에너지 개발
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1. 개요
에너지 개발은 1차 및 2차 에너지 자원의 분류, 재생 가능 및 비재생 에너지원의 구분, 에너지 효율 향상, 에너지 전달 및 저장 기술의 발전, 지속 가능성 및 회복력 확보, 그리고 미래 에너지 시스템에 대한 전망을 포괄하는 광범위한 주제이다. 재생 에너지에는 태양광, 풍력, 수력, 지열, 바이오매스 등이 있으며, 비재생 에너지에는 화석 연료와 핵 발전이 있다. 에너지 개발은 기후 변화 대응, 에너지 안보, 경제 성장 등과 밀접하게 관련되어 있으며, 지속 가능한 에너지 정책과 기술 혁신을 통해 미래 에너지 시스템을 구축하려는 노력이 이루어지고 있다.
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| 에너지 개발 | |
|---|---|
| 에너지 개발 | |
| 에너지원 | 화석 연료 재생 가능 에너지 |
| 에너지원별 비중 (2022년) | |
| 석유 | 29% |
| 석탄 | 27% |
| 천연 가스 | 23% |
| 수력 | 6% |
| 원자력 | 4% |
| 기타 재생 가능 에너지 | 11% |
| 재생 가능 에너지원 | |
| 종류 | 태양 에너지 풍력 에너지 지열 에너지 해양 에너지 수력 발전 바이오매스 |
| 주요 통계 (2022년) | |
| 전 세계 에너지 소비 증가율 | 1.1% 증가 |
| 전 세계 에너지 생산 증가율 | 1.6% 증가 |
| 관련 문서 | |
| 관련 정보 | 에너지 정책 에너지 보존 대체 에너지 에너지 산업 피크 오일 |
2. 에너지 자원의 분류
에너지 자원은 다른 형태로 변환하지 않고 최종 사용에 적합한 1차 자원 또는 1차 자원에서 상당한 변환이 필요한 2차 자원으로 분류할 수 있다. 1차 에너지 자원의 예로는 풍력, 태양열, 목재 연료, 석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석 연료, 그리고 우라늄이 있다. 2차 자원은 전기, 수소 또는 기타 합성 연료와 같은 자원이다.
또 다른 중요한 분류는 에너지 자원을 재생하는 데 필요한 시간을 기준으로 한다. "재생 가능" 자원은 인간의 요구에 중요한 시간 내에 용량을 회복하는 자원이다. 예로는 수력 발전 또는 풍력이 있는데, 이는 에너지의 주요 원천인 자연 현상이 지속적으로 일어나고 인간의 요구에 의해 고갈되지 않기 때문이다. 비재생 가능 자원은 인간의 사용에 의해 상당히 고갈되며 인간의 수명 동안 잠재력을 크게 회복하지 못하는 자원이다. 비재생 에너지원의 예로는 석탄이 있는데, 이는 인간의 사용을 지원할 만한 속도로 자연적으로 형성되지 않는다.
2. 1. 재생 가능 에너지
재생 가능한 에너지는 햇빛, 바람, 비, 지열 등 자연적으로 재보충되는 천연 자원에서 나는 에너지다. 이들은 화석 연료와 핵연료에 대해 대안으로 제시되었으며, 7~80년대에는 ‘대체 에너지’라는 이름으로 불렸다. 2008년, 세계 에너지 소비 중 19%가 재생 가능한 에너지였으며, 그 중 13%는 주로 난방을 위해 사용된 바이오매스 에너지, 3.2%는 수력 발전이었다.[162] 또, 신 재생 에너지 (현대 바이오매스, 풍력, 태양광, 지열, 바이오연료)도 2.7%를 차지하였으며 매해 비율이 증가하는 추세다.[162]
풍력 발전은 매해 30%씩 늘고 있으며, 2009년 현재 세계적으로 158 기가와트의 전력이 사용되고 있고,[173][163] 특히 유럽, 아시아, 미국에서 많이 사용되고 있다.[164] 한편, 태양광 발전은 독일, 스페인에서 폭넓게 사용되어 현재 21기가와트가 생산되고 있다.[165] 태양열 발전소는 미국과 스페인에서 가동되고 있으며, 이 중 가장 큰 것은 모하비 사막에서 354 메가와트를 생산하고 있다.[166] 세계 최대의 지열 발전소는 캘리포니아주의 “더 게이저” (The Geyser)로, 750메가와트가 생산되고 있다. 브라질은 세계 최대의 재생가능 에너지를 생산하는 나라 중 하나로, 사탕수수에서 추출한 에탄올 연료는 현재 브라질 차량 연료의 18%를 책임지고 있다.[167] 에탄올 연료는 미국에서도 폭넓게 사용되고 있다.
기후 변화에 대한 걱정은 고유가, 피크 오일, 정부 지원 증가 등과 함께 재생 가능 에너지 관련 법안 통과와 상업화를 촉진시키고 있다.[168] 과학자들은 2030년까지 풍력, 태양 에너지만으로 지구 에너지 수요의 100%를 공급하는 계획을 세워놓은 상태다.[169][170]
많은 재생 가능 에너지가 대규모로 만들어지긴 하지만, 개중에는 지방 및 외곽 지역에서 사용하기 적합한 것들도 있다.[171] 전 세계적으로 약 300만 가구가 태양열 시스템을 사용하고 있으며 촌락 정도의 규모에 알맞게 개조된 초초소수력 시스템도 사용되고 있다.[172] 3000만 가구 이상이 가정용 소화조를 이용한 바이오가스를 조명 및 요리에 사용하고 있다. 바이오매스 오븐은 1억 6천만 가구가 사용하고 있다.[170]
재생 에너지는 일반적으로 햇빛, 바람, 비, 조수, 파도 및 지열과 같이 인간의 시간 척도로 자연적으로 보충되는 자원에서 나오는 에너지로 정의된다. 재생 에너지는 다음 네 가지 영역에서 기존 연료를 대체한다. 발전, 온수/공간 난방, 자동차 연료, 농촌(계통 미연결) 에너지 서비스.
전통적인 바이오매스 사용을 포함하여, 전 세계 에너지 소비의 약 19%는 재생 에너지 자원이 차지한다.[71] 풍력 발전을 이용한 에너지 생산은 주요 재생 에너지원으로 전환되고 있으며, 2021년에는 전 세계 풍력 발전 용량이 12% 증가했다.[72] 모든 국가가 그렇지는 않지만, 표본 국가의 58%는 재생 에너지 소비가 경제 성장에 긍정적인 영향을 미친다고 연관시켰다.[73] 국가 차원에서, 전 세계 최소 30개국이 이미 재생 에너지가 에너지 공급의 20% 이상을 차지하고 있다. 국가 재생 에너지 시장은 향후 10년 이상 동안 계속 강하게 성장할 것으로 예상된다.
다른 에너지원과 달리, 재생 에너지원은 지리적 제약이 덜하다. 또한, 재생 에너지의 배치는 기후 변화와 싸우는 것뿐만 아니라 경제적 이점을 가져오고 있다. 농촌 전력화[74]는 여러 현장에서 연구되었으며, 상업적 지출, 가전제품 사용, 에너지로서 전기를 필요로 하는 일반적인 활동에 긍정적인 영향을 미쳤다.[75] 최소 38개 국가에서 재생 에너지 성장은 높은 전력 사용률에 의해 주도되었다.[76] 태양열 및 풍력과 같은 재생 에너지원을 홍보하기 위한 국제적 지원은 계속 증가하고 있다.
많은 재생 에너지 프로젝트가 대규모이지만, 재생 기술은 또한 농촌 및 외딴 지역, 그리고 개발도상국에도 적합하며, 여기서 에너지는 종종 인간 개발에 매우 중요하다. 인간 개발이 지속 가능하게 계속될 수 있도록, 전 세계 정부들은 재생 에너지원을 자국의 국가 및 경제에 구현할 수 있는 잠재적인 방법을 연구하기 시작했다. 예를 들어, 영국 정부의 에너지 및 기후 변화부 2050 경로 계획은 에너지 공급 기술 간의 토지 경쟁에 대해 대중을 교육하기 위한 매핑 기술을 만들었다. [77] 이 도구는 사용자에게 주변 토지와 국가가 에너지 생산 측면에서 갖는 한계와 잠재력을 이해할 수 있는 기능을 제공한다.
전력, 운송, 또는 심지어 전 세계의 총 1차 에너지 공급에 100% 재생 에너지를 사용하려는 인센티브는 지구 온난화 및 기타 생태적, 경제적 우려에 의해 촉진되어 왔다. 재생 에너지 상업화는 예상보다 훨씬 빠르게 성장했다.[117] 기후 변화에 관한 정부간 패널은 대부분의 전 세계 에너지 수요를 충족하기 위해 재생 에너지 기술 포트폴리오를 통합하는 데 근본적인 기술적 한계가 거의 없다고 밝혔다.[118] 국가 수준에서 전 세계 30개 이상의 국가가 이미 에너지 공급의 20% 이상을 재생 에너지로 충당하고 있다. 또한 스티븐 W. 파칼라와 로버트 H. 소콜로우는 비극적인 기후 변화를 피하면서 우리의 삶의 질을 유지할 수 있는 일련의 "안정화 쐐기"를 개발했으며, "재생 에너지원"은 전체적으로 "쐐기"의 가장 큰 수를 구성한다.[119]
마크 Z. 제이콥슨은 2030년까지 풍력 발전, 태양광 발전, 수력 발전으로 모든 새로운 에너지를 생산하는 것이 가능하며, 기존의 에너지 공급 시스템을 2050년까지 대체할 수 있다고 말한다. 재생 에너지 계획을 실행하는 데 대한 장벽은 "주로 사회적, 정치적이며 기술적 또는 경제적인 것이 아니다"라고 여겨진다. 제이콥슨은 풍력, 태양광, 수력 시스템을 사용한 에너지 비용은 오늘날의 에너지 비용과 비슷해야 한다고 말한다.[120]
마찬가지로 미국에서는 독립적인 국립 연구 위원회가 "충분한 국내 재생 가능 자원이 있어 재생 전력이 미래의 전력 생산에서 중요한 역할을 할 수 있으며, 따라서 기후 변화, 에너지 안보 및 에너지 비용 상승과 관련된 문제에 대처하는 데 도움이 될 수 있다. ... 미국에서 이용 가능한 재생 가능 자원은 집합적으로 현재 또는 예상되는 국내 수요보다 훨씬 더 많은 양의 전기를 공급할 수 있기 때문에 재생 에너지는 매력적인 옵션이다."라고 언급했다.[121]
"100% 재생 에너지" 접근 방식의 비판자로는 바츨라프 스밀과 제임스 E. 한센이 있다. 스밀과 한센은 태양광 및 풍력 발전의 변동성 출력에 대해 우려하고 있지만, 아모리 로빈스는 전력망이 작동하지 않는 석탄 화력 발전소와 원자력 발전소를 작동하는 발전소로 정기적으로 백업하는 것처럼 대처할 수 있다고 주장한다.[122]
구글은 재생 에너지를 개발하고 비극적인 기후 변화를 막기 위해 "석탄보다 저렴한 재생 에너지" 프로젝트에 3천만 달러를 투자했다. 이 프로젝트는 재생 에너지의 급속한 발전에 대한 최상의 시나리오가 2050년 화석 연료 예측보다 55% 낮은 배출량만 발생시킬 수 있다는 결론을 내린 후 취소되었다.[123]
2. 1. 1. 풍력 발전
풍력 발전은 바람의 힘을 이용하여 터빈을 돌려 자석의 회전으로 전기를 생산하는 방식이다.[173][163] 풍력 발전을 위한 풍차가 모여있는 곳을 윈드 팜 (wind farm)이라고 한다. 해상 및 육상 풍력 발전소가 있다.
풍력 발전은 바람의 힘을 활용하여 풍력 터빈의 날개를 구동한다. 이 터빈은 자석의 회전을 유발하여 전기를 생성한다. 풍력 발전 타워는 일반적으로 풍력 발전소에 함께 건설된다.[81]
풍력은 가장 효율적인 재생 에너지원 중 하나로 인정받고 있으며, 전 세계적으로 점점 더 중요해지고 사용되고 있다.[154] 풍력은 에너지 생산에 물을 사용하지 않으므로 물이 부족한 지역에 적합한 에너지원이다. 또한 풍력 에너지는 현재의 예측에 따라 기후가 변화하더라도 바람에만 의존하기 때문에 생산될 수 있다.[155]
대한민국은 서해안과 동해안을 중심으로 풍력 발전 단지 조성을 확대하고 있다. 특히, 해상풍력 발전은 대규모 발전이 가능하고 환경 영향을 최소화할 수 있어 주목받고 있으며, 더불어민주당은 풍력 발전 산업 육성을 통해 일자리 창출과 지역 경제 활성화를 도모하고 있다.
2. 1. 2. 수력 발전
중력에 의한 물의 위치 에너지를 이용하여 전기를 만드는 방식이다. 댐 또는 용수로를 사용하여 터빈을 돌려 전기 발전기를 가동시킨다.[177] 댐은 탄소 가스를 배출하지 않는 친환경 에너지로 알려져 있지만, 아마존강의 한 댐의 경우 유기물이 부패하여 메탄이 대량 배출, 석유 발전보다 3.6배 많은 온실 가스를 배출한다는 결과도 있었다.[178] 이는 댐 건설 전 해당 지역 삼림 정리의 필요성을 보여준다. 현재 ‘댐 없는 수력 발전소’인 “지하수 터빈”이 연구 중이다.
댐은 남는 에너지로 물을 끌어올려 저수지에 저장하고, 필요할 때 물을 방류하여 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식으로 에너지를 저장할 수 있다. 수력 발전은 세계 전력의 20%를 책임지는 중요한 에너지원이다.[216] 2015년 수력 발전은 전 세계 총 전력의 16.6%, 모든 신재생 에너지의 70%를 생산했으며[78] 향후 25년 동안 매년 약 3.1% 증가할 것으로 예상되었다.
수력 발전은 150개국에서 생산되며, 아시아 태평양 지역은 2010년에 전 세계 수력 발전의 32%를 생산했다. 중국은 2010년에 7,210억 킬로와트시를 생산하여 국내 전력 사용량의 약 17%를 차지하는 세계 최대 수력 발전 생산국이다. 현재 10GW보다 큰 수력 발전소는 중국의 싼샤 댐, 브라질/파라과이 국경에 있는 이타이푸 댐, 베네수엘라의 구리 댐 등 세 곳이 있다.[79]
수력 발전 비용은 비교적 저렴하여 경쟁력 있는 신재생 에너지원이다. 10메가와트보다 큰 수력 발전소의 전기 생산 평균 비용은 킬로와트시당 3~5 미국 센트이다.[79] 또한 에너지 수요 변화에 따라 발전소 출력을 빠르게 조절할 수 있어 유연하다. 그러나 댐 건설은 강의 흐름을 방해하여 지역 생태계에 해를 끼칠 수 있으며, 대규모 댐과 저수지 건설은 사람과 야생 동물을 이주시키기도 한다.[79] 수력 발전 단지는 직접적인 폐기물을 생성하지 않으며, 화석 연료 발전소보다 이산화 탄소 배출량이 훨씬 적다.[80]
강, 파력 및 조력으로부터 기계적 에너지를 얻는다. 토목 공학은 댐, 터널, 수로를 연구하고 건설하며, 수문학과 지질학을 통해 해안 자원을 관리하는 데 사용된다. 흐르는 물에 의해 회전하는 저속 수차는 발전기의 동력을 공급하여 전기를 생산할 수 있다.
2. 1. 3. 태양 에너지
태양 에너지 발전은 태양 전지를 사용하여 햇빛을 전기로 바꾸는 것, 혹은 태양열을 집적하여 물이나 공기를 데우는 것 (태양열 패널 또는 쌍곡선형 거울이 사용된다), 혹은 창문을 통해 들어오는 태양열로 난방을 하는 것이 포함된다.[179]
2009년 말, 태양 발전량은 21 기가와트를 넘어섰으며[181][182][183] 태양광 발전소는 독일과 스페인에서 널리 쓰이고 있다.[165] 태양열 에너지 발전소는 미국과 스페인에 있으며, 이 중 모하비 사막에 있는 것이 354메가와트로 가장 많은 전기를 생산하고 있다.[166]
중국은 2008년 7월까지 2000톤의 실리콘 회로를 생산하고, 2010년 말까지는 6000톤을 생산하여 태양 전지를 본격적으로 제작할 준비를 하고 있다. 이를 위해 많은 국제 자본이 중국 내로 유입되고 있다. 또 중국은 후앙바이유와 동탄 환경 도시에 대규모 독립 태양 에너지 도시들을 짓고 있다.[184]
태양 에너지는 태양에서 나오는 태양 복사를 활용하는 것이다. 이는 전기, 온수, 태양열 난방 및 태양열 냉방 등 다양한 용도로 사용될 수 있다.
태양 에너지는 오랫동안 농업 및 건축 분야에서 수동적으로 활용되어 왔지만, 태양광 발전 및 집중형 태양열 발전과 같은 기술의 발전으로 재생 에너지원으로 더욱 주목받고 있다. 국제 에너지 기구는 태양 에너지가 2050년까지 세계 에너지 공급의 상당 부분을 차지할 것이라고 예측하고 있다.
태양 에너지 기술은 일반적으로 능동적 태양열과 수동적 태양열로 분류할 수 있다. 능동적 태양열 기술에는 태양광 패널과 집중형 태양열 수집기가 포함되어 있으며, 수동적 태양열 기술은 건물의 방향, 자재 선택 및 공간 배치를 사용하여 태양열을 포착한다.
태양광 발전은 반도체 효과를 사용하여 태양 빛을 전기로 변환하는 데 사용된다. 집중형 태양열 시스템은 거울이나 렌즈를 사용하여 태양 빛을 좁은 영역에 집중시켜 열을 생성하며, 이 열은 터빈을 구동하여 전기를 생산하거나 열 저장에 사용될 수 있다.
대한민국은 태양광 발전 설비 보급을 적극적으로 추진하고 있으며, 특히 건물 옥상이나 유휴 부지를 활용한 태양광 발전은 도시 지역의 에너지 자립도를 높이는 데 기여할 수 있다. 더불어민주당은 태양광 발전 산업을 미래 성장 동력으로 육성하고, 관련 기술 개발을 적극적으로 지원하고 있다.
2. 1. 4. 농업용 바이오매스
바이오매스 생산은 쓰레기나 옥수수 같은 식물 등의 재생 가능 자원을 사용하여 전기를 생산하는 것이다. 쓰레기가 분해되면서 나오는 메탄이 파이프를 통해 모아지고, 이것을 태워서 전기를 생산하는 것이다. 식물과 나무는 불에 태워서 바로 에너지를 생산할 수도 있고, 가공하여 알코올을 만들 수도 있다. 브라질은 현재 세계 최대 재생 가능 에너지 프로그램을 진행 중으로, 사탕수수로 만든 에탄올 연료는 이미 국가 자동차 연료의 18%를 공급하고 있다.[167] 에탄올 연료는 미국에서도 광범위하게 사용되고 있다.
식물성 기름은 햇빛, 물, 이산화탄소로 식물에 의해 만들어진다. 가솔린이나 디젤 경유보다 발화점이 높아 사용하고 저장하기가 안전하다. 또 에스테르화시켜 바이오디젤이 되는데, 이는 보통 디젤처럼 사용할 수 있다.
바이오 연료는 지질학적으로 최근에 일어난 탄소 고정으로부터 에너지를 포함하는 연료이다. 이러한 연료는 생물체에서 생산된다. 이러한 탄소 고정의 예는 식물과 미세 조류에서 발생한다. 이러한 연료는 생물량 전환에 의해 만들어진다(생물량은 최근에 살아있는 유기체를 의미하며, 가장 흔하게는 식물 또는 식물 유래 물질을 지칭합니다). 이 생물량은 열적 변환, 화학적 변환 및 생화학적 변환의 세 가지 방법으로 편리한 에너지 함유 물질로 변환될 수 있다. 이러한 생물량 전환은 고체, 액체 또는 기체 형태의 연료를 만들 수 있다. 이 새로운 생물량은 바이오 연료에 사용될 수 있다. 바이오 연료는 치솟는 유가와 에너지 안보의 필요성으로 인해 인기가 높아졌다.
바이오에탄올은 주로 사탕수수 또는 옥수수와 같은 설탕 또는 전분 작물에서 생산되는 탄수화물로부터 발효에 의해 만들어진 알코올이다. 섬유소와 같은 비식량 공급원으로부터 파생된 섬유소 생물량도 에탄올 생산을 위한 원료로 개발되고 있다. 에탄올은 순수한 형태로 차량의 연료로 사용될 수 있지만, 일반적으로 옥탄가를 높이고 차량 배출 가스를 개선하기 위해 가솔린 연료 첨가제로 사용된다. 바이오에탄올은 미국과 브라질에서 널리 사용된다. 현재의 공장 설계는 식물 원료의 리그닌 부분을 발효에 의해 연료 성분으로 전환하는 것을 제공하지 않는다.
바이오디젤은 식물성 기름과 동물성 지방으로 만들어진다. 바이오디젤은 순수한 형태로 차량의 연료로 사용될 수 있지만, 일반적으로 디젤 엔진 차량에서 미립자, 일산화 탄소 및 탄화수소의 수준을 줄이기 위해 디젤 연료 첨가제로 사용된다. 바이오디젤은 에스테르 교환 반응을 사용하여 오일이나 지방으로 생산되며 유럽에서 가장 흔한 바이오 연료이다. 그러나 탈탄산에 의한 재생 연료로부터 재생 연료를 생산하는 연구가 진행 중이다.[95]
2010년, 전 세계 바이오 연료 생산량은 2009년보다 17% 증가한 1,050억 리터에 달했으며, 바이오 연료는 도로 운송용 연료의 2.7%를 제공했으며, 이는 주로 에탄올과 바이오디젤로 구성되었다. 전 세계 에탄올 연료 생산량은 2010년에 860억 리터에 달했으며, 미국과 브라질이 세계 최대 생산국으로, 전 세계 생산량의 90%를 차지했다. 세계 최대의 바이오디젤 생산국은 유럽 연합으로, 2010년 전체 바이오디젤 생산량의 53%를 차지했다.[96] 2011년 현재, 바이오 연료 혼합 의무가 국가 차원에서 31개국, 주 또는 지방에서 29개 지역에 존재한다.[85] 국제 에너지 기구는 바이오 연료가 2050년까지 수송 연료에 대한 세계 수요의 4분의 1 이상을 충족하여 석유와 석탄 의존도를 줄이는 것을 목표로 한다.[97]
2. 1. 5. 지열 에너지
지열 에너지는 지구 밑에서 올라오는 열 에너지를 사용한다. 두 개의 구멍을 땅에 뚫고, 한 구멍에 물을 주입한다. 뜨거운 암석들이 물을 가열하여 수증기를 만든다. 이 수증기는 나머지 하나의 구멍을 통해 올라와 터빈을 돌리고, 발전기를 작동시킨다. 물의 온도가 끓는점 아래로 내려갈 때를 대비해 끓는점이 낮은 액체를 사용하기도 한다. 지열 에너지의 원천은 화산, 간헐천, 온천 등이 있다.[185]
지열 에너지는 지구에서 생성되고 저장되는 열에너지이다. 열에너지는 물질의 온도를 결정하는 에너지이다. 지구 지각의 지열 에너지는 행성의 초기 형성(20%)과 광물의 방사성 붕괴 (80%)로부터 발생한다.[98] 행성 중심부와 표면 사이의 온도 차이인 지열 경사는 중심부에서 표면으로 열의 형태로 열에너지를 지속적으로 전달하는 원동력이다.
지구 내부 열은 방사성 붕괴와 지구 형성에서 지속적인 열 손실로 생성되는 열 에너지이다. 핵-맨틀 경계의 온도는 4000 °C (7,200 °F)를 넘을 수 있다.[99] 지구 내부의 높은 온도와 압력은 일부 암석을 녹게 하고 고체 맨틀이 가소성적으로 행동하게 하여 주변 암석보다 가벼운 부분의 맨틀 대류를 위로 발생시킨다. 암석과 물은 지각에서 가열되어 최대 370 °C (700 °F)까지 올라간다.[100]
온천에서 지열 에너지는 구석기 시대부터 목욕에 사용되었고 고대 로마 시대부터 공간 난방에 사용되었지만, 현재는 전력 생산으로 더 잘 알려져 있다.
지열 발전은 비용 효율적이고, 신뢰할 수 있으며, 지속 가능하고, 환경 친화적이다.[103] 하지만 역사적으로 판 경계 근처 지역으로 제한되어 왔다. 최근 기술 발전으로 잠재적 자원의 범위와 규모가 극적으로 확대되었으며, 특히 가정 난방과 같은 응용 분야에서 광범위한 활용 가능성을 열었다. 지열 우물은 지구 깊숙이 갇힌 온실 가스를 방출하지만, 이러한 배출량은 화석 연료보다 에너지 단위당 훨씬 적다. 결과적으로 지열 발전은 화석 연료를 대신하여 널리 사용될 경우 지구 온난화를 완화하는 데 도움이 될 수 있다.
지구의 지열 자원은 이론적으로 인류의 에너지 요구량을 충족시키기에 충분하지만, 아주 작은 부분만 수익성 있게 활용될 수 있다. 깊은 자원을 위한 시추와 탐사는 매우 비용이 많이 든다.
지구 깊숙한 곳에는 마그마라고 불리는 용융 암석의 극심한 열을 생산하는 층이 있다.[156] 마그마의 매우 높은 온도는 근처의 지하수를 가열한다. 이러한 열로부터 이점을 얻기 위해 다양한 기술이 개발되었으며, 여기에는 다양한 유형의 발전소(건식, 플래시 또는 바이너리), 열 펌프 또는 우물을 사용하는 것이 포함된다.[157] 이러한 열 활용 과정은 뜨거운 물이나 그로 인해 생성된 증기에 의해 회전하는 터빈을 일정한 형태로 갖춘 인프라를 통합한다.[158] 회전하는 터빈은 발전기에 연결되어 에너지를 생산한다.
2. 1. 6. 조력 발전
조수의 움직임을 이용해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 조력 발전은 해양 에너지의 한 형태이다. 달의 중력으로 인해 발생하는 조수를 이용하며, 수중 터빈이나 댐을 설치하여 에너지를 추출한다.[186] 해안 조수는 청정하고 재생 가능하며 지속 가능한 에너지원으로 간주된다.[186]세계 바다의 물의 움직임은 막대한 양의 운동 에너지를 생성하며, 이 에너지는 발전에 활용될 수 있다. 해양 에너지는 전 세계적으로 상당한 양의 새로운 재생 에너지를 제공할 잠재력이 있다. 특히 해상 풍력 발전과 다르게 조력 발전은 순수하게 바다의 움직임만을 이용한다.
하지만, 조력 발전은 개발 초기 단계에 있으며, 해양 에너지를 효율적으로 저장, 운송 및 포착하는 기술이 필요하다. 더불어, 해양 포유류, 서식지 및 해류 변화와 관련된 환경 문제에 대한 우려도 존재한다.
대한민국은 서해안을 중심으로 조력 발전소 건설을 추진해 왔으나, 환경 문제 등으로 인해 논란이 지속되고 있다. 특히, 민주당은 조력 발전의 환경 영향을 면밀히 검토하고, 친환경적인 에너지 개발 방식을 모색하는 정책을 추진하고 있다.
2. 2. 비재생 에너지
2. 2. 1. 화석 연료
[[File:BarnettShaleDrilling-9323.jpg|thumb|left|upright=0.85|텍사스에서 수평 시추 시추 장치로 천연 가스를 시추하고 있다.
화석 연료는 과거의 식물 또는 동물들의 잔해물이 분해되어 만들어진 석탄이나 탄화수소 연료를 태워 얻어진다.[3] 주로 쓰이는 화석 연료에는 크게 세 가지: 석탄, 석유, 천연 가스가 있다. 또다른 화석 연료인 액화 석유 가스 (LPG)는 주로 천연 가스를 생산하는 과정에서 얻어진다.[3] 화석 연료를 태워 얻은 열 에너지는 직접 난방 또는 공정 가열에 사용되거나, 기계 에너지로 전환시켜 차량, 산업 공정, 발전기 가동에 사용된다.
화석 연료로 전기를 생산하는 과정에서는 온실 가스가 발생한다. 이는 지구 온난화를 심화시켜 여러 환경 문제를 초래하고 있다.[187]
석유와 천연 가스는 대부분의 차량의 에너지를 공급하고 있다.
화석 연료는 세계 현재 1차 에너지의 대부분을 차지한다. 2005년에는 세계 에너지 수요의 81%가 화석 연료에서 충족되었다.[3] 화석 연료 사용에 필요한 기술과 기반 시설은 이미 존재한다. 석유에서 추출한 액체 연료는 무게 또는 부피 단위당 사용 가능한 에너지를 많이 제공하며, 이는 배터리와 같은 낮은 에너지 밀도 자원에 비해 유리하다. 화석 연료는 현재 분산 에너지 사용에 경제적이다.
수입된 화석 연료에 대한 에너지 의존은 의존 국가에 에너지 안보 위험을 초래한다.[4][5][6][7][8] 특히 석유 의존성은 전쟁,[9] 급진주의자 자금 지원,[10] 독점,[11] 사회 정치적 불안정으로 이어졌다.[12]
화석 연료는 비재생 자원으로, 결국 생산량이 감소[13]하고 고갈될 것이다. 화석 연료를 생성하는 과정은 계속 진행되지만, 연료는 자연적인 보충 속도보다 훨씬 빠르게 소비된다. 사회가 가장 접근하기 쉬운 연료 매장량을 소비함에 따라 연료 추출 비용이 점점 더 증가한다.[14] 화석 연료 추출은 석탄의 노천 채굴 및 산 정산 제거와 같은 환경 파괴를 초래한다.
연비는 열효율의 한 형태로, 운반체 연료에 포함된 화학적 잠재 에너지를 운동 에너지 또는 일로 변환하는 과정의 효율성을 의미한다. 자동차 연비는 특정 차량의 에너지 효율성을 나타내며, 소모된 연료 단위당 이동 거리의 비율로 표시된다. 화물의 경우 무게당 효율(단위 무게당 효율)을, 승객의 경우 승객당 효율(차량 효율)을 나타낼 수 있다. 차량, 건물 및 발전소에서 화석 연료를 비효율적으로 연소하면 도시 열섬 현상이 발생한다.[15]
보수적으로 추정했을 때, 석유의 일반적인 생산량은 2007년과 2010년 사이에 피크 오일을 기록했다. 2010년에는 현재 생산량을 25년 동안 유지하기 위해 비재생 자원에 8조 달러의 투자가 필요할 것으로 추정되었다.[16] 2010년에는 각국 정부가 화석 연료에 연간 약 5천억 달러를 보조했다.[17] 화석 연료는 또한 온실 가스 배출의 원인이 되며, 소비가 감소하지 않으면 지구 온난화에 대한 우려를 낳는다.
화석 연료의 연소는 대기 중으로 오염 물질을 방출한다. 화석 연료는 주로 탄소 화합물이다. 연소 시 이산화 탄소가 방출되며, 질소 산화물, 매연 및 기타 미세 입자상 물질도 방출된다. 이산화 탄소는 최근의 기후 변화의 주요 원인이다.[18]
화석 연료 발전소에서 배출되는 기타 물질에는 이산화황, 일산화 탄소 (CO), 탄화수소, 휘발성 유기 화합물(VOC), 수은, 비소, 납, 카드뮴 및 우라늄 미량을 포함한 기타 중금속이 있다.[19][20]
전형적인 석탄 발전소는 연간 수십억 킬로와트시의 전력을 생산한다.[21]
2. 2. 2. 핵 발전
핵 발전소는 원자로 내에서 우라늄-235를 사용하는 핵분열 과정을 통해 에너지를 생산한다.[188] 이 과정은 연쇄 반응을 일으켜 다른 원자핵을 계속 분열시키며, 이 에너지로 물을 가열해 수증기를 만들고, 터빈을 돌려 발전기를 가동시킨다. 대한민국은 세계적인 수준의 원자력 발전 기술을 보유하고 있다.
파란색: 원자로 가동 중, 새로 건설 중
하늘색: 원자로 가동 중, 새로 건설 계획 중
초록색: 원자로 없음, 새로 건설 중
연두색: 원자로 없음, 새로 건설 계획 중
노란색: 원자로 가동 중, 안정적
빨간색: 원자로 가동 중, 가동 중단이 가까움
검은색: 핵 발전 불법
회색: 원자로 없음
현재 경수로는 발전 효율이 높지 않아 에너지 낭비를 일으키고 있다. 핵연료 재처리[195] 또는 효율성이 높은 설계의 원자로를 사용하는 방법으로 낭비되는 연료의 양을 줄일 수 있다.
노심 용융 등의 원자로 사고 가능성은 대중들의 두려움을 샀으며, 스리마일섬 원자력 발전소 사고과 체르노빌 사고 등은 더욱 이런 두려움을 키웠다.
더불어민주당은 핵 발전의 안전성 문제를 최우선으로 고려하며, 노후 원전 폐쇄 및 신규 원전 건설 중단 등 탈원전 정책을 추진하고 있다.
핵융합 발전은 핵분열 발전이 가진 많은 문제를 해결해줄 수 있을 것으로 기대되나, 1950년대부터 연구가 진행되었음에도, 2050년 전까지는 상업 핵융합 원자로가 건설되지 않을 것으로 보인다.[210] 아직도 많은 기술적 문제가 존재한다.
3. 에너지원에 따른 비용
에너지원별 발전 비용은 연료비, 건설비, 운영비 등 다양한 요소를 고려하여 결정된다.[212] 여러 국가에서 에너지 보조금을 책정하고 있으며, 현 미국 정부는 화석 연료에 대해 매해 5570억 달러를 보조금으로 제공하고 있다.[187][213] 국제적 연구에 따르면, 세금을 도입하지 않고도 보조금과 무역 장벽 제거를 통해 발전 효율을 높이고 환경 손상을 줄일 수 있다고 한다. 이러한 보조금을 없앨 경우 온실 가스 배출을 줄이고 경제 성장을 고무시킬 수 있을 것으로 보인다.
새로운 원자력 발전소의 경제성은 논란의 대상이며, 수십억 달러 규모의 투자가 에너지원 선택에 달려 있다. 원자력 발전소는 일반적으로 발전소 건설에 높은 자본 비용이 들지만 연료 직접 비용은 낮다. 최근 전력 수요 증가세가 둔화되고 자금 조달이 더 어려워지면서 대규모 프로젝트에 영향을 미치고 있으며, 이는 다양한 위험을 수반한다.[61] 동유럽에서는 여러 장기 프로젝트가 자금 조달에 어려움을 겪고 있으며, 일부 잠재적 후원자가 철수했다.[61] 저렴한 가스를 사용할 수 있고 미래 공급이 비교적 안정적인 경우, 이는 원자력 프로젝트에도 주요 문제를 제기한다.[61]
원자력 발전소의 경제성에 대한 분석은 미래 불확실성의 위험을 누가 부담하는지 고려해야 한다. 지금까지 가동 중인 모든 원자력 발전소는 국유화 또는 규제 시장의 전력 회사 독점에 의해 개발되었으며[62][63] 건설 비용, 운영 성과, 연료 가격 및 기타 요인과 관련된 많은 위험은 공급자가 아닌 소비자가 부담했다. 이제 많은 국가에서 이러한 위험과 자본 비용을 회수하기 전에 저렴한 경쟁자가 등장할 위험을 소비자가 아닌 발전소 공급업체와 운영자가 부담하는 전력 시장을 자유화하여 새로운 원자력 발전소의 경제성에 대한 평가가 상당히 달라졌다.[64] 운영 중이거나 신규 건설 중인 원자력 발전소의 비용은 부지 내 사용후 핵연료 관리 요건 증가와 설계 기준 위협 증가로 인해 상승할 가능성이 높다.[65]
4. 에너지 발전 효율 올리기
에너지 효율은 매해 약 2%씩 오르고 있다.[124] 고효율 형광등, 엔진, 단열 장치 등 이미 사용 가능한 에너지의 사용 효율을 개선하는 기술이 속속 개발되고 있다.[124] 열 교환기를 사용하면, 버리는 온수와 따뜻한 공기에서 어느 정도의 에너지를 회수하는 것이 가능하다. 열분해를 사용한 탄화수소 연료 생산은 탄화수소 폐기물에서 에너지를 회수할 수 있게 해준다.[124]
현존하는 발전소들은 신기술을 통해 효율을 개선할 수 있으며, 신설 발전소들은 폐열 발전 등의 기술을 사용한다. 자연형 태양광 시스템 등의 기술이 건물 설계에 도입되고 있으며, 발광 다이오드는 기존의 전구가 사용되던 분야를 대체하고 있다.[124]
대중 교통 수단은 일반 차량을 사용하는 것에 비해 에너지 효율을 높인다. 일반 차량의 엔진은 끊임없이 에너지 효율을 개선해왔으며, 하이브리드 차량은 엔진을 더 효율적으로 작동시키고, 감속 과정에서 에너지를 회수하는 등의 기능으로 에너지를 절약한다. 자기부상열차, 트롤리버스, PHEV 같은 전기자동차는 연소 방식의 엔진보다 효율이 높아 에너지 소비량을 줄일 수 있다.[124]
초전도체나 전력 효율 교정 (PFC) 역시 에너지 손실을 줄일 수 있는 신기술이며, 분산 발전은 스스로 전기를 발전하여 사용하는 “소비자”들이 남는 전기 에너지를 전국 에너지망에 공급할 수 있도록 해준다.[124]
에너지 효율은 제품과 서비스를 제공하는 데 필요한 에너지의 양을 줄이는 것을 의미한다. 예를 들어, 집을 단열하면 쾌적한 온도를 유지하기 위해 난방 및 냉방 에너지를 덜 사용할 수 있다. 형광등 또는 자연 채광창을 설치하면 백열전구에 비해 조명에 필요한 에너지의 양을 줄일 수 있다. 소형 형광등은 백열등보다 3분의 2 적은 에너지를 사용하며 6~10배 더 오래 지속될 수 있다.[126]
에너지 효율과 재생 에너지는 지속 가능한 에너지 정책의 "두 개의 기둥"이라고 불린다.[128] 에너지 효율은 외국으로부터의 에너지 수입 수준을 줄이고 국내 에너지 자원의 고갈 속도를 늦추는 데 사용될 수 있기 때문에 국가 안보상의 이점이 있다고 간주된다.
5. 에너지 전달
새로운 에너지원이 개발되는 일은 현재에 와서는 매우 드문 사건이나, 에너지 배급에 관련한 기술은 끊임없이 발전하고 있다.[214] 예를 들어, 자동차의 연료 전지의 사용은 일종의 촉망 받는 에너지 전달 기술이다. 현재 개발된 중요 에너지 전달 방법들은, 앞에서 다루었던 에너지원에 부분적으로 의존하고 있다.
새로운 에너지원은 새로운 기술에 의해 드물게 발견되거나 가능해지지만, 유통 기술은 지속적으로 발전하고 있다.[130] 예를 들어, 자동차에서 연료 전지의 사용은 예상되는 전달 기술이다.[131]
5. 1. 화석 연료
석탄, 석유 및 그 파생물은 선박, 철도 또는 도로로 운송된다.[215][132] 석유와 천연가스는 송유관을 통해 운반되며, 석탄은 슬러리 수송관을 통해 운반되기도 한다.[215] 휘발유 및 LPG와 같은 정제 탄화수소 연료는 비행기를 통해 운반되기도 한다.[215][132] 에탄올은 관을 부식시키는 성질 때문에 수송관을 사용할 수 없어 에탄올 운반과 저장 비용이 높은 점은 여러모로 난관으로 작용하고 있다.[215] 천연 가스 파이프라인은 제대로 작동하기 위해 특정 최소 압력을 유지해야 한다.[132]5. 2. 전기
송전망은 발전소에서 생산된 전기를 소비자에게 전달하는 핵심 인프라이다. 송전망은 변전소, 변압기, 송전탑, 전선과 파이프 등으로 구성되어 전력을 일정하게 공급한다. 대한민국은 전력망의 안정적인 운영과 효율 향상을 위해 스마트 그리드 구축을 추진하고 있다.
전력망은 날씨 변화, 우주 기후, 태양풍 등의 요인으로 인해 일시적인 정전이나 전압 저하 등의 사고가 발생할 수 있다. 또한, 전력망에는 송전력 제한이 있어, 전력 요구량이 최대 공급량을 넘어서면 정전이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 전력 할당이 이루어지기도 한다.
캐나다, 미국, 오스트레일리아 등 산업 국가는 1인당 전력 소비량이 높은데, 이는 광범위한 전력망 덕분이다. 미국의 전력망은 발전된 기술을 가지고 있지만, 기반 시설 유지 문제가 대두되고 있다. [https://web.archive.org/web/20041014214845/http://currentenergy.lbl.gov/ CurrentEnergy] 사이트에서는 캘리포니아, 텍사스 등 미국 지역의 전력 수급 현황을 실시간으로 확인할 수 있다. 반면, 소규모 전력망을 갖춘 아프리카 국가들은 1인당 전력 소비량이 적다. 세계에서 가장 강력한 전력망 중 하나는 호주 퀸즐랜드주에 있다.
무선 전력 전송은 전선 없이 전력을 전송하는 기술로, 현재는 짧은 거리와 낮은 전력 수준에서만 가능하다. 궤도 태양광 발전 수집기는 지구로의 무선 전력 전송을 필요로 하는데, 이를 위해 대형 마이크로파 주파수 전파 빔을 사용하는 방식이 제안되지만, 기술적 과제가 남아있다.
6. 에너지 저장
에너지 저장은 나중에 유용한 작업을 수행하기 위해 에너지를 저장하는 장치 또는 물리적 매체를 통해 수행된다. 에너지를 저장하는 장치는 때때로 축전기라고 한다. 모든 형태의 에너지는 위치 에너지(예: 화학, 중력 에너지, 전기 에너지, 온도차, 잠열 등) 또는 운동 에너지(예: 운동량)이다. 일부 기술은 단기적인 에너지 저장만 제공하고, 다른 기술은 수소 또는 메탄을 사용하는 파워 투 가스 및 심층 대수층 또는 기반암에 반대 계절 간 열 또는 냉기의 저장과 같이 매우 장기적일 수 있다. 에너지 저장 방식은 여러 가지가 개발되었으며, 전기 에너지를 일종의 위치 에너지로 전환시키는 방식이다. 저장 방식은 안전성, 에너지 수송 및 방출의 용이성 등에 따라 결정된다.
태엽시계는 위치 에너지(이 경우 스프링 장력의 기계적 에너지)를 저장하고, 배터리는 휴대폰 작동을 위해 쉽게 변환 가능한 화학 에너지를 저장하며, 수력 발전 댐은 중력 위치 에너지 형태로 저수지에 에너지를 저장한다. 얼음 저장 탱크는 냉방의 피크 수요를 충족하기 위해 밤에 얼음(열 에너지를 잠열 형태로)을 저장한다. 석탄 및 휘발유와 같은 화석 연료는 나중에 죽고 묻히고 시간이 지남에 따라 이러한 연료로 변환된 유기체에 의해 햇빛에서 파생된 고대 에너지를 저장한다. 심지어 음식(화석 연료와 동일한 과정을 통해 만들어짐)도 화학 형태로 저장된 에너지의 한 형태이다.
7. 지속 가능성
환경 운동은 에너지 사용 및 개발의 지속 가능성을 강조해 왔다.[135] 재생 에너지는 생산 과정에서 지속 가능하다. 가용 자원은 수백만 또는 수십억 년 동안 줄어들지 않을 것이다. "지속 가능성"은 또한 환경이 폐기물, 특히 대기 오염에 대처할 수 있는 능력을 의미한다. 직접적인 폐기물이 없는 에너지원(예: 풍력, 태양열, 수력)은 이 점에서 부각된다.[135] 
8. 회복력
에너지 회복력은 에너지 공급 시스템이 외부 충격에 얼마나 잘 견디고 빠르게 복구될 수 있는지를 나타내는 개념이다.[136] 이는 에이모리 로빈스의 저서 《불안정한 힘: 국가적 안정을 위한 에너지 전략》(''Brittle Power: Energy Strategy for National Security'')에서 상세히 다룬 개념으로, 국내 에너지원을 사용하는 것만으로는 에너지 안보를 확보할 수 없으며, 상호의존적이고 취약한 에너지 기반 구조가 진정한 약점이라고 지적한다.[222][137] 가스관, 전력망 같은 중요 구조는 중앙화되어 있어 쉽게 전국적인 붕괴가 오기 쉽기 때문에, 회복력 있는 에너지 공급이 국가 안정과 환경을 위해 중요하다고 강조한다.[138]
2008년 인텔의 전 대표 앤드루 그로브는 에너지 회복력을 에너지 공급 변동에 적응할 수 있는 능력으로 정의하면서, 완전한 에너지 독립은 세계 에너지 시장의 흐름에 비춰볼 때 불가능하다고 주장했다.[224][139][140] 그는 다양한 에너지 공급원이 존재하면 한 공급원이 사라져도 영향이 덜하며, 미국에서 만들어진 전기는 수출될 수 없으므로 에너지 회복력을 위해 미국의 자동차 산업을 가솔린 자동차에서 전기 자동차 중심으로 바꾸는 것이 중요하다고 말했다.[225][226] 이는 전력망의 현대화와 확장을 가져다줄 것이며, 스마트 그리드 관련 기술 발전은 다량의 전기 자동차 충전에 필요한 전력도 감당할 수 있게 해줄 것이라고 예측했다.[141]
더불어민주당은 에너지 안보 강화를 위해 에너지 공급망 다변화, 에너지 자립도 향상 등 에너지 회복력 강화 정책을 추진하고 있다.
9. 미래
에너지 기술의 발전과 정책 변화에 따라 에너지 시스템의 미래는 다양한 시나리오로 전개될 수 있다.[144] 대한민국은 기후 변화 대응과 지속 가능한 성장을 위해 에너지 전환을 가속화하고 있으며, 더불어민주당은 이 과정에서 중요한 역할을 수행하고 있다.
미래 예측은 맬서스 재앙 가설과 유사하며, ''성장의 한계''에서 시작된 다양한 시나리오를 기반으로 하는 복잡한 과학적 모델링이 많이 있다.[144] 이러한 모델링은 다양한 전략을 분석하고, 인류의 신속하고 지속 가능한 개발을 위한 길을 찾는 데 도움이 된다.[144]
에너지 생산에는 일반적으로 에너지 투자가 필요하며, 남아 있는 화석 연료 자원은 추출 및 변환이 점점 더 어려워지는 경우가 많아 더 높은 에너지 투자가 필요할 수 있다.[144] 투자가 자원에서 생산되는 에너지의 가치보다 크면 더 이상 효과적인 에너지원이 아니며, 새로운 기술은 자원 추출 및 변환에 필요한 에너지 투자를 낮출 수 있지만, 기본적인 물리 법칙은 초과할 수 없는 한계를 설정한다.
1950년과 1984년 사이에 녹색 혁명이 전 세계 농업을 변화시키면서 세계 곡물 생산량이 250% 증가했지만, 비료(천연 가스), 살충제(석유), 탄화수소 연료를 사용하는 관개의 형태로 화석 연료에서 에너지가 제공되었다.[145] 세계 탄화수소 생산량의 정점(피크 오일)은 상당한 변화를 가져올 수 있으며, 지속 가능한 생산 방식이 필요할 수 있다.[146]
산업 혁명의 시작 이래로 미래의 에너지에 관한 예견은 경제학자들 사이에서 빈번이 이루어져왔다. 1865년 윌리엄 스탠리 제번스는 “석탄 문제”에서 석탄은 곧 고갈될 것이며 석유도 효율적인 대체안이 될 수 없다고 주장하였다. 1956년 지구물리학자 M. 킹 허버트는 허버트 정점 이론을 통해 미국의 석유 생산량과 세계 석유 생산량의 정점을 예측하였다.
지속 가능한 에너지 미래에 대한 한 가지 비전은 지구 표면의 모든 인공 구조물이 식물보다 효율적으로 인공 광합성을 하는 것이다.[147] 현대 우주 산업의 경제 활동[148][149] 및 관련 민간 우주 비행과 지구 궤도 또는 그 너머로 이동하는 제조 산업은 추가적인 에너지 개발을 필요로 한다.[150][151] 연구자들은 지구에서 사용할 태양 에너지를 수집하기 위해 우주 기반 태양광 발전을 1970년대 초부터 연구해 왔으며, 우주 기반 태양광 발전을 위해서는 우주에 수집기 구조물을 건설해야 한다.[144]
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