에너지 환산단위, 제대로 알고 사용해야

우리나라에 전기가 들어온 것은 불과 100년 전의 일이지만 근대화작업이 촉진되면서 전기의 이용은 급격히 증가하여 이제는 전기 없이는 생활을 꾸려갈 수 없을 정도로 우리 생활과 밀접해졌다.

1961년 우리나라의 연간 전력소비량은 11억kWh이었으나 1980년에는 327억kWh로 늘어났으며 10년 뒤인 1991년에는 다시 1,044kWh로 증가하였다. 1991년의 우리나라 전력소비량을 용도별로 1980년과 비교해 보면 주택용 소비전력은 총 소비량의 6.8%이던 것이 1991년에는 18.7%로 증가했다.

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.

에너지단위 환산

미국인들이 일상적으로 쓰는 단위 가운데는 한국을 포함한 세계 다수국가에서 통용되는 미터법과 다른 것이 적지 않다. 길이는 m와 cm 대신 ft와 in로, 질량은 kg 대신 lb(파운드)로, 온도는 ℃ 대신 ℉로, 부피는 m3나 l 대신 gal(갤런)이나 bbl(배럴)로 나타낸다. 가령 170cm는 몇 ft, 몇 in이고 130lb는 몇 kg인지 단위가 바뀔 때면 환산을 해야 한다.

이와 비슷하게 에너지의 단위도 다양하여 단위가 바뀔 때면 수량을 환산해야 한다. 대표적인 에너지의 단위로 J(줄)은 1N(뉴톤)의 힘으로 1m를 움직인 일의 양이고, cal는 물 1g의 온도를 1℃만큼 데우는 열량으로 1cal= 약 4.2J이다. 또 미국에서 통용되는 Btu(영국 열량단위)는 물 1lb의 온도를 1℉만큼 데우는 열량으로 1Btu= 252cal이다.

위에서 예를 든 것처럼 길이, 부피, 질량, 온도, 열량 등의 단위환산은 단순한 산술적 계산으로써 어느 자료를 찾아 보아도 아래와 같이 일정하다.

그러나 에너지량을 원유, 석탄, 천연가스 등 자원의 수량으로 나타내는 경우에는 사정이 다르다. 특히 화석연료는 화학적으로 다양한 물질의 혼합물로서 산지에 따라 그 물성 즉 조성, 비중, 발열량 등이 다르기 때문에 각종 에너지량을 함께 다룰 때에는 그 기준값을 정해주어야 한다. 예컨대 원유 1톤은 부피로 몇 Bbl이 되는지는 그 비중에 따라, 또 석탄 몇 톤이나 천연가스 몇 m3와 같은지는 각각의 발열량에 따라 달라진다. 그런데 이 기준값은 통일된 것이 없고 기관과 자료마다 약간씩 달라서 혼선을 일으킬 수 있다.

한편 우리정부는 원유를 비롯한 각종연료의 기준 발열량 등을 연료 및 열의 석유환산기준이란 제목으로 고시한다. ’90년 고시에는 발열량이 원유 10,000kcal/kg, 경유 9,200kcal/l, 프로판 12,000kcal/kg, 천연가스 10,500kcal/Nm3(또는 13,000kg/kg), 무연탄 4,500kcal/kg, 유연탄 6,600kcal/kg로 되고, 따라서 석유환산계수는 각각 원유 1.00kg/kg, 경유 0.92kg/l, 프로판 1.20kg/kg, 천연가스 1.05kg/Nm3(또는 1.30kg/kg), 무연탄 0.45kg/kg, 유연탄 0.66kg/kg으로 정해졌다.

에너지 효율, 75%는 폐열로 소모돼

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.

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.

에너지효율 개선이 관건으로 작용해

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. 이것은 400%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 1억 배 정도, 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.

에너지 질 높이기 위해 농축 및 상호 변환하기도

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 몇 군데에 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 어느 정도 차감시키기 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 안 된다. 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 것이다.