나뭇잎 교과서

에너지 효율과 신재생 에너지

에너지는 사라지지 않는다고 배웠는데, 왜 에너지를 아껴야 할까요? 이 절에서는 에너지가 쓸모 있는 형태에서 쓸모없는 열로 흩어지는 과정을 따라가고, 햇빛과 바람으로 그 흐름을 얼마나 바꿀 수 있는지 봅니다.

본문

에너지 효율과 신재생 에너지

본문

에너지는 생기지도 사라지지도 않는다고 배웠다. 그렇다면 에너지 위기란 무엇이고, 왜 에너지를 아껴야 할까? 전등이 쓴 전기 에너지는 어디로 가며, 같은 일을 하면서 에너지를 덜 쓰는 방법은 무엇일까?

그림 1. 들어간 에너지의 합과 나온 에너지의 합은 언제나 같지만, 쓸모 있는 빛으로 나오는 비율, 곧 효율은 전등마다 다르다(대략값).
먼저 알아야 할 것에너지 보존 법칙, 발전기의 원리(발전과 전력 수송), 태양 에너지의 흐름(태양 에너지와 에너지 흐름).

2.6.1보존되지만 흩어진다

백열전구에 100 J의 전기 에너지를 넣으면, 빛으로 나오는 것은 약 5 J이고 나머지 약 95 J은 열로 나온다. 합하면 100 J이므로 에너지는 보존된다. 그런데 열로 나온 95 J은 방의 공기를 아주 조금 데우고 흩어져, 다시 모아 전등을 켜는 데 쓸 수 없다. 즉 에너지의 양은 그대로이지만 쓸모 있는 형태에서 쓸모없는 형태로 바뀐 것이다.

에너지가 전환될 때는 언제나 일부가 이렇게 흩어진 열이 되며, 흩어진 열은 저절로 한곳에 모이지 않는다. 따라서 에너지를 '아낀다'는 것은 쓸모 있는 형태의 에너지, 곧 연료와 전기를 덜 쓴다는 뜻이다.

정의 2.6.1 에너지 효율

공급한 에너지 가운데 원하는 형태로 쓰인 에너지의 비율을 에너지 효율이라 한다. \[\text{효율} = \frac{\text{쓸모 있게 나온 에너지}}{\text{공급한 에너지}} \times 100\,\%\]

그림 1에서 전등을 바꾸어 보자. 같은 밝기를 내는 데 백열전구는 약 60 W, LED 전구는 약 8 W를 쓴다. LED는 빛으로 바뀌는 비율이 훨씬 높아서 같은 빛을 얻는 데 전기를 7분의 1 정도만 쓴다.1

2.6.2신재생 에너지

석탄, 석유, 천연가스 같은 화석 연료는 수억 년에 걸쳐 만들어져 쓰는 만큼 줄어들고, 태우면 이산화 탄소를 내놓는다. 그래서 햇빛, 바람, 흐르는 물, 지열처럼 계속 다시 채워지는 에너지원이 주목받는다. 이것을 재생 에너지라 하고, 수소와 연료 전지 같은 새로운 에너지를 합쳐 신재생 에너지라 한다.

0시6시12시18시24시 태양광 발전량전력 수요
그림 2. 태양광 발전은 한낮에 많고 밤에는 없으므로, 수요에 맞추려면 저장 장치나 다른 발전과 함께 써야 한다(모식).

신재생 에너지는 연료가 들지 않고 이산화 탄소를 거의 내놓지 않지만, 날씨와 시간에 따라 발전량이 크게 바뀐다. 그림 2처럼 태양광은 저녁에 수요가 많을 때 발전하지 못한다. 그래서 남는 전기를 배터리에 저장하거나, 여러 지역과 여러 발전 방식을 묶어 서로의 빈틈을 메운다.

2.6.3예제 풀이

예제 2.6.2

교실에 60 W 백열전구 10개를 하루 8시간씩 켜다가 같은 밝기의 8 W LED 전구로 바꾸었다. 1년(200일) 동안 절약하는 전기 에너지는 몇 kWh인가? 면적 1 m², 효율 20%인 태양 전지가 하루 평균 4시간 동안 1000 W/m²의 햇빛을 받는다면, 이 절약량은 태양 전지 몇 m²가 1년(365일) 동안 만드는 전기와 같을까?

전구 하나당 줄어드는 전력은 \(60 - 8 = 52\) W이므로, 10개면 520 W, 곧 0.52 kW이다. 하루 8시간, 200일이면 \(0.52 \times 8 \times 200 = 832\) kWh를 절약한다.

태양 전지 1 m²는 하루에 \(1\ \text{kW} \times 0.2 \times 4\ \text{h} = 0.8\) kWh를 만들고, 1년에 \(0.8 \times 365 = 292\) kWh를 만든다. 따라서 절약량 832 kWh는 태양 전지 약 \(\dfrac{832}{292} \approx 2.8\) m²가 1년 동안 만드는 전기와 같다.

효율 좋은 전구로 바꾸는 일이 지붕에 태양 전지 3 m²를 새로 다는 것과 비슷한 효과를 낸다. 에너지를 새로 만드는 것과 덜 쓰는 것은 같은 무게를 가진다. 아래 탐구 카드에서 여러 기기의 효율과 신재생 에너지의 하루 발전량을 직접 비교해 보자.

  1. 빛으로 바뀌는 비율은 백열전구가 약 2~5%, 형광등이 약 10~15%, LED가 약 20~40%로 알려져 있다. 제품에 따라 다르므로 이 카드의 값은 대략값이다.
마무리

에너지는 전환되어도 총량이 보존되지만, 그때마다 일부가 다시 쓸 수 없는 흩어진 열이 되므로 쓸모 있는 에너지는 줄어든다. 그래서 효율을 높여 같은 일을 적은 에너지로 하고, 다시 채워지는 신재생 에너지를 늘려야 한다. 처음 질문의 '아끼기'는 에너지의 양이 아니라 쓸모 있는 형태의 에너지를 덜 흩어지게 하는 일이다.

탐구 1

에너지는 보존되는데 왜 아껴야 할까?

에너지 흐름 · 효율
전체 효율 (빛이 된 몫)
—
빛 1 J에 드는 처음 에너지
—
열로 흩어진 몫 (/100)
—

단계별 효율은 대략값이다. 발전소와 전등의 종류, 운전 조건에 따라 달라진다.

  1. 질문에너지는 새로 생기지도 사라지지도 않는다. 그렇다면 “에너지를 아끼자”는 말은 무엇을 아끼자는 걸까?
  2. 복원에너지는 형태를 바꿀 뿐 총량은 그대로이다. 연료의 화학 에너지는 열, 운동 에너지, 전기 에너지, 빛 에너지로 차례로 바뀐다.
  3. 설명그런데 바뀔 때마다 일부는 우리가 원하지 않는 열로 흩어진다. 흩어진 열은 주변 공기를 조금 데울 뿐, 다시 모아 전기로 쓰기 어렵다. 즉 아끼는 것은 에너지 총량이 아니라 쓸모 있는 형태의 에너지이다.
  4. 연결그래서 효율 = 쓸모 있게 나온 에너지 / 들어간 에너지로 잰다. 여러 단계를 거치면 전체 효율은 각 단계 효율의 곱이 되므로, 한 단계만 효율이 낮아도 전체가 크게 줄어든다.
  5. 적용석탄 화력에 백열전구를 고르고, 전등만 LED로 바꿔 보자. 전체 효율이 몇 배가 되는지 읽고, 발전소를 바꿀 때와 어느 쪽 효과가 더 큰지 비교해 보자.
  6. 판단“효율 100%인 기계를 만들면 된다”는 생각은 불가능한 목표이다. 열을 일로 바꾸는 과정에는 넘을 수 없는 한계가 있기 때문이다. 또 효율만으로 발전 방식을 고를 수는 없다. 태양광은 효율이 낮아도 연료가 들지 않는 대신, 넓은 땅과 날씨라는 다른 제약이 있다.

확인조건이 달라지면

석탄 화력 전기로 켜던 백열전구(효율 약 5%)를 같은 밝기의 LED(효율 약 40%)로 바꾸면, 발전소에서 태우는 석탄은 어떻게 될까?

탐구 2

태양 전지는 햇빛을 얼마나 전기로 바꿀 수 있을까?

띠틈 · 햇빛 스펙트럼
그냥 통과 (회색)
—
열로 잃음 (주황)
—
쓸 수 있는 몫 (초록)
—

햇빛을 5778 K 흑체 복사로 근사한 모식 계산이다. 띠틈 값은 실제 물질의 값이다.

  1. 질문태양 전지 패널의 효율은 대개 20% 안팎이다. 햇빛의 나머지 80%는 어디로 갈까?
  2. 복원빛은 광자라는 알갱이로 에너지를 전달하고, 광자 하나의 에너지는 파장이 짧을수록 크다(E = hc/λ, 1240 eV·nm ÷ 파장). 그리고 반도체에서 전자가 전기를 나르려면 띠틈만큼의 에너지를 받아 원자가 띠에서 전도띠로 올라가야 한다.
  3. 설명그래서 띠틈보다 에너지가 작은 광자는 전자를 올리지 못하고 그냥 통과한다. 반대로 띠틈보다 큰 광자는 전자를 올리지만, 남는 에너지는 곧 열로 바뀌고 전자는 띠틈만큼의 에너지만 전기로 내놓는다.
  4. 연결즉 띠틈이 작으면 흡수는 많지만 광자마다 열로 잃는 몫이 크고, 띠틈이 크면 광자마다 얻는 몫은 크지만 흡수하는 광자가 적다. 두 손실 사이의 균형점이 1.1~1.4 eV 부근이다.
  5. 적용띠틈 슬라이더를 끝에서 끝까지 움직이며 초록 넓이가 가장 커지는 곳을 찾아보자. 규소와 갈륨 비소 버튼이 바로 그 근처에 있다.
  6. 판단이 그래프의 ‘쓸 수 있는 몫’(약 44%)은 위의 두 손실만 뺀 값이다. 실제로는 올라간 전자가 다시 떨어지는 손실 등이 더해져 한 층짜리 태양 전지의 이론 한계는 약 33%이고, 시판 규소 패널은 20% 안팎이다. 다만 띠틈이 다른 층을 여러 겹 쌓으면 이 한계를 넘을 수 있다.

확인조건이 달라지면

규소(띠틈 1.12 eV) 태양 전지에 파장 1300 nm의 적외선만 아무리 세게 비추면 어떻게 될까?

탐구 3

태양광과 풍력만으로 하루 전기를 채울 수 있을까?

수요와 공급 · 저장
재생 에너지로 채운 몫
—
모자란 몫
—
남아서 버린 발전량
—

하루 최대 수요를 약 100으로 둔 상대값의 모식 모형이다. 설비 100은 햇빛이나 바람이 가장 셀 때 100을 낼 수 있는 규모, 저장 100은 최대 수요를 한 시간 채울 만큼이다. 충전과 방전에서 각각 5%를 잃는다.

  1. 질문태양광 패널과 풍력 발전기를 충분히 많이 세우면, 화석 연료 발전소 없이 전기를 쓸 수 있을까?
  2. 복원전기는 만드는 양과 쓰는 양이 매 순간 같아야 한다. 남는 전기를 그대로 쌓아 둘 수 없고, 모자라면 전압과 주파수가 흔들린다.
  3. 설명그런데 사람들이 전기를 쓰는 시간과 해가 뜨고 바람이 부는 시간은 다르다. 태양광은 한낮에 몰려 있고 밤에는 0이다. 그래서 설비를 늘리면 낮에 남는 전기만 늘고, 밤의 부족분은 그대로이다.
  4. 연결이 시간 차이를 메우는 것이 배터리, 양수 발전 같은 저장 장치로, 남을 때 채우고 모자랄 때 꺼내 쓴다. 즉 필요한 것은 하루 총량이 아니라 시간마다 공급이 수요를 따라가는 것이다.
  5. 적용저장 장치를 0으로 둔 채 태양광만 400까지 늘려 보면, 밤의 부족분이 거의 줄지 않는다. 그다음 저장 장치를 늘려 보고, 날씨를 ‘흐린 여름날’로 바꿔 부족분이 어떻게 되는지도 확인해 보자.
  6. 판단맑은 날 하루를 채웠다고 해서 “재생 에너지만으로 충분하다”고 결론 내릴 수는 없다. 흐리거나 바람이 약한 날이 며칠씩 이어지는 경우와 계절에 따른 차이까지 따져야 하기 때문이다. 반대로 “밤에는 해가 없으니 불가능하다”는 말도 저장과 여러 지역을 잇는 전력망을 빼놓은 결론이다.

확인조건이 달라지면

저장 장치가 전혀 없는 지역에서 태양광 설비를 두 배로 늘렸다. 밤 시간의 부족분은 어떻게 될까?

탐구 4

우리 학교 전기를 신재생 에너지로 채운다면 무엇을 얼마나 지을까?

신재생 에너지 설계 · 지역 조건 · 계절 변동
학교 위치
연간 자급률
—
부족한 달
—
필요한 면적
—
설치비 (예산 7억)
—

학교 연간 전력 수요는 30만 kWh(여름 냉방과 겨울 난방에 많음)이다. 태양광 1 kW는 1년에 약 1,300 kWh(우리나라 평균)를 만들고 6.5 m²가 필요하다. 지역별 일사량, 풍속, 하천 조건과 설치비는 교육용 어림값이고, 학교 옥상과 운동장 그늘막에 쓸 수 있는 면적은 1,500 m²이다.

  1. 질문학교 지붕에 태양광 패널을 얹으면 학교 전기를 모두 채울 수 있을까? 섬에 있는 학교와 산골 학교라면 답이 같을까?
  2. 복원태양광은 햇빛의 에너지를, 풍력은 바람의 운동 에너지를, 소수력은 물의 위치 에너지를 전기로 바꾼다. 또 지열은 땅속 온도가 1년 내내 거의 일정한 것을 이용해 냉난방에 드는 에너지를 줄인다.
  3. 설명신재생 에너지는 지역 조건에 따라 효율이 크게 다르다. 바람이 약한 도시에서 풍력은 거의 쓸모없고, 물이 흐르지 않으면 소수력은 지을 수 없다. 또 태양광은 봄과 여름에, 풍력은 겨울에 많이 만들어 계절마다 공급이 달라진다(간헐성).
  4. 연결그래서 한 가지만 크게 짓기보다 지역에 맞게 여러 가지를 섞고(에너지 믹스), 지열과 단열로 수요를 줄이고, 남는 전기를 저장해 부족할 때 쓰는 것이 함께 필요하다. 면적과 예산이라는 제약도 설계를 좌우한다.
  5. 적용세 지역에서 각각 예산 7억 원과 면적 1,500 m² 안에서 자급률이 가장 높은 조합을 찾아보자. 연간 자급률이 100%가 넘어도 부족한 달이 생기는데, 계절마다 공급과 수요가 어긋나기 때문이다.
  6. 판단연간 합계로 100%를 채워도 밤과 흐린 날에는 전력망에서 전기를 받아야 한다. 이 카드는 달 단위만 보았지만 실제 설계는 시간 단위 수요와 공급을 맞춰야 하고, 패널의 수명과 폐기, 풍력의 소음과 조류 충돌, 하천 생태계 같은 환경 비용도 함께 따져야 한다.

확인지역 조건

바람이 약하고 일사량이 많은 내륙 도시 학교에 가장 알맞은 조합은?

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