새로운 대체에너지, 신·재생 에너지

에너지 분야의 지속가능한 발전

2012 세계자연보전총회가 열흘간의 일정을 뒤로 하고 지난 일요일 폐회했다. 이번 총회에서는 ‘제주선언문’이 채택됐다. ‘보전과 지속가능성, 자연에 기반한 해결책의 새 시대를 향하여’라는 슬로건 아래 앞으로 인류가 자연을 보전하기 위해 어떤 일들을 해야 할 것인지에 대해 논의했다. 그중 하나가 바로 ‘실천적 지속가능성’이다.

실천적 지속가능성은 지속 가능한 발전을 나타내는 개념으로, 환경을 보호하고 빈곤을 구제하며 더 나아가 장기적으로는 자연자원을 파괴하지 않는 선에서 경제적 성장을 만들기 위한 방법을 말한다. 지속가능한 발전은 경제적 측면에서도 많이 회자되고 있지만, 과학분야에서 떼어놓고 생각할 수 없는 개념이기도 하다. 특히 그중에서도 ‘에너지’와 관련된 이야기가 많이 나오고 있다.

현재 세대와 미래 세대, 모두를 충족시키는 발전

지속 가능한 발전 또는 지속 가능한 개발은 1987년 유엔 보고서에서 ‘우리의 미래’였으며, 여기에선 ‘미래 세대가 그들의 필요를 충족시킬 능력을 저해하지 않으면서, 현재 세대의 필요를 충족시키는 발전’으로 정의되기도 했다.

지속 가능한 발전은 단순히 환경에만 집중하는 것이 아니라, 일반적인 정책의 영역이라고 할 수 있는 경제와 환경, 사회 등을 모두 포함한다. 지속 가능한 발전에 힘을 실어주기 위해 2005년 세계 정상회의 결과문서 (World Summit Outcome Document)에서는 ‘상호의존적이고 상호 증진적인 지속 가능한 발전의 기둥’으로, 경제적 발전과 사회적 발전 그리고 환경 보호를 언급하기도 하였다.

▲ 화석연료 에너지로 인해 인간은 급격한 발전을 이루어내면서 편리한 생활을 누릴 수 있게 되었지만, 한편으로는 자연파괴와 환경오염 등 부정적인 면도 만들어냈다. ⓒScience Times


2001년 발표된 유네스코 세계 문화 다양성 선언(The Universal Declaration on Cultural Diversity)에서는 이에 추가적으로 ‘자연에 있어 생물 다양성이 중요하듯, 인간에게 있어 문화 다양성이 필요하다’라고 언급하면서 문화 다양성은 단순한 경제적 성장이 아닌, 보다 만족스러운 삶을 달성하기 위한 하나의 방법으로서의 근원이 된다고 했다. 문화 다양성은 지속 가능한 발전의 네 번째 정책 영역이 되기도 했다.

화석연료에 대한 회의적 시각

기존의 에너지 개발은 사람들에게 환경을 저해하는 요소 중 하나로 인식돼 왔다. 산업혁명 이후 인류가 계속해서 사용해왔던 석탄에너지가 그러하고, 그 이후에 사용하기 시작한 석유에너지도 마찬가지이다. 에너지를 얻기 위해 이른바 화석연료를 사용하기 시작했고, 화석연료 사용으로 인해 자연은 점점 오염됐다. 

석탄이나 석유, 원자력과 천연가스 등 오늘날 대표적으로 사용되고 있는 화석연료들은 나무에 비해 우월한 에너지를 만들어낸다. 인류는 화석연료들을 사용하면서부터 급속도로 성장했고, 삶이 윤택해진 것 또한 사실이다. 그러나 이러한 화석연료들은 사용할 때마다 오염을 가지고 오며, 무리한 채취활동으로 인하여 자연을 파괴하기도 하였다. 산업혁명이 시작된 이후 200년 동안은 인류 역사상 환경오염이 가장 심했던 시기이기도 하다.

인간의 삶이 조금 더 나아지는 데에 초점이 맞춰졌던 과거와는 다르게 인간의 가치와 자연의 가치에 초점이 맞춰지는 지금, 화석연료에 대한 회의적 시각이 늘어나기 시작하였다. 하지만 이미 포화된 에너지 사용량을 줄이기엔 어려움이 있으며, 그렇다고 당장 화석연료를 사용하지 않고 다른 에너지를 사용할 수 있을 대체에너지가 있는 것도 아니다.

이에 대체 자원 개발에 대한 논의가 이루어지기 시작했고, 더불어 기름값이 급속도로 올라갔으며 기후 협약 체결 등 다양한 정책적 압박으로 새로운 에너지 개발에 박차를 가하게 되었다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 화석연료를 대체할 에너지를 찾기 시작했고, 그것이 바로 신재생 에너지라고 할 수 있다.

화석연료의 대체자, 신재생 에너지

신재생 에너지는 새로운 에너지 (新)와 재생 에너지가 합쳐진 개념이다. 신에너지는 기존의 화석연료 에너지와는 다른 새로운 에너지 자원으로, 연료전지와 수소 에너지 등이 있다. 재생 에너지는 태양광이나 태양열, 물 등 자연 상태로 존재하는 자원을 변환하여 사용 가능한 에너지로 만든 것을 말한다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 2008년 기준 신재생 에너지는 전 세계 에너지원의 19%를 차지하고 있으며, 우리나라는 2010년 측정한 바에 따르면 당시 신재생 에너지 보급률은 불과 2.61%이다.

한편, 우리나라는 총 11개 분야에서 신재생 에너지를 정하고 있다. 신에너지로는 연료전지와 석탄액화 가스화, 수소 에너지이며 재생 에너지로는 태양열, 태양광, 바이오 에너지, 풍력과 수력, 지열, 해양 에너지, 폐기물 에너지 등이 있다.

▲ 재생가능한 에너지에는 수력과 태양열 뿐만 아니라 조력, 풍력, 지열 등 자연형태에 존재하는 수 많은 에너지가 속한다. ⓒScience Times


신재생 에너지가 차세대 자원으로 각광받고 있는 이유는 화석연료와는 다르게 환경오염이 심하지 않고, 안정적으로 에너지를 생산할 수 있기 때문이다. 하지만 개발 단가가 비싸고 초기 설치비용이 비싸기 때문에 효율이 높은 것은 아니다. 그렇기 때문에 현재도 에너지관리공단 신재생에너지센터에서 계속해서 연구를 하고 있다.

새로운 에너지, 신에너지

신에너지는 말 그대로 새로운 에너지를 말한다. 연료전지의 경우, 수소와 메탄, 메탄올 등의 연료를 산화시킬 때 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환 시키는 것으로 기존의 배터리와는 다르게 충전할 필요가 없다. 또한 공해 발생이 거의 없는데다 효율이 높아 가장 활용도가 높을 것으로 기대되고 있다. 다시 말해, 수소와 산소의 화학반응으로 생기는 화학에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 기술로, 생성물이 전기와 순수(純水)인 발전효율 3~40%, 열효율 40% 이상으로 총 7~80%의 효율을 갖게 되는 신기술이라고 할 수 있다.

석탄가스화는 증질잔사유 가스화라고도 하는데, 이는 석탄과 중질잔사유 등의 저급원료를 고온과 고압의 가스화기에서 수증기와 함께 한정된 산소로 불완전연소 및 가스화시켜 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스를 만들어 정제공정을 거친 후, 가스터빈 및 증기터빈 등을 구동하여 발전시키는 기술이다. 석탄 액화의 경우, 고체 연료인 석탄을 휘발유 및 디젤유 등의 액체연료로 전환시키는 기술로서 직접액화 방식*과 간접액화 기술*이 있다.

석탄가스화의 경우, 고효율 발전으로 환경친화기술이며 다양한 저급연료를 활용하여 전기 생산이 가능하고, 화학 플랜트에 활용할 수도 있으며, 액화연료 생산 등 다양한 형태의 고부가가치의 에너지화를 구현할 수 있다는 점에서 긍정적이다. 하지만 소요면적이 넓은 대형 장치산업이고 시스템 비용이 고가이기 때문에 초기 투자비용이 높고, 복합설비로 인해 전체 설비의 구성과 제어가 복잡하기 때문에 운영 안정화 및 저비용화가 요구되기도 한다.

자연 상태에서 만들어진 에너지, 재생가능 에너지

재생 가능 에너지는 자연 상태에서 만들어진 에너지를 사용하기 때문에 그 종류가 매우 다양하다. 태양 에너지가 가장 대표적이며 풍력과 수력, 바이오 매스라고 알려져 있는 생물자원, 지열, 조력, 파도 에너지 등 자연 상태에 있는 에너지는 모두 해당한다.

가장 태표적인 태양광 이용 기술은 태양의 빛에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 발전기술로서 대표적인 원리는 바로 태양전지이다. 태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 만들어진 광전지인 태양전지는 금속과 반도체의 접촉면 또는 반도체의 PN접합*에 빛을 주면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 것을 이용한 것이다. 이와 흡사한 것이 바로 태양열 이용 기술로, 태양광선의 파동 성질을 이용하는 태양에너지 광열학적 이용분야로 태양열의 흡수와 저장, 열변환 등을 통하여 건물의 냉난방과 급탕 등에 활용하는 기술이 있다.

태양광만큼이나 우리나라에서 많이 연구 중에 있는 것이 바로 수력발전 기술이다. 수력발전 기술은 물의 유동 및 위치에너지를 이용하여 발전하는 것으로, 2005년 이전에는 시설용량 10MW 이하를 소수력으로 규정하였으나 신에너지 및 재생에너지 개발이용보급촉진법에서는 소수력을 포함한 수력 전체를 신재생에너지로 정의하였다. 2008년 동진강에 소수력발전소가 만들어졌으며, 그에 앞서 2007년에는 전남 광양시 광양만에 광양 소수력발전소가 만들어졌으며, 이로 인해 연간 3천여 톤의 이산화탄소 감축효과를 발생하고 있다.
 

▲ 풍력발전은 바람을 이용해서 얻는 에너지로 국내에서는 제주특별자치도와 포항 등에서 시행중이며 덴마크는 풍력발전을 많이 하는 나라로 유명하다. 2005년 현재 풍력발전율은 세계에서 생산되는 에너지 비율의 1%에도 미치지 못하며 2020년엔 이 수치가 16.5%까지 오를 것으로 전망되고 이로 인해 15억톤의 이산화탄소 배출량이 줄어들 것으로 예상하고 있다. ⓒScience Times


지열에너지 역시 중요한 재생가능 에너지 중 하나이다. 물, 지하수 및 지하의 열 등의 온도차를 이용하여 냉방과 난방에 활용하는 기술로 태양열의 약 47%가 지표면을 통해 지하에 저장되며, 이렇게 태양열을 흡수한 땅속의 온도는 지형에 따라 다르지만 지표면 가까운 땅속의 온도는 대략 10~20℃ 정도 유지해서 열펌프를 이용하는 냉난방시스템이 이용하게 된다. 우리나라 일부지역의 심주 (지중1~2km) 지중온도는 80℃ 정도로서 직접 냉난방에 이용이 가능하기도 하다.

국가 차원의 지속가능 발전 정책사례

지속가능 발전을 위해 각 국가에서도 정책적으로 노력하고 있다. 지속가능 발전에 관한 전 세계적 논의의 결정체는 WSSD*에서도 나타났다. 이 회의기간 동안 국제은행과 OECD 등 주요 국제기구들과 서구 선진국 등 많은 나라들이 자국의 지속가능발전 전략과 성과를 소개하였다.

독일의 경우, 재생가능한 천연제품을 이용하고 건강에 대한 위험을 제거하며 생태적이고 사회적으로 수용가능한 경제성장을 주요 골자로 하고 있다. 스위스의 경우, 환경과 자연자원(기후변화대책과 청정연료, 자연보전지역 인센티브가 해당된다)과 지속가능한 공간개발, 지속간으한 이동수단과 안전한 도로에 중점을 두었다.

우리나라도 92년 리우회의 이후 환경부 소관의 환경정책뿐만 아니라 모든 부처의 경제정책과 사회정책을 통합적으로 추진함으로써 달성될 수 있음을 인식하고, 부처 간의 정책협의 및 조정은 물론 정부와 민간단체 및 산업계의 이해관계 조정과 민간 부문의 정책 참여를 적극적으로 이끌어내기 위해서 대통령 자문 지속가능발전위원회를 2000년 9월에 설치하기도 하였다.

우리나라에서는 담양군이 지방자치단체의 지속가능발전 정책사례로 볼 수 있다. 담양군은 생태도시 건설을 위해 생태도시화 정책 방향을 수록하는 지침서를 발간하는 한편, 각 분야에 걸쳐 생태도시건설과 지속가능한 발전의 개념과 함께 분야별 군정 정책 방향을 제시하고 있다.

이제 더이상 인간의 발전은 자연보호와 반대방향으로 이루어지는 것이 아니다. 지난 200년간 최악의 환경오염사태를 보면서 인간은 자연보호와 인간의 발전은 떼놓을 수 없다는 것을 깨달았고, 지금부터라도 자연보호와 발전을 같이 하기 위해 노력하고 있다. 다양한 방면에서 지속가능한 발전이 이루어져 있으며, 앞으로 이에대한 범국민적 관심과 노력 그리고 정부의 적극적인 지원이 필요하다.





*직접액화 방식 : 고온과 고압의 상태에서 용매를 사용하여 전환시키는 방식
*간접액화 방식 : 석탄가스화 후 촉매상에서 액체연료로 전환시키는 방식
*PN접합 : 전기적 성질이 다른 N(Negative)형의 반도체와 P(Positive)형의 반도체를 접합시킨 구조. 2개의 반도체 경계 부분을 PN접합(PN-junction)이라 한다. 대표적 결정질 실리콘 태양전지는 실리콘에 보론을 첨가한 P형 실리콘 반도체를 비노으로, 그 표면에 인(phosphotous)를 확산시켜 N형 실리콘 반도체층을 형성함으로서 만들어진다. 이때 이 PN접합에 의해 전계가 발생하게 된다.
*WSSD : World Summit on Sustainable Development. 즉 지속가능발전 세계정상회의를 말한다. 2002년 8월 26일부터 9월 4일까지 남아프리카공화국 요하네스버그에서 열렸던 환경회의로 92년 리우회담에서 지속가능발전의 미래를 위해 채택했던 의제 21을 실천에 옮기기 위해 어떤 노력을 했는지, 또 앞으로 10년간은 무엇을 한 것인가에 대해 세계 정상들이 모여 논의했던 자리이다. 리우회의 이후 10년만에 열린다는 의미에서 일명 Rio+10 회의라고 불리기도 한다.

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