에너지원: 석탄

금속의 탄생: 나무가 숯으로, 숯이 금속으로

나무를 태운 불을 통해 빙하기를 견뎌낸 인류는 1만 년 전 신석기시대를 열었다. 6000년 전에는 나무를 태운 숯을 사용하기 시작. 나무로 불을 지필 때보다 더 높은 온도를 낼 수 있다는 사실을 알게 되었다. 숯으로 불을 지표 온도를 높인 뒤 구리원석을 넣고 태웠더니 노란색 액체가 나왔는데 그것이 굳은 것이 구리. 금속이 섞인 덩어리를 숯과 함께 고열로 가열하면 뭔가 새롭고 단단한 물질이 나온다는 사실을 알게 되었다.

-> 금속의 탄생.

 

불에 구리 덩어리와 주석 덩어리를 함께 넣고 태워 청동을 발명. 청동으로 처음 만든 것은 무기. 구리와 주석이 함께 묻혀 있는 곳이 많지 않아 이 둘을 얻기 위해 교역이 시작.

-> 무역의 탄생.

하지만 청동은 여전히 구하기 어려웠고 청동무기는 귀족만의 전유물.

 

철광석을 숯에 넣고 태웠더니 청동보다 더 단단한 금속이 철이 탄생. 구리와 주석을 동시에 구하지 않아도 되고 철광석은 구하기도 쉬워 더 많은 철기 제품을 더 쉽게 만들었다.

-> 무기의 '민주화'. 더 많은 전쟁, 농업이 비약적으로 발생.

 

이때까지 불을 만들기 위한 에너지의 원천은 나무가 전부. 인류는 400만 년 동안이나 나무에 전적으로 의존.

 

세상을 바꾼 석탄과 증기기관

불이라는 에너지를 얻기 위해 점점 더 많은 나무를 베개 되었다. 전쟁을 하고 농사를 짓기 위해선 더 많은 금속이 필요했고 숯을 만들기 위해 더 많은 나무가 필요. 14세기가 되어서야 석탄이 사용되기 시작. 석탄으로 불을 지피니 더 높은 온도로 가열을 할 수 있어 더 질 좋은 철을 생산할 수 있고, 따라서 석탄이 빠르게 나무를 대체.

 

석탄의 수요가 늘어나자 노천 탄광으로는 수요를 맞추기 어렵게 되어 땅을 파기 시작. 지하로 파내려 갈수록 땅의 습기 때문에 많은 물이 고이게 되는데, 깊은 탄광 속으로 내려가 캐낸 석탄을 끌어올려야 하고 고인 물도 퍼내야 하는 것이 어려웠다. 말에 도르래를 매달아 끌어올리긴 했지만 동물의 힘에는 한계가 있었다.

 

석탄을 캐내기 위한 여러 시도가 17세기 말부터 있었고 1712년 영국의 토마스 뉴커먼이 피스톤과 실린더를 갖춘 새로운 펌프를 고안. 불을 지펴 열에너지를 만들고 이를 운동에너지로 바꾸는 최초의 증기기관. 이 증기기관은 25명의 사람과 10마리의 말이 일주일 동안 꼬박 걸리던 일을 하루 만에 해결. 하지만 피스톤이 원래 위치로 내려와 왕복운동을 하기 위해선 실린더 안의 증기를 다시 압축시켜야 하고 이를 위해서는 많은 물을 뿌려 실린더를 냉각시켜야 하는데, 증기와 함께 실린더 자체가 식어버리는 게 문제. 즉, 식어버린 실린더를 데우는 데 연료와 시간이 너무 많이 듦.

 

 

역사를 바꾼 자는 누구인가

스코틀랜드 출신의 기술자 제임스 와트가 물을 뿌려 수증기를 냉각시키는 별도의 응축기를 실린더 바깥에 달아놓음으로써 해결. 식어버린 실린더를 다시 가열하기 위해 소비되는 석탄의 양이 4분의 1로 감소. 게다가 피소톤을 통해 위아래로만 움직이며 지하수를 꺼내는 기능에 그친 증기기관에 자전거의 크랭크처럼 바퀴를 회전할 수 있는 장치를 고안하여 위아래 왕복운동을 회전운동으로 바꾸는 데 성공.

 

증기기관을 탄생시킨 영국은 산업혁명의 본거지가 되었고 오랫동안 세계 최강국으로 군림. 증기기관 원리의 핵심:

불을 지펴 액체인 물을 끓이면 기체 상태인 수증기로 변하고 열을 흡수한 기체는 분자 간의 거리가 멀어져 부피가 증가하여 피스톤을 움직이는 힘, 즉 운동에너지를 발생시킨다.

 

세계를 바꾼 석탄

산업혁명으로 상품을 대량생산하고 증기기관차와 증기선으로 대량수송이 가능하게 됨. 세상은 가까워지고 경제는 비약적으로 성장하기 시작. 인간의 노동이 사회문제로 대두되고 사회주의가 탄생. 역사는 산업혁명 이전과 이후로 나누어지게 되었고 그 역사를 바꾼 산업혁명의 동력은 석탄.

 

4세기에 중국에서 이미 석탄을 사용했다는 기록이 있음. 7세기에 당나라는 세계의 중심이었으며 전 세계의 GDP 55%를 차지했을 정도로 초강대국. 하지만 18세기에 영국에서 산업혁명이 일어나게 된 이유는? 영국 탄광의 약점 때문. 중국의 탄광은 건조해서 캐내기가 비교적 쉬웠지만, 영국의 탄광은 땅에 습기가 많아 물이 금방 차 버려 석탄을 캐기가 어려웠기에 물을 퍼낼 힘 좋은 펌프가 필요했고 그 펌프를 기계적으로 움직이기 위해 증기기관이 발명. 중국은 광활한 영토에 석탄이 많이 매장되어 있었지만 쉽게 생산된 지역은 주로 서북부라서 경제의 중심지인 동부까지 나르기 어려웠고, 또한 목재가 풍부해서 굳이 멀리서 어렵게 석탄을 실어올 필요가 크게 없었음.

 

영국은 지나친 벌목으로 나무가 보족해지고 인구가 급증해 16세기 중엽부터는 심각한 에너지난에 직면에 있었으므로, 새로운 에너지원에 대한 욕구가 강했고 이는 적극적인 석탄 개발로 이루어지게 됨. 즉 대체에너지에 대한 필요와 약점을 극복하기 위한 노력이 영국과 중국의 역사를 바꾸게 된 것이다.

 

http://www.greenpostkorea.co.kr/news/articleView.html?idxno=112508

 

석탄은 악마의 에너지인가

석탄은 환경오염의 주범으로 지탄받고 있지만, 만약 석탄이 없었다면 지구 상의 모든 나무가 사라졌을지도 모른다. 영국에서는 16세기에 이미 산림이 황폐해졌고 토양의 침식과 홍수 등 자연재해에 시달렸으며 인구가 급속도로 늘어난 18세기 생태계의 파괴는 심각했음. 공장 하나 가동하는 데 숲 하나가 날아갔을 뿐 아니라, 영국 해군의 활약으로 군함 건조에 엄청난 양의 목재가 투입. 숲이 늘어나고 생태계가 복원되기 시작한 것은 석탄 사용이 본격화된 다음부터였다. 세계 석탄 매장량의 22%는 미국, 12%는 중국, 8%는 호주.

 

석탄의 종류는 탄화된 상태에서 탄소가 얼마나 많이 남아 있느냐에 따라 탄소성분이 95%인 무연탄과 90~90%인 역청탄, 70%인 갈탄 등 유연탄으로 나뉜다. 우리나라에서 생산되는 것은 무연탄, 북한에서는 유연탄도 생산. 무연탄은 불이 늦게 붙으며 연기가 나지 않고, 연기를 내는 유연탄은 불에 잘 붙고 화력이 무연탄보다 강하므로, 세계적으로 유연탄이 더 널리 쓰이고 있음.

 

현재 전 세계 전기 생산의 40% 정도 담당하고 있는 석탄은 시멘트의 주요 원료로도 널리 쓰이고 청강 제조에도 많이 사용되는 등 아직까지도 세계 최대의 에너지원으로 석유와 어깨를 나란히 하고 있다.

 

Reference

'에너지 빅뱅'. 이종헌 저. 프리이코노미 북스.

 

2024.01.01 - [투자] - 유종의 종류

유종의 종류