에너지, 실생활에 필요한 열과

전기적, 기계적 에너지 공급

에너지란 일(작업)을 할 수 있는 힘을 뜻한다. 그 어원은 그리스어인 ‘에르곤’에서 나왔는데 ‘에네르게이아’이며, ‘일을 하는 능력’이라고 정의된다.

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.

에너지는 빛, 동력, 연료로서 인간에게 많은 일을 해 주었고 인류 문명의 발달을 뒷받침하였다. 오늘날 전자·정보화사회 시대가 열리고 자동차, 에어컨, VTR, 인공위성 등이 작동되어 우리의 경제, 문화활동을 보다 더 편리하게 지탱해 주고 있다.

이처럼 윤택한 생활과 눈부신 사회발전을 가능케 해 준 원동력이 바로 에너지인 것이다. 이 사실은 과거와 현재에도 그러했듯이 미래에도 역시 그러할 것이다.

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

외부(外部: External)에너지

외부에너지란 물체의 운동 및 위치와 관계되는 에너지로 운동(運動: Kinetic)에너지와 위치(位置: 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=mgh: 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 진입하는 과정은 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 계 내 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 분자 내 원자 간의 결합에너지 및 위치에너지를 말한다. 석탄, 석유, 천연가스 등을 비롯한 각종 물질은 그 분자를 구성하는 원자의 종류와 결합구조에 따라서 각기 다른 화학에너지를 가지고 있다. 화학에너지는 연소(燃燒) 또는 다른 화학반응을 통하여 에너지 수준이 높은 화학종에서 낮은 화학종으로 변화하면서 그 차이에 해당하는 에너지를 열에너지의 형태로 방출한다. 자동차, 항공기, 로켓 등은 연료의 화학에너지를 열에너지로 거쳐 우리 생활에 유익한 기계적 에너지로 변환시키는 장치들이다.

핵(核: Nuclear)에너지

핵에너지는 원자의 핵을 구성하는 양자(陽子), 중성자(中性子) 등 입자 간 결합력의 형태로 저장되어 있고, 이는 핵분열 또는 핵융합 과정을 통하여 열에너지의 형태로 변환된다. 무겁고 불안정한 하나의 원자핵이 중성자에 의하여 두 개의 비슷한 원자핵으로 쪼개지면서 수반되는 질량결손(缺損)에 해당하는 막대한 열에너지(E=mc2: m 질량결손, c 빛의 속도)를 방출하는 것을 핵분열(分裂: Fission)이라 한다.

반면에 핵융합(融合: 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, 태양광선 등이 갖고 있는 방사(放射)에너지, 전압차이에 의한 전기(電氣)에너지 등이 있다. 다음에 에너지를 그 자원(資源: Resourc) 면에서 분류하면 고체(주로 석탄), 액체(주로 석유), 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)에너지 등으로 나누어진다. 특히 고대생물의 지구화학적 변화로 생성된 석탄, 원유, 천연가스 등을 통틀어 화석연료(化石燃料: Fossil Fuel)라 한다.

화석연료나 핵연료처럼 한번 사용하면 없어지고 마는 고갈성(枯渴性)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 최종에너지 등으로 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(LNG 포함)와 수력, 핵, 태양, 생물, 풍력, 해양, 지열에너지 등이 포함된다. 2차(Secondary)에너지는 1차에너지의 변환으로 생산되는 에너지(전력과 각종 석유제품 등)를 말하고 최종(最終: Final)에너지는 유용한 에너지(열, 빛, 동력 등)로 사용할 수 있게끔 소비자에게 공급되는 에너지이다.

화학에너지가 청정 바이오에너지로 ‘뜬다’    

2013년 글로벌 3천억달러 규모… 국내 대기업·중소기업 바이오매스 생산 경쟁 

“강동구가 해바라기씨를 활용해 바이오디젤(Biodiesel)을 만들어 보는 ‘바이오에너지 생산 체험농장 프로그램’을 최근 개설해 큰 인기를 모았다. 암사동 132일대에 2,120m2 규모로 조성된 체험농장은 지난해부터 봄에는 유채씨, 가을에는 해바라기씨를 이용해 바이오디젤을 만드는 프로그램을 운영했다. 지난해 처음 개장한 체험 농장에는 총 118회 동안 3,840명이 다녀갈 정도로 높았다.” 

강동구는 2006년부터 전국 지방자치단체 최초로 폐식용유를 활용한 바이오디젤을 만들어 구청 청소차량 31대에 사용, 연간 1억3,000만원의 비용을 절약하는 등 친환경 정책을 실천하고 있다. 

바이오디젤은 식물에서 추출한 기름으로 만든 친환경 무공해 연료로 순수한 상태 또는 경유와 혼합해 난방용, 자동차용 연료로 쓰인다. 식물 씨앗을 압착하는 방법으로 기름을 만드는데 보통 1,500m2당 유채기름은 85ℓ, 해바라기기름은 105ℓ를 채취할 수 있다. 

바이오 화학산업, 신ㆍ재생에너지의 새 패러다임으로 각광 

화석연료의 고갈과 지구 온난화라는 문제에 직면한 인류는 신ㆍ재생에너지 개발의 필연적인 과제에 당면해 있다. 

이런 환경 속에서 원료의 대부분을 석유에 의존하고 있고 온실가스 배출량이 가장 많은 산업 중 하나인 ‘화학산업’이 위기이다. 하지만 ‘화학산업’이 ‘바이오; 를 만나면서 기회가 되고 있다. 

바이오 화학산업은 BT(Bio Technology)와 CT(Chemical Technology)의 융합기술로, 바이오매스(biomass)를 원료로 에너지나 화학제품을 생산하는 산업을 말한다. 특히 바이오매스는 지속적으로 생산할 수 있고 친환경적이기 때문에 바이오화학기술은 석유를 대체하여 지속가능한 성장을 유도할 수 있는 기반기술로 인식되고 있다.

하지만, 국내 바이오산업의 기술수준은 일부 발효기술을 제외하면 세계 수준에 크게 못 미치는 실정이다. 이는 연구개발 및 사업화의 바로미터라 할 수 있는 특허출원에 그대로 나타나는데, 그 한 예로 바이오기술을 활용한 카프로락탐(Caprolactam)의 제조기술이 각광을 받고 있다. 

카프로락탐은 현재는 석유화학 원료를 사용해 화학적 공정에 의하여 제조하는데, 최근 네덜란드, 독일, 미국에서는 바이오매스에서 유래한 당(Sugar)을 원료로 발효기술을 이용해 라이신(Lysine)을 제조하고, 이로부터 생물학적 효소를 이용하여 제조하는 기술을 개발하고 있다.

카프로락탐은 나일론의 원료로 사용되는 외에 타이어코드, 필름, 엔지니어링 플라스틱 등에 광범위하게 사용되는데, 현재 약 120억달러로 추산되는 세계 시장규모는 계속 커질 전망이다. 

바이오 기술을 활용한 카프로락탐 제조기술에 관련된 특허출원을 조사한 결과, 한국특허청에는 2007년, 2008년, 2009년에 각 1건씩 모두 3건이 출원되었는데 모두 외국인 출원(미국 미시건대학 1건, 독일 바스프사 2건)이고, 내국인 출원은 국내는 물론 외국에도 전혀 없는 것으로 나타났다. 

반면, 세계 주요국 특허청에는 모두 26건이 출원된 것으로 조사되었는데, 2005~2008년에는 연간 1~3건에 불과하다가 2009년 들어 8건으로 급격히 증가했다. 

이렇듯 바이오화학산업은 세계적으로 아직까지 성장 초기 단계에 있지만 앞으로 저탄소 녹색기술에 대한 수요에 힘입어 큰 폭의 성장세가 예상되고 있다. 따라서 원유를 전량 수입에 의존하면서도 현재 세계 5위의 석유화학산업 강국으로 도약한 한국은, 이제 그 저력을 바이오화학산업으로 전환하는데 발휘해야 한다는 주문이 일고 있다. 

신성장산업 바이오·에너지 글로벌 기업 경쟁 거세질것

올해 글로벌 기업들은 시장주도권 확보를 위한 공격경영 및 본원적 경쟁력 강화 전략을 펼칠 것으로 전망됐다.

삼성경제연구소가 발표한 ‘2011년 글로벌 기업의 경영 이슈’ 보고서에 따르면 올해 글로벌 기업들은 거시적인 차원에서 글로벌 저성장 기조가 장기화되고 지역 간 성장격차가 확대될 뿐 아니라 기업 간 경쟁이 예전보다 더 격화될 것으로 예상했다. 아울러 원자재가격 상승에 따른 신흥국 인플레이션 발생 등 위험 요인이 산적해 있으며 신성장산업으로 각광받고 있는 바이오·에너지·인프라 산업의 경쟁도 치열해질 것으로 예상했다.

이 같은 예상은 삼성경제연구소가 구미와 일본 등의 선진기업 23개사, 중국·인도·멕시코 등의 신흥국 기업 10개사 등 33개사의 주요 동향을 분석한 결과를 근거로 하고 있다.

이번 조사 결과를 토대로 연구소는 △융·복합을 통한 신성장산업 선점 △신흥국 시장 진출을 필수 전략화 △신흥국 기업의 선진국기업 인수합병(M&A) 확산 △제품·서비스의 스마트화 △경영체제의 유연성 제고 등 5개 경영 이슈를 도출했다.

연구소는 5개 경영 이슈에 대응하기 위해 국내 기업들은 글로벌 선진기업의 견제와 신흥국 기업의 도전에 맞서는 노력을 기울여야 하며 이를 위해 시장주도권 경쟁에 과감하게 투자하고 창조적 조직문화 등으로 적극 대처해야 한다고 지적했다. 또 개방형 혁신을 통해 조직 내외부의 자원과 역량을 자유롭게 동원해 신기술·신비즈니스 모델을 혁신해야 하며 현지발 핵심 역량을 창출해야 하고 체계적·전문적인 위기 대응 시나리오를 확보해야 한다고 덧붙였다.