에너지란?

에너지에 관한 기초적인 정보를 제공합니다.
에너지란 도대체 무엇이고 어디서부터 생겨난 것일까요?

  • 에너지란?

    인간의 주변에서 에너지라고 하는 대상보다 더 흥미롭고 중요한 것은 없는듯 하다. 에너지란 일(작업)을 할 수 있는 힘을 뜻하는데, 그 어원은 그리스어인 '에르곤'에서 나왔는데 '에네르게이아'이며, '일을 하는 능력'이라고 정의된다.

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    사실 에너지가 일을 한 것은 인간의 일보다 훨씬 이전의 일로서, 지구나 태양계의 탄생 자체도 에너지에 의해서 이루어진 결과라고 할 수 있다.

    불의 발견, 증기기관의 발명 등 에너지이용은 인류문명을 빠른 시간 안에 비약적으로 발전시켰다. 18세기부터 19세기에 걸친 산업혁명을 '에너지혁명'이라고 일컬으며 근대과학기술의 눈부신 발전을 '에너지기술의 발전'이라고 보면 거의 틀림없을 것이다.

    인간은 태고적부터 여러 가지 꿈을 꾸어 왔다. 새처럼 하늘을 날고 싶다든가, 먼 곳에 빨리 가고 싶다든가, 넓은 바다를 건너 새로운 육지로 가고 싶다든가, 달나라나 별나라를 구경하고 싶다든가, 더 소박하게는 어두운 밤에도 책을 읽고 싶다든가, 추운 겨울을 따뜻하게 지내고 싶다든가 하는 것들은 인류의 꿈이요, 야심이요, 염원이었다. 이러한 인류의 꿈과 야심, 그리고 염원은 역사를 통하여 하나 둘씩 이루어졌는데, 그것은 모두가 반드시 에너지와 결부됨으로써 가능한 일이었다.
    에너지는 빛, 동력, 연료로서 인간에게 많은 일을 해 주었고 인류 문명의 발달을 뒷받침하였다. 오늘날 전자·정보화사회의 시대가 활짝 개화되고 자동차, 에어컨, VTR, 인공위성 등이 작동되어 우리의 경제, 문화활동을 보다 더 편리하게 지탱해 주고 있는데, 이처럼 윤택한 생활과 눈부신 사회발전을 가능케 해 준 원동력이 바로 에너지인 것이다. 이 사실은 과거와 현재에도 그러했듯이 미래에도 역시 그러할 것이다.

    에너지란 말이 물리학적 용어로서 그 개념이 명확하게 인식된 것은 그리 오래된 것이 아니며, 오늘날 우리가 열역학이라고 부르는 에너지에 관한 기본법칙도 19세기 후반에 와서야 확립되었다.
    에너지에 대한 최초의 사고는 운동물체의 효과를 어떻게 나타내는가 하는 문제를 통하여 표출되었다. 즉, 질량 m, 속도 v의 물체가 있을 때 데카르트는 mv, 라이프니츠는 mv2으로 에너지를 표현해야 한다고 주장하였지만, 후에 달랑베르는 전자가 운동량이며 후자가 일에 해당한다고 밝혔다. 그리고 일을 나타내는 단위로 cgs(cm,gram, second) 단위인 에르그(erg:질량 1g인 물체에 1cm/s2 가속도를 줄 수 있는 힘으로 1cm 움직였을 때 한 일의 양)가 채택되었고, 실용단위로 이것의 107배인 줄(joule)이 사용되게 되었다.

    그후 운동에너지로서 1/2mv2, 위치에너지로서 mgh(g는 중력, h는 높이)가 정의되어, 공기마찰을 고려하지 않는 한 1/2mv2 + mgh는 불변이고, 물체의 운동에너지와 위치에너지의 합은 불변이라고 하는 에너지역학 보존의 법칙이 확립되었다.
    특히 란호드(1753∼1814), 줄(1818∼1889), 마이어(1814∼1878), 헬름흘츠(1821∼1894)를 거쳐, 열은 에너지형태에 불과하다는 것이 밝혀짐으로써 열역학 제1법칙(하나의 체계를 가진 에너지 총량 U는, 그 체계의 외부와 에너지교환이 없는 경우 일정하게 유지되지만, 외부와 교환이 있는 경우 그 증가량은 외부에서 들어온 열량 Q와 그 체계에 대하여 외부로부터 이루어진 역학적 일 W의 합과 같다)이 확립되었다.

    그후 음, 광, 전자기, 화학변화를 포함한 모든 체계에 '에너지보존의 법칙'이 확장되어, 역학에너지, 전기에너지, 자기에너지, 열에너지, 화학에너지는 상호 교환될 수 있음이 명백히 밝혀졌다.
    20세기에 들기까지는 여러 과정에 걸친 에너지의 출입, 그 형태의 변화뿐으로 물질이 가지고 있는 전 에너지의 절대적인 가치는 문제가 되지 않았으나, 1905년에 이르러 아인슈타인(1879∼1955)이 특수상대성이론을 제시하여, 속도가 v로 움직이고 있는 물체의 에너지는 E=m0c2 / √1-(V-C)2이라고 주장하였다. 여기서 c는 진공 중 광속도, m은 물체 정지시 질량을 나타낸다. v는 물체의 운동속도로 보통은 c에 비해 적으나 위 식을 전개하여, 2=moc2+1/2m0v2+ ‥‥‥‥의 형태로 쓴다면, 제2항은 뉴턴역학에 있어서의 운동에너지이며, 제1항 moc2는 물체가 정지시에 갖는 에너지로서 정지에너지라 불린다.

    이는 단적으로 말해, 질량 1g의 물질이 완전히 에너지로 변화하면, c2에르그(약 9x1020에르그)의 에너지가 되고 역으로 나타내면 질량도 에너지형태에 불과하다는 것을 말한다. 이것은 원자핵반응 및 분열시의 에너지이동에 따른 질량의 증감, 광물질로의 전화 및 그 역현상에 의해 정량적으로 증명되었다.
    이상, 에너지란 무엇인가를 물리학의 역사에 따라 간단히 설명했는데, 오늘날 에너지란 용어는 비단 물리학을 비롯한 자연과학 분야에서 뿐만 아니라 경제학을 포함한 인문·사회과학 영역에까지 광범하게 사용되어, 그 개념도 원래의 물리학의 범주를 넘어서 복합적인 의미를 가지게 되었다.

  • 에너지의 분류

    에너지의 형태는 그 관점에 따라 여러 가지로 달리 분류할 수 있다. 먼저 에너지를 그 본질에 따라 분류하면 외부에너지, 내부에너지, 열에너지, 기계적 에너지, 화학에너지, 핵 에너지등으로 나눠진다. 이들 에너지는 각기 특성을 지니고 있을 뿐만 아니라 서로 변환(變換 : Conversion)되면서 우리의 실생활에 필요한 열과 전기적, 기계적 에너지를 공급한다.

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    외부(外部 : External)에너지

    외부에너지란 물체의 운동 및 위치와 관계되는 에너지로 운동(運動 :Kinetic)에너지와 위치(위치 Potential)에너지로 구성되어 있다. 어떤 속도로 운동하고 있는 물체는 다른 물체에 힘을 미쳐서 일을 할 수 있는 운동에너지(E=1/2 mv2 :m 질량, v 속도)를 가진다. 또 높은 곳에 있는 물체는 그 높이에 상응하는 위치에너지(E=mph : m 질량, g 중력의 가속도, h 높이)를 가지고 있고, 이 물체가 지상으로 낙하하는 경우 높이가 점점 줄어들면서 위치에너지는 감소하는 반면 물체의 낙하속도는 가속되어 운동에너지가 증가한다. 지상에서 발사된 인공위성이 일정한 고도의 궤도로 진입하는과정은 운동에너지가 위치에너지로 바뀌는 예이다.

    내부(內部 : Internal)에너지

    내부에너지란 물체 및 어떤 계(系 : System)를 구성하는 분자들의 에너지를 말한다. 밀폐된 용기(계)내에 들어 있는 공기에 대하여 외부에서 열을 가하면, 공기분자들의 운동에너지를 증가시켜 결국 계의 온도가 상승한다. 이 경우 가해진 열에너지는 계내 공기의 내부에너지로 변환되면서 온도를 상승시키는 결과를 나타낸다.
    또 온수로 난방을 하는 경우를 생각해 보면, 온수의 내부에너지는 열에너지로 변형되어 물에서 방안의 공기로 이동되고, 전달된 열은 공기의 내부에너지를 증가시키는데 쓰여 결국 실내 온도가 상승하는 것이다.

    열(熱 : Thermal)에너지

    열(熱 : Heat)또는 열에너지는 온도차이가 있는 두 물체 사이에서 이동되는 에너지로, 더 뜨거운 물체에서 더 찬 물체로 전달되는 때에만 존재한다. 기체나 수증기의 팽창특성을 이용하면 열을 기계적 에너지로 변환시킬 수 있다 가스터빈이나 증기터빈은 열에너지를 더 유익한 기계적 에너지로 변환시키는 장치이다.

    기계적 에너지

    기계적 에너지는 기체의 압축- 팽창에 의한 일과 축(軸)의 회전에 의한 일로 구분된다. 전자의 예는 자동차 피스톤의 왕복운동에서, 또 후자의 예는 증기터빈의 축회전에서 찾아볼 수 있다. 열기관은 열에너지를 기계적에너지로 변환시키는 장치로 자동차, 증기기관, 가스터빈 및 증기터빈은 모두 열기관이다.

    화학에너지

    화학에너지란 화학종(化學種)을 구성하고 있는 분자내 원자간의 결합에너지 및 위치에너지를 말한다. 석탄, 석유, 천연가스등을 비롯한 각종 물질은 그 분자를 구성하는 원자의 종류와 결합구조에 따라서 각기 다른 화학에너지를 가지고 있다. 화학에너지는 연소(燃燒) 또는 다른 화학반응을 통하여 에너지수준이 높은 화학종에서 낮은 화학종으로 변화하면서 그 차이에 해당하는 에너지를 열에너지의 형태로 방출한다. 자동차, 항공기, 로켓등은 연료의 화학에너지클 열에너지를 거쳐 우리 생활에 유익한 기계적 에너지로 변환시키는 장치들이다.

    핵(核 : Nuclear)에너지

    핵에너지는 원자의 핵을 구성하는 양자(陽子), 중성자(中性子)등 입자간 결합력의 형태로 저장되어 있고, 이는 핵분열 또는 핵융합 과정을 통하여 열에너지의 형태로 변환된다. 무겁고 불안정한 하나의 원자핵이 중성자에 의하여 두 개의 비슷한 원자핵으로 業개지면서 수반되는 질량결손(缺損)에 해당하는 막대한 열에너지(E =mc2 : m질량결손, c 빛의 속도)를 방출하는 것을 핵분열,(分裂 :Fission)이라 한다.
    반면에 핵융합(융at : Fusion)은 두 개의 가벼운 원자핵이 융합하여 더 무거운 하나의 원자핵으로 변하는 것으로, 이 과정에서 역시 질량결손이 생기면서 막대한 열에너지가 방출된다.

    이밖에도 압축된 스프링에 내재된 탄성(彈性)에너지, 태양광선등이 갖고있는 방사(放射)에너지, 전압차이에 의한 전기(電氣)에너지등이 있다. 다음에 에너지를 그 자원(資源 Resourc)면에서 분류하면 고체(주로 石炭), 액체(주로 石油), 기체(주로 천연가스)연료와 수력(水力), 핵(核), 전기(電氣), 태양, 생물(生物 Biomass), 풍력(風力), 해양(海洋), 지열(地熱)에너지등으로 나누어진다. 특히 고대생물의 지구화학적 변화로 생성된 석탄, 원유, 천연가스등은 통틀어 화석연료(화石燃料 Fossil fuel)라 한다.

    화석연료나 핵연료처럼 한번 사용하면 없어지고 마는 고갈성(고갈性)에너지와 달리 수력, 태양, 생물, 풍력, 해양, 지열에너지처럼 사용해도 자연적으로 재생되는 것을 재생(再生 : Renewable)에너지라 한다. 또한 에너지를 그 자원으로부터 최종소비까지의 흐름이란 면에서 분류하면 1차, 2차 및 최종에너지등으로 나누어진다.

    1차(Primary)에너지는 어떤 변환도 하지 않은 에너지로서, 직접 에너지로 쓸 수 있는 것은 그 자체, 일정한 생산과정을 거쳐야 에너지로 사용할 수 있는 것은 그 과정이 완료된 산출물을 뜻하고, 여기에는 화석연료 즉 석탄, 원유, 천연가스(LNG포함)와 수력, 핵, 태양, 생물, 풍력, 해양, 지열에너지등이 포함된다. 2차(Secondary)에너지는 1차에너지의 변환으로 생산되는 에너지(전력과 각종 석유제품등)를 말하고, 최종(最終: Final)에너지는 유용한 에너지(열, 빛, 동력등)로 사용할 수 있게끔 소비자에게 공급되는 에너지이다.


  • 에너지의 변천

    원시시대에 살았던 사람들은 사냥으로 잡은 동물을 요리하고, 추울때 따뜻하게 하며, 또 어두운 밤을 밝히고, 야생동물로부터 자신들을 보호하기 위하여 불을 이용하기 시작하였다. 그후 농경과 목축이 생활화되면서 자기 자신의 힘 이외에도 소나 말과 같은 가축의 힘, 물이나 바람등 자연의 힘을 이용한 자연에너지를 이용하게 되었다.

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    18세기에 이르러 석탄이 이용되면서 증기기관이 발명되고 산업혁명기를 맞이함으로써 인류는 에너지의 혜택과 기계문명의 찬란한 빛을 받게 되었다. 석탄에너지에 이어 석유와 천연가스등의 이용으로 공업과 교통수단을 발전시켜 나갔다. 과학기술의 진보는 전기의 이용범위를 넓혀나갔고, 마침내 원자력의 이용을 가능케 하였다.

    그리하여 오늘날 우리의 사회는 문명의 발달과 함께 더욱 풍요롭게 되엇으며, 앞으로도 평화스럽고 안정적인 사회를 유지, 발전시키기 위해서 에너지의 역할이 더욱 커지게 되었다.

    우리나라에 전기가 들어온 것은 불과 100년전의 일이지만 근대화작업이 촉진되면서 전기의 이용은 급격히 증가하여 이제는 전기없이는 생활을 꾸려갈 수 없을 정도로 우리생활과 밀접해졌다.

    1961년 우리나라의 연간전력소비량 은 11억KWh였으나, 1980년에는 327억KWh로 늘어났으며, 10년뒤인 1991년에는 다시 1,044KWh로 증가하였다. 1991년의 우리나라 전력소비량을 용도별로 1980년과 비교해 보면 주택용 소비전력은 총소비량의 6.8%이던 것이 1991년에는 18.7%로 증가했으며, 공공서비스 전력도 5.7%에서 18.9%로 증가한 반면 생산부분의 소비전력은 87.5%^에서 62.4%로 크게 떨어지고 있어 우리의 주거생활과 공공서비스분야의 전력소비가 상대적으로 증가추세에 있음을 알 수 있다.

    한편, 이것은 비생산적인 소비분야에서 전력소비가 늘고 있음을 말해주는 것으로 국민의 각성이 요망된다고 하겠다. 전기는 편리하고 깨끗한 에너지인 동시에 고가의 에너지이다. 우리는 이 귀중한 에너지를 아껴쓰고 효율적으로 이용하도록 노력해야 할 것이다.

    그런데, 1953년 12월 8일 미국의 아이젠하워 대통령이 UN총회에서 원자력의 평화적인 이용을 제창한 이래 선진국에서는 원자력을 평화적으로 이용하기 위한 연구개발에 힘씀으로써 인류의 번영과 발전에 크게 이바지해 왔다. 현재 세계 각국에서 추진하고 있는 원자력의 평화적 이용에는 열에너지의 이용과 방사선 및 방사성동위원소의 이용등 크게 두가지로 나눌 수 있다.

    열에너지의 이용에는 원자로에서 발생하는 열을 이용하여 전기를 생산하는 원자력발전을 비롯하여 원자로의 열을 동력으로 생산하는 원자력선과 열을 직접 이용하는 원자력제철, 지역난방, 해수의 담수화등 여러 가지가 있다.

    방사선 및 방사성동위원소의 이용에는 원자로가 개발되어 인공의 방사성물질이 대량으로 값싸게 생산되고 또 강력한 방사선을 발생시키는 입자가속기의 연구가 진보됨에 따라서 방사선 및 방사선동위원소의 이용이 늘고 있다. 그 이용분야로는 질병의 진단과 치료, 농작물의 품종개량, 멸균소독, 식품보존, 공업제품의 비파괴 검사등 의학,농업 및 공업의 각 분야에서 폭 넓게 활용되고 있다.

    이와 같은 원자력에너지의 이용이 폭 넓게 발전되고 있으나 역시 핵폐기물 처리문제와 안전문제등이 고려의 대상이 되고 있다. 물론 이 문제들은 많이 개선되어 큰 문제 없이 원자력을 이용할 수 있게 되어 있지만, 더해가는 청정에너지의 요구화 함께 크게 연구의 대상이 되고 있다.

    앞으로 에너지의 변천 추세에는 신·재생에너지 쪽이 될 것이다. 언급한 바와 같이 원자력에너지는 역시 폐기물과 안전성문제를 고려해야 하고 화석에너지는 고갈에 이르고 있으며 환경과의 도전도 무시할 수 없다. 특히 우리나라와 같이 90%이상을 수입에 의존하고 있는 처지라면 대체에너지를 개발하여 이용해야 할 것이다. 이와 동시에 화석에너지의 효율 높은 이용기술도 개발하여 궁극적으로 환경을 오염시키지 않고, 또한 안전한 에너지를 추구해야 할 것이다.

    *참고문헌 : 박이동 著 「에너지」


  • 에너지의 법칙

    여러 형태의 에너지는 다른 형태로 변환될 수 있으나 그 변환과정은 반드시 열역학(熱力學 : Thermodynamics) 제1법칙과 제2법칙의 제약아래 일어난다.열역학 제1법칙은 줄(J.Joule)이 체계화한 에너지보존(保存)의 법칙으로, 고립된 계내 에너지의 총량은 변하지 않고, 어떤 형태의 에너지가 다른 형태로 변환될 때 없어진 양과 생성된 양은 동일함을 가르쳐 준다.

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    바꾸어 말하면 에너지는 그 형태가 바뀔 수는 있으나 창조되거나 소멸되지는 않는다. 또 상대성이론에 의하여 물체의 질량(質量 : Mass)도 에너지와 동일함이 밝혀 졌으며, 에너지와 질량은 서로 변환될 수 있고 이 때 공식 E=mc2을 따른다.

    열역학 제 2법칙은 카르노(5.Carnot)의 연구에 기반을 둔 것으로, 이 법칙은 열 에너지의 이동방향을 정의해 준다. 즉 열은 항상 온도가 더 높은 물체로부터 더 낮은 물체로 전달되고 그 역(逆)은 일을 투입하지 않고는 불가능함을 밝혀 준다. 따라서 열 에너지를 더 차거운 물체에서 더 뜨거운 물체로 이동시키려면 반드시 일을 투입해야만 된다.

    제 2법칙에 의하면 기계적 에너지는 동량의 열 에너지로 변환시킬 수 있으나, 역으로 열은 동량의 기계적 에너지로 완전히 변환되지 않는다. 따라서 열기관에서는 투입되는 열에너지를 100%기계적 에너지로 변환시키지 못하고 상당한 열을 주변으로 내버려야 한다. 예컨대 자동차와 같은 내연기관의 경우, 사용된 연소에너지중 약 25%만이 기계적 에너지, 즉 자동차를 움직이는 에너지로 변환되고 나머지 75%는 열에너지 상태로 대기중에 방출된다. 열기관에서 효율(效率 : Efficiency)이란 투입된 열에너지에 대하여 생산된 일의 비율을 말하는데, 제 2법칙에 의하면 효율이 100%인 열기관은 존재하지 않는다.

  • 에너지의 질(質)

    수송산업 분야의 에너지이용은 주로 휘발유, 경유, 중유, 제트오일, 부탄 등인데, 자동차, 트럭, 기관차, 선박, 항공기 등에 사용된다. 그러나 아쉽게도 이 산업의 에너지효율은 25% 정도이며, 나머지 75% 정도의 에너지는 폐열로 대기 중에 분산되고 있다.

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    사람의 개인적 수송수단으로는 승용차, 비행기, 기차, 전철, 버스를 들 수 있는데, 그 에너지효율은 매우 낮으며, 전철을 1.0으로 볼 때 승용차는 0.5, 비행기는 0.3,기차는 0.7, 버스는 1.9이다.

    가정 및 상업 분야의 에너지이용은 그 효율이 75% 이상이고 산업 전반적 에너지효율은 평균 80% 이상이다. 에너지효율이란 투입한 에너지에 대한 유익한 동력으로서의 회수율(%)을 말한다.가정 ·상업 ·공업 및 수송부문에서 사용하는 각종 에너지 변환장치의 평균 효율은 아래와 같다.

    변환효율의 상실은 불가피한 경우가 많다. 20세기에 들어서면서 에너지효율의 개선은 실로 괄목할 만하다. 예를 들어 조명의 경우, 1900년경의 100w의 백열등은 겨우 1W를 가시(可視)광선으로 변환하고 나머지 99W는 열로 발산하였다.
    100w의 백열등은 5W 이상의 에너지를 빛으로 변환시키고 있다. 이것은400%의 에너지효율 증가를 말한다. 조명 에너지효율의 증대는 하나의 예이고, 다른 에너지 변환장치에도 많은 기술혁신이 있었다. 20세기의 이러한 기술혁신들은 막대한 연구·개발의 노력과 투자의 성과였다.
    인간이 에너지의 형태를 상호 변환시키는 것은 에너지를 생활에 편리하게 이용하도록 변형시키는 것뿐이다. 생활의 편리성이란 그 에너지가 깨끗한가, 수송과 저장이 용이한가, 칼로리가 높은가, 자동적 이용이 가능한가 등 실용적 견지에 의해서 결정된다.

    이러한 요건들을 잘 만족시키면 그 에너지는 질이 높고, 충분히 만족시키지 못하면 저질이라고 할 수밖에 없다. 고질에서 저질까지의 서열을 매겨 보면 기계적 에너지--전기적 에너지--화학적 에너지--광(光)에너지--열에너지의 순서이며, 이 서열의 상위에 있는 에너지는 하위에 있는 에너지로 변환하기 쉬우나 역으로 하위의 것을 상위로 변환시키는 일은 어렵다.
    또한 형태의 에너지에도 질의 고저가 있다. 수천 도의 열에너지가 있는가 하면 질이 훨씬 낮은 수백 도의 열에너지도 있다. 물리학적으로 보면 고질의 에너지는 이용상 엔트로피의 발산(증대)이 적은 것이라고도 말할 수 있다.
    에너지의 질을 논의할 때, 단위부피당 에너지함유량, 즉 에너지밀도에 의존하는 경우도 있다. 석유의 에너지밀도는 788만 7,000kca1/m3이고, 핵융합이나 핵분열 이용을 전제로 한 중수소 연료(重水素燃料)나 우라늄 연료는 석유의 100만 배에서 1억배정도, 수소·플루오르화리튬(LiF) 전지·슈퍼 플라이휠(super fly wheel) 등은 석유의 몇 분의 일 정도, 그리고 납전지 ·잠열 ·압축기체는 석유의 10분의 1에서 수십 분의 1이다.

    인간은 에너지의 질을 높이기 위하여 에너지를 농축하고 상호 변환시키기도 하나, 때로는 사용 편의상 저질화시킬 때도 있다. 자연 속에는 낮은 질의 에너지자원의 양은 많이 매장되어 있고, 높은 질의 에너지자원은 적다고 볼 수 있다. 다시 말하면 저질자원은 넓은 범위에 얇게 산재해 있고, 고질자원은 몇군데에 집중하여 편재해 있다. 현재까지 밝혀진 바에 의하면 에너지의 추정매장량 순서는 핵융합 토륨-232(Th232) 증식, 태양에너지, 우라늄-238 (U238) 증식로, 석탄, 해양온도차 열, 우라늄-235(U235), 석유, 풍력, 지열, 천연가스, 수력, 조력 등으로 추정된다. 이 순서는 에너지자원으로서의 부존량을 말하는 것으로 2차에너지로 변환 한 후의 양을 뜻하는 것은 아니다.

    오늘날 인간의 경제활동은 점점 더 에너지집약형으로 되어 가고 있다. 에너지이용의 패턴은 시간이 가면서 변천할 것이며, 소비량도 계속 증가할 것이기 때문에 이 증가를 어느정도 차감시키기기 위해 한국에너지기술연구소와 같은 연구기관에서 에너지효율이 높은 기기와 장치, 재료에 대한 기술개발이 이루어지고 있다.
    한 번 사용한 물자의 재순환도 에너지소비량을 줄이는 하나의 방법이다. 고철(古鐵)을 써서 강철을 제조하면 원광(原鑛)에 비해 그 에너지 소비가 4분의 1도 안된다. 폐지를 이용해서 종이를 생산하면 생펄프에서 종이를 제조하는 에너지의 30%도 소요되지 않는다. 농수산 임산 부산물의 폐기물과 도시 폐기물의 에너지화도 에너지생산에 크게 기여할 수 있다

    에너지 이용의 극대화에서 가장 중요한 개선이 있을 수 있는 부문은 발전(發電)이다. 발전 부문에서의 열효율의·증대는 기존 기술의 개량·개선·재구성 등으로도 이를 수 있으나, 기존과 다른 새로운 발전방식의 개발과 실용화가 더 큰 역할을 할 것이다. 이러한 부문에서의 에너지 생산기술의 혁신은 에너지를 주요 원동력으로 하는 인간의 경제·사회활동을 풍요롭게 해 주고 자유롭고 안락하며 편리한 생활을 제공해 줄 것 이다.

  • 에너지원의 발전

    인류문명의 발전은 에너지이용의 역사와 그 맥을 같이 한다. 18세기 산업혁명 이전에는 풍력, 수력 등 자연력과 가축에 의존했던 주에너지원이 산업혁명의 원동력인 증기기관이 발명된 후부터는 석탄으로 전환되었다.

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    20세기에 접어들면서 더욱 진보된 지질학, 화공학 등의 과학기술의 발전으로 저렴한 가격, 다양한 용도, 고열량 등의 경제적 특성을 지닌 석유와 천연가스가 주에너지원으로서의 위치를 석탄으로부터 물려 받았다.

    1960년대부터 발전용으로 원자력이 사용되기 시작하였고, 현재는 태양에너지, 파도를 이용한 조력, 지열 등을 에너지원으로 이용하고자 하는 시대에 와 있다.
  • 에너지의 원천 - 태양

    에너지의 원천으로서의 태양은 지구로부터 대략 1억5천만 Km의 거리를 유지하고 있는 거대한 빛의 덩어리로서 지름은 1백 40만km로 지구의 110배나 되고, 질량은 지구의 약 33만 배입니다. 그러나 태양은 지구와 같은 고체가 아닌 거대한 기체덩어리로 되어 있습니다.

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    태양무게의 4분의 3정도가 수소로 구성되어 있으며, 다음이 헬륨이고 이밖에 극히 적은 양의 나트륨, 마그네슘, 철 등이 기체상태로 존재합니다. "헬륨"이라는 말은 라틴어로 "태양"을 뜻하며 태양을 오랫동안 관측해온 천문학자들이 분광학적으로 분석한 결과 태양에 많이 존재한다고 하여 헬륨으로 이름을 붙이게 된것입니다. 태양표면의 온도는 섭씨 6천도 정도이며 중심부의 온도는 섭씨 1천 5백만도나 됩니다. 여기에서 우주공간으로 방출되는 에너지는 실로 엄청난 양입니다. 이같이 막강한 태양 에너지 총방출량 중 20억분의 1정도가 매일 지구표면에 내려쪼이고 있는 셈입니다.

    [태양에너지의 특징]

    1. 태양에너지는 무한정입니다.
    즉, 태양이 있는 한 태양에너지는 석탄, 석유, 우라늄과는 달리 계속 사용하더라도 고갈되지 않는 영구적인 에너지입니다. 대기권외에 받는 태양에너지의 밀도는 1M2 당 1.35kw 이고 지구가 태양복사를 받는 단면적은 1.275 x 1014 m2 이므로 지구가 받는 총에너지량은 1.73 x 1014 KWH 즉, 1.48 x 1017 Kcal 입니다. 이중 30%는 직접 반사되고 나머지 70%인 1.04 x 1017 Kcal가 지구에 도달합니다. 우리나라의 평균일사량은 M2 당 하루에 약 2,000 Kcal 로써 태양에너지는 약 1.0 x 1017 Kcal 에 달합니다.

    2. 태양에너지는 무공해 자원입니다.
    태양에너지는 청결하며 안전합니다. 우리가 호흡하는 공기나 마시는 물을 오염시키지 않으며, 인류의 건강이나 생명을 위협하는 사고의 위험도 없고, 폐기물 처리 문제를 일으키는 독성 폐기물도 남기지 않습니다.

    3. 태양에너지는 어디에서나 이용가능합니다.
    태양에너지는 석유나 석탄과 같이 특정지역에 편재되어 있지 않으며, 지역적으로 다소 차이는 있으나 어떠한 지역에서도 이용가능한 에너지입니다. 그러나, 태양에너지는 두가지 불리한 점이 있습니다.

    첫째는 태양에너지의 밀도가 낮다는 것입니다. 즉, 태양에너지는 지구 전체에 얇게 퍼져 있어서 한장소에 떨어지는 양이 매우 작습니다. 따라서 태양에너지를 이용하기 위해서는 넓은 면적이 요구되고,이러한 문제점을 해결하기 위해 어떤 장치를 이용하여 이것을 집광, 혹은 집열시켜야 하며, 태양에너지의 변환효율을 증진시켜야 합니다.

    둘째 태양에너지는 간헐적입니다. 야간이나 흐린날에는 태양에너지를 이용할수 없으며, 따라서 태양에너지를 효율적으로 이용하기 위해서는 경제적이고 신뢰성이 높은 저장 시스템을 개발하여야 합니다. 이 두 문제점을 해결하기 위하여 집열기술 및 저장기술이 계속적으로 연구 개발되고 있습니다.

    *참고문헌 : 「태양을 잡자」, 임상훈(공학박사 한국에너지기술연구원) 지음
  • 발열량

    발열량(Heating value ; H.V. 또는 Calorific value)은 단위 중량의 물질이 완전연소하는 경우에 발생되는 열량을 말한다. 단위 중량(kg, lb)이나 부피(기체의 경우 Nm3, ft3)의 연료를 기준으로 kcal/kg 혹은 kal/Nm3와 같이 나타낸다.

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    다만 분자중에 수소가 들어 있는 경우에는 연소로 생기는 물의 상태가 기체(수증기)인가 액체(물)인가에 따라 그 증발열만큼 차이가 나므로 전자를 저위(Lower or Net)발열량, 후자를 고위(Higher or Net)발열량이라 하여 구분한다. 가장 간단한 탄화수소인 메탄의 연소화학식은 다음과 같다.

    CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

    단순한 몇종류 연료의 발열량을 살펴보면 다음의 표와 같다.
  • 열의 특징과 에너지의 열성화

    에너지는 여러 가지 형태가 있으나 그 중에서 열에너지는 다른 에너지에 없는 하나의 성질을 갖고 있다. 열 이외의 에너지는 모두 다른 에너지로 전환된다. 또한 직접 혹은 간접으로 전부 열로 전환하는 것이 가능하다. 이것에 반해 열을 전부 일 또는 기타의 형태로 바꾸는 것은 불가능하다.

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    열을 일로 바꿀 때에는 열이 온도가 다른 두 장소에 있어야 한다 . 또한 그 사이에서 작용하는 가여기관의 효율로 주어지는 이상의 것을 일로 하기란 불가능하다. 반드시 열의 일부가 온도가 낮은 장소로 이동한다. 이때 더욱 온도가 낮은 장소가 없는 한 그 열은 일로 변하지 않는다. 주위의 환경이 변하지 않으면 열은 언제까지나 다른 형태로 되지 않는다. 이것은 다른 형태의 에너지에서 볼 수 없는 것으로 열에너지의 특유한 것이다. 열에너지가 다른 에너지에 비해 특별한 것이라는 것은 처음으로 플랑크(Planck 1858-1947)가 지적하였다고 한다.

    열은 높은 온도로 있으면 그 일부를 다른 에너지로 전환할 수 있으나 낮은 온도로 옮겨진 열은 이용할 수 없다. 이러한 열은 열성화(熱性化)되었다고 한다. 온도는 열의 열성화의 정도를 나타내는 것으로 보여진다. 즉 온도는 열에너지의 성질을 나타내는 것이다.

    에너지의 소비라는 것은 에너지의 열성화라고 보아도 무방하다. 가령 열기관에서 저온 열원에 방출된 열은 열성화되어 있으나 에너지로서는 불변이며 소실되어 있지 않다. 이처럼 에너지의 열성화를 소비라고 하는 것이 일상용어와 물리학 용어 사이의 혼란의 원인이지만 이 열성화의 의미가 갖는 에너지 소비의 개념 그 자체는 중요하다.

  • 연소와 연료

    연소(Combustion)란 열과 빛을 동반하는 두 물질간의 급속한 화학반응으로서 대개의 경우 두물질이란 연료와 산소이다. 연료(Fuel)란 산소 또는 산소와 질소의 1: 4혼합공기 가운데 연소에 의하여 열을 발생시키는데 사용되는 물질이다.

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    대표적인 것은 원유, 석탄, 천연가스등 화석연료와 이를 원료로 하는 각종 석유제품, 연료가스 및 메탄올, 코크스 등이지만 나무, 목탄, 건초, 동식물유지 등 생물자원과 함께 이를 원료로 하는 에탄올등도 이에 포함된다.또 일반연료와는 전혀 다르지만 원자력발전소에서 핵분열로 열을 발생시키는 농축우라늄등은 핵연료이다.

    각종 연료는 다양한 화학식을 가진 물질로 구성되어 있으나, 그 가운데 연소로 열을 발생시키는 대표적 원소는 탄소, 수소, 황의 세가지로 다음과 같이 그 과정을 간략히 나타낸다.


    - 탄소 + 산소 → 이산화탄소 + 열

    - 수소 + 산소 → 수증기 + 열

    - 황 + 산소 → 이산화황 + 열 또는 화학식으로 표시하면 다음과 같다.

    - C + O2 → CO2 + 열(탄소 1g당 7.8 kcal)

    - H2 + 1/2 O2 → H2O + 열(수소 1g당 L.28.7, H.33.9kcal)

    ☞ 단 L=저위, H=고위발열량

    - S + O2 → SO2 + 열(황 1g당 2.2kcal)

    화석연료 또는 그것으로 만든 연료의 주성분 물질은 대부분 탄소와 수소를 상당히 함유하고 약간의 황을 포함하는 수가 있다. 이들 연료를 산소(또는 공기)중에서 연소시키면 위에 보인 것과 비슷한 반응을 통하여 탄소, 수소, 황이 각각 이산화탄소(탄산가스), 수증기, 이산화황(아황산가스)으로 변화하면서 연소열이 발생한다.

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