전환손실 줄여야 값싼 에너지

우아영(동아사이언스 기자)

“에너지 연구자들은 전기 난로를 무척 싫어합니다. 기름이나 가스로 해도 충분한 난방을 전기처럼 귀한 고급에너지로 하다니요.”
에너지 기술을 취재하기 위해 만났던 모 대학 교수가 했던 말이다. 당시 기자는 머릿속이 복잡해졌다. ‘귀하다’는 구하거나 얻기가 아주 힘들만큼 드물다는 뜻이다. 하지만 그 누구도 전기를 가리켜 ‘심봤다’고 하지 않는다. 게다가 고급에너지라니. 전기를 장인이 손수 만드는 것은 아닐 테고, 에너지도 종류에 따라 급이 나뉜다는 이야기일까. 기자의 표정을 읽었는지, 교수가 곧이어 덧붙였다.
“화석 연료 10을 태우면 9만큼의 열을 얻을 수 있습니다. 그 열로 발전기를 돌리면 고작 4만큼의 전기를 만들 수 있어요. 에너지를 전환하는 과정에서 일부가 손실되기 때문이지요. 그렇게 만든 귀한 전기로 다시 열을 만든다는 건, 열역학 관점에서 봤을 때 엄청난 손해입니다. 처음에 만든 열로 난방을 해도 되는걸요.”

마찰손실까지 포함해야 에너지 총량이 보존된다
에너지란 물리적으로 일할 수 있는 능력이다. 예를 들면, 빗면 꼭대기에 놓인 구슬은 빗면을 따라 굴러 내려갈 능력이 있다. 일정한 속도로 움직이는 구슬은 다른 물체를 밀어낼 능력이 있다. 물리학에서는 이런 능력을 각각 위치에너지와 운동에너지라고 부른다. 이외에도 자연에는 다양한 형태의 에너지가 있다. 뜨거운 수증기는 열에너지를, 자석은 자기에너지를, 한껏 당겨진 용수철은 탄성에너지를 갖고 있다. 물질 안의 화학 변화에 따라 나오는 화학에너지, 원자핵이 바뀌면서 방출되는 원자에너지도 있다.
수많은 에너지는 상호간에 전환될 수 있다. 끓는 물에서 나오는 수증기는 주전자 뚜껑을 들썩일 정도로 힘이 좋다. 열에너지가 운동에너지로 바뀐 것이다. 구슬의 위치에너지는 빗면을 내려오면서 운동에너지로 전환된다. 발전소에서 집으로 배달된 전기에너지는 조명이나 텔레비전을 통해 빛에너지와 소리에너지로 바뀐다.
이 때 에너지의 총량은 항상 일정하다. 가령, 롤러코스터는 꼭대기에서 거의 정지하고 레일을 내려갈수록 속도가 빨라진다. 즉, 위치에너지는 꼭대기에서 최대이고 운동에너지는 바닥에서 최대이다. 높이가 낮아져 위치에너지가 줄면 그만큼 운동에너지가 늘고, 반대로 운동에너지가 줄면 그만큼 위치에너지가 는다. 주거니 받거니 할 뿐, 어느 지점에서나 두 에너지의 합은 항상 같다. 이를 열역학 제1법칙, 또는 에너지 보존 법칙이라고 한다. 이 법칙에 따르면, 롤러코스터가 꼭대기에서 내려와 바닥에 평평하게 설치된 레일을 도달한다면 그 순간부터 일정한 속도로 평생 달릴 수 있다.
하지만 현실에서는 이런 일이 일어나지 않는다. 마찰 때문이다. 덜그럭거리는 소리가 나거나 레일이 뜨거워진다. 운동에너지가 소리나 열 형태로 새어나간 것이다. 모든 운동에너지가 소실되면, 멈춘다. 이 때문에 에너지 보존을 생각할 때는 가능한 모든 형태의 에너지를 모두 고려해야 한다. 만약 마찰로 인해 새어나가는 소리나 열까지 측정할 수 있다면, 그 총합은 롤러코스터가 처음 갖고 있던 위치에너지와 일치할 것이다.

전기는 열보다 3배 귀한 고급에너지
그렇다면 마찰로 새어나가는 소리나 열을 다시 모아 운동에너지로 바꿀 수는 없을까. 열역학 제2법칙에 따르면, 이는 불가능하다. 에너지는 일정한 방향을 따라 전환되기 때문이다.
끓는 물 1kg과 얼음 1kg을 섞었더니 10℃인 물 2kg이 됐다고 가정해 보자. 이는 자연스러운 일이다. 그런데 시간이 지난 뒤 다시 보니, 끓는 물 1kg과 얼음 1kg으로 다시 분리됐다. 과연 이런 일이 가능할까? 만약 아무런 에너지도 추가하지 않고 이런 일을 성사시키는 사람이 있다면 물리학의 새 장을 연 사람으로 노벨상 후보에 오를지 모르겠다(물론 확률은 거의 0에 가깝다). 에너지 총량이 일정하다는 열역학 제1법칙에는 어긋나지 않지만, 우리 모두가 경험으로 알다시피 후자와 같은 현상은 일어나지 않는다. 자연 상태에서 열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐를 뿐 그 반대로 흐르지 않는다.
마찬가지로, 일은 자연스럽게 소리나 열로 100% 바뀔 수 있지만, 소리나 열은 일로 전환되기 어렵다. 화석연료를 태운 열로 기계적 동력을 만든 건 19세기가 돼서야 가능했다. 열기관에서 열이 일로 전환되는 비율, 즉 효율은 그나마 30~40%에 불과하다([그림1] 참조). 공급된 열의 3분의 2는 허공으로 사라진다. 이를 ‘에너지 전환손실’이라고 부른다. 즉, 일을 만들려면 그의 3배에 해당하는 열을 투입해야 한다. 열역학적 관점에서 보면 일은 열보다 3배 귀한 고급 에너지다. 반면,일로 바뀌지 못한 나머지는 모두 열로 소실된다. 유용한 에너지로 변환되더라도 쓰인 뒤에는 결국 모두 열로 전환돼 버려진다. 예컨대, 전기로 밝힌 조명의 빛에너지는 결국 열로 전부 사라진다. 에너지의 무덤인 셈이다. 따라서 열은 저급에너지에 속한다.
그렇다면 전기는 어떨까? 국내 전기 생산의 60%를 담당하는 화력발전을 살펴보자([그림2] 참조). 자연에서 얻을 수 있는 석유나 석탄, 천연가스 등 1차 에너지를 태워 물을 끓인다. 거기서 나온 고온 고압의 증기가 터빈(날개가 여러 개 달린 원동기)에 연결된 발전기를 돌려 전기를 만든다. 즉 전기는 터빈의 일에너지와 비슷하거나 그 이상의 고급에너지다.
글 서두에 언급했듯 난방 같은 저온 열에너지, 즉 저급에너지를 얻기 위해 전기를 쓰는 건 열역학에서 봤을 때 낭비다. 1차 에너지를 태운 열로 직접 난방을 하는 등유난로나 가스난로는 효율이 80~90%에 달한다. 그러나 국내 상당수의 가정과 사무실에는 냉난방 겸용 시스템에어컨이 설치돼 있다. 등유난로는 자취를 감춘 지 오래다. 전기가 남아돌던 1990년대 말, 정부가 엄청난 보조금으로 전기 값을 내리고 전기 사용을 부추겼기 때문이다. 그 결과, 현재 가정과 사무실에서는 전체 전기 사용량의 4분의 1을 냉난방에 쓰는 실정이다. 2012년 전력 사용량은 2002년보다 68% 늘어난 반면 등유 사용량은 65% 줄었다.

“전환손실 1% 줄이면 원전 1기 대체 효과 있다”
현대경제연구원이 2013년 12월 발표한 ‘에너지 수급 불균형 해소를 위한 생산 효율성 제고 방안’ 보고서에 따르면, 한국은 1차 에너지 가운데 74.7%를 최종에너지로 쓴다. 나머지 25.3%는 에너지 전환 과정에서 사라진다. 이로 인한 국가적 손실이 연간 1조 원에 이르는 것으로 한국개발연구원(KDI)은 추산하고 있다.
특히 국내 전환손실의 약 95%가 발전, 즉 1차 에너지를 전기로 만드는 과정에서 생긴다. 한국은 다른 나라에 비해 유독 전기를 많이 쓰기 때문이다. 산업 구조가 비슷한 독일과 비교해도 에너지 소비가 전기에 치우쳐 있다. 최근 10년간(2002~2012년) 국내 전력소비는 매년 5.3%씩 늘어났다. 이에 따라 전환손실은 최근 10년 간 매년 5.6%씩 늘어왔다. OECD 34개국 가운데 4위다.
정부는 물가인상을 억제하고 기업들이 국제 경쟁력을 확보할 수 있도록 전기요금을 전략적으로 낮게 유지해 왔다. 그러나 전기는 보조금 덕분에 현재 비용만 착할 뿐, 에너지 친화적이거나 환경 친화적이지 않다는 사실을 기억해야 한다. 전기를 쓸 때마다 2배에 해당하는 열에너지가 발전소에서 사라진다. 그 열에너지는 고스란히 기후 변화를 일으킨다. 발전 종류에 따라 차이는 있지만, 알고 보면 발전 비용이 소비자 요금보다 훨씬 비싼 경우도 있다.
전기는 어떤 에너지와도 비교할 수 없는 편리함으로 세계 경제를 이끌어 왔다. 사람들도 소득수준이 올라갈수록 안전하고 편리한 전기를 선호했다. 전기의 이점을 계속 누리기 위한 노력이 절실히 요구된다. 그 중 하나가 전환손실을 줄이기 위한 신기술 개발에 투자를 확대하는 것이다. 현대경제연구원은 2012년 기준으로 1%의 전환손실을 감축할 수 있다면 1000MW 용량의 원자력 발전소 1기를 대체하는 효과가 발생할 것으로 추정했다.

출처:위키미디어
[그림1] 열기관 일종인 카르노 기관(가운데 원형)의 도해.고온부(TH)에서 저온부(TC)로 열이 흐르면서 일이 발생한다.열역학 제2법칙에 따르면 공급된 열은 전부 일로 바뀔 수 없다.

출처:위키미디어
[그림2] 일반적인석탄화력발전소의도해.석탄을태워(15) 물을가열(13)한뒤,발생한증기로터빈(6, 9, 11)에연결된발전기(5)를돌려전기를만든다.석탄의열에너지가전기에너지로변환되는효율은30~40%다.