대체 에너지 [1]

대체 에너지 





인류가 발전함에 따라 문명(생활) 또한 발전을 이루고 그에 에너지는 문명(생활)속의 원천이 되어 없어서는 안될 중요한 자리를 잡고 있다. 



국제유가가 110불을 넘어 150불을 향해 거침없이 치솟고 있다. 그러나 비산유국들은 마땅한 대책이 있을 수 없다. 선진국들은 에너지 소비 억제 보다는 여전히 태양광이나 풍력, 지열 등 신재생에너지 개발에 열중하고 있고 석유소비국 세계 7위인 우리나라도 선진국을 뒤따라 다니며 신재생에너지 개발에 나서고 있다. 



그러나 태양광이나 풍력, 지열 등은 지난 수십년간 개발해 왔던 것으로 이미 확인된 바와 같이 대체에너지의 구실을 못하고 보조에너지에 그치고 있다. 그래서 대체에너지라 부르지 못하고 신재생에너지라 하지 않는가. 지금 한전이 매입하고 있는 발전원별 거래 단가는 원자력이 kwh당 38.39원으로 가장 낮고 수력 107.77원, 원유 115.21원 등이지만 태양광은 677원이다. 



태양광발전의 손익분기점은 12년 안팎이다. 정부가 발전단가를 시장가격의 8배 수준인 677원에 사준다는 조건에서 계산한 것이다. 만약 정부가 시장가격에 전기를 구입할 경우 손익분기점은 단순 계산으로 80년으로 늘어난다. 막대한 자금을 투자한 것에 비해 너무 경제성이 없는 것이 문제다. 



한국수력원자력에 따르면 2006년 기준 우리나라 원자력 발전의 실제 발전량은 14만6천779GWh로 전체 발전량의 40.3%를 차지했다. 또 1KW당 전력 생산비용을 보면 액화천연가스(LNG)가 86.29원, 석탄이 43.68원인데 비해 원자력은 39.41원으로 고유가 시대의 대안이 될 수 있다. 





1. 대체에너지 발상의 원인 



지구상의 에너지는 일명 화학적 에너지원을 사용하고 있다. 

대부분이 지구 원년의 자원을 활용한 에너지들이다. 그러나 인류가 발전함에 따라 에너지의 수요가 공급을 넘어서면서 새로운 에너지 원의 개발이 시급한 문제로 대두가 되고 있다. 





2. 에너지의 허와 실 



불이라는 문명적 에너지의 시작이 인류에게는 작게는 충치부터 크게는 불치의 질병까지도 발전하게 되었다. 아무리 의술이 발달했어도 인류의 발달과 함께 지속되는 것이 삶과 죽음의 문제인데 이 문제의 시작이 인류의 발전을 초래한 에너지가 원인인 것 이다. 하지만 에너지는 우리에게는 없어서는 안될 가장 중요한 문명의 이기가 되어버렸다. 





3. 대체에너지의 발전과 문제 

대체 에너지의 개발이 증가함에 따라 또 하나의 문제가 발생될 텐데 그건 바로 지금은 간과되는 환경적 문제가 대두 될 것이다. 지금의 천연자원에서 재기되는 지구온난화니, 공기/수질오염이니 우리와 밀접한 환경오염을 뛰어넘는 새로운 환경문제가 대두될 것 이다. 



가. 대체에너지의 종류 



대체에너지란 석탄, 석유, 원자력 및 천연가스가 아닌 태양에너지, 바이오매스, 풍력, 소수력, 연료전지, 석탄의 액화, 가스화, 해양에너지, 폐기물에너지 및 기타로 구분되고 있고 이외에도 지열, 수소, 석탄에 의한 물질을 혼합한 유동성 연료를 의미한다. 그러나 실질적인 대체에너지란, 넓은 의미로는 석유를 대체하는 에너지원으로 좁은 의미로는 신․재생에너지원을 나타낸다. 



우리나라는 미래에 사용될 대체에너지로 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 에너지로 11개 분야로 지정하였고 (대체에너지개발 및 이용•보급촉진법 제 2조) 세분하여 보면 아래와 같다. 



▶ 재생에너지 8개 분야 : 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지 

▶ 신 에너지 3개 분야 : 연료전지, 석탄액화․가스화, 수소에너지 



나. 대체에너지 개발 현황 



최근 10년간 우리나라의 에너지 소비는 매년 10%라는 세계 최고의 증가율을 기록하고 있다. 다행히 세계기후협약 이행이 늦추어지고는 있지만 머지않아 우리도 여기에 참여하지 않을 수 없는 형편이어서 대체에너지 개발의 필요성은 더욱 무게 중심을 더해가고 있는 실정이다. 



현재 선진 각 국에서 활발히 기술개발이 진행되어 실용화 단계에 접어든 대체에너지로는 태양에너지, 풍력에너지가 주종을 이루며, 바이오매스, 지열, 파력, 조력 등을 이용한 대체에너지 개발이 활발히 진행되고 있다. '98년 미국 조지 워싱턴대학에서 발표한 '미국의 미래기술'에 의하면 미국은 2010년쯤 에너지 소비량의 10%를 대체에너지로 충당하게 된다고 하며, 또 유럽연합(EU)이 97년 발간한 '에너지백서'는 2010년까지 대체에너지 비중을 현재의 2배인 12%까지 끌어올리려는 계획을 갖고 있다. 또한 풍력발전의 메카라 할 수 있는 덴마크의 경우 4,900개의 풍력터빈에서 1,135MW의 전기를 생산 전기소비량의 7%를 충당하고 있으며, ‘에너지 21’ 계획에 의하면 2000년에 10%, 2030년까지 50%를 풍력으로 대체한다"는 목표아래 대체에너지 개발과 활성화에 노력하고 있다. 



이에 비해 우리나라는 여전히 원자력 위주의 에너지정책에서 탈피하지 못하고 오히려 2015년까지 원자력발전의 비중을 '98년 27.5%에서 34.2%로 늘릴 계획이며, 대체에너지 개발은 초보단계를 벗어나지 못한 채 97년부터 ‘에너지 기술개발 10개년 계획에서야 비로소 현재 0.82%에 불과한 대체에너지 비율을 2%까지 끌어올리겠다’고 한 정도이다. 



앞으로 20년 후면 에너지 수급 불균형, 50년 후에는 거의 고갈상태’ 이러한 상황은 벌써 현실적으로도 나타나고 있는 상태에서 대체에너지 개발은 더욱 시급한 과제이다. 



▶ '우리 나라의 자원 재활용 비율' 



한국자원재생공사가 폐기물 재활용 신고 및 허가업체를 대상으로 작성한 2001년도 전국 재활용업체 통계에 의하면 우리나라의 산업 폐기물 재활용 시장은 3조 9천억 원 규모로 1998년 1조 4천억 원에 비해 무려 2.8배나 급성장한 것으로 나타났다. 2001년 말 현재 가동중인 재활용업체 수도 2,447개로써 1998년 1,568개에 비해 1.5배 증가하였고 이들 재활용업체가 생산한 재활용 제품의 판매량은 1998년 27,134천 톤에서 2001년 56,811천 톤으로 2배 이상 증가하였다. 재활용 제품의 판매 가격도 1998년에 톤당 51,117원에서 2001년에는 68,811원으로 증가하여 양적 성장에 비해서는 미흡하지만 재활용 산업의 부가 가치도 점차 커지고 있음을 알 수 있다. 



이와 같이 국내 재활용 산업이 급성장하고 있는 것은 그간 재활용업체에 대한 창업 지원, 자금 융자 지원, 기술 개발 지원 등 정부의 재활용 지원 시책에 힘입은 바가 크며 IMF를 거치면서 재활용 산업에 대한 일반인들의 관심이 증가한 것도 한몫 한 것으로 보고 있다. 



다. 대체에너지 별 특성 



(1) 태양열 



집열판에 모인 태양열을 이용하여 개인 주택의 온수, 골프장 샤워실, 양어장, 목욕탕, 여관 등에서 온수 급탕 시스템을 도입하여 이용한다. 우리 나라의 입지 조건은 연평균 수평면 일사량이 3,042㎉/㎡․day 정도로 태양열 이용이 활발히 추진되고 있는 일본(2,800㎉/㎡․day), 독일(2,170㎉/㎡․day), 네덜란드(2,450㎉/㎡․day) 등에 비해 좋은 여건을 가지고 있다. 



(2) 태양광 



태양광 발전은 태양광을 직접 전기 에너지로 변환시키는 기술로, 태양 전지셀로 구성된 모듈과 축전지 및 전력 변환 장치로 구성된다. 장점은 청정 에너지원이고 무제한 공급되며, 필요한 장소에서 필요한 양의 발전이 가능하며, 유지․보수가 용이하고 무인화가 가능하며 수명이 길다(20년 이상). 단점은 전력 생산량이 지역별 일사량에 의존하고, 에너지 밀도가 낮아 큰 설치 면적이 필요하며, 설치 장소가 한정적이고, 시스템 비용이 고가이고, 초기 투자비와 발전 단가가 높다. 전기 공급이 어려운 도서 지방에서 많이 설치되어 전기를 공급한다. 내륙 지방에서도 깨끗한 에너지에 대한 관심이 늘어나면서 학교나 도시 가로등에도 설치되어 있다. 태양광을 많이 받을 수 있는 남향 사면이 좋고, 도시 지역에서는 아파트나 건물의 옥상이 적격이다. 그러나, 기후의 영향을 많이 받아 흐리거나 비가 오는 날은 발전에 제약이 따르며, 7월과 같이 장마가 계속될 경우 축전 시설이 없으면 이용에 어려움이 따른다. 



(1) 태양력 



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. 



[종류] 



a. 태양열 집열판(solar panel) 



태양열을 이용하는 방법으로 태양열 집열판을 지붕에 설치하여 가정에 온수를 공급하는데 것이 있다. 



투과판(transparent cover)을 통과한 태양열은 검은 흡수판(Absorbing panel)을 통해 흡수된다. 펌프가 연결되어 있는 파이프 안으로 액체가 흐르는데 이 액체가 집열판 안을 흐르면서 가열되는데 이렇게 가열된 액체는 보일러속을 지나면서 물을 덥히게 된다. 

이렇게 만들어진 온수를 건물 내에서 사용하게 된다. 이 태양열 집열판은 우리 주변 곳곳에서도 흔히 볼 수 있는 것으로 전 세계에 걸쳐 사용되고 있다. 특히 더운 지방이나 여름에 잘 운용되고 겨울에는 물을 데우는 것을 돕게 된다. 



b. 태양열 발전소 



태양열 발전소는 오목 거울을 이용하여 태양 광선을 보일러에 모은다. 수 많은 오목 거울이 설치되어 있어 여기서 모아진 태양 에너지는 보일러 속의 물을 가열시키게 된다. 물이 끓으면서 증기를 만들게 되는데 그 증기가 터빈을 돌려 전기를 만들게 된다. 미국인들은 사막에 이런 발전소를 세워왔다. 



c. 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 곳(두번째 그림)이 많이 있다. 



[장단점] 



장점 

* 태양 에너지의 양이 거대하여 고갈될 염려도 없고 또한 환경 오염 물질의 배출이 없다. 

* 미래의 에너지 산업에서 잠재력을 갖고 있다. 

* 발전용량에 신축성이 있고, 발전시설의 유동성이 있다. 

* 여러 분야에 적용 가능하다. 

* 에너지 안보와 전략기술, 장기간의 경제성장과 밀접한 관련이 있다. 

* 무공해, 무한정한 태양에너지를 이용함으로 연료비가 들지 않는다. 

* 20년 이상의 장수명, 자동화로 유지관리가 용이하다. 

단점 

* 태양 에너지 자원은 에너지 밀도가 아주 낮아 수집하여 이용하는데 아직까지는 많은 비용을 필요로 한다. 

* 자연조건 등에 따라 출력이 변동하는 결점이 있으나 다른 에너지원과 병행하여 사용함으로써 문제를 해결할 수 있다. 

* 태양에너지 자체는 무공해이나 태양전지를 만들 때 필요한 반도체의 경우 오염물질이 발생한다. 



[가능성] 



세계적인 현황 



전 세계적으로 태양 에너지 연구는 주택의 난방 및 급탕 시스템, 온수기, 농•수산물 건조기, 저가 집열기 및 소규모 태양광 발전 등이 주류를 이루고 있으며, 태양열 발전에 관한 연구는 발전에 필요한 고온 획득 방법과 고온 재료 개발 등이 문제가 되어 큰 진전을 보지 못하고 있다. 그러나 지난 '80대 중반 미국에서 10MW급의 태양열 발전 시스템의 실용화가 이루어진 이후 각 국에서 집중적인 개발 투자를 계속하고 있어 2000년대에는 가장 강력한 태양 에너지 이용 방법으로 광범위하게 보급될 전망이다. 



세계적으로 태양열 발전은 1973년경부터 연구개발에 착수하였고 82년 미국에서 1,000kW급이 실용화되었다. 현재 30만kW에 달하는 발전시설이 운전 중이며 수천 kW급 발전소가 연구개발 또는 건설 중에 있다. 한편, 태양광 발전은, 세계적으로 현재 3,000kW급까지 개발운전 중에 있으며 계속해서 실용화를 위한 효율향상과 대용량화를 위한 연구가 진행 중이다. 



미국에서의 태양에너지 이용정책은 급속도로 빨라지고 있다. 현재 미국 태양에너지 산업은 기술, 제조능력 시장규모 면에서 세계 선두 주자로 인식되고 있다. 미국의 PV산업이 연구와 개발계획에 협력하는 이유는 어느 한 분야도 전체의 인프라를 이끌 수 있는 규모가 안 된다는 점에 있다. 그들은 협력을 통해서 다른 국가의 추월을 견제하고 시장을 선점하기 위해 노력하고 있다. 이 모든 것이 민간기업과 미국정부의 주도로 이루어지고 있다. 



태양열 발전에 있어 가장 앞서 있는 미국은 '90년대 초부터 태양열 발전 기술 개발 계획 'Solar Thermal Electric Program'을 의욕적으로 추진하고 있으며, 여기에는 Sandia Lab., NREL 등 국립 연구 기관과 Southern California Edison, 3M 등의 기업이 참여하여 대규모 시스템 개발과 집중식 시스템에 쓰이는 반사경을 비롯한 접시형 집광 집열기 등에 관한 연구를 수행하고 있다. 이러한 개발 투자가 열매를 맺을 21세기에는 태양열 발전이 새로운 에너지원으로 각광을 받게될 것으로 보인다. 태양 추적 장치 가격이 40 $/㎡ 선에 이르면 태양열 발전 시스템의 경제성도 크게 향상되어 점차 보급이 활발해질 것으로 전망된다. 



우리나라 현황 



우리나라에서는 이러한 아직 이런 대규모 태양열 발전 시스템을 건설하는 것은 재원이라든가 소요 부지 등의 제약 요소가 많아 실현을 기대하기가 어려우나 태양열 발전은 21세기를 대비할 수 있고 실용화의 가능성이 큰 청정 에너지원이기 때문에 기초 연구 차원의 소규모 발전 시스템 개발은 국책 사업으로 추진할 필요성이 높다. 

태양광 발전은 93년부터 100kW급(충남 호도)이 운전 중이며 2000년대 초에는 1,000kW급 발전시스템이 개발될 것이다.