게시일: 2024년 3월 8일
기고자: Tom Krantz, Alexandra Jonker
열에너지는 분자와 원자의 무작위 움직임으로 생성되는 시스템 내의 에너지를 말합니다. 움직임이 증가하면 더 많은 에너지가 생산됩니다. 이 에너지는 열의 형태로 전달됩니다.
한 시스템에서 다른 시스템으로의 열 에너지 흐름은 '열역학'으로 알려진 물리학 분야의 기초입니다. 열역학 분야의 발견 덕분에 과학자들이 물리 과학 전반에 걸쳐 혁신적인 도약과 발전을 이룰 수 있었습니다. 이 발견은 오늘날 새로운 대체 에너지의 시대를 여는 데 도움이 되고 있습니다.
본 간행물에서는 ESG 보고에 대한 접근 방식에 도움이 되는 가이드라인을 제시하고자 합니다.
에너지 수요 예측
'열에너지'라는 용어의 기원은 고대(기원전 500년경)로 거슬러 올라갑니다. 그러나 보통 19세기 영국의 물리학자, 수학자 및 양조업자인 James Prescott Joule이 열에너지를 발견한 것으로 알려져 있습니다.
줄(Joule)은 기계적 에너지 변환 실험을 통해 물질의 속도를 조작할수록 물질이 더 뜨거워진다는 사실을 발견했습니다. 줄은 마찰과 화학 반응을 통한 온도 변화를 관찰함으로써 에너지가 열과 같은 다양한 형태로 나타날 수 있으며, 열과 기계적 일(힘을 가하여 물체에 전달되는 에너지) 사이에 직접적인 상관관계가 있다는 사실을 발견했습니다.
줄의 연구 결과는 그의 경력 내내 회의론에 부딪혔습니다. 하지만 이제는 줄이 시스템에서 생산되는 일의 양을 측정하는 국제 단위계(SI 단위)의 에너지 단위로 사용되고 있습니다. 줄의 발견은 고립된 시스템의 총 에너지가 일정하게 유지된다는 에너지 보존 법칙의 길을 열었습니다. 더 나아가 이 발견으로 열역학 제1법칙이 탄생했습니다.
네 가지 물리학 중 열역학은 열, 일, 온도에 초점을 맞추고 에너지, 엔트로피, 물질과 방사선과 같은 물리적 특성과의 관계를 탐구하는 물리학의 한 분야입니다. 이러한 요소 간에 관찰되는 동작에는 다음의 네 가지 법칙이 적용됩니다.
처음에는 열역학에서 제0법칙은 다른 세 가지 법칙에 함축되어 있다고 생각하고 별도의 법칙으로 간주되지 않았습니다. 제0법칙은 가까이에 있는 두 물체가 동일한 온도에 도달하고 더 이상 열 에너지를 교환하지 않는 열평형에 중점을 둡니다(뜨거운 물과 차가운 물이 모두 실내 온도에 도달하는 것을 생각해 보세요). 이 법칙에 따르면 두 시스템이 각각 제3의 시스템과 열 평형을 이루면 서로 열 평형을 이룬다고 합니다. 제0법칙은 여러 면에서 전이 속성으로 작동합니다.
공식으로 표현되는 열역학 제1 법칙은 에너지 보존 법칙의 표현입니다. 에너지는 생성되거나 파괴될 수 없으며, 한 형태의 에너지에서 다른 형태의 에너지로 변환될 뿐입니다. 따라서 시스템 내의 열은 열원의 열과 동일합니다.
열역학 제2법칙을 최대한 단순하게 설명하자면 열이 더운 지역에서 추운 지역으로 자연적으로 흐른다는 것입니다. 그러나 반대의 경우는 절대 발생하지 않아서 열이 추운 지역에서 더운 지역으로는 자연적으로 흐르지 않는다고 합니다. 이 구분은 엔트로피(시스템의 무질서 또는 불확실성의 정도)의 개념을 물리적 속성으로 설정하기 때문에 중요합니다. 엔트로피는 열 평형 상태에 도달할 때까지 증가합니다.
불가능하다고 간주되기는 하지만, 열역학 제3법칙에 따르면 시스템의 온도가 절대 영도에 가까워질수록 시스템의 엔트로피는 최솟값에 가까워집니다. 시스템 내의 모든 활동이 정지되는 절대 영도 개념은 분자가 완전히 움직이지 않는 상태가 될 수 없기 때문에 달성할 수 없는 것으로 간주됩니다. 그러나 영점, 즉 가능한 최저 온도는 켈빈 온도 척도에서 섭씨 -273.15도(화씨 -459.67도)라는 이론이 있습니다.
에너지는 운동 에너지와 위치 에너지로 분류할 수 있습니다. 운동 에너지는 물체의 움직임으로 측정되며 질량과 속도를 설명합니다. 위치 에너지는 물체의 위치(물체가 공중에 떠 있는가, 바닥에 있는가?), 속성(물체의 재질은 무엇인가?), 다른 물체와의 관계(다른 물체로 인해 움직일 수 있는가?) 등 여러 요인에 따라 물체가 움직일 수 있는 가능성을 뜻합니다.
끈에 매달려 있는 공을 생각해 보세요. 공은 매달려 있는 동안 잠재적 에너지를 저장하고 있습니다. 움직이고 있지는 않지만 중력이 잠재적인 힘으로 작용하고 있기 때문에 그럴 수 있습니다. 줄이 끊어지고 공이 떨어지면 공은 움직이는 물체이기 때문에 운동 에너지가 생깁니다. 위치 및 운동 에너지의 대표적인 예는 다음과 같습니다.
원자와 분자의 결합에 저장된 에너지입니다.
원자핵을 하나로 묶고 있는 원자 내에 저장된 에너지입니다.
중력장에서의 위치를 기반으로 물체에 저장된 에너지입니다.
전자라고 하는 하전 입자를 통해 에너지를 전달합니다.
전자기 방사선을 통해 전달되는 에너지입니다.
열이나 원자의 움직임을 통해 전달되는 에너지입니다.
열 에너지는 진동, 회전 또는 병진 운동 에너지로 관찰되는 시스템 내의 총 운동 에너지입니다. 그러나 시스템의 모든 입자를 고려하고 운동 에너지와 위치 에너지를 모두 설명하는 내부 에너지의 형태로 존재하는 '숨겨진'(또는 미시적인) 에너지도 존재합니다.
열 에너지는 전도, 대류 및 복사의 세 가지 방법을 통해 전달될 수 있습니다. 가스레인지 위의 냄비에서 끓고 있는 물을 생각하면 각각의 작동 방식을 잘 이해할 수 있습니다.
- 전도는 고체 물질을 통한 에너지의 흐름입니다. 가스레인지 불꽃이 냄비를 가열하면 에너지가 물체 전체로 이동하여 표면 온도가 상승합니다.
- 대류는 유체 이동을 통한 에너지 흐름입니다. 냄비가 뜨거워지면 물은 온도 차이에 맞게 조절됩니다. 차가운 물이 아래로 끌어내려지고 뜨거운 물이 위로 올라가면서 유체의 질량 운동으로 알려진 원형 흐름이 생성됩니다.
- 복사는 파동을 통한 에너지의 흐름입니다. 불꽃의 운동 에너지는 전자기파를 통해 이동하며 물체(이 경우 냄비)에 닿으면 열로 변환됩니다.
이 예에서 열은 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태를 통해 이동합니다. 열 에너지는 각 상태에서 물체를 변경할 수 있으며 적용된 열의 양에 따라 위상 변화를 시작할 수도 있습니다. 이는 잠열 및 현열에 따라 달라집니다.
잠열은 상 변화(끓는 물이 증기로 변하는 것)를 일으키는 데 필요한 열 또는 에너지의 양을 말합니다. 현열은 물질의 온도를 높이는 데 필요한 에너지(냄비를 더 뜨겁게 만드는 불꽃)를 말합니다. 각 물체에는 고유한 열 용량이 있는데, 이는 온도를 섭씨 1도 올리는 데 필요한 열량입니다. 물은 비열이 높기 때문에 온도를 높이려면 많은 에너지가 필요하지만, 공기는 일반적으로 비열이 낮으므로 에너지가 많이 필요하지 않습니다.
열 에너지는 뉘앙스가 약간 다르긴 하지만 열과 같은 의미로 사용되는 경우가 많습니다. 열 에너지는 시스템 내에서 분자와 원자의 움직임을 의미합니다. 반면에 열은 한 시스템에서 다른 시스템으로 열 에너지가 전달되거나 흐르는 것입니다. 열 에너지와 열은 모두 줄 단위로 측정됩니다.
온도는 시스템 내에서 생성된 평균 운동 에너지를 나타내며 섭씨, 화씨, 켈빈 또는 란씨로 측정됩니다. 온도는 특정 시간에 물체의 '뜨거움' 또는 '차가움'을 기록하는 것이며 에너지를 기록하는 것이 아니라는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 예를 들어 온도만으로는 시스템에서 빠져나가는 열의 양을 알 수 없습니다.
이 세 가지의 관계를 다른 방식으로 생각하면 열 에너지는 시스템의 총 에너지 양이고, 열은 해당 시스템에서 다른 시스템으로의 에너지 흐름이며, 온도는 분자의 평균 운동 에너지라고 할 수 있습니다.
기후 변화에 대한 우려가 커지고 있는 지금, 기업들이 순 배출량 제로(Net Zero) 운영을 향해 나아가야 한다는 목소리가 커지고 있습니다. 열 에너지는 조직이 화석 연료에서 벗어나 재생 가능한 에너지원을 받아들일 기회를 제공합니다.
태양 에너지는 태양 광선을 수집하고 응축하여 생산됩니다. 반사경과 수신기를 사용하여 증폭된 태양 에너지는 열전달 유체가 들어 있는 튜브로 향하게 됩니다. 이 과정을 통해 수력 터빈이 작동하여 전기를 생산합니다.
지열 에너지는 지각에서 찾을 수 있는 풍부한 자원입니다. 뜨거운 물이 흐를지 모르는 저수지의 깊은 곳을 시추하여 이 에너지를 얻습니다. 이 물은 전기를 생산하는 터빈을 구동하는 데 사용됩니다.
해양 열에너지 변환(OTEC)은 표면은 따뜻하고 수심은 차가운 해양의 온도차를 이용해 일반적으로 전기의 형태로 유용한 작업을 생산합니다. 풍부한 해수와 고용량 요소를 고려할 때 OTEC은 실행 가능한 대안입니다.
재생 가능 에너지원으로 열 에너지를 활용하는 것은 기업이 에너지 관리 전략을 다각화하는 효과적인 방법이 될 수 있습니다. 또한 기업이 소비를 줄이고 에너지 절약을 개선하여 지구에 대한 추가적인 피해를 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
재생 에너지는 천연 자원에서 생성되는 에너지로, 사용량보다 빠르게 보충됩니다.
다양한 형태의 재생 가능 발전이 어떻게 발전하여 전 세계 에너지 부문과 전 세계 에너지 공급을 다각화했는지 간단히 살펴보겠습니다.
에너지 관리(energy management)는 에너지 사용을 보존하고 에너지 비용을 줄이기 위해 조직의 에너지 소비를 적극적이고 체계적으로 모니터링, 제어 및 최적화하는 것입니다.