[전승민의 사이언스&테크놀로지] ‘공짜’로 24시간 끊임없이 전기를 얻는 방법

신재생에너지 날씨 영향 크게 받아
지열·염분차 발전, 대안 활용 가능
환경오염 없는 에너지 新시대 기대

세상엔 수많은 발전소가 있다. 화력, 원자력, 천연가스터빈 등 방식도 다양하다. 문제는 환경오염에서 자유로운 방식을 찾기 어렵다는 점이다. 석탄은 온실가스인 이산화탄소(CO2)와 미세먼지를 발생시키고, 천연가스는 질소산화물(NOx)을 배출한다. 더구나 천연가스는 그 자체(CH4)로 대단한 온실가스라서 대단한 주의가 필요하다. 원자력발전은 대기오염 우려가 적지만 길게는 수만년 이상 보관해야 하는 고준위 방사성 폐기물이 나온다.

이런 문제를 해결하기 위해 사람들은 화석연료를 사용하지 않는 ‘친환경 발전 기술’을 연구하기 시작했다. 햇빛이 가진 에너지를 전기로 바꾸는 태양광발전, 바람의 힘을 전기로 바꾸는 풍력발전 등이 대표적 사례다. 이 밖에 조수간만의 힘을 이용하는 조력발전, 파도가 칠 때 생기는 에너지를 이용하는 파력발전 등이 포함된다.

신재생에너지라고 만능은 아니다. 대부분의 신재생에너지가 가진 치명적인 단점이 있는데, 대부분의 경우 24시간 끊임없이 전기를 생산하지 못한다. 즉 태양광발전은 해가 지거나 구름 속으로 들어가면 전기를 만들지 못하고, 풍력발전은 바람이 멈추면 전기를 생산하지 못한다.

왜 전기를 24시간 계속해서 생산하지 않으면 안 되는 것일까. 어쨌든 나오는 전기를 사용하면 되는 것 아닐까 싶지만 사실상 이야기가 전혀 다르다. 일상생활에서 우리가 사용하는 전기는 건전지 같은 ‘직류전기’가 아니라 ‘교류전기’를 쓴다. 전기가 파도처럼 흐름을 타고 움직인다. 나라마다 조금씩 차이가 있는데, 우리나라는 가정으로 전기를 보낼 때 220V의 전압을 60㎐(헤르츠, 초당 60번의 주파수)에 맞춰 실어 보낸다. 전기공급이 부족해진다면 전기는 그 특성상 전체 전력량을 유지하기 위해 저절로 주파수가 떨어지게 되며, 그 결과 전기제품이 고장나거나 전력이 더 이상 흐르지 않게 된다. 이런 사고가 ‘우리 집’이 아니라 전력망 전체에서 일어나는 상황, 즉 그 지역 전체의 전기가 단절되는 상황이 생겨난다. 이를 우리는 ‘블랙아웃’이라고 부른다.

땅속 열로 공짜 전기 얻는 ‘지열발전’

아이슬란드 지열발전소. 위키피디아 제공

이 문제는 하루 24시간, 1년 365일 동안 끊임없이 안정적으로 전기를 생산할 수 있는 신재생에너지를 개발한다면 해결할 수 있을 것이다.

가장 먼저 생각할 수 있는 것은 ‘지열’을 이용하는 방법이다. 온천지역 등에서 땅속을 깊이 파고들어 가다 보면 점점 온도가 올라가는데, 이 열을 모아 전기를 만드는 방법이다. 최초의 지열발전은 1904년 이탈리아 라데렐로에서 시작됐다. 뒤이어 미국, 뉴질랜드, 멕시코, 일본 등이 지열발전을 적극적으로 보급하기 시작했다. 1960년대에는 세계 최대 규모의 지열 증기 발전시스템이 미국 캘리포니아에 설치되기도 했다. 무엇보다 화석연료를 일절 사용하지 않고, 거의 공짜로 시간이나 날씨 등의 조건과 관계없이 24시간 지속해서 발전이 가능하다는 것은 커다란 장점이다.

문제는 발전할 수 있는 곳이 제한적이라는 점이다. 땅속 온도는 보통 100ｍ마다 평균 3~4도 올라가는데, 물이 끓을 수 있는 섭씨 100도 정도의 온도를 높이려면 적어도 수 ㎞ 깊이까지 땅을 뚫고 내려가는 대공사가 필요하다. 그런데 지반 안전성 등의 문제로 이런 공사를 벌일 수 있는 곳은 그리 많지 않다. 따라서 지열발전은 다른 지역보다 지열이 높은 화산지역 등에서 인기가 있다. 드물지만 이런 공사가 사고를 유발하기도 한다. 2017년 11월 국내에 일어났던 포항 지진(규모 5.4)은 인근 지열발전소 개발 과정에서 벌인 대규모 공사에 의해 촉발됐다는 조사 결과가 발표된 바 있다. 지열발전소 건설 과정에서 철저한 지질조사와 안전검증이 필요한 이유다.

소금물로도 전기를 만든다고?

노르웨이 염분차 발전 시설. 위키피디아 제공

지열발전 이외에 24시간 발전이 가능한 신재생에너지는 없을까. 최근 주목받는 방식이 한 가지 있다. 바닷물과 민물의 소금물 농도 차이를 이용해 전기를 만드는 방식, 이른바 ‘염분차 발전(Salinity Gradient Power)’이 그것이다.

소금물로 어떻게 전기를 만든다는 것일까. 넓은 그릇의 한 가운데를 ‘반투과성 분리막’(보이지 않을 정도로 작은 구멍이 많이 뚫려 있는 막)으로 절반으로 나눠 놓은 다음 한쪽에는 소금물, 한쪽에는 맑은 물(민물)을 부어보면, 잠시 후 소금물 쪽의 물 높이가 올라가는 것을 눈으로 확인할 수 있다. 이런 현상은 소금물의 농도가 양쪽이 동일해질 때까지 유지된다. 이를 ‘삼투압’이라고 하는데, 염분차발전도 같은 원리를 사용한다. 이 삼투압 현상을 극대화할 수 있는 형태의 탱크를 개발한 다음 삼투압에 의해 흘러들어가는 민물의 압력으로 터빈을 돌려 전기를 만든다. ‘전기투석’ 방식도 있다. 소금물과 민물 사이에 이온을 조정해 두 장의 전극 사이에 생겨나는 전류를 얻어내는 방식이다. 즉 바닷물을 끌어들여 ‘소금물 배터리’를 만든 다음 전기를 얻는 방식이다. 전 세계적으로 염분차발전을 통해 얻을 수 있는 전력은 약 2~3TW(테라와트)로 평가되고 있다. 1TW는 100만㎿(메가와트)에 해당한다.

염분차발전은 바닷물과 민물을 구할 수 있는 곳, 즉 강과 바다가 가까이 있는 곳이라면 어디서든 전기를 생산할 수 있다. 상대적으로 지열이 낮은 지역에서 사용할 수 있어 지열발전과 상호 보완적으로 쓸 수 있다. 가능성은 과거부터 사람들의 관심을 받아 왔지만 언제 현실적으로 대용량 발전이 가능해질 수 있느냐는 질문에는 쉽게 답하지 못한 채 꽤 긴 시간이 흘렀다. 그러나 최근 들어 관련 기술이 빠르게 발전하며 염분차발전 기술이 본격적으로 주목받기 시작했다. 국내에서도 적극적으로 투자를 시작했다. 한국수력원자력(한수원)은 내년까지 동해시 하수종말처리장에 ‘염분차발전 실증단지’를 건설할 계획으로, 발전용량은 100㎾(킬로와트)급이다. 현재 운영되는 염분차발전기는 네덜란드에 있는 50㎾급 발전기 정도라는 것을 감안하면 세계 최대 규모가 될 전망이다.

염분차발전은 신재생에너지라면 필수적으로 끌어안아야 할 단점을 해소한 유력한 미래 에너지원 후보 중 하나다. 무엇보다 날씨 등 영향을 받지 않고 종일, 일 년 내내 전기를 생산할 수 있다. 화석연료를 전혀 사용하지 않고, 지구온난화를 일으키는 이산화탄소를 포함한 다른 오염물질을 배출하지도 않는다.

지열발전은 이미 유럽 등지에서 실용화 사례가 적지 않다. 반대로 염분차발전소는 실용화 사례가 존재하지 않는다. 실제 가정에 전력을 공급해 사용하려면 아직 시간이 필요하다는 이야기다. 다만 기술적으로도 가능성이 있어 충분한 투자만 이뤄진다면 수년 내에 건설이 가능할 것으로 보인다. 환경오염 없이 만들어 낼 수 있는 무한 청정에너지가 우리 가정에 실제로 보급될 날이 하루속히 다가오길 기대해 본다.

전승민 과학저술가

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