에너지 화학 | 대체 에너지의 개발 - 2부

 

 

 

원자핵 연료

원자핵의 연구는 20세기에 들어와서 활발하게 이루어졌다. 핵에너지를 처음 사용한 것은 세계 2차 대전 동안 맨하탄 계획에 의하여 원자탄을 개발한 것이다. 그 후 원자력의 평화적인 이용정책으로 미국 원자력 위원회의 연구 프로그램이 개발되었고, 이의 결과로 현재 세계 여러 나라에서 원자력 발전으로 전기를 얻고 있다. 현재 전기를 생산하는데 원자핵 에너지의 사용율은 미국보다 유럽이 훨씬 앞서 있다. 예를 들면, 프랑스가 핵반응으로 전기의 약 65%를 공급하는 반면에 미국은 20%에 불과하다.

 

원자력 발전의 연료는 우라늄이다. 우라늄 원료의 특성은 엄청나게 큰 농축된 에너지를 갖고 있는데, 예를 들면 같은 질량의 석탄에서 나오는 열보다 무려 20,000배 가량의 열을 원자로에서 얻을 수 있다. 앞으로 열 효율이 높은 증식로가 개발되면 석탄의 열에 비해 1,500,000만 배의 열을 낼 수 있는 원자로도 개발될 수 있다. 그러나 핵연료의 사용에 대한 역기능은 인류에게 막대한 피해를 줄 수 있는 방사능이다. 따라서 연료의 취급을 로봇의 손으로 하는 등 특별한 안전 대책이 강구되어야 한다. 또 원자력 증식로는 그 규모에 비해 엄청난 에너지를 발생함으로 그 효율도 우수하지만 사고에 의한 피해도 엄청나기 때문에 이의 안정성에 대한 절대적인 보장이 있어야 한다.

 

 

태양 에너지

태양은 지구가 가지는 에너지의 무한한 자원이다. 태양 에너지는 핵 융합반응으로 생산된다. 지구는 태양으로부터 2×10¹⁵kcal/분의 에너지를 받고 있다. 그러나 대기로 다시 복사되고 대기의 낮은 층에 있는 분자들에 의하여 흡수 및 산란되기 때문에 지구 표면에 실제적으로 닫는 복사 에너지의 양은 약 1cal/㎠/분이다. 물론 실제적인 값은 지역, 계절, 기후조건에 따라 다르다. 예를 들면 평균 크기 집의 지붕은 복사수준이 1cal/㎠/분일 때 하루에 약 10⁸cal의 에너지를 받는다. 이 양은 하루에 석탄 15kg을 태워서 얻는 열 에너지와 같다. 또 식물의 광합성에 사용되는 태양 복사에너지의 약 1%만이 식품같은 저장된 화학에너지가 된다.

 

 

식물의 광합성에 사용된 많은 양의 에너지는 셀루로즈나 탄수화물의 형태로 탄소를 고정하는 것이다. 최근에는 Anavaena cylindrica라고 부르는 청초록색의 해초류가 태양 빛과 물로부터 수소와 산소를 만들어 낸다고 조사되었다. 이러한 해초 집단은 수소와 산소를 이용하는 낮 시간동안 연료 전지와 연결시키면 전기의 자원이 될 수 있을 것이다.

 

태양 에너지가 효율적으로 이용되면 많은 에너지 문제를 해결할 수 있을 것이다. 예를 들면 현재 세계의 에너지 요구량은 약 10¹⁹kcal/year이다. 적도 부근의 70,000㎢의 사막은 태양 복사열이 10¹⁷kcal/year이다. 그러한 사막은 칠레 북부 등 많은 지역에도 있기 때문에, 이의 태양열 이용을 가능하게 하면 세계 에너지 요구량의 많은 부분을 해결할 수 있을 것이다.

 

 

 

전기의 생산

제 2차 에너지 자원인 전기는 석탄, 석유, 천연가스, 원자핵, 지열, 풍력 등과 같은 1차 에너지 자원으로부터 얻어진다. 미국의 경우 1984년 한해동안 소비된 총 에너지의 약 35%가 전기의 생산에 사용되었다. 전기의 생산에는 많은 에너지가 소모된다. 에너지의 변환 과정에서 에너지를 잃게 되는데 이것은 열역학 제 2법칙에서 알려진 바와 같이 자연적 과정에서 약간의 에너지는 엔트로피로 잃게 되기 때문이다.

 

에너지는 일을 할 수 있는 능력이다. 그리고 힘은 일의 능률 즉, 시간의 함수이다. 예를 들면 100V에서 조작되고 있는 100와트 전구에는 1암페어의 전류가 흐를 것이다. 그리고 한 시간에 전등은 100와트-시간(0.1kwh)의 에너지를 소모할 것이다.

 

화석 연료를 이용하여 현대적인 발전소에서 한 시간 동안 1000MW의 전기를 생산할 때 손실되는 에너지는 다음과 같다.

 

소모된 석탄 696톤-2.270×10⁹kcal 열생산

연기로 잃은 열 0.227×10⁹kcal 열

공장에서 잃은 열 0.106×10⁹kcal 열

증발기와 내각기에서 잃은 열 1.080×10⁹kcal 열

전력 공급선에서 잃은 열 0.857×10⁹kcal 열

변환손실전 전기로서 운반된 에너지 퍼센트 0.857/2.27×100%=37.8%

 

실제 생산라인과 변압기에서 잃은 더 많은 에너지 손실까지를 고려하면 실제 공장에서 생산된 에너지에 대한 이용 가능한 에너지는 37.8% 이하로 더 낮아진다. 다시 말하면 석탄이나 석유의 형태로 300kcal의 열에너지를 공급하면 전기의 형태로 단지 114kcal보다도 더 적은 에너지를 받게 된다. 따라서 연료로 만들어진 전기로 난방하는 것보다는 연료 자체로 난방하는 것이 훨씬 더 연료가 적게 든다는 것이다.

 

 

 

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