글: Steven Shackell
2001년에 미국에서 소비된 에너지의 86%는 화석 연료로 생산된 반면, 재생 에너지원으로 생산된 양은 5.3%에 불과했습니다. 2022년에는 화석 연료의 점유율이 79%로 감소한 반면, 재생 에너지원은 13%로 증가했습니다(출처: Statista). 세계가 기후 변화와 온실가스 배출의 영향으로 고군분투함에 따라 지속 가능한 대체 에너지원에 대한 탐구가 더욱 중요해지고 있습니다.
역사적으로 화석 연료 에너지 수집은 석탄 채굴과 석유 시추로 이루어졌는데, 양쪽 모두 한정적인 자원입니다. 대체 에너지 수집 기술은 이제 유망한 대안입니다. 이 문서에서는 태양광, 풍력, 수력 등 친숙한 에너지원뿐만 아니라 지열, 파력, 진동 에너지와 같은 떠오르는 대체 에너지원을 포함하여 다양한 형태의 지속 가능한 대체 에너지 수집 방법을 살펴봅니다.
수력 에너지는 어떻게 수집할까요?
수력 에너지는 현재까지 가장 생산적인 재생 에너지원입니다. 2020년 수력 발전은 4000테라와트시 이상을 생산해 전 세계 전력 생산량의 17%를 차지했습니다. 수력 발전은 물의 중력 위치 에너지를 활용해 전기를 생산하는데, 이를 위해 댐에 쌓인 물을 수력 터빈을 통해 통과시킵니다. 수력 발전 댐의 작동 방식에 대한 자세한 내용은 수력 발전의 장점 문서를 참조하십시오.
오늘날에는 중국이 수력 발전 시장을 장악하고 있습니다. 수력 발전은 중국 전체 전력 소비량의 약 8%를 공급하며, 이는 전 세계 수력 발전 용량의 약 40%를 차지합니다(출처: IEA). 세계에서 가장 큰 수력 발전 댐인 싼샤 댐은 중국 양쯔강에 걸쳐 있습니다. 또한 사하라 이남 아프리카, 동남아시아, 라틴 아메리카에서 계획된 수력 발전 확장 프로젝트 중 약 70%의 건설, 자금 조달 또는 소유 주체는 중국 수력 발전 회사가 될 예정입니다. 향후 10년 동안 수력 발전은 현재의 용량을 훨씬 뛰어넘는 수준으로 재생 전력 생산에 대한 전 세계적 기여를 계속 늘려 나갈 것으로 보입니다.
풍력 에너지 발전기
풍력 에너지 발전기는 움직이는 공기의 운동 에너지를 전기로 변환하며, 규모는 국지적일 수도 있고 대규모일 수도 있습니다. 풍력 에너지 수집은 전 세계에 널리 채택되어 있어 태양광 시스템보다 더 많은 에너지 생산량을 차지합니다.
Thames Kosmos 풍력 키트 등의 소규모 발전기는 LED에 전력을 공급하거나 소형 배터리를 충전하기에 충분한 전기를 생산할 수 있습니다. 한편 세계에서 가장 큰 풍력 터빈은 높이가 50층 건물과 맞먹으며, 384.1MW의 전력을 생산해 하루 풍력 발전 신기록을 세운 바 있습니다. 이 단일 풍력 에너지 터빈은 24시간 만에 거의 170,000가구가 사용하기에 충분한 전력을 생산했습니다. 전 세계적으로 풍력 에너지는 수력 발전에 이어 두 번째로 많은 에너지 생산량을 차지합니다.
태양광 에너지
태양광 에너지 발전기는 태양 복사 에너지를 사용 가능한 DC 전기로 변환합니다. 태양은 이제 주류 전력 공급원이며 상업용 건물, 주택 지붕 및 거대한 독립형 어레이에서 태양열 패널을 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 대부분의 미국인이 가장 눈에 띄는 재생 에너지원으로 인식하고 있을 가능성이 높지만, 태양광은 현재 재생 전기 에너지원 중에서 전 세계 3위를 차지하고 있습니다.
Panasonic의 AM-5610CAR-T와 같은 태양광 전지는 소규모 전자 어셈블리에 전력을 공급하기 위해 에너지를 생성하는 용도로 소규모로 사용할 수 있습니다. 우리에게 태양광 전지는 태양열 패널에 결합되어 있는 모습으로 가장 익숙합니다. 이러한 패널은 광전지(PV) 태양광 그리드에 연결할 수 있으며, 해당 그리드는 확장하면 화석 연료 발전과 경쟁 가능한 수준까지 도달할 수 있습니다. 이 모든 태양광 에너지를 전력 그리드로 변환해 주는 것이 onsemi의 NTH4L022N120M3S와 같은 전력 반도체를 이용한 태양광 인버터입니다.
중국은 전 세계 태양광 발전 채택의 글로벌 리더로서 전 세계 생산량의 37.5%를 차지합니다(출처: IEA). 중국은 또한 미국, 일본, 인도, 독일, 호주, 스페인, 이탈리아 등 자국의 뒤를 잇는 7개 주요 국가보다 더 많은 태양광 발전량을 차지하고 있습니다.
지열 에너지 수집
지열 에너지 생산은 지구의 내부 열을 활용하여 전기를 생산하는 방식입니다. 지열 발전소는 지하 깊은 곳의 물을 양수하는데, 이 물은 자연적으로 가열된 후 증기로 변환되어 증기 터빈을 통과합니다. 이 에너지 수집 방법은 배출되는 온실가스가 최소 수준이지만 지열 활동이 있는 지역에서만 가능하다는 한계가 있습니다.
미국은 지열 에너지 생산 분야에서 세계를 선도하고 있으며, 그중에서도 캘리포니아는 지열 에너지 수집 부문에서 최고의 주로 꼽힙니다. 지열은 아이슬란드, 엘살바도르, 뉴질랜드, 케냐, 필리핀 등 다양한 국가에서 총 전력 수요의 상당 부분을 차지합니다. 아이슬란드에서는 전기 생산을 통하지 않더라도 지열 에너지가 난방 수요의 90%를 넘습니다. 그러나 지열 에너지는 주류가 아니며 전 세계 재생 에너지 기반 발전량에서 고작 0.5%를 차지합니다.
조력 및 파력 에너지 수집
해안 국가에서는 파력 에너지를 수집하는 것이 재생 에너지 생산 분야에서 상대적으로 최근의 첨단 방식입니다. 수중 터빈이나 조력 부표를 모두 활용할 수 있는 해양 에너지는 2022년 생산량이 524MW에 불과했습니다. 프랑스와 한국은 각각 211MW와 256MW를 생산하여 세계 선두를 달리고 있습니다.
그러나 유럽연합은 2030년까지 파력 및 조력 발전량을 1GW로 늘릴 계획이며 2050년에는 그 규모가 40GW에 도달할 것으로 기대됩니다. 일부 전문가들은 파도와 조류에 의해 생성된 에너지가 세계 전력 수요의 10% 이상을 공급할 수 있다고 보지만, 이러한 장치가 해양 생태계에 영향을 미친다는 부정적인 우려가 많습니다. 다른 전문가들은 파도와 조력 발전기가 대기에서 CO2를 수집할 수 있는 조류와 바다를 청소하는 조개류의 미세 생태계 역할을 동시에 수행할 수 있다고 봅니다.
대체 에너지의 진화
화석 연료에서 대체 및 지속 가능한 에너지원으로의 전환은 수월하게 진행되고 있으며, 채택 환경은 국가마다 크게 다릅니다. 아이슬란드의 지열, 프랑스의 파도 등 단일 자원이 풍부한 국가에서는 다른 곳에서 모방하고 채택하는 기술을 개발합니다. 에너지 수집 방법의 진화는 유한하고 환경에 해로운 화석 연료에 대한 의존도를 줄이려는 전 세계적인 노력에서 엿볼 수 있습니다. 대체 에너지 수집 기술의 채택이 향후 수십 년 동안 확대되면서 더욱 지속 가능한 에너지 미래를 위한 길을 열게 될 것입니다.
