2050 에너지 레볼루션

- 기후변화와 인류문명
지구는 지금으로부터 약 45억 년 전에 생성되었으며, 생명은 35 억 년 전쯤 최초로 출현한 이래 진화를 거듭하여 약 20만 년 전에 현생인류인 호모사피엔스로 진화하기에 이르렀다. 인류는 마지 막 빙하기 무렵 북아메리카와 오세아니아에까지 퍼져나갔고, 빙 하기가 끝나는 기원전 1만 2천 년경에는 빙하가 덮지 않은 지구상 의 모든 지역에 거주하게 되었다. 1만 년 전에 빙하기가 끝나자 지 구는 현재의 따뜻한 간빙기인 홀로세(Holocene)에 진입하였고, 기 후가 온난해지면서 인류는 7천 년 전쯤 정착생활로 접어들었다. 그리고 정착하여 살게 되면서 드디어 문명시대의 마중물이라 할 수 있는 신석기 농업혁명을 이루었다.
물론 홀로세 동안에도 혹독한 기후변동이 있었지만, 그 변동폭 은 수백 년 단위의 규모에서 최대 약 1°C 정도 기온이 변하는 수준 이었다고 알려져 있다. 그러나 이러한 정도의 기온변동에도 인류 는 힘겹게 적응해야만 했다.
앞의 그래프를 보자. 홀로세에서도 기원전 6천 년에서 4천 년 과 3천 년에서 2천 년 사이는 가장 온난했던 시기로 '기후 최적기' 라 부른다. 이 시기에 나일강, 티그리스·유프라테스강, 인더스강, 황허강 유역 등에서 고대 문명이 탄생하였다. 신석기 농업이 시작 된 이후 인류가 기후 때문에 가장 극심하게 고통받았던 시기로는 기원전 8세기에서 기원전 3세기까지, 그리고 14세기에서 19세기 까지 두 번의 '소빙하기'를 꼽는다. 이 두 차례의 소빙하기는 인류 역사에서 가장 혼란스러웠던 시기인 동시에 문명을 도약시킨 시 기이기도 했다.
- 기원전 2천 년부터 거대한 화산 폭발이 심해지고 기후는 점차 한랭 건조해졌다. 그로 인해 식량이 부족해지자 인간 사회에는 정 치, 경제, 사회적 갈등이 증폭되었고, 결국 고대 문명이 무너졌다. 이후 기원전 8세기부터 기원전 3세기까지는 그 전보다 혹독한 재 해성 기후로 농업 생산량이 크게 떨어졌다. 또한 식량 부족으로 동 서양에 걸쳐 민족의 이동이 심해져 민족 간 충돌이 많아졌으며, 이 는 정치·경제·사회뿐만 아니라 인류의 정신세계에도 영향을 미쳤 다. 민족들이 뒤섞이는 상황에서 서로 다른 생각을 하는 사람들이 만나게 되고, 이로부터 새로운 사상이 싹틀 환경이 조성되면서 종교와 철학이 더욱 발달하게 되었다.
이후 유럽 지역의 중세 온난기였던 9세기에서 13세기까지는 기 후 조건이 좋아졌다. 이때 영국 잉글랜드에서는 포도가, 노르웨이 에서는 보리, 밀 등의 곡물이 재배되었다. 이 시기에는 사상적으로 나 사회적으로도 큰 변화가 없었으며 13세기 말에는 지구상의 인 구가 4억 명으로 증가할 정도로 번영하였다. 그러나 이후 14세기 에서 18세기까지 400여 년에 걸쳐 북반구의 평균 기온이 0.6°C 낮 아진 소빙하기를 다시 겪게 되었다. 그런데 두 번째의 소빙하기를 맞은 인류는 기상이변, 흉작과 전염병의 원인을 이전과 같이 신의 섭리에서 찾지 않고 사회 체제의 문제로 보았다. 그에 따라 유럽에서는 영국의 청교도혁명과 명예혁명, 프랑스의 프랑스혁명 등 종교적·정치적 위기가 심화되었으며, 이는 다시 새로운 계몽주의 시 대를 여는 계기가 되었다.
한편 이러한 혼란의 시기에 유럽인들은 세계 각지로 새로운 기 회를 찾기 위해 나서기 시작했고, 이는 세계적 규모의 무역이 이 루어지는 대항해시대로 이어졌다. 과학자들도 이전에 진리로 여 겨졌던 명제들에 대해 질문을 던지면서 새로운 과학적 진실을 찾 기 위한 연구가 많이 이루어졌다. 이러한 분위기 속에서 천동설이 무너지고 지동설이 확립되었고, 근대과학을 기반으로 18세기 중 반에는 영국을 시작으로 산업혁명이 일어났다. 기후변화에 의한 재난과 재앙을 합리적으로 극복하는 과정에서 과학은 물론 농업을 비롯한 각종 산업에서 혁명적인 변화를 이루었던 것이다. 또 정치·사회적 어려움을 극복하는 과정에서 새로운 사상이 출현하여 정의, 자유, 평등에 좀 더 가까이 다가갈 수 있는 근대사회로 이행 하게 되었다.
- 과거의 기후변화와 사회변화 역사를 되돌아볼 때 두 번의 소빙 하기는 당시 사람들에게는 고통스러운 시기였지만, 현대 문명을 싹틔운 기회의 시기이기도 했다. 기후 조건이 좋았던 고대 문명 시 기와 중세 유럽의 온난기를 거치며 쌓여가던 문제점들이 기후 조 건이 좋지 않았던 시기에 폭발했지만, 인류는 이러한 기후위기를 극복했다. 그리고 이후 석탄·석유 등 화석연료를 활용한 산업혁명 기를 거쳐 오늘의 번영을 이루었다.
문제는 현재 인류가 누리고 있는 번영의 이면에 막대한 화석연 료의 사용과 도시화, 토지개발 등에 따른 산림파괴가 자리 잡고 있 으며, 그로 인해 다시금 지구온난화라는 기후위기가 진행되고 있 다는 것이다.

- 국제에너지기구(IEA, International Energy Agency)에 따르면 지난 2018년 기준 전 세계의 석유 수요는 도로수송(42.2%)이 1위를 차 지했다. 이어 석유화학(18.3%), 빌딩 및 발전(12.3%), 항공 및 선박 (12%), 기타(12%) 순이다. 이 중 석유의 가장 큰 수요처인 도로수송 은 내연기관 차량이 빠르게 전기차로 대체되면서 수요의 감소 또 는 정체가 불가피하다. 석유의 주요 수요처 중 하나인 화학산업 또 한 리사이클링 등 친환경 소비 확산으로 예전에 비해 위축된 상황 이며 발전 부문도 태양광, 수소 등 친환경 에너지가 점차 대세로 자리 잡고 있다. 사우디아라비아의 석유장관이었던 야마니가 석 유산업의 미래에 대해 했던 예언을 다시 생각하지 않을 수 없다.

- 과학적으로 증명된 지구온난화 현상
기후변화 현상, 화석연료의 탄소기반 에너지의 탄소기반 에너 지 체계의 위험에 대한 과학적 연구는 1824년 프랑스의 수학자이 자물리학자인 조제프 푸리에(Joseph Fourier)가 처음 시작했다. 그 가 처음으로 설명한 대기 에너지 전도의 비대칭성은 오늘날의 온 실효과(Green House Effect)에 해당한다. 이러한 기온상승 효과는 1850년대에 미국의 과학자 유니스 푸트(Eunice Newton Foote)가 실 험을 통해 이산화탄소 온실효과를 입증함으로써 최초로 과학적인 증명이 이루어졌고, 아일랜드의 존 틴달(John Tyndall)이 이산화탄 소에 의한 온실효과를 이론적으로 정립했다.
이어서 1895년에 스웨덴의 물리학자인 스반테 아레니우스 (Svante Arrhenius)가 대기 중 이산화탄소 농도와 기후변화의 연관성을 명확하게 제시하며 화석연료 사용이 기후변화 영향, 즉 온실효 과를 초래할 수 있음을 증명했다. 인간의 활동이 기후변화에 영향 을 미쳤을지도 모른다고 처음으로 의문을 제기한 사람은 영국의 공학자인 캘런더(Guy Stewart Callendar)이다. 그는 1938년에 발표한 논문에서 화석연료를 태울 때 나오는 이산화탄소가 기후변화에 많은 영향을 미치고 있다고 주장하였다.
기후변화에 대해 아직도 일부 회의론자들은 반박하기도 하지 만, 이렇게 출발한 기후변화에 대한 연구를 통해 인류의 활동이 지 구온난화를 초래했다는 것이 이제는 논란의 여지가 없는 과학적 사실로 인식되고 있다. 1958년 미국의 화학자 찰스 킬링 (Charles David Keeling) 이하와이 마우나로아(Mauna Loa) 해발 4,000m 정상 근처 관측소에서 대기 중 이산화탄소 농도를 측정했는데, 당시 315ppm이던 이산화탄소 농도는 2021년 4월 8일 421.4ppm을 기록했다. 그리고 이 수치는 최근 20만 년 중 가장 높은 기록이라 고 한다.

- 배출권 거래제
배출권 거래제는 환경 오염재를 거래하는 일명 탄소시장을 조 성하여 시장의 수급에 의해 탄소가격을 결정한다. 먼저 정부가 허 용 가능한 오염물질의 연간 총배출량을 결정하고 배출권을 발행 한다. 배출권은 오염물질을 배출할 수 있는 권리로서, 배출권을 보 유한 기업만이 할당된 양만큼의 오염물질을 배출할 수 있도록 하 는 제도이다.
배출권의 발행은 경매방식으로 하며 기업의 배출권 수요가 공 급된 총량과 같아지는 가격에서 배출권을 판매한다. 기업은 배출 권의 가격이 오염물질 배출의 한계비용이므로, 이것이 오염물질 배출의 한계 편익과 같아질 때까지 배출권을 수요하게 될 것이다. 이는 시장 메커니즘에 기반하고 있어 기업이 탄력적으로 대응할 수 있는 기회를 주고, 이러한 유연함이 비용 효율성을 극대화하기 때문에 가장 적은 비용으로 온실가스를 감축하도록 유도하는 것 이 장점이다. 또한 온실가스 감축에 대해 인센티브를 부여하므로 기업이 자발적으로 감축 노력에 투자할 수 있도록 유인할 수 있다. 반면에 단점으로는 경기에 영향을 받기 때문에 탄소가격에 변동 성이 있고, 적용대상에서 제외된 부문은 배출량 조절에 어려움이 있다는 점이다.
배출권 시장은 다시 '할당 베이스' 시장과 '프로젝트 베이스' 시장으로 나뉜다. 할당 베이스 시장은 기업별로 온실가스 배출 허용량이 할당되면 할당량 대비 잉여분 및 부족분을 거래하는 개념이 다. 반면 프로젝트 베이스 시장은 배출량 감축 프로젝트를 실시하 여 거둔 성과에 따라 획득한 크레디트를 배출권 거래 형태로 거래 하는 개념이다. 즉 청정개발체제 (CDM, Clean Development Mechanism) 프로젝트를 통해 획득한 크레디트는 CER(Certified Emission Reduction)라고 하며, 공동이행(JI, Joint Implementation) 프로젝트를 통해 획득한 크레디트는 ERU(Emission Reduction Unit)라고 한다. 2002년 영국에서 최초로 자발적인 배출권 거래제가 도입된 이 후 2005년부터 EU 차원에서 의무할당 방식의 배출권 거래제가 시행되면서 온실가스 거래시장을 주도하고 있다. 2005년 발효된 <교토의정서> 체계가 온실가스 배출권 거래의 기반을 제공하며, 지구온난화 방지를 위한 국제협약에 따라 이산화탄소 등 온실가스 배출권에 대한 소유권이 설정되고, 수급에 따라 배출권 가격이 형성된다.
배출권 거래제를 도입한 도시 · 국가는 총 25개국으로 EU, 미 국 북동부의 9개 주가 참여하는 지역 온실가스 감축협약(RGGI, Regional Greenhouse Gas Initiative), 중국, 뉴질랜드, 카자흐스탄, 한국 등이 있다. EU의 경우 시행 초기에는 과다 할당과 횡재 이윤의 문 제로 실패했다는 평가를 받았으나, 명확한 분류체계와 기준을 바 탕으로 할당 체계를 수정하고 투명하게 운영하여 현재는 가장 큰 탄소시장으로 배출권 거래제를 선도하고 있다. 배출권의 규모도 총배출량의 약 40%를 차지하며, 2017년 기준 총배출량은 43억 2,300만톤 COzeq로 에너지 부문(78%)에서 가장 높은 비중을 보였 다. 1990년 배출량을 기준으로 중장기 목표를 수립해 2030년에는 1990년 대비 40% 감축, 2050년까지 탄소중립을 달성하겠다는 계 획이다.
- 우리나라에서는 2015년부터 약 600개 기업을 대상으로 배출권 거래를 실시하고 있다. 배출권 거래시장은 현재 EU에 이어 세계 2위 규모이지만, 아직은 잉여 배출권 이월과 시장기능 미흡 등으 로 효과적인 온실가스 감축 효과는 누리지 못하고 있다. 국내 배출 권은 KAU(Korea Allocation Unit), KCU(Korea Credit Unit), KOC(Korea Offset Unit)의 세가지 유형이 있다. 2015년 1월 12일 개장부터 2020년 9월까지의 총 거래량은 1억 6,400만 톤이고 거래금액 기 준으로는 4조 420억 원에 해당한다. 연도별 배출권 거래량은 2015년 570만 톤, 2016년 1,190만 톤, 2017년 2,630만 톤, 2018 년 4,750만 톤, 2019년 3,810만 톤, 2020년 9월까지 3,450만 톤이었다. 이 중 KAU가 1억 3,700만 톤으로 83%를 차지하고, KCU가 340만 톤으로 2%, KOC가 2,370만 톤으로 15%를 차지하였다. 2015년 1월 12일 개장 첫날 톤당 8,640원이던 배출권 가격은 2016년 평균 1만 7,179원으로 올랐고 2020년에는 평균 2만 9,126 원 수준에 거래됐으며 2021년에는 톤당 2~3만 원을 오르내리고 있다. 정부는 배출 허용량 중 유상으로 할당하는 업종과 비율을 점 차 늘리고 있다. 1차 계획기간(2015~2017년)에는 대상 기업에 100% 배출권을 무상 할당했지만 2차 계획기간(2018~2020년)에는 3%를 유상 할당했고, 2021년부터 2025년까지인 3차 계획기간에는 이 비율을 10%로 높인다. 유상할당 대상 기업은 이 비율만큼 배출량을 줄이거나 시장에서 사들여야 한다.
2050년 탄소중립 선언에 따라 탄소감축 필요성이 커지면서 추 후 유상할당 비율은 더 늘어날 예정이다. 특히 철강, 석유화학, 시 멘트, 정유 등 탄소 다배출 업종은 배출권 구매 부담에 더하여 탄 소감축 설비 투자까지 병행해야 하므로, 시설투자에 대한 부담과 함께 정부의 탄소중립 정책에 따른 사업재편의 부담도 있다.

- 국내 철강산업에서도 저탄소/탈탄소 공정으로 나아가려는 준 비를 하고 있다. 철기시대 이래로 지금까지 뜨거운 용광로(고로)에 서 철광석과 석탄 종류인 코크스를 환원제로 섞어 쇳물을 녹여내 왔지만 이제는 코크스 대신 수소를 활용하는 수소환원 제철공법 등을 통하여 획기적으로 이산화탄소 발생을 줄이려는 것이다. 이 를 위해 철강업계가 수소 환원 방식의 전기로로 전환하려면 기존 고로에서 쇳물을 뽑아내는 공정 전체를 바꿔야 하는데, 이에 따른 투자와 매몰 비용은 110조 원에 이를 것으로 예상했다.
정유산업은 친환경 모빌리티 보급 증가로 제품 수요가 줄어들 것에 대비해 석유제품 대신 화학 원료 생산을 늘리는 COTC(Crude Oil To Chemical) 전략을 수립하여 2030년까지 바이오경유 혼합비중도 5%로 확대할 계획이다. 나머지 탄소는 CCUS 기술개발을 통해 제거한다는 계획이다.
화학업계 관계자는 “최대한 플라스틱 재활용 비중을 높이고 기 초 원료인 나프타는 물성이 비슷한 바이오 원료나 수소와 이산화 탄소를 합성하는 방식으로 대체하는 기술을 준비하고 있다. 예를 들면, LG화학은 세계 최대 바이오디젤 생산업체인 핀란드 네스테 와 전략적 파트너십을 맺고 올해 하반기에 바이오디젤을 기반으로 하는 친환경 합성수지 제품을 내놓을 계획이다”라고 전하고 있다.

- 자연 상태의 철광석은 철 성분이 산소와 결합된 적철광(Fe2O), 자철광(Fe,O) 등산화철 상태로 존재한다. 철광석에서 산소를 떼어 내고 순수한 철 성분만 얻는 작업이 제철공정이다. 흔히 용광로라 불리는 고로에서는 철광석이 철로 환원되는데, 철강산업에서 발 생하는 온실가스 대부분은 이 과정에서 발생한다. 철광석에 붙어 있는 산소를 제거하기 위해 환원제로 어떤 것을 이용하느냐에 따 라 탄소 배출량이 결정되는 셈이다.
현재 사용하는 탄소환원제철법은 고로에 철광석과 코크스를 넣 고 녹여 액체 상태의 철을 만드는데, 이 과정에서 제철용 석탄 등 탄소계 환원제가 투입된다. 산소와 친화적인 물질 중 하나가 탄소 이기 때문이다. 환원작업이 진행되면서 산소가 탄소로 옮겨가면 순수한 철만 남게 되지만, 이산화탄소가 대량으로 발생할 수밖에 없다. 반면 수소환원제철법은 환원제로 탄소가 아닌 수소를 사용 한다.

- 분산에너지(Distributed Energy)는 수용가 내부 또는 수요지 인근 에 위치한 분산형 전원과 전력계통 안정화에 기여할 수 있는 자원 이다. 전기사업법에 의하면 '분산형 전원'이란 수요 지역 인근에 설치하여 송전선로 건설을 최소화할 수 있는 40MW 이하의 모든 발전설비, 500MW 이하의 집단에너지·구역전기 · 자가용 발전설 비를 말한다. 분산에너지는 분산형 전원에 더하여 ESS, DR 등의 분산자원과 열, 수소 등의 비전력까지 포함한다. 화력발전, 원자력 발전 등 대형 중앙집중형 발전 중심에서 소비 지역 인근의 중소 규모 재생에너지 발전원 연결이 증가하면서 분산에너지 관리가 더욱 중요해지고 있다.
분산형 발전의 가장 큰 장점 중 하나는 대규모 송전이 필요하지 않다는 것이다. 대용량 발전소를 짓고 다량의 전기를 여러 곳으로 보내야 하는 중앙집중 방식은 송전 비용이 많이 든다. 그러나 분산 발전은 태양광 패널과 같은 소규모 발전설비를 이용해 특정 지역, 산업단지 그리고 내가 사는 집에서 자체적으로 전력을 생산, 사용, 저장하는 형태이다. 따라서 규모를 크게 만들 필요도 없고 부지 등 비용 부담이 적으므로 비교적 쉽게 설치할 수 있다. 또 장거리 송 전으로 인한 비용이나 전력손실이 훨씬 줄어들게 된다. 또한 주로 신재생에너지를 활용한 친환경 발전원으로 구성되어 있어, 미세먼지 및 온실가스 감소 효과까지 기대할 수 있다.

- 가상발전소(VPP)란 지역별로 흩어져 있는 재생에너지 발전설비 와 ESS를 클라우드 기반 소프트웨어로 통합한 뒤 하나의 발전소 처럼 관리하는 발전소이다. 인공지능 기술 등을 활용해 전력망에 존재하는 다양한 전원들을 효율적으로 통합 관리하고, 분산된 전 력 소비 정보를 수집하고 분석한 뒤 그때그때 필요한 전력만 생산 하는 맞춤형 발전사업이다. 수백 개의 발전소가 매 순간 서로 짝을 바꿔 지으며 각 지역을 담당하는 수십 개의 가상발전소를 구성하 는 것이라고 생각하면 쉽다. 상황에 맞춰 발전량 조절이 쉽고, 발 전 효율성도 크게 높아진다.
특히 태양광·풍력 발전은 계절이나 날씨, 시간에 따라 발전량 이 들쭉날쭉한 간헐성이 특징이라 정확하게 수급을 예측하는 것 이 중요하다. 태양광의 경우 개인이나 기업이 소규모 설비를 설치 해 전력을 생산한 뒤 남은 전력을 ESS에 저장했다가 시장에 사고 팔 수도 있게 된다. 가정의 태양광발전 패널과 전기차 배터리도 가 상발전소에 참여할 수 있다.
맑은 날 대낮에 가정에서 만들어진 전기는 집 안에서 모두 쓰이 지 못하는 경우가 많다. 가정의 스마트 그리드 장치를 통해 이 전 기를 지역의 가상발전소에 제공하고, 근처 사무실이나 가정에서 쓰도록 한다. 또 전기차를 주차하면서 충전 장치를 통해 스마트 그리드에 연결하면, 출퇴근할 때 필요한 만큼의 전기만 남기고 나머 지는 가상발전소에 제공하는 것도 가능하다.
재생에너지 비중이 늘어난다는 것은 그만큼 전력망이 불안정해 진다는 것이며, 전력망이 개인과 지역 중심으로 분산되면 이전처 럼 한눈에 전체 전력 수요를 파악하기 어려워지는 문제가 발생한 다. 이러한 문제를 해결하기 위해 가상발전소 도입이 확대될 것이 며 그 역할이 더욱 중요해질 전망이다.
글로벌 석유기업 쉘은 2021년 2월 유럽 가상발전소 운영사 넥 스트크라프트베르케를 인수한다고 발표했다. 이 회사는 유럽 8개 국에 분산되어 있는 1만여 개의 태양광, 수력, 바이오에너지 발전 설비에서 발생하는 전력 수요를 통합·관리하는 기술을 보유하고 있으며, 이를 통해 2030년에는 지금의 2배 규모인 560TWh의 전력을 판매할 것이라고 밝혔다.
미국의 전기차 회사 테슬라도 2022년까지 호주에 세계 최대 규 모의 가상발전소를 구축한다는 계획을 세웠다. 테슬라는 남호주 의 주택 5만여 채에 250MW급 태양광발전기를 설치하고, 전력 생 산과 판매에 나선다는 방침이다. 전 세계 가상발전소 시장 규모는 연평균 27%씩 성장하고 있어, 2019년 8억 7천만 달러에서 2027 년엔 28억 5천만 달러 규모가 될 것으로 전망한다.
우리나라의 경우 한국남동발전 등 발전공기업, KT, 한화큐셀 등 주요 기업에서 가상발전소의 가능성을 보고 사업 진출을 준비 하고 있다. 한화큐셀은 2020년 5월 가상발전소에 특화된 호주에 너지 소프트웨어 업체인 스위치딘에 투자를 결정했으며 2020년 9 월 미국 에너지업체 그로윙에너지랩스를 인수하며 분산형 에너지 솔루션 시장에 진출할 발판을 마련했다.
SK E&S도 미국 가상발전소 시장 진출을 목표로 2019년 5월스 위스 에너지회사 수시와 합작회사를 세웠고 2020년 6월에는 미국 에너지솔루션업체 스템(STEM)과 AI 기반 가상발전소 운영계약을 체결했다. 서울시, 울산광역시 등의 지자체들도 가상발전소 사업 에 적극 나서고 있다.

- 인간이 사용할 수 있는 모든 자원 중에서 가장 강력한 자원은 '기회'라고 한다. 이탈리아 토리노 박물관에 있는 제우스의 아들이 자 기회의 신인 카이로스 동상에는 이런 이야기가 전해진다.
"내가 벌거벗은 이유는 쉽게 눈에 띄기 위함이고, 나의 앞머리가 무 성한 이유는 사람들이 나를 보았을 때 쉽게 붙잡을 수 있게 하기 위함 이며, 나의 뒷머리가 대머리인 이유는 내가 지나가고 나면 다시는 불 잡지 못하도록 하기 위해서 이며, 나의 발에 날개가 달려 있는 이유는 순식간에 사라지기 위함이다. 나의 이름은 바로 '기회'이다."
카이로스 동상은 기회에 대한 은유적인 표현과 함께 그가 들고 있는 저울과 칼을 통해서 기회를 포착하는 방법도 설명하고 있다. 왼손에 저울이 있는 것은 일의 옳고 그름을 정확히 판단하라는 것 이며, 오른손에 칼이 주어진 것은 칼날로 자르듯이 빠른 결단을 내 리라는 것이다. 현실적으로는 이러한 글로벌 메가트렌드, 패러다 임의 변화 속에서 스스로 적극적으로 기회를 찾고, 빠른 판단으로 그것을 찾아가 얻어내는 것이 최우선이다.