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8/7/2023
조금이라도 새로운 에너지 자원에 대한 관심이 있는 사람이라면, 혹은 뉴스나 신문기사를 관심있게 보는 사람이라면 ‘신재생에너지'란 단어를 눈과 귀에 익게 접했을 것이다. 신재생에너지란 단어에서 유추할 수 있듯이, ‘지속적인 사용이 가능하다’는 의미를 담고있다. 즉, 비고갈성이라는 가장 큰 특징을 지닌다. 이것은 전통에너지원인 화석연료와 가장 큰 차별점이자 미래의 에너지로 주목받고 있는 이유이다. 신재생에너지가 친환경 청정에너지라는 점 또한 미래에너지로 평가받는 이유이다.
아마 이 글을 읽고있는 여러분 대다수가 신재생에너지 종류 중 가장 친숙하게 느끼는 것은 태양광일 것이다. 요새 길을 걷다보면 태양광 패널이 초등학교 옥상 위, 주차장 지붕 등 우리 주변 곳곳에 설치된 것을 쉽게 볼 수 있다. 그러나 신재생에너지의 종류엔 태양광 이외에도 무려 11가지가 더 존재한다. 신재생에너지는 신에너지와 재생에너지의 합성어이다. 우리에게 익숙한 태양광은 재생에너지에 속한다. 신재생에너지는 탄소중립(탄소중립: 이산화탄소 배출량 0)을 위해 기존 화석연료를 대체할 에너지로서 친환경적일뿐 아니라 우리의 삶을 지속가능하게 한단 점에서 현재 전세계적으로 상용화를 위해 활발히 연구 및 기술개발이 이뤄지고 있다.
이 글은 제목이 ‘신재생에너지 101’인 만큼, 일명 신재생에너지에 이제 막 관심을 가지고 입문하려는 자들이 신재생에너지의 기본정보를 빠르게 습득할 수 있도록 작성된 글이다. 이 글을 통해, 태양광을 포함해 12가지 신재생에너지 종류가 각각 어떤 것인 지, 어떤 장단점을 지니는 지에 대해 간략히 배울 수 있는 기회가 되길 바란다. 글을 읽은 후, 그 중 더 관심이 가는 것이 있다면 개인적인 조사를 해보는 것을 추천한다.
우선, 신에너지와 재생에너지의 두 단어의 정확한 의미를 짚어봄으로써 둘의 차이를 알아보자. 신에너지란 1)기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 2)수소나 산소 등의 화학반응을 통해 전기 또는 열로 이용하는 에너지를 의미한다. 재생에너지란 햇빛, 물, 바람같은 자연에서 얻을 수 있는 것을 에너지 원천으로 이용하는 ‘재생가능'한 에너지를 의미한다. 신에너지는 기존 화석연료를 변환하여 이용하는 에너지 종류를 포함하기때문에, 재생불가능하다는 것이 재생에너지와의 차이점이다.
- 수소에너지
- 연료전지
- 석탄을 액화/가스화한 에너지 및 중질잔사유를 가스화한 에너지
- 태양열, 태양광
- 풍력
- 수력
- 지열
- 해양에너지
- 바이오에너지
- 폐기물에너지
- 수열
수소에너지는 물 또는 유기물을 변환시켜 수소를 생산 또는 이용하는 기술을 이용한 신에너지로서 미래의 청정에너지원으로 주목받고 있다. 특히, 수소가 미래의 연료로 각광받는 이유는 오염물질 배출이 없고 오직 물만 부산물로 배출하기때문에 청정무해하며, 기체, 액체 등 다양한 형태로 저장가능한 특성때문에 생산, 저장, 운반이 안전하고 용이하기때문이다. 또한, 수소는 우주물질의 75%를 차지하며 지구상에 대량으로 존재한다. 다만, 현재 수소에너지가 연료로서의 역할을 온전히 수행하기위해선 기술개발 및 정비의 시간이 더 필요한 상황이다. 그러나, 수소에너지의 보급화가 이뤄진다면, 화석연료와 달리 경제적, 지역적 편차없이 더욱 평등한 자원분배가 이뤄질 수 있다. 또한, 탄소경제를 살고있는 현재, 한국은 화석연료를 수입에 의존하고 있지만, 수소에너지 기술이 고도화된 후 수소경제가 도래함으로써 에너지자립화가 가능하다는 점에서 더욱 개발과 추이에 주목할 필요가 있다.
연료전지는 간단히 말해 수소를 원료로 하여 전기를 저장하는 장치를 일컫는다. 수소를 원료로 하기때문에 앞서 설명한 수소에너지의 동반자라고 할 수 있다. 연료전지는 수소와 화학의 반응으로 생기는 화학에너지를 전기화학반응을 통해 직접 전기에너지로 변환하는 에너지 변환 장치이다. 기존의 배터리와 달리 연료가 공급되는 한 재충전없이 계속해서 전기를 생산할 수 있으며, 반응 중 발생된 열은 급탕 및 난방에 이용될 수 있다는 장점이 있다. 즉, 작동 시에 전기 발전효율 50%와 열효율 30%가 함께 이뤄진다는 점에서 총 70~80%의 고효율성을 띈다. 또한, 공해와 소음이 없기 때문에 미래의 에너지 장치로 주목받고 있다.
석탄액화·가스화에너지의 장점은 고효율 발전이 가능하고, 공해물질이 많이 감소되는 친환경적 에너지이다. 무엇보다도, 저급연료를 부가가치가 높은 에너지로 변화시킨 다는 점에서 주목받고 있다. 단점은 초기 설비 비용이 높고, 설비 구성 및 제어과정이 복잡하단 것이다.
석탄(중질잔사유) 가스화는 석탄, 중진잔사유 등의 저급원료를 가스화 복합발전기술(IGCC ; Integrated Gasification Combined Cycle)을 이용하여 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스를 만들어 정제공정을 거쳐 가스터빈 및 증기터빈 등을 구동하여 발전하는 것을 말한다.
석탄 액화란 고체연료인 석탄을 휘발유 및 디젤유 등의 액체연료로 전환시키는 기술을 이용한 신에너지이다. 석탄 액화기술엔 두 가지 종류가 있는데, 1)고온,고압 상태에서 용매를 사용해 전환시키는 직접 액화기술과 2)석탄 가스화 이후에 촉매 상에서 액체연료로 전환시키는 간접 액화기술이 있다.
태양광발전은 현재 가장 대중화된 재생에너지로서 햇빛이 있는 곳이라면 어디든 설치하여 발전가능하단 점에서 다른 재생에너지인 풍력이나 수력에 비해 지리적 조건의 제한이 적기때문에 상용화에 유리하다고 할 수 있다. 태양광에너지는 태양의 빛에너지를 전기로 바꾸는 것을 의미한다. 태양광이 국내에서 민간수준까지 대중화된 것은 그리 오래되지 않았지만, 사실 태양광 이용의 시작은 1870년대이다. 태양광 작동의 기본원리인 광전효과는 1839년 프랑스에서 발견됐으며, 그 후 1870년대 이 광전효과는 사진기의 노출계에 적용되었다. 그 후 1954년 현대 태양전지의 시초가 되는 실리콘 태양전지가 개발됐다. 이후에 태양전지를 우주의 위성에 적용하기 시작했으며, 이후 모든 위성에 사용하였다. 1970년대부터 본격적인 상업화를 위한 연구가 진행되었고, 현재 효율 20%, 수명 20년이상의 태양전지가 활발히 보급되고 있다. 태양광의 장점으로는 태양의 빛을 에너지원으로 사용하므로 청정, 무제한하다는 것과 유지보수가 용이하고 무인화가 가능하며 수명이 20년이상으로 길다는 것이 장점이다. 다만, 전력생산량이 지역과 계절에 따라 좌우되므로 일사량이 일정하지 않다는 단점이 있다. 또한, 에너지밀도가 낮기때문에 큰 설치면적이 필요하며, 설치장소가 한정적이고 초기 시스템 투자비용과 발전단가가 높다는 것이 단점이다. 그러나, 태양광이 민간수준에서 더욱 활성화되도록 각 나라별 정부의 지원정책이 다양하게 이뤄지고 있다. 태양광발전시스템은 태양전지, 접속함, 인버터, 축전지, 모니터링 시스템으로 구성된다. 그 중에서도 핵심이 되는 요소인 태양전지는 다양한 종류로 시중에 나와있는데, 크게 BAPV(Building Attached Photovoltaics)와 BIPV(Building Integrated Photovoltaics)로 나눌 수 있다. BAPV는 건물에 부착하는 형태로서 가장 흔한 종류로 주변에서 쉽게 볼 수 있는 것이라고 생각하면 된다. BIPV는 건물일체형으로 건축부자재 역할을 하는 동시에 태양전지 역할을 하므로 2 in 1의 기능을 하는 종류라고 생각하면 된다. 태양전지의 종류에 대해선 태양전지 주제의 글에서 더욱 자세히 다루도록 하겠다.
태양광 발전이 태양의 빛을 전기로 전환하는 방식이라면, 태양열은 태양의 열을 집열하여 온수 및 난방에 이용하는 방식이다. 태양열은 다른 신재생에너지에 비해 설치가 간단하고 비교적 저가에 공급되고 있기때문에 태양광처럼 보급이 활발히 이뤄지고 있다. 태양열시스템은 크게 집열부, 축열부, 이용부로 구성된다. 태양의 빛이 주는 열을 모아서 온수 및 난방에 이용하는 것이다. 태양열시스템은 열매체 구동장치 유무에 따라서 자연형(Passive)과 설비형(Active)시스템으로 나뉘는데, 일반적으로 후자를 태양열시스템이라고 한다. 자연형은 열매체 구동장치가 별도로 없는 시스템으로서 주로 창문이나 벽면같은 건물의 구조물을 활용하여 태양열을 집열하는 구조이고, 설비형은 열매체 구동장치를 동반하는 시스템으로서 집열기를 별도로 설치하여 태양열을 수집하는 방식이다.
풍력발전은 바람의 힘을 이용하여 전기를 생산하는 방식이다. 바람의 세기가 강할수록 발전량이 높기때문에, 바람이 강하게 부는 해안지역에서 보통 많이 사용한다. 바람의 힘을 이용하는 것이지만, 사실상 태양이 바람의 힘을 야기하는 시작이다. 태양과 바람이 도대체 무슨 상관관계냐고 물음표를 던질 수 있다. 원리를 간략히 살펴보자면, 태양의 열이 모든 지역에 골고루 쬐어지지 않기때문에 공기 중에 온도차가 발생하게 되는데, 이 때 공기가 차가운 지역에서 더운 지역으로 공기가 이동하는 데 이것을 바람이라고 한다. 즉, 태양이 있는 한 바람은 자연스레 ‘이동'이라는 ‘운동’을 하므로 풍력은 어디에서나 가능하다고 할 수 있다. 그러나, 유효한 발전량을 생산하기 위해서 연중 바람이 불고 그 세기가 충분히 강해야하므로, 바람의 세기가 미미한 지역보다 강한 지역이 풍력발전을 사용하기에 보다 적합하다고 할 수 있다. 이런 풍력발전시스템의 주요 구성요소는 ‘날개(Blade)’이다. 풍차의 날개는 바람의 운동에너지를 기계적 회전력으로 변환시키는 역할을 한다. 날개가 주요 구성요소이지만, 요새는 날개에 치여죽는 동물이 많다는 환경문제때문에 날개없는 형태의 풍력발전기도 다양하게 나오고 있다. 국내에서 풍력발전은 바람이 많은 산이나 해안선이 긴 바다를 따라 설치된 경우가 많다. 한국에선 동해와 접하고 있는 강원도에 가장 많은 풍력발전기가 설치되어 있다. 풍력의 장점을 살펴보면, 자연의 자원을 사용하므로 연료비가 따로 들지 않아 경제적이고 온실가스가 배출되지 않기때문에 청정에너지이다. 또한, 풍력발전기는 관광자원으로도 활용가능하므로 지역경제 성장에도 긍정적 영향을 끼친다. 실제로 국내 대관령 풍력발전소와 제주도의 풍력발전소 주변엔 관광객을 위한 숙박시설이 모여있다. 단점을 살펴보면, 연중 안정적인 수준으로 바람이 부는 지역이 흔치 않기때문에 태양광에 비해 지리적 조건의 제한이 크다는 것이 단점이다. 또한, 날개가 돌아갈 때 발생하는 소음이 단점이며, 앞서 언급한 날개로 인한 조류들의 죽음도 문제로 꼽히고 있다.
수력은 풍력과 발전원리가 비슷하다. 풍력이 바람의 운동에너지를 이용했다면, 수력은 물의 위치에너지와 운동에너지를 이용해 전기를 생산한다. 조금 더 풀어 설명하자면, 물은 위에서 아래로 떨어질 때 위치에너지의 차이가 발생하는데 이것을 운동에너지로 변환시켜 전기를 생산하는 것이 수력발전의 원리이다. 국내에서 흔히 볼 수 있는 댐이 바로 수력발전의 핵심요소이다. 수력은 물을 자원으로 이용하고 발전 시에 온실가스를 배출하지 않으므로 무공해 청정에너지이다. 지구상에 물이 남아있는 한 계속해서 전기를 생산할 수 있다는 것도 장점이다. 또한, 댐을 일단 설치하고 나면 전기생산에 필요한 비용은 거의 들지 않으며, 댐에 물을 저장할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 댐은 물의 자연적인 수로를 변경할 가능성이 있고, 해양생물의 산란 장소를 다른 곳으로 옮기도록 야기한다. 또한, 댐 하류로 흐르는 물의 수질, 수량, 수온을 변경시키므로 하류지역 식물의 생태계에도 위협을 가할 수 있다. 그리고 댐의 건설비용이 상당히 비싼 것도 단점이다.
지열이란 간단히 말해 땅 속의 온도를 이용하여 지상의 냉난방시트템에 활용하는 발전이다. 지하수 및 땅 속 온도는 지상과 반대로 여름엔 시원하고 겨울엔 따뜻하기 때문이다. 지열발전은 주로 화산활동이 많거나 온천이 발달한 지역에 건설된다. 따라서 대부분의 지열발전소는 화산활동이나 판의 활동이 활발한 미국, 아이슬란드, 뉴질랜드, 인도네시아, 필리핀에 건설되어 있다. 이런 지리적 조건때문에 국내에선 아직 활발히 보급되기 힘든 상황이다. 청정에너지라는 점이외에 지열발전의 가장 큰 장점은 시설운영비가 매우 저렴하다는 것이다. 그러나, 앞에서 언급했듯이 입지제한이 설치에 크게 작용하며 입지선정을 위한 조사에도 상당한 시간과 비용이 요구된다. 또한, 지열에너지를 이용하기 위해 땅 속에 수직으로 깊게 뚫는 구멍이 후에 문제를 일으킬 수 있다는 것도 우려되는 사항이다.
해양에너지는 바다에서 발생하는 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 발전이다. 해양에너지는 이름에서 특정한 것을 지칭하는 대신 해양 전체를 포괄적으로 가리킨다는 점에서 해양의 다양한 것을 에너지 자원으로 이용한다는 것을 짐작할 수 있다. 해양의 어떤 것을 에너지 자원으로 활용하느냐에 따라 5가지로 발전종류를 나눌 수 있다. 파도를 이용한 1)파력발전, 바다 속과 표면의 온도차를 이용한 2)해수온도차발전, 밀물과 썰물의 조력차를 이용한 3)조력발전, 해수의 유동에너지를 이용한 4)조류발전, 바닷물의 염도차를 이용한 5)염분차발전이 있다. 우리나라에선 조력과 조류를 이용한 발전소가 대표적이다. 단점으론 바다 속에 인프라를 구성해야하기 때문에, 풍력이나 태양광보다 시스템 설치비용이 비싸다. 그러나, 해양은 지구가 마르지않는 이상 연중 존재하기때문에, 일사량에 의존하는 태양광과 바람의 유무에 의존하는 풍력발전의 단점인 간헐성을 보완할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 바다의 여러가지 특성을 전기생산을 위해 다양한 방식으로 이용할 수 있다는 점이 특징적이다.
바이오에너지란 유기성 생물체(바이오매스 Biomass)를 이용해 전력을 생산하는 것이다. 여기서 유기성 생물체(바이오매스 Biomass)란 태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의해 생성되는 식물체, 균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물유기체를 의미한다. 캠프파이어를 할 때 불을 피우기 위해 나무땔감을 사용하는 것도 바이오에너지를 이용한 경우이다. 이렇듯 우리 주변의 생물체를 이용한 바이오에너지는 사실 우리도 모르는 새 한 번쯤 경험해본적이 있는 것이다. 바이오에너지의 연료로 쓰이는 바이오매스는 고체, 액체, 가스 3가지 형태로 나뉜다. 고체 바이오매스는 나뭇가지, 가정에서 나오는 쓰레기, 농작물 등 이다. 액체 바이오매스로는 식물성오일, 옥수수같은 식물에서 메탄올, 에탄올같은 알콜을 주성분으로 하는 연료, 식물성오일이나 동물지방에서 증류된 바이오디젤 등이 있다. 가스 바이오매스엔 식물, 동물, 비료를 분해할 때 나오는 메탄, 부패한 쓰레기나 매립쓰레기에서 나오는 바이오가스, 화석연료에서 나오는 천연가스 등이 속한다. 그러나, 최근 바이오매스의 환경에 미치는 부정적 영향에 대한 걱정이 높다. 바이오에너지는 주로 부폐된 쓰레기나 생명체를 연료로 이용하여 발전하는 것이긴 하지만, 만약 대규모, 대량으로 이용하면 석탄과 마찬가지로 나무와 같은 바이오매스를 무분별하게 연소함으로써 자원의 한계라는 문제점에 부딪힐 수 있기 때문이다. 또한, 바이오매스 연소과정에서 연기 및 이산화탄소가 발생하고 그 주변환경의 생물의 다양성을 망칠 수 있는 가능성이 있기때문이다.
사용수명이 다한 제품이나 생활 및 산업 쓰레기를 재활용하여 연료를 만들거나 소각을 통해 에너지로 이용하는 것을 폐기물에너지라고 한다. 산업이나 가정 폐기물 중 생물학적으로 분해가 가능한 폐기물을 열분해를 통해 연료로 재생산하여 산업 생산활동에 재활용할 수 있다는 것이 가장 큰 특징이자 장점이다. 전세계적으로 쓰레기 양이 기하급수적으로 늘어나는 현재, 폐기물에너지는 각종 폐기물 처리를 할 수 있는 동시에 에너지로 재활용할 수 있다는 일석이조 역할을 한다는 점에서 주목받고 있다. 그러나, 폐기물 소각 시에 발생하는 환경오염물질과 폐기물의 악취와 위생처리의 어려움이 단점이다. 폐기물에너지의 종류로는 성형고체연료(RDF), 폐유 정제유, 플라스틱 열분해 연료유, 폐기물 소각열 등이 있다.
수열은 해수 표층의 열 및 하천수의 열을 히트펌프를 이용해 냉난방에 활용하는 발전이다. 수열에너지 발전엔 연소과정이 없으므로 친환경적이다. 무엇보다도, 바닷물뿐만아니라 하천, 호수, 수돗물, 하수도까지 다양한 수자원을 활용할 수 있다는 것이 가장 큰 장점이다. 수열에너지는 주로 하천 근방의 큰 건물이나 농가, 산업체의 대규모 열원으로 활용된다. 국내에서 가장 유명한 수열에너지 이용사례는 인근 광역상수를 이용해 냉난방을 조달하는 롯데월드타워이다. 그러나 아직 우리나라의 수열에너지 개발상황은 걸음마 단계에 있다. 그럼에도 불구하고, 국내 정부가 2020년 ‘친환경 수열에너지 활성화 방안'을 시작으로 수열에너지 활성화에 대한 의지를 분명히 함에 따라 앞으로의 보급이 기대된다.
이진선 그린피스 서울사무소 기후에너지 캠페이너. 02.14.2018. 신재생에너지와 재생가능에너지, 뭐가 다르지?. Greenpeace.
『나라경제』 편집실. 2021년 5월호. 수소에너지에 대해 궁금한 것 몇 가지!. KDI경제정보센터.
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n.d. Biomass. Alternative Energy Tutorials.
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안상민. 09.12.2023. "‘비주류' 해양에너지로 재생에너지 간헐성 문제 해결 가능". 전기신문.
채덕종. 05.04.2022. [특집] 에너지절감·탄소감축 다 잡는 수열에너지. 이투뉴스.
홍시현. 05.21.2019. [기획] 강력한 드라이브 걸린 ‘수열에너지’. 투데이에너지.
n.d. 신재생에너지 소개. 한국에너지공단 신재생에너지센터.
