뿌리학습 · 고등 과학탐구
에너지 전환과 발전·신재생 에너지
우리가 쓰는 전기는 어디서 올까. 전기를 만드는 장치가 발전기다.
이 단원, 내가 꺼낼 수 있는지 확인해 볼까요?
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개념 정리
먼저 말을 정확히 하자. 발전기는 전기를 새로 만들어 내는 것이 아니다. 에너지는 새로 생기거나 사라지지 않고 형태만 바뀐다. 발전기가 하는 일은 터빈이나 회전축이 가진 역학적 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 것이다.
발전기의 원리는 자석과 코일에 있다. 코일 근처에서 자석을 움직이거나 자석 사이에서 코일을 돌리면 코일을 지나는 자기장이 변하고, 그러면 코일에 전류가 흐른다. 이렇게 자기장의 변화로 코일에 전류가 흐르는 현상을 전자기 유도라고 하고, 이때 흐르는 전류를 유도 전류라고 한다.
여기서 중요한 것은 변해야 한다는 점이다. 자석과 코일이 가만히 있으면 아무리 강한 자석이라도 전류가 흐르지 않는다. 자기장의 변화가 있어야 한다.
비슷한 장치로 전동기가 있는데 방향이 반대다. 전동기는 전기 에너지를 받아 운동 에너지로 바꾼다. 발전기는 돌려서 전기를 얻고, 전동기는 전기를 넣어 돌린다.
이제 발전소를 보자. 여러 발전 방식이 있지만 대부분 하나의 공통점을 가진다. 무언가를 돌려서 발전기를 회전시킨다는 점이다. 무엇으로 돌리는지가 다를 뿐이다.
화력 발전은 석탄이나 석유, 천연가스 같은 화석 연료를 태운다. 그 열로 물을 끓여 고온의 수증기를 만들고, 수증기가 터빈을 돌리고, 터빈에 연결된 발전기가 돌아 전기가 만들어진다. 연료가 곧바로 전기가 되는 것이 아니라 화학 에너지에서 열에너지로, 열에너지에서 운동 에너지로, 다시 전기 에너지로 여러 단계를 거친다.
원자력 발전도 물을 끓여 터빈을 돌린다는 점은 같다. 다른 것은 열을 얻는 방법이다. 우라늄과 같은 물질의 핵이 분열할 때 나오는 열을 이용한다. 열원이 화석 연료인지 핵분열인지가 차이일 뿐, 그 뒤의 과정은 화력 발전과 비슷하다.
두 방식은 인간 생활에 서로 다른 영향을 미친다. 화력 발전은 많은 전기를 안정적으로 공급할 수 있지만 이산화 탄소를 비롯한 온실 기체와 대기 오염 물질을 내보낸다. 원자력 발전은 온실 기체 배출이 적고 적은 연료로 큰 에너지를 얻지만, 방사성 폐기물을 오랫동안 안전하게 보관해야 하고 사고가 나면 피해가 크다.
여기서 판단을 단순하게 하지 않도록 주의해야 한다. 원자력이 이산화 탄소를 적게 내보낸다는 이유만으로 문제가 없다고 할 수 없고, 화력이 온실 기체를 내보낸다는 이유만으로 쓸모없다고 할 수도 없다. 어떤 기준으로 보느냐에 따라 평가가 달라진다.
이제 에너지 효율을 보자. 에너지가 전환될 때 공급한 에너지가 전부 원하는 형태로 바뀌지는 않는다. 일부는 열이나 소리처럼 원하지 않는 형태로 빠져나간다. 공급한 에너지 중에서 원하는 형태로 전환된 비율을 에너지 효율이라고 한다. 식으로 쓰면 에너지 효율(%)은 유용하게 이용된 에너지를 공급한 총 에너지로 나눈 뒤 100을 곱한 값이다.
여기서 관계를 정확히 이해해야 한다. 효율이 높다고 해서 에너지가 사라지지 않고 남는 것은 아니다. 공급한 에너지는 어차피 모두 어딘가로 간다. 다만 효율이 높으면 같은 일을 하는 데 필요한 공급 에너지가 줄어든다. 같은 밝기를 내는 두 전구가 있을 때 효율이 높은 쪽이 더 적은 전기로 같은 밝기를 내는 것이 그런 예다. 에너지가 없어지는 것은 아니지만, 효율을 높이면 에너지를 아낄 수 있다는 뜻이다.
그리고 실제 장치에서 효율은 100퍼센트가 되지 못한다. 에너지가 전환될 때 일부가 열이나 소리처럼 원하지 않는 형태로 흩어지기 때문이다.
그렇다면 에너지가 보존되는데 왜 절약해야 할까. 총량은 보존되지만 전환될 때마다 다시 쓰기 어려운 형태로 바뀌기 때문이다. 널리 흩어진 열은 모아서 다시 일을 시키기 어렵다. 에너지가 없어져서가 아니라 쓸 수 있는 형태가 줄어들기 때문에 아껴 써야 한다.
마지막으로 신재생 에너지다. 화석 연료는 양이 한정되어 있고 태울 때 온실 기체를 내보내므로, 이를 대체할 방법을 찾고 있다.
태양광 발전은 빛을 직접 전기로 바꾼다. 발전기를 돌리지 않는다는 점에서 다른 방식과 다르다. 풍력 발전은 바람의 운동 에너지로 날개를 돌려 발전기를 회전시킨다. 수력 발전은 높은 곳의 물이 떨어지며 얻는 운동 에너지로 터빈을 돌린다. 이 밖에 땅속의 열을 이용하는 지열, 밀물과 썰물의 흐름을 이용하는 조력, 생물에서 얻은 연료를 이용하는 바이오 에너지 등이 있다.
신재생 에너지에 대해서도 균형 있게 볼 필요가 있다. 태양광이나 풍력은 발전 과정에서 온실 기체를 거의 내보내지 않고 고갈 걱정이 적다는 점이 큰 장점이다. 그러나 아무런 부담이 없는 것은 아니다. 설비를 만들고 설치하는 데 자원과 에너지가 들고, 넓은 부지가 필요하며, 소음이나 주변 생태계 변화 같은 영향도 있다.
또 하나의 한계는 공급이 일정하지 않다는 점이다. 태양광은 밤에는 발전할 수 없고 흐린 날에는 일사량이 줄어 발전량이 감소하며, 풍력은 바람이 불지 않으면 멈춘다. 그래서 남는 전기를 저장하는 기술이나 여러 방식을 함께 쓰는 방법이 함께 연구되고 있다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [10통과2-02-05]발전기에서 운동 에너지가 전기 에너지로 전환되는 과정을 이해하고, 열원으로서 화석 연료, 핵에너지를 이용하는 발전소가 인간 생활에 미치는 영향을 조사⋅발표할 수 있다.
자주 하는 착각
발전기와 에너지 전환
- 발전기가 전기를 만들어 낸다고 본다. 발전이라는 말이 생성을 뜻하는 것으로 읽히기 때문이다. 발전기는 에너지를 새로 만드는 것이 아니라 회전하는 부분의 역학적 에너지를 전기 에너지로 형태만 바꾼다. 에너지는 새로 생기거나 사라지지 않는다.
- 발전기와 전동기를 같은 것으로 본다. 둘 다 자석과 코일로 이루어지기 때문이다. 발전기는 운동 에너지를 전기 에너지로 바꾸고, 전동기는 전기 에너지를 운동 에너지로 바꾼다. 방향이 반대다.
- 코일이나 자석이 가만히 있어도 전류가 흐른다고 본다. 자석이 있으면 전기가 생긴다고 생각하기 때문이다. 코일을 지나는 자기장이 변해야 전류가 흐르며, 이 현상을 전자기 유도라고 한다. 변화가 있어야 한다는 점이 핵심이다.
- 발전 방식마다 원리가 전혀 다르다고 본다. 화력, 원자력, 풍력이 따로 소개되기 때문이다. 대부분의 발전은 무언가를 돌려 발전기를 회전시킨다는 점에서 같다. 무엇으로 돌리는지가 다를 뿐이다.
화석 연료와 핵에너지
- 화력 발전에서 연료가 직접 전기로 바뀐다고 본다. 연료로 전기를 만든다고 배우기 때문이다. 연료를 태워 물을 끓이고, 그 수증기가 터빈을 돌리고, 터빈이 발전기를 돌려 전기가 만들어진다. 여러 단계의 에너지 전환을 거친다.
- 원자력 발전이 화력 발전과 완전히 다른 방식이라고 본다. 연료가 다르기 때문이다. 열을 내는 방법이 다를 뿐 물을 끓여 터빈을 돌린다는 점은 같다. 열원이 화석 연료인지 핵분열인지의 차이다.
- 원자력 발전은 이산화 탄소를 내보내지 않으므로 환경에 아무 문제가 없다고 본다. 온실 기체 배출이 적기 때문이다. 방사성 폐기물의 처리와 사고 위험이라는 다른 문제가 있다. 어떤 기준으로 평가하는지에 따라 판단이 달라진다.
에너지 효율과 신재생 에너지
- 에너지 효율이 높으면 공급한 에너지의 일부가 쓰이지 않고 남는다고 본다. 효율을 소모량 자체와 같은 말로 보기 때문이다. 공급한 에너지는 모두 어딘가로 가며, 효율은 그중 원하는 형태로 전환된 비율이다. 다만 효율이 높으면 같은 일을 하는 데 필요한 공급 에너지가 줄어들므로 에너지를 아끼는 데 도움이 된다.
- 효율을 100퍼센트로 만들 수 있다고 본다. 기술이 발전하면 가능하다고 생각하기 때문이다. 실제 장치에서는 에너지가 전환될 때 일부가 열이나 소리로 흩어지므로 효율이 100퍼센트에 이르지는 못한다.
- 에너지가 사라지기 때문에 절약해야 한다고 본다. 에너지가 부족해진다고 배우기 때문이다. 에너지의 총량은 보존되지만 전환될수록 다시 쓰기 어려운 형태로 바뀐다. 그래서 절약이 필요하다.
- 신재생 에너지는 환경에 아무런 부담이 없다고 본다. 친환경으로 소개되기 때문이다. 태양광과 풍력은 발전 과정에서 온실 기체를 거의 내보내지 않지만, 설비 제작과 설치, 넓은 부지 사용, 소음이나 생태계 변화 같은 영향이 있다. 기술마다 전 과정에서의 환경 영향도 서로 다르다.
- 신재생 에너지가 언제든 필요한 만큼 얻어진다고 본다. 자연에서 얻으므로 무한하다고 생각하기 때문이다. 태양광은 밤에 발전할 수 없고 흐린 날에는 발전량이 줄며, 풍력은 바람에 따라 달라진다. 공급이 일정하지 않다는 한계가 있다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
발전기는 전기 에너지를 새로 만들어 낸다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
'발전'이라는 말이 무언가를 새로 생성한다는 뜻으로 느껴지기 쉬워요. 하지만 실제로는 발전기가 에너지를 새로 만드는 것이 아니라, 이미 있던 역학적 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 역할을 해요. 에너지는 형태가 달라질 뿐, 새로 생기거나 사라지지 않아요.
발전기와 전동기는 둘 다 자석과 코일로 이루어져 있지만, 에너지를 전환하는 방향이 서로 반대인 다른 장치이다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
발전기와 전동기가 자석과 코일이라는 같은 재료로 만들어져 있다 보니, 두 장치가 똑같은 것이라고 생각하기 쉬워요. 실제로는 구성 재료가 비슷하더라도 에너지를 전환하는 방향이 달라 서로 다른 장치예요. 발전기는 운동 에너지를 전기 에너지로 바꾸고, 전동기는 반대로 전기 에너지를 운동 에너지로 바꿔요.
코일 근처에 자석이 있기만 하면 코일에 전류가 흐른다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
자석이 있으면 전기가 생긴다고 생각하기 쉬워요. 자석과 코일이 연관된다는 것까지는 맞지만, 단순히 자석이 가까이 있다는 것만으로는 전류가 흐르지 않아요. 실제로는 코일을 지나는 자기장이 변해야 전류가 흐르며, 이 현상을 전자기 유도라고 해요. 자석이나 코일 중 하나가 움직이거나 자기장의 세기가 달라지는 것처럼 '변화'가 있어야 한다는 점이 핵심이에요.
나머지 OX 문제와 4지선다 문제는 앱에서 풀어볼 수 있어요.
자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반