정말로 지속가능한 동력원, 신재생에너지

화석연료 이후 에너지의 미래는?

화석연료는 인류에게 전후무후한 양의 에너지를 효율적으로 선사해 문명사 자체를 뒤집어놓았다. 저장성도 강하고 열량도 크며 활용처도 넓어 산업혁명을 포함한 근대 인류 역사에서 핵심적인 역할을 했다. 대규모의 에너지를 소비하며 살아가는 데 맛이 든 인류는 절대로 화석연료 사용 이전의 시대 수준으로 순순히 돌아가려고 하지 않을 것이다. 기후위기를 정면으로 마주한 우리에게 화석연료와 대등한 경제성과 효율성을 가진 대체 에너지원을 개발하는 것이 최대의 숙제가 됐다.

땅속에 있는 화석연료는 거대한 탄소 저장고의 역할을 한다. 연소하면 이산화탄소, 일산화탄소가 배출되지만 연소하지 않으면 그 탄소가 땅속에 석탄, 석유의 형태로 저장돼 있는 셈이다. 그런데 화석연료 사용으로 배출되는 이산화탄소는 온실효과의 주범이다. 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)는 지구온난화의 약 55%는 이산화탄소에 의한 것이라고 분석한다. 따라서 화석연료를 대체할 에너지원은 이러한 탄소 배출이 적거나 없어야 한다.

저탄소 사회의 동력원, 신재생에너지

신재생에너지는 신 에너지와 재생 에너지를 통틀어 부르는 말이다. 신 에너지는 새로운 물리력, 새로운 물질을 기반으로 하는 ▲핵융합 ▲자기유체발전 ▲연료전지 ▲수소에너지 등을 의미한다. 재생 에너지는 재생 가능한 자원, 즉 ▲햇빛(태양) ▲바람(풍력) ▲비 ▲조수(조력) ▲파도 ▲지열과 같이 시간이 지남에 따라 자연적으로 보충되는 자원으로부터 수집된 에너지다. 두 종류의 에너지원 모두 저장된 탄소에서 에너지를 끌어내지 않아 기후에 끼치는 영향이 적기 때문에, 화석연료를 대체할 미래의 에너지로 손꼽힌다.

신재생에너지로의 전환은 이미 먼 미래 이야기가 아니다. 독일에 있는 인구 약 10만명의 라인-훈스 뤼크 지구(Rhein-Hunsrück District)에서는 공식적으로 지역 내 필요한 전력의 100% 이상을 재생 에너지로 얻고 있고, 독일, 미국, 호즈, 캐나다, 일본, 덴마크, 스웨덴의 여러 지자체는 2030년 내에 재생 에너지 비율을 100%로 올리겠다는 계획을 가지고 있다. 국가와 지자체만 신재생에너지 열풍에 동조하는 것도 아니다. 구글은 2017년부터 자사 운영에 필요한 모든 에너지를 재생 에너지로 조달하고 있다. 나아가 BMW, 이케아(IKEA), 페이스북 등 많은 수의 기업도 각각 수년 내 전 사업장에서 재생 에너지를 사용하겠다는 약속을 하고 에너지 전환을 꾀하고 있다.

2018년 기준 신재생에너지는 전 세계 전력 생산량의 17%를 차지하고 있으며, 이 수치는 2030년까지 24%까지 올라갈 것으로 전망된다. 그리고 이 성장의 대부분은 태양광과 풍력에서 올 것으로 예상하고 있다. 현재 신재생에너지 생산량의 절반 가량(8%)은 댐 건설을 통한 수력 발전으로 이뤄지지만, 댐을 짓는데 필요한 비용과 까다로운 환경 조건을 고려했을 때 성장성이 미미하기 때문이다.

햇빛으로부터 오는 무한동력, 태양광

태양광 발전은 말 그대로 태양 에너지를 전기로 변환하는 발전 방법이다. 아인슈타인에게 노벨상을 안겨다 준 광전효과를 기반으로 하는데, 광전효과에 따르면 빛은 에너지를 가지고 있어 광자가 특정 물질에 닿으면 전기 에너지로 변환될 수 있다. 따라서 태양광 발전에서는 햇빛에 반응하는 전지모듈, 태양전지를 사용한다. 저장된 물을 태양열로 끓여 이것으로 터빈을 돌리거나 열에너지를 그대로 사용하는 태양열 발전과는 다르다.

장점

태양광 발전이 신재생에너지의 대표 격으로 주목받는 이유는 다양하다.

• 일단 화력 발전보다는 여러모로 친환경적이다. 태양광도 발전 패널 제작 또는 처분 과정 때문에 환경파괴 논란에서 완전히 자유롭지는 않으나, 발전하는 도중에는 대기오염 등으로 인한 환경파괴가 거의 없다.
• 정비요소가 적어 유지비가 저렴하다. 대형 발전기에 비하면 부품별 모듈화가 돼있어 고장나도 쉽게 고칠 수 있고 무엇보다 움직이는 기계 장치가 아예 없으므로 마모현상으로 인한 유지보수가 없다.
• 사고 위험이 0에 수렴한다. 물론 전기 장치니만큼 전기 사고는 어쩔 수 없지만, 화력이나 원자력같이 폭발 위험이 있거나, 수력발전처럼 댐이 터진다거나, 풍력처럼 십수미터 짜리 풍차, 터빈이 수십 미터 상공에서 떨어지는 불상사가 없다.
• 다른 발전에 비해서 부지 제약이 적다. 물론 효율성의 차이는 있지만, 햇빛이 있는 곳이라면 어디든지 전력 생산이 가능하다. 신재생에너지 발전 방식 중 일반인들이 가장 쉽게 접근할 수 있는 이유다.

무엇보다, 태양광 발전의 압도적인 장점은 재생 에너지로선 최상위 수준의 높은 단위 면적당 에너지 생산량이다. 10W/㎡를 생산 가능한 태양광 발전소는 단위 면적당 에너지 생산 효율이 풍력발전의 4배다. 지구에 와닿는 태양 에너지는 미터당 100~250W인데, 현재 태양광 기술의 효율이 10~20%이고 향후 더 오르리라는 점을 감안하면 다른 어떤 재생 에너지와 비교해도 전력 생산이 효과적이다. 단위 면적당 에너지 생산량은 특히 세계 최고 수준의 인구밀도와 높은 1인당 에너지 소비량을 가진 한국에서는 매우 중요한 요소다.

단점

태양광 발전의 가장 뚜렷한 단점은 날씨와 기후에 따른 출력 편차와 그에 따른 변동성이다. 태양광의 방향은 계속 바뀌고, 흐린 날, 비오는 날 등은 가동이 불가능할 수 있다. 새벽이나 저녁 시간대에도 빛이 들어오기는 하지만 전력 발전량이 많지 않다. 따라서 태양광 발전은 전력생산이 일조시간에만 높아 안정적인 전력 공급이 어렵다. 이러한 수동적이고 불규칙적인 전력생산은 공급이 요구될 때 이를 맞추기 어렵다는 단점을 내포하고 있다.

단적으로, 2020년 여름철 피크타임에 태양광 발전이 대한민국의 전체 발전에서 차지한 비중이 7월 0.8%, 8월 0.9%에 불과했다. 폭우 때문에 발전을 위한 태양광이 거의 없었던 것이다. 냉난방으로 인해 연중 전력 소비가 가장 많은 여름철 장마 기간에 전력 생산이 어려운 것은 치명적인 단점이다.

독일과 같은 나라에서 태양광의 대규모 도입이 어느 정도 성공적인 이유는 다른 나라와 육로로 연결돼 전기를 사올 수 있기 때문이다. 이웃 국가와 연결된 송전로가 없는 한국은 태양광 발전이 중단되는 시기에 부족한 전력분을 충당할 방법이 마땅히 없다. 날씨와 기상에 따라 극심하게 변하는 전력 생산은 전력 수급 계획을 까다롭게 하기 때문에, 태양광이 주력 발전 방식이 되기는 힘들다. 신재생에너지 발전의 확대를 위해서는 복합발전(태양광+풍력의 조합 등) 형태와 정말 필요할 때 전기 공급이 가능한 촘촘한 전기망을 기획하는 정책이 뒷받침돼야 하는 이유다.

바람이 불면 배도 가고 우리도 간다, 풍력

풍력 발전은 바람의 힘과 풍차 원리를 사용하여 전기를 생산하는 시스템이다. 무려 천년 역사를 가진 풍차부터 날개가 10미터에 이르는 현대의 초대형 풍력 발전기에 이르기까지, 풍력은 수력과 함께 가장 오랫동안 인류가 사용해온 재생 에너지다. 태양광과 마찬가지로 풍부하고 재생가능하며 탄소 배출 및 환경오염이 적어 화석연료를 대체할 매력적인 에너지원으로 각광받고 있다.

장점

쓰레기나 폐기물, 온실가스 배출이 적을 뿐더러, 지구는 필연적으로 대류 현상이 일어나기 때문에 거의 항시 바람이 생기므로 연료 소비 없이 발전이 가능하다.

• 풍력 터빈은 유지 보수가 거의 필요 없다.
• 높은 공간에 설치되기 때문에 아래의 공간에서는 농업 등의 형태로 활용할 수 있다. 따라서 공간적으로 많은 면적을 차지하지 않는다. 태양광과 비교해 출력단위 면적이 4분의 1로 적다.
• (지역에 따라) 단가가 다른 발전 방식보다 낮다. 유럽의 일부 지역과 미국의 경우 원자력 발전과 비교해도 많이 저렴한 편. 그러나 한국의 경우 풍력 발전 단가는 아직 원자력보다는 비싸고, LNG·석유 발전보다 저렴한 수준이다.
• 관광단지로도 활용돼 지역 경제 성장에도 도움을 줄 수 있다.

단점

1년 내내 바람이 부는 곳 자체가 찾기 힘들며 전력 수요가 있는 곳까지의 접근성, 경제성이 있는 지역을 찾기 어렵다. 의외로 양질의 풍력 자원도 지하 자원처럼 지구상에서 지역별로 불균일하게 분포하는 자원이다. 접근성도 좋으면서 적절한 수준의 바람이 연중 안정적으로 불어오는 곳은 많지 않아 안정적인 전력 생산이 힘들다. 이러한 변동성은 태양광과 공유하는 치명적 단점이다.

추가적으로, 풍력 발전기의 날개에 치여 죽는 동물의 수가 정말 많다. 풍력 발전에 유리한 바람 조건은 조류의 입장에서도 이용하기 좋은 환경이기 때문에, 생태통로에 살생기계를 설치한 것이나 마찬가지다. 미국에서만 1년에 50만 마리의 새가 날개에 맞아 죽는데, 강한 바람을 맞이하기 위해 높이 설치되는 발전기의 특성상 이렇게 죽는 새 중 개체 수가 적은 희귀종이 많다고 한다. 한국에서는 철새가 상륙할 때마다 몰려들어 우수수 죽어나가는 광경을 목격할 수 있다.

일부 문제를 해결하기 위해 바다 위에 풍력 발전소를 건설하기도 하는데, 이를 해상 풍력이라 한다. 육지에서보다 바람도 일정하고 세기도 센 편이며 일조권 및 소음 문제도 해결할 수 있는 방식이지만, 건설비와 유지비가 비싸다. 또한, 자연스럽게 전기 소비 지역까지의 거리가 멀어져 전력 운송의 손실이 커지는 문제가 있다. 해양생태계를 해친다는 우려도 있는데, 우리나라에서는 어업에 지장을 받을까 우려한 어민들이 배를 타고 항의시위를 벌인 일도 있었다.

큰 힘에는 큰 책임이 따른다, 원자력

원자력 발전은 화석연료의 대체 에너지 중 재생 에너지가 아닌 신 에너지에 속한 발전 방식이다. 현재 일반적으로 통용되는 원자력발전은 핵분열을 이용한 것이다. 첫 사용은 제2차 세계대전 당시로, 그때까지만 해도 군사적인 목적을 위해서 사용됐지만 점차 전 세계적으로 에너지 수요가 급증함에 따라 주요한 발전양식으로 자리 잡게 됐다.

장점

원자력의 가장 큰 장점은 적은 연료 소모로 막대한 양의 에너지를 얻을 수 있다는 것이다. 원자력(핵분열)은 현재까지 인류가 보유한 에너지원 중에서 출력이 가장 높은 에너지원이다. 우라늄 1kg이 핵분열로 내뿜는 에너지가 석유 200만 리터 또는 석탄 3000톤의 에너지와 필적한다고 한다! 이렇게 원자력의 에너지 생산 효율성은 태양광과 풍력을 비롯한 재생 에너지와 비교도 안 될 정도로 높은 수준이다. 극도의 효율성으로 인해 환경오염이 매우 적은 편이고 전기 생산 비용을 줄이는데 큰 도움이 된다.

단점

"그래서? 그거 터지면 어떻게 수습할 건데?"에 대해 답할 수 있는 사람이 없어서 어쩔 수 없이 "절대 안 터지니 걱정하지 마라"라는 무책임한 답변을 할 수밖에 없게 만드는 문제점이 있다. 원자력 사고는 일단 한 번 크게 터지면 수십 킬로미터 이내의 지역은 방사능으로 인해 사고의 규모나 종류에 따라 까마득한 기간 동안 아예 사용은 고사하고 장비를 갖추고도 진입 또는 주둔이 불가능에 가깝게 된다. 현대의 인류는 원자력 에너지를 활용할 줄은 알면서 정작 사고가 날 때의 해결 능력은 완전히 확보하지 못했고, 대표적 원자력 사고로 체르노빌 원자력 발전소 사고, 후쿠시마 원자력 발전소 사고가 있다.

특히 대한민국의 경우에는 사고 문제가 훨씬 더 심각하게 다가온다. 고리 원자력 발전소와 월성 원자력 발전소 20km 이내에 부산이라는 대한민국 제2의 도시와, 울산이라는 대한민국 제1의 공업도시가 있기 때문이다. 원자력 사고를 대비해 대피 훈련을 한다지만 그것은 인명피해를 최소화하려는 노력은 될 수 있어도 대규모 공업지대의 쇠퇴 등 재기 불능의 피해를 방지해주지는 못한다.

나아가 핵 폐기물의 문제가 있다. 몇백년 후에도 지구 생태계와 후대 인류에게 방사능 위협으로 남을 폐기물들은 대부분 제대로 처리되지 못하고 원자력 발전소 내부에 임시로 보관한다. 방사능 폐기물 안에 들어있는 스트론튬의 반감기는 28년, 세슘의 경우 30년이다. 플루토늄은 무려 2만4000년의 반감기를 가진다. 그리고 이조차 반감기일 뿐 인류와 지구 생태계에 안전한 수준으로 방사능 수치가 떨어지기 위해선 무려 10만년이라는 세월이 필요하다.

재생 에너지만으로 충분할까?

이렇게나 치명적인 단점을 가진 원자력이지만, 끊임없는 논란 속에서 인류가 섣불리 포기하지 못하는 이유는 무엇일까. 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)가 제시한 2050년 데드라인까지 재생 에너지만으로 탈탄소 사회를 이룩하는 것이 현실적으로, 기술적으로 가능한지 의문이기 때문이다.

사실 태양광과 풍력의 가장 고질적인 문제점은 기술 발전으로 해결하기 어렵다. 햇빛을 더 일정하게 비추고 바람을 끊임없이 불게 하는 방법은 없기 때문이다. 더 효율적인 태양전지와 풍력 발전기를 만들 순 있지만 결국 풍력과 태양광은 원자력에 비해 단위 면적당 생산하는 전력이 터무니없이 적다. 같은 전기 생산량을 위해선 훨씬 많은 지면을 사용해야 한다는 얘기다. 같은 양의 전력을 생산하기 위해 태양광은 원자력의 450배 면적의 땅이 필요하다. 뿐만 아니라, 풍력 발전기와 태양전지를 만드는 데 발생하는 폐기물과 자원도 원자력에 비하면 무려 10배에서 17배 많다. 불편한 질문을 해야할 때가 온 것이다. 인류의 환경을 구하기 위한 노력으로 인해 환경이 파괴되고 있는 것일까. 탈원전과 탈탄소를 동시에 이루는 것이 가능할까.

여기서 우리 판단에 도움이 되는 지표가 있다. 에너지원별로 1TWh 단위 생산량당 인명 피해를 계산해보면, 석탄은 24.6명, 석유는 18.4명, 그에 비해 원자력, 풍력, 태양광은 각각 0.07명, 0.04명, 0.02명이다. 화석연료로 인한 공기오염만으로 매년 700만명이 죽는 것으로 추산된다. 어쩌면 우리 생각보다 원자력은 안전하고, 화석연료는 더더욱 위험하다는 것을 보여주는 수치다. 우리의 궁극적 목표는 당연히 원전사고의 위협으로부터도 안전한 100% 재생 에너지 시스템이지만, 탈원전 노력으로 인해 화석연료 사용을 늘리는 것은 소탐대실의 결과로 이어질 것이다.

풍력도, 태양광도, 원자력도, 그 자체로 완벽한 에너지원은 없다. 현재의 기술 수준에서 재생 에너지만으로 인류의 전기 수요를 감당할 수 없지만, 위험성에 대한 대책 없이 원자력을 신봉하는 것도 무책임한 일이다. 다만 명확한 것은, 이 글에서 언급된 신재생에너지 세 가지 모두 인류가 녹색 사회로 가는 길에 필요한 자원이라는 것이다. 그리고 우리의 임무는 각각의 장단점을 최대한 살려 인류 절멸의 위기를 돌파하는 것이다.

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💡 다음은 환경과 물질의 공존에 대한 탐구, '지구의 혈액이 된 플라스틱'이 이어집니다.

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똑똑! 📕 추천해요

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도서 <글로벌 그린 뉴딜>, 제레미 리프킨 지음, 안진환 옮김, 민음사, 2020.

미래학자 제러미 리프킨이 제시하는 그린 뉴딜. 그린 뉴딜을 ‘기술 혹은 산업전환’에 국한해서 이해하거나, 경기진작을 위한 토목사업에 편중된 시각으로 접한 사람들에게 추천하는 책이다. ‘그린 뉴딜’이 가진 문명전환적 성격이 무엇이고, 그 귀결이 가져올 사회는 어떤 모습인지, 그 구현 과정은 어떡해야 하는지 아니면 가능하기나 한 것인지에 대한 사념이 담겼다. 320쪽짜리 책에서 후주만 60여쪽에 달해 추가 연구를 위한 학술지 같기도 하지만, 변화가 절실한 시대에 맞춰 새로운 세상을 꿈꾸는 사람에게 유익한 정보가 가득하다.