내연기관의 몰락
대학생신재생에너지기자단 21기 마승준
내연기관의 원리
내연기관은 열기관의 한 종류로서, 연료와 공기 같은 산화제를 연소실 내부에서 연소시켜 에너지를 얻는 기관이다. 가솔린기관과 디젤기관이 우리가 아는 대표적인 내연기관들이다. 이때 연소실 내부에서 연료와 산화제의 반응은 발열반응이고, 반응 시 높은 온도와 압력의 기체가 생성된다. 이 기체를 이용하여 연소실 내부의 피스톤을 움직이게 하여 내연기관을 가동하는 것이다. 좀 더 자세하게 내연기관의 원리를 알아보기 위해서 자동차에서 많이 사용되는 가솔린 기관의 작동 원리를 예를 들어보겠다. 먼저 기본 사이클은 흡입, 압축, 폭발, 배기 순으로 이루어진다. 흡입은 두 밸브가 닫힌 상태에서 피스톤이 원통 속의 맨 위에 있을 때 시작하여 피스톤이 내려가면서 흡입 밸브가 열려 휘발유 증기와 공기의 혼합 기체가 원통 속으로 주입되며, 피스톤이 맨 아래로 내려갈 때 흡입 밸브가 닫히면서 끝난다. 우리가 자동차를 운전하기 위해서 주유소를 들러서 휘발유를 주유하는 이유가 흡입 과정에서부터 휘발유를 필요로 하기 때문이다. 그리고 압축 과정에서는 플라이휠의 회전운동에 의해 피스톤이 다시 위로 올라가면서 주입된 혼합 기체가 압축되어 맨 위에 있을 때 끝난다. 그리고 가장 핵심인 폭발 과정에서는 피스톤이 맨 위에 있을 때 불꽃방전을 일으켜 압축된 혼합 기체가 순간적으로 연소되고, 그 결과 생기는 많은 열 때문에 고온 고압 상태가 된 연소 기체가 피스톤을 밀어 내리는 과정이다. 이 과정에서 연소 기체의 열에너지가 역학적에너지, 곧 기관 축에 달린 플라이휠의 회전운동에너지로 바뀐다. 즉 한마디로 말하자면 대기 환경을 오염시키는 주원인인 연소 가스를 이용하여 동력을 만들어 내는 것이다. 마지막으로 배기 과정은 플라이휠의 회전운동에 따라 맨 아래로 내려간 피스톤이 다시 올라올 때 배기 밸브가 열리면서 연소 기체를 밖으로 내보내어 피스톤이 맨 위로 올라갔을 때 배기 밸브가 닫히면서 끝나는 과정으로 흔히 말하는 매연 등을 내뿜는 과정이다. 따라서 내연기관을 사용하면 필연적으로 오염물질을 배출할 수밖에 없고 석유나 천연가스 같은 에너지가 필요하다. 이러한 메커니즘은 탄소 배출을 줄이려는 세계의 정책과 전혀 맞지 않는다. 따라서 내연기관은 방식을 바꾸거나 대체되어야 한다는 인식이 주를 이룬다.
[자료 1. 내연기관을 사용하는 자동차]
출처 : TheDrive
내연기관이 환경에 미치는 영향
내연기관은 앞서 말했듯이 기계를 작동시키면서 연소 기체 즉, 매연을 배출시킨다. 이 연소 기체는 직접적으로 공기 중으로 퍼져나가 대기 오염을 시킨다. 매연으로 인하여 공기가 오염되면 오염된 공기를 마신 동물의 호흡 기관에 이상이 생기거나 병에 걸리게 된다. 사람 또한 매연으로 인해 호흡기 질환에 걸릴 확률이 굉장히 높아진다. 또한 공기가 오염되면 산성비가 내려서 큰 피해를 보게 된다. 공장이나 자동차의 배기가스에서 나오는 황산화물과 질소산화물은 공기 중에서 수증기와 만나 산화되어 황산이나 질산이 된다. 황산, 질산은 비나 눈, 안개나 이슬로 내리게 되는데 이때 수소 이온의 농도(pH)가 5.6 이하가 되면 산성비라고 한다. 산성비는 식물의 잎에 떨어져 식물의 광합성에 필요한 기공, 엽록소 등을 파괴한다. 따라서 식물이 양분을 만들지 못해 잘 자라지 못하게 된다. 또한 산성비가 땅에 떨어지면 땅에 있는 아연, 납, 수은과 같은 중금속과 만나 토양을 산성화시키고 물도 산성화시킨다. 산성비로 인하여 토양이 산성화되면 식물이 잘 자라지 못하고, 물이 산성화되면 플랑크톤이 잘 자라지 못하여 물속 생태계에 큰 영향을 미친다. 이처럼 공기가 오염되면 산성비가 내리게 됨으로써 입는 피해가 매우 크다. 이 피해는 우리나라에서도 점점 심해지고 있다. 국립산림과학원이 1994년부터 제주를 포함한 전국 65개소의 산림토양 산성화 고정조사지에서 토양과 강우의 산성화 정도를 측정해 온 결과 2019년 기준 전국 산림토양의 평균 pH는 4.30의 강한 산성으로 나타났다. 최근 10년간 산림토양의 산성도는 2010년 기준 pH 5.14에서 2019년 기준 pH 4.30으로 16% 감소하며 토양의 산성화가 갑작스럽게 변화한 것이 아니고 매년 꾸준히 진행되어 온 것으로 분석됐다.
[자료2. 우리나라 산림 토양]
출처 : PRESS9
내연기관을 사용하는 것들
내연기관을 사용하는 기계들은 현재 상당히 많다. 주변에서 가장 흔하게 볼 수 있는 자동차를 먼저 예를 들 수 있다. 전기차, 수소차 같은 자동차를 제외하고 쉽게 말해서 주유소에 가야 하는 자동차들은 전부 다 내연기관을 사용한다고 볼 수 있다. 자동차뿐만 아니라 선박이나 비행기 역시 내연기관을 대부분 이용하는 중이다. 이러한 운송 수단 말고도 전기를 만드는 발전소도 상당 부분이 내연 발전소로 포진되어 있다. 이 발전소들은 내연기관의 회전을 이용하여 발전기를 가동하여 전기를 만드는 방식으로 우리가 사용하는 전기 또한 상당 부분이 내연 발전소로부터 생산되고 있다. 앞서 말한 예를 제외하고도 내연기관은 생각보다 우리의 생활에 깊숙이 침투해 있다. 따라서 내연기관이 환경에 치명적인 것을 알지만 지금 당장 내연기관을 멈춘다면 정상적인 생활이 불가능한 수준이다. 그렇다면 앞으로 이 상황을 어떻게 해결해야 할까?
[자료3. 내연 발전소]
출처 : 메일 경제
앞으로 내연기관의 미래
먼저 세계적인 정책의 기준으로는 2050 탄소 중립 정책이 있다. 탄소 중립이란 인간의 활동에 의한 탄소배출을 최대한 줄이고, 남은 온실가스를 흡수, 제거하여 실질적인 탄소 배출량이 0이 되는 개념이다. 즉 한마디로 말하자면 2050년까지 앞서 말했던 내연기관을 사용하는 것들을 모두 다른 것으로 대체하겠다는 의미이다. 일단 자동차 같은 경우에 최근 들어 눈에 보이는 변화가 이루어지고 있다. 세계의 자동차 기업들은 거의 모두 전기차를 개발하고 있으며 우리나라의 가장 큰 자동차 기업인 현대자동차는 2021년 연구개발 본부 내의 엔진개발센터를 전격 폐지하였다. 이는 더 이상 내연기관 엔진의 신모델을 내놓지 않겠다는 것을 의미한다. 이와 동시에 배터리개발센터를 신설하여 전기자동차의 경쟁력을 확보하고 있는 모습을 보인다. 내연발전소 또한 변화하는 모습을 보이고 있다. 우리나라의 경우 제주내연발전소가 작년에 큰 변화를 하였는데, 한국중부발전이 제주내연 1호기 친환경 연료전환 공사(B.C유→바이오연료)를 세계 최초로 완료하였다. 연료를 기존의 화석 연료에서 친환경 연료로 전환함으로써 대기오염 물질을 효과적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 지금의 예시들은 빙산의 일각에 불과하다. 앞으로의 이러한 변화는 계속될 것이며 환경 오염은 점점 더 줄어드는 방식으로 전환될 수밖에 없다. 기술이 퇴보되지 않으면서 동시에 환경도 보전하는 혁신적인 기술이 필요한 시점이다.
내연기관에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기
1. "5등급 차량, 서울＊대구＊부산 다 못들어 간다고?", 작성자(21기 김보연), https://renewableenergyfollowers.org/3876
2."석탄에서 LNG로, 한국중부발전의 밑그림", 작성자(20기 윤진수, 이주선, 황지영, 21기 김채윤, 오화종), https://renewableenergyfollowers.org/3874
참고문헌
[내연기관의 원리]
1) "내연기관", 네이버 물리학 백과, 2021.08.21, 내연기관 (naver.com)
[내연기관이 환경에 미치는 영향]
1) 차미경, "우리나라 산림토양 ‘산성화’ 가속…"토양 회복에 관심 가져야", PRESS9, 2020.03.11, http://www.press9.kr/news/articleView.html?idxno=43335
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