에너지의 근원은 무엇입니까?

전력발전소는 에너지를 만들어 내지 않습니다. 발전소는 있는 에너지를 다른 형태로 전환해 전기로 바꿀 뿐입니다. 전력발전 시스템은 단순하게 말하면 에너지 변환기일 뿐입니다. 연료를 태우는 발전소는 연료 속 원자와 분자간의 화학적 결합물 형태로 저장되어 있는 에너지를 연소해 전환시킵니다. 다른 유형의 발전소는 각 환경에 존재하는 에너지를 회수하여 전기로 전환합니다.

여러분은 아마도 에너지 보존 법칙에 대해 들어보았을 것입니다. 이 법칙은 에너지란 절대 생성되거나 소멸되지 않으며, 단지 한 가지 형태에서 다른 형태로 바뀔 뿐이라고 말합니다. 예를 들어, 창문 문턱에 꽃 화분이 하나 있다고 가정합시다. 그렇다면 누군가가 화분을 거기에 가져다 놓았어야 합니다. 이 사람은 자신의 몸 속에 저장된 화학적 에너지를 사용하여 화분을 들어올렸습니다. 그리고 화분은 어떤 높이에 도달하면 위치 에너지를 갖게 됩니다. 그 후 화분이 떨어지고, 떨어지면서 속도와 가속도 즉, 운동 에너지를 획득하게 됩니다. 화분이 땅에 떨어져서 깨어질 때, 운동 에너지는 즉시 열의 형태가 되어 주변의 공기로 방출되게 됩니다. 이것이 바로 에너지가 화학적 에너지 - 위치 에너지 - 운동 에너지 - 열로 전환되는 것의 예입니다. 물론, 떨어지는 화분은 큰 열을 방출하지는 않습니다.

그러나 하나의 예로, 운석이 지구에 떨어질 때 어떤 일이 벌어지는지 생각해 보세요. 진행 절차가 같습니다. 운석이 대기권에 들어오면 운동 에너지와 위치 에너지를 열로 변환시키게 됩니다. 공룡들을 멸종시킨 소행성은 분명 떨어지는 화분 하나보다 더 많은 열을 방출했습니다.

에너지의 종류에는 어떤 것이 있습니까?

1. 화학적 에너지는 화학 물질의 분자간 결합에서 발생합니다. 이 결합이 깨어질 때, 에너지는 열의 형태로 방출됩니다. 연소가 가능한 모든 물질은 어느 정도의 화학적 에너지를 가지고 있습니다. 그러나 연소가 화학적 에너지를 방출하는 유일한 방법은 아닙니다. 예를 들면, 배터리도 화학적 에너지를 가지고 있습니다. 배터리의 터미널을 부하(load)와 연결시키면, 배터리의 저장된 화학적 에너지가 전기의 형태로 방출됩니다.
2. 운동 에너지는 움직이는 물체에 관련된 에너지입니다. 무게가 무거울 수록 속도가 빨라지며, 운동 에너지가 높아집니다. 움직이는 공기(즉, 바람이 있는 경우)에는 운동 에너지가 있습니다.
3. 전기 에너지는 전류와 전압의 조합을 통해 전선을 타고 운반됩니다.
4. 빛 에너지는 전자파를 통해 운반됩니다. 무선 전파, 마이크로파, 엑스선 및 가시 광선은 모두 전자파입니다. 컵에 물을 담아 전자렌지에 데우는 것은 마이크로파를 통해 에너지를 물로 이동시키는 것입니다. 태양이 뜨겁다고 느끼는 것은 우리의 피부가 태양으로부터 빛 에너지를 받았기 때문입니다.
5. 핵 에너지(원자력)는 원자의 핵 분열로부터 방출됩니다. 원자의 중심 핵은 서로 아주 강력한 힘을 통해 결합되어 있는데, 이러한 결합을 깨뜨리면 많은 양의 에너지가 열과 방사선의 형태로 방출됩니다.
6. 열 에너지는 단순하게 말하자면 뜨거운 물건에 관련된 에너지입니다. 또한 엔지니어들은 압력을 받는 액체의 열과 에너지에 관련된한 엔탈피(enthalpy)를 이야기하기도 합니다.
7. 중력 위치 에너지는 떨어질 수 있는 물건이 가진 에너지입니다. 물체의 위치가 높을 수록 그리고 무게가 무거울 수록, 추락 시에 방출되는 에너지가 커집니다.
8. 탄성 위치 에너지는 탄성이 있는 물체에 힘을 가했을 때 저장되는 에너지입니다. 힘이 가해지면 탄성이 있는 물체는 형태가 찌그러지게 되는데, 이러한 찌그러짐이 물체의 내부에 에너지를 저장하는 것입니다.
9. 소리 에너지는 파동 에너지의 한 형태이며, 그 자체로 운동 에너지를 가지고 있습니다. 음파(sound wave)는 공기 중에서 작은 양의 에너지를 운반합니다. 물 속에서도 또한 에너지를 운반합니다. 바다 속에서 파도가 운반하는 에너지의 양은 상당히 큽니다.

화석 연료 및 화석 연료에서 나온 에너지

발전소로 다시 돌아가 보겠습니다. 발전소 많은 곳에서 연료를 태워 전기로 바꿉니다. 석탄, 천연가스, 석유와 같은 연료를 '화석 연료'라고 합니다.

화석 연료는 아주 오래 전에 죽어서 땅에 묻힌 유기체의 분해를 통해 생겨납니다. 이러한 유기체들은 몇백만 년 전의 것으로 ‘광합성’이라 불리는 과정을 통해(또는 광합성이 가능한 유기체를 잡아먹음으로써) 몸의 크기를 키웠습니다. 광합성을 통해 식물, 해조류 및 일부 박테리아는 태양에서 얻는 빛 에너지와 환경에서 얻는 이산화탄소를 탄수화물 분자로 변환시킵니다. 그러므로 어떻게 보면 석탄을 이용하는 발전소에서 만들어 낸 전기는 궁극적으로는 태양에서 온 것이라고 할 수도 있겠습니다. 그러나 이것을 보고 석탄 발전소가 태양열처럼 재생 가능한 전력을 제공한다고 할 수 있을까요? 안타깝지만, 그렇지 않습니다. 죽은 식물이나 동물이 석탄으로 바뀌려면 너무나 많은 시간(수백만 년)이 필요하므로, 인간의 수명 주기 동안 사용가능한 석탄이 전혀 만들어 질 수 없습니다. 만일 모든 석탄과 석유가 채굴되고 나면 더 이상 남은 것은 없을 것이기 때문에 화석 연료는 재생이 불가능합니다.

석탄은 20세기에 세계 대부분 지역의 발전소에서 가장 많이 사용된 주요 에너지원이었으며, 아직도 여러 나라의 발전 사업에서 주요 연료로 사용되고 있습니다. 천연가스는 또 다른 매우 인기있는 에너지원으로, 미국에서는 현재 발전 사업에서 가장 많이 사용되는 연료입니다. 천연가스는 비용이 저렴하고 깨끗하며 가스 터빈 발전소에서 사용하기 좋습니다. 나프타, 디젤, 중유(heavy oil)도 또한 발전소에서 사용되는 중요한 액체 연료입니다. 이러한 연료는 구하기가 쉽고 운반 및 보관이 쉬워서 발전소의 작업이 중단되었을 때 필요한 대기 전력 발전 용도로 사용하기에 좋습니다.

재생 바이오연료 에너지: 이산화탄소 중립 에너지

발전소에서 태우는 모든 연료가 화석 연료인 것은 아닙니다. 적합한 유형의 연소 시스템을 갖추고 있다면, 타는 것이라면 모두 전력발전에 사용할 수 있습니다. 많은 발전소가 목재 조각, 옥수수 껍질, 사탕수수 섬유질, 가정 폐기물 등을 태워 전기를 만듭니다. 일부 제지공장은 제지 공정 부산물로 나무에서 나오는 검은 액체를 태우는 작은 발전소를 함께 운영하기도 합니다. 이러한 연료는 의도적으로 경작하는 식물에서 나오기 때문에 재생 에너지로 간주합니다.

또한 화석 연료와 구별이 불가능한 정도의 재생 에너지를 만드는 것도 가능합니다. 예를 들면, 콩이나 옥수수, 비트, 기타 농작물을 에탄올과 바이오디젤로 만드는 것입니다. 많은 디젤 엔진은 아무 수정이나 변경 없이 바이오디젤을 대체하여 사용할 수 있습니다. 에탄올의 경우는 그 자체만으로 연소가 가능하고, 가솔린과 혼합하면 대부분의 자동차에서 연료로 사용이 가능합니다. 미국에서 판매되는 가솔린의 98%에 10%의 에탄올이 포함되어 있다는 것을 알고 계셨나요?

지난 몇 년 동안 바이오 연료 처리 기술 분야에는 많은 혁신이 있었습니다. 바이오 연료가 이렇게 많은 주목을 받는 이유 중 하나는 CO2가 발생하지 않는 연소를 한다고 말하기 때문입니다. 이는 사실 약간 부적절한 설명입니다. 나무 칩이 연소되면 공기 중에 CO2가 방출됩니다. 누구도 이를 부인할 수는 없습니다. 그러나 나무 칩은 나무에서 왔고, 나무는 자라는 동안 같은 양의 CO2를 흡수했습니다. 결론적으로 공기 중에 CO2의 증가는 없었기 때문에, CO2 중립적이란 말이 더 정확한 표현입니다.

바이오 연료는 발전소가 화석 연료를 태워서 전력을 만드는 것만큼 안정적이지만 탄소 배출이 없는 운영을 하게 해 줍니다. 이에 대조적으로, 화석 연료는 연소할 때 발생하는 CO2가 수백만 년 전에 포획된 것입니다. 수백만 년의 기간을 기준으로 보면 화석 연료가 CO2 중립 연소를 하는 것일 수도 있겠지만, 인간의 시간을 기준으로 보면 화석 연료의 연소는 대기 중의 CO2 양을 증가시킵니다.

태양과 바람으로부터의 에너지: 클린 에너지

태양광(PV) 패널과 풍력 터빈은 전세계에서 가장 빠르게 성장하는 발전 기술이며 수력발전소와 함께 재생에너지의 주요 원천을 차지합니다. 어느 쪽도 전기 생성에 연료를 필요로 하지 않습니다. 무에서 에너지를 만든다는 뜻일까요? 당연히 아닙니다. PV 패널은 햇빛의 전자기 에너지를 추출합니다. 풍력 터빈은 바람의 운동 에너지를 이용합니다. 두 가지 모두 전기를 생성하는 훌륭한 방법입니다. 연료 걱정도 없고 배출물도 없습니다. 또한 PV 패널과 풍력 터빈은 매년 저렴해지고 있고 설치 또한 쉬워지고 있습니다.

태양이나 바람은 고갈될 염려는 없지만, 항상 바람이 불거나 태양이 쨍쨍한 것은 아니라는 것이 이들의 주요 결점입니다. 날씨가 흐리면 태양열 발전이 안 되고, 바람이 불지 않으면 풍력 발전이 불가능합니다. 전력망에 풍력 및 태양열 발전을 통한 전력이 많이 포함되어 있을 경우, 이것이 불가능할 경우에 대비하여 대기 전력 발전을 준비해 놓는 것이 매우 중요합니다. 예를 들면, 캘리포니아의 전력 시스템에는 많은 양의 태양열 발전이 포함되어 있는데, 이로 인해 저녁 시간대에는 저하되는 태양열 전력을 보충하기 위해 많은 열 발전소의 가동이 필요합니다.

원자로부터 에너지를 가져오는 원자력 발전소

원자력 발전소는 완전히 다른 종류의 자연을 에너지의 원천으로 이용합니다.

핵 연료인 우라늄은 많은 양의 화학적 에너지를 저장하고 있지 않으며, 석탄이나 천연가스가 연소하는 방식으로 연소하지도 않습니다. 그 대신 우라늄 원자는 핵분열을 과정을 통해 깨지게 됩니다. 일반적인 가연성의 연료가 연소될 때, 연료 분자를 묶어주는 화학적 결합이 깨어지면서 에너지가 방출됩니다. 우라늄의 핵분열이 발생할 때는 우라늄 원자의 핵들을 유지해주는 핵 결합이 깨지면서 에너지가 방출됩니다. 핵 결합은 화학적 결합보다 엄청나게 더 강력하기 때문에 작은 양의 우라늄도 엄청난 에너지를 방출하게 되는 것입니다.

우라늄이 원자력 발전소에서 사용되는 유일한 재료가 아니란 것을 아시나요? 원자력 에너지로 사용될 수 있는 또 다른 자연 물질에는 토륨(thorium)이 있습니다. 일반적으로 우라늄보다 토륨의 양이 더 많으므로, 인도처럼 우라늄 보유량이 없는 나라들은 토륨을 연료로 하는 사이클을 개발하는 데 많은 관심을 보였습니다.