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환경교실 – 자연에너지


자연에너

동력(動力, power)은 기계가 일을 할 때 직접 이용된 에너지 혹은 그 작용
을 말합니다. 이런 동력은
바람이나 물, 태양열 등을 이용한 자연 에너지가 첫 시작이었습니다. 인간
이 가장 먼저 사용했던 동력은 풍력과
수력, 조력 등을 이용한 에너지였으며, 이외에도 인력ㆍ축력(畜力) 등이 있
었습니다.

이런 동력은 자연에 있는 것을 그대로 이용하기 때문에 자연 에너지라고
말하는데, 풍력ㆍ수력ㆍ조력ㆍ태양열은
사용하고 나서도 다시 쓸 수 있는 ‘순환 에너지’라고 하며, 석탄ㆍ석유ㆍ천
연가스ㆍ원자핵 등은 한번 사용하면
다시 쓸 수 없기 때문에 고갈 에너지라고 합니다.

이러한 자연 에너지는 18세기 이후, 각종 원동기가 발명됨에 따라 동력의
이용이 크게 확대될 수 있었으며,
증기기관의 발명과 함께 선박, 철도 등 수송기관의 발달이 이루어졌습니
다.

땔감
가장 쉽게 구하고 사용하였던 에너지원은 나무를 위주로 한 땔감이
었습니다. 옛날 우리 조상도
산에 나무를 하러 가서 지게에다 가득 짊어지고 오기도 했지요.

한번에 얼마간 사용할 수 있을 만큼 구해온 나무는 아궁이에 불을 지피는
데 주로 사용되었고, 나무는 집을
따뜻하게 하고, 밥을 지어먹을 수 있게 해주는 중요한 동력원이었습니다.

부엌은 집안의 안 사람인 여자가 관리를 하는 것이었는데, 이렇게 어렵게
나무를 해 와서 불을 지펴놓았는데
불씨를 꺼트린다는 것은 굉장히 큰 사건이 되기도 했습니다. 그래서 대를
이어 불씨를 꺼트리지 않는 것이
여성들에게는 중요한 임무 중의 하나였지요.

석탄
주로 자연력와 가축에 의존했던 에너지원이 18세기 산업혁명을 겪으
면서 증기기관이 발명된 후부터는
석탄으로 전환되었습니다. 석탄(石炭, coal)은 여러 가지 식물자원이 땅속
에 묻힌 상태에서 오랜 세월이
흐르면서 생성되는 것을 말합니다.
식물이 겹쳐 퇴적물 아래에 매장되면, 상층부에서 가해지는 무게에 의하여
산소ㆍ탄소ㆍ수소가 치밀하게 모여
석탄이 만들어지게 됩니다. 이때, 물이나 다른 휘발물질은 밖으로 나오는
데, 식물에서 변질되어 흩어진 섬유소(纖維素;
cellulose)가 이탄에서 갈탄, 역청탄, 무연탄으로 변화해서 양질의 석탄으
로 변모해 갑니다. 이것이
석탄으로의 진화 즉 석탄화 작용 중에서 물리적 특성이 변화해 가는 과정입
니다.

석탄의 종류에는 여러 가지가 있습니다. 국내에서 소비되는 석탄으로는 무
연탄과 유연탄이 있는데, 무연탄은
90% 이상이 연탄으로 가공되어 가정·산업 부문에서 연료로 이용되고 있습
니다. 유연탄의 경우 무연탄에 비하여
발열량 등이 높긴 하나 국내에서 생산되고 있지 않은 상태이며, 전량을 외
국의 수입에 의존하고 있는 실정으로
화력발전 및 산업용 연료로 사용되고 있습니다.

20세기에 접어들면서 더욱 진보된 지질학, 화공학 등의 과학기술의 발전으
로 저렴한 가격, 다양한 용도,
고열량 등의 경제적 특성을 지닌 석유와 천연가스가 주 에너지원으로서의
위치를 차지하게 됩니다.

연탄
연탄(煉炭, birquet)은 주원료인 무연탄에 코크스ㆍ목탄 등의 탄화물을 분
쇄하여 배합하거나 당밀ㆍ피치ㆍ석회
등의 점결제(粘結劑)를 혼합해서 성형ㆍ건조시킨 원통형 고체연료를 말합니
다.

우리 나라에서 무연탄 개발은 조선조 말 1890년대에 들어와서야 이루어지
게 되었고, 석탄이 연료로 본격적으로
사용되기 시작한 것은 가정용 연료인 ‘연탄’을 제작하여 사용하기 시작한
1950년대 초부터이며, 이후 1980년대
중반까지 대표적인 대중연료로 각광을 받았습니다.

1973년과 1978년 두 차례에 걸친 석유 파동의 위기를 극복하는데 석탄의
역할은 재론의 여지가 없으며,
자국에너지 사용을 통한 외화 절감 등으로 우리 나라 경제 발전에 많은 기
여를 하였습니다. 아울러 나무땔감에서
연탄으로 주 연료가 전환됨에 따라서 환경보호에도 한 몫을 담당하였습니
다.

석탄은 1980년대까지 주된 난방 연료로 사용되면서 소비량이 증가하다가
1982년 상반기부터 시작된 석유가격의
하락을 계기로 가정 연료의 유류 대체화가 급속히 진행되었고, 1980년대 중
반에 들어서는 경제 발전에 따른
국민 생활 수준 향상으로 석유, 가스 등의 대체 에너지에 밀려 1986년을 고
비로 계속 감소하고 있는 실정입니다.

석유
사진- 석유 시추선) 석유(石油, petroleum)란 천연에서 산출되는
탄화수소 물질을
말하는 것으로 현대의 주 에너지원입니다.

원유(原油)는 지하의 유전(油田)에 고인 천연의 광유(鑛油)로 이를 정제
(精製)하여 여러 가지 석유제품을
얻게 되는데, 석유(石油)란 원유와 석유제품을 함께 일컫는 명칭입니다.

이 원유는 해저에 가라앉은 유기물의 부패로 100만 년 이상의 세월이 걸려
서 만들어진 이후에 형성된 암반에
퇴적물로 매장되었던 것입니다.
석유는 초기에 조명용과 윤활용으로 사용되었으며, 그후 석유가 증산됨에
따라 액체상태라는 점, 석탄보다 취급이
쉽고 열효율이 높은 점 등으로 사용이 늘어나게 되었습니다

근대에 이르러서 석유는 고래기름을 대신하여 조명용 등불의 연료로 가장
먼저 사용되었습니다. 자동차의 개발과
함께 석유는 가솔린의 주원료로서 새로운 역할을 하게 되었으며 이 역할은
급속히 커져갔으며, 등유ㆍ가스유ㆍ윤활유ㆍ잔류
연료유의 원료가 되고 있습니다. 석유를 정제하여 가공하면 용매ㆍ페인트ㆍ
아스팔트ㆍ플라스틱ㆍ합성고무ㆍ섬유ㆍ비누ㆍ세제ㆍ왁스ㆍ젤리ㆍ의약품ㆍ화약ㆍ비료
등의 수많은 제품을 얻을 수 있습니다.

현재까지 지구상에서는 37개의 초거대 유전만이 발견되었는데, 지금까지
발견된 모든 석유의 51%가 이들
유전에 들어 있습니다. 이들 초거대 유전 중 26개가 페르시아 만 지역에 있
는 아랍~이란 퇴적 분지에 분포되어
있습니다.

전기
역학 에너지, 열 에너지, 화학 에너지와 같은 다른 형태의 에너지
를 변환시켜 발생한 전기
에너지를 전력(電力, electric power)이라고 합니다. 전력은 조명, 컴퓨터
작동, 원동력, 오락용과
같은 많은 용도로 쓰이며, 산업 가열 장치, 조리, 난방, 철로 견인(牽引)
과 같은 다른 많은 용도에서도
다른 에너지와 함께 사용됩니다.
대규모적인 전력의 생산과 공급은 1831년 마이클 패러데이와 조지프 헨리
가 서로 독립적으로 만든 유도 원리를
기초로 해서 작동하는 장치인 발전기가 개발됨에 따라 비로소 가능하게 되
었습니다. 발전기를 사용하는 최초의
공공발전소는 1882년 1월 런던에서 가동되었으며, 같은 해 뉴욕에서 뒤이
어 가동되었습니다.

발전기를 구동하는 데는 ‘수력’과 ‘화력’의 두 가지 주요한 동력원이 있습
니다. 수력발전(水力發電, hydroelectric
power generation)은 낙하하는 물로 발전기를 돌려 에너지를 얻는 것으로
기원전 수세기 전부터
사람들은 과학적으로 물의 힘을 이용하여 곡물의 탈곡ㆍ제분 또는 양수용
동력으로 사용해왔지만, 수력을 이용한
발전은 전구(電球)ㆍ발전기 등이 발명된 19세기 후반 이후부터 가능해졌습
니다. 최초의 수력발전소는 1878년
프랑스 파리 근교에 세워졌습니다.

초기에는 오늘날에도 볼 수 있는 물레방아와 비슷한 모양의 수차(水車,
Water millㆍwater wheel)가
원동기로 사용되었고, 수력발전에 이용되기 시작할 무렵에는 좀더 개량된
수력 터빈(turbine)이 고안되었습니다.

다른 대부분의 전기 에너지는 핵 반응로나 화석연료(化石燃料)인 석탄, 석
유, 천연 가스 등의 연소를 통해
생산한 증기로 발전기를 돌려 얻었습니다. 1930년대까지는 수력 터빈 발전
장치를 갖춘 수력 발전소가 전기
에너지의 대부분을 생산했는데, 이것은 증기 터빈 장치를 사용하는 화력발
전소보다 운용하는데 있어 비용이 적게
들기 때문이었습니다.

그러나, 그 이후 많은 기술적인 진보로 화력발전에 드는 비용이 줄어들어
수력발전 생산보다 더 경제적이
되었습니다. 게다가 산업화된 많은 나라에서는 수력발전소를 짓기에 좋은
장소가 점점 줄어들고 있습니다. 결과적으로
그런 나라에서는 전체 전력생산에 대한 화력발전의 비율이 해마다 증가하
고 있습니다.

① 전기를 얻는 여러 가지 방법

▷ 전기 에너지의 이용
* 백열 전등, 형광등 : 빛에너지
* 전기 난로 : 열에너지
* 세탁기, 진공 청소기, 선풍기 : 운동에너지
* 엘리베이터 : 위치에너지
* 물의 전기 분해, 전지 충전 : 화학에너지

☆ 전기에너지는 거의 모든 에너지로 바뀔 수 있고 다루기가 편리하므로
편리하게 이용

고찰 1)
햇빛 → 열에너지 → 온도 상승 → 구름 형성 → 비·눈
수력 발전소 – 물을 댐에 저장하여 물이 가지는 위치 에너지로부터 전기에
너지 발생
식물 : 물과 이산화탄소를 재료로 빛에너지를 화학에너지로 전환시켜 저장

석유, 석탄, 천연 가스 등은 식물이 땅속에 묻혀 만들어진 것임
태양의 빛에너지 → 화학에너지 → 열에너지 : 전기에너지

고찰 2)
원자력 발전은 원자핵이 분열할 때 발생하는 열에너지를 이용하여 발전기
를 돌려서 전기 에너지를 얻는 것이다.

고찰 3)
① 수력 발전 : 물의 위치 E → 물의 운동 E → 터빈의 운동 E →발전기의
운동 E → 전기 E
장점 : 공해가 없다. 에너지 전환효율이 높다.
단점 : 비싼 발전 설비 비용. 까다로운 지리적 조건
② 화력 발전 : 화석 연료의 열 E → 증기의 운동 E → 터빈의 운동 E →
발전기의 운동 E → 전기
E
장점 : 용이한 발전 설비
단점 : 공해의 원인, 한정된 지하 자원
③ 원자력 발전 : 원자핵 E → 열 E → 증기의 운동 E → 터빈의 운동 E
→ 발전기의 운동 E →
전기 E
장점 : 적은 공해, 적은 발전 비용
단점 : 한정된 자원, 방사능 누출 사고의 위험

고찰 4) 남북한의 통일시 수력 발전 시설
의 확충
가능 방사능 유출의 위험을 방지할 수 있는 충분한 연구와 방사성 폐기물
처리에 관한 기술을 향상시켜 원자력
발전을 효과적으로 활용하는 방안 모색
▷ 주요 발전 방식
수력 발전
화력 발전
원자력 발전

▷ 그 밖의 발전 방식
태양열 발전 ‥ 화석 연료 대신 태양열로 물을 끓이는 원리
태양광 발전 ‥ 태양 빛을 직접 전기로 전환
풍력 발전, 조력 발전, 파력 발전, 지열 발전 등

천연가스
천연 가스(natural gas)는 고대부터 사용되어 왔지만 원유가 부족해
짐에 따라 주요공업국가가
석유로부터 가스를 생산하는 방법을 찾던 때인 1960년대 말과 1970년대 초
에야 비로소 중요한 에너지원으로
주목받기 시작했습니다.

천연가스의 생성과정은 석탄과 유사하며, 석유가 생산될 때 함께 섞여서
생산되기도 하나 대부분 별도로 생산됩니다.
천연가스의 주요성분은 80∼85%가 메탄(CH4)가스로 되어 있는 반면에 공해
물질의 함량이 적다는 이점
때문에 에너지원으로서 이용가치를 높이 평가받고 있습니다.

그러나 천연가스는 기체상태이기 때문에 많은 양을 한곳에 저장하는 데에
는 많은 어려움이 있을 뿐만 아니라
파이프라인을 통한 수송 이외에는 대량으로 운반하는 데에 큰 문제가 따르
고 있으나, 천연가스 액화기술이 개발되어
대량저장과 원거리 대량수송이 가능하게 되었습니다.

액화 천연가스는 공해요인이 거의 없는 청정에너지로 최근 들어 크게 각광
받는 에너지원의 하나로 우리 나라에는
1986년 처음 도입되어 사용량이 점차 증가하고 있습니다. 특히, 폭발범위
가 적어 위험성 측면에서 어느
정도 보장이 가능하며, 높은 발열량에 따라 그 이용분야가 다양합니다.

액화 천연가스(LNG; Liquified Natural Gas)는 천연가스가 생성될 때 포함
된 수분과
질소 같은 불순물을 제거한 후 -162℃의 아주 낮은 온도에서 액화시킨 상태
로서 필요한 곳으로 수송한 후
다시 기화시켜 사용합니다.

액화 천연가스의 이용분야는 도시가스로서 가정용 연료로 사용되거나, 발
전용 또는 산업용 가스보일러의 연료로
사용되는 것 이외에 새로운 이용기술로서 LNG 냉열(冷熱)을 이용하는 방법
이 있습니다.
LNG 냉열을 이용하여 발전을 하거나 공기를 액화시켜 액체산소, 액체질소
및 액체 드라이아이스 등을 만들기도
합니다. 냉열은 또 식품의 냉동 및 냉장에 이용될 수 있으며 고무, 플라스
틱 및 금속을 저온 분쇄하여 가공
처리하는 데에 이용되기도 합니다.

자료제공 : 환경교육센터

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