에너지 화학 | 에너지 자원

 

 

 

화석 연료

화석 연료는 석탄, 석유 및 천연가스의 형태를 말하고 지상 또는 지하에서 발견된다. 화석 연료는 지구표면에 무성히 자랐던 식물, 동물들이 지각변동으로 지하에 묻혀 지열과 압력으로 탄화되거나 석유 및 가스화되어 저장된 형태이다. 식물의 성장과정은 탄소 동화작용을 통해서 이루어지는데 탄소동화작용에 필요한 태양 에너지는 지표면에 도달하는 총 태양 에너지의 약 0.02%에 해당하는 광에너지가 식물을 성장시켜 준다. 따라서 화석 연료에 저장되어 있는 에너지는 태양으로부터 온 것이며 화석 연료가 탈 때 화학 에너지가 방출된다. 각 형태의 화석연료에 대한 방출 에너지의 양이 [표 1]에 실려 있다.

 

표 1. 화석연료의 산화에서 방출되는 에너지 양

연 료	반 응 식	방출되는 에너지
석 탄	C + O2 → CO2	94kcal/mole ; 7.8kcal/g
천연가스	CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O	211kcal/mole ; 13.2kcal/g
석 유	2C8H18 + 25O2 → 16CO2 + 18H2O	1303kcal/mole ; 11.4kcal/g

 

 

석유

석유는 1859년 미국의 펜실베니아와 1908년 중동의 이란에서 처음 발견되었다. 그 후 석유는 등불을 켜기 위한 연료에서부터, 비행기 연료, 전기 생산 등의 에너지원으로 광범위하게 사용되었다. 그리고 지금은 연료로서 뿐만 아니라 화공약품, 비료, 염료, 합성수지, 의약품, 합성섬유 등 그 유용도를 이루 다 헤아릴 수 없을 정도로 아주 중요한 물질이 되었다.

 

석유는 고체 연료인 석탄보다 공해가 적고 사용이 편리하기 때문에 대부분의 기계가 석유 사용을 중심으로 개발되었다. 세계의 석유 소비량은 1970년대부터 급격히 상승하기 시작하였다. 따라서 석유 소비는 산출량을 능가하였고 또 OPEC들의 가격 동맹으로 1973년과 1979년에는 국제적인 유가인상으로 큰 석유 파동을 맞이하게 되었다. 이러한 석유 파동은 개발 국가 및 개발 도상국에 큰 타격을 주었다.

 

석유는 연료로 소비하기에는 아까울 정도로 그 유용성이 높지만 현대 문명에서 대부분의 기계가 석유를 연료로 하여 움직이게 되어 있고, 또 후진 개발 도상국가들의 석유소비도 폭발적으로 늘어날 전망이다. 현재의 추세로 전망하면 세계 석유의 대부분은 백년 안에 거의 소모될 것이다. 석유는 앞으로 놀라운 변화가 일어나지 않는 한 아주 진기한 상품으로 될 것이다.

 

표 2. 석유의 탄화수소 성분

탄 화 수 소	끓는점의 범위	이 름
C1～C4	-162～1	천연가스
C6～C11	30～200	휘발유
C10～C16	180～400	등유, 연료
C12～C22	350 이상	윤활유
C20～	녹는점이 낮은 고체	파라핀 왁스
C35～	부드러운 고체	아스팔트

 

 

현재 원유의 대부분은 가솔린으로 사용되고 아주 적은 부분만이 화학제품의 생산에 이용된다. 아마도 선진국들은 오래전부터 석유의 중요성을 깨닫고 미래를 위한 이의 비축에 신경을 써 왔을 것으로 생각된다.

 

 

석탄

석탄은 이미 말한 것과 같이 태고의 식물자원이 지하에 묻혀 오랜 세월이 흐르는 사이에 박테리아, 지열 및 지압으로 인하여 형성된 고체의 화석 연료이다. 주요 생산국은 19세기 산업혁명의 주체인 선진 공업국들로 미국, 러시아, 독일, 영국, 중국 등이고, 석유와는 달리 비교적 그 보존량이 풍부하여 장기적인 안정 공급이 가능하다. 그러나 석탄은 석유에 비해 중량당 발열량이 낮고 공해성 불순물이 많다. 또 고체이기 때문에 취급이 힘들고 이용이 불편하여 저급 연료로 취급된다.

 

석탄은 혼합물이므로 일정한 분자 구조를 갖고 있지 않다. 석탄의 구조는 그동안 계속 연구되어 그 구조 형태의 많은 부분이 밝혀졌다. 석탄의 분자량은 300에서 1000 사이이며 탄소원자로 구성된 많은 고리를 갖고 있고, 그 중 어떤 고리들은 다른 고리들과 서로 연결되어 있으나 또 다른 고리들은 긴 탄소 사슬에 연결되어 있다. 대표적인 석탄 구조를 [그림 1]에 나타내었는데 알파 벤조피렌 등의 발암 물질 등을 포함하고 있다. 석탄과 반대로 석유의 구조는 탄소원자의 고리가 보다 작고 사슬 결합이 적다.

 

석탄 수요의 대부분은 전기를 생산하는데 쓰인다. 발전용 연료로서는 석탄이 가장 경제적이기 때문에 1960년대 이후로 발전용 연료는 거의 석탄으로 대체되었다. 예를 들면 1984년 미국에서 생산된 8.90×1011톤의 석탄 중 74.6%가 전기 생산에 쓰였으며, 그 외 다른 사용은 코크스 생산과 가정연료 등이다.

 

그림 석탄의 부분적인 분자구조( ~표시는 약한 결합으로 가열하는 동안 쉽게 깨어지는 것을 나타냄)

 

석탄은 유황, 질소 산화물 등의 공해 물질을 포함하고 있어 석탄의 연소에 따르는 대기 오염을 방지하기 위해 탈황, 탈 질소산화물, 분진제거 등의 매연처리가 필수적이다. 석탄재의 처리에 있어서도 종래의 단순 매립보다는 재의 운반처리 및 재 매립 시설에 관련된 신기술이 필요하다. 또 재를 폐자원으로 이용하여 건축 재료나 비료 및 공업 연료로 재 사용할 수 있는 기술을 연구 개발해야 한다.

 

 

천연가스

천연가스는 태울 때 높은 열을 내며 찌꺼기가 남지 않고 수송이 용이한 이상적인 연료이다. 천연가스의 80% 정도는 천연가스만을 내는 천연가스유전에서 생산되고 20%가 유전에서 생성된다. 대부분의 천연가스는 연료로 사용되고 적은 양이지만 화학 원료로도 사용된다. 천연가스 소비는 공장연료로 가장 많이 사용되며 가정연료 및 전기 생산 등에 쓰이고 있다. 천연가스 사용의 문제점은 제한된 공급에 있다.

 

천연가스는 미국, 러시아, 네덜란드, 캐나다, 영국, 루마니아 등이 많이 생산되고 소비국도 서구 선진국이 대부분이다. 그러나 지금은 개발 도상국에서도 그 소비량이 점차 늘어가고 있는 추세이다. 러시아는 막대하게 생산되는 천연가스를 국내 및 해외로 수출하기 위해 대규모의 가스 파이프 라인을 설치했거나 설치 추진 중에 있다. 우리나라에서도 역사상 처음으로 2002년부터 천연가스를 생산할 계획을 하였다.

 

 

 

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