AP 환경 과학 · 주제 6
9:13
에너지 자원 및 소비
看看地面上的这个坑。一台机器挖出柔软的棕色煤炭，后方的发电厂当天便将其燃烧发电。现在再看这里：三座高塔矗立在……
영어 내레이션 · 영어 + 중국어 자막 burned-in
지속적 이해 (ENG-3): 인간은 다양한 에너지원을 사용하여 긍정적인 결과와 부정적인 결과를 동시에 얻는다.
학습 목표 ENG-3.A: 비재생 에너지원과 재생 에너지원 사이의 차이점을 식별하시오.
출처: College Board AP Course and Exam Description
재생 가능 자원은 인간 시간尺度에서 자연적으로 회복됩니다(태양, 바람, 물, 바이오매스); 비재생 자원은 고정된 양으로 존재하며 형성되는 데数百万年이 걸립니다(화석 연료, 원자력 연료). 비재생 자원은 결국 고갈되며 대개 더 많은 오염을 유발합니다.
지속적 이해 (ENG-3): 인간은 다양한 에너지원을 사용하여 긍정적인 결과와 부정적인 결과를 동시에 얻는다.
학습 목표 ENG-3.B: 에너지 소비 추세를 설명하십시오.
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글로벌 에너지 사용량은 증가하고 있으며, 특히发展中 국가에서 두드러진다. 여전히 대부분의 에너지는 화석연료에서 나온다. 부유한 국가가 개인당 가장 많은 에너지를 소비하며, 에너지 접근성은 경제 발전에 영향을 미친다.
Sankey 도표는 에너지가 생성원에서 유용한 일로 흐르는 과정과 손실량을 보여준다. 대부분의 원시 에너지는 유용하게 쓰이기 전에 열 형태로 낭비된다.
지속적 이해 (ENG-3): 인간은 다양한 에너지원을 사용하여 긍정적인 결과와 부정적인 결과를 동시에 얻는다.
학습 목표 ENG-3.C: 연료의 유형과 그 용도를 식별하십시오.
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각 연료는 서로 다른 용도에 적합하다: 석탄과 천연가스는 전기 생산에,石油은 수송에, 바이오매스는 여러 지역에서 난방 및 조리에 사용된다. 각 연료는 비용, 가용성, 오염 측면에서 장단점이 있다.
지속적 이해 (ENG-3): 인간은 다양한 에너지원을 사용하여 긍정적인 결과와 부정적인 결과를 동시에 얻는다.
학습 목표 ENG-3.D: 자연 에너지 자원이 어디에 분포하는지 식별하십시오.
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에너지 자원은 고르게 분포되지 않는다—원유는 특정 지역에 집중되고, 석탄은 다른 지역에 있으며, 재생에너지는 지역별 햇빛, 바람 또는 강물에 의존한다. 이러한 불균형한 분포는 무역, 경제, 지정학에 동력을 제공한다.
지속적 이해 (ENG-3): 인간은 다양한 에너지원을 사용하여 긍정적인 결과와 부정적인 결과를 동시에 얻는다.
학습 목표 ENG-3.E: 화석연료의 사용과 발전에서의 방법을 설명하십시오.
학습 목표 ENG-3.F: 화석연료가 환경에 미치는 영향을 설명하십시오.
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화석연료(석탄, 원유, 천연가스)는 고대 생물체로부터 형성되었다.他们是 높은 에너지 밀도와 신뢰성을 갖추었으나 비재생 가능이며 $\text{CO}_2$ 및 대기오염의 주요 원인이다. 석탄이 가장 오염이 심하지만, 천연가스는 더 깨끗하게 연소되며 메탄 누출을 유발할 수 있다.
*개방식 갈색석탄(갈색 석탄) 광산이 뒤쪽 발전소에 연료를 공급하는 모습 — 연료는 땅속에서 채굴되어 현장에서 연소됨
석탄은 단계적으로 형성되며, 그 등급(rank) 은 경험한 열, 압력, 매몰 깊이에 따라 상승한다. 부분적으로 분해된 식물 물질이 먼저 피트(peat) (건조하여 연소 가능)가 되고, 부드럽고 갈색인 갈색석탄, 그리고 비토미누스(bituminous) 석탄, 마지막으로 단단한 **안트라사이트(anthracite)**로 변한다—각 단계마다 건조하고 탄소 함량이 높으며 에너지 밀도가 높아져 안트라사이트가 가장 뜨겁고 깨끗하게 연소된다.
원유와 천연가스는 increasingly 수압 파쇄(hydraulic fracturing, '프래킹') 를 통해 확보된다: 고압 유체를 사암(shale) 암석에 주입하여 균열을 만들어 갇힌 연료를 방출하는 방식이다. 막대한儲量를 개방했으나, 지하수를 오염시킬 수 있으며(메탄 및 화학물질이 식수井에 도달), 대기로 휘발성 유기화합물(VOCs) 을 방출하고 소규모 지진을 유발할 수 있다.
원유는 또한 타르 샌드 – 점토, 모래, 물 및 진한 비투멘의 혼합물 – 에서도 회수될 수 있다. 유분의 분리는 에너지와 물이 많이 소요되며 넓은 면적의 토지를 제거하므로, 원유 배럴당 환경 비용이 높다.
| English | 한국어 |
|---|---|
| renewable resource/rɪˈnjuːəbl rɪˈzɔːs/ | 재생 가능 자원 |
| nonrenewable resource/ˌnɒnrɪˈnjuːəbl rɪˈzɔːs/ | 비재생 가능 자원 |
| fossil fuels/ˈfɒsl ˈfjuːəlz/ | 화석 연료 |
| methane/ˈmiːθeɪn/ | 메탄 |
| lignite/ˈlɪɡnaɪt/ | 갈석탄 |
| peat/piːt/ | 피트(泥炭) |
| bituminous/baɪˈtjuːmɪnəs/ | 연석탄 |
| anthracite/ˈænθrəsaɪt/ | 무연석탄 |
| hydraulic fracturing/haɪˈdrɔːlɪk ˈfræktʃərɪŋ/ | 수압 파쇄 |
| volatile organic compounds/ˈvɒlətaɪl ɔːˈɡænɪk ˈkɒmpaʊndz/ | 휘발성 유기 화합물 |
| tar sands/tɑː sændz/ | 타르 샌드 |
| bitumen/ˈbɪtʃuːmən/ | 비투멘 |
| Nuclear power/ˈnjuːklɪə ˈpaʊə/ | 核能 |
지속적 이해 (ENG-3): 인간은 다양한 에너지원을 사용하여 긍정적인 결과와 부정적인 결과를 동시에 얻는다.
학습 목표 ENG-3.G: 원자력 발전에서의 원자력 사용을 설명하십시오.
학습 목표 ENG-3.H: 원자력 사용이 환경에 미치는 영향을 설명하십시오.
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원자력 발전은 우라늄(분열)을 쪼개어 물을 끓이고 터빈을 구동시킨다. 적은 연료로 많은 에너지를 생산하며 $\text{CO}_2$ 을 발생시키지 않지만, 장기적인 radioactive 폐기물, melt-down 위험, 높은 비용 등의 리스크가 있다.
풀이 예시. radioactive 폐기물은 반감기(half-life) — 전체 양의 절반이 붕괴하는 데 걸리는 시간 — 에 의해 붕괴한다. 어떤 동위 원소의 반감기가 $30$ 년이고 반응기가 $100\ \text{g}$ 의 양을 남겼다고 가정하자. $30$ 년 후 $50\ \text{g}$ 이 남고, $60$ 년 후 $25\ \text{g}$ , $90$ 년 후(반감기 3회) $100\times\left(\tfrac12\right)^3=12.5\ \text{g}$ 이 남는다. 감소 폭이 선형이 아닌 반으로 줄어드는 것이므로, 폐기물은 여러 반감기에 걸쳐 유해하게 남아있고, 이것이 수세기에 걸쳐 안전하게 보관되어야 하는 핵심 이유이다.
*우라늄-235 핵의 원자력 분열이 에너지를 방출함
*원자력 발전소. 반응기 건물에 연료가 들어있고 바다가 냉각수를 공급한다. 연기가 없는 것을 주목하라 — 분열은 $\text{CO}_2$ 을 방출하지 않기 때문이다
| English | 한국어 |
|---|---|
| fission/ˈfɪʃn/ | 분열 |
| waste/weɪst/ | 폐기물 |
| Biomass/ˌbaɪəʊˈmæs/ | 生物质能 |
| Ethanol/ˈeθənɒl/ | 에탄올 |
| energy return on energy investment (EROEI)/ˈenədʒi rɪˈtɜːn ɒn ˈenədʒi ɪnˈvestmənt/ | 에너지 투자 대비 에너지 회수율 (EROEI) |
지속적 이해 (ENG-3): 인간은 다양한 에너지원을 사용하여 긍정적인 결과와 부정적인 결과를 동시에 얻는다.
학습 목표 ENG-3.I: 발전에서의 바이오매스 사용이 환경에 미치는 영향을 설명하십시오.
출처: College Board AP Course and Exam Description
바이오매스(목재, 작물, 폐기물, 에탄올 같은 biofuel)는 재생 가능하며 재식생하면 탄소 중립이 될 수 있으나, 연소는 대기오染을 일으키고, 연료 작물 재배는 식량 및 서식지와 경쟁한다.
에탄올은 옥수수나 사탕수수 같은 작물로 제조되며, 휘발유 대체재가 될 수 있고 연소 시 새로운 탄소를 추가하지 않는다(식물이 자라며 그 $\text{CO}_2$ 을 흡수했기 때문). 단점은 낮은 에너지 투자 대비 수익률(EROEI) 인데, 작물을 재배하고 수확하며 증류하는 데所需 에너지가 최종 연료가 제공하는 에너지와 거의 비슷하기 때문이다.
지속적 이해 (ENG-3): 인간은 다양한 에너지원을 사용하여 긍정적인 결과와 부정적인 결과를 동시에 얻는다.
학습 목표 ENG-3.J: 발전에서의 태양광 에너지 사용을 설명하십시오.
학습 목표 ENG-3.K: 발전에서 태양에너지 사용이 환경에 미치는 영향을 설명하시오.
출처: College Board AP Course and Exam Description
태양광은 햇빛을 전기(태양광 패널) 또는 열로 변환한다. 재생 가능하고 사용 중에는 청정하나, 간헐적이라(밤에는 햇빛 없음), 공간이 필요하며 제조 과정의 영향이 있다.
*태양광 단지. photovoltaic 패널 줄들이 햇빛을 향해 기울어져 있으며, 큰 출력은 넓은 토지 면적을 필요로 한다
| English | 한국어 |
|---|---|
| Solar/ˈsəʊlə/ | 태양광 |
| photovoltaic/ˌfəʊtəʊvəʊlˈteɪɪk/ | 태양광 발전 |
| Hydroelectric/ˌhaɪdrəʊɪˈlektrɪk/ | 수력 발전 |
지속적 이해 (ENG-3): 인간은 다양한 에너지원을 사용하여 긍정적인 결과와 부정적인 결과를 동시에 얻는다.
학습 목표 ENG-3.L: 발전에서의 수력 사용 방법을 설명하시오.
학습 목표 ENG-3.M: 발전에서의 수력 사용이 환경에 미치는 영향을 설명하시오.
출처: College Board AP Course and Exam Description
수력 발전은 흐르는 물(댐)을 이용해 터빈을 돌린다 — 재생 가능하고 저배출이지만, 댐은 서식지를 침수시키고 어류 이동 경로를 차단하며 퇴적을 가두어 사람들을 이주시킨다.
*수력 . 저수지(reservoir) 가 벽 뒤에 가두어진 상태이며, 물이 댐을 통해 떨어지며 하단의 발전소 터빈을 회전시킨다
| English | 한국어 |
|---|---|
| reservoir/ˈrezəvwɑː/ | 저류지(reservoir) |
| dam/dæm/ | 댐(저수지) |
지속적 이해 (ENG-3): 인간은 다양한 에너지원을 사용하여 긍정적인 결과와 부정적인 결과를 동시에 얻는다.
학습 목표 ENG-3.N: 발전에서 지열 에너지의 활용을 설명하시오.
학습 목표 ENG-3.O: 발전에서 지열 에너지 사용의 환경적 영향을 설명하시오.
출처: College Board AP Course and Exam Description
지열은 지구의 내부 열을电能 및 난방에 활용한다. 재생 가능하고 안정적이지만,hot rock이地表 near한 곳(화산 지역)에서만 실용적이며, 지하 가스 배출이 발생할 수 있다.
*아이슬란드의 화산 지역의 지열 발전소.地下의 hot rock에서产生的 증기(steam) 가 배관을 통해 위로 올라와 터빈을 구동한다
| English | 한국어 |
|---|---|
| Geothermal/ˌdʒiːəʊˈθɜːml/ | 지열 |
| Steam/stiːm/ | 증기 |
| hydrogen fuel cell/ˈhaɪdrədʒn ˈfjuːəl sel/ | 수소 연료 전지 |
지속적 이해 (ENG-3): 인간은 다양한 에너지원을 사용하여 긍정적인 결과와 부정적인 결과를 동시에 얻는다.
학습 목표 ENG-3.P: 발전에서 수소 연료전지의 활용을 설명하시오.
학습 목표 ENG-3.Q: 발전에서 수소 연료전지 사용의 환경적 영향을 설명하시오.
출처: College Board AP Course and Exam Description
수소 연료전지는 수소와 산소를 결합하여 전기를 생산하며, 사용 시 물만 배출됩니다. 그러나 수소를 생산하는 데에는 일반적으로 에너지(대부분 화석연료에서)가 필요하고, 저장도 어렵습니다.
지속적 이해 (ENG-3): 인간은 다양한 에너지원을 사용하여 긍정적인 결과와 부정적인 결과를 동시에 얻는다.
학습 목표 ENG-3.R: 발전에서 풍력 에너지의 활용을 설명하시오.
학습 목표 ENG-3.S: 발전에서 풍력 에너지 사용의 환경적 영향을 설명하시오.
출처: College Board AP Course and Exam Description
풍력 터빈은 움직이는 공기를 전기로 변환합니다. 재생 가능하고 청정하며 운영 비용이 낮지만, 간헐적이며 토지 또는 해역이 많이 소요되며 새와 박쥐에게 위험할 수 있습니다. 바람이 강하고 일정하게 부는 곳에서 가장 적합합니다.
| English | 한국어 |
|---|---|
| Wind/wɪnd/ | 바람 |
| wind turbines/wɪnd ˈtɜːbaɪnz/ | 풍력 터빈 |
지속적 이해 (ENG-3): 인간은 다양한 에너지원을 사용하여 긍정적인 결과와 부정적인 결과를 동시에 얻는다.
학습 목표 ENG-3.T: 에너지를 절약하는 방법을 설명하시오.
출처: College Board AP Course and Exam Description
에너지 절약은 효율성(LED 조명, 단열재, 고효율 가전제품, 대중교통)과 행동 개선을 통해 수요를 줄입니다. 에너지를 아끼는 것은 종종 가장 저렴하고 청정한 방법입니다—사용하지 않은 에너지에는 연료가 필요 없고 오염도 발생하지 않습니다.
관련된 효율성 개선으로 복합발전(열전동 병행)이 있습니다: 하나의 연료 연소를 통해 전기와 유용한 열을 동시에 생산하며, 일반 발전소에서 단순히 버려지는 폐열을 회수하므로 연료의 에너지가 더 많은 비율로 유용한 작업에 사용됩니다.
작업 예시. $60\ \text{W}$ 백열전구를 $10\ \text{W}$ LED로 교체하여 동일한 밝기를 얻을 때 $50\ \text{W}$을 절약합니다. 하루 $5$시간 작동하면 하루에 $50\ \text{W}\times5\ \text{h}=250\ \text{Wh}=0.25\ \text{kWh}$, 연간 약 $0.25\times365\approx91\ \text{kWh}$을 절약합니다. 이를 도시의 모든 전구에 적용하면節約 규모는 새로운 발전소에 견주어 뒤떨어지지 않음에도 훨씬 낮은 비용으로 달성됩니다.
| English | 한국어 |
|---|---|
| Energy conservation/ˈenədʒi ˌkɒnsəˈveɪʃn/ | 에너지 보존 |
| cogeneration/ˌkəʊdʒənəˈreɪʃn/ | 열전共生 |
| power station/ˈpaʊə ˈsteɪʃn/ | 발전소 |
| nuclear power station/ˈnjuːklɪə ˈpaʊə ˈsteɪʃn/ | 원자력 발전소 |
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