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기후문제에는 여러 가지 선택들이 존재한다. ①국가의 선택, ②산업의 선택, ③기업의 선택, 그리고 ④개인의 선택 등이다. 진리를 담을 수 있는 ¨이론¨을 찾는 인류가 선택한 ¨아름다운¨ 집약체의 산물인 ¨부¨, 100조 달러에 달하는 좌초 자산을 발생시킬 수 있는 화석연료 문제는 산업의 선택과 그에 따른 기업의 공조에 달렸다.
국가별 에너지 사용량 (Unit: Mtoe)
• 산업화 이전부터 2017년 말까지 누적된 온실가스는 2.2조 CO²톤이며, 잔여 배출 허용량은 4200~7700억 CO²톤이다. ii
• 2019년 세계 탑 5 국가들이 배출한 이산화탄소의 양은 중국 101.74억 CO²톤, 미국 52.85억 CO²톤, 인도 26.16억 CO²톤, 러시아 16.78억 CO²톤, 그리고 일본 11.07억 CO²톤이다.
• 2020년 세계 탑 5 국가들이 배출한 이산화탄소의 양은 중국 97.17억 CO²톤, 미국 44.05억 CO²톤, 인도 21.91억 CO²톤, 러시아 16.19억 CO²톤, 일본 9.79억 CO²톤이다.
• 2020년에 세계가 배출한 이산화탄소의 양은 약 340억 CO²톤으로, 석탄 발전소 1기를 원자력 발전소로 대체할 경우 연간 약 860만 톤의 이산화탄소를 감축할 수 있다. 현재 전 세계적으로 운전 중인 원전은 444기로, 예를 들어 석탄 발전소의 340억 CO²톤의 이산화탄소를 감축하기 위해서는 3954기의 원전이 필요하다. ii
• 현재 활발히 개발중인 신재생에너지로는 차세대 원자력 에너지 - 소형원자로, 수소에너지, 태양광 에너지, 그리고 탄소 선순환이 있다. ii
• 파리협정은 2021년 부터 지구 평균 온도 상승을 1.5°C로 억제하기 위해 2050년까지 탄속중립 달성을 목표로 하는 신기후체제Post-2020를 채택하였다. 각 국가는 자신들의 기량에 따라 매 5년 주기로 국가결정기여NDC: Nationalty Determined Contribution를 스스로 정하여 온실가스 배출 감축목표를 이행하도록 했다. 그리고 탈탄소화Decarbonization, 기후복원력Resilience, 그리고 비동조화Decoupling 등을 담은 장기저탄소발전전략LEDS: Long-term low greenhouse gas Emission Development Strategies을 마련해 유엔기후변화협약에 제출하도록 요구하고 있다. ii
• 유럽연합은 2020년 그린 딜Green Deal이라는 기후법안을 채택하여 에너지, 건축, 산업, 수송 분야 등의 청정에너지 전환으로 2050년까지 탄소중립 달성을 목표로 하고 있다. 또한 탄소국경세를 적용하여 온실가스 배출비용이 존재하는 지역의 수입품에 관세를 부과하는 제도 도입을 추진하고 있다. ii
• 글로벌 환경 캠페인인 RE100: Renewable Energy은 연간 전기사용량이 0.1Twh인 글로벌 기업들이 저탄소 생태계를 조성하기 위해 자발적으로 참여하여 기업이 사용하는 전력량의 100%를 2050년까지 태양광, 풍력, 수력, 해양 에너지, 지열 에너지, 바이오 에너지 등의 재생에너지 전력으로 충당하겠다는 목표다. ii
• 신재생에너지 발전을 통해 에너지 발전을 했다는 신재생에너지공급 인증서REC: Renewable Energy Certificate와 재생에너지 전력을 일반 전기보다 비싸게 파는 녹색요금제Green Pricing도 현재 각국에서 도입 중이다. iii
원자력 에너지
원자력 발전에는 핵분열과 핵융합이 있는데 현재 상용화된 원자력 에너지는 모두 핵분열을 이용해 에너지를 만드는 방법이다. 핵분열이란 질량이 있는 입자의 숨겨왔던 에너지를 발현시켜 그 에너지를 활용하는 방법으로, 우라늄, 플루토늄같이 질량수가 큰 원자핵이 중성자와 충돌하여 가벼운 원자핵 2개로 쪼개지는 연속적인 핵반응이다. 핵분열로 발생한 에너지는 원자와 핵충돌하여 열을 발생하거나 핵분열로 인해 방사선이 붕괴되어 열을 발생시킨다. 여기서 발생한 열로 증기 터빈을 돌려 전기를 만들거나 공업에 사용한다. 하지만 핵연료는 수년간 사용하면 더 이상 에너지를 생산하기 힘든 상태가 되는데, 사용된 핵연료는 생명을 위협할 만큼의 여전히 높은 열과 방사능을 방출한다. 방사선은 물질을 이온화하는 능력을 지닌 입자, 파동, 매질, 또는 공간을 전파하는 과정으로서의 에너지의 흐름이고, 방사능은 원자핵이 자연적으로 방사선(알파α선,베타β선)을 방출하여 다른 원자핵으로 변화하는 능력이다. 방사능은 반감기를 거쳐 점차 줄어드는데, 원전 사고 시 가장 위험한 방사성물질이 반감기가 8일인 요오드-131과 반감기가 30년인 세슘-137이다. 방사능 폐기물은 고준위, 중준위, 저준위, 극저준위로 분류되며, 원전 근로자들이 사용한 물건들이 중저준위라면, 플루토늄, 우라늄, 그리고 마이너액티나이드 등과 같은 방사성폐기물은 고준위로 나뉜다. 한 통계를 보면 폐기된 원전의 평균 수명은 25.8년 정도로, 더 이상 사용후핵원료Spent Nuclear Fuel를 저장할 수 없는 경우에 발생한다. 사용된 핵연료는 무려 10만 년 동안 방사성물질을 반출하는데, 현재 사용한 핵연료는 습식 저장 방식과 건식 저장 방식 두 가지를 사용하고 있다. 습식 저장 방식은 후쿠시마 원전과 같이 저장 수조의 물을 이용해 냉각시키는 방법이고, 건식 저장 방식은 자연을 이용해 열을 식히는 방법이다. 냉각재로는 대부분 경수(H2O)와 중수(D2O)를 사용하지만, 최근부터 헬륨(He), 이산화탄소(CO2), 액체 금속(나트륨), 납-비스무스(Pb-Bi), 혹은 소금(용융염)을 사용하기도 한다. 현재까지 장기적으로 사용후핵원료SNF의 최종 처분을 결정한 나라는 유일하게 핀란드다. 저장장소는 지하 500미터의 온칼로Onkalo이며, 국제원자력기구는 땅속에 묻는 심층 처분이 가장 적절하다고 보고 있다. 지하 500미터의 경우 산소가 거의 없어 공학적 원리에 따라 핵폐기물이 구리 원통에 밀봉되어 보관될 경우 구리가 부식되지 않는다. 하지만 스웨덴 왕립 공과대학은 지하 500미터에서도 구리가 부식될 가능성이 있으므로 5킬로미터까지 들어가야하는 심부시추공 처분(Deep Borehole Disposal)을 주장하고 있다. 이와같이 원전 산업은 기술집약적이고 융합과학이므로 전체 인력의 원자력 혹 방사선 전공자는 8.4%밖에 없고, 나머지는 기계 설비 25%와 전기 계측 22%이다. 전력소모면에서 많은 인구가 몰려있는 대도시는 원자력발전소가 없으면 전기를 공급하는데 차질이 발생하여 어쩔 수없는 선택을 하는 경우가 있고, 여러가지 복합적인 이유에 의해 독일같은 경우 원전을 없애는 동시 재생에너지를 확대하고 소비자들이 추가 비용을 부담하고 있는 경우도 있다. 신재생에너지는 종류에 따라 무제한적인 에너지를 공급받을 수 있으나 효율성이 떨어지거나, 해양에너지 같은 경우 염도, 탁도, 영양염류, 중금속 등을 포함한 수질 변화가 일어나기도 한다. 댐을 이용한 수력발전 또한 강 생태계의 균형 문제가 발생하고 수질을 악화시키거나 주변 지질층에 문제가 발생하는 경우가 있다. 신재생에너지 개발에 있어 인류는 아랄해의 교훈을 기억해야할 것이다. 덴마크처럼 원전없이 열병합발전과 풍력에 집중하는 국가가 있는 반면, 스위스처럼 원전을 국민의 선택에 맡기는 나라, 원전을 포기한 독일·스위스·벨기에, 원전을 포기하면 온실가스 문제를 국가적인 차원에서 해결할 수 없는 한국, 혹 프랑스처럼 아직까지 원전에서 상당량의 에너지를 발전시키고 있는 나라나 추가로 많은 원전을 짓고 있는 중국의 경우도 있다. 에너지 문제는 상당히 복잡하므로 여러가지의 에너지원이 있을 경우 하나에 문제가 생기면 다른 것을 지원해주는 것이 원리다. 또한 에너지 발전은 국가에 따라 비용과 효율성이 다르다. 예로 한국에서는 태양광과 풍력발전이 가스발전보다 효율이 높은 것으로 평가됐고, 셰일가스가 생산되는 미국의 경우 가스발전이 석탄발전보다 원가가 낮게 평가가 되기도, 원전이 가스발전보다 더 높은 경우도 있다. 셰일가스 최대 생산국은 미국(2017년 비중 20.2%), 러시아(18.4%), 이란(5.7%), 캐나다(4.9%), 그리고 카타르(4.5%)다. 「네이처」 논문에 따르면 셰일가스의 경우 기후변화의 시간을 조금은 늦출 수는 있지만 크게 기여하지는 못한다고 한다. 또한 셰일가스는 개발에 따른 인공지진 문제를 야기한다. 한국의 경우 원전의 설비투자비가 다른 나라에 비해 적게 든다고 하는데, 그러한 분석은 자제와 건설 노하우, 정부소유 공기업 공사관리 등의 요인이 있겠지만 사고비용과 사용후 핵연료 처분비용이 현실적으로 반영되지 않았다는 점도 감안해야 된다. 또한 원전이용률이 높을수록 정비와 같은 안정성에 투자될 시간이 적기때문에 원전이용률을 낮게 측정하고 안정성에 더 많은 시간과 설비를 투자해야 한다고 한다.
차세대 소형모듈형원자로(SMR)는 약 300MW급 이하의 출력을 지닌 원자로다. 현재 운전, 건설, 혹은 설계 중인 SMR은 세계적으로 약 50여 기이며, 2050년까지 전 세계적으로 500~1000기가 운영될 것으로 예상된다. 공장에서 모듈 단위로 생산되어 현장에서 설치된다는 장점때문에 설치기간이 짧고, 대형 선박같이 1000MW급 대형 원자로를 설치하기 어려운 곳에 전력을 공급하는데 유용하다. 또한 지진 대비 여부 소형화로 인한 면진·제진 설계가 가능하고, 초소형모듈형원자로MMR: Micro Modular Reactor의 경우 대형 원자로 설치가 어려운 해양·해저·극지 등의 환경에서도 안전하다. 빌 게이츠가 설립한 테라파워TerraPower가 개발한 나트륨 원전의 경우 액체 나트륨을 냉각재로 사용하며, 이는 후쿠시마 원전과 같이 물을 냉각재로 이용하는 방식과는 다르다. 원전에는 피동적 설계와 능동적 설계라는 개념이 있는데, 테라파워같은 경우는 피동적 설계에 가깝다. 물을 냉각재로 사용하는 방식은 자연재해로 인해 전력공급이 중단될 경우 냉각수를 식히지 못하면 큰 사고가 발생할 수 있다. 납-비스무스 합금 또는 초임계 이산화탄소를 냉각재로 사용하는 경우, 비스무스의 방사화로 플로늄 기체나 이산화탄소의 방사화로 C-14을 포함한 이산화탄소 등의 방사성폐기물이 생성된다. 하지만 액체 나트륨을 냉각재로 사용할 경우 전력공급의 문제점을 해결할 수 있는 동시, 중성자가 물을 지날 때 속도가 줄어들지 않는다. 저속 중속자의 문제는 우라늄-235만 핵분열을 시킬 수 있으나 고속 중성자는 우라늄-235를 소량만 사용하고 우라늄과 플루토늄을 연료로 사용할 수 있다. 따라서 사용후핵연료는 최대 95%까지 줄어든다. 또한 일반 원전 건설비용이 4조원인데 비해 테라파워 원전은 1조2000억원에 불과하다. 이같은 파이로프로세싱은 리튬, 칼륨, 카드뮴 등이 녹아 있는 용윰염에서 유해 방사성 물질을 분리하여 사용후핵연료를 원전에서 재활용할 수 있는 기술이다. 하지만 나트륨 냉각로의 문제는 공기, 또는 물과 접촉할 경우 발화하기 때문에 증식로의 핵연료를 교환할 때 공기를 차단하기 위해 복잡한 설계가 요구된다. 또한 내부수리 목적으로 원자로나 배관을 열기 전 나트륨을 완전히 제거하지 않으면 물과의 접촉을 통해 화재가 발생할 수 있다. 수냉각 원자로의 경우 물이 과열되면 수증기의 거품으로 밀도가 낮아지고 중성자의 감속효과가 떨어져 중성자에 의한 우라늄-235의 핵분열에 의존하는 연쇄반응이 멈춰진다. i 하지만 플루토늄을 연료로 하는 증식로는 나트륨이 끓어 밀도가 낮아지면 중성자 속도가 오르고 발생수가 증가하여 노심용융(멜트다운)이 발생할 수 있다. i 2015년 운전 개시한 러시아의 BN-800 증식 원형로의 경우 꼼꼼한 설계에도 불구하고 냉각을 처리하는 액체 나트륨 누설로 인해 대부분의 증식로가 운영기간중 운전 중단되었다. [참고.인용: 「원자력 논쟁」, 서울대학교 사회발전연구소, 사용후핵연료의 처리는 어떻게 해야할까 - 안될과학·긴급과학, 「플루토늄, 악몽이 된 꿈의 핵연료」, 강정민 i, 「알기 쉬운 핵연료관리」, 김시환, 위키백과, 「탄소중립」, 김용환, 김진영, 방인철, 서용원, 윤의성, 이명인, 임한권 ii, 「기후변화와 에너지산업의 미래」, 강신흥, 김기현, 류준우, 원주연, 이정희, 이호용, 이현화, 임병호, 최승신 iii]
수소에너지
수소 발전소는 추출된 수소로 산소와 화학반응을 이용해 물과 전기를 생성한다. 하지만 이 과정에서 질소화합물이나 황화합물 같은 불순물이 발생한다. 수소 생산 방식에는 태양 에너지나 풍력 에너지와 같은 재생 에너지를 이용하여 생산하는 ‘그린 수소’, 이산화탄소를 부산물로 생성하는 천연가스 수증기 개질 반응을 통해 생산하는 ‘그레이 수소’, 이산화탄소 포집 및 저장Carbon Capture and Storage을 통해 생산하는 ‘블루 수소’, 그리고 석탄을 사용하여 만드는 ‘브라운 수소’가 있다. 하지만 탄소 포집 및 활용 기술은 아직 개발 단계에 머물러 있다. i 현재의 기술 수준으로는 부생 수소 1kg을 생산하는 과정에서 2.3kg의 이산화탄소가 발생하고, 천연가스에서 추출하는 수소 1kg을 생산하는 과정에서 11.3kg의 이산화탄소가 발생한다. CO² 포집 기술의 종류에는 연소 전 포집(pre-combustion capture), 연소 후 포집(post-combustion capture), 순산소 연소(oxy-fuel combustion), 그리고 직접 공기포집(direct air capture)가 있다. 포집된 이산화탄소를 인위적으로 해저나 땅 속에 저장할 수 있는 기술을 CDR: Carbon Dioxide Removal라고 한다. ‘브라운 수소’는 화석연료보다 더 많은 이산화탄소를 발생시키기 때문에 친환경 및 고효율로 전환할 수 있는 석탄 가스화 기술이 요구된다. 석탄 가스화 기술은 고압의 가스화기 내부에서 석탄과 산소가 함께 일으키는 불완전연소 반응을 통해 일산화탄소와 수소를 생산한다. 갈탄은 석탄 중에서도 발열량이 적고 전 세계 석탄 매장량의 약 45% 정도를 차지하여 각광받고 있는 원자재다. ‘그린 수소’를 생산하는 대표적인 수전해 방식에는 고분자 전해질막 수전해PEMEL: Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis, 알칼리 수전해AE: Alkaline Electrolysis, 고체산화물 수전해SOEL: Solid Oxide Eletrolysis가 있다. 수소에너지는 온실가스나 환경오염물질이 전혀 발생하지 않으며, 소음이 없고 높은 운용안정성이 있다. 장소에 대한 제약도 없으며, 24/7 가동할 수 있는 효율성을 지니고 있다. 단점은 수증기 변성이나 부분 산화, 또는 전기분해를 거쳐야 하기 때문에 높은 기술력을 요하고, 고분자 전해질막 수전해는 백금같은 귀금속이 촉매로 사용되어 비용이 많이 든다. 또한 수소는 폭발이나 인화가 높은 물질이여서 관리도 쉽지 않다. 수소는 기체 상태에서 부피가 매우 크므로 부피가 작은 액체 상태로 저장하는 것이 효율적이나 끓는점이 -253°C로 낮아 다루기가 어렵다. 따라서 기체 상태의 수소에 높은 압력을 가해 부피를 줄여 고압가스를 취급하는 압력용기에 저장하는 ‘고압 수소’가 있고, 초저온 냉동기술을 통해 대기압에서 -253°C 이하로 냉각하여 액체로 보관하는 ‘액화 수소’가 있다. ‘수소 저장 합금’은 수소를 고체 물질의 내부나 표면에 주입하여 고체 형태로 보관하는 방식이고, ‘액상 유기 수소 운반체’는 상온·상압과 유사한 온도·압력 조건에서 액상 형태로 보관하는 방식이다. 연료전지는 전기를 이용하여 물을 수소와 산소로 분해하여 전기와 열에너지를 생산하는 것으로, 가정용, 수송용, 발전용으로 나뉘며 최근 선박 및 항공 등에 활용하기 위한 연구가 진행 중이다. 고분자전해질막 연료전기와 인산형, 그리고 용융탄산염 연료전지가 상용화되었다. “그린 수소 저장체(암모니아 NH₃) 기술, 이산화탄소의 전기화학적 전환 반응을 통한 수소·탄산염·전기 동시 생산, 고효율 알칼리 음이온 교환막 수전해 장치 관련 촉매, 전극 표면 고분자 코팅을 통한 기존 대비 수전해 기반 수소 생산 효율 향상, 금속 유기 골격체를 활용한 효과적인 수소 저장 기술개발, 수전해용 전기화학 촉매개발, 저온/저압 조건으로 높은 수득률을 갖는 암모니아(수소 저장체), 과산화수소의 전기화학 반응을 통한 수소 생산, 효과적 수소 발생 반응을 위한 촉매개발, 광촉매를 이용한 수전해 기반 수소 생산, 유기 광전극을 통한 수소 생산 기술개발, 수소 생산을 위한 친환경 및 고성능의 백금-구리 나노프레임 촉매개발” 등의 연구가 활발하게 진행되고 있다. [참고.인용: 「탄소중립」, 김용환, 김진영, 방인철, 서용원, 윤의성, 이명인, 임한권, 「기후변화와 에너지산업의 미래」, 강신흥, 김기현, 류준우, 원주연, 이정희, 이호용, 이현화, 임병호, 최승신 i]
태양광 에너지
기존 실리콘 태양전지보다 가볍고 유연하며 제조 공정이 간편한 페로브스카이트 태양전지는 섭씨 1400도 이상의 온도에서 처리하는 기존 실리콘 태양전지보다 훨씬 낮은 온도인 100도에서 처리할 수 있으므로 공정가격을 획기적으로 낮출 수 있다. 페로브스카이트는 특정한 유기물, 무기물, 그리고 활로겐화물이 결합된 화합물로, 화합물의 결정이 단순입방구조(정육면체 모양)를 이루고 있다. 한편 실리콘 태양전지의 변환효율이 29%인 반면 현재 개발 중인 탠덤 태양전지의 최대 효율은 44%까지 가능하다고 한다. 현재 상용되고 있는 태양전지의 95%는 실리콘으로 만들어진다. 1954년 벨 랩이 개발한 6% 효율의 실리콘 태양전지에 비하면 현재 태양전지 효율은 극적인 향상을 거듭한 것이다. 탠덤 태양전지는 실리콘의 넓은 파장 대역의 빛을 흡수하는 장점과 짦은 파장 대역을 잘 활용하는 페로브스카이트의 결합으로 훨씬 높은 효율을 달성할 수 있다. 탠덤 태양전지 구조는 상부셀과 하부셀로 나뉘며, 반도체 물질의 밴드갭이 달라 태양에서 나오는 빛을 이용하는 스펙트럼의 범위가 다르다. 두 개의 셀을 쌓을 때 밴드갭이 큰 태양전지를 앞에 놓으면 짧은 파장을 흡수하는 앞의 태양전지가 파장이 길고 에너지가 작은 스펙트럼을 흡수하지 않고 뒤에 태양전지로 전달하여 효율성을 극대화하는 것이다. i 한편 태양광 에너지는 발전량을 통제하기 어려운 재생에너지로, 일조량 급증으로 태양광 전력의 공급이 수요를 과도하게 초과하면 전기 주파수가 표준에서 벗어나 전력 품질이 악화되거나 정전으로 이어질 수 있다. 2019년 풍력·태양광발전량 비중이 33.2%에 달하는 영국같은 경우 태양광을 통한 전력공급이 계속 늘어나 전력품질이 떨어져 일부 기업에선 공장을 운영하기 어렵다고 호소하기도 했다. 태양광 설비들은 계통주파수(Hz)가 일정량 이하로 떨어지면 자동으로 운정을 정지하기도 한다. 미국 캘리포니아의 경우 2020년 8월 14일 18시경 폭염으로 인한 냉방부하 증가로 전력수요는 급증하였으나 일몰경 태양광·풍력발전력이 급감하여 전력수급 불안으로 1시간동안 순환단전을 실시하기도 했다. [참고.인용: 「탄소중립」, 김용환, 김진영, 방인철, 서용원, 윤의성, 이명인, 임한권, 한경 경제 i, 「기후변화와 에너지산업의 미래」, 강신흥, 김기현, 류준우, 원주연, 이정희, 이호용, 이현화, 임병호, 최승신]
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