에너지 연구 분야 최고의 과학자들이 전하는 에너지 공급의 미래
―독일 막스플랑크협회 연구 보고서

우리가 현재 이용하는 일련의 중요한 에너지원이 유한한 데서 과학과 정치, 공론장에서는 에너지 문제에 따른 우리의 미래 전략에 대해 집중적인 논의가 시작되었다. 이 논의는 새로운 것이 아니며 일정한 간격을 두고 반복되었다. 요컨대 풍력 에너지를 이용해 인간과 재화를 수송하는 배를 건조하기 위해 전 지역의 삼림을 벌채한 고대부터 1970년대의 석유 위기에 이르기까지 논의가 되풀이된 것이다. 그럼에도 현재의 에너지 논의는 예전과 다른 성질을 띤다. 과거에 우리는 하나의 에너지원에서 다른 에너지원으로, 이를테면 목재에서 석탄으로 다시 석유로 옮아갔는데, 그 이유는 그때마다 새로운 기술이 비용도 더 적게 들고 단순화했기 때문이지 기존의 에너지원을 더 이상 사용할 수 없기 때문은 아니었다. 그러나 지금 우리는 우리 문명의 본질적 에너지 원천인 석유의 유한성에 직면하고 있다.
‘전문가들, 극적인 에너지난 경고’, ‘위기에 처한 에너지 안보’, ‘바이오 연료 붐으로 기근 심화’ 같은 신문 머리기사 제목은 일부 과장일 수 있고, 대재앙 시나리오를 선호하는 매체의 속성에 기인한 것일 수도 있다. 하지만 지속 가능한 에너지 공급 문제가 지난 몇십 년간 인류의 중심 화두였던 것은 최근 기름 값이 폭등하고 바이오 연료에 대한 논의가 활발해진 데서 비롯한 것이 아니다. 그 해답을 찾는 데는 과학이 결정적인 기여를 할 텐데, 집중적인 연구를 통해서만 지속적이고 경제적으로 이용 가능한 새로운 에너지원이 개발될 수 있고 에너지 저장을 위한 여러 가능성이 확대될 수 있기 때문이다.

화석 에너지원의 유한성
에너지의 미래가 어떠해야 할 것인지에 관한 논의가 점점 더 첨예화하고 있는데, 여기에는 여러 주제가 복합적으로 맞물려 있다. 이에 대한 대답을 추구할 때 우리는 이 문제를 무조건적으로 단순화해서는 안 된다. 여기에는 미래의 에너지 공급 확보라는 문제가 존재한다. 우리가 오늘날 이용하는 가장 중요한 에너지원은 잘 알다시피 유한하다. 오늘날의 일차 에너지 사용을 충족시키고 있는 화석 에너지원은 점점 더 돌이킬 수 없을 만큼 바닥을 드러내고 있다. 물론 이 책에서 카를 크리스티안 폰 바이츠제커가 보여주듯이 성급한 종말 예언자들이 즐겨 주장하는 것보다 훨씬 더 많은 부존량이 존재할 수도 있다. 그의 논문은 충분히 생각해볼 만한 가치가 있다. 그러나 다른 한편으로, 에너지 시스템은 기나긴 순환 시간을 나타내며 이 점에서는 근본적인 방향 전환이 불가능하다는 것도 명확하다. 그러므로 화석 에너지원은 비록 액화 연료와 같은 다른 형태이긴 해도 계속해서 중요한 역할을 담당할 것이다. 동시에 새로운 에너지원과 에너지 절약의 가능성에 관한 탐색은 한층 집중적으로 추진되어야 한다.

오늘날의 에너지 논의는 기후 논의이다
1970년대 초반의 ‘석유 위기’ 때와 달리 오늘날의 에너지 논의는 또한 기후 논의이기도 하다. 탄소를 포함한 화석 에너지원은 연소될 때 엄청난 양의 온실 가스인 이산화탄소를 방출하며 이것이 전 지구적 온난화를 초래하기 때문이다. 요헴 마로츠케와 에리히 뢰크너는 논문에서 “인류는 오늘날 빙하기 말보다 최소 열 배 이상 빠른 속도로 지구의 대기와 전 지구적 기후 변화를 초래하고 있다”고 주장한다. 또 21세기의 기후에 대해 다양한, 그러나 아주 냉정한 시나리오를 묘사한다. 2007년년 발간된 ‘정부 간 기후변화위원회(IPCC)’의 실태 보고서는 현재 관찰할 수 있는 기후 변화에 대한 인간의 책임을 전례 없이 분명하게 강조한다. 다시 말해서, 미래의 에너지는 공급 안전뿐 아니라 기후 안전도 고려해야 한다. 따라서 미래의 에너지는 이산화탄소를 가능한 적게 배출하거나 전혀 배출하지 않는 또는 발생하는 온실 가스를 분리해 저장할 수 있는 형태여야 한다.
그렇기 때문에 에너지의 미래는 세 개의 기둥, 즉 새로운 에너지원 개발과 지속적인 발전, 에너지 효율의 증대, 이산화탄소 배출의 감소 등을 토대로 삼아야만 한다.
그중 이산화탄소 배출량의 전 지구적 감축은 오직 세계기후협약의 틀 안에서만 달성할 수 있다. 그러나 이산화탄소 배출을 전적으로 피하거나 발생하는 이산화탄소가 대기에 영향을 미치지 못하도록 저장하기 위해서는 정치적 차원의 복잡한 통제와 더불어 계속적인 기술 발전이 요구된다. 마르쿠스 안토니에티와 게르트 글라익스너는 탄소 저장과 관련해 특별히 흥미롭고 광범위한 형태, 요컨대 바이오매스(생물자원)의 열수 탄화에 대해 기술한다. 자연적 프로세스를 기초로 한 이 ‘새로운’ 탄소 저장고들은 앞으로 대기 중의 이산화탄소를 감소시키는 데 본질적인 기여를 할 것이며, 따라서 효과적인 ‘대기 관리’를 가능하게 할 것이다.

태양광 이용
새로운 에너지원의 개발과 관련해 가장 원칙적으로 확인할 수 있는 것은 거의 대부분의 에너지 형태가 직접적이든 간접적이든 태양빛에서 비롯된다는 점이다. 직접 복사된 태양광은 이론적으로는 인류의 전체 에너지 수요를 감당하기에 충분하다. 하르트무트 미헬은 그럼에도 태양의 잠재력을 효율적으로 이용하는 것이 어려운 까닭을 자신의 논문에서 모범적으로 제시한다. 그는 바이오매스를 구축하기 위해 태양광을 이용하는 식물의 자연 광합성이 과연 에너지 문제 해결에 기여할 수 있을지 의문을 제기한다. 그의 결론은 아주 냉정하다. 그에 따르면 유기물질을 통해 빛을 에너지로 전환하는 인위적이고 생물 모방적인 체계를 위한 모범으로서의 광합성은 제한적으로만 유용할 뿐이라고 한다. 오히려 태양열 이용과 태양전지의 도움을 받아 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환하는 것이 훨씬 더 효율적이라는 것이다. 여기에 투입되는 무기물 반도체(실리콘, 비화갈륨)는 태양전지 연구의 개척자 중 한 사람인 한스－요아힘 크바이서가 논문에서 보여주듯이 유기물질보다 확실히 나은 효율성을 갖고 있다. 문제는 재료 비용이다. 이와 관련해서는 화학이 대책을 마련할 수 있을 것이다. 브루노 슈말츠와 란돌프 쉬케 그리고 클라우스 뮐렌이 논문에서 이 문제를 다룬다. 고분자 물질 연구는 고분자 물질을 기초로 한 태양전지의 효율과 수명을 유기 태양전지(OPV)나 실리콘을 기초로 한 태양전지와 상업적으로 경쟁할 수 있을 만큼 상승시키는 문제를 집중적으로 다룬다. 그뿐만 아니라 고분자 전자공학은 에너지 절약 분야에서도 마찬가지로 커다란 의미를 갖는다. 이는 무엇보다도 영상 광고와 조명 수단을 여러 배 효율적으로 만드는 이른바 OLED 기술 및 새로운 트랜지스터의 발전을 통해 이루어지고 있다.

바이오 연료
태양광은 열과 전기뿐 아니라 교통 분야와 난방 장치에서 중심 역할을 담당하는 액체나 가스 형태의 연료를 생산하는 데 어떻게 이용될 수 있을까? 이른바 바이오 연료와 관련이 있는 이 문제는 최근 들어 많은 흥분과 혼란을 가져왔다. ‘나무를 자동차 먹이로’ 가공한다는, 그래서 식물 물질(바이오매스)을 엔진 연소를 위한 바이오 연료로 전환시킨다는 매우 유혹적인 생각이기 때문이다. 연료의 95%를 석유를 토대로 얻고 있는 오늘날 이 분야에서의 대안이 특히 긴급하게 요구된다. 이와 관련해 식물 기름이나 당분과 녹말에서 얻어지는 바이오 디젤 또는 에탄올과 같은 연료는 기술적으로 비용이 가장 적게 들고 가장 빠르게 대체 가능한 연료이다. 그러나 이러한 ‘제1세대 바이오 연료’가 위험한 부차적 결과를 초래한다는 것이 점점 더 분명해지고 있다. 이 연료를 얻기 위해 사용되는 경작지와 자원(특히 물)이 식량 생산을 목적으로 한 농업적 이용과 대립하거나 아마존 지역의 열대우림 같은 귀중한 자연 공간을 파괴하는 것뿐만 아니라 ‘에너지 수지’ 면에서도 썩 좋지 않은 것으로 드러나고 있기 때문이다.
이에 따라 아주 다양한 측면에서 중요한 발상이 이루어지고 있는데, 이른바 ‘제2세대 바이오 연료’에 대한 집중적인 연구가 바로 그것이다. 이때 대두되는 문제가 식물 물질 전체, 즉 지금까지 폭넓게 사용되지 않은 목질섬유소(리그노셀룰로오스), 다시 말해 식물의 뼈대 물질을 이용하는 것이다. 여기서 무엇보다도 기대되는 것은 ‘바이오매스를 액체로(biomass to liquid, BTL)’ 전환하는 방법, 요컨대 발터 라이트너가 논문에서 제시하는 것처럼 먼저 식물 물질을 가스로 전환하고 이어서 ‘피셔－트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성’을 통해 액화하는 발상이다. 또 다른 가능성으로는 새로운 발효 처리 공정을 들 수 있는데, 여기서는 미생물이 섬유소 물질, 예를 들면 짚과 목재까지도 분해할 수 있다. 바이오 가스 생산을 통한 메탄 생산과 미생물 투입에 따른 에너지 수지는 루돌프 K. 타우어와 프리드리히 비델의 미생물학적 논문이 상세히 제시하는 것처럼 좀더 폭넓은 ‘이용 기초’ 위에서 현저히 개선될 것이다. 또 마르크 슈티트의 논문은 식물의 성장과 ‘에너지론적’ 특성도 개선될 수 있음을 생생하게 제시한다. 그에 따르면 품종 개량으로 바이오매스가 양적으로 증대될 수 있으며, 또한 그 구조가 변화하거나 심지어 완전히 새로운 유용 식물, 이른바 ‘에너지 작물’이 개발될 수도 있다고 한다. 마르쿠스 안토니에티와 게르트 글라익스너는 바이오매스의 ‘탄화’와 관련해 주목할 만한 전망을 제시한다. 여기서는 탄소 형성의 자연적 과정을 모방할 뿐 아니라 촉매를 첨가함으로써 그 과정을 몇 배로 가속화할 수도 있다.
전체적으로 볼 때, 이 책에서 제시하는 것은 바이오매스가 에너지 획득 가능성의 폭넓은 발판을 제공한다는 것이다. 하지만 바이오 연료를 둘러싼 논쟁에서 밝혀졌듯이 이 분야에서의 계산 불가능성은 여전히 아주 크며, 따라서 가능한 한 많은 측면에서 계속 연구를 진행하는 것이 바람직하다.

핵융합 에너지와 연료전지
핵에너지의 한 형태, 요컨대 핵분열에 의한 에너지 이용은 사회적으로 아주 제한적으로만 수용될 뿐이다. 게다가 핵발전소를 짓는 데 따른 엄청난 투자 비용과 우라늄 함유량이 높은 원료 자원의 감소가 핵에너지 이용의 확대를 제한한다. 그런 까닭에 알렉산더 M. 브래드쇼가 지적하듯이 더욱더 커다란 희망이 지속 가능한 에너지원으로서의 핵융합에 집중되고 있다. 이 분야에 대한 오래고 고된 연구가 성공적으로 끝난다면 우리는 대단히 매력적인 에너지원을 소유하게 될 것이다. 요컨대 이산화탄소를 배출하지 않는 에너지, 손쉽게 만회할 수 있는 비용, 유독한 방사능이 없는 폐기물 그리고 무엇보다 통제되지 않을 가능성이 물리학적으로 존재하지 않는 반응 장치 등을 특징으로 하는 에너지원을 갖게 되는 것이다.
이에 못지않은 커다란 희망이 교통 분야에서의 연료전지 기술과 결부되어 있다. 하지만 수소와 산소에 저장된 분자 결합 에너지를 또 다른 방법을 거치지 않고 전기 에너지로 전환하는 것은 결코 단순하지 않다. 카이 준트마허에 따르면 연료전지가 지금까지 대량 생산을 위한 기술적 돌파를 이룩하지 못한 데는 나름의 이유가 있다고 한다. 예를 들어 우리는 수소를 환경 친화적 방식으로 대량 생산하는 데 성공하지 못했다. 더불어 자동차 산업 분야에서 연료전지를 수용할 만한 비용으로 이용하기 위해서는 기술적인 개선이 필요하다. 그러나 무엇보다 에너지 전환 장치로서의 연료전지는 에너지 공급 시스템에 편입되어야 한다.

새로운 에너지 수송과 저장 형식
에너지의 미래는 새로운 에너지원이라는 문제와 관련이 있을 뿐 아니라 또한 근본적으로 처리 가능한 대량 에너지를 실제로 이용하는 문제이기 때문이다. 다시 말해, 화석 에너지원에 대한 의존을 줄이기 위해서는 새로운 수송 형식과 저장 형식 그리고 에너지 전환과 관련해 새롭고도 더욱더 효율적인 형식을 갖춘 새로운 에너지 기반 시설이 요구되는 것이다. 즉 공급이 초과될 때 잉여 에너지를 저장하고 부족할 때 추가 에너지를 제공할 수 있는 완충적인 수용 시설이 필요하다. 로베르트 슐뢰글과 페르디 쉬트가 수송 형식과 저장 형식에 관해 포괄적으로 설명하듯이 수요에 따라 조절 가능하고 아주 훌륭하게 저장할 수 있으며 손쉽게 수송할 수 있고 광범위하게 제공할 수 있는 이상적인 에너지 형태는 존재하지 않는다. 바로 그런 면에서 여기서도 전체 에너지 시스템의 ‘효율’을 증대시키기 위한 광범위한 연구가 요구된다.
이러한 맥락에서 요아힘 마이어의 논문이 보여주듯이 저장하기 어려운 전기와 관련해 무엇보다 배터리 연구가 커다란 도전에 직면해 있다. 배터리 연구는 물론 이미 높은 수준에 도달했다. 하지만 미래에는 서로 다른 연구 분야와 전공 부문이 연결되어 좀더 효과적인 동시에 환경 친화적인 에너지 기반 시설을 구축하는 것이 훨씬 더 중요하다.

이 책은 광범위하게 세분된 ‘에너지 믹스(Energiemix)’, 즉 대단히 다양한 에너지원이 가능한 효율적으로 연계되고, 에너지의 저장과 수송 가능성을 확실히 개선하며, 무엇보다 에너지 획득과 사용이 환경과 기후에 수용되도록 배려하는 데 에너지의 미래가 있다고 주장한다. 이를 달성하기 위해서는 기초 연구와 응용 목적의 연구를 좀더 결합하는 종합적인 연구가 지금까지보다 더욱 절실하다.

머리말 페터 그루스, 페르디 쉬트
에너지 논의의 기초 페르디 쉬트
에너지와 기후: 21세기를 위한 기후 구상 요헴 마로츠케, 에리히 뢰크너
국제 에너지 정치 카를 크리스티안 폰 바이츠제커
자연 광합성: 그 효율과 결과 하르트무트 미헬
무기물질을 토대로 한 태양전지 한스-요아힘 크바이서
중합체 전자공학 브루노 슈말츠, 란돌프 쉬케, 클라우스 뮐렌
생물학적 메탄 생성: 의미 있는 재생 가능한 에너지원인가 루돌프 K. 타우어
미생물에서 얻는 재생 가능한 에너지원: 가능성과 한계 프리드리히 비델
식물 성장의 제어 마르크 슈티트
바이오매스에서 얻는 연료: 기술 수준, 동향과 전망 발터 라이트너
전 지구적 순환을 위한 바이오매스 이용: 에너지 생산인가, 탄소 저장인가 마르쿠스 안토니에티, 게르트 글라익스너
연료전지 기술의 발전 방향 카이 준트마허
에너지 수송 형식과 저장 형식 로베르트 슐뢰글, 페르디 쉬트
배터리 연구의 새로운 길 요아힘 마이어
지속 가능한 에너지원에 이르는 길: 핵융합 연구 알렉산더 M. 브래드쇼

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