인류가 다른 동물과 달리 만물의 영장으로서 지속적으로 발전하는 문명과 역사를 갖게 된 것은 도구, 언어, 불을 이용할 줄 알았기 때문이다. 사람이 석기를 가공하고 불을 이용한 흔적은 40～50만 년 전에 원시인이 살던 동굴에서 발견되고 있다. 이들이 최초로 얻은 불은 번갯불이나 화산의 불 또는 바람이 나뭇가지를 마찰하여 일어나는 산불과 같이 자연현상에서 얻어진 불이었을 것이다.
원시인류는 이 불을 잘 이용하여 불빛은 어둠을 밝히고 다른 동물의 습격을 저지하였으며, 그 열은 인류를 추위에서 보호하고 음식물을 요리하여 식생활을 풍요롭게 만들었다. 농경생활의 초기에는 사람의 체력만이 일을 할 수 있는 에너지원이었으나, 소와 말과 같은 가축의 힘을 이용함으로써 농업생산력을 비약적으로 높일 수 있게 되었다. 가축의 이용은 농사에 그치지 않고 우마차를 이용한 물자의 운반과 역마차, 기마(騎馬)에 의한 교통과 통신 분야에 이르기까지 확대되었다. 한편, 가축의 힘과 함께 자연현상의 동력원인 바람과 물이 풍차, 수차 등의 기계장치의 동력으로 이용되었으며, 열원으로는 나무를 신탄(薪炭)의 형태로 이용하면서 화석연료를 에너지원으로 하는 시대를 맞이하게 되었다.
신탄의 수요가 증가하여 산림자원에 의한 공급량보다 많아지면서 석탄의 이용이 본격적으로 시작된 것은 16세기에 들어서였다. 18세기 초에 석탄을 이용한 제철기술이 개발되었고 철강재로 만들어진 기계류는 증기기관의 발명으로 석탄에너지 이용을 더욱 증가시켰다. 이와 같은 석탄의 이용은 신탄을 대체한 열에너지로서도 중요하지만, 석탄에너지가 증기기관을 통하여 기계에너지로 전환되었다는 점에서 에너지 이용사상 최대의 변화라고 할 수 있다.
증기기관이 발명된 초기에는 탄광용 양수기, 권양기 등의 동력으로 이용되었으나 계속해서 제분공장, 방적공장 등 노동집약적인 생산 공장에서 만능의 원동기로 개발되었다. 이와 같이 공장의 기계류와 그 기계를 움직이는 원동력인 증기기관, 그리고 증기기관을 움직이는 에너지원인 석탄자원이 갖추어짐으로써 근대공업이 급속히 발전하는 산업혁명이 일어나게 되었다. 또 공업화에 따른 대량생산체제로 발전함에 따라 석탄을 비롯한 물자의 운반을 원활히 하기 위하여 19세기 초에 철도가 개통되었으며 대서양에는 해운을 담당할 증기선이 개발되어 석탄의 힘으로 운행되었다. 결국 19세기는 석탄에너지와 증기기관이 산업혁명의 꽃을 피운 시대라고 할 수 있다.
20세기에 들어서면서 에너지원으로 석유가 등장하고 원동기로는 내연기관의 시대로 진입하게 된다. 석유가 발견된 초기에는 주로 등불로 이용되었다. 그러나 19세기 말에 자동차와 휘발유를 이용하는 내연기관이 발명되고 20세기 초 비행기와 디젤엔진이 발명됨으로써 다양한 에너지원으로 이용되어 20세기에 있어서 에너지 주역의 자리를 차지하게 되었다. 한편, 전자기학의 발달에 힘입어 열에너지를 동력에너지를 거쳐 전기에너지로 변환하는 발전기와 역으로 전기에너지를 동력에너지로 변환하는 모터를 발명하여 에너지는 사용하기에 간편한 것으로 바뀌었다.
전기는 우선 고체인 석탄이나 유체인 석유류와 달리 무형의 에너지이기 때문에 취급이 간편하고 스위치를 넣으면 즉시 작동하고 스위치를 끄면 즉시 정지하는 장점을 가졌다. 또한 전등과 같은 빛에너지, 전열기와 같은 열에너지, 그리고 모터와 같은 동력에너지로 간단히 변환 이용할 수 있는 장점도 지니고 있다. 그러나 전기 역시 저장하기 어렵다는 단점이 있다. 극히 효율은 나쁘지만 소량의 전기에너지는 축전지에 저장할 수 있으나 큰 용량의 전기 에너지를 저장하기는 어렵다. 전기의 또 하나의 단점은 전선을 이용한 배전계통에 따라서만 공급된다는 사실이다. 따라서 자동차, 항공기 그리고 선박 등에는 이용하기 곤란하다는 문제점을 갖고 있다.
2. 미래 에너지 문제의 해결방안
인류는 20세기 중반 이후 화석연료의 고갈에 따른 미래 에너지 문제에 대한 심각성을 깨닫기 시작하였다. 이 문제를 극복하기 위해서 핵에너지나 태양에너지, 수소에너지 등이 미래 에너지로 연구되고 있다. 미래 에너지 개발에 있어 주안점은 무엇일까?
첫 번째로 생각할 수 있는 점은 계속 공급이 가능해야 한다는 점이다. 이런 점에 있어서는 태양에너지가 가장 유리하겠지만 장소적, 용량적 한계 때문에 완전한 대안이 될 수는 없다. 아직 기술적인 면에서 초보적인 단계이긴 하지만 수소에너지나 중수소를 이용한 핵융합기술은 이러한 관점에서 미래 에너지원으로 많은 관심을 받고 있다. 태양에너지를 이용하여 바닷물을 전기분해 한다면 수소를 무한정 생산할 수 있고 이렇게 생산한 수소는 연료전지의 연료로 이용될 수 있기 때문이다.
두 번째는 에너지 효율의 문제이다. 같은 자원을 가지고 더 많은 에너지를 이용할 수 있다면 에너지 문제 해결에 큰 도움이 될 것이다. 지금까지의 에너지 이용방식은 고온에서 연료를 연소하는 방식으로 열에 의한 에너지 손실이 매우 큰 방식이다. 이를 극복하기 위한 방식으로 연료전지가 연구되고 있다. 연료를 연소하는 방식이 아니라 수소와 같은 연료를 계속 공급하는 화학전지 방식인 연료전지는 저온에서 반응하기 때문에 열손실을 줄일 수 있고 송전과정에서 손실되는 전기에너지도 줄일 수 있다.
세 번째로는 에너지 저장의 문제이다. 내연기관이나 증기기관은 연료에 담겨 있는 화학에너지를 열에너지로 전환시킨 후 기관의 운동에너지로 바로 사용하지 않으면 모두 열에너지로 사라지기 때문에 여분의 에너지를 이용할 수 있는 방법이 없다. 이를 극복하기 위한 방법으로 일부를 전기에너지로 전환시켜 저장하는 하이브리드 카나 다양한 형태의 에너지 저장기술에 대한 연구가 활발하다. 생물체의 에너지 효율이 40%가 되는 이유가 ATP라는 형태로 저장이 가능하기 때문인 것을 생각해 보면 이 부분에 대한 연구도 미래 에너지 문제해결을 위해 중요한 부분이라고 할 수 있다.
마지막으로 환경문제를 들 수 있다. 한 번 파괴된 생태계를 다시 회복시키기 위해서는 많은 시간과 에너지가 필요하다. 지구 온난화나 대기 오염과 같은 환경문제를 일으키지 않는 친환경 에너지에 대한 연구는 현재 에너지 연구방향에 있어 가장 핵심적인 부분이다. 연료전지, 태양에너지, 핵융합발전 등은 기존의 화석연료나 핵분열 방식의 원자로보다는 환경적인 부분에서 큰 장점을 가지고 있다. 당장의 가시적인 효과보다는 지구의 미래를 생각한다면 이러한 연구에 대한 노력은 계속되어야 할 것이다.
3. 관련 기출문제 분석 - 2007학년도 경희대학교 2차 수시(발제 편집)
<논제> 각 제시문은 에너지와 관련된 공통 주제를 내포하고 있다. 이 주제와 관련된 다른 예(우리 주변에서 흔히 볼 수 있으나 제시문에 들어 있지 않은 것)를 기술하고, 미래사회에서 이 주제와 관련하여 해결해야 할 문제에 대하여 자신의 견해를 논술하시오.
| (가) 폭포는 곧은 절벽을 무서운 기색도 없이 떨어진다. (나) 지구의 대기는 거대한 열기관 같은 작용을 한다. 태양 광선은 극지대보다도 적도 근처가 더 강렬하기 때문에 적도의 공기를 데워 상승시킨다. 상대적으로 훨씬 차가운 극지의 공기는 상승된 빈 공간을 채우려고 이동하게 된다. 이것이 원인이 되어 바람이 생긴다. 바람은 인류에게 있어서는 언제나 중요한 에너지원이었다. (다) 17세기 중엽에 헬몬트는 식물은 물을 재료로 하여 성장한다고 생각하였다. 그 후, 영국의 프리스틀리는 식물이 양초의 연소와 동물의 호흡에 필요한 기체를 발생하는 것을 확인하였으며, 1779년에 잉겐호우스는 식물이 산소를 만드는 기작(광합성)을 하기 위해서는 빛이 필요하다는 것을 증명하였다. (라) 반딧불이의 배에 달린 화학 전구는 ‘차가운’ 고효율의 빛을 낸다. 보통 전구는 에너지의 3～5%만을 빛으로 바꾸고 나머지는 열로 발산한다. 이에 비해 반딧불의 효율은 90%에 가깝다. 반딧불은 빛을 내는 특정 물질과 빛을 내게 하는 효소를 가지고 있는 특수 세포에 의해서 만들어진다. (마) 지각 바로 밑에는 마그마라고 불리는 용암과 가스의 층이 있다. 마그마는 대략 1800℃까지 끓어오르고 있다. 이 용융물은 방사성 물질의 강력한 붕괴에 의해 발생한 지표 밑의 열 때문에 생기는 것이다. 끓어오르는 마그마는 지각의 균열을 찾아 폭발하는 일도 있고, 식어가는 마그마에서 나온 뜨거운 가스가 지하수를 데워 그 지하수가 간헐천으로 분출하는 일도 있다. (바) 증기기관은 물을 가열하여 수증기로 변환시키고 이때 부피가 팽창하는 힘을 이용하여 피스톤이 왕복운동을 한다. 이 직선운동을 크랭크로 연결하여 바퀴가 회전하는 증기기관이 되는 것이다. 내연기관은 액체상태의 탄화수소를 이용한다. 휘발유를 실린더 내에서 산화시키면 분자들의 개수가 늘어나 부피가 증가하므로 증기기관과 같은 원리로 회전운동을 하게 된다. 증기기관이나 내연기관은 화석연료를 사용하므로 부존자원 한계의 문제를 가지고 있으며, 불완전 연소, 연소의 부산물들에 의한 환경오염의 문제가 큰 이슈로 대두되고 있다. (사) 향단아 그넷줄을 밀어라./ 머언 바다로/ 배를 내어밀듯이,/ 향단아. (아) 태양의 핵은 고온 고압의 기체 상태로 되어 있다. 이와 같은 상태에서 물질은 전자가 모두 떨어져 나가고 핵만으로 이루어져 있다. 이 핵들은 매우 빠른 속도로 날아다니며 서로 충돌해서 핵융합 반응을 일으킨다. 이때 생긴 질량 손실에 해당하는 양의 막대한 에너지가 감마선의 형태로 방출된다. 핵에서 방출된 감마선은 근처의 물질과 충돌하여 가열하는 동시에 자기의 에너지를 일부 상실함으로써 보다 에너지가 적은 전자파, 즉 파장이 더 긴 엑스선이나 자외선 등으로 변환된다. |
4. 실전 문제
※ 위 제시문에서 설명된 발전 방식의 차이점을 설명하고 향후 주 에너지원으로 사용될 수 있는 발전 방식은 무엇인지 자신의 의견을 기술하시오.
| (A) 태양광발전은 무한정, 무공해의 태양에너지를 이용하므로 연료비가 불필요하고, 대기 오염이나 폐기물 발생이 없다. 발전 부위가 반도체 소자이고 제어부가 전자 부품이므로 기계적인 진동과 소음이 없으며, 발전 시스템을 반자동화 또는 자동화시키기에 용이하며, 운전 및 유지 관리에 따른 비용을 최소화할 수 있는 장점을 지니고 있다. (B) 원자력발전방식은 다른 발전방식에 비해 초기 건설비용이 높은 편이나, 연료비가 월등히 싸기 때문에 발전소의 긴 수명기간을 통해 볼 때 발전비용이 가장 적게 든다. 특히 부존 에너지자원이 부족한 국가의 입장에서는 핵연료시장이 비교적 안정되어 있을 뿐 아니라 소량의 연료만으로도 장기간(약 3년 간)에 걸쳐 발전할 수 있고 수송 및 저장이 용이하여 에너지 비축효과가 크기 때문에 에너지 안보 측면에서도 매우 유리하다. 향후 고속증식로와 핵융합로가 실용화되면 우라늄자원의 고갈문제도 염려할 필요가 없을 것이다. 원자력발전은 배출가스가 없어서 온실효과나 산성비로 인한 생태계 위협 요인들을 제거할 수 있어서 지구환경보존 측면에서도 효과적이며, 기술의 특성상 최첨단 기술이 종합되어야 하는 기술 집약형 발전방식이므로 과학 및 관련 산업의 발달을 크게 촉진시킬 수 있는 장점이 있다. (C) 연료전지에 의한 발전은 기존의 발전방식과 비교할 때 발전효율이 높을 뿐 아니라, 발전에 따른 공해물질의 배출이 전혀 없어서 미래의 발전기술로 평가되고 있다. 다양한 연료(천연가스, 석유, 석탄)를 사용할 수 있고, 발전소건설에 필요한 부지 및 송전, 변전시설이 필요하지 않으므로 에너지 부존자원이 적고, 발전소 건설을 위한 입지확보가 어려운 우리나라의 실정에 매우 적합한 발전방식이라 할 수 있다. 연료전지는 연료(LNG, LPG, 메탄올 등) 및 공기의 화학에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 기존의 발전기술(연료의 연소→증기발생→터빈구동→발전기구동)과는 달리 연소 과정이나 구동장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경문제(대기오염, 진동, 소음 등)를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이라고 말을 할 수가 있다. |