전기에너지 운동에너지 변환 예시 - jeongieneoji undong-eneoji byeonhwan yesi

우리는 과학 시간에 여러 에너지에 대해서 배우는데 사람들은 자연의 풍력을 통해 전기에너지를 만들기도 하고, 태양열을 이용해서도 만든다. 이렇게 다양한 방법으로 사람들은 결국 전기에너지를 얻게 되는데 그것을 여러 방식을 통하여 다시 운동에너지, 열에너지, 빛에너지, 화학 에너지 등으로 에너지 전환을 시킨다. 우리가 사용하는 선풍기, 난로, 전구, 배터리 충전기 등이 그 예이다. 그렇다면 생활을 하며 발생하는 에너지를 모아 전기에너지로 다시 회수 할 수 있다면 어떨까?

우리는 추운 겨울 전기장판이나 전기난로를 통하여 전기에너지를 열에너지로 변환해 열을 얻는다. 이때 어떠한 소재와 등급의 전기 난방용품을 사용하는가에 따라서 전기요금이 천차만별로 나올 수 있다. 그렇다면 역으로 생각해보자. 생활 속 발생하는 열을 전기에너지로 바꿀 수 있을까? 이번에 포항공대가 포스텍과 협동하여 공장에서 발생한 폐열을 전기에너지로 만들어내는 기술 실험에 성공했다고 한다. 열전재료의 고온 부와 저온 부의 온도 차를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하는 기술을 열전발전이라고 하는데 이는 폐열을 회수해 전기생산과 에너지 효율을 높일 수 있기에 신재생 에너지원으로 주목받고 있는 기술이다. 이 기술을 이용하여 무기질 원료를 용융 시켜 제품을 만드는 많은 열에너지가 발생하는 제조공정을 가진 공장에서 폐열을 회수해 전기에너지로 만드는 실험에 성공했다. 이것이 실용화된다면 산업용 용광로, 소각로, 발전소 등에서 에너지 재활용부터 시작하여 지역 에너지 사업에도 적용할 수 있게 되는 엄청난 가치를 가진 실험이다. 그렇다면 어떻게 이러한 에너지 전환이 가능한 것일까?1

에너지 전환을 위해 중요한 것은 친환경 고성능 열전소재이다. 열전소재는 열에너지와 전기에너지의 변환을 가능하게 하는 장치인데 열전도도가 낮고 전기전도도가 낮을수록 우수한 효과를 보인다. 원래 그동안은 단결정 셀레늄화 주석을 이용했는데 이 재료가 조건도 만족하면서 풍부해 최적이었지만 과정상의 어려움과 부리지는 특성 등 제조 시간 대비 가격이 비싸 상용화가 어려웠었다. 하지만 최근 우리나라에서 이러한 단점들을 불순물인 산화주석 나노 입자가 존재함을 알고 간단한 제거 방법을 개발해냈다. 이로 인하여 공장, 자동차 엔진, 컴퓨터 등에서 발생하는 폐열을 통해 전기 생산이 가능해지는 날이 얼마 남지 않은 것으로 보인다.2

이렇듯이 가전제품이나 자동차 등에서 나오는 열과 진동처럼 너무 작아 무시되고 버려졌던 에너지들을 모아 전기를 만드는 기술을 ‘에너지 하베스팅’이라고 한다. 국내외에서 효율적으로 실생활 접목을 위해 노력 중이라고 하는데 현재의 발전 속도와 우리나라에서 실행되고 있는 기술들을 본다면 이 방면에서 우리나라가 선구자의 길을 걸을 수 있을 것으로 보인다. 플라스틱 재활용부터 시작해 이러한 에너지의 재활용까지 된다면 지구와 전 세계에 엄청난 생활의 변화를 줄 수 있을 것으로 보이기에 ‘에너지 하베스팅’이란 말이 곧 실생활과 밀접해질 날을 기대한다3.

참고 및 인용자료 출처

1.참고-https://www.yna.co.kr/view/AKR20200702054400003?input=1195m
2.참고-https://www.news1.kr/articles/?3574433
3.참고-https://www.chosun.com/economy/science/2020/09/17/YPD2UZIR4RAPJELZ47K3L63VQ4/

[황성민의 보다 가까운 과학] 일상에서 만나는 힘과 에너지

이제 봄이 지나고 초여름으로 접어들면서 날씨가 더워지고 있다.

슬슬 집이나 사무실에서 에어컨 가동을 생각하는 사람들도 있을텐데, 여름과 에어컨 하면 바로 전기요금 누진제와 전기요금 폭탄이 생각나는 사람들이 많을 것이다.

전기와 전력에 대해서 이야기하는 사례 몇 가지를 들어보겠다.

"지난달 에어컨을 많이 틀어서 전기를 500 kW 넘게 써버렸어~"

"전기차 샀다며? 배터리 몇 kW 짜리야?"

"인덕션은 XX 제품 화력이 좋아. 우리나라 제품은 3.4 kWh 밖에 안되는데 XX 제품은 7.7 kWh로 훨씬 세더라~"

전기에 대해 잘 아는 사람이라면 바로 눈치 챘겠지만, 모두 단위를 잘 못 쓴 사례다.

kW는 '킬로와트'라고 읽는 전력, 즉 힘(power)의 단위이며 kWh는 '킬로와트시'라고 읽는 전 력량, 즉 에너지의 단위다.

그렇다면 힘과 에너지는 어떻게 다른 것이며 이 둘 사이에는 어떤 관계가 있을까?

사전을 찾아보면 에너지는 물리학에서 '일을 하는 능력의 총칭'이라고 정의한다.

사실 에너지라는 개념은 일상 속에서 무의식적으로 흔하게 쓰는 것으로, '석유 에너지', ' 원자력 에너지', '에너지원' 이라는 말을 신문이나 방송, 인터넷 등에서 자주 듣고 상식적 으로도 그리 어렵지 않게 받아들이는데 막상 에너지의 의미가 무엇인지 구체적으로 설명하 기는 매우 어려운 개념이기도 하다.

현대 물리학의 근간을 이룬다고 해도 과언이 아닌 '에너지 보존 법칙'이 있다.

열에너지, 전기에너지, 화학에너지, 운동에너지, 등등 에너지의 형태는 얼마든지 바뀌거나 서로 다른 물체 사이에 전달될 수 있지만 에너지 자체는 만들어지거나 사라지지 않으며 우 주 전체 에너지의 양은 언제나 일정하게 유지된다는 것이다.

보기에 따라서는 우리 일상생활 자체가 에너지를 한 형태에서 다른 형태로 바꾸는 행위의 연속이라고 할 수도 있다.

우리가 일상에서 흔히 사용하는 스마트폰을 예로 들어보자. 스마트폰에서는 배터리의 화학 에너지가 전기에너지로 바뀌며 이 전기에너지는 정보 처리 등 여러 활동을 하면서 열에너지로 바뀐다.

충전할 때는 반대로 전기에너지가 배터리의 화학에너지로 바뀌며 이 과정에서 전기에너지의 일부는 열에너지로 바뀐다.

화면에서는 전기에너지가 빛에너지로 바뀌며 카메라는 반대로 빛에너지를 전기에너지로 바 꾼다.

스피커에서는 전기에너지가 운동에너지를 거쳐 소리에너지로 바뀌며 마이크는 반대로 소리 에너지가 운동에너지를 거쳐 전기에너지로 바꾼다.

보통 '힘' 이라고 하면 ‘F=ma’로 널리 알려진 뉴튼의 제1법칙이 가장 먼저 떠오를 수 있지 만, 이것은 영어로는 ‘force’ 라고 하는 물리학적인 힘을 얘기하는 것으로 이 글에서는 다 루지 않는다.

좀 더 보편적인 '힘'의 개념은 영어로 ‘power’인데 에너지를 사용하는, 또는 에너지의 형태 가 바뀌는 속도를 의미한다.

가장 기본적인 힘의 단위는 W, '와트(watt)'로 1W는 1초에 1J의 에너지를 사용하는 힘으로 정의한다.

에너지의 단위는 국제표준단위계(SI) 기본단위에서 유도된 줄(J)이 표준이지만 실제로 이 단위를 사용하는 경우는 그리 많지 않다.

가장 많이 사용하는 단위는 와트시(Wh)로 1 W의 힘을 한 시간 동안 가할 때 사용한, 즉 형 태를 변화시킨 에너지의 양을 의미한다. (한 시간은 3600초 이므로 1Wh = 3,600J)

에너지의 형태나 분야에 따라 다른 여러 단위를 사용하기도 한다.

예를 들어, 열에너지는 Wh 외에도 칼로리(cal)에 기반한 kcal, Mcal나 영미단위계인 BTU 등 을 많이 쓰며, 전기 에너지는 Wh에 기반한 kWh, MWh 등을 많이 쓴다.

1BTU는 1055J 이며 1칼로리(cal)는 4.2J 정도 인데, 음식의 열량을 표현할 때는 1kcal (1000cal)를 줄여서 1Cal(큰 칼로리)로 표현하는 것에 주의해야 한다.

아파트의 지역난방 사용량 단위는 Gcal(기가칼로리; 1000000 kcal) 또는 MWh(메가와트시; 1000kWh)를 주로 사용하는데, 1Gcal는 1.16MWh이다.

힘의 단위 역시 SI 권장 단위는 W이지만, 오래 전부터 사용하던 마력(hp)을 자동차나 중장 비, 선박 엔진 등에는 아직도 사용하며, 화력의 단위로는 kcal/h 이나 영미단위계인 BTU/h 도 많이 사용한다.

1마력(hp)은 분야에 따라 조금씩 다르게 정의하지만 보통 746W 이다. 1kcal/h는 1.16W, 1 BTU/h는 0.293W 이다.

집에서 인덕션 레인지로 라면을 조리하는 예를 들어보자.

보통 1구 가정용 인덕션 레인지의 소비전력은 2kW이지만 열효율이 85% 정도이므로 실제 화력은 1.7kW가 된다.

500ml의 물 온도를 20°C에서 펄펄 끓는 100°C로 올리는데 필요한 열에너지는 167kJ (167000 J)인데 물을 담은 냄비의 온도 역시 동일하게 올려야 하므로 이에 필요한 50kJ를 더한 216kJ가 실제로 필요한 열에너지다.

인덕션 레인지의 화력 1.7kW는 1초에 1.7kJ를 전기에너지에서 열에너지로 변환하므로 (1.7 kJ/s) 이 화력으로 216kJ의 에너지를 전기에너지에서 열에너지로 바꾸는데 걸리는 시간은 128초, 즉 물을 끓이는데 2분이 조금 넘게 걸린다는 계산이다.

면과 스프를 넣고 5분을 더 끓이는데 1.7kW 화력을 계속 유지한다면 추가로 510kJ을 사용하게 되며 만약에 화력을 절반으로 (0.85kW) 줄여서 끓인다면 255kJ만 추가로 사용하게 된다.

사용한 전기에너지를 계산해 보면, 물을 끓이는데 71Wh, 라면을 조리하는데 추가로 167Wh (화력이 절반인 경우 83Wh) 가 된다.

일반 아파트에 적용하는 한전 가정용 고압 요금인 kWh당 142원으로 (월 사용량 200kWh ~ 400kWh 구간) 계산해 보면, 라면 한 개를 조리하는데 필요한 전기요금은 34원(물이 끓은 후 화력을 절반으로 줄이는 경우 22원)이다.

◎ 필자 소개 

어릴 때부터 넘치는 호기심으로 일찍이 과학의 길로 발을 내디딘 황성민 박사.

그는 고려대학교 물리학과에서 학·석사 학위를 받은 후 2005년 동대학교에서 박사 학위를 취득했다.

그 후 미국 University of Pittsburgh School of Medicine에서 P-A(Postdoctoral Associate) 과정을 거쳐 한국표준과학연구원에서 박사후연구원 근무 후 현재 동 연구원에서 책임연구원으로 재직 중이다.

저작권자 © 세종포스트 무단전재 및 재배포 금지