6. 자원문제
자원의개념을파악한다 현재인류가처한상황에서자원문제가무엇인지이해한다 인류의자원문제해결을위해제시되는방법들에대해개략적으로이해한다 2
인간생활에도움이되는자연계의일부. 인류는생활을향상하기위하여어떤형태로든자연계와접촉하여이를이용. 자원의범위는시대와과학기술의발달단계에따라바뀌며고정된것이아님. 3
인간생활의기초가되는가공되지않은소재, 가공된물자등포괄 3 가지자원을기초자원 광물자원 ( 지하자원 ) 구리 철 납 석탄 석유 토지자원 인간생활의터전인 수자원 일상생활을뒷받침 4
천연자원 - 산림자원 동물자원 수산자원등 기초자원과천연자원을인간이가공하여생산하는것으로구분가능 제 1 차자원 식량자원 공업원료자원 에너지자원 제 2 차자원 제 3 차자원 이들을다시가공한것 인적자원 - 노동력이나기술 5
광물자원의부존량 천연적으로파묻혀있는자연자원의양 광물자원은지구전체적으로볼때, 자원분포가지역적으로고르지않으며, 경제적으로가치있는양도제한 광물자원은산림자원이나수산자원처럼재생이되지않기때문에, 이를재생불가능자원이라고부름 주요광물자원의매장량및가채년수 광물매장량연간채취량가채년수 금 43,344 톤 1,681 톤 28 구리 566 백만톤 8,465 천톤 67 철광 98,200 백만톤 422,948 천톤 232 주석 3,080 천톤 186 천톤 17 납 142 백만톤 3,390 천톤 42 6
부존량
광물자원부존량에대한견해 비관론 : 문명의발달과함께광물자원의매장량은계속줄어들어결국에는동이나고말것임 낙관론 : 광물자원의양은시간이흐르면서줄어들기는하지만, 과학기술의발달로생산비용이낮아져품위가낮은광물로이용할수있게되며, 자원의재이용, 대체물질개발등으로문명을유지할수없을정도의고갈은먼장래의일임. 예 ) 400년전에구리광석은보통 8% 구리포함. 현재는 1% 의구리광석도경제성이있음 8
광물자원의수요량과매장량 9
고갈되는광물자원에대한대책 공급확대방안 새로운탐사기술개발 미개발광맥탐사 수요감축방안 광물재활용 대체품개발 자원정책의궁극적목표 : 지구광물자원의재고량을극대화하여자원고갈을최대한늦추는것 10
금속광물이용과정에서발생하는환경문제 금속생산각단계 (3 단계 ) 마다오염이수반되고폐기물발생 1 단계 : 광석을덮고있는막대한양의흙과암석을걷어냄 침식이라는자연작용에견줄만한환경영향 2 단계 : 채광과선광부스러기의발생 선광 : 채굴한광석을잘게부수고선광기를통해물리적으로불순물제거 암석속에불순물로섞여있던오염물질들 ( 비소, 카드늄, 납, 아연등 ) 이물과접촉하여오염확산 3 단계 : 제련과정에서대기오염물질발생 예 ) 비철금속제련으로매년약 600 만톤의아황산가스방출 11
에너지의정의 일을하는능력 다양한형태 ; 전환가능 운동, 위치, 열, 화학, 전기, 광에너지등 에너지보존의법칙 ; 폐쇄계내총에너지불변 12
에너지사용 인류문명발전 ; 에너지소비급증, 형태다양 원시인류 / 농경 / 목축 ; 불사용, 축력, 풍력, 수력 산업혁명이전 ; 자연력 / 나무 근대공업사회 ; 에너지대량 / 집중이용 에너지문제 산업혁명이후 증기기관 가솔린기관 ; 화석에너지이용 19 세기 ; 증기기관의시대 20 세기 ; 가솔린기관의시대 화석에너지의문제 13
에너지자원 경제적의미포함 자연력에너지자원 : 축력, 수력, 풍력 화석에너지자원 : 석탄, 석유, 천연가스 대체에너지자원 : 태양열 / 수력 / 파력 / 조력 / 원자력 / 지열에너지 지각에너지자원 : 석탄, 석유, 천연가스. 지열, 원자력 14
화석에너지 19 세기산업혁명이후 20 세기초 ; 석탄 20 세기중반이후 ; 석유 / 천연가스 사용편리 ; 폐기물처리간편 생산기술향상 ; 가격저렴 자원부존편중 ; 가격 / 공급불안정, 석유파동 재생불가능한자원 부존량유한 과다한사용 ; 환경오염 15
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에너지자원다양화 원자력에너지 자연에너지 ; 태양열, 지열, 풍력, 조력 연구활발 / 일부적용단계 석유 / 석탄중요성 20세기주요에너지자원 총에너지의 85% 이상 18
화석연료의특성및성인 석탄 특성 산업혁명 (1760) 의기수 제철업 ; 수력과땔감 증기기관 20C: 석유대체 1973 년석유위기 ; 석유가격급등 / 중요성재인식 자원량풍부 / 세계각지분포 국내현황 강원도 / 경상북도매장량상대적으로풍부 1980 년이후사용량감소 / 생산비증가 19
석탄의형성 식물수중매몰 ; 지열 / 압력탄화 식별가능식물잔류 탄화과정 ; 축적식물성물질변화 고생대석탄기 / 페름기초 지구전체 ; 온난 / 습윤 고사리류번성 ; 습지 / 얕은물 식물대기노출 ; 산화작용 / 균류 / 박테리아 늪 / 소택지 부식 산소소모 / 고갈 혐기성박테리아번성 살균환경 부식억제 토탄 지질학적보존 ; 토탄 갈탄 역청탄 무연탄 20
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석탄의종류 석탄계열 ; 토탄 갈탄 역청탄 무연탄 등급 (rank): 석탄의질 / 이용상의지표 갈탄 ; 아주낮은등급 무연탄 ; 아주높은등급 외관 / 물성 / 화학성분차이 용도 ; 발연가 / 코크스값 / 가스발생력 22
석유와천연가스 특성 석유사용역사 5천년이전 ; 유프라테스강수메르 / 앗시리아바빌론 고대이집트 ; 지사제 / 바셀린 산업혁명이후 19C 후반 ; 등불 가솔린엔진발명 ; 자동차 / 항공기연료 제2차세계대전후 ; 중동유전발견 우리나라 ; 총에너지 60 % 열 / 화공 / 석유화학기초재료 ; 플라스틱시대 23
천연가스사용역사 미국 : 약 130 년전사용 초기가스산업 : 석탄이용가스제조 1 차세계대전이후 : 코크스이용 1930 년대이후 : 석유이용 2 차대전이후 : 장거리수송 / 저장기술 / 도시가스 / 발전용연료 석유에서추출한석유가스 : 경쟁력상실 현재 : 무색투명초저온액체상태제공 / 무공해연료 전세계매장량 : 560 조 m 3 소련 (40%), 이란 (14%) 등에편중되어매장 24
(2) 성분 공극 / 열극내수소 / 탄소복합유기체 바나디움 / 니켈, 질소 / 산소 / 황포함 고체 / 액체 / 기체상태산출 고체탄화수소 : 아스팔트 / 타르 / 피치 / 길소나이트 액체탄화수소 : 원유 / 크루드 (crude)" 기체탄화수소 : 천연가스 (3) 석유 / 천연가스의성인 석유 / 천연가스 : 함께산출 / 같은화합물 / 기원동일 지질시대생물유해 혐기성수중환경 퇴적암층내부존 해양성퇴적물 > 담수성퇴적물 25
석유생성과정 1 유기물퇴적 환원박테리아 산소 / 질소 / 기타원소제거 케로젠 2 유기물포함지층 ; 열 / 압력, 원유화학작용 3 원유성숙 보존장소진입 케로젠 (kerogen) 생물유해 ; 박테리아 / 지열변성 가열 ; 케로젠열분해 석유 / 가스 석유생성 지온 ; 약 50~150 평균지온상승률 2 /100m; 깊이 1,000~3,000 m 평균토사퇴적속도 2cm/100 년 : 500 만년이상 신생대초기 : 전세계석유 60 % 이상산출 26
이동과정 동식물의유기물이다량축적후매몰 / 가열 기원암 투수성운반층이동 궁극적 ; 노출 / 지표면산화 불투수성암층포획 ; 하부공극층저장 기원암 / 저류암 / 덮개암필요 산출 고생대이후모든지층 신생대지층 60 % 중생대지층 25 % 고생대지층 15 % 27
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석유 / 가스탐사 직접감지기술부족 ; 부존유무시추 / 시험 / 생산 저류암 투수성 ; 사암, 돌로마이트 / 석회암 / 풍화화강암 / 편암 / 파쇄셰일 / 쳐트 / 변성암등 상하부불투수성밀폐층 불투수성덮개암 셰일 / 증발암 치밀한 " 석회암 / 사암 퇴적광상 ; 무기기원 Porfir'ef(1974) 탐사역사 초기 ; 누출상태원유탐사 1859 년드레이크대령 ; 펜실바니아최초지하석유채취 19 세기후반 ; 미국 / 유럽 / 중동아시아, 배사구조대상 20 세기전반 ; 다양한구조탐사대상 1973 년석유파동 ; 해양 / 오일셰일탐사 29
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원유의분별증류 31
화석에너지문제 주요화석에너지의가채년수 (2006) 석탄 : 155 년 천연가스 : 65.1 년 석유 : 40.6 년 석유매장량 ; 중동 / 북부아프리카편중 / 미국 / 소련 중동석유 ; 전세계매장량반이상 석유비축 ; 석유기금 32
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원자력 우라늄핵분열열이용 제2차세계대전중 ; 미 / 영 / 캐나다과학자원자폭탄 세계최초원자로 1954년 : 구소련오브닌스크 1956년 : 영국칼더홀 ( 최초상업용발전소 ) 1957년 : 미국시핑포트 세계 30여개국 430 기발전소운영 ; 발전량약 17% 우리나라 20기원자로가동 국내총전력생산량의 40 % 이상생산 34
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원자력의장단점 단위무게당발생에너지양월등 U235 1g = 석탄 2.7 톤 생산비저렴 핵연료이외사용불가 방사능누출의잠재적위험 핵폐기물처분문제점 36
온실가스배출량 (g) 1200 1000 800 600 400 200 0 991 782 549 57 14 10 8 석탄 석유 천연가스 태양광 풍력 원자력 수력 전력 1kWh 생산시온실가스 (CO2 환산무게 ) 배출량 원자력유연탄중유 LNG 풍력태양광 정산 단가 ( 원 /kwh) 39.40 40.93 116.49 104.92 107.3 677.4 국내발전원별단가 (2007 년기준 ) 37
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태양에너지 (1) 태양열 최대에너지자원 태양총출력의 20 억분의 1 지구도달 ; 전세계에너지소비량 1 만배이상 장점 무공해 / 무소음 / 무한자원 정치적경계무관 단점 기술미축적 / 고비용 대규모에너지원부적절예 ) 100 만 Kw 태양열발전소 ; 8 Km2 집열표면적이용 집열판이용주택난방 / 온수문제해결 태양열전지 발전소 ; 건조기후지역에너지원 39
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(2) 수력 물의순환에너지 무한에너지원 비교적오랜역사 ; 초기수차이용 / 제분기 20 세기초수력발전 전세계강수력총에너지양 잠재에너지 6 % 만개발 전체에너지소모량의 1/3 미국약 1/3 소련약 1/9 아프리카 / 라틴아메리카 / 아시아 ; 60% 보유 /20% 발전예 ) 남아메리카 / 아프리카 ; 석탄자원무 41
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문제 퇴적물로인한저수량점점감소 평균 50~200 년기능상실 환경문제 ; 주변환경에광범위한영향 높은건설비 43
(3) 풍력 / 수온차 / 파력에너지 태양에너지의 46 %; 해양 / 육지 / 대기흡수 바람 / 파도 / 해류의근원 풍력 해상수송 / 농업용이용 풍력발전 ; 대형풍차설치 입지조건 ; 전기없는섬지방 문제점 ; 에너지저장법 / 높은건설비용 고유가 / 고효율 44
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수온차에너지 열대바다 ; 30 m 이상깊이태양열비축 해수면가열 ; 수심에따른수온차급변 온도구배이용 ; 온수기화 / 심해응축 / 터어빈구동 발전가격 ; 석탄이용화력발전 20 배 파력 조석에너지 10 배 대양파력에너지밀도 ; 40~70 kw/1 m2 영국 ; 북대서양해안 500km/ 총에너지일정비율가능 에너지수송 / 큰발전장비 / 선박운행안전문제 46
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지열 지각내부발생열 열원 ; 암석속동위원소의자연붕괴 지하증온율 ; 15~75 /1 Km 지구내부열류량 6.3 10-6cal/cm2/sec 분산 ; 에너지원비활용 증온율높은지역 최근까지화산활동 마그마의천심관입고결 / 고온상태 온천수분출 49
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수소에너지 어떻게수소를얻는가? 51
연료전지 외부로부터의연료를직접전기로변환 연료전지의장점 저공해 고효율 차세대에너지원 시장잠재력크다 52
바이오에너지 인류의전통적인에너지 전세계에너지원의약 14% 직접이용 가공이용 에탄올, 메탄, 바이오디젤 바이오수소생산 열처리, 생물학적처리, 전환처리 우리나라도파푸아뉴기니에진출 53
바이오에너지
전환처리 직접연소를통한발전, 식물가공의폐열활용 열적처리 - 열분해 : 산소가없는상태에서가열, 유용한가스생산 - 목탄생산 : 열분해의부산물로발생 생화학적처리 - 에탄올 : 효모가당을분해하는발효과정에서만들어짐 - 메탄올 : 증류를통해식물등으로부터만들어짐 - 메탄 : 폐기물, 바이오매스의혐기성발효로만들어짐 55
핵융합 2 가지이상의원자핵이충돌로핵반응을일으켜충돌전보다원자번호가큰원소가생성되는현상 D+T n+ He+17.8MeV D+D n+ 3He+3.27MeV D+3He p +4He + 18.4MeV 열핵융합을위해서는 1 억도이상의온도필요 56