우리의 미래 에너지 믹스

에너지 시스템 예측

미래 사회의 에너지 구성만큼 복잡하고 중요한 문제는 드뭅니다. 화석연료 의존에서 벗어날 수 없다는 견해도 있고, 재생에너지가 빠르게 주도권을 잡을 것이라는 견해도 있습니다. 현실은 더 복잡하며 에너지의 미래를 예측하기는 어렵습니다.

이 2023년 기사는 당시 상황과 가능한 시나리오를 살펴보고, 어떤 경제적·기술적 변화가 특정 시나리오의 실현 가능성을 높일지 검토합니다.

현 상황

에너지 사용 증가의 역사에서 나타나는 한 가지 경향은 새로운 에너지원이 기존 에너지원을 완전히 대체하기보다 그 위에 추가되는 경우가 많다는 점입니다.

세계는 여전히 목재를 중심으로 많은 바이오매스를 사용하며, 전체 에너지 사용량은 19세기보다 많습니다. 석탄의 절대 소비량도 장기적으로 증가했습니다. 여기에 석유, 가스, 수력, 원자력과 다른 재생에너지가 주로 더해졌습니다. 다만 특정 국가나 시기에는 에너지원 간 대체도 일어납니다.

출처: OurWorldInData

재생에너지 발전의 진전을 생각하면 의외일 수 있습니다. 여기에는 여러 요인이 있습니다.

• 중국은 신규 재생에너지 설비와 전기차 전환을 주도했지만, 신규 석탄발전소 건설에서도 앞섰습니다.
• 전기는 에너지 사용의 일부입니다. 운송, 난방, 산업에서는 연료를 직접 사용하기도 합니다. 철강, 비료, 플라스틱, 의약품과 다른 화학제품의 생산이 그 예입니다. 1차 에너지와 최종 소비자에게 공급되는 전기는 서로 다른 지표입니다.
• 인구 증가와 수십억 명의 극빈 탈출은 에너지 수요를 늘렸습니다. 석탄은 흔히 저렴하고 구하기 쉬운 선택지였습니다. 육류 소비, 냉방, 자동차와 항공 이동의 증가도 영향을 줍니다.
• 경제의 세계화는 원자재, 반제품, 완제품의 반복적인 이동을 포함해 더 많은 화물 운송을 필요로 합니다.
• 농업의 산업화는 수확량을 늘리고 노동력 수요를 줄이지만, 화석연료와 비료 사용을 늘리기도 합니다.

기후변화와 탄소배출을 걱정하는 사람에게 화석연료가 세계 에너지 구성에서 차지하는 견고한 위치는 암울하게 느껴질 수 있습니다. 그러나 이것이 전부는 아닙니다.

지속적인 변화

전기차는 2016년에도 이미 상용 판매되고 있었습니다. 이후 판매가 빠르게 늘어 IEA에 따르면 2022년에는 1,000만 대 이상, 세계 신차 판매의 약 14%를 기록했습니다. 이 수치는 배터리 전기차와 플러그인 하이브리드를 포함합니다. 중국과 유럽이 성장을 이끌었습니다.

출처: IEA

수력, 태양광, 풍력, 지열 등 재생에너지의 비중도 늘고 있습니다. 노르웨이, 브라질, 캐나다는 풍부한 수력 자원 덕분에 오래전부터 높은 비중을 유지했습니다. 최근 변화의 상당 부분은 태양광과 풍력이 이끕니다.

출처: Our World In Data

국가별 그래프에서는 2010년 무렵부터 이후 여러 해에 걸쳐 뚜렷한 증가가 나타납니다. 중국과 호주의 경우 태양광과 풍력이 특히 기여했습니다. 2010년 한 해 안에 비중이 두 배가 됐다는 뜻은 아닙니다.

출처: OurWorldInData

출처: OurWorldInData

기술 발전과 산업 생산 규모 확대가 비용을 낮추고 재생에너지의 경쟁력을 높였습니다. 많은 신규 재생에너지 발전 사업이 화석연료 대안보다 저렴하다는 점은 IRENA의 비용 자료에서도 확인됩니다. 이는 2023년에 소개된 국제재생에너지기구의 발전 비용 비교이며, 전력 시스템 전체 비용을 자동으로 포함하는 것은 아닙니다.

출처: IRENA

도전 과제

기사 작성 전 몇 년간 빠르게 낮아진 재생에너지 비용은 화석연료가 곧 멸종한 도도새처럼 사라질 것이라는 기대를 낳았습니다.

출처: Twitter/X

우크라이나 전쟁과 관련된 에너지 위기는 가격과 공급 압박을 높였습니다. 독일은 러시아 가스 의존을 줄이기 위해 일시적으로 석탄발전 용량을 추가 활용했습니다. 이는 에너지 전환 전체를 되돌린 것은 아닙니다.

인플레이션, 금융비용과 공급망 문제는 2023년 계획된 재생에너지 사업의 수익성을 악화시켰습니다. 대규모 해상풍력 사업이 취소되고 태양광·풍력 기업 주가가 하락했습니다. 자세한 내용은 기사 「2023년 재생에너지 부문의 침체」에서 살펴볼 수 있습니다.

전기차 전환 일정도 GM, 포드, 혼다 등의 사업이나 협력 계획 연기·변경으로 압박을 받았습니다. 그렇다고 모든 전기차 전략이 취소되거나 세계 판매 증가가 끝난 것은 아닙니다.

풍력·태양광 발전의 변동성

풍력과 태양광은 날씨에 영향을 받으며 생산 시점이 수요와 항상 맞지는 않습니다. 전력망은 생산과 소비의 균형을 계속 유지해야 합니다. 저장은 계통 연계, 수요 유연화, 조절 가능한 발전과 함께 활용되는 수단입니다.

양수발전처럼 오래된 저장 기술도 있습니다. 다른 장주기 저장 방식은 당시 보급 규모가 제한적이었습니다. 유연성이 충분하지 않으면 기후, 에너지 구성과 전력망에 따라 서로 다른 시간에 잉여와 부족이 발생할 수 있습니다.

해결할 수 없는 문제는 아니지만, 정책의 조율과 더 많은 전력망 투자가 필요합니다.

에너지 시스템을 비교할 때는 저장, 전력망 확충과 다른 통합 비용도 포함해야 합니다. 이런 비용은 변동성 태양광·풍력 비중이 커질수록 중요해집니다. 화석연료 대안보다 저렴한지는 발전 비용만이 아니라 지역 여건에 따라 달라집니다.

배터리의 한계

전기차 확산에는 구매 가격, 주행거리와 충전 시간이 영향을 줍니다. 초기 구매자가 받아들인 절충을 다른 소비자는 원하지 않을 수 있습니다. 리튬 공급과 당시 가격 압박도 우려를 낳았습니다.

나트륨이온 배터리와 고체 전해질 배터리는 개발 중인 대안입니다. 설계에 따라 비용, 주행거리, 충전이나 안전성을 개선할 수 있습니다. 하지만 새 기술이 모든 주행거리·화재 우려를 자동으로 없애지는 않습니다.

화석연료에서 벗어나기 어려운 에너지 용도

일부 용도는 전환이 어렵습니다. 예를 들어 장거리 해운에는 충분한 에너지 밀도를 가진 실용적인 연료가 필요합니다. 항공 역시 높은 에너지 밀도를 요구하며, 특히 장거리에서는 당시 배터리의 무게가 너무 컸습니다. 많은 플라스틱은 석유를, 질소비료는 주로 천연가스를, 전통적인 고로 제철은 원료탄을 사용합니다.

이 분야에도 대안은 있지만, 많은 기술이 개발 단계였으며 전 세계에 널리 보급되지는 않았습니다.

에너지 시스템을 바꿀 수 있는 기술

가능성이 비교적 높은 기술 변화

재생에너지와 다른 저탄소 기술의 성장을 도울 수 있는 여러 해법이 이미 존재합니다.

원자력 기술 혁신

원자력은 논쟁적인 기술이지만 탄소배출이 적으며 재생에너지 중심의 미래로 전환하는 데 기여할 수 있습니다.

소형모듈원자로인 SMR 역시 2023년 사업비 증가에 따른 차질을 겪었습니다. 동시에 SMR과 초소형 원자로, 그리고 토륨 등을 활용하는 연료주기 기술이 개발되고 있었습니다. 2023년 중국에는 24기의 원자로가 건설 중이었으며, 장기적으로는 최대 150기 규모의 계획도 보도됐습니다.

향상된 재생 에너지

태양광은 새로운 소재와 생산 방식의 혜택을 받을 수 있습니다. 예로는 비정질 실리콘 등을 사용하는 박막전지와 유기 소재 또는 페로브스카이트를 사용하는 신흥 전지가 있습니다. 비정질 실리콘은 뒤의 두 소재와 같은 범주가 아닙니다.

대규모 배터리 저장은 전력망을 지원할 수 있습니다. 2022년 12월 EIA의 전망은 미국에 관한 것으로, 2022년 말 예상 출력 약 9.2GW에서 2025년 말 30GW로 세 배 이상 늘어난다는 내용이었습니다. 이는 사업 계획에 근거한 전망이지, 확인된 세계적 성장 실적이 아닙니다.

출처: EIA

고체 전해질 배터리

고체 전해질 배터리는 중요한 개선을 가져올 수 있습니다. 2023년에는 개발사별로 2026~2029년이라는 넓은 기간이 거론됐으며, 모두의 공통된 확정 출시일은 아니었습니다. 기사에는 QuantumScape (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS)와 Samsung SDI (006400.KS)가 언급됩니다. 예를 들어 도요타는 당시 2027~2028년을 목표로 했습니다. Tesla (TSLA ) (TSLA)는 연결된 기사에서 다른 배터리 개선 방식과 관련해 소개됩니다. 링크 자체가 상용 고체 전해질 제품을 확인해 주는 것은 아닙니다.

불확실성이 더 큰 기술 변화

다른 기술은 성숙도가 낮았지만 장기적으로 큰 잠재력을 가질 수 있습니다. 2040~2050년 에너지 구성에 얼마나 기여할지는 불확실합니다.

증식로와 핵연료 재활용

증식로는 증식성 물질로 새로운 핵분열성 연료를 만들 수 있습니다. 연결된 증식로 설명은 이 원리를 다룹니다. 일부 고속로는 재처리를 거쳐 사용후핵연료의 악티늄족 원소도 활용할 수 있습니다. 이는 자원 효율과 일부 폐기물 저감에 도움이 되지만 모든 폐기물을 없애거나 연료를 무한하게 만들지는 않습니다. 프랑스는 슈퍼페닉스 등의 경험이 있으며, 해당 시설은 1997년에 폐쇄됐습니다. 정치 외에도 기술, 비용, 재처리와 폐기물 관리 문제가 중요합니다.

우주 기반 태양광

궤도 태양광은 구름과 일부 일주기·계절 변동의 영향을 줄일 수 있습니다. 그러나 궤도, 식, 건설, 비용과 지상으로의 안전한 에너지 전송 같은 과제가 남습니다. 스타링크는 대규모 위성망 구축이 가능함을 보여 주지만 우주 에너지 전송의 경제성을 입증하지는 않습니다.

관련 내용은 「공상과학에서 궤도로: 우주 태양광 패널은 좋은 아이디어일까?」에서 더 자세히 다룹니다.

지열

적절한 지역의 지열은 지속적인 열과 전력을 공급할 수 있습니다. 관련 기업에는 Vulcan Energy (VUL.AX), Ormat Technologies (ORA ) (ORA)와 Eavor가 있습니다. 이 분야는 석유·가스 산업에서 발전한 시추 지식도 활용하지만 모든 기업이 수압파쇄를 사용하는 것은 아닙니다. 예를 들어 Eavor는 폐쇄회로 방식을 사용합니다. (Ormat은 이 기사에서, Vulcan은 다른 기사에서 다룹니다.)

합성 연료

재생에너지나 원자력으로 생산한 전기는 기체 또는 액체 에너지 운반체를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들면 수소, 암모니아, 합성가스, 합성연료입니다.

생물학적 대안으로는 「조류 바이오연료: 다음 에너지 혁명일까?」에서 다룬 미세조류 연료와, 유기성 폐기물로부터 바이오가스와 바이오메탄을 만드는 생물학적 공정이 있습니다.

이 연료는 항공기, 선박과 제철 등 높은 에너지 밀도나 높은 온도가 필요한 공정에 사용할 수 있습니다.

핵융합

핵융합은 가벼운 원자핵이 합쳐질 때 에너지를 방출합니다. 태양도 핵융합으로 에너지를 얻지만 지상 실험의 반응과 조건은 다릅니다. 수백만~수억 도의 온도를 다루는 일은 큰 기술적 도전입니다.

핵융합 반응 자체는 연소로 인한 CO₂를 배출하지 않습니다. 하지만 중성자가 구조재를 방사화하면 방사성 폐기물이 생길 수 있으며 삼중수소도 방사성 물질입니다. 중수소·삼중수소 핵융합에는 특정 수소 동위원소가 필요하고, 리튬으로 삼중수소를 생산하는 것이 중요한 과제입니다. 일반 수소가 곧바로 무제한 사용 가능한 연료인 것은 아닙니다.

주요 연구 사업 중 하나는 ITER입니다. 또한 여러 신생 기업이 핵융합을 개발하고 있으며, 예로 Helion, General Fusion (GFUZ ), Commonwealth Fusion, TAE Technologies, ZAP Energy, NEO Fusion (중국 전기차 제조사 Nio도 자금 지원에 참여)이 있습니다. ITER는 상업용 발전소가 아닌 연구시설입니다.

가능한 미래의 에너지 구성

장기적인 잠재력에도 불구하고, 약 2040년을 바라보는 다음 시나리오들은 주로 앞서 소개한 불확실한 기술 돌파가 아직 실현되지 않은 에너지 구성을 검토합니다.

미국 에너지정보청 EIA는 International Energy Outlook 2023에서 기준 사례와 여섯 대안 사례를 발표했습니다. 경제성장, 연료 가격과 기술비용 가정이 서로 다릅니다. 아래의 이야기들은 이 기사의 자체 분류이지 EIA의 공식 시나리오 명칭은 아닙니다.

여러 EIA 사례에서 에너지 사용은 계속 증가하고 화석연료는 2050년에도 큰 비중을 유지합니다. 결과는 가정과 당시 정책에 따라 달라집니다. 확정된 미래가 아니라 조건부 전망입니다.

출처: EIA

현 상황 유지

기후변화를 주시하는 사람에게는 암울한 시나리오입니다. 이후 약 20년간 석탄, 가스와 석유가 에너지 시스템을 주도하고 대부분의 에너지를 공급한다고 가정합니다.

에너지 위기 당시 독일의 일시적인 추가 석탄발전 활용은 공급 안정과 기후목표의 긴장을 보여 줬습니다. 에너지 시스템 전체가 화석연료만으로 돌아간 것은 아닙니다.

첨단기술 중심 경로

다른 선택은 사회가 에너지 기술 전환을 받아들이는 것입니다. 재생에너지뿐 아니라 기존형·소형 원자로를 모두 활용하는 대규모 원자력 확대도 포함합니다.

이 시나리오에서는 화석연료 발전이 더 나은 대안에 가격 경쟁력을 잃거나 법으로 제한·금지됩니다.

전기차도 새로운 배터리 기술의 도움을 받아 빠르게 보급될 수 있습니다.

이 경우 원자력은 겨울에도 조절 가능한 저탄소 전력을 공급합니다. 재생에너지 잉여 전력은 항공, 해운과 중공업의 배출을 줄일 연료 생산에 활용할 수 있습니다. 적절한 공정과 충분히 저렴한 전력이 필요합니다.

저소비 경로

중국, 남미, 아프리카, 인도와 인도네시아의 증가하는 에너지 수요를 고려할 때, 기사는 이 경로의 가능성을 낮게 봅니다.

이는 생산을 의도적으로 줄이는 선택이며, 필자의 판단으로는 평균 생활수준 하락을 수반할 가능성이 있습니다. 여행과 국제무역이 줄고, 농업의 산업화 수준이 일부 낮아지며 경제는 더 지역 중심으로 바뀝니다.

기사는 이러한 급격한 경제활동 감소를 국제적 긴장, 전쟁이나 세계적 불황과 연결합니다. 필자는 민주주의와 권위주의 국가 모두에서 자발적 생산 축소의 정치적 가능성이 낮다고 평가합니다.

점진적 적응 시나리오

여기서는 여러 변화가 동시에 나타납니다. 화석연료는 조금 줄지만 사라지지는 않습니다. 석탄은 석유와 가스보다 더 많이 퇴출됩니다. 일부 국가는 원자력에, 다른 국가는 재생에너지에 투자하고, 또 다른 국가는 기존 경로를 유지합니다.

전기화와 배출 감축이 기대보다 느리게 진행됩니다. CO₂ 배출은 IPCC가 온난화 제한을 위해 검토하는 탄소중립 경로보다 뚜렷하게 높게 남습니다.

이는 앞서 언급한 일부 EIA 전망과 비슷합니다. 나중에 탄소 포집이 신규 배출을 줄이고, 대기 중 CO₂ 제거가 과거 배출의 일부를 처리하는 데 기여할 수 있습니다.

기술 돌파 시나리오

이 시나리오에서는 에너지 생산에 획기적 진전이 생겨 풍부한 에너지를 공급하고 빠르게 세계로 보급할 수 있습니다.

예를 들면 SpaceX (SPCX )와 중국 기업의 경쟁으로 궤도 태양광 인프라 비용이 크게 낮아지는 경우입니다. 줄어드는 것은 인프라의 양이 아니라 비용입니다.

ITER의 큰 과학적 성과도 예가 될 수 있습니다. 2023년에 거론된 2025~2026년 시작은 옛 사업 일정의 이정표이지 상업 발전 개시가 아니었습니다. 이후 일정이 바뀌었으므로 옛 날짜는 현재의 가동 목표가 아닙니다.

또는 태양전지와 배터리의 혁신적인 새 설계가 나올 수도 있습니다.

이런 변화는 본질적으로 예측하거나 수치화하기가 매우 어렵습니다. 그렇다고 완전히 배제할 필요는 없습니다.