장밋빛 환상 버려야 할 전기 정책

이희웅 서울대학교 금속공학과 졸업. 공학박사. 홍익공업전문대학 조교수. (현) 한국전기연구원 우수연구원.

한국전기연구원(KERI)에 입사하였던 초기에는, 대덕단지에 한국에너지기술 연구원(KIER)이 있는데 전기연구원이 왜 별도로 필요한가라는 질문을 기끔 받았다. 전기연구원을 에너지연구원으로 흡수해야 한다는 주장도 심심찮게 있었다. 그러나 전자통신 기술의 발전과 환경 문제가 큰 이슈가 되면서 이제 대부분의 에너지 기술이 전기 에너지를 얻기 위한 기술로 바뀌고 있으며, 국제에너지기구인 IEA의 발간물에 “전기는 현대 경제의 심장”(Electricity is at the heart of modern economics.)1)이라는 표현까지 등장 하였다.

전기 에너지의 중요성이 증대하고 있는 이 때, 전기를 비롯한 에너지가 사회발전에 기여한 것을 돌아보고, 우리가 에너지를 어떤 관점에서 바라볼 것이며 에너지의 미래 방향을 어떻게 가지고 갈 것인가에 대해 생각해 보려고 한다.

에너지의 기본 개념

물리적인 의미로 에너지는 일을 할 수 있는 능력을 말한다. 에너지는 기본적으로 물체의 상태에 따른 퍼텐셜 에너지와 운동 에너지의 합인 역학적 에너지와, 물질의 내부운동에 의한 내부 에너지로 구성된다.2) 에너지는 에너지원의 생산 방식에 따라 1차 에너지와 2차 에너지로 구분할 수도 있다. 1차 에너지는 자연으로부터 얻을 수 있는 에너지로 태양열, 풍력, 수력, 지열, 파력, 조력 등의 자연 계열, 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석 계열, 원자력 등의 핵 계열과 나무, 숯, 목탄 등 식물성 계열의 에너지이다. 1차 에너지를 온도, 압력, 회전력과 같은 물리적 방법이나 화학적 방법을 이용하여 에너지 전환이나 수송이 용이하도록 변환한 에너지가 2차 에너지이며 도시가스, 전기, 석유 제품 및 코크스 등이 여기에 속한다.

생존 수단으로의 에너지와 에너지원

그림 1 버뮤다 범선 목판화(17세기)

구약성경 창세기에는 고대 바벨론 제국을 건설한 전설적 인물인 니므롯이 ‘용감한 사냥꾼’으로 기록되어 있다. 수렵사회에서 강한 힘(에너지)을 가지고 야생의 짐승을 잡아 식량을 해결해 줄 수 있는 니므롯 같은 용감한 사람은 매우 중요한 존재였을 것이고, 아마도 그 에너지가 고대 바벨론 제국을 건설할 수 있는 원동력이 되었을 것이다.

중국 전설에서 등장하는 삼황에는 여러 가지 설이 있는데, 십팔사략에서 기록하고 있는 삼황은 그 순서대로 복희, 신농 및 헌원이고 각각 사냥법과 불의 사용법, 농경과 상업, 집을 짓고 옷 짜는 법을 가르쳤다고 한다. 에너지 측면에서 니므롯이나 삼황은 사회 형태가 수렵에서 농경사회로 변하는 과정에서 생존을 위해 필요한 의식주 즉 에너지원을 안정적으로 얻는 방법을 가르치고, 부족이나 국가의 형태로 사회적 에너지가 강해지도록 변화를 주도했다고 할 수 있다. 바람으로 운항되는 버뮤다 범선(그림 1)2)과 같이 자연 에너지를 형태 그대로 활용하던 시대는 기계혁명인 1차 산업혁명이 일어날 때까지의 1만년이라는 긴 시간 동안 큰 변화 없이 지속되었다.

1차 산업혁명의 주역, 석탄 에너지

1차 산업혁명은 1705년 영국의 토마스 뉴커먼이 발명한 증기기관 기술을 1769년 제임스 와트가 기술을 보완하여 제조, 수송 및 산업 시설 등으로 확대 적용하면서 시작하였다.2) 증기기관 기술은 석탄의 열 에너지를 운동 에너지로 바꾼 기술로, 에너지원을 자연 형태로만 이용하고 있었던 시대에서 에너지를 변환하는 시대로 바꾼 최초의 기술이다. 기록에 의하면 증기기관의 동력원으로 사용하면서 1885년의 석탄 채탄량이 50여년 만에 10배 이상인 4억2200만톤으로 급격히 증가하였으며,3) 석탄의 용도도 가스등, 암모니아 제조, 합성염료, 인조석유, 메탄 합성 등으로 넓어졌다. 석탄은 현재까지도 제철, 제강 및 화력발전의 주에너지원으로 큰 비중을 차지하고 있다.3)

우리나라에서도 석탄화력 발전은 2018년 기준 총 23만8,984GWh로 전체 발전원 중 41.9%나 점유하고 있는 주 에너지원이다.4) (그림 2)

그림 2) 국내 에너지원별 발전량 비중4)

2차 산업혁명과 석유 에너지

2차 산업혁명은 1865년을 전후한 19세기 중반부터 1900년까지의 기간으로, 에너지 면에서 이 시대의 파급력이 가장 큰 기술들은 석유를 기본으로 하는 내연기관 자동차 기술과 석유화학 기술 그리고 전기 기술이다.

석유는 자동차를 비롯하여 항공기나 선박 등의 동력원으로 활용되면서 세계를 가깝게 만들었을 뿐 아니라 그 용도가 제철소, 화력발전소 및 각종 산업 현장의 동력원이나 열원, 석유화학 산업의 기초 연료, 가정용 에너지원, 합성섬유, 비료, 합성고무, 플라스틱 제품, 합성 세제 등의 원료로 사용하는 등 우리의 일상생활에 석유가 들어가지 않은 것이 거의 없을 정도로 다양하며 근대산업사회 발전의 밑거름 및 지속적인 경제성장의 원동력으로 역할을 하는 중요한 자원이며 에너지원이다.5)

우리나라는 석유가 19세기말에 들어와 100년 이상의 역사5)를 가지고 있으며 중화학 공업에 바탕을 두고 있는 산업의 특성상 국내 석유 공급량이나 소비량은 매우 높은 비중을 차지한다.(그림 3) 2019년 확정한 제3차 에너지기본계획에서는 수송용 에너지로서의 석유의 역할을 축소하는 등의 정책으로 2040년까지 현재 석유 소비량의 8% 정도를 감축하고, LNG 소비를 28% 증가시키는 목표를 제시하고 있으며, 이를 위해 에너지 효율을 개선하고 전기 및 수소 전기차의 보급을 늘리는 등의 정책을 수립하였다.6)

그림 3 국내 1차 에너지 공급 및 최종 에너지 소비 패턴(2017년도)

현대 경제의 심장 전기 에너지

전기 에너지는 2차 에너지이고, 엄밀하게는 일상생활에서 우리가 흔히 에너지로 언급하고 있는 기계 에너지를 비롯하여 열, 빛, 전자기 및 일 등과 같이 에너지원이 아닌 에너지의 전달이나 발산으로 쓰이는 개념이다. 에너지원에 의한 분류에서 전기 에너지는 원자력과 화학 에너지를 포함하여 형태별 에너지에 속하며, 발전 방식은 1차 에너지의 변환 방식에 따라 수력, 화력 및 원자력 발전 등으로 구분한다.

역사가들은 발전기와 전기 엔진의 발명을 2차 산업혁명의 진정한 출발점으로 꼽는다. 그 이유는 전기 기술이 다른 에너지 기술과 기본적으로 차이가 있는 두가지 개념을 가지고 있기 때문이다. 첫 번째는 에너지 형태 전환이 자유롭다는 것이다. 발전기로 운동 에너지를 전기 에너지로 바꿀 수 있고 모터로 전기 에너지를 운동 에너지로 다시 전환할 수 있으며, 발열기로 전기 에너지를 열 에너지로 또한 열 에너지를 전기 에너지로 바꿀 수 있다. 그 외에도 전기 에너지는 전자 에너지, 화학 에너지, 빛 에너지, 소리 에너지 등 거의 모든 형태의 에너지 형태로 전환이 가능하다. 에너지 형태를 자유롭게 바꿀 수 있는 전기의 특징을 이용해서 큰 변화를 만든 대표적 산업이 19세기 때마침 발견된 석유에 전기분해 기술을 적용한 석유화학 산업과 자동차 산업이다. 현재의 전자통신 산업과 인공지능 기술 발전의 바탕도 역시 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환할 수 있는 전기 기술이라는 점에서 세계 산업에 끼친 전기 에너지의 영향은 아직도 진행형이다.

그림4) 석유/전기에너지 수요변화 예측 (좌) / 그림 5) 에너지원별 2017년도 발전량 (우)

전기 에너지의 두 번째 차별적 특성은 에너지 전송이 가능하다는 것이다. 초기 전기 기술 발전 단계에서는 에디슨이 먼저 발명하고 상업화한 직류 전기와 테슬라가 발명한 교류 전기가 경쟁하였지만 결국 장거리 송전이 가능한 교류전기가 전송 거리가 1km 정도에 불과한 직류 전기 기술 보다 우위를 점하여 오늘에 이르고 있다. 선진국 산업의 에너지 환경은 많은 부분이 전기 에너지로 향하고 있다. IEA의 전망에 의하면, 현재 27,000TWh에 달하는 전세계 발전량은 향후 연간 2.1%가 증가하여 2040년에는 41,000TWh로 1차 에너지 수요량의 2배가 될 것이며, 전체 에너지 수요에서 전기가 차지하는 비율 역시 2018년의 19%에서 2040년에는 24%까지 증가할 것으로 예상하고 있다.1) 전기 자동차를 비롯하여 모든 산업 시스템을 전기화 및 디지털화하고 있는 선진국에서는 전기 에너지 수요의 증가속도가 더 빨라서 현재의 36%에서 2040년에는 52%까지 증가하며 석유를 대체할 것으로 예상한다.1) (그림 4)

전기 에너지가 화석 에너지나 핵 에너지 등을 전환하는 생산과정에서 손실이 많고 비효율적이며 온실가스나 미세먼지 배출 및 폐기물 처리와 같은 문제가 있기 때문에, 에너지 소비를 전력화하는 것에 대한 반론도 여전히 제기된다. (그림 5)

에너지와 환경의 조화, 신재생 에너지

신재생 에너지는 석탄, 석유, 원자력 및 천연가스 등의 화석연료가 아닌 에너지로, 우리나라에서는 ‘신에너지 및 재생 에너지 개발 및 이용, 보급 촉진법’ 제2조에서 태양열, 태양광, 바이오매스. 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물 에너지의 8개 분야를 재생 에너지, 연료전지, 석탄액화 및 가스화, 수소 에너지의 3개 분야를 신에너지 개념으로 구분하고 있다. 그러나 신에너지는 우리나라에서만 구분하는 기준으로, 석탄액화나 가스화와 같이 화석 연료를 변형하거나 화석 연료인 원유나 천연가스를 처리하는 과정에서 발생하는 수소를 연료로 사용하는 경우 또는 폐기물 에너지는 오염 물질이나 온실 가스 배출에서 자유롭지 않기 때문에 세계적으로는 오염 요소가 있는 에너지를 제외하고 수력과 순수소 에너지를 포함하여 재생가능 에너지로 구분한다.1)

그림 6) 미국 Nevada 주에 설치된 태양열 발전소 (전경 및 집열장치, 63MW급)

태양이나 풍력 등의 자연계열 에너지는 지속가능한 에너지로 그 잠재력은 화석연료나 원자력에 비해 엄청나게 크다. 해상 풍력의 경우 현재 전기 수요량의 18배에 달하는 420,000TWh에 달하는 막대한 에너지를 가지고 있는 것으로 추정한다.1) 막대한 자연 에너지 잠재력을 가지고 있는 미국은 이미 1,200GW 이상의 태양광, 풍력, 태양열(그림 6) 발전 시설을 보유하고 있으며, 매년 300억USD에 달하는 기술개발 투자를 계속하고 있다.1)

REN21에서 발표한 2019년도 보고서에 따르면 2018년 총에너지에 대한 재생 에너지의 기여도는 18.1%이며 재생에너지 발전량은 총발전량의 26% 이상, 설비용량으로는 1/3을 차지하고 있으며,7) 전세계 재생 에너지에 의한 발전용량은 2018년 현재 2,500GW에 달하고 있다. IEA에서는 북미나 유럽 및 아시아 지역에서의 설비 증설로 2024년에는 재생에너지 발전량이 현재 보다 50% 증가한 3,700GW에 달할 것으로 예상하고 있는데(그림 7), 에너지원으로는 태양광이 60% 이상을 차지하고 풍력, 소수력 및 바이오 에너지가 뒤를 따르고 있다. 국가로는 중국이 36% 정도로 미국(9.5%)이나 EU(10.1%)의 3배 이상을 차지한다.1)

우리나라에서도 2030년까지 발전량의 20%인 125TWh를 신재생에너지로 공급하겠다는 계획을 8차 전력수급계획에 제시하였으며,8) 전기협회에서 발간한 “2019전기연감”에서는 2050년까지 태양에너지 관련 투자가 전체 글로벌 에너지 부문 투자의 32%에 이를 것으로 예상하였다.9)

그림 7) 재생에너지 용량 증설계획(2019∼2024년)1)

무공해, 수소 에너지

수소에너지에 대한 관심도 급증하고 있다. 이론적으로 수소는 공기 중의 산소와 반응하여 에너지와 물을 생성하므로 유해가스의 배출이 없는 에너지이며, 거의 모든 에너지원에서 수소를 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 물의 전기분해 방식은 제조원가가 높고, 제조가를 낮추기 위해 석유화학이나 화석 원료를 이용하는 경우에는 기존의 온실가스 배출 문제에서 자유롭지 못하다는 문제점이 있다. 세계적으로는 이미 7천만ton 이상의 수소가 사용되고 있는데 이들 대부분은 석유 정제과정에서 얻어지고 있기 때문에 청정에너지로 인정받지 못한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 캐나다에서는 20MW급 이상의 전해 시설을 건설 중이며 유럽에서는 100MW급 정도의 용량을 가진 전해 장치까지도 계획하고 있다.1)

우리 정부도 2019년 초 “수소경제 활성화 로드맵”을 통해 2040년까지 수소차 290만대, 수소 충전소 1,200개소 이상을 보급하고, 대규모 수전해 기술개발을 비롯한 그린수소 생산 및 공급망 구축 정책을 제시하고 있다.9)

미래 전기 에너지 문제 해결을 위한 정책 방향

1차 산업혁명 이후 불과 300여년 만에 산업혁명 이전의 수만년에 이르는 삶이 완전히 바뀌었으며, 그 변화를 주도한 동력은 석탄과 석유 그리고 핵이라는 자원의 “에너지”이다. 에디슨이나 테슬라가 에너지의 변환 및 전달 수단으로 “전기 에너지”를 발명한 것은 인류에게는 또 하나의 축복이다. 전기는 그 자체로서 인간의 삶을 밝고, 편하게 만들었으며, 산업의 발전에 기여하였다.

환경이라는 요소가 대두되면서 지금의 사회를 만든 원동력이었던 “에너지” 기술들에 대해 부정적인 시각을 표출하고, 심지어 내연기관 자동차 및 플라스틱이나 비료 같은 석유 제품들을 환경 오염의 주범으로 비난하고 퇴출까지 거론하게 된 것은 안타까운 일이다.

전기 기술에서도 예외 없이 환경 문제는 제기되고 있다. 원자력 발전에 대한 부정적 여론, 석탄화력 발전의 온실 가스 배출 및 미세먼지 문제와 같이 발전 단계에서 생기는 부정적인 요인들과 발전소에서 수용가를 연결하는 송배전 시설의 미관이나 전자파 문제와 같은 불만 요소들로 인해, 전기가 현재의 고도 산업사회를 이룩한 원동력이고 고도의 네트웍 사회를 가능하게 만든 중요 기술이라는 긍정적 역할이 위협 받는 상황도 나타난다.

고도의 문명 사회와 쾌적한 산업 및 주거 환경을 유지하기 위해서 전기 에너지는 필연적으로 증가해야 한다는 역설적인 상황에서 우리 사회는 갈등을 겪고 있으며, 해결책으로 태양광을 비롯한 신재생에너지 발전 기술을 제시하고 있다. 현재 신재생에너지의 60% 이상은 태양광 에너지가 차지하고 대부분의 투자도 태양광에 집중되어 있을 정도로 태양광 발전의 미래는 긍정적이다. 그러나 신재생 에너지 역시 발전단가의 문제나 태양전지 폐기물과 소음 같은 환경 문제를 완벽히 해결하지는 못하고 있다. 발전량 역시 최대한 낙관적 시각으로 2040년을 예측해도 신재생에너지가 감당할 수 있는 용량은 총 수요의 45%에 미치지 못한다.

현재 직면하고 있는 에너지 문제를 특정한 부분 만을 바라보는 단편적 시각으로 해결하려고 하면 오히려 미래에 더 큰 에너지 문제를 일으키는 결과를 초래하게 된다. 미래 에너지 문제 해결을 위해서는 우리나라가 미국이나 중국과 같이 대규모의 태양광 발전이나 풍력 발전을 기대하기는 어려운 환경이라는 것을 인정하고, 신재생에너지에 대한 막연한 장밋빛 전망이나 기대감, 원자력이나 화석에너지에 대한 선입관이나 추상적인 관점에서의 부정적 시각을 버리는 것이 먼저 필요하다. 그리고 장기적인 안목으로 원자력 발전을 포함한 전력 수급계획을 세우고, 이에 맞는 합리적 기술개발이나 발전설비 증설 계획 그리고 환경 문제에 대한 대책을 수립하여야 미래 에너지 문제에 올바른 대응책을 얻을 수 있을 것이다.

IEA : “World Energy Outlook 2019”
Wikipedia : www.wikipedia.org
대한석탄공사 : www.kocoal.or.kr
에너지관리공단 : “에너지통계핸드북 2019”
한국석유공사 : www.knoc.co.kr
대한민국 정책 브리핑 : “제3차 에너지기본계획”
REN21: “Renewable 2018 Global Status Report”
전력거래소 : “제8차 전력수급계획”
대한전기협회 :“2019 전기연감”

– 이희웅

지구와에너지
(사)한반도평화에너지센터가 발행하는 신개념의 컨설팅형 입법정책 계간지 매거진 '지구와에너지' 입니다.

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