통합과학 고1 환경과 에너지

에너지와 환경

신재생 에너지의 원리와 에너지 전환 효율, 지속 가능한 에너지 활용을 탐구한다.

태양·바람·물처럼 고갈되지 않는 자원에서 전기를 얻는 신재생 에너지의 원리와, 에너지가 전환될 때마다 얼마나 유용하게 쓰이는지를 따지는 에너지 효율을 다루는 단원입니다.

에너지는 사라지지 않지만, 쓸 때마다 조금씩 '흩어진 열'로 바뀌어 다시 모으기 어려워집니다. 지갑 속 돈이 사라지지는 않지만 잔돈으로 쪼개져 온 방에 흩어지는 것과 비슷합니다.

쉽게 말하면

에너지 전환과 보존에서 배웠듯이 에너지의 총량은 절대 줄지 않습니다. 그런데도 우리가 '에너지 위기'를 이야기하는 이유는, 전환이 일어날 때마다 일부가 우리가 다시 쓰기 어려운 열로 흩어져 버리기 때문입니다. 에너지 문제는 '양'의 문제가 아니라 '질'의 문제입니다.

그래서 같은 일을 하면서도 열로 버려지는 몫을 줄이는 것이 중요합니다. 이를 숫자로 나타낸 것이 에너지 효율입니다.

$에너지 효율 (%) = \frac{유용하게 쓰인 에너지}{공급한 에너지} \times 100$

화력 발전은 화학 에너지 $\to$ 열에너지 $\to$ 운동 에너지 $\to$ 전기 에너지로 여러 단계를 거치는데, 단계마다 열이 새어 나갑니다. 반면 태양 전지는 빛에너지를 곧바로 전기 에너지로 바꿉니다. 이때 태양 전지가 빛을 다루는 방식은 전자기파와 정보 통신에서 본 것처럼, 빛이 에너지를 실어 나르는 파동이라는 성질을 그대로 이용한 것입니다.

신재생 에너지는 태양 에너지를 여러 모습으로 받아 쓰는 일이기도 합니다. 태양이 바닷물을 증발시켜 비로 내리게 하니 수력이 생기고, 공기를 고르지 않게 데우니 바람이 붑니다. 태양광·태양열은 말할 것도 없습니다. 지구가 쓰는 에너지의 상당 부분이 결국 태양에서 온 셈입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

태양광 발전과 태양열 발전은 다릅니다

태양광 발전은 태양 전지(반도체)에 빛이 닿으면 전자가 움직여 곧바로 전류가 흐르는 방식입니다. 태양열 발전은 거울로 햇빛을 모아 물을 끓이고, 그 증기로 발전기를 돌리는 방식입니다. 이름이 비슷하지만 앞은 '빛 → 전기', 뒤는 '빛 → 열 → 운동 → 전기'로 전환 경로가 전혀 다릅니다.
예시 2

연료 전지

$2 H_{2} + O_{2} \to 2 H_{2} O$

수소와 산소가 반응해 물이 되는 과정에서 나오는 에너지를 열로 태우지 않고 곧바로 전기로 뽑아냅니다. 연소 단계를 건너뛰기 때문에 전환 손실이 적고, 나오는 물질이 물이라 오염 물질이 거의 없습니다.
예시 3

백열등과 LED

백열등은 필라멘트를 뜨겁게 달궈 빛을 내므로 공급한 전기 에너지의 대부분이 빛이 아니라 열로 빠져나갑니다. LED는 열을 거치지 않고 전기 에너지를 빛으로 바꾸므로 같은 밝기를 훨씬 적은 전기로 냅니다. '전구가 뜨겁다'는 것은 곧 '버려지는 에너지가 많다'는 신호입니다.

태양광 발전 vs 태양열 발전

구분	태양광 발전	태양열 발전
이용하는 것	빛(광자)이 반도체 속 전자를 움직이게 함	햇빛이 실어 온 열
에너지 전환	빛 → 전기 (한 단계)	빛 → 열 → 운동 → 전기 (여러 단계)
장치	태양 전지판	반사 거울, 보일러, 터빈
온도의 영향	온도가 너무 높으면 오히려 효율이 떨어짐	온도가 높을수록 유리함

자주 하는 오해

에너지는 보존되니까 에너지 부족은 있을 수 없다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움에너지 보존 법칙이 맞다면 에너지는 절대 줄지 않으니 고갈될 리가 없다

실제로는총량은 그대로지만, 쓸 수 있는 형태의 에너지는 계속 줄어듭니다.

에너지를 쓸 때마다 일부가 주위로 흩어진 열로 바뀌고, 흩어진 열은 다시 모아 일을 시키기가 매우 어렵습니다. 우리가 아끼는 것은 '에너지의 양'이 아니라 '쓸 수 있는 형태의 에너지'입니다.

태양광 발전이 태양의 '열'로 전기를 만든다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움햇빛이 뜨거우니까 그 열로 태양 전지가 전기를 만든다

실제로는태양 전지는 열이 아니라 빛 자체가 반도체 속 전자를 움직여 전기를 만듭니다.

그래서 춥고 맑은 날에도 태양광 발전은 잘 됩니다. 오히려 태양 전지는 온도가 너무 올라가면 효율이 떨어집니다. '뜨거우면 잘 된다'는 것은 태양열 발전 이야기입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

에너지 전환과 보존중3 전자기파와 정보 통신고1

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 환경과 에너지

기후 변화와 지구 시스템고1 생태계와 환경고1

자주 묻는 질문

Q1효율이 100 %인 기계는 왜 만들 수 없나요?

어떤 장치든 부품끼리 마찰하고 전선에 저항이 있어 반드시 열이 새어 나갑니다. 이 열은 주위로 흩어져 되돌릴 수 없습니다. 그래서 효율을 100 %에 가깝게 높이려는 노력은 있어도, 정확히 100 %는 불가능합니다.

Q2수소는 에너지원인가요?

수소는 자연에 홑원소 상태로 거의 없어서, 물이나 화석 연료에서 에너지를 들여 뽑아내야 합니다. 그래서 석유처럼 '캐서 쓰는 에너지원'이라기보다는 전기처럼 에너지를 저장하고 옮기는 수단에 가깝습니다. 수소를 만들 때 쓴 전기가 어디서 왔는지가 중요한 이유입니다.

Q3재생 에너지가 좋은데 왜 아직 화석 연료를 쓰나요?

태양광은 밤에, 풍력은 바람이 없을 때 발전할 수 없습니다. 이렇게 발전량이 들쭉날쭉한 성질(간헐성) 때문에 남는 전기를 저장하는 기술이 함께 필요합니다. 또 같은 전력을 얻는 데 넓은 땅이 필요하다는 점도 과제입니다.

교육과정 2022 개정 · 고1 통합과학 · 환경과 에너지 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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