[과학 지식] 석탄, 석유, 전기 에너지의 발전

태양이 에너지를 만들어내는 원리

 태양 에너지는 태양의 중심부에서 만들어집니다. 태양의 중심부는 1억 도가 넘는데 고체도, 액체도, 기체도 아닌 제4의 물질 상태, 즉 플라스마 상태입니다. 플라스마 상태에서는 원자핵이 결합하는 핵융합 반응이 일어나는데 바로, 이 과정에서 엄청난 양의 빛과 열이 발생합니다.

 그렇게 만들어진 태양 에너지가 지구에 도착하는 데는 팔 분 정도 걸립니다. 그중 절반은 반사되어 우주로 방출되거나 대기나 구름에 흡수되고, 그 나머지가 지표면에 도착합니다. 하지만 그것만으로도 어마어마한 양입니다.

 태양으로부터 1분 동안 지구가 받는 에너지의 양은 전 세계가 1년 동안 쓸 수 있는 에너지양과 같습니다. 이것을 화석 에너지의 관점에서 설명하자면 전 지구상에 묻혀 있는 모든 화석 에너지원에 저장된 에너지가 단 사흘 동안 태양으로부터 받는 지구가 받는 에너지양과 같다고 합니다. 그러니까 매우 많은 양의 에너지를 지구가 받고 있다고 할 수 있을 것입니다. 그중 광합성에 사용되는 양은 0.15퍼센트에 불과합니다.

 태양 에너지의 극히 일부만으로도 인간은 식량과 연료를 얻고 있는 것입니다. 특히 나무 장작은 원시 초기부터 인류가 사용하던 연료였습니다. 그런데 십팔 세기에 이르자 장작은 눈에 띄게 감소합니다. 지구 전체에 널려 있던 장작이 줄어들기 시작하자 인간은 다른 에너지원에 눈을 돌리기 시작합니다.

장작 에너지의 대체품, 석탄

 장작을 대체할 수 있는 에너지원은 땅속 저 깊은 곳에 있었습니다. 바로 석탄입니다.

 사람들은 처음엔 석탄을 연료로 생각하지 않았습니다. 심지어 장신구로 사용하는 때도 있었습니다. 그런데 시간이 지나면서 석탄이 탄다는 사실이 새롭게 알려지게 됩니다. 하지만 석탄을 캘 수 있는 지역은 지구상에 얼마 되지 않았고, 잘못 태우면 맹독성 가스가 배출되기 때문에 석탄은 큰 관심을 끌지 못했습니다.

 석탄이 연료로 사용된 것은 17세기 초, 영국에서 철 생산에 석탄을 사용하면서부터입니다. 석탄은 태양 에너지를 받고 자란 식물 위로 표적물이 쌓이고, 긴 세월 고온과 압력에 의해 변성되면서 만들어진 것입니다. 일종의 땅속에 저장된 태양 에너지가 바로 석탄입니다.

 석탄이 연료로 사용되면서 인류 문명은 급속도로 발전합니다. 18세기 산업혁명의 엔진 역할을 했던 증기기관. 그 증기기관을 작동시킨 연료가 바로 석탄입니다. 초기에 증기기관은 수증기의 힘을 이용하는 동력기관이었습니다. 인간은 일찍이 수증기가 힘을 낸다는 사실을 알고 있었습니다. 하지만 그런 인식에서 현실적인 기계, 즉 증기기관이 탄생하기까지는 오랜 시간이 걸렸습니다. '제임스 와트'가 증기기관을 만들어내는 일을 해냈습니다. 산업혁명이 시작된 나라 영국에서는 산업혁명에 중요한 역할을 했던 증기기관을 소중하게 보관하고 있습니다. 그것이 세상을 바꾼 걸작. 바로 '제임스 와트'가 만든 증기 기관입니다.

 용기에 물을 넣고 가열하면 물이 기화하면서 수증기가 발생합니다. 이때 수증기가 만들어내는 힘을 이용해 피스톤을 움직이면 물체를 움직일 수 있습니다. '제임스 와트'는 이 원리를 이용하는 동시에 실린더 옆에 수증기를 응집시키는 응축기까지 설치함으로써 증기 기관의 효율을 높였습니다. 이후 그는 증기기관의 피스톤 왕복 운동을 바퀴의 회전 운동으로 바꾸는 방법을 찾아냅니다. 그 결과 증기의 힘으로 바퀴를 돌리는 기차와 배가 탄생합니다.

산업화의 문을 연 증기기관

 다양한 교통수단이 등장하면서 대량 수송과 이동이 가능해지자 생활은 한층 더 풍요로워졌습니다. 증기기관은 또 대량 생산의 시대를 열었습니다. 특히 증기기관으로 가동되는 방적기는 섬유산업을 폭발적으로 성장시켰습니다. 산업화 시대의 원동력이었던 증기기관. 바로 그 증기기관을 움직인 것이 석탄이었습니다.

 증기기관이 생기기 전까지는 인간들이 큰일을 하려면 소나 말 같은 힘센 동물이 필요했습니다. 아니면 바람을 이용해서 배를 만들거나 풍차를 만들었어야 했습니다. 바람은 우리가 원할 때 불지 않을 수도 있고 소나 말 같은 동물은 음식물이 필요하고 또 지치기도 합니다. 하지만 증기 기관은 지치지도 않고 우리가 원하는 장소, 원하는 시간에 매우 큰 힘을 낼 수 있습니다. 그래서 우리가 증기기관을 이용하면 큰 기계를 만들 수도 있고, 기차나 배를 만들어서 우리가 원하는 때에 멀리까지 이동할 수 있게 됩니다. 이런 증기기관 때문에 우리가 19세기에 큰 산업혁명을 이루게 된 것입니다.

 증기기관의 연료로 산업화 시대에 견인차 구실을 한 석탄. 하지만 석탄은 부피가 커서 운반하는 데 어려움이 많았습니다. 게다가 태우는 양에 비해 열효율도 낮았습니다. 석탄보다 더 좋은 에너지원은 없는지 사람들은 고민하기 시작했습니다. 그리고 답을 찾아냈습니다. 바로 석유였습니다.

 석유는 태양 에너지로 자라난 식물을 먹은 바닷속 또는 육지의 동물 사체가 열과 압력에 의해 변해서 만들어진 화석 연료입니다. 땅속에 저장된 또 다른 형태의 태양 에너지인 셈입니다. 석유는 4세기 전부터 발견돼 방수 재료나 윤활유 등으로 사용됐습니다. 하지만 땅 위로 배어 나오는 이 끈적한 기름에 사람들은 별로 관심을 두지 않았습니다. 석유의 진정한 가치를 발견한 사람은 '드레이크였'습니다.

 1859년 당시 사람들도 종종 석유를 연료로 사용했습니다. '드레이크' 역시 약간의 연료를 얻기 위해 땅을 파기 시작했습니다. 그런데 땅속 21미터 깊이에서 막대한 양의 기름샘이 발견됩니다. 그 후 사람들은 땅속에서 석유를 뽑아 쓰기 시작했고, 석유는 순식간에 인류의 주된 연료가 됐습니다. 하지만 매장된 지역에 한정돼 있어 수송과 저장이 어렵다는 단점이 있었습니다. 여기에 대한 답이 바로 전기였습니다.

전기 생산으로 인한 발전기의 발전

 전기의 존재는 정전기나 벼락으로 인해서 아주 옛날부터 알려져 있었습니다. 하지만 전기가 유용한 에너지원으로 자리 잡기까지는 역시 오랜 시간이 걸렸습니다.

 1831년 영국의 한 젊은 과학자가 획기적인 전환점을 마련합니다. 과학사에 길이 남을 이름 '마이클 패러데이'입니다. 그가 연구하던 곳은 박물관으로 만들어졌습니다. '패러데이'의 연구가 그만큼 위대하다는 의미입니다. 가난한 대장장이의 아들로 어릴 적부터 호기심이 많았던 '패러데이'. 과학자가 된 그는 전기에 대한 궁금증을 풀기 위해 무려 12년 동안 한 가지 실험에 몰두했습니다. 그러던 어느 날 드디어 전기를 만들어내는 데 성공합니다. 전류를 만들어내기 위해서는 자석 사이에서 코일을 움직이거나, 코일 주위에서 자석을 움직이면 됩니다. 그것이 바로 과학사의 위대한 발견 중 하나인 전자기 유도 법칙입니다. 이때 코일을 많이 감을수록, 그리고 자석을 빨리 움직일수록 전류의 세기가 커집니다.

 '패러데이' 법칙을 기반으로 그 후 많은 사람이 발전기를 만들어 냈습니다. 현대의 발전기도 원리는 같습니다. 자석이나 코일을 돌리기 위해 수력, 풍력, 화력, 원자력 등의 다양한 에너지원을 이용하지만, 발전의 원리 자체는 1831년 '패러데이'가 발견한 것과 모두 같은 것입니다.

 '패러데이'의 발견으로 인류는 비로소 전기의 시대를 맞이합니다. 그 후 전기를 대중화시킨 사람은 우리가 잘 아는 '에디슨'입니다. 당시 과학자들은 오랫동안 밝게 빛나는 전구를 만드느라 골치를 앓고 있었습니다. 그 경쟁의 승리자가 바로 '에디슨'이었습니다. 실 모양의 탄소로 된 심지를 넣어 오래 빛나는 전구를 만들어 낸 것입니다. 전기를 대중적으로 사용하게 되면서 인간의 생활은 완전히 뒤바뀌었습니다. 사람들은 밤에도 낮처럼 생활할 수 있게 되었습니다.

편해질수록 에너지 소비는 늘어나는 시대

 인간은 화석 연료에서 얻은 태양 에너지를 전기로 바꿔 수백, 수천 킬로미터 떨어진 곳까지 보내는 방법을 발명해 냈습니다. 전선만 연결하면 마음껏 쓸 수 있는 전기 덕분에 사람들은 편리해졌습니다. 하지만 그럴수록 더 많은 전기가 필요했고, 더 많은 전기를 만들기 위해서는 발전기를 돌릴 수 있는 화석 연료가 더 많이 필요했습니다.

 예전에는 우리가 채소를 하나 먹는다고 하면 집 앞에 있는 텃밭에서 채소를 스스로 따다가 물에 씻어서 먹으면 되는 것이었습니다. 하지만 이제는 그런 세상이 아닙니다. 멀리 떨어진 농촌에서 채소를 생산하면 이 채소를 포장하고 트럭에 실어서 보내고, 대도시에 있는 슈퍼에서 진열합니다. 그러면 사람들은 차를 타고 가서 채소를 구매하고 돌아온 후 집에 있는 냉장고에 놔두었다가 나중에 꺼내서 먹습니다. 이 과정에서 매우 많은 에너지가 소비되는 것입니다.