6. 자원문제

자원의 개념을 파악한다

현재 인류가 처한 상황에서 자원문제가 무엇인지 이해한다

인류의 자원 문제 해결을 위해 제시되는 방법들에 대해 개략적으로 이해한다

2

인간생활에 도움이 되는 자연계의 일부.

인류는 생활을 향상하기 위하여 어떤 형태로든 자연계와 접촉하여 이를 이용.

자원의 범위는 시대와 과학기술의 발달단계에 따라 바뀌며 고정된 것이 아님.

3

인간생활의 기초가 되는 가공되지 않은 소재, 가공된 물자 등 포괄

3가지 자원을 기초자원 광물자원(지하자원) 구리·철·납·석탄·석유

토지자원 인간생활의 터전인

수자원 일상생활을 뒷받침

4

천연자원- 산림자원·동물자원·수산자원 등

기초자원과 천연자원을 인간이 가공하여 생산하는 것으로 구분 가능 제1차 자원 식량자원·공업원료자원·에너지자원

제2차 자원·제3차 자원 이들을 다시 가공한 것

인적 자원 - 노동력이나 기술

5

광물자원의 부존량 천연적으로 파묻혀 있는 자연자원의 양

광물자원은 지구 전체적으로 볼 때, 자원분포가 지역적으로 고르지 않으며, 경제적으로 가치 있는 양도 제한

광물자원은 산림자원이나 수산자원처럼 재생이 되지 않기 때문에, 이를 재생불가능 자원이라고 부름

주요 광물자원의 매장량 및 가채년수

광물 매장량 연간 채취량 가채년수

금

구리

철광

주석

납

43,344 톤

566 백만 톤

98,200 백만 톤

3,080 천 톤

142 백만 톤

1,681 톤

8,465 천 톤

422,948 천 톤

186 천 톤

3,390 천 톤

28

67

232

17

42

6

부존량

광물자원 부존량에 대한 견해 비관론 : 문명의 발달과 함께 광물자원의 매장량은

계속 줄어들어 결국에는 동이 나고 말 것임

낙관론 : 광물자원의 양은 시간이 흐르면서 줄어들

기는 하지만, 과학기술의 발달로 생산비용이 낮아

져 품위가 낮은 광물로 이용할 수 있게 되며, 자원

의 재이용, 대체 물질 개발 등으로 문명을 유지할

수 없을 정도의 고갈은 먼 장래의 일임.

예) 400년 전에 구리 광석은 보통 8% 구리 포함. 현재는

1%의 구리광석도 경제성이 있음

8

광물 자원의 수요량과 매장량

9

고갈되는 광물자원에 대한 대책

공급 확대 방안 새로운 탐사기술 개발

미개발 광맥 탐사

수요 감축 방안 광물 재활용

대체품 개발

자원정책의 궁극적 목표: 지구 광물자원의 재고량

을 극대화하여 자원고갈을 최대한 늦추는 것

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금속광물 이용과정에서 발생하는 환경 문제 금속생산 각 단계(3단계) 마다 오염이 수반되고 폐기물 발생

1단계 : 광석을 덮고 있는 막대한 양의 흙과 암석을 걷어냄 침식이라는 자연작용에 견줄만한 환경 영향

2단계 : 채광과 선광 부스러기의 발생 선광 : 채굴한 광석을 잘게 부수고 선광기를 통해 물리적으로 불순물 제거

암석 속에 불순물로 섞여 있던 오염물질들(비소, 카드늄, 납, 아연 등)이 물과 접촉하여 오염 확산

3단계 : 제련과정에서 대기오염물질 발생 예) 비철금속 제련으로 매년 약 600만톤의 아황산가스 방출

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에너지의 정의

일을 하는 능력

다양한 형태; 전환 가능

운동, 위치, 열, 화학, 전기, 광에너지 등

“에너지 보존의 법칙”; 폐쇄계 내 총 에너지 불

변

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에너지 사용 인류 문명 발전; 에너지 소비 급증, 형태 다양 원시인류/농경/목축; 불 사용, 축력, 풍력, 수력 산업혁명 이전; 자연력/나무 근대 공업사회; 에너지 대량/집중 이용

에너지 문제 산업혁명 이후 증기 기관→가솔린 기관; 화석 에너지 이용 19 세기; 증기기관의 시대 20 세기; 가솔린 기관의 시대 화석에너지의 문제

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에너지 자원

경제적 의미 포함

자연력 에너지 자원: 축력, 수력, 풍력

화석 에너지 자원: 석탄, 석유, 천연 가스

대체 에너지 자원: 태양열/수력/파력/조력/원자력/지열 에너지

지각 에너지 자원: 석탄, 석유, 천연 가스. 지열, 원자력

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화석 에너지 19세기 산업 혁명 이후 20세기 초; 석탄 20세기 중반 이후; 석유/천연 가스 사용 편리; 폐기물 처리 간편 생산 기술 향상; 가격 저렴

자원 부존 편중; 가격/공급 불안정, ‘석유 파동’ 재생 불가능한 자원 부존량 유한 과다한 사용; 환경 오염

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16

17

에너지 자원 다양화

원자력 에너지

자연 에너지; 태양열, 지열, 풍력, 조력

연구 활발/일부 적용 단계

석유/석탄 중요성

20세기 주요 에너지 자원

총 에너지의 85% 이상

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화석연료의 특성 및 성인 석탄 특성 산업 혁명(1760)의 기수 제철업; 수력과 땔감→증기 기관 20C: 석유 대체 1973년 석유 위기; 석유 가격 급등/중요성 재인식 자원량 풍부/세계 각지 분포 국내 현황

강원도/경상북도 매장량 상대적으로 풍부 1980년 이후 사용량 감소/생산비 증가

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석탄의 형성 식물 수중 매몰; 지열/압력 탄화

식별 가능 식물 잔류 탄화과정; 축적 식물성 물질 변화

고생대 석탄기/페름기 초 지구 전체; 온난/습윤 고사리류 번성; 습지/얕은 물

식물 대기 노출; 산화작용/균류/박테리아 늪/소택지

부식→산소 소모/고갈→혐기성 박테리아 번성→살균 환경→부식 억제→토탄

지질학적 보존; 토탄→갈탄→ 역청탄→ 무연탄

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석탄의 종류

석탄 계열; 토탄→갈탄→ 역청탄→ 무연탄

등급(rank): 석탄의 질/이용상의 지표

갈탄; 아주 낮은 등급

무연탄; 아주 높은 등급

외관/물성/화학 성분 차이

용도; 발연가/코크스 값/가스 발생력

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석유와 천연 가스 특성

석유 사용 역사 5천년 이전; 유프라테스강 수메르/앗시리아 바빌론 고대 이집트; 지사제/바셀린

산업혁명 이후 19C 후반; 등불

가솔린 엔진 발명; 자동차/항공기 연료

제2차 세계 대전 후; 중동 유전 발견

우리나라; 총 에너지 60 %

열/화공/석유 화학 기초 재료; 플라스틱 시대

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천연가스 사용 역사 미국: 약 130 년 전 사용 초기 가스산업: 석탄 이용 가스 제조 1 차 세계대전 이후: 코크스 이용 1930 년대 이후: 석유 이용 2 차 대전 이후: 장거리 수송/저장 기술/도시가스/발전용 연료

석유에서 추출한 석유가스: 경쟁력 상실 현재: 무색 투명 초저온 액체 상태 제공/무공해 연료 전세계 매장량: 560 조m3 소련(40%), 이란(14%) 등에 편중되어 매장

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(2) 성분 공극/열극 내 수소/탄소 복합유기체 바나디움/니켈, 질소/산소/황 포함 고체/액체/기체상태 산출

고체탄화수소: 아스팔트/타르/피치/길소나이트 액체탄화수소: 원유/”크루드(crude)" 기체탄화수소: 천연가스

(3) 석유/천연가스의 성인 석유/천연가스: 함께 산출/같은 화합물/기원 동일 지질 시대 생물 유해 혐기성 수중환경 퇴적암층 내 부존 해양성 퇴적물 > 담수성 퇴적물

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석유 생성 과정 ① 유기물 퇴적→환원 박테리아→산소/질소/기타 원소 제거→케로젠

② 유기물 포함 지층; 열/압력, 원유 화학작용 ③ 원유 성숙→보존 장소 진입

케로젠(kerogen) 생물 유해; 박테리아/지열 변성 가열; 케로젠 열 분해→석유/가스

석유 생성 지온; 약 50~150 ℃ 평균 지온 상승률 2 ℃/100m; 깊이 1,000~3,000 m 평균 토사 퇴적 속도 2cm/100년: 500 만년 이상 신생대 초기: 전 세계 석유 60 % 이상 산출

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이동 과정 동식물의 유기물이 다량 축적 후 매몰/가열 기원암→투수성 운반층 이동 궁극적; 노출/지표면 산화 불투수성 암층 포획; 하부 공극층 저장 기원암/저류암/덮개암 필요

산출 고생대 이후 모든 지층 신생대 지층 60 % 중생대 지층 25 % 고생대 지층 15 %

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석유/가스 탐사 직접 감지 기술 부족; 부존 유무 시추/시험/생산 저류암

투수성; 사암, 돌로마이트/석회암/풍화 화강암/편암/파쇄 셰일/쳐트/변성암 등

상하부 불투수성 밀폐층 불투수성 덮개암

셰일/증발암 “치밀한" 석회암/사암

퇴적광상; 무기기원 Porfir'ef(1974) 탐사 역사

초기; 누출 상태 원유 탐사 1859 년 드레이크 대령; 펜실바니아 최초 지하 석유 채취 19 세기 후반; 미국/유럽/중동 아시아, 배사구조 대상 20 세기 전반; 다양한 구조 탐사 대상 1973 년 석유 파동; 해양/오일 셰일 탐사

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30

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원유의 분별증류

화석에너지 문제 주요 화석에너지의 가채년수 (2006)

석탄: 155 년

천연가스: 65.1 년

석유: 40.6 년

석유 매장량; 중동/북부 아프리카 편중/미국/소련

중동 석유; 전세계 매장량 반 이상

석유 비축; 석유 기금

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원자력 우라늄 핵분열 열 이용

제2차 세계대전 중; 미/영/캐나다 과학자 원자폭탄

세계 최초 원자로

1954년: 구소련 오브닌스크

1956년: 영국 칼더홀(최초 상업용 발전소)

1957년: 미국 시핑포트

세계 30여개국 430 기 발전소 운영; 발전량 약 17%

우리나라

20기 원자로 가동

국내 총 전력생산량의 40 % 이상 생산

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원자력의 장단점 단위 무게당 발생 에너지 양 월등

U235 1g = 석탄 2.7톤

생산비 저렴 핵연료 이외 사용 불가 방사능 누출의 잠재적 위험 핵폐기물 처분 문제점

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37

991

782

549

57 14 10 80

200

400

600

800

1000

1200

석탄 석유 천연가스 태양광 풍력 원자력 수력

온실

가스

배

출량

(g

)

전력 1kWh 생산시 온실가스(CO2 환산무게) 배출량

원자력 유연탄 중유 LNG 풍력 태양광

정산

단가

(원/kWh)

39.40 40.93 116.49 104.92 107.3 677.4

국내 발전원별 단가 (2007년 기준)

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태양 에너지 (1) 태양열

최대 에너지 자원 태양 총출력의 20 억분의 1 지구 도달; 전 세계 에너지 소비량 1 만 배 이상

장점 무공해/무소음/무한 자원 정치적 경계 무관

단점 기술 미축적/고비용 대규모 에너지원 부적절 예) 100만 Kw 태양열 발전소; 8 Km2 집열표면적 이용 집열판 이용 주택 난방/온수 문제 해결 태양열 전지 발전소; 건조기후 지역 에너지원

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(2) 수력 물의 순환 에너지 무한 에너지원 비교적 오랜 역사; 초기 수차이용/제분기 20세기 초 수력발전 전 세계 강 수력 총에너지양 잠재 에너지 6 % 만 개발 전체 에너지 소모량의 1/3 미국 약 1/3 소련 약 1/9 아프리카/라틴 아메리카/아시아; 60% 보유/20% 발전 예) 남아메리카/아프리카; 석탄 자원 무

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문제 퇴적물로 인한 저수량 점점 감소 평균 50~200 년 기능 상실 환경문제; 주변 환경에 광범위한 영향 높은 건설비

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(3) 풍력/수온차/파력 에너지 태양 에너지의 46 %; 해양/육지/대기 흡수 바람/파도/해류의 근원 풍력 해상 수송/농업용 이용 풍력 발전; 대형 풍차 설치 입지 조건; 전기 없는 섬 지방 문제점; 에너지 저장법/높은 건설 비용 고유가/고효율

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수온차 에너지 열대 바다; 30 m 이상 깊이 태양열 비축 해수면 가열; 수심에 따른 수온차 급변 온도 구배 이용; 온수 기화/심해 응축/터어빈 구동 발전 가격; 석탄 이용 화력발전 20 배

파력 조석 에너지 10 배 대양 파력 에너지 밀도; 40～70 kW/1 m2 영국; 북대서양 해안 500km/총에너지 일정 비율 가능

에너지 수송/큰 발전 장비/선박 운행 안전 문제

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지열 지각 내부 발생 열 열원; 암석속 동위원소의 자연 붕괴 지하 증온율; 15～75 ℃/1 Km 지구 내부 열류량 6.3×10-6cal/cm2/sec 분산; 에너지원 비활용

증온율 높은 지역 최근까지 화산활동 마그마의 천심 관입 고결/고온 상태 온천수 분출

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수소에너지 어떻게 수소를 얻는가?

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연료전지 외부로부터의 연료를 직

접 전기로 변환

연료전지의 장점 저공해

고효율 차세대 에너지원 시장잠재력 크다

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바이오 에너지 인류의 전통적인 에너지

전세계에너지원의 약 14%

직접이용 가공이용

에탄올, 메탄, 바이오 디젤

바이오 수소 생산

열처리, 생물학적 처리, 전환처리

우리나라도 파푸아뉴기니에 진출

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바이오 에너지

전환처리 직접연소를 통한 발전, 식물가공의 폐열 활용

열적 처리 - 열분해 : 산소가 없는 상태에서 가열, 유용한 가스생산 - 목탄생산 : 열분해의 부산물로 발생

생화학적 처리 - 에탄올 : 효모가 당을 분해하는 발효과정에서 만들어짐 - 메탄올 : 증류를 통해 식물 등으로부터 만들어짐 - 메탄 : 폐기물, 바이오매스의 혐기성 발효로 만들어짐

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핵융합 2가지 이상의 원자핵이 충돌로 핵반응을 일으켜 충돌 전보다 원자번호가 큰 원

소가 생성되는 현상

D＋T → n＋ He＋17.8MeV D＋D → n＋ 3He＋3.27MeV

D＋3He → p ＋4He + 18.4MeV

열핵융합을 위해서는 1억도 이상의 온도 필요

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