지구온난화와 신재생에너지 개발에 대해 설명해보세요.

1. 지구온난화란 무엇인가

지구온난화란 지구 표면의 평균온도가 상승하는 현상으로 땅이나 물에 있는 생태계가 변화하거나 해수면이 올라가서 해안선이 달라지는 등 기온 상승에 따른 다양한 문제가 발생하는 현상을 의미한다.

지구의 기후 시스템은 대기, 해양, 생물이 사는 육상 및 해상, 저온층, 지표, 이렇게 다섯 가지로 구성되는데, 이 요소들이 유기적으로 상호 작용해 지구 표면의 기후를 결정하게 된다. 산업혁명 이전 지구에서는 기후 시스템을 통해 에너지, 물, 대기 중 기체 원소, 유기물 등의 안정적인 순환이 이루어졌다. 그러나 산업혁명 이후 인간의 화석에너지 사용량이 폭발적으로 증가하면서 기후 시스템에 변화가 일어났고, 그 결과 지구 밖으로 방출되는 복사열이 감소해 지구온난화 현상이 나타난 것이다. 지구온난화는 결국 홍수, 폭우, 사막화, 태풍과 같은 이상기후를 유발했고, 이로 인해 발생한 자연재해는 인류의 목숨까지 위협하고 있는 실정이다.

온실가스 중 하나인 이산화탄소는 1800년대에 280ppm, 1958년에는 315ppm이었으며, 2025년에는 최고치 430.51ppm과 평균 425.7ppm을 기록하여 산업혁명 이전 대비 약 50% 이상 증가하였다. 그 외의 다른 온실가스 역시 마찬가지로 증가 추세를 보이고 있다.

IPCC 제6차 평가보고서(2021~2023)에 따르면 세계 평균 해수면은 1901~2018년 사이 약 20cm 상승하였으며, 특히 2006~2018년 기간의 상승 속도는 연간 약 3.7mm로 이전 기간의 약 3배에 달한다. 북극 해빙 면적은 1979년 이래 지속 감소하고 있으며 2025년 3월 최저치를 기록하였다. 2024년에는 관측 사상 가장 높은 세계 평균기온을 기록하였고, 2025년의 평균기온은 14.97도로 역대 최고였던 2024년보다는 0.13도 낮고, 2023년보다는 0.01도 낮은 수치이지만 고온 건조한 조건으로 대형산불을 일으키며 미세먼지와 오존 농도 상승 등 야기하며 기후변화의 고리가 끊어지지 못하고 계속해서 진행될 징조를 보여준다.

2. 신재생에너지

신재생에너지는 기존의 화석연료가 아닌 신에너지나 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물유기체 등에서 재생해 내는 재생에너지를 말한다. 태양광, 풍력, 수력에너지의 경우 활발히 기술개발이 진행되어 실용화 단계를 넘어 주류 에너지원으로 자리잡았다.

IRENA(국제재생에너지기구)에 따르면 2025년 말 기준 전 세계 재생에너지 발전 설비용량은 약 5,149GW에 달하며, 2025년 한 해에만 약 692GW가 신규 추가되었다. 이는 전 세계 신규 발전 설비의 약 85.6%를 재생에너지가 차지한 것이다. 2025년 상반기 기준 재생에너지가 전 세계 발전량의 약 34.3%를 차지하여 석탄(33.1%)을 최초로 추월하였다.

특히 태양광은 2025년 신규 재생에너지 설비의 약 75%를 차지하며 가장 빠르게 성장하고 있고, 풍력 또한 연간 158.7GW의 사상 최대 신규 설치를 기록하였다.

가. 바이오에너지

바이오에너지란 태양광을 이용하여 광합성되는 유기물(주로 식물체) 및 동 유기물을 소비하여 생성되는 모든 생물 유기체(바이오매스)의 에너지를 말한다.

1) 바이오에너지의 장점

2) 바이오에너지의 단점

생산과정도 공해를 유발하고 고에너지를 소비하는 기존 석유화학 공정을 이용했기 때문에, 향후에는 화학원료 생산공정을 생물공학적 발효공정으로 대체하여 탈공해 및 저공해의 청정생물 공학기술(green- biotechnology)을 이룩하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

나. 연료전지

연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지를 말한다. 산화 ·환원반응을 이용한 점 등 기본적으로는 보통의 화학전지와 같지만, 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되며, 반응생성물은 연속적으로 계외로 제거된다는 차이가 있다. 가장 전형적인 연료전지로는 수소-산소 연료전지가 있다.

1) 연료전지의 장점

2) 연료전지의 단점

다. 수소에너지

한국 정부는 2019년 '수소경제 활성화 로드맵'을 발표하였고, 그린수소(재생에너지 전력으로 물을 전기 분해하여 생산) 생산 기술이 핵심 연구 분야로 부상하였다. 수전해 기술(PEM, 알칼라인, SOEC 등)의 효율 향상과 비용 절감이 활발히 진행되고 있다. 그러나 한국형 수소환원제철의 산업현장 그린수소의 생산단가 인프라 부족 등의 문제 등에 상황이 어려운 점이 있어, 핑크수소(원자력발전 전력으로 물을 전기 분해하여 생산)등의 대체 청정수소 정책이 떠오르고 있다. 해외에서도 영국, 러시아, 스웨덴 등에서 생산을 나서고 있으나 아직 대규모 활용 사례는 없어 기술적인 보완이 필요한 것은 사실이다.

1) 수소에너지의 장점

2) 수소에너지의 단점

라. 에너지 수확 기술(Energy Harvesting)

최근에는 웨어러블 기기, IoT 센서 노드 등 초저전력 전자기기의 확산으로 에너지 수확 기술의 수요가 급증하고 있다. 특히 체온을 이용한 열전 발전 소자는 스마트워치 등에 일부 시범 적용되었으며 상용화가 진행 중이고, 교량·건물 구조물의 미세진동에서 전력을 수확하여 무선 센서에 공급하는 구조물 헬스 모니터링(SHM) 시스템이 실용화되고 있다. 이 기술은 현재 신재생에너지 원천 기술로 주목받고 있으며, 압전효과(물질의 변형에 의한 전압 발생), 광전효과(빛에 의해 물질 내부에 전류가 발생), 열전효과(온도 차에 따른 2종 금속 사이의 기전력 발생) 이렇게 세 가지 방식으로 개발이 되고 있다고 한다.

1) 압전효과

우리가 쓰는 라이터, 가스레인지가 압전방식의 대표적인 기술이다. 압전방식이란, 압전 특성이 있는 물질에 압력이나 진동을 가하면 전기가 생기고, 반대로 전기를 가하면 진동이 생기는 현상을 이용해 압전 소재를 매개로 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상호 변환되는 방식을 말한다.

압전 소재로 많이 사용되는 것은 납, 질콘, 티탄이다. 최근 환경문제로 규제가 늘어나서 납을 사용하지 않고 폴리머 계열 소자에 대한 개발이 진행되고 있다. (대표적인 폴리머 소재로는 염화비닐, 나일론이 있다.) 이러한 원리를 이용해서 전기를 발생시키는 것을 압전효과에 의한 에너지 수확기술이라고 한다.

예를 들면, 계단을 사람이 걷는다면, 계단을 밟을 때 사람의 중량에 의해 바닥에 하중이 가해질 것이다. 바닥에 압전 소자를 넣어 둔다면 이때 사람의 하중에 의해 가해지는 하중에 의해 압전 소자가 변형이 되고 전기를 발생시킬 수 있을 것이다. 해외에서는 이러한 원리를 이용하여 지하철 계단에 사용되는 조명의 전기를 보행자의 이동으로부터 얻고 있다. 또한 고가도로나 교량과 같이 다량의 차량이 이동할 때 발생하는 충격량을 이용하여 동일한 원리로 가로등 조명에 필요한 전기를 생산한다.

2) 광전효과

광전효과는 금속 등의 물질이 고유의 특정 파장보다 짧은 파장을 가진 전자기파를 흡수했을 때 전자를 내보내는 현상입니다. 높은 에너지를 갖는 파장이 짧은 에너지를 받게 되면 그 물질 내의 전자가 방출되며 에너지를 생성하게 되는 구조이다.

이러한 원리를 이용하는 것이 태양광 발전이다. 또한, 우리 주변에 필요에 따라 다양한 인공조명이 사용되고 있다. 이러한 조명들은 운전자나 보행자의 안전을 위해 사용되고 있으나 그 이외에 효용도가 떨어진다. 이러한 곳에 광전효과를 갖는 소재로 발전을 하면 필요한 조명을 하고 남은 에너지를 다시 회수할 수 있게 된다. 이러한 미소하지만 버려지는 에너지를 모으는 것이 에너지 수확의 핵심이다.

3) 열전효과

열전효과는 물체의 온도 차를 전압으로 혹은 전압을 온도 차로 직접 전환되는 현상을 말합니다. 온도가 높은 물체의 전자들은 온도가 낮은 물체의 전자들보다 더 높은 운동에너지를 갖게 되고, 두 물체가 연결되는 경우 고온부의 전자들이 저온부로 퍼지며 전위차가 발생하는 현상을 이용하여 전기를 발생시키게 된다. 이 열전효과를 이용하면 우리 몸의 체온을 이용해서 전기를 생산하는 것도 가능하다. 또한 목욕탕, 온천, 대형 발전소의 냉각수 배출구, 소금호수 등 주변에 비해 수십도 정도의 온도 차를 갖는 장소에서 소량의 전기를 얻는 방식으로 사용될 수 있다. 이러한 방식은 효율은 낮지만 다량으로 흩어져 있는 에너지를 한 곳에 모아 사용할 수 있게 함으로서 효용성을 높일 수 있다.