에너지의 미래

에너지의 미래

페터 그루스, 페르디 쉬트 편저

에코리브르 / 2010년 3월 / 400쪽 / 20,000원



에너지 논의의 기초 - 페르디 쉬트(막스플랑크 석탄연구소 소장 겸 연구원)

‘에너지’의 뜻을 사전에서 찾아보면 두 가지 설명이 있다. 일상어적인 설명에 따르면 에너지는 활동력, 생기, 활력을 가리키며, 물리학적인 설명에 따르면 그리스어의 ‘에네르게이아’, 즉 작용하는 힘과 결합된 일을 의미하는데, 이 책에서 논의되는 것은 이 두 번째 정의이다. 에너지는 물리학에서 종종 일을 수행할 수 있는 능력으로 정의되는데, 인간의 육체는 일을 수행할 수 있는 능력을 지니며, 따라서 물리학적 의미에서의 ‘에너지’를 포함한다.

인간이 다른 에너지 형태를 이용할 줄 알게 된 것은 훨씬 나중의 일인데, 난방과 요리에 사용되는 열을 생산하는 데 필요한 불 에너지, 물길을 막아 방아를 돌리는 데 필요한 물 에너지, 범선을 이용한 항해와 풍차를 돌리는 데 필요한 바람 에너지가 그것이다. 그러다 마침내 산업화 시대의 에너지원이 대규모로 개발되었는데 석탄, 석유, 천연가스, 핵연료, 태양열과 태양전지에 필요한 태양 그리고 그 밖의 수많은 에너지원이 그것이다.

그런데 우리가 현재 이용하고 있는 일련의 에너지원은 유한하며, 그 때문에 과학과 정치 그리고 공론장에서 에너지 문제에 따른 우리의 미래 전략에 대해 집중적인 논의가 시작되었다. 수많은 전문가들은 ‘피크 오일’, 다시 말해 석유의 최대 채굴량이 달성되고, 가까운 미래에 아무리 노력해도 더 이상 증가할 수 없는 시점이 올 거라고 예상한다. 그리고 에너지 공급 문제는 이산화탄소 및 그와 결합된 세계 기후에의 영향과 연관되어 있기 때문에, 논의를 현재의 시점에 집중할 필요가 있다. 한편 CO2, 즉 이산화탄소는 탄소를 함유한 물질을 연소시킬 때 불가피하게 발생하는데, 우리의 모든 화석 에너지원 및 재생 가능한 원료는 서로 다른 양의 탄소를 포함한다.

그리고 이산화탄소는 지구에서 나오는 적외선 복사를 흡수하고, 그 결과 더 적은 양의 에너지를 우주로 복사하게끔 함으로써 지구가 온실처럼 서서히 가열되는데, 이것은 기후와 해수면 높이에 중대한 결과를 초래한다. 따라서 에너지 논의는 갈수록 기후 논의로 전환될 수밖에 없다. 에너지와 기후 논의에서 일반적으로 자주 거론되는 사실은 많은 기본 개념과 본질적인 연관성이 언제나 전적으로 명확한 것은 아니며, 정보의 해석에 필요한 자연과학적 기본 지식마저 흔히 결여되어 있다는 점이다. 따라서 먼저 에너지원과 그와 결합된 개념에 관한 몇 가지 기초적인 사항을 알아보기로 하겠다.

에너지는 어떻게 측정되는가 : 서로 다른 에너지 종류의 비율을 평가하기 위해서는 측정 단위가 필요하다. 물리학에서는 기본 단위로 이른바 줄(J)을 사용하는데, 이는 최초로 역학 에너지와 열에너지의 등가성을 제시한 물리학자 제임스 줄의 이름을 따서 명명되었다. 줄은 초기에 사용된 에너지 단위인 칼로리를 대체했는데, 이 칼로리(cal)는 우리가 알고 있듯이 식품의 에너지 함유량을 제시할 때 쓰이는 킬로칼로리(1kcal=1000cal)로 여전히 사용되고 있다. 자연과학에서 표준 단위로 확정된 줄 이외에 에너지를 측정하는 수많은 단위가 존재하는데, 1톤의 석탄에 포함된 에너지양을 나타내는 톤 석탄 단위, ‘영국 열량 단위(BTU)’ 같은 것들이 있다.

매장량, 부존량 : 매장량은 해당 시기에 지배적인 경제적, 기술적 주변 조건 아래서 채굴 가능한 양을 말한다. 하지만 석유는 땅속에 존재하므로 정확한 수치를 계산하는 것은 불가능하다. 또 다른 중요한 개념인 부존량이란 이미 알려진 기술과 주어진 경제적 주변 조건 아래서 채굴이 가능한지 여부와는 별개로 기존에 파악된 석유, 가스, 석탄 및 다른 지하자원의 양에 지리학적 조사를 근거로 추측 가능한 양을 더한 것을 말한다. 따라서 채굴을 위한 경제적, 기술적 가능성이 개선되면 부존량은 매장량으로 변할 수 있다. 그러나 이 문제와 관련해 고려해야 할 것은 획득하기 어려운 자원은 채굴할 때 그것이 함유한 에너지에 비해 턱없이 많은 에너지를 소비한다는 점이다.

지구에는 어떠한 에너지원이 존재하는가 : 화석 자원의 유한성을 고려할 때 인류가 기본적으로 접근할 수 있는 에너지원에 눈길을 돌려볼 필요가 있는데, 지구의 본질적인 에너지원은 태양이며, 장기적으로는 핵에너지와 태양만이 에너지원으로 남게 된다. 먼저 에너지 수요를 핵분열을 통해 완전히 충족하려면 핵발전소 확충 계획이 필요한데, 생산력 있는 대안으로서 핵융합에 큰 희망을 갖지 않을 수 없다. 이 에너지원은 실제로 무한히 이용할 수 있는데, 그 까닭은 융합 가능한 물질(중수소 및 삼중수소를 산출할 수 있는 리튬)이 지구에 무진장하기 때문이다. 하지만 핵융합에 의한 산업적 에너지 생산에 이르기까지는 커다란 난관을 극복해야 한다. 두 번째 대안, 즉 태양 에너지의 이용은 현재 중요한 기술적 진전이 이루어졌고, 전 세계의 에너지 소비량과 태양에서 방사되는 에너지양을 비교해보면, 원칙적으로 태양 에너지만으로 인류에게 필요한 에너지 공급이 가능하다는 것을 알 수 있다.

그 밖에 단기적으로 활성화시킬 수 있는 ‘에너지원’은 바로 에너지 절약인데, 그 영향이라는 측면에서 에너지 절약은 새롭고 지속적인 에너지원 개발과 비교할 수 있다. 왜냐하면 똑같은 에너지 서비스에 더 적은 에너지가 소비된다면 유한한 에너지원의 유효 기간은 그에 상응해 더 길어질 것이며, 재생 가능한 에너지원의 사용이 증가할수록 더 적은 생산량으로도 충분할 것이기 때문이다.

시스템 문제로서의 인류의 에너지 공급 : 사용 가능한 에너지를 실생활에서 이용하는 것은 본질적으로 국민 경제와 에너지 공급이 고립된 개별적 구성 요소로 이루어지는 것이 아니라, 시스템과 관련된 엄청난 문제를 포함하고 있음을 시사한다. 두 가지 중요한 수송 형식, 즉 전기 그리고 주로 석유와 가스로 이루어지는 탄화수소가 오늘날 우리 에너지 시스템의 기초를 형성하고 있다. 이 두 가지 수송 형식을 운영하기 위해서는 잘 고안된 기반 시설의 구축이 요구되고, 이 점에 대해서는 전력 공급 네트워크와 그에 대한 통제를 생각해보는 것으로 충분할 것이다.

에너지와 기후 : 21세기를 위한 구상 - 요헴 마로츠케(막스플랑크 기상학연구소 소장 겸 연구원), 에리히 뢰크너(전 막스플랑크 기상학연구소 ‘지구 기후 모형화’ 연구 단장)화석 연료를 연소시킬 때 배출되는 온실 가스는 지구 대기의 구성을 이미 근본적으로 변화시켰는데, 인류는 현재 빙하기 말보다 최소 열 배 빠른 속도로 지구 대기의 구성과 전 지구적 기후를 변화시키고 있다. 전 지구적 ‘기후 정치’는 모든 전 지구적 ‘환경 정치’와 마찬가지로 그 목표를 달성하려면 국제적인 협약을 필요로 하는데, 예를 들면 교토 의정서에 따라 온실 가스의 전 세계적인 배출 규모를 줄여야 한다. 미래의 기후 변화와 관련해 ‘정부 간 기후변화위원회(IPCC)’는 최신의 연구 성과에 대한 평가를 정기적으로 제공하고 있는데, 우리는 이제부터 IPCC가 제출한 시나리오와 다양한 모형 및 기후 예측 모델과 관련해 우리가 이룩한 가장 중요한 성과를 살펴보고자 한다.

IPCC - 프로세스 : 지난 몇 년 동안 국제 기후 연구자 단체는 인류의 활동이 지구의 기후에 부정적인 영향을 미칠 수 있다고 걱정해왔는데, 이미 연구 초기 단계에서부터 과학자들은 기후에 대한 인간의 영향을 좀 더 정확히 분석해야 한다고 확신했다. 이런 목적을 위해 1988년에 유엔의 두 기구, 즉 UNEP(유엔환경계획)와 WMO(세계기상기구)의 관할 아래 IPCC가 설립되었는데, 처음부터 IPCC는 세 가지 분야에 집중했다. 그중 Ⅰ그룹은 기후 변화의 과학적 측면을 다루고, Ⅱ그룹은 기후 변화의 결과를 탐구하고 그것이 인류에게 미칠 손실 및 가능한 조처들을 분석하며, Ⅲ그룹은 온실 가스 배출 감소 및 저장의 확대 같은 기후 보호 조치들에 대해 논의해왔다. IPCC는 1990, 1995, 2001 그리고 2007년까지 모두 네 차례 보고서를 출간했는데, 인간의 활동에 의한 기후 온난화 예측은 단순한 전 지구적 평균 에너지 결산 모형에서부터 기후 변화의 지리적 분포까지 설명해주는 3차원적 대기-대양 모형에 이르는 일련의 모형을 토대로 한다.

시나리오 : IPCC - 프로세스의 틀 내에서 2001년부터 2100년에 이르는 시기에 대해 실시한 미래 시나리오는 인구통계학적, 사회적, 경제적, 기술적 변화에 관한 다양한 가정을 토대로 하는데, IPCC의 4차 실태 보고서를 위해 채택된 A2, A1B 및 B1의 시나리오 배경에는 다음과 같은 사회경제적 가정이 놓여 있다. A2의 시나리오는 아주 이질적인 세계를 기술하는데, 여기서의 경제 성장은 무엇보다 지역적인 성향을 띠며, 1인당 경제 성장 및 기술적 변화는 다른 시나리오에서보다 더 이질적이고 느리게 변화한다고 가정한다. A1의 시나리오는 아주 빠른 경제 성장, 21세기 중반까지 증가하다 그 이후에 줄어드는 세계 인구 그리고 새롭고 좀 더 효율적인 기술의 도입으로 특징지어지는 세계를 기술한다. B1의 시나리오는 서비스 산업과 정보 산업에 이르는 경제 구조의 빠른 변화, 원료 효율성의 증가 및 오염 방출이 적고 자원을 보호하는 기술의 도입으로 특징지어지는 세계를 기술한다. 이 시나리오는 경제적, 사회적, 생태학적 지속 가능성이 주목하는 전 지구적 해결책에 중점을 둔다.

여기서 기후 모형은 2001~2100년에 대해 IPCC 시나리오가 계산한 온실 가스와 에어로졸의 대기 중 농도를 적용하고, 1860~2000년까지의 농도는 각종 과학적 자료를 근거로 삼았다. 모형에서는 또한 이산화탄소 이외에 메탄, 아산화질소, 오존, 아주 중요한 염화불화탄소 및 배출된 이산화황이 산화됨으로써 발생하는 황산염 에어로졸도 고려되었다.

기후 예측 모델의 결과 : ① 온도와 강수량 - 온실 가스의 증가와 유황 배출량의 변화는 IPCC 모형에서(1961~1990년의 평균치와 비교해) 2100년에는 2.5℃(B1)와 4.1℃(A2) 사이에 달하는 지구 온난화로 이어지고, 시나리오 A1B와 B1에서 대륙은 대양보다 더 빠르게 가열된다. 특히 온난화는 눈 덮인 지역과 해빙 표면이 감소되는 북반구 고위도 지역에서 뚜렷한데, 거기서는 얼음과 눈의 밝은 표면이 상대적으로 어두운 물과 눈이 없는 땅으로 대체된다. 그리하여 태양 복사의 한층 많은 부분이 열로 전환됨으로써 온도가 더 많이 올라간다. 또 지구 온난화는 좀 더 높은 증발율을 유발하고 따라서 좀 더 많은 강수량으로 이어진다.

② 극단적인 기상 사건 : 극단적인 기상 사건이란 자연과 인간 그리고 경제에 중대한 결과를 초래하는 아주 드문 평균 이상의 기후 관련 사건을 말한다. 지난 50년간의 전 지구적 관찰 자료에 기초한 지표는 일반적으로 야간 온도와 열파 지속 기간의 증가, 영하로 떨어지는 날의 감소 및 연중 강우일의 증가를 보인다. 그리고 21세기의 기후 구상에서도 그 추세는 계속되는데, 예상대로 A2와 A1B 시나리오에서 B1 시나리오에서보다 그 추세가 더 강하게 나타난다. 또 21세기 말(2071~2100)과 1961~1990년의 평균치를 비교해보면, 광범위한 지역에서 홍수의 위험이 증가한다는 것과 연간 건조한 시기의 최대 지속 기간도 증가한다는 것을 알 수 있다. 21세기의 기후 구상은 점증하는 전 지구적 온난화와 함께 열대 폭풍의 빈도는 감소하고 그 강도가 약간 증가한다는 것을 보여준다.

③ 해수면과 해빙 및 대양 순환 - 기후 시스템에서 대양의 중요한 역할은 에너지와 물질(예를 들면 소금, 탄소, 영양소)의 저장 및 운반 매체로서의 기능이다. 한편 인류가 직접적으로 감지할 수 있는 지구 온난화의 영향은 해수면 상승인데, 이는 여러 가지 요인(물의 밀도 감소에 의한 부피 증대, 대륙 빙상과 빙하의 대량 상실, 대양 순환의 변화)에서 비롯된다. 지구의 해수면은 각각의 시나리오에 따른 온난화로 인해 2100년까지 0.21~0.28m 상승할 것이고, 이러한 전 지구적 상승에 대양 순환의 변화에서 비롯된 지역적인 해수면의 변화가 겹쳐진다.

④ 결론 : 오늘날의 대부분 기후 모형에서는 기후와 탄소 순환-예를 들어 메탄이나 오존 같은-및 다른 생물지구화학적 순환 간의 상호작용이 소홀히 취급되고 있지만, 이러한 상호작용은 대기 중 온실 가스 농도에 매우 중요하다. 예로 지구 온난화는 탄소 저장고인 식물, 대지 및 대양의 저장 능력 감소로 이어지며, 이는 다시 대기 중 이산화탄소 농도의 상승을 초래한다. 그런 까닭에 미래의 기후 변화에 대한 예측 가능성을 높이기 위해서는 상호 연관된 분야의 지구 시스템 연구가 뒤따라야 한다.

국제 에너지 정치 - 카를 크리스티안 폰 바이츠제커(막스플랑크 공공재연구소 선임 연구원)

초기에 모든 주권 국가는 스스로의 에너지 수요를 국내 자원으로 충족한다는 목표를 설정했다. 물론 이미 19세기에 목재와 석탄의 활발한 국제적 거래가 있었지만, 평화가 불확실해지자 에너지 분야에서의 자급자족 목표가 전면에 등장했다. 하지만 현실적으로 그 목표는 결코 달성되지 못했다. 왜냐하면 경제 성장으로 인해 에너지에 대한 갈망이 너무나 커졌기 때문이다. 에너지 거래의 국제화는 석유 이용이 점차 증가함으로써 대두되었는데, 오토 엔진과 디젤 엔진의 발명이 이어졌고, 그로 인해 자동차를 중심으로 교통 분야에서 석유 수요가 커다란 비약을 이루었다. 그 결과 일어난 교통과 수송 제도의 근본적인 변화는 20세기를 거치면서 점점 향상되기 시작한 생활수준에 동반된 현상 가운데 하나였다. 그리하여 석유는 경제적 동향의 중심에 놓이게 되었고, 석유와 뒤이어 등장한 천연가스의 광역 수송과 더불어 에너지 거래의 국제화, 아니 지구화가 이루어질 수밖에 없었다.

현재의 세계 에너지 수요 : 세계 에너지 수요에 대해서는 국제에너지기구(IEA, 1973년 석유 가격의 상승에 석유 수입국들이 공동 대응하기 위해 OECD에 의해 설립된 기구)를 따르는 게 가장 좋을 것이다. IEA는 규칙적으로 〈세계에너지 전망〉이라는 보고서를 작성하는데, 최근에 간행된 〈WEO 2007〉에서는 2030년의 세계 에너지 수요에 대한 기본 시나리오와 더불어 두 개의 또 다른 시나리오가 포함되어 있다. 기본 시나리오에 따르면, 2030년의 에너지 수요는 기준 연도인 2005년보다 1.5배 이상 높다. 이렇게 상승하는 에너지 수요를 추동하는 것은 세계 경제의 성장이며, 예상된 에너지 수요 증가의 45%는 오로지 중국과 인도의 몫이다. 그런데 이때도 화석 에너지원인 석탄, 석유, 가스가 계속해서 지배적인 에너지원이 될 것이므로 이산화탄소의 배출량도 계속 상승한다. 또 석유와 가스의 주요 수출 지역은 중동과 러시아이며, 이것이 기후 변화와 에너지 안보라는 주제와 관련된 우려를 가중시킬 것이다.

하지만 전 세계 정부들이 현재 계획하고 있는 모든 정치적 조처가 실제로 관철된다면 에너지 수요의 증가와 함께 배출량의 증가도 현저히 낮아질 것이다. ‘고성장 시나리오’라고 불리는 시나리오도 있는데, 여기서는 중국과 인도의 경제가 기본 시나리오의 6% 대신 연평균 7.5% 성장하는 것을 가정한다. 그렇게 되면 2030년에 이르기까지 중국과 인도의 에너지 수요는 기본 시나리오보다 21% 더 높아질 것이고, 전 지구적 에너지 수요는 약 6% 높아질 것인데, 이렇게 증가하는 에너지 수요를 충당하기 위한 기반 시설을 만들기 위해 에너지 분야에서 필요한 투자는 22조 달러에 달한다.

부존자원의 처리 가능성 : 이렇듯 엄청나게 성장하는 화석 에너지원에 대한 수요는 충족될 수 있을까? 석유와 천연가스의 경우 매장량과 부존량을 구분하는 것이 통례인데, 부존량의 경우는 대개 채굴 비용이 한층 비싸서 비경제적이다. IEA는 경제적으로 채굴 가능한 석유 자원이 세계 시장 가격에 얼마나 의존하는지를 분석했다. 그에 따르면 채굴 가능한 석유 자원은(매장량이든 부존량이든) 석유의 세계 시장 가격에 비례해 증가했고, 경제적으로 채굴 가능한 가스 자원도 가격이 어느 정도냐에 아주 강하게 의존했다. 급속하게 상승하는 수요에 근거해 오늘날 석유 가격과 천연가스 가격이 과거에 비해 높게 유지될 것이라는 게 일반적인 견해이다.