도 문제가 없었다.

 

80년대, 대한민국이 ITER에 가입하고자 했을 때 미국, 일본 등은 한국의 가입을 거부했었다.

기술력도, 자금력도 자기들과 견주었을 때 하찮아보였던 것이다. 당시 한국연구진들은 철저히 무시당했다.

그 뒤 한국 연구진들은 이를 악물고 단독으로 연구 개발에 들어갔다. 한마디로 독학이었다.

그리고 그 열악한 환경 속에서 불과 12년만에 대한민국 연구진은 성과를 내었다.

국제원자력기구의 지원과 20개 이상의 대학과 40개 이상의 산업체들도 적극적인 협조를 받으며

수십년간 연구에 매진한 미국, 유럽, 일본, 러시아도 하지 못한 것을 말이다.

놀랍지 않은가? 우리나라에선 되려 잠잠했지만 이 소식에 전세계가 놀랐다.

 

결국 대한민국은 ITER에 초청받기에 이른다.

한국의 기술이 없으면 ITER 사업 자체를 진행할 수 없기 때문이다.

80년대에만 하더라도 미국, 일본등에게 가입 거부를 당했던 우리나라가,

다른 방식도 아닌 '초청'으로 모셔지며 ITER 가입국이 된 것이다.

 향후 전망

이제 우리나라는 이 분야서 현대중공업과 두산중공업이 독보적인 기술력을 확보하였다.

핵융합 핵심 장치로 꼽히는 초전도체, 극저온진공용기, 진단장치, 열차폐체 등 10개 품목의 기술력을 보유 중이며

현재 미국, 일본, 중국, 인도, 러시아와 동등히 ITER 지분 중 9%를 확보 중이다.

하지만 여기서도 우리나라는 특별한 대우를 받는데, 다른 나라는 지분을 현금으로 지급하지만

한국은 지분의 16%만 현금으로 지급하고 나머지 84%는 현물(기술)로 지급한다.

한국의 현물지급은 완전한 기술이 아닌 부품을 지급하기때문에 기술누출도 별로 없다고 한다.

미래의 세계 패권을 쥘 수 있는 이런 역사적 연구에서 최고의 기술력을 보유한 대한민국의

지위는 확고한 것이다.

 

3. 결론 -

대한민국은 ITER 프로젝트와는 별개로 단독적인 프로젝트를 꾸준히 수행하여

ITER가 2050년을 목표로 하는 상용발전소를 무려 15년이나 앞당겨

2021~2035년에 세계 최초로 상용 한국형 핵융합발전소를 건설하는 계획을 세우고 있기까지 한다.

그리고 교육과학기술부와 국가핵융합연구소는 KSTAR가 첫 플라스마 발생실험을 성공적으로 마쳤다고 밝히고 대덕연구단지 내 연구소에서 유희열 기초기술연구회 이사장과 박종구 제2차관 등이 참석한 가운데 플라스마 시연행사를 열었다.

국가핵융합 연구소는 지난 12년동안 3천억원을 넘게 투입하여 한국초전도핵융합연구장치(KSTAR)를

완공하고, 성공적으로 시운전을 마친 상태이다. 이것이 뜻하는 바는, 현재 한국의 핵융합연구가

세계 최선두권에 서 있으며, 이로 인해 향후 1백년간 진행될 최대의 과학 프로젝트에서 대한민국이

주도권을 쥐고 인류 에너지원의 대안을 마련하는데 큰 역할을 하게 된다는 것이다.

 

작은 나라 대한민국

자원도 없이 오직 수출만이 살 길이지만 세계적인 금융위기와 두바이의 국가부도와 같은 우리의 현황에서 인공태양의 기술은 세계최고의 수준이며

향후 대한민국의 미래를 보장해 주는 자원이다