에너지 효율과 신재생 에너지
본문에너지는 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?
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.
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.
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
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.
- 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.
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.