대체 에너지 [3]

대체 에너지 (3)



(4) 지열 

 

지구 내부의 암석과 마그마에 저장된 지열은 순환 지열 유체에 의하여 집열되어 지표 가까이 이동한다. 이를 지열계(geothermal system)라 하며 다양한 형태의 에너지원으로 이용할 수 있다. 



[특징] 

지열은 지구 내부에서 표면을 거쳐 외부로 나오게 되는 열을 말한다. 지구는 중심부로 갈수록 온도가 높아져 지구 중심부의 온도는 4000℃에 달한다. 이러한 지열은 열전도에 의해서나 가스, 온수 및 화산분출 등에 의해 유출되는데, 그 양은 지역적으로 크게 다르지만 지구의 전표면에서 방출된다. 



엄밀히 말해 지열 에너지는 재생이 불가능한 에너지원이지만 지구 자체가 가지고 있는 에너지이므로 굴착하는 깊이에 따라 잠재력은 거의 무한이라고 할 수 있다. 



지열 에너지는 저온 열수를 직접 이용하는 온천 등의 관광 자원 또는 프랑스나 헝가리에서 전형적인 예를 찾을 수 있는 것처럼 난방 열원 등으로서는 많이 개발되었다고 할 수 있으나 에너지원으로서는 그다지 개발된 자원은 아니라고 할 수 있다. 현재 지열 에너지 이용에 가장 많이 채택되고 있는 것은 지열을 직접 이용하는 방식이나 앞으로는 지열 발전의 비중이 직접 이용 방식보다 커질 전망이다. 지열발전은 지하에 있는 고온 층으로부터 증기 또는 열수(熱水)의 형태로 열을 받아들여 발전하는 방식이다.



지구는 하나의 거대한 보일러이며 이것을 이용한 에너지 전환 장치는 여러 가지를 생각할 수 있지만, 현재 발전에 이용되는 것은 지열로 발생한 증기를 이용하는 것이다. 빗물이 단층 등을 통해서 지하 암석으로 흘러 들어 가 그 근처에 마그마가 모여 있으면 고온의 물이 되는데 이 때 우물을 파면 물의 압력이 낮아지면서 고온의 수증기가 되어 뿜어 나오게 된다. 이 증기로 터빈을 돌리는 것이 지열 발전이다.



지열발전은 운전기술이 비교적 간단하고 가동률이 높으며 잉여열을 지역에너지로 이용할 수 있다는 이점이 있다. 전 세계 지열에너지의 양은 그리 크다고 할 수 없지만 하와이와 일본에서 개발 가능한 지열지대가 60군데 이상 발견되었다. 그러나 환경과의 조화, 지진에너지와의 관련 때문에 이용 가능량은 전세계적으로 6,000kW정도로 여겨지고 있다. 



어떤 지역은 증기와 뜨거운 물이 충분하여 전기를 생성하는데 지열발전은 그것을 이용한다. 땅속에 구멍을 뚫고서 소다수 속에 빨대를 꽂는 것처럼 파이프를 뜨거운 물 속에 꽂으면 뜨거운 증기나 물은 이 파이프들을 통해서 땅 아래에서 위로 나온다.



발전소로부터 솟아나는 하얀 "연기"는 냉각 과정에서 생성된 증기이다. 냉각된 물은 땅으로 되돌려지고 지구에 의해서 다시 가열 되어진다. 이러한 과정으로 만들어진 전기는 발전소와 가정, 학교, 그리고 직장을 잇는 거대한 회송 전선으로 보내진다. 



[장단점]



장점

* 발전 비용이 비교적 저렴하고 운전 기술이 비교적 간단하다.

* 공해물질 배출이 없다.

* 가동률이 높으며 잉여열을 지역에너지로 이용할 수 있다.

단점

* 지열 발전이 가능한 지역이 한정되어 우리나라는 적격지가 드물다.

* 다시 보충할 수 없어 재생불가능한 에너지이다

* 땅의 침전이 있을 수 있으며 지중상황 파악이 곤란하다. 



[가능성]



세계 현황



지열 자원은 뜨거운 용융 마그마가 지표 가까이 나온 서미와 하와이 등지에서 쉽게 볼수 있다. 미국에 있는 고온의 물 저장소는 전 세계 전기 수요에 약 30-45%에 해당하는90,000-150,000MW의 전력을 공급 할 수 있다. 현재는 지열 전기 용량의 약 3,000MW만이 작동 중이고 대부분이 캘리포니아의 지저스 필드에서 나온다. 캘리포니아는 지열 자원으로부터 약 6%의 전기를 얻는다.



남부 캘리포니아의 San Bernardino 같은 지역에서는, 겨울 동안 건물의 난방용으로 땅밑에서 생성된 뜨거운 물을 이용한다. 뜨거운 물은 수십마일의 단열 파이프를 통해서 십여군데의 공공건물에 보내진다. 시청, 연금 생활자 센터, 그리고 그 밖의 건물들이 이런 방식으로 난방이 된다. 



지열 에너지 자원 개발 기술에는 지하에 존재하는 고온의 암반까지 굴착하고 물을 주입하여 수증기를 발생시켜 전기를 얻는 방식인 고온 암체 발전 기술의 가능성이 가장 높은 것으로 평가되고 있다. 미국은 '70년대초부터 고온 암체 발전 기술의 개발에 착수하여 상당한 기술을 축적한 것으로 알려져 있고, 전형적인 화산 국가인 일본도 NEDO를 중심으로 고온 암체 발전 기술을 개발하고 있다. 



고온 암체 발전과 비슷한 개념인 화산 발전 기술은 마그마의 열을 이용하는 것으로서 미국은 '70년대 중반부터 Sandia Lab.이 중심이 되어 기초 연구를 수행하고 있으며, 일본도 'Sun-Shine 계획'의 일부로 개발 연구를 추진하고 있다. 이 외에도 지열 에너지 이용 기술과 해양 온도차 발전 기술을 복합적으로 이용하는 GEOTEC(Geothermal & Ocean Thermal Energy Convesion) 기술도 개발이 시도되고 있다. 



지열 발전 기술로는 선진 각국이 저온 비등 매체를 이용하는 방식이나 터빈 사이클과 냉동 사이클을 결합시킨 복합 사이클 방식의 개발을 경쟁적으로 추진하여 많은 기술이 축적되어 있다. 세계에서 이용 가능한 대부분의 전기 저장소는 개척되고 있다. 따라서, 뜨거운 물 저장소와 인공저장소들은 미래 지열 계획에 중점이 될 것이다. 



우리나라 현황



국내에서는 아직까지 온천으로 이용하는 것 외에는 지열 에너지를 본격적으로 이용하려는 시도가 그다지 없었으며, 지열 자원도 저온 염수가 주류를 이루고 있는 것으로 알려지고 있어 앞으로도 이런 추세는 지속될 것으로 보인다. 그러나 우리 나라의 백두산과 한라산 지역은 분화 기록이 존재하는 휴화산으로 상당한 지열 에너지 자원 부존 가능성이 있기 때문에 최소한 자원 탐사 활동은 필요하다고 할 수 있다. '90년대초 한국자원연구소에서 마산•창원 지역에 대한 지열 자원 조사를 실시한 바 있다.









(4) 소수력, 조력



a. 소수력 

 

소수력 발전은 소규모 하천의 물을 인공적으로 유도하여 저낙차 터빈을 이용한 발전 방식으로, 시설 용량 3,000kW 이하의 수력 발전을 말한다. 



[특징] 



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 알려져 있다. 



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. 



[장단점]



장점

* 대수력 발전에 비해 친환경적이다.

* 연 유지비가 투자비의 3.63%로 아주 낮다.

* 비교적 설계 및 시공기간이 짧다.

* 주위의 인력이나 자재를 이용하기가 쉽다.

* 민간 주도의 반영구적 공익 사업으로서 지역 개발의 촉진과 이로 인한 경제적 파급 효과를 극대화시킬 수 있다.

단점

* 초기 투자비용이 많다.

* 자연낙차가 큰 소수력발전 입지는 매우 제한되어 있기 때문에 저낙차이면서도 고낙차 소수력 발전소에 비하여 경제성 면에서 뒤지지 않는 저낙차용 수차의 개발이 시급하다. 



[가능성]



세계 현황



미국은 '80년대 초에 이미 160 ㎾급의 해양 온도차 발전에 대한 실증 실험을 마친바 있으며, 하와이에는 50 ㎾급의 상용 발전소가 가동중이고(Mini OTEC) 10만 ㎾급의 대규모 발전소가 건설되고 있다. 하와이 주변해역에 해양온도차 발전소를 건설해 운영중인 미국은 2000년부터 해양온도차 발전을 통해 일부 연안지역에 전력을 공급할 계획이다.



일본은 일찍부터 Sun-Shine 계획의 일부로 해양 온도차 발전 기술의 개발을 추진하여 Tokushima에 50 ㎾급, Saga대학에 75 ㎾급, Toyama에 3.5 ㎾급, 국제 협력 사업으로 Nauru 섬에 100 ㎾급 시범 발전소를 건설하여 가동하고 있으며, 100 0㎾급에 대한 실증 실험을 수행하고 있으며 동남아국가에 관련기술을 수출까지 하고 있다



프랑스는 남태평양의 타히티 섬에 5000 ㎾급 해양 온도차 발전소 건설을 계획하고 있고, 북구의 핀란드도 스페인과 공동으로 저온도차 OTEC 시스템을 이용한 해수 담수화 장치 개발을 추진하고 있으며, 자마이카에 MW급 발전소 건설을 추진중이다. 네덜란드도 '80년대 후반부터 개발에 착수하여 인도네시아의 발리 섬에 250㎾급 발전소 건설을 추진중이며, 영국은 10㎿급 해상 발전소 건설 사업을 추진하고 있다. 



우리나라 현황



우리나라의 동해 남부 해역에는 표층수와 심층수 사이에 상당한 온도차가 존재한다고 알려져 있어 해양 온도차 발전 기술의 개발에 관한 전향적인 검토가 필요하다. 그러나 계절적인 편차가 심하여 개발 착수에는 신중한 접근이 요구된다. 국내에서는 아직껏 해양 온도차 발전 기술의 개발이 본격적으로 추진된 바는 없으나 외국의 예에서 보듯이 우리의 경제적, 사회적 활동 무대를 넓히기 위한 국제 협력 사업의 하나로 추진하는 것도 고려할 필요가 있다. 





(가) 조력 

 

  조석 간만의 차가 큰 곳에 댐을 설치하여 위에서 밑으로 떨어지는 물을 이용하는 상사식 발전과 댐 없이도 물이 흐르는 힘을 이용한 하사식이 있다. 하사식 발전은 입지 조건의 제약이 적다. 현재 조력 발전은 아산만이 최적의 장소이다. 

 

(나) 파력 

 

  파력은 파도에 맡겨 스스로 전기를 만들어 내는 것으로, 발전 원리는 단순하다. 즉, 폐쇄된 특수 공기실 안에서 끊임없이 출렁이는 파도가 만들어 내는 공기 흐름이 터빈의 회전 날개를 돌림으로써 파도와 공기의 에너지가 전기 에너지로 바뀌는 것이다. 

 

(다) 해양온도차 발전 

 

수심에 따른 바닷물의 온도차를 이용한 발전 방식이다. 열대해역에서 해면의 해수 온도는 20 ℃를 넘으나 해면으로부터 500～1000 m 정도 깊이의 심해에서는 4℃에서 거의 변하지 않는다. 이런 표층수와 심층수의 온도차로부터 프레온과 같은 저온 비등 매체(냉매)를 이용하여 발전하는 기술을 해양 온도차 발전, 줄여서 보통 OTEC이라 부른다.



 

(6) 폐기물에너지 

 

사업장 또는 가정에서 발생되는 가연성 폐기물 중 에너지 함량이 높은 폐기물을 열분해에 의한 오일화 기술, 성형 고체 연료의 제조 기술, 가스화에 의한 가연성 가스 제조 기술 및 소각에 의한 열회수 기술 등의 가공․처리 방법을 통해 고체 연료, 액체 연료, 가스 연료, 폐열 등을 생산하고, 이를 산업 생산 활동에 필요한 에너지로 이용될 수 있도록 한 재생 에너지이다. 

 



(7) 연료 전지 

 

연료 전지는 연료(천연 가스, 메탄올 등)와 공기의 화학 에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이며, 기존 발전 기술과는 달리 연소 과정이나 구동 장치가 없으므로 효율이 높고 환경 문제(대기 오염, 소음, 진동 등)를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이다. 건전지나 연축 전지와 같이 내부에 에너지를 보유하는 것이 아니라 외부에서 연료(수소)와 산화제(산소)를 공급하여 연속적으로 발전한다. 



 

(8) 석탄액화․가스화 

 

지구에 묻혀 있는 석탄 매장량은 13조 톤이나 되어 230년 간은 넉넉히 사용할 수 있다. 그러나 편리한 석유를 사용하는 데 익숙해진 시대에 석탄 이용을 부추기기 위해서는 사용하는 방법이 쉬워져야 한다. 그래서 등장한 것이 석탄을 액체모양으로 만들어 석유처럼 다룰 수 있거나 석탄을 가스화하여 천연가스처럼 편리하게 사용할 수 있는 기술이다. 



 

(9) 수소 

 

수소는 무한정인 물 또는 유기 물질을 원료로 하여 제조할 수 있으며, 사용 후에 다시 물로 재순환된다. 자원 고갈의 우려가 없으므로 화석 연료 자원이 빈약한 국가에 적합한 에너지원이다. 수소는 물의 전기 분해로 가장 쉽게 제조할 수 있으나 입력 에너지(전기 에너지)에 비해 수소 에너지가 경제성이 너무 낮아 대체 전원 또는 촉매를 이용한 제조 기술 연구를 추진하고 있다. 현재 수소는 기체로 저장하고 있으나 단위 부피당 수소 저장 밀도가 너무 낮아 경제성과 안정성이 부족하여 액체 및 고체 저장법의 연구를 추진하고 있다.

 

(10) 핵융합 에너지 

 

핵융합 에너지는 중수소(H₂․D), 삼중수소(H₃․T) 등 수소의 동위 원소들처럼 가벼운 원소의 핵이 1억도 이상의 초고온 상태에서 서로 결합해 헬륨(He)과 같은 무거운 원소의 핵을 형성할 때 질량 결손에 의해 생기는 열이다. 핵융합 반응을 연쇄적으로 일으켜 폭발에 이르게 하면 수소 폭탄이고, 이를 제어해 에너지화하는 것이 핵융합 발전이다. 중수소와 삼중수소는 핵융합이 실현될 때 1g이 석유 6천ℓ 또는 우라늄 235 300g과 맞먹는 열량을 내는데, 중수소는 바닷물 1천ℓ에 30g이 들어 있을 정도로 풍부하다. 한국 전력 연구원과 해양 연구원은 최근 4년 간 공동 연구 끝에 파력 발전 장치 개발을 끝내고 시험 운전에 들어갔다. 





4. 대체에너지와 나아갈길...

천연에너지를 대신할 대체 에너지의 개발은 우리가 사는 지구를 위한 인류가 해결해야 할 숙제라 생각이 된다. 그러나 그 숙제에 앞서 우리가 간과하는 에너지 보존의 역할 또한 시급한 숙제라 생각이 된다. 얼마나 발전하느냐에 초점에 맞춰진 현재보다 미래의 자원으로부터 우리를 지켜내는 길을 찾는 게 중요하다.





5. 결론

국가 경제와 세계 경제의 발전은 인류와 문명을 위한 에너지의 발전이었다. 그러나 발전과 개발만이 인류와 문명을 위한 노력은 아니라고 생각 든다. 천연자원의 보존과 함께 에너지 보존사업이 더욱 뜻 된 사업이 되지 않을까 싶다. 대체에너지의 발전을 위한 노력이 절실하며 한걸음 더 나아가 인류와 문명을 지키는 에너지 사업이 주요하다. 과거 그랬듯 에너지와 인류가 함께 공존하는 세상이 되어야 하겠다.