13장 ~ 재생 불가능한 자원 – 환경 과학 (2023)

주요 개념

이 장을 완료하면 다음을 수행할 수 있습니다.

금속, 화석 연료 및 기타 재생 불가능한 자원의 세계 및 캐나다 생산과 사용을 설명하십시오.
재생 불가능한 자원에 대한 산업화된 경제의 과도한 의존도를 설명하고 이러한 필수 자원 및 에너지 자원이 가까운 미래에도 계속해서 쉽게 이용 가능할지 여부를 예측합니다.
선진국에서 사용할 수 있는 5가지 주요 에너지원에 대해 설명하고 지속 가능한 경제에서 이들의 잠재적인 역할을 설명합니다.

12장에서 언급했듯이 재생 불가능한 자원의 매장량은 환경에서 추출되어 인간 경제에 사용됨에 따라 엄청나게 감소합니다. 재생 불가능한 자원은 양이 한정되어 있고 채굴 후 재고가 재생되지 않기 때문입니다. 여기에서 비축이라는 단어는 특정한 의미가 있습니다. 즉, 환경에서 경제적으로 회수할 수 있는(즉, 이익을 내면서) 물질의 알려진 양을 나타내는 데 사용됩니다.

물론 지속적인 탐사를 통해 이전에 알려지지 않은 재생 불가능한 자원 매장지를 발견할 수 있습니다. 그런 일이 발생하면 알려진 자원 보유량이 증가합니다. 예를 들어, 지난 20년 동안 북부 퀘벡과 래브라도에서 풍부한 니켈과 구리 매장량이 발견되었기 때문에 세계적으로 알려진 니켈과 구리 매장량이 증가했습니다. 그러나 지구상에서 만들어질 수 있는 재생 불가능한 자원의 "새로운" 발견의 수에는 한계가 있습니다.

재생 불가능한 상품의 가치 변화는 경제적으로 회수 가능한 매장량에도 영향을 미칩니다. 예를 들어, 시장에서 금의 가치가 상승하면 멀리 떨어진 곳에서 새로운 주식을 찾고, 낮은 등급의 광석을 채굴하고, 이 귀중한 금속이 소량 포함된 "폐기물" 물질을 재처리하는 것이 이익이 될 수 있습니다. 예를 들어 기술의 향상은 이전에는 비경제적이었던 광석 채굴을 처리하는 데 수익성이 있게 함으로써 동일한 효과를 가질 수 있습니다.

또한 일부 재생 불가능한 자원, 특히 금속의 경제 수명 주기는 재활용을 통해 연장할 수 있습니다. 이 프로세스에는 사용하지 않는 산업 및 가정용 제품을 수집하고 처리하여 금속 및 플라스틱과 같은 재사용 가능한 재료를 회수하는 작업이 포함됩니다. 그러나 재활용에는 열역학적 및 경제적 한계가 있으며 이는 프로세스가 100% 효율적일 수 없음을 의미합니다. 또한 재생 불가능한 자원에 대한 수요는 인구 증가, 산업화 확산 및 관련 1인당 소비와 함께 생활 수준 향상으로 인해 급격히 증가하고 있습니다. 이로 인해 환경에서 추가 수량을 채굴하여 충족해야 하는 재생 불가능에 대한 수요가 가속화되었습니다.

재생 불가능한 자원의 가장 중요한 부류는 금속, 화석 연료, 석고 및 칼륨과 같은 특정 기타 광물입니다. 이러한 중요한 천연 자원의 생산 및 사용은 다음 섹션에서 검토됩니다.

금속은 광범위한 유용한 물리적 및 화학적 특성을 가지고 있습니다. 그들은 순수한 원소 물질, 다양한 금속의 합금(혼합물) 및 비금속을 포함하는 화합물로 사용될 수 있습니다. 금속은 도구, 기계 및 전기 전도성 전선을 제조하는 데 사용됩니다. 건물 및 기타 구조물 건설 그리고 다른 많은 목적을 위해. 산업용으로 가장 많이 사용되는 금속은 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 코발트(Co), 구리(Cu), 철(Fe), 납(Pb), 망간(Mn), 수은(Hg), 니켈( Ni), 주석(Sn), 우라늄(U) 및 아연(Zn). 귀금속 금(Au), 백금(Pt) 및 은(Ag)은 일부 산업 용도(예: 전자 제품의 전도체)가 있지만 주로 미적 이유, 특히 보석 제조에 가치가 있습니다. 보다 일반적인 금속 합금 중 일부는 황동(적어도 50% Cu 및 Zn 포함), 청동(대부분 Cu, Sn 및 때때로 Zn 및 Pb 포함) 및 강철(대부분 Fe이지만 탄소, Cr, Mn, 및/또는 Ni). 금속은 일반적으로 황이나 산소를 포함하는 광물로 환경에서 채굴됩니다. 경제적으로 추출할 수 있는 금속 함유 광물의 퇴적물은 알려진 금속 매장량에 기여합니다. 광석은 순수한 금속을 제조하기 위해 채굴되고 가공되는 다양한 광물입니다. 금속 채굴, 가공, 제조 및 재활용 단계는 그림 13.1에 요약되어 있습니다.

그림 13.1. 금속 채광 및 사용. 이 다이어그램은 금속의 채광, 제조, 사용 및 재사용의 주요 단계와 환경에 대한 폐가스 및 미립자의 관련 배출을 보여줍니다. 전반적으로 다이어그램은 경제 내에서 금속의 수명을 연장하기 위해 약간의 재활용이 있는 흐름 시스템을 나타냅니다. 출처: Freedman(1995)에서 수정.

채광에 의한 광석 추출은 금속을 물질 경제로 가져오는 과정의 초기 단계입니다. 이것은 지표면의 구덩이나 노천광산 또는 지하 킬로미터를 관통할 수 있는 지하 수갱광산에서 수행될 수 있습니다. 공장이라는 산업 시설에서 광석은 거대한 회전 텀블러 내에서 무거운 강철 공이나 막대에 의해 미세한 분말로 분쇄됩니다. 그런 다음 분쇄된 광석은 금속이 풍부한 부분과 광미로 알려진 폐기물로 분리됩니다. 지역 지리에 따라 폐기물 광미는 육지의 격리 구역, 인근 호수 또는 바다에 폐기될 수 있습니다(18장 참조).

금속이 풍부한 분획에 황화물 광물이 포함되어 있으면 다음으로 산소가 있는 상태에서 고온에서 배소하여 제련소에서 농축됩니다. 이것은 기체 상태의 이산화황(SO₂) 금속을 뒤에 남겨두는 동안. 제련소의 정광은 나중에 정제소라는 시설에서 순수한 금속으로 가공됩니다. 그런 다음 순수한 금속은 산업 및 소비자 제품을 제조하는 데 사용됩니다. SO₂다양한 산업 공정에서 사용할 수 있는 황 또는 황산으로 가공되거나 오염 물질로 환경에 배출될 수 있습니다.

제조된 제품의 수명이 다한 후에는 정제 및 제조 공정으로 다시 재활용하거나 매립지로 폐기할 수 있습니다.

고품질 광석은 지질학적으로 흔하지 않습니다. 채굴에 가장 경제적인 퇴적물은 일반적으로 표면에 상당히 가깝게 위치하며 광석은 상대적으로 높은 농도의 금속을 가지고 있습니다. 그러나 임계값은 처리되는 금속의 가치에 따라 다릅니다. 매우 적은 농도의 금과 백금을 함유한 광석은 이러한 금속이 매우 가치가 있기 때문에(단위 중량당) 경제적으로 채굴할 수 있습니다. 반대로 가치가 낮은 알루미늄과 철은 금속이 고농도로 존재하는 더 풍부한 광석으로 채굴되어야 합니다.

산업적으로 중요한 금속의 전 세계 생산량을 보여주는 데이터는 표 13.1에 나와 있습니다. 대부분의 금속의 경우 소비되는 양이 연간 생산량보다 다소 많다는 점에 유의하십시오. 이는 일부 소비가 이전 사용에서 재생된 재활용 재료와 관련됨을 나타냅니다. 또한 1977년 이후 대부분의 금속 생산량이 크게 증가했음을 주목하십시오. 철과 알루미늄은 가장 많이 생산되고 사용되는 금속입니다. 알루미늄의 수명 지수(또는 알려진 매장량을 연간 생산 속도로 나눈 생산 수명)는 약 592년이고 철광석의 경우 58년입니다(표 13.1). 표에 나열된 다른 금속의 수명 지수는 더 낮으며 이는 알려진 매장량이 빠르게 고갈되고 있음을 나타냅니다. 그러나 이러한 알려진 매장량은 새로운 발견, 기술의 변화 및 자원에 대한 보다 유리한 경제성으로 인해 증가한다는 점을 기억하는 것이 중요합니다.

표 13.1. 선택된 금속의 글로벌 생산, 소비 및 매장량. 데이터 출처: 미국 광산국(1977) 및 미국 지질 조사국(2014).

캐나다는 2006년 니켈 세계 생산량의 15%, 알루미늄 9%, 아연 6%를 차지하는 세계 최고의 금속 생산국 중 하나입니다(표 13.1 및 13.2). 대부분의 금속 생산은 수출을 목적으로 합니다. 국내 소비는 모든 금속 생산 가치의 약 39%입니다(표 13.2). 금속 광석 채굴은 2011년 캐나다 GDP에 170억 달러를 기여했으며, GDP의 총 1.3%에 해당하는 추가 활동(탐광 등)을 지원합니다(Statistics Canada, 2014a).

캐나다 금속 매장량의 매장 수명(수명 지수)은 글로벌 가치와 비슷하거나 짧습니다(표 13.2). 캐나다 매장량은 전 세계 우라늄 매장량의 15%, 카드뮴, 니켈, 은, 아연 매장량의 5~10%를 차지합니다.

표 13.2. 캐나다에서 선택된 금속의 매장량, 생산 및 소비, 2012. 보크사이트(알루미늄 광석)는 캐나다에서 채굴되지 않지만 가공을 위해 대량으로 수입된다는 점에 유의하십시오. 데이터 출처: 캐나다 천연 자원부(2014a) 및 미국 지질 조사국(2014).
표 13.3. 2013년 캐나다에서 선별된 금속의 지방 생산. 출처: 캐나다 천연 자원부(2014a).

화석연료에는 석탄, 석유, 천연가스, 오일샌드, 오일셰일 등이 있다. 이러한 물질은 수억 년 전에 살았던 죽은 식물과 다른 유기체의 부분적으로 분해된 바이오매스에서 파생됩니다. 고대 바이오매스는 해양 퇴적물에 파묻히게 되었고 훨씬 후에 깊이 파묻혀 결국 셰일과 사암과 같은 퇴적암으로 암석화되었습니다. 고압, 고온, 저산소 조건 하에서 지질 구조 깊숙한 곳에서 유기 물질은 매우 천천히 탄화수소(탄소와 수소로만 구성된 분자) 및 기타 유기 화합물로 변환되었습니다. 어떤 면에서 화석 연료는 비축된 태양 에너지의 한 형태로 간주될 수 있습니다. 햇빛은 식물에 의해 유기물로 고정된 다음 지질학적으로 저장됩니다.

이미지 13.1. 석유 및 기타 화석 연료는 재생 불가능한 자원이기 때문에 환경에서 추출되면 미래 매장량이 감소합니다. 이것은 Saskatchewan 남동부의 오일 펌프입니다. 출처: B. Freedman.

지질학적 의미에서 화석 연료는 죽은 바이오매스가 높은 압력과 온도에 노출되는 것과 동일한 과정을 통해 오늘날에도 여전히 생산되고 있습니다. 화석 연료의 자연 지질학적 생산이 계속되기 때문에 이러한 물질은 일종의 재생 가능한 자원이라고 주장할 수 있습니다. 그러나 화석 연료가 추출되고 사용되는 속도는 극도로 느린 재생 속도보다 훨씬 빠릅니다. 이러한 상황에서 화석 연료는 재생 불가능한 것으로 간주될 수 밖에 없습니다.

탄화수소는 화석 연료에서 가장 풍부한 화학 물질입니다. 그러나 구조에 황, 질소 및 기타 원소를 포함하는 많은 종류의 유기 화합물이 추가로 존재할 수 있습니다. 특히 석탄은 종종 셰일 및 황철광과 같은 많은 무기 광물로 오염됩니다.

화석 연료의 가장 중요한 용도는 에너지원입니다. 자동차 엔진, 발전소 및 기타 기계에서 연소되어 산업, 운송 및 가정용 작업을 수행하는 데 필요한 에너지를 생산합니다. 화석 연료는 또한 계절적으로 추운 기후를 가진 국가에서 특히 중요한 기능인 실내 공간 난방을 위한 에너지를 생산하는 데 사용됩니다. 또 다른 주요 용도는 거의 모든 플라스틱을 포함한 합성 재료의 제조입니다. 또한 아스팔트 재료는 도로를 건설하고 건물용 지붕 널을 제조하는 데 사용됩니다.

석탄은 화학적 및 물리적 특성이 크게 다를 수 있는 고체 물질입니다. 최고 품질의 석탄은 에너지 밀도(단위 중량당 에너지 함량)가 높은 단단하고 반짝이는 검은색 광물인 무연탄과 역청질입니다. 갈탄은 열악한 등급의 석탄이며 에너지 밀도가 낮은 부드럽고 벗겨지기 쉬운 물질입니다. 석탄은 다양한 방법으로 채굴됩니다. 퇴적물이 지표 가까이에서 발생하면 일반적으로 노천 채광(노천 채굴)에 의해 추출되는데, 여기에는 거대한 삽을 사용하여 석탄 함유 지층을 발굴하고 수집한 다음 거대한 트럭을 사용하여 운반합니다. 더 깊은 석탄 퇴적물은 지하 수로에서 채굴되며, 이 수로는 지하 수 킬로미터를 따라갈 수 있습니다. 북미의 대부분의 석탄은 노천 채굴로 채굴됩니다.

채광 후 석탄을 세척하여 일부 불순물을 제거한 다음 분쇄하여 분말로 만들 수 있습니다. 그런 다음 대부분은 석탄 화력 발전소와 같은 대규모 산업 시설에서 연소되는데, 이는 전 세계 석탄 사용량의 약 절반을 차지하고 캐나다에서는 88%를 차지합니다(캐나다 천연 자원, 2014b). 또한 전 세계 철강의 약 75%가 석탄을 에너지원으로 사용하며, 종종 코크스로 알려진 농축 물질로 제조됩니다. 석탄은 또한 합성 석유를 제조하는 데 사용될 수 있습니다.

석유(원유)는 황, 질소 및 바나듐을 포함하는 유기 화합물과 같은 일부 불순물과 탄화수소의 유체 혼합물입니다. 다른 장소에서 나오는 석유는 흐르기 전에 가열해야 하는 무거운 타르 물질에서 대기 중으로 빠르게 휘발되는 매우 가벼운 액체에 이르기까지 매우 다양합니다. 석유는 액체 광물이 지질학적 압력에 의해 표면으로 밀려나는 드릴 우물을 사용하여 채굴됩니다. 종종 자연압은 펌핑으로 보완됩니다.

앨버타 북부에서 추출되는 오일샌드를 채굴하고 정제하면 역청이라 불리는 무거운 형태의 석유도 생산됩니다. 지표면에 가까운 오일샌드 퇴적물은 거대한 노천 구덩이에서 채굴되는 반면, 더 깊은 물질은 증기로 처리되어 흘러 흐르게 한 다음 뚫린 우물을 사용하여 무거운 액체로 추출됩니다.

일단 추출된 석유는 육로 파이프라인, 트럭, 기차 및 선박을 통해 정제소로 알려진 산업 시설로 운송되며, 여기에서 원유는 다양한 구성 요소로 분리됩니다. 분획은 액체 연료로 사용되거나 플라스틱 및 안료와 같은 많은 유용한 재료로 제조될 수 있습니다. 정제된 부분에는 다음이 포함됩니다.

가솔린으로 알려진 경질 탄화수소 혼합물로 자동차에 연료를 공급하는 데 사용됩니다.
트럭과 기차에서 사용하는 디젤 연료 및 가정 난방 연료와 같은 약간 더 무거운 부분
난방과 요리에 사용되며 항공기 연료로 사용되는 등유
석유 화력 발전소 및 대형 선박의 연료로 사용되는 고밀도 잔류 오일
도로를 포장하고 지붕 제품을 제조하는 데 사용되는 반고체 아스팔트

천연 가스도 드릴 우물을 사용하여 추출됩니다. 천연 가스에서 지배적인 탄화수소는 메탄이지만 에탄, 프로판 및 부탄도 존재하며 종종 황화수소도 존재합니다. 대부분의 천연 가스는 유정에서 멀리 떨어진 시장까지 강철 파이프라인을 통해 운송됩니다. 때로는 운송, 특히 선박에 의해 압력을 받아 액화됩니다. 그러나 캐나다에서는 주로 광범위한 파이프라인 네트워크를 통해 배포됩니다. 천연 가스는 전기 생산, 건물 난방, 음식 조리, 경자동차 동력 및 질소 비료 제조에 사용됩니다.

이미지 13.2. 재생 불가능한 자원에 대한 지속적인 탐색은 새로운 매장량을 발견할 수 있습니다. 그러나 지구는 유한하기 때문에 빠르게 접근하고 있는 이러한 발견에는 한계가 있습니다. 이 거대한 근해 생산 플랫폼은 뉴펀들랜드 앞바다의 그랜드 뱅크스에 하이버니아 석유 매장지를 개발하기 위해 건설되었습니다. 출처: Dosya: Hibernia 플랫폼, Wikipedia Commons;http://tr.wikipedia.org/wiki/Dosya:Hibernia_platform.jpg

생산, 매장량 및 소비

화석 연료의 전 세계 생산량과 매장량은 표 13.4에 나와 있습니다. 1993년에서 2013년 사이에 석유 생산은 29%, 천연 가스는 64%, 석탄은 83% 증가했습니다. 이 모든 연료에 대한 활발한 탐사가 진행 중이며 세계 여러 지역에서 추가 매장량이 발견되고 있습니다. 그러나 화석 연료는 특히 선진국과 빠르게 발전하는 경제에서 매우 빠르게 소비되고 있습니다. 결과적으로 알려진 매장량의 예상 수명은 놀라울 정도로 짧아 석탄의 경우 113년, 천연 가스의 경우 55년, 석유의 경우 58년에 해당합니다.

그러나 진행 중인 탐사가 알려진 매장량에 추가되는 추가 광상을 발견하고 있기 때문에 이 수치를 너무 문자 그대로 해석해서는 안 됩니다. 1993년에는 46년이었지만 20년 후 실제로는 58년으로 늘어났습니다. 물론 이 예상치 못한 결과는 그 20년 동안 이전에 알려지지 않았던 석유 매장량이 발견되었거나 가격 상승으로 한때 비경제적이었던 자원(예: 앨버타의 오일샌드)을 사용할 수 있게 되었기 때문입니다. 그럼에도 불구하고 발견은 지구상에 존재하는 유한한 양에 의해 제한될 것이므로 이러한 재생 불가능한 자원의 비축량이 급속히 고갈되고 있다는 사실이 남아 있습니다.

표 13.4. 화석 연료의 글로벌 생산 및 매장량, 2013년. "증명된" 매장량은 존재하는 것으로 알려진 자원의 총량입니다. 예비 수명은 매장량을 연간 추출 속도로 나눈 값입니다. 출처: British Petroleum(2014) 데이터.
(1) toe = 석유 환산 톤, 이는 모든 화석 연료를 비교할 수 있는 단위로 표시할 수 있게 합니다.
(2) 천연가스의 매장량과 생산량은 1012m3이다.

현재 석유는 많은 산업 및 가정용 에너지원으로 쉽게 사용할 수 있는 휴대용 액체 연료로 쉽게 정제될 수 있기 때문에 세계에서 가장 중요한 화석 연료 자원입니다. 또한 석유는 플라스틱 및 기타 합성 물질을 제조하는 데 사용되는 주요 공급 원료입니다.

세계적으로 확인된 회수 가능한 석유 매장량의 약 46%가 중동에 있습니다(표 13.5). 이 사실은 세계 에너지 경제와 안보에 대한 해당 지역의 전략적 중요성을 강조합니다. 사우디아라비아만 해도 세계 석유 매장량의 16%를 보유하고 있으며, 이라크, 이란, 쿠웨이트가 각각 6~9%를 보유하고 있습니다. 베네수엘라와 캐나다에 대해 언급된 대규모 매장량은 채광 및 정제에 상대적으로 비용이 많이 드는 초중질유 및 오일샌드(각각)와 같은 "비재래식" 석유 공급원에 대한 것입니다. 세계에서 가장 발전된 경제는 유럽, 북미 및 동아시아에 있습니다. 유럽과 아시아 국가들은 소비 수준을 유지하기 위해 중동, 러시아, 베네수엘라로부터의 석유 수입에 크게 의존하고 있습니다. 이것은 한때 북미의 경우이기도 했지만 2010년경 이후로는 훨씬 적었습니다. 왜냐하면 앨버타 북부의 셰일층과 오일샌드의 석유와 관련된 국내 생산량이 크게 증가했기 때문입니다.

총 화석 연료 자원 측면에서 세계 최고의 부존 국가는 러시아와 미국으로, 두 국가 모두 막대한 천연 가스, 석탄 및 석유 매장량을 보유하고 있습니다(표 13.5).

표 13.5. 일부 국가의 화석 연료 매장량. 국가는 2013년 석유 매장량이 감소한 순서대로 나열되어 있습니다. 데이터는 확인된 매장량이며 British Petroleum(2008)에서 가져온 것입니다.

검증된 회수 가능한 캐나다 화석 연료 매장량의 생산 수명은 표 13.6에 나와 있습니다. 그러나 비축량은 새로운 발견, 이전에는 회수할 수 없었던 자원을 경제적으로 실행 가능하게 만드는 기술의 출현, 한때 한계 자원을 활용하여 수익성을 높이는 상품 가격의 상승에 의해 영향을 받는다는 점을 기억하십시오. 캐나다에서는 이것이 최근 오일샌드 자원의 경우였습니다. 캐나다의 석유 자원 역사를 살펴보면 1998년 800만 톤(toe)에서 이듬해 2930만 toe로 재고가 급증한 1999년에 놀라운 도약을 보여줍니다(BP, 2014). 이 265%의 엄청난 증가는 자원 분석가들이 막대한 오일-샌드 자원을 채굴하기 위해 빠르게 발전하는 기술이 경제적으로 실행 가능하고 석유 가치의 상승과 함께 자원 개발에 대한 사례를 뒷받침한다고 확신하게 되었기 때문에 발생했습니다.

캐나다의 대부분의 화석 연료 매장량은 대부분의 생산과 마찬가지로 서부 지방에서 발생합니다(표 13.7). 기존의 석유 외에도 캐나다에는 합성 석유로 업그레이드되는 무거운 역청이 추출되는 막대한 오일샌드 자원이 있습니다(Canadian Focus 13.1 참조). 알버타 북부에는 약 1,400만 헥타르의 오일샌드 매장지가 있으며 현재 개발 중인 지역에서 잠재적으로 약 32억 톤의 합성 오일을 생산할 수 있습니다(BP, 2014).

표 13.6. 2013년 캐나다 화석 연료의 생산, 소비 및 매장량. 소비 백분율은 캐나다 내에서 사용되는 캐나다 생산의 비율을 나타냅니다. 예비 수명은 검증된 매장량을 연간 생산량으로 나눈 값입니다. 출처: British Petroleum(2014) 데이터.
(1) toe = 석유 환산 톤, 이는 모든 화석 연료를 비교할 수 있는 단위로 표시할 수 있게 합니다.
표 13.7. 화석 연료의 지방 생산량, 2012. 데이터가 누락된 경우 생산량은 0이거나 소량이며 보고되지 않았습니다. 출처: 캐나다 통계청 데이터(2014b).

캐나다 천연 가스 생산량의 약 67%는 국내에서 소비되며 나머지는 미국으로 수출됩니다(표 13.6). 마찬가지로 석탄 생산량의 약 55%, 석유의 54%가 국내에서 사용됩니다. 그러나 이러한 국가 데이터에는 몇 가지 중요한 지역적 차이가 숨겨져 있습니다. 특히 서부 캐나다에서 추출된 석유의 상당 부분이 미국으로 수출되지만 이는 동부 지방으로의 상당량의 외국 석유 수입으로 상쇄됩니다. 전반적으로 캐나다는 2013년에 약 1억9300만(106)톤의 석유를 생산했지만 104 x 106톤을 소비하고 163 x 106톤을 수출했으며 153 x 106톤을 수입했습니다(BP, 2014). 2013년 원유의 생산 가치는 450억 달러였으며, 오일샌드 역청 및 합성 석유의 생산 가치는 570억 달러, 천연 가스는 160억 달러였습니다(CAPP, 2014). 석탄은 46억 달러였습니다(NRC, 2014b). 캐나다는 전 세계 천연가스 생산량의 약 5%, 석유의 5%, 석탄의 1%를 생산합니다(BP, 2014). 이는 캐나다에 거주하는 전 세계 인구의 0.5%보다 훨씬 많습니다.

캐나다 포커스 13.1. 앨버타의 오일샌드
오일샌드는 10~12%의 농도로 간질 역청과 함께 모래와 점토의 혼합물로 구성된 화석 연료 자원입니다. (기술적으로 이러한 퇴적물은 역청모래라고 가장 정확하게 지칭되지만 때로는 역청모래라는 경멸적인 용어가 사용되기도 합니다.) 기름모래는 북부 앨버타의 140,000km2 지역에 걸쳐 발생하며 그 정도는 훨씬 적지만 인근 서스캐처원. 베네수엘라에서도 유사한 예금이 발생합니다.
앨버타의 오일샌드 자원은 엄청납니다. 총 매장량은 약 273억 톤의 석유 환산(1,680억 배럴)이지만 2013년 "적극 개발" 중인 자원은 42억 톤이었습니다(British Petroleum, 2014). 이에 비해 사우디아라비아의 세계 최대 재래식 석유 매장량은 약 365억 톤이다.
2012년 앨버타에서 원유 역청과 합성 석유의 생산량은 8,980만 톤으로 주 전체 석유 생산량의 76%, 캐나다 전체 생산량의 58%에 해당합니다(Statistics Canada, 2014c). 석유의 약 2/3는 일반적으로 가솔린 및 기타 액체 연료로 정제되고 나머지는 도로를 건설하고 지붕 제품을 제조하기 위한 아스팔트로 사용됩니다.
오일샌드 자원 개발은 1960년대 후반 첫 활동이 시작된 이후 빠르게 진행되었습니다. 1996년에서 2013년 사이에 신규 및 진행 중인 프로젝트에 총 3,760억 달러가 투자되었으며, 2013년에만 590억 달러가 투자되었습니다(CAPP, 2014). 2013년에는 13개의 오일샌드 추출 프로젝트가 있었습니다. 개발 속도가 빠르게 계속된다고 가정할 때, 특히 원유 가격이 높은 상태를 유지한다면(대부분의 오일샌드 작업은 경제적으로 이익을 얻으려면 배럴당 약 $80의 판매 포인트가 필요합니다.) 생존 가능한). 열광적인 개발의 대부분은 1960년대에 마을에서 2014년에 약 72,000명으로 빠르게 성장한 Fort McMurray 근처에서 일어나고 있습니다.
표면 근처(깊이 약 75m 미만)에서 발생하는 오일샌드 퇴적물은 거대한 삽을 사용하여 열린 구덩이(노천 채굴)에서 채굴되며, 트럭과 함께 세계에서 가장 큰 기계입니다. 미가공 오일샌드는 열과 증기를 사용하여 처리되어 점성이 있는 역청을 생성합니다(실온 일관성은 당밀과 유사함). 역청은 경질 탄화수소 유체로 개질되어 점성을 줄여 파이프라인에서 흐르고 운반될 수 있습니다. 채굴된 오일샌드의 일반적인 산출량은 15t의 원료에서 합성 석유 약 1t입니다. 존재하는 역청의 약 75-90%가 추출 공정에 의해 회수됩니다. 나머지는 막대한 양의 광미(가공된 모래 및 점토)와 함께 거대한 채석장으로 다시 채워집니다. 뒤채움 지역이 채워지면 윤곽을 잡고 이전에 비축된 과부재(자갈, 모래, 점토 및 머스케그의 유기물 찌꺼기)로 윗옷을 입히고 목초지나 숲으로 토지 사용을 복원하기 위해 심을 것입니다. 업계는 최소한 기존 생태계의 생산성 수준으로 채굴 사이트를 복구해야 합니다. 궁극적으로 전체 오일샌드 자원의 약 20%는 노천 채굴로 추출할 수 있을 만큼 충분히 지표면에 가깝습니다. 그러나 이 방법이 가장 먼저 개발되었기 때문에 최근 오일샌드 역청 생산량의 약 3분의 2가 노천광산에서 나온다.
오일샌드 역청 생산의 나머지 1/3은 75m보다 깊은 퇴적물의 현장("제자리") 추출에서 나옵니다. 이것은 퇴적물에 증기를 주입한 다음 추가 처리를 위해 액화된 역청을 표면으로 펌핑하는 것과 같은 다양한 방법으로 수행됩니다. 대체 추출 방법에는 주입된 용매를 사용하여 역청을 유동성으로 만들어 표면으로 펌핑할 수 있도록 하는 방법이 있습니다. 오일샌드 매장량의 약 80%는 현장 기술로 잠재적으로 회수할 수 있으며 노천 채광에 비해 지표 환경의 교란이 훨씬 적습니다.
이미지 13.3. 앨버타 북부의 역청 모래 추출을 위한 노천 광산의 모습. 출처: B. Freedman.
오일샌드 채굴 및 처리는 거대한 산업 시설에서 발생하는 에너지 집약적 활동입니다. 기계 및 처리 시설을 가동하는 데 필요한 에너지는 화석 연료, 특히 천연 가스를 연소하여 얻으므로 산업은 온실 가스의 주요 배출원입니다. 오일샌드 산업은 에너지 사용량과 CO2 배출량을 줄이기 위해 개선된 기술에 대한 주요 투자에 자발적으로 참여했습니다(Canadian Focus 17.1 참조). 그들이 생산하는 역청 및 합성 톤. 그럼에도 불구하고 북부 앨버타에서 오일샌드 작업의 규모가 급속히 증가하고 있기 때문에 총 배출량이 크게 증가할 것입니다. 사실, 오일샌드 산업의 성장은 지난 10년 동안 캐나다의 온실 가스 배출량 증가의 대부분을 담당했습니다.
오일샌드의 채광 및 처리에는 추가적인 중요한 환경적 영향이 있습니다. 여기에는 대기, 지하수 및 지표수의 오염이 포함됩니다. 자연 서식지의 광범위한 파괴; 농촌 및 원주민 지역 사회의 사회 경제적 혼란. 그러나 더 큰 맥락에서 이러한 피해는 화석 연료 자원을 빠른 속도(그리고 지속 불가능한 속도)로 채굴, 판매 및 사용하려는 캐나다 사회, 정치인 및 기업 이익의 명백한 열의의 불가피한 결과로 보아야 합니다. . 이것은 캐나다의 국내 및 수출 경제에 대한 이러한 활동의 인식된 중요성 때문에 발생합니다.

캐나다에서 대량으로 채굴되는 기타 물질로는 석면, 다이아몬드, 석고, 석회석, 탄산칼륨, 소금, 유황, 골재 및 토탄이 있습니다. 다이아몬드를 제외하고 이러한 재료는 금속 및 화석 연료보다 상품 가치(톤당 가치)가 낮습니다. 이러한 물질의 전 세계적 또는 캐나다적 부족은 임박하지 않습니다. 이러한 종류의 광물 채굴은 2011년 캐나다 GDP에 110억 달러를 기여했습니다(Statistics Canada, 2014a).

석면내화 단열재, 시멘트 첨가제, 브레이크 라이닝 및 기타 여러 제품을 제조하는 데 사용되는 거친 섬유질의 불연성 실리케이트 광물 그룹을 말합니다. 그러나 특정 종류의 석면 광물은 인체 건강 문제, 특히 폐 질환과 관련이 있습니다. 이러한 위험으로 인해 이 유용한 광물에 대한 시장이 크게 축소되었습니다. 2010년까지만 해도 약 18만 톤의 석면이 퀘벡에서 채굴되었지만 마지막 두 개의 광산은 2011년에 폐쇄되었습니다(NRC, 2014a).

다이아 패 한 벌1990년대까지는 최초의 주요 발견이 없었기 때문에 캐나다의 광산 현장에서는 상대적으로 새로운 것입니다. 2013년에는 약 1,060만 캐럿의 다이아몬드가 채굴되었으며 가치는 20억 달러였습니다. 거의 모든 채광은 Northwest Territories에서 이루어지며, 일부는 온타리오에서도, Canadian Shield의 다른 곳에서는 탐사가 이루어집니다.

석고, 황산칼슘으로 구성된 광물은 건설 산업용 석고 및 벽판을 제조하는 데 사용됩니다. 2013년에는 약 270만 톤의 석고가 채굴되었으며 가치는 3,800만 달러였습니다. 모든 석고 채굴은 Nova Scotia에서 이루어집니다.

석회암탄산칼슘으로 이루어진 암석이다. 시멘트를 제조하는 데 사용되며 석고를 만들기 위한 석회도 사용됩니다. 또한 일부 석회암과 대리석으로 알려진 관련 변성암은 건축용 돌과 외장재로 사용하기 위해 채석됩니다. 2013년에 약 1,800만 톤의 석회석이 채굴되었습니다. 16억 달러 가치의 시멘트 1,180만 톤을 만드는 데 사용되었습니다. 또 다른 180만 톤의 석회가 제조되었으며 가치는 3억 600만 달러였습니다. 온타리오, 퀘벡, 브리티시 컬럼비아는 가장 큰 시멘트 산업을 가지고 있으며 온타리오는 가장 큰 석회 제조 능력을 가지고 있습니다.

칼륨광물인 칼륨 장석으로 형성된 암석으로, 칼륨 함유 비료를 제조하기 위해 채굴된다. 약 1,010만 톤의 칼륨(K₂O)는 2013년에 61억 달러의 가치로 채굴되었습니다. 칼륨은 Saskatchewan과 New Brunswick에서 채굴됩니다.

소금, 또는 염화나트륨은 화학 제조 산업, 제빙 도로, "테이블 소금", 식품 첨가물 및 향료로 사용됩니다. 2013년에는 약 1,240만 톤의 소금이 채굴되었으며 가치는 6억 4,500만 달러였습니다. 가장 큰 소금 광산은 온타리오, 앨버타, 서스캐처원, 노바스코샤에 있습니다.

황사워 가스 우물(H가 풍부한 가스 우물)에서 얻은 황화수소로 제조됩니다.₂S), 오염 제어 스크러버에서(SO용)₂) 금속 제련소 및 천연(또는 원소) 황 침전물에서. 유황은 화학 제조 산업과 비료 제조에 사용됩니다. 2013년에는 약 640만 톤의 유황이 생산되었으며 가치는 5억 1,700만 달러였습니다. 유황 생산량의 약 90%는 Alberta와 Saskatchewan의 사워 가스정에서 얻습니다.

집계모래, 자갈 및 도로 건설에 사용하기 위해 그리고 건설 산업에서 콘크리트 충전제로 채광되는 기타 재료를 포함합니다. 골재는 톤당 가치가 상대적으로 낮은 저급 자원입니다. 그러나 이러한 자재는 대도시와 가까운 곳에서 소량만 구할 수 있어 지역적으로 부족할 수 있습니다. 2013년에는 약 2억 2800만 톤이 채석되었으며 가치는 17억 5000만 달러였습니다. 이러한 재료는 지역 건설 활동과 어느 정도 관련이 있는 비율로 모든 주 및 테리토리에서 채굴됩니다.

이탄수백에서 수천 년 된 죽은 식물 바이오매스에서 발달한 아화석 물질입니다. 늪지 습지에 축적되어 부분적으로 분해(또는 가습)됩니다. 이탄은 때때로 아일랜드, 북유럽 일부 및 러시아에서 중요한 용도인 에너지원으로 건조 및 연소됩니다. 그러나 캐나다에서는 토탄을 채광하여 원예 재료로 사용하고 기저귀 및 생리대와 같은 흡수성 위생 제품을 생산합니다. 2013년에는 약 130만 톤의 토탄이 채굴되었으며 가치는 2억 6,300만 달러였습니다. 대부분의 토탄 채광은 뉴브런즈윅과 퀘벡에서 이루어집니다.

모든 경제에서 상업, 산업 및 가정용으로 비교적 저렴하고 접근 가능한 에너지원에 쉽게 접근할 수 있는 것이 중요합니다. 많은 양의 에너지를 사용하는 것은 특히 캐나다와 같은 선진국의 특징입니다. 이전에 검토한 바와 같이 상대적으로 부유한 선진국은 빈곤하고 저개발국보다 (1인당 기준으로) 훨씬 더 많은 에너지를 사용합니다.

사람들은 불의 달인이 된 이후로 음식을 요리하고 보온하는 생계 목적으로 연료를 사용했습니다. 처음에는 지역에서 수집한 목재 및 기타 식물 바이오매스가 이러한 목적에 사용되는 연료였습니다. 불이 처음으로 길들여졌을 때 아마도 100만 명만이 살아 있었고 그들의 1인당 에너지 사용량은 적었습니다. 결과적으로, 바이오매스 연료는 수확되는 속도가 초목에 의해 생성되는 새로운 바이오매스의 속도보다 훨씬 작기 때문에 재생 가능한 에너지원이었습니다.

그러나 현대에는 불이 처음 사용되었을 때보다 인구가 훨씬 더 많습니다. 더욱이 현재 많은 국가에서 1인당 에너지 사용량이 매우 높은 고도로 산업화된 경제를 보유하고 있습니다. 인구 증가와 1인당 에너지 사용 증가의 결합은 선진국에서 엄청난 양의 에너지가 사용됨을 의미합니다. 에너지는 산업 공정에 연료를 공급하고, 기계를 제조 및 가동하고, 겨울에는 따뜻하게, 여름에는 시원하게 유지하고, 음식을 준비하는 데 필요합니다.

대부분의 산업용 에너지 공급은 재생 불가능한 자원을 기반으로 하지만 일부 재생 가능한 자원도 중요할 수 있습니다. 포괄성을 위해 비재생 에너지원과 재생 에너지원 모두 이 섹션에서 함께 논의됩니다.

에너지 원

세계의 주요 산업 에너지원은 화석 연료와 핵 연료이며 둘 다 재생 불가능합니다. 흐르는 물의 재생 가능 에너지를 사용하여 생성되는 수력 발전은 캐나다 대부분을 포함한 일부 지역에서도 중요합니다. 종종 "대체 에너지원"이라고 불리는 상대적으로 미미한 에너지원에는 바이오매스 연료, 지열, 태양열, 풍력 및 파도가 포함되며 모두 잠재적으로 재생 가능합니다.

위의 모든 소스를 활용하여 운동의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기를 회전시키는 터빈을 구동할 수 있습니다. 태양 에너지는 또한 광전지 기술을 통해 보다 직접적으로 전기를 생성할 수 있습니다(아래 참조). 전기는 산업 사회에서 사용되는 가장 중요한 에너지 중 하나이며 송전선 네트워크를 통해 산업 및 가정에 광범위하게 분배됩니다. 다음 섹션에서는 이러한 다양한 에너지원이 어떻게 사용되는지 간략하게 설명합니다.

이미지 13.4. 핵연료를 사용하거나 석탄, 석유 또는 천연 가스를 연소하여 생성된 전기는 재생 불가능한 에너지원을 사용합니다. 이것은 Huron 호수를 배경으로 온타리오에 있는 Bruce 원자력 발전소의 항공 사진입니다. 출처: Chuck Szmurlo, Wikimedia Commons,http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bruce-Nuclear-Szmurlo.jpg

화석 연료

석탄, 천연 가스, 석유 및 이들의 정제된 제품은 발전소에서 연소될 수 있으며, 여기서 연료의 위치 에너지를 활용하여 전기를 생성합니다. 화석 연료는 또한 기계에 직접 동력을 공급할 수 있으며, 특히 휘발유, 디젤, 액화 천연 가스 및 기타 "휴대용" 연료가 자동차, 트럭, 비행기, 기차 및 선박에 사용되는 운송 분야에서 그러합니다. 화석 연료는 또한 많은 가정과 더 큰 건물의 용광로에서 연소되어 일년 중 추운 시기에 따뜻함을 제공합니다. 화석 연료를 태우면 온실 가스, 이산화황 및 기타 오염 물질이 대기로 배출되는 등 많은 환경적 단점이 있습니다.

핵연료

핵연료는 중원소인 우라늄과 플루토늄의 불안정한 동위원소를 포함하고 있다.²³⁵유와²³⁹각각 푸). 이들은 핵분열이라고 알려진 과정을 통해 붕괴될 수 있는데, 핵분열은 핵당 2-3개의 중성자와 막대한 양의 에너지를 방출하면서 더 가벼운 원소를 생성합니다. 방출된 중성자는 다른 원자에 의해 흡수될 수 있습니다.²³⁵유 또는²³⁹Pu는 그것들을 또한 불안정하게 만들고 연쇄 반응으로 알려진 과정에서 핵분열을 겪게 합니다. 제어되지 않은 연쇄 반응은 파괴적인 핵폭발을 초래할 수 있습니다. 그러나 원자로에서는 중성자의 플럭스가 세심하게 조절되어 전기를 안전하고 지속적으로 생산할 수 있습니다.

핵 반응은 원자가 내부 구조를 변경하지 않고 다른 화합물로 재결합하는 화학 반응과 근본적으로 다릅니다. 핵분열에서는 원자 구조가 근본적으로 바뀌고 소량의 물질이 엄청난 양의 에너지로 변환됩니다.

핵분열에 의해 방출되는 대부분의 에너지는 열로 방출됩니다. 원자력 발전소에서 열의 일부는 물을 끓이는 데 사용됩니다. 생성된 증기는 전기를 생성하는 터빈을 구동합니다. 대부분의 원자력 발전소는 대규모 도시 지역에서 산업 및 주거용 전기를 생산하는 거대한 상업용 원자로입니다(그림 13.4). 더 작은 원자로는 때때로 군함과 잠수함에 동력을 공급하거나 연구용으로 사용됩니다. 235U는 캐나다에서 개발되어 사용되는 CANDU 시스템과 같은 기존 원자로에서 사용되는 연료입니다.²³⁵U는 세계 여러 곳에서 채굴되는 우라늄 광석에서 얻습니다. (캐나다는 우라늄 채굴의 주요 업체이며 대부분 수출됩니다. 표 13.2 참조) 광석을 정제하여 생산되는 우라늄은 일반적으로 약 99.3%의 비분열성으로 구성됩니다.²³⁸U 및 단 0.7% 235U. 대부분의 상업용 원자로는 원자로를 풍부하게 하기 위해 더 정제된 연료를 필요로 합니다.²³⁵U 농도를 약 3%로. 그러나 캐나다에서 설계한 CANDU 원자로는 비농축 우라늄을 연료로 사용할 수 있습니다.

대부분 방사성(라돈 가스 등)이기도 한 다양한 원소가 핵분열 반응 중에 생성됩니다. 이 중 하나,²³⁹Pu는 또한 발전소에서 핵연료의 구성 요소로 사용될 수 있습니다. 얻기 위해²³⁹이를 위해 (또는 핵무기 제조에 사용하기 위해) Pu는 원자력 발전소에서 나온 사용후핵연료를 재처리합니다. 기타 초우라늄 원소 및 나머지²³⁵U (비분열성²³⁸U)는 또한 회수되어 원자로용 새 연료를 제조하는 데 사용될 수 있습니다.

소위 고속증식로(Fast Breeder Reactor)는 생산을 최적화하도록 설계되었습니다.²³⁹Pu(원자가²³⁸U는 중성자를 흡수하여 생성합니다.²³⁹U, 그런 다음 형성²³⁹2개의 베타 전자 방출에 의한 Pu). 고속 증식로가 시연되었지만 상업적으로 개발되지는 않았습니다. 증식로는 (플루토늄 생산을 통해) "새로운" 핵연료를 생산하므로 우라늄 자원의 사용을 최적화하는 데 도움이 됩니다. 그러나, 원래의 수량으로 인해 프로세스에 제한이 있습니다.²³⁸U는 결국 고갈됩니다. 따라서 둘 다²³⁵유와²³⁹Pu는 재생 불가능한 자원으로 간주되어야 합니다.

많은 중요한 환경 문제가 원자력과 관련되어 있습니다. 여기에는 (1986년 우크라이나의 체르노빌 원자로에서 발생한 것처럼) 많은 양의 방사성 물질이 환경으로 방출될 수 있는 원자로 노심의 용융과 같은 치명적인 사고의 작지만 실제적인 가능성이 포함됩니다. 핵 반응은 또한 매우 독성이 강하고 수명이 긴 방사성 부산물(예: 플루토늄)을 생성하므로 매우 오랜 기간(최대 수만 년) 동안 안전하게 관리해야 합니다. 이러한 "고준위" 폐기물의 엄청난 양은 캐나다와 원자력을 사용하는 다른 국가에 비축되어 있지만 지금까지 장기적인 관리 문제에 대한 영구적인 해결책은 없습니다. 또 다른 문제는 우라늄 광산, 원자력 발전소의 구조적 요소 및 기타 소스와 관련된 "저준위" 폐기물에서 유독성 라돈 가스 및 방사능 방출입니다.

핵융합은 또 다른 종류의 에너지 생성 핵 반응입니다. 이 과정은 매우 높은 온도(수백만 도) 및 압력 조건에서 가벼운 핵이 강제로 결합하여 막대한 에너지를 방출할 때 발생합니다. 융합은 일반적으로 수소 동위 원소의 결합을 포함합니다. 하나의 일반적인 핵융합 반응에는 두 개의 양성자(두 개의 수소 핵,¹H) 융합하여 중수소 핵(양성자 1개와 중성자 1개로 구성됨),²H), 동시에 베타 전자와 매우 많은 양의 에너지를 방출합니다.

핵융합 반응은 태양과 다른 별의 내부에서 자연적으로 발생하며, 소위 수소 폭탄에서 발생하는 핵분열 핵폭발에 의해 생성되는 막대한 열과 압력에 수소를 노출시킴으로써 시작될 수도 있습니다. 그러나 원자력 기술자들은 경제 시스템에서 전기를 생성하는 데 필요한 정도로 핵융합 반응을 제어할 수 있는 시스템을 아직 설계하지 않았습니다. 이 기술이 개발된다면 산업 사회에 막대한 이익이 될 것입니다. 핵융합로용 수소 연료를 거의 무제한으로 바다에서 추출할 수 있으며, 이는 본질적으로 에너지 공급에 대한 제약을 제거할 수 있음을 의미합니다. 그러나 지금까지 제어된 핵융합 반응은 공상과학소설의 소재로 남아 있습니다.

수력 에너지

수력 에너지는 흐르는 물의 운동 에너지를 활용하여 전기를 생성하는 터빈을 구동하는 것입니다. 흐르는 물의 에너지는 수문 순환을 통해 자연스럽게 발전하기 때문에 수력 전기는 재생 가능한 에너지원입니다. 수력 발전에는 두 가지 종류의 기술이 있습니다.

Run-of-the-river 수력 발전은 대규모 상류 저장 저수지를 개발하지 않고 수로의 자연 흐름을 활용하는 것입니다. 결과적으로 이 전력 생산은 강의 흐름의 자연적 패턴에 의존하며 매우 계절적입니다.
저수지에서 생성된 수력 발전은 호수와 같은 수역에 막대한 양의 물을 저장하기 위해 강에 댐을 건설하는 것을 포함합니다. 저수지는 계절에 따라 높은 흐름의 일부를 축적하므로 전기 생산이 일년 내내 비교적 안정적으로 발생할 수 있습니다. 브리티시 컬럼비아, 래브라도, 매니토바, 퀘벡과 같은 캐나다의 여러 지역에서 이전에 숲과 습지로 덮여 있던 광범위한 토지를 범람시켜 일부 거대한 저수지가 개발되었습니다.

캐나다 최대의 수력 발전 시설은 5,429MW 용량의 Labrador 처칠 폭포, 5,328MW 용량의 북부 퀘벡 La Grande-2, G.M. 브리티시 컬럼비아의 Shrum은 2,730MW, 퀘벡의 La Grande 4 및 3은 각각 2,651 및 2,304MW입니다. 이 모든 시설에는 물을 저장할 수 있는 큰 저수지가 있습니다. 수력 에너지는 재생 가능하지만 이 기술의 사용과 관련된 중요한 환경적 영향이 있습니다. 강의 물 흐름의 양과 시기의 변화는 저수지가 개발될 때 발생하는 광범위한 범람과 마찬가지로 중요한 생태 피해를 초래합니다(20장 참조).

이미지 13.5. 수력 전기는 재생 가능한 에너지원입니다. 이 시설은 전기를 생성하기 위해 나이아가라 강 흐름의 일부를 이용합니다. 출처: B. Freedman.

태양 에너지

태양 에너지는 낮 동안 지속적으로 사용할 수 있으며 재생 가능한 에너지원으로 다양한 방법으로 활용할 수 있습니다. 예를 들어, 식물이 자라면서 저장하므로 바이오매스를 수확하고 연소하여 잠재 에너지를 방출할 수 있습니다(아래 바이오매스 에너지 참조).

태양 에너지는 유리로 둘러싸인 공간에 갇힐 수도 있습니다. 이것은 유리가 햇빛의 가시 파장에 투명하지만 대부분의 적외선에는 투명하지 않기 때문에 발생합니다. 이를 통해 수동 태양열 또는 "온실" 설계를 사용하여 건물을 가열할 수 있습니다. 태양 에너지는 흡수율이 높은 검은색 표면을 사용하여 밀폐된 물이나 다른 유체를 가열한 다음 파이프를 통해 분배되어 건물 내부를 따뜻하게 할 수 있습니다.

태양 에너지는 또한 전자기 에너지를 전기로 직접 변환하는 광전지 기술(태양 전지)을 사용하여 전기를 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 또 다른 기술에서는 매우 반사율이 높은 대형 포물면 거울을 사용하여 물이나 다른 유체가 들어 있는 밀폐된 공간에 햇빛을 집중시켜 가열하고 터빈을 구동하여 전기를 생성하는 데 사용되는 증기를 생성합니다.

지열 에너지

지열 에너지는 마그마가 상대적으로 지표면에서 발생하고 지하수를 가열하는 극소수의 장소에서 이용할 수 있습니다. 끓는 뜨거운 물은 표면으로 파이프를 통해 전달될 수 있으며, 여기서 그 열은 건물을 따뜻하게 하거나 전기를 생성하는 데 사용됩니다. 또한 거의 모든 곳에 존재하는 약간 데워진 지열수의 적은 에너지 함량은 열 펌프 기술을 사용하여 접근할 수 있으며 공간 난방에 사용하거나 제조 공정에 온수를 제공하는 데 사용할 수 있습니다. 지열 에너지는 지반 내에서 가열할 수 있는 지하수의 공급이 과도한 양수로 인해 고갈되지 않는 한 재생 가능한 에너지원입니다.

풍력 에너지

움직이는 기단의 운동 에너지 또는 풍력 에너지는 다양한 방법으로 활용할 수 있습니다. 범선은 바람 에너지를 사용하여 물을 통과하고 풍차는 지표면에서 사용하기 위해 지하수를 들어 올리는 데 동력을 공급하는 데 사용될 수 있으며 풍력 터빈은 전기를 생성하도록 설계되었습니다. 고효율 풍력 구동 터빈 어레이로 구성된 광범위한 풍력 발전소는 세계 여러 지역의 지속적으로 바람이 부는 곳에서 전기를 생산하기 위해 건설되었습니다. 2014년에 캐나다는 8,517MW의 풍력 발전 시설을 설치했으며 그 중 24개는 100MW 이상의 용량을 가졌습니다(Canadian Wind Energy Association, 2014). 가장 큰 풍력 발전소는 Seigneurie de Beaupré(QC, 272MW), Gros-Morne(QC, 212MW), Amaranth(ON, 200MW) 및 Wolfe Island(197MW)입니다.

이미지 13.6. 바람은 캐나다에서 상업용 에너지원으로 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이 풍력 터빈은 온타리오 남서부의 Tilbury 근처에서 운영되고 있습니다. 출처: B. Freedman.

조력 에너지

조석 주기는 지구와 달 사이의 중력 때문에 발생합니다. 몇몇 해안 지역에서는 조수 흐름의 운동 에너지인 조력 에너지를 이용하여 터빈을 구동하고 전기를 생성할 수 있습니다. 캐나다 동부의 펀디만(Bay of Fundy)은 만의 머리 부분에서 16m를 초과할 수 있는 엄청난 조수를 가지고 있습니다. 중간 규모(20MW) 조력 발전 시설이 Nova Scotia의 Annapolis Royal에서 개발되었습니다. 펀디만(Bay of Fundy) 내에는 훨씬 더 많은 조력 발전 가능성이 있으며, 여러 곳에 추가 시설을 설치하기 위한 기술 연구가 진행 중입니다. 새로운 설치는 바닥에 놓이거나 물기둥에 매달린 조력 터빈을 사용하여 댐과 관련된 환경 피해를 방지합니다.

파력 에너지

바다 표면의 파도는 운동 에너지의 또 다른 표현입니다. 파도 에너지는 위아래로 흔들리면서 전기를 생성하는 특수 설계된 부표를 사용하여 이용할 수 있지만 이 기술은 아직 상업적 규모로 개발되지 않았습니다.

바이오매스 에너지

나무 및 기타 식물의 바이오매스는 화학적 위치 에너지를 포함합니다. 이 바이오매스 에너지는 사실 광합성을 통해 고정된 태양 에너지입니다. 습지에서 채굴되는 토탄은 일종의 아화석 바이오매스입니다.

탄화수소 연료와 마찬가지로 바이오매스는 산업 목적을 위한 열 에너지를 제공하고 주택 및 대형 건물 난방을 위해 연소될 수 있습니다. 바이오매스는 또한 산업 규모의 발전소에서 연소될 수 있으며, 일반적으로 전기를 생성하는 터빈을 구동하는 데 사용될 수 있는 증기를 생성합니다. 바이오매스는 또한 메탄올을 제조하는 데 사용될 수 있으며, 이는 차량 및 기타 목적에서 액체 연료로 사용될 수 있습니다.

바이오매스가 수확되는 생태계가 식생의 수확 후 재생을 허용하도록 관리된다면 이 에너지원은 재생 가능한 자원으로 간주될 수 있습니다. 그러나 이탄은 늪지와 기타 습지에 축적되는 느린 속도보다 항상 더 빨리 채굴되므로 재생 가능한 바이오매스 에너지원이 아닙니다.

에너지 소비

에너지 소비는 국가마다 크게 다르며, 주로 인구 차이와 개발 및 산업화 정도에 따라 다릅니다(표 13.8). 일반적으로 저개발 국가에서 1인당 1차 에너지(전기를 생산하는 데 사용되는 재생 가능 에너지를 포함하여 상업적으로 거래되는 연료를 의미함)의 사용은 연간 1인당 약 1토 미만입니다. 그러나 저개발국에서는 목재, 숯, 건조 동물 거름, 코코넛 껍질과 같은 식품 가공 잔류물과 같이 생계 및 지역 상업을 목적으로 비상업적 또는 "전통적인" 연료를 상대적으로 더 많이 사용합니다. 및 버개스(사탕수수 압착 찌꺼기). 전통적인 연료의 사용은 표 13.8의 데이터에 반영되어 있지 않습니다.

급속도로 발전하고 있는 국가들은 1인당 에너지 소비량은 중간 수준이나 산업화로 인해 에너지 사용량이 급증하고 있다. 예를 들어 말레이시아에서는 1993년에서 2013년 사이에 1차 에너지의 국가 소비가 167% 증가한 반면 한국에서는 118%, 중국에서는 270%, 인도에서는 189%, 브라질에서는 103% 증가했습니다. 이에 비해 캐나다는 17%, 미국은 11% 증가했습니다(WRI, 2014). 이들 국가와 기타 빠르게 개발 중인 국가에서 에너지 사용이 증가하는 동안 기존 연료에 대한 의존도는 낮아졌습니다. 이것은 전통적인 연료가 상대적으로 부피가 크고 연기가 나며 전기나 화석 연료보다 사용하기가 덜 편리하기 때문에 발생합니다. 특히 인구가 점점 더 많아지는 도시 환경에서 그렇습니다. 또한 목재, 목탄 및 기타 전통 연료의 공급은 대부분의 급속하게 개발 중인 국가, 특히 도시 지역 근처에서 심각하게 고갈되었습니다.

상대적으로 선진국은 1인당 에너지 소비량이 높습니다(표 13.8). 그들의 에너지 사용은 일반적으로 사람당 3 toe 이상이며 거의 전적으로 전기와 화석 연료를 포함합니다. 1인당 기준으로 세계에서 가장 에너지 집약적인 경제는 캐나다와 미국(각각 9.38 toe 및 7.13 toe/person)으로 1인당 에너지 사용량의 40-50배 이상입니다. 세계 최빈국 경제에서.

표 13.8. 2013년 일부 국가의 1차 에너지 소비. 1차 에너지는 전기 생산에 사용되는 재생 에너지를 포함하여 상업적으로 거래되는 연료를 의미합니다. 국가 에너지 소비량은 대부분 국가의 경제 규모와 인구를 반영하며, 1인당 사용량은 평균적인 사람들의 생활 강도를 비교할 수 있습니다. 출처: BP(2014) 데이터.

총 에너지 사용량 기준으로 가장 큰 소비국은 중국(2013년 2,852 toe), 미국(2,266 toe), 러시아(699 toe) 순이다. 캐나다는 고도로 발달된 국가이지만 적당한 크기의 인구와 경제로 인해 전체적으로 약 333 toe로 상당히 적은 에너지를 사용합니다.

캐나다의 상업 에너지 사용은 1965년에서 1990년 사이에 116%, 1990년에서 2013년 사이에 33% 증가한 반면, 1인당 소비량은 같은 기간 동안 각각 54%와 4% 증가했습니다(그림 13.2). 1인당 에너지 사용이 국가 소비보다 훨씬 덜 빠르게 증가했다는 사실은 특히 최근 기간 동안 캐나다인들이 에너지 사용에서 더 효율적이 되었음을 시사합니다. 더 작은 자동차, 차량의 개선된 가스 경제성, 주거 및 상업용 건물의 더 나은 단열, 더 효율적인 산업 공정의 사용은 모두 이러한 효율성 증가에 기여했습니다. 그럼에도 불구하고, 이러한 에너지 효율의 이득은 상당했지만, 자동차, 소비자 전자제품 및 기타 에너지를 요구하는 제품 및 기술의 1인당 소유 증가로 인해 상쇄되었습니다. 또한 지난 수십 년 동안 앨버타의 오일샌드 개발과 관련된 산업 에너지 사용이 크게 증가한 것도 중요합니다. 이러한 후자의 변화로 인해 캐나다의 전반적인 에너지 사용이 크게 증가했습니다.

그림 13.2. 캐나다의 1차 에너지 소비 동향. 국가 에너지 소비량(1018J)과 1인당 소비량(1012J/인)의 다른 척도에 유의하십시오. 출처: British Petroleum(2013)의 데이터.

캐나다인의 집약적인 에너지 사용은 캐나다 경제의 고도의 산업화를 반영합니다. 또한 평균적인 캐나다인의 상대적인 풍요로움도 중요합니다(세계 평균과 비교). 부는 사람들이 자동차, 가전제품, 공간 난방 및 에어컨과 같은 에너지 소비 편의 시설에 쉽게 접근할 수 있는 상대적으로 호화로운 라이프스타일을 영위할 수 있도록 합니다. 캐나다도 국토가 넓기 때문에 여행을 위한 에너지 소비가 상대적으로 많습니다. 또한 추운 겨울 기후는 사람들이 따뜻하게 지내기 위해 많은 에너지를 사용한다는 것을 의미합니다.

12장에서 검토한 바와 같이 지속 가능한 기업은 주로 재생 불가능한 에너지원이나 기타 자원의 채굴로 뒷받침될 수 없습니다. 따라서 지속 가능한 경제는 재생 가능한 에너지원의 사용을 기반으로 해야 합니다.

그러나 선진국에서 대부분의 에너지 생산은 재생 불가능한 자원을 기반으로 합니다. 표 13.9에 나와 있는 상대적으로 선진국의 평균을 보면 재생 불가능한 화석 연료와 원자력이 전체 에너지 사용의 91%를 차지합니다. 수력, 지열, 태양열, 풍력, 바이오매스 연료와 같은 재생 가능한 자원은 약 9%에 불과합니다. 재생 불가능한 자원에 대한 의존도가 낮기 때문에 세계 주요 경제국이 지속 가능한 에너지 시스템을 개발하는 데 근접하지 않은 것은 분명합니다. 재생 불가능한 에너지 자원이 급속히 고갈되는 속도를 고려할 때 선진국의 에너지 집약적 경제가 언제까지 유지될 수 있을지 의문이다.

표 13.9. 2013년 일부 국가의 에너지 소비. 데이터는 석유 환산 106톤 단위입니다. 출처: British Petroleum(2014) 데이터.

2013년 캐나다의 총 1차 에너지 소비량 중 31%는 석유, 28%는 천연가스, 6%는 석탄, 7%는 원자력에서 나왔습니다(그림 13.3). 이러한 재생 불가능한 에너지원은 캐나다 전체 1차 에너지 사용량의 72%를 차지합니다. 나머지 생산량의 대부분은 재생 가능한 수력 발전(27%)에서 나옵니다(저수지를 만들기 위해 범람을 통해 상당한 환경 피해를 일으킬 수 있고 댐, 송전선 및 건설을 위해 많은 양의 재생 불가능한 자원이 필요할 수 있지만) 관련 인프라, 20장 참조). 또 다른 1.3%는 풍력 및 바이오매스와 같은 다른 재생 가능한 에너지원의 사용과 관련됩니다. 물론 연료로 사용하기 위해 나무와 다른 종류의 바이오매스를 수확하는 환경적 영향도 있습니다(23장 참조).

그림 13.3. 캐나다의 1차 에너지원. 전반적으로 상업용 에너지 소비의 약 86%는 재생 불가능한 소스에서 파생됩니다. 데이터는 2006년 기준이며 단위는 석유 환산 106톤입니다. 바이오매스는 고체 형태와 액체 형태를 모두 포함하며 "기타 재생 에너지"에는 지열, 태양열 및 바람이 포함됩니다. 출처: British Petroleum 데이터(2008)

공공 또는 민간 유틸리티에서 생산된 전기는 캐나다의 산업, 기관 및 주택에서 사용되는 에너지의 상당 부분을 차지합니다. 2012년에 생산된 6억 1,500만 MW-시간의 전기 중 약 61%는 수력 발전소에서, 22%는 화석 연료 공급원에서, 15%는 원자력 기술에서 생성되었습니다(Statistics Canada, 2013). 재생 가능 부문 내에서 수력은 전기 생산의 96%, 풍력은 3%, 기타는 1%를 차지했습니다.

재생 불가능한 자원은 사용하면서 항상 줄어듭니다. 비재생에너지는 경제 성장을 위해 열성적으로 사용할 수 있지만 지속 가능한 경제의 기반이 될 수는 없습니다. 재생 가능한 자원만이 근본적인 역할을 할 수 있습니다. 이 장에서 우리는 캐나다와 같은 현대 "선진" 경제의 기능에 필수적인 재생 불가능한 자원이 급속히 고갈되고 있음을 배웠습니다. 예를 들어 전 세계 구리 매장량의 수명 지수는 약 39년인 반면 니켈은 30년, 아연은 19년입니다. 화석연료 중 전 세계 석유 매장량의 수명지수는 약 58년, 천연가스의 수명지수는 55년, 석탄의 수명지수는 113년이다. 지속적인 탐사를 통해 이들 및 기타 재생 불가능한 자원의 추가 매장량을 발견하는 것은 사실이지만 추가 발견에는 한계가 있습니다. 또한 캐나다의 1차 에너지 소비의 약 72%는 재생 불가능한 자원에 기반하고 있으며 발전량의 39%도 마찬가지입니다. 재생 불가능한 모든 자원의 비축량이 캐나다와 전 세계적으로 급속히 고갈되고 있기 때문에 선진국의 에너지 집약적 경제의 장기적인 지속 가능성과 국민의 라이프스타일이 매우 의심스럽습니다.

이 장의 정보를 사용하여 재생 불가능한 자원의 캐나다 및 전 세계 생산 및 사용을 설명하십시오.
선진국이 경제를 유지하기 위해 재생 불가능한 자원에 주로 의존하는 방법을 보여줍니다. 이런 종류의 자원 사용이 아주 오랫동안 계속될 수 있을까요? 그 이유는 무엇?
선진국에서 사용할 수 있는 재생 불가능한 다양한 에너지원과 재생 가능한 에너지원은 무엇입니까? 재생 가능한 자원의 사용 증가에 대한 향후 전망은 무엇입니까?
궁극적으로 햇빛을 기반으로 하는 에너지 및 재료의 주요 원천은 무엇입니까? 다음 중 재생 가능하다고 생각하는 자원과 그렇지 않은 자원은 무엇입니까?

직간접적으로 에너지를 사용하는 방법을 설명하십시오. 각각의 주요 용도에 대해 어떻게 에너지 소비를 줄일 수 있습니까? 에너지 소비 감소가 귀하의 라이프스타일에 어떤 영향을 미칩니까?
선진국(예: 캐나다)에서 재생 가능한 재료 및 에너지 자원의 광범위한 채택에 대한 명백한 장벽은 무엇입니까?
지속 가능한 경제에서 재생 불가능한 자원과 재생 가능한 자원의 역할은 무엇입니까?
바이오매스, 풍력, 수력발전은 모두 재생 가능한 에너지원의 예입니다. 표 13.9에서 여러 국가의 에너지원 분포를 검토하고 재생 가능한 에너지원에 더 많이 의존하지 않는 이유를 논의하십시오.
원자력과 관련된 명백한 이점과 위험의 목록을 작성하십시오. 화석 연료 고갈, 온실 가스 배출, 독성 및 유해 폐기물의 장기 폐기와 같은 자원 및 환경 문제에 중점을 둡니다.

하원 위원회는 캐나다 경제의 지속 가능성을 검토하고 있습니다. 당신은 환경 과학자이고 위원회는 당신에게 재료와 에너지 사용의 지속 가능성을 개선하는 것에 대해 조언해 달라고 요청했습니다. 현재 사용의 지속 가능성에 대해 그들에게 무엇을 말하겠습니까? 어떤 개선 사항을 추천하시겠습니까?

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