물리 세특 : 에너지 수송 설계/실험

1. 전기에너지 수송 과정

  전기 에너지를 전달하는 과정은 다음과 같습니다. 첫째, 화석 연료 연소, 풍력이나 태양 에너지와 같은 재생에너지나, 핵발전(핵분열 이용) 등 다양한 수단을 통하여 발전소에서 전기가 생산해 냅니다. 생성된 전기를 고압 전력선을 통해 변전소로 전송하고, 변전소에서는 전압을 낮취 가정, 기업 등 전기를 필요로 하는 곳에 전달합니다. 이 과정을 거쳐 전기 사용자들에게 안정적으로 전력을 공급합니다.

2. 전기에너지 수송의 효율

  전기 에너지를 전송할 때 여러 가지 이유로 전압을 바꾸어서 진행합니다. 우선 발전소에서 생성된 전기는 송전 중 에너지 손실을 줄이기 위해 고전압에서 수송합니다. 초전도체가 아닌 이상, 전선에는 저항이 존재할 수 밖에 없고, 에너지 수송 중 일부 전기에너지가 열에너지로서 소실될 수 밖에 없습니다. 이때 고전압으로 전기에너지를 수송하면 저항으로 손실되는 에너지를 최소화할 수 있고, 전력선을 통한 효율적인 이동을 가능하게 합니다. 그러나 고전압은 위험을 동반하기도 합니다. 따라서 가정이나 기업에서 안전하게 사용하기에는 적합하지 않습니다. 따라서 변전소에서는 배전하기 전에 변압기를 통해 전압을 낮춰 전송하고, 전압을 소비하기에 안전한 수준으로 줄이는 것입니다.

3. 에너지 수송 효율 실험

  기본적으로는 전원을 공급해줄 수 있는 배터리와 전선, 전압과 전류를 측정할 수 있는 파라미터가 필요합니다. 사실 기본적인 뼈대는 그저 에너지를 수송하고, 그 전압과 전류를 측정하여 최고의 방법을 선택하는 것입니다. 다만, 여기서 여러분들의 디테일한 설정과 다양한 평가 기준이 필요합니다. 얼마나 멀리 떨어진 곳에서 수송할 것인지(이것은 저항을 따로 연결하여 해결할 수 있겠죠!), 전선의 비용은 어느 정도 들 것인지 등이 있을 것입니다.

  전기에너지를 직접 전선으로 움직이는 방법도 있지만, 다른 다양한 방법들도 존재합니다. 예를 들어 수소로 바꾸어 에너지를 저장하는 방법도 있고, 화학적인 에너지로 바꾸어 저장하는 방법도 존재합니다. 이 방안들은 전기에너지를 전선으로 움직일 때 저항에 의해 발생하는 열에너지는 거의 없는 수준이겠지만, 전기에너지를 다른 형태로 바꾸어 저장했을 때 생기는 손실과 그 에너지를 다시 전기에너지로 변환하여 사용할 때 생기는 손실, 그리고 수소와 다른 방안으로 저장한 화학에너지 등을 운송할 때 생기는 부가적인 에너지들에 대해서도 생각하지 않을 수 없습니다. 예를 들어 차나 배로 전지나 수소 탱크를 운반한다면 그만큼 운송할 때 드는 에너지가 존재하는 것이니까요. 그렇게 되면 운송 도중 탄소가 발생할 수 있고, 오히려 환경에 더 큰 영향을 끼칠 수도 있게 되는 일입니다.

  '다른 방안들(수소, ESS)'에 관한 정보가 필요하시다면 아래 글을 방문해 주세요!

2024.05.10 - [실험/환경 실험] - 고등학생 환경 실험 : 그린 수소 생산 실험

고등학생 환경 실험 : 그린 수소 생산 실험

2024.05.13 - [실험/환경 실험] - 고등학생 환경 실험 : ESS(Energy Storage System)

고등학생 환경 실험 : ESS(Energy Storage System)

 

  예를 들어 드리자면, 여러분들이 에너지 발전소로부터 50km 떨어진 곳에 살고 있다고 가정하는 것입니다. 그때 전기에너지를 전선으로 수송했을 때 어느 정도의 효율일지 실험해 보고(단위길이 당 어느정도의 저항이 발생하는지 계산한 후, 그만큼 곱해 50km의 운송에서 어느 정도의 저항으로 인한 손실이 생길지 해볼 수 있지요.) 손실 에너지량을 계산해 봅니다. 수소나 ESS의 경우도 에너지의 형태를 바꿨을 때 발생하는 손실과, 수송할 때 드는 에너지량도 계산하여 비교해 보고, 경제적/환경적 기준 등 다양한 기준을 여러분이 설정하여 실험을 진행해 보시면 되겠습니다.

  긴 글 읽으시느라 수고하셨고, 조금이나마 도움이 되시면 좋겠습니다! 감사합니다.