지금까지 대부분의 나라의 전력은 '화력 발전', '수력 발전', '원자력 발전'에 의해 이루어졌다. 하지만 지금까지 전력을 생산해 온 이 세 가지 방법에는 여러 문제가 있다. '화력발전'은 이산화탄소를 방출하며, '수력발전'은 댐 건설이 환경을 파괴하는 동시에 댐 건설 자체에 한계가 있으며, '원자력 발전'은 안정성 문제가 우려된다. 또 화력 발전과 원자력 발전은 모두 장래에 연료가 고갈된다는 문제도 있다. 이러한 문제점들 때문에 새로운 발전 방법이 요구되고 있다. 이러한 문제를 해결하는 가장 확실한 방법은 '재생 에너지' 시대로의 전환에 성공하는 것이다. '재생 에너지(화석연료와 원자력을 대체할 수 있는 무공해 에너지)'를 비롯해, 기타 전력 공급원으로 기대되는 여러 발전 방법들에 대해 소개한다.
현재 태양전지에서 생산되는 전기에너지는 석탄에서 생산되는 전기에너지보다 비싸다. 하지만 '재생 에너지(renewable energy)'는 관련기술의 발달로 단가가 꾸준히 내려가고 있고, 화석연료의 단가는 지금도 서서히 올라가고 있다. 그러면 석유석탄 따위를 쓰는 '화력발전'과 태양바람 등을 이용하는 '신재생 에너지'의 발전 원가가 같아지는 시점이 오는데, 이 시점을 '그리드 패리티'라고 한다.즉, '그리드 패리티(Grid Parity)'란 기술 개발 진척이 더뎌 비용 부담이 컸던 재생 에너지 발전이 경제성을 갖추는 시점을 말한다.
0. 목차
- 천연가스(Natural Gas)
- 바이오 연료(Biomass Energy)
- 태양광 발전
- 태양열 발전
- 풍력 발전
- 지열 발전
- 연료 전지(Fuel Cell)
- 해양 에너지 발전
1. 천연가스(Natural Gas)
현재 전력 공급에서 주력인 화력 발전에서는 그 연료로 '석탄', '석유', '천연가스' 등이 사용된다. 이들 가운데 이산화탄소 배출량이 가장 적은 연료가 '천연가스'이다. 천연가스를 사용하는 화력 발전 가운데서도, 가장 에너지 효율이 높은 것이 '가스 터빈 사이클'과 '증기 터빈 사이클'을 결합한 '가스 터빈 결합 사이클(GTCC: gas turbine combined ycle)'이라는 발전 방식이다. '가스 터빈 결합 사이클'은 천연가스를 태워 발생하는 고온의 가스로 가스 터빈을 돌리고, 터빈을 돌린 뒤 남은 가스의 열로 물을 증기로 만들어 다시 다른 증기 터빈을 돌리는 '2단 구조'의 발전을 하기 때문에 효율이 좋다.
또 천연가스는 석유에 비해 자원이 풍부한 측면도 있다. 물론 천연가스도 화석 연료이므로, 장래에 고갈되는 운명을 피할 수는 없지만, 최근 천연가스의 채굴 가능량이 크게 늘어났다. 특히 이전에는 채굴이 불가능했던 천연가스인 '셰일 가스(Shale Gas)'를 채굴할 수 있게 되었다.
'천연가스'는 '재래형'과 '비재래형'이 있다. 현재 수준으로 천연가스를 계속 사용할 경우, '재래형'은 약 60년분을 채굴할 수 있을 것으로 보이며, 셰일 가스 같은 '비재래형' 천연가스는 40년분은 채굴할 수 있을 것으로 보인다. 하지만 이는 확인된 것만 계산한 것이고, 러시아나 서아시아 등 셰일 가스의 조사가 이루어지지 않은 곳도 있기 때문에, 실제로는 채굴 가능한 자원량은 훨씬 많다고 생각된다. 현재 셰일 가스가 대량으로 존재한다고 알려진 곳은 미국과 중국 등이다.
셰일 가스는 지하 수천 m의 '셰일층(혈암층)'에 있는 천연가스이다. 다른 '재래형' 천연가스와 마찬가지로, 지하 깊은 곳에서 유기물이 열의 작용이나 박테리아에 의해 분해됨으로써 만들어진다. 셰일 가스는 암석 안에 갇혀 있어, '유정(油井: 석유의 원유를 퍼내는 샘)'을 파는 것만으로는 꺼낼 수 없다. 그래서 기존에는 그 존재을 알고 있었음에도 불구하고, 거의 이용되지 않는 자원이었다. 그러나 유정의 바닥에서 옆으로 터널을 파는 기술이 생기면서, 상황이 급변했다. 셰일층에 뻗어있는 터널에 고압(최대 1000기압)의 물을 집어넣으면, 암석에 가는 균열이 많이 생긴다. 서서히 압력을 낮추면 갇혀 있던 셰일 가스가 암석에서 해방되어, 터널로부터 유정을 지나 지상으로 물과 함께 가스가 위로 분출한다.
'메탄 하이드레이트(Methan Hydrate)'는 천연가스가 낮은 온도 및 압력에 의해 얼음 형태로 고체화된 물질이다. '메탄 하이드레이트'는 셰일 가스와는 별개인 새로운 천연가스 자원으로, 한국과 일본의 깊은 해저에도 많은 것으로 알려져 있다. 자원량은 아직 불분명하지만, 세계적으로도 양이 많기 때문에 앞으로 새로운 에너지원으로 활용될 가능성이 있다.
2. 바이오 연료(Biomass Energy)
2-1. 식물을 사용한 '바이오 연료'
'바이오 연료(Biomass Energy)'는 '옥수수'나 '사탕수수' 등 식물을 원료로 만들어지는 연료로, 석유를 대신할 연료로 주목받고 있다. 바이오 연료의 종류는 몇 가지가 있는데, 현재 주류로 여겨지는 바이오 연료 몇 가지를 소개한다.
- 바이오에탄올(bio-ethanol): 현재 세계에서 가장 주류인 바이오 연료이다. 사탕수수와 옥수수 등 술의 원료가 주로 원료로 사용된다. 생성 방법도 술과 거의 같다.
- 바이오디젤: 콩기름 등의 식물성 기름을 원료로 해서 만드는 바이오 연료이다. '바이오디젤 연료(Bio-diesel Fule)'을 줄여서 약칭 'BDF'라고 부르기도 한다. 야자의 열매에서 채집할 수 있는 '야자유', 야트로파의 열매에서 채집할 수 있는 기름도 바이오디젤의 원료가 된다.
- ETBE(Ehyl Tertiary-Butyl Ether): '바이오에탄올'과 '이소부틸렌(isobutylene: C₄H₈)'이라는 물질을 대략 9:11의 비율로 합성한 바이오 연료이다. 휘발유의 비정상 연소 등을 방지할 수 있다. 이소부틸렌은 석유에서 유래된 물질이므로, 연료 중의 석유 비율을 0으로 만드는 것은 현실적으로 불가능하다.
- BTL(Biomass-to-Liquid): 쓸모없는 목재에 고열을 가해 가스로 만들고, 이 가스를 바탕으로 액체 연료를 합성한다. '미국', '일본', '유럽' 등에서 개발이 이루어지고 있다.
그러면 바이오 연료는 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경 연료일까? 사실 바이오 연료도 태우면 이산화탄소를 배출한다. 하지만 이렇게 배출하는 이산화탄소는 그 근본을 더듬어 가면, 식물이 성장 과정에서 대기에서 흡수한 것이다.즉, 지구 전체로 봤을 때, 흡수한 것과 방출한 것을 계산하면 0이 되므로, 온난화의 원인이 되는 이산화탄소를 새로 방출시킨 것은 아니다.
옥수수와 사탕수수는 재배할 수 있는 위도가 한정되어 있으며, 원래 식료품이 되는 식물이다. 따라서 바이오 연료의 수요가 많아지면, 식료품의 값이 올라갈 우려가 있다. 특히 식량 부족 사태가 벌어지는 상황에서, 옥수수를 연료 생산에 사용하는 일은 환영받지 못한다. 그래서 현재 식용 이외의 식물을 사용한 바이오 연료 등도 주목받고 있다.
2-2. 조류를 사용한 '바이오 연료'
생활 폐수나 산업 폐수 안에는 많은 유기물과 무기물이 들어있다. 현재 이들은 오수로 처리되어 버려지고 있다. 그런데 이를 이를 이용해 기름을 만드는 연구가 실제로 진행되고 있다. 일본 쓰쿠바 대학 대학원 생명환경과학연구과의 '와타나베 마코토' 교수 등은 '아우란티오키트륨(Aurantiochytrium)'과 '보트리오코쿠스(Botryococcus)'라는 두 종류의 조류를 이용해, 폐수에서 기름을 생산하는 기술 개발에 착수했다. 이 두 종류의 조류는 옥수수 등을 이용하는 것보다 훨씬 효율적으로 기름을 생산할 수 있다.
'아우란티오키트륨(Aurantiochytrium)'은 광합성을 하지 않고, 물속에 녹아들어 간 유기물을 취해 체내에서 기름을 만드는 조류이다. 그리고 '보트리오코쿠스(Botryococcus)'는 광합성을 하면서, 물속에 녹아 있는 '인(P)'이나 '칼륨(K)'같은 '무기물'을 취해 기름을 만드는 조류이다. 그래서 와타나베 교수 등은 우선 폐수에 '아우란티오키트륨'을 넣고 번식 시킨 후, '보트리오코쿠스'를 넣고 증식시키는 2단계로 기름을 생산하는 방법을 생각하고 있다.
이렇게 생산되는 기름은 '중유(원유에서 가솔린, 석유, 경유 등을 증류하고 나서 얻어지는 기름)'와 비슷한 성분으로, 이것을 정제하면 화력 발전의 연료나 자동차의 연료, 석유 화학 제품의 원료 등 다양한 용도에 쓸 수 있을 것이다. 하지만 비용이라는 문제는 남아있다. 그래서 와타나베 교수 등은 배양 방법의 개선, 더욱 효율적으로 기름을 생산하는 조류를 연구, 유전자 변환 기술에 의한 조류의 기름 생산 능력을 인공적으로 향상시키는 등, 다양한 연구를 통해 비용을 낮출 생각이다.
기존의 발전 방식과 마찬가지로, 폐수에서 만든 기름을 태워도 이산화탄소는 배출된다. 하지만 그 원인이 되는 탄소는 원래 환경에 존재하고 있던 것이므로, 화석연료와는 달리 대기의 이산화탄소는 늘어나지 않는다.
3. 태양광 발전
태양광 에너지는 상상하기 어려울 정도로 정말 막대하다. 지구 전체가 1시간 동안 받는 태양광 에너지는 전 세계가 1년 동안 받는 에너지의 총량과 비슷하다. 그래서 태양광 발전은 장래에 에너지 문제를 해결할 큰 기둥이 될 것으로 생각된다.
3-1. 태양전지의 유형
'태양광 에너지'를 '전력'으로 바꾸는 것은 '태양 전지(Solar Cell)'이다. '태양 전지(Solar Cell)'는 화력 발전 등과 같이 터빈을 돌려 발전하는 것이 아니라, 태양빛의 에너지를 직접 전력으로 바꾸는 장치이다.
- pn 접합형: 일반적인 태양 전지는 '실리콘(규소)'으로 되어 있다. 실리콘에는 일부로 불순물을 섞는 등 특별한 장치가 되어 있는데, 불순물의 종류를 바꿈으로써 'p형'과 'n형'이라는 두 종류의 반도체를 만들 수 있다. '반도체'는 전류가 잘 통하는 '도체'와 전류가 잘 통하지 않는 '절연체'의 중간 성질을 갖춘 물질을 말한다. p형과 n형의 두 종류의 반도체를 합친 것이 바로 가장 많이 보급되고 있는 'pn 접합형'의 태양 전지이다. 패널(판)에 빛을 비추면 두 종류의 반도체의 접합면에서 전자가 튀어나오고, 그것이 외부의 회로로 흘러서 전류가 발생한다.
- 화합물계 유형: 'pn 접합형'의 태양전지에는 실리콘 이외의 물질을 사용한 '화합물계'도 있다. 화합물계에도 여러 유형이 있는데, 그중 변환 효율이 약 40%가 되는 것도 있다. 하지만 이 유형은 생산 비용이 높다는 단점이 있다.
- 색소 증감형: 또 '색소 증감형'이라고 불리는 'pn 접합형'과는 다른 원리로 발전하는 태양 전지의 개발도 진행되고 있다. 색소 증감형의 변환 효율은 10% 정도인데, 낮은 비용으로 착색되기 때문에 디자인이 우수하다는 장점이 있다. 그 밖에도 다양한 유형의 태양 전지가 연구되고 있는데, 앞으로도 그 성능이 향상될 것으로 보인다.
3-2. 태양광으로 전력 수요 100% 충당이 가능한가?
지구로 내리쏟아지는 태양광은 저위도 지역일수록 많아진다. 그리고 구름으로 가려질 일이 거의 없는 사막 지대에서도 지표에 이르는 태양광이 많아진다. 중위도 지역에 있는 한국의 경우, 이들의 지역에 비하면 태양광 에너지는 적다고 할 수 있다. 하지만 1년 동안 육지에 쏟아지는 태양광 에너지의 총계는 충분히 막대하다.
그러면 태양광으로 대한민국의 전력수요를 100% 충당하는 일이 가능할까? 2019년에 있었던 '에너지미래비전연구회'의 토론회에서는 우리나라 국토 면적의 5%에 태양광을 설치할 경우, 이를 통해 모든 전력수요를 충당할 수 있다는 주장이 나왔다. 토론회에 참석한 전문가들은 태양광 발전의 경우, 8차 전력 수급기본계획에 따라 전기 소비가 지속적으로 증가한다고 해도 국토 면적의 5%면 태양광 발전만으로도 모든 전기를 충당할 수 있다고 강조했다. 선진국들처럼 에너지 효율화가 병행되어 현 수준의 전력소비가 유지된다면, 국토 면적의 4%면 충분하다는 게 이들의 주장이다.
또한 이들은 기술혁신을 통해 화합물반도체 등 40%대의 초고효율 태양광 시대가 열릴 경우, 국토 면적의 2%까지도 가능할 것으로 예측했다. 특히 수심이 얕은 서해와 남해에 해상 태양광을 설치할 경우, 국토 면적의 4%나 되는 넓은 부지를 확보하여 국내 전력소비 전체를 재생에너지 100%가 가능하다고 한다. 즉, 부지면적은 근본적인 문제가 아니라는 것이다. 다만, 국토의 70%가 산지인 우리나라의 실정을 고려하면, 4.2%는 우리나라 평지 면적의 7분의 1에 해당하는 것으로 결코 작은 면적이 아니라는 반박 의견도 있다.
3-3. 높은 비용 문제는 개선될까?
태양광 에너지의 자원량은 충분하다. 하지만 현실적으로는 발전 비용이 높다는 문제도 남아있다. 그러면 태양광 발전에 들어가는 비용은 무엇이 있을까? 태양광 발전의 비용은 '태양 전지' 및 그 주변기기의 제조비, 설치비, 비용 유지금의 이자 등을 바탕으로 계산된다.
2021년 2월 14일, 한국의 '에너지경제연구원(Korea Energy Economics Institute)'이 발표한 '재생에너지 공급 확대를 위한 중잔기 발전단가 전망 시스템 구출 및 운영' 보고서에 따르면, 우리나라 '대규모 태양광(3MW급)'의 '태양광 발전단가(LOCE: Levelized cost of electricity)'는 2030년 94.2원/kWh로, 2020년 136.1원/kWh 대비 31% 낮아질 것으로 전망되었다. LOCE는 '투자비', '자본비용', '연료비', '유지비' 등의 직접 비용 이외에도 탄소배출과 폐기 등 환경비용까지 포함하는 전력 생산 비용이다. 환경비용과 폐기물 처리비용같은 사회적 비용을 모두 포함한 태양광 발전단가는 2030년 71.3원/kWh로, 2020년 111.7원/kWh보다 36% 낮아질 것으로 예측되었다.
4. 태양열 발전
태양열 발전은 태양빛이 아니라 열에너지를 모아 증기를 만들고 그것으로 터빈을 돌리는 방법이다. 태양광 발전에 필요한 고가의 '태양 전지'는 필요 없고, 렌즈나 거울 등을 써서 태양의 에너지를 모을 수 있다. 또 태양광 발전은 빛을 받았을 때만 발전할 수 있지만, 태양열 발전은 모은 열을 저장하고 그 열을 써서 발전할 수 있기 때문에, 발전량의 변동을 어느 정도 억제할 수 있다. 다만 설치를 위해, 넓은 면적이 필요하기 때문에, 국토가 좁은 나라에 설치하기는 부적당하며, 사막을 가진 광대한 나라를 중심으로 연구가 진행되고 있다.
'솔라 침니(Solar Chimney)'라는 태양열 발전도 있다. 이것은 태양열로 공기를 데우고, 그 공기를 굴뚝에 통과시킴으로써, 따뜻한 공기가 굴뚝 안을 상승해 나갈 때 굴뚝 안에 설치된 터빈이 회전하는 발전 방법이다.
5. 풍력 발전
'풍력 발전(Wind Power Generation)' 또한 '태양광 발전'과 함께 장래의 전력 공급원으로 기대되고 있다. '풍력 발전(Wind Power Generation)'은 바람의 힘으로 풍차를 돌려, 그 회전 운동으로 발전기를 돌려 전기를 발생시키는 방법이다. 풍력 에너지의 자원량은 전 세계의 에너지 사용량을 훨씬 넘는다고 알려져 있다.
풍력 에너지는 육지보다 오히려 바다에 더 많다.지금까지 풍차의 설치는 육지에서 진행되어 왔지만, 육지에 설치하기에 적합한 곳이 점차 줄어들고 있다. 따라서 앞으로는 바다에 설치하는 경우가 더 늘어날 것이며, 이것은 세계적인 흐름이다. 이미 유럽의 여러 나라에서는 '해상 풍력 발전'이 본격적으로 도입되고 있다. 육지에서 풍차를 돌리면 소음이 문제가 되기도 하는데, 바다에서 풍차를 돌리면 이런 문제가 생길 걱정도 없다. 발전한 전력은 해저 케이블을 통해 육지까지 송전된다.
5-1. 해결해야 할 문제
- 경제성 문제: 해상 풍력 발전이 주류가 될 것이라면, 해상 발전을 어떻게 진행하느냐가 주어진 과제일 것이다. 영국 등지에서 해상 풍력 발전이 빨리 이루어진 이유는 '북해(영국 북쪽의 대서양)' 부근에는 바람이 풍부할 뿐만 아니라, 수심이 수십 m 이하의 얕은 곳이 많기 때문이다. 만약 수심이 수십 m 이하라면 기초 부분을 해저에 설치하는 '착상식' 건설이 가능하다. '착상식'은 육지 풍차에 비하면 설치 비용이 높지만, 바다에 풍차를 띄우는 '부체식'보다는 낮은 비용으로 설치할 수 있다. 또 태풍이나 강풍에 의해 큰 파도가 발생하는 일이 있는데, 이러한 기후 조건에서도 안전성에 문제가 없는 설계가 필요하다. 또 풍차의 사용 기간이 길어야 경제성이 확보될 수 있다. 어업 문제와 조화를 이루는 것도 중요한 과제이다.
- 발전량 변동에 대한 대처 문제: 태양광 발전과 마찬가지로, 풍력 발전도 자연의 영향을 많이 받는 에너지이다. 갑자기 바람이 멈추면 전력 부조화에 빠지는 문제가 생길 수 있으므로, 풍력 발전을 대규모로 도입하기 위해서는 전력 변동에 대한 대책이 필요하다. 유럽의 경우, 각 나라의 대용량의 송전망으로 연결하고, 유럽 전체 규모에서 풍력 발전의 출력 변동에 대한 수급 균형을 맞추려 하고 있다. 예를 들어, 북해의 해상 풍력을 발전한 전력 중 남은 전력을 노르웨이나 알프스산맥에 있는 양수 발전소에 보내, 물의 '위치 에너지'로 저장해 둔다는 구상이 있다. 현 상황에서 양수 발전은 대량의 에너지를 가장 낮은 비용으로 저장해 두는 방법이다.
- 그 외의 문제: 또 태풍이나 강풍에 의해 큰 파도가 발생하는 일이 있는데, 이러한 기후 조건에서도 안전성에 문제가 없는 설계가 필요하다. 또 풍차의 사용 기간이 길어야 경제성이 확보될 수 있다. 어업 문제와 조화를 이루는 것도 중요한 과제이다.
6. 지열 발전
6-1. 지열 발전의 종류
- 일반적인 지열 발전: 지하에는 막대한 에너지가 잠자고 있다. 특히 화산이 많은 곳에는 마그마가 지하의 비교적 얕은 곳까지 올라와 있는 경우가 많아, 이러한 곳은 지하의 온도가 높다. 온도가 높은 곳에서는 지하의 물이 매우 고온을 유지하는데, 이렇게 데워진 물이 지표에 분출한 것이 온천이다. 온천은 지표로 나오는 사이에 온도가 내려간다. 그래서 지하 깊은 곳까지 '관정(tube well: 지하수 또는 피압면 지하수를 퍼올리기 위하여 땅속을 굴삭하여 설치한 관 모양의 우물)'을 파면 더욱 '열수(고온의 지하수)'와 증기를 꺼낼 수 있다. 이를 이용해 터빈을 돌려 에너지를 얻는 것이 '지열 발전'이다. '열수'도 압력을 내리는 방법 등을 통해 증기로 만든 다음 발전에 이용할 수 있다.
- 고온 암체 발전: 일반적인 지열 발전에서는 열수나 증기가 필요하다. 하지만 지하에 고온의 열자원이 있다고 해도, 충분한 열수가 없는 곳에서는 열을 꺼낼 수단이 없는 경우가 있다. 그래서 이런 경우에는 지하에 인위적으로 물을 보내, 열수가 된 물을 끌어올림으로써 열을 꺼내는 '고온 암체 발전(volcanic power generation)'이 적합하다. 관정을 파서 지하 수 km까지 고압의 물을 집어넣으면 지하에 균열이 퍼진다. 이때 다른 관정을 통해 균열에 연결되면, 물을 주입하는 관정과 열수를 퍼올리는 관정이 균열을 통해 서로 이어지게 되는 것이다. 또 장래에는 더욱 깊은 마그마 근처까지 '관정'을 파서, 물을 집어넣어 열수를 뽑아내는 '마그마 발전'도 가능해질 것으로 기대된다.
6-2. 해결해야 할 과제
- 지진 촉발 문제: 2017년 11월, 포항에서는 규모 5.4의 지진이 일어났다. 그런데, 이 지진이 2010년부터 인근에서 진행하던 지열 발전과 연관성이 있는 것으로 밝혀졌다. 즉, 자연 지진이 아니라 지열 발전이 촉발시킨 지진이었다는 것이다. 지반이 약한 활성단층이 있으면 지진 발생으로 이어질 수 있으므로, 적합한 부지 선정으로 이러한 피해를 막아야 한다.
- 현지의 사정과 조화가 필요: 지열 발전에 적합한 곳은 온천 지역이거나 국립공원 등지에 포함된 경우가 많다. 때문에 개발 자체가 규제되는 경우가 많아, 신규 발전소의 건설이 쉽지 않다. 또 해당 지역 주민과 온천업자들이 반대하는 일도 생긴다. 따라서 현실적으로 이 문제를 해결하려면, 해당 지역 주민과 온천업자 등 당사자와 주변 경관도 고려하는 등, 사안별로 조건부 개발하는 규제 완화가 필요하다.
7. 연료 전지(Fuel Cell)
물을 전기 분해하면 수소 원자와 산소로 나누어진다. 그런데 이것과 완전히 반대로 화학 반응을 일으키면 전력을 얻을 수 있다.이 반응을 일으키는 장치를 '연료 전지(Fuel Cell)'라고 부른다. 연료 전지에 필요한 것은 연료의 역할을 하는 '수소', 산화제 역할을 하는 '산소', 2개의 전극, 전해질이다. 연료 전지 내에서는 전극에 있는 촉매의 작용으로 수소 분자와 산소 분자로부터 물 분자가 만들어진다. 이때 2개의 전극을 이은 회로에 '전류(전자의 흐름)'가 발생하는 구조로 되어 있다.
물을 전기 분해하면 수소 원자와 산소로 나누어진다. 그런데 이것과 완전히 반대로 화학 반응을 일으키면 전력을 얻을 수 있다. 이 반응을 일으키는 장치를 '연료 전지(Fuel Cell)'라고 부른다. 연료 전지에 필요한 것은 연료의 역할을 하는 '수소', 산화제 역할을 하는 '산소', 2개의 전극, 전해질이다. 연료 전지 내에서는 전극에 있는 촉매의 작용으로 수소 분자와 산소 분자로부터 물 분자가 만들어진다. 이때 2개의 전극을 이은 회로에 '전류(전자의 흐름)'가 발생하는 구조로 되어 있다.
먼저 수소 분자가 '백금 촉매(수소반응극)'에 접촉되면 수소 원자가 되고, 다시 전자가 튀어나가 수소 이온이 된다. 수소 이온은 전해질을 지나서 산소 쪽 전극으로 이동한다. (전자는 전해질을 통과할 수 없다.) 산소 쪽에서는 '백금 촉매(산소반응극)'에 접촉된 산소 분자가 산소 원자가 된다. 두 전극은 회로로 이어져 있으므로, 수소 쪽의 전극에서 만들어진 전자가 회로를 거쳐 산소 쪽의 전극으로 이동해 전류가 발생한다. 이동해온 수소 이온과 산소 원자는 회로에서 전자를 취해 물 분자가 된다.
연료 전지는 전기를 만드는 단계에서 이산화탄소의 배출이 없고, 수소라는 형태로 에너지를 저장할 수 있다는 장점이 있다. 또 전력과 함께 발생하는 열을 이용해 물을 데울 수 있어서, 에너지의 효율이 높아진다. 수소가 안정적으로 공급되면, 발전량도 조정 가능하다. 단, 초기의 설비투자 비용이 많다는 단점이 있다. 또 수소 자체는 흔한 원소이지만, 홑원소 물질로는 거의 존재하지 않으므로, 화석 연료나 물 등에 에너지를 투입해 생산할 필요가 있다. 따라서 화석 연료로 수소를 만들면 이산화탄소가 발생한다. 연료가 되는 수소를 어떤 수단으로 생산하느냐에 따라 환경에 대한 부담이 달라지는 것이다. 한편, 산소는 대기 중에 대량 존재한다.
8. 해양에너지 발전
해양에너지 발전은 크게 '조력 발전', '파력 발전', '해류 발전', '해수온도차 발전'으로 나뉜다.
8-1. 조력 발전(Tidal Power Generation)
'조력 발전(Tidal Power Generation)'은 밀물과 썰물으 이용하기 위해 지형적으로 유리한 입지에 '방조제'을 건설하여 인공적인 수위 차이를 만든 후, 수차 터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 발전 기술이다. 조력발전은 '부체식', '압축공기식', '조지식'으로 나눌 수 있다.
- 부체식: 일정 중량의 부체가 받는 부력을 이용하여 발전
- 압축공기식: 조위의 상승·하강에 따라 밀실에 공기를 압축하여 발전
- 조지식: 방조제를 축조하여 '해수저수지(조지)'를 조성하여 발전
'시화호 조력 발전소'를 비롯해 국내외적으로 상용화된 방식은 '조지식'으로, 강한 조석(Tide)'이 발생하는 큰 하구나 '만(Bay)'에 방조제를 설치하여 조지를 만들고 외해 수위와 조지 내의 수위차를 이용하여 발전을 하게 된다. 조지식 조력발전은 바닷물이 가장 높이 올라왔을 때 물을 가두었다가, 물이 빠지는 힘을 이용하여 터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 방식이다. 수력발전과 작동원리가 유사하지만, 낙차가 수십 m인 수력에 비해 조지식 조력은 평균 10m 이하라는 점에서 차이가 있다.
8-2. 파력 발전(Wave Power Generation)
'파력 발전(Wave Power Generation)'이란 파도의 운동에너지에서 동력을 얻어 발전하는 발전 방식을 말한다. 파력 발전은 파도의 상황에 따라 발전량이 변하지만, 태양광 발전이나 풍력 발전에 비하면 그 변동폭이 적다는 장점이 있다. 문제는 파도에서 어떻게 에너지를 끌어내느냐 하는 점이다. 사실 파력 발전에 대한 연구의 역사는 수십 년 전부터 계속되고 있다. 파력 발전이 해결해야 할 과제 역시 비용 문제이다. 하지만 개량과 대량 생산으로 비용 절감이 가능할 것으로 보인다.
- 방파제에 왕복 운동하는 판을 설치하는 유형: 현재 일본의 '기노시타' 교수 등의 그룹이 개발 중인 파력 발전 시설은 방파제에 설치하는 유형이다. 방파제의 바다 쪽에 파도를 받는 판을 설치하면, 판이 밀려서 진자처럼 왕복 운동을 하는데, 이 움직임에 따라 나타나는 힘을 유압 펌프로 발전기로 보내 발전하는 것이다. 방파제의 바로 앞에 파도를 효율적으로 반사하는 블록을 설치하면, 밀어닥치는 파도뿐만 아니라, 파도가 밀려나갈 때의 에너지도 이용할 수 있어 발전 효율이 높아질 것으로 기대된다.
- 난바다에 설치하는 부체식 유형: 또 바다에 띄운 가동식 '부표(수면에 띄운 부체로 된 항로표지)'에 발전기를 탑재하고, 파도의 힘에 의한 상하 움직임을 전기로 바꾸는 방식도 개발되고 있다.
아래의 지도는 전 세계 해역의 파력 에너지를 나타낸 것이다. 지도를 보면 알 수 있듯이 한국의 경우, 파도가 강하지는 않다. 하지만 삼면이 바다로 둘러싸여 있어서, 기본적으로 파력 발전에 유리한 조건을 가지고 있다고 볼 수 있다. 여기서 말하는 파력 에너지는 바닷물이 지닌 위치 에너지, 운동 에너지, 열에너지를 의미하는 것이다. 단위는 단위 시간당 에너지의 양(J/S), 즉 일률(kW)로 표현한다. kW/m은 파도를 받는 단위 길이랑 에너지를 말한다. 단, 이 에너지를 그대로 전기 에너지로 끌어낼 수 있는 것은 아니다.<
8-3. 해류 발전(Oceanic Current)
'해류(Oceanic Current)' 안에 수차를 설치해 발전기를 연결하면 전기를 발생시킬 수 있는데, 이것을 '해류 발전'이라고 한다. 해류 발전은 항상 일정한 속도 이상의 강한 해류가 흐르는 곳에서만 가능하다. 해류 발전은 아직 초보적인 실험 단계에 있다. 해류 발전은 발전기의 제작, 설치에 경비가 많이 들지만, 경제성이 좋은 것으로 평가되고 있다. 이 발전의 적지는 '멕시코 만류(Gulf Stream)'가 흐르는 미국 동해안, 일본 동해안의 '쿠로시오 해류(Kuroshio current)' 등이 있다. 해협 중에서는 유속이 빠른 '마젤란 해협', 흑해의 '보스포루스 해협', 대서양과 지중해를 경계 짓는 해협인 '지브롤터 해협' 등이 있다. 다만, 쿠로시오 해류와 같은 거대한 해류는 기후에 큰 영향을 미치기 때문에, 대규모 시설을 건설할 때, 어느 정도의 에너지를 꺼내도 좋은지를 신중하게 검토해야 할 것이다.
8-4. 해양 온도차 발전
'해양 온도차 발전'은 몇 ℃밖에 안되는 저온의 심해의 물과, 따뜻한 해수면 부근의 물의 온도차를 이용해 터빈을 돌리는 발전 방법이다. 해양 온도차 발전에서는, 해수면 가까운 따뜻한 물로 '암모니아(NH₃)'를 데워, 끓는 점이 낮은 '암모니아'를 기체로 만들어, 기체의 암모니아로 터빈을 돌려 발전한다. 터빈을 돌린 암모니아는 심해에서 퍼 올린 냉수로 식혀져 액체가 된다. 액체가 된 '암모니아'는 다시 해수면 가까운 곳의 따뜻한 물로 데워져, 기체가 되어 다시 발전에 쓰이게 된다. 이는 심해에서 물을 퍼 올리는 데 필요한 에너지가 극히 적어도 되기 때문에 가능하다.
'해양 온도차 발전'은 해수면과 심해의 온도차가 클수록 효율이 좋아진다. 심해의 온도는 어디서나 몇 ℃이므로, 해수면의 온도가 높은 지역, 즉 저위도 지역에서 유리한 발전 방법이다.