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[김해창 교수의 에너지전환 이야기] <41>에너지자원의 역사를 바로 알자

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  •  |  입력 : 2018-04-30 09:59:57
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우리의 생활 자체가 에너지이다. 에너지는 곧 삶이다. 이러한 생산·유통·소비생활 등에 필요한 동력원으로 드는 석탄·석유·천연가스·수력·원자력·태양열 등을 에너지자원(energy resources)이라고 한다. 에너지전환을 이야기하다보니 에너지자원의 역사와 실태를 잘 알아야 현명한 대안을 찾을 수 있다고 하겠다.

   


인류는 18세기까지 주요 에너지자원으로 수력과 풍력, 장작, 숯, 고래기름 등을 활용했지만, 19세기 산업혁명 이후에는 석탄, 석유가 주가 됐고, 20세기 중반부터 핵연료가 등장했다. 에너지자원은 크게 고갈성 에너지와 재생가능에너지로 나눌 수 있다. 고갈성에너지자원은 석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석연료와 원자력에너지를 든다. 재생가능에너지로는 태양에서 나오는 에너지인 태양에너지(태양광발전, 태양열발전, 태양열이용 등), 풍력(풍력발전), 파력(파력발전), 수력(수력발전), 해양온도차발전, 바이오매스(바이오매스발전)를 들 수 있고, 태양 이외에서 나오는 에너지로 조수력(조력발전), 지열(지열발전)을 들 수 있다. 재생가능에너지는 양적으로는 무한하다고 하지만 실제로 이용할 수 있는 양은 상대적으로 적다.

인류 최초의 에너지 이용은 나무와 나무를 마찰함으로써 발생하는 열에너지를 이용해 몸을 따뜻하게 하거나 요리했다고 볼 수 있다. 농경생활에 접어들면서 풍력, 수력에너지 또는 동물의 힘을 이용해 풍차와 물레방아 등을 만들어 노동에 기계의 힘을 빌리게 됐고 태양에너지를 이용해 음식의 건조, 가열 등을 했다.

영국에서 제임스 와트(1765)가 소형 증기기관차를 발명해 열에너지를 수증기 형태로 축적해 역학적 에너지로 변환할 수 있게 함으로써 석탄에서 열에너지·기계에너지로 전환해 산업혁명의 계기가 됐다. 그 후 석유가 발견되고 정제기술의 발달과 함께 증기기관의 열원도 점차 석유와 천연가스로 전환됐다. 그 뒤 증기기관이나 내연기관에 의해 얻을 수 있는 역학적 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술이 확립돼 사회의 전화(電化)가 진행됐다.

   


2차 세계대전 전후에 핵분열에너지를 활용해 원자폭탄 등 무기 개발에 이용됐지만 전후엔 원자력발전으로 나아가게 된다. 그러나 핵분열반응에서 발생하는 방사성폐기물의 처분문제는 아직도 제대로 해결책을 찾지 못하고 있다. 한편 핵분열보다 더 큰 에너지를 얻을 수 있으면서도 상대적으로 핵분열보다 위험이 적은 핵융합에너지에 대한 연구개발이 진행되고 있으나 아직은 가시적인 성과를 내지 못하고 있다.

인류는 이러한 사회발전단계를 거치면서 하루에 어느 정도의 에너지를 소비했을까. 쿡(Cook)(1971)은 인류가 원시시대 1인당 하루 필요한 에너지소비량이 2000㎉에서 수렵시대 5000㎉, 원시농업시대 1만2000㎉, 선진농업시대 2만6000㎉, 산업시대 7만7000㎉, 기술시대에는 23만 ㎉로 무려 115배나 더 늘어났다고 밝혔다. 이를 정리한 것이 <표 1>이다.

   


이러한 에너지자원은 고갈 및 환경오염 문제가 있다. 특히 1970년대에 접어들어 2차례에 걸친 석유 위기와 화석연료의 고갈과 배출가스로 인한 각종 환경문제가 발생해 풍력, 수력, 태양에너지와 같은 재생가능에너지를 주목하게 됐다. 이와 함께 새로운 에너지에 대한 연구개발이 이뤄지고 있으며, 한편 에너지 이용의 효율화와 에너지절약이 요구되고 있다.
산업혁명 이래 산업의 발전, 인구증가 등으로 세계 에너지소비량이 급증했다. 이와 같은 에너지수요의 증대에 20세기 전반까지는 석탄, 석유 등을 중심으로 하는 화석연료자원의 개발로 별다른 문제 상황 없이 지속할 수 있었다. 그러나 1970년대 들어 세계적인 오일쇼크를 맞았다. 특히 아시아지역의 수요가 급등했고, 향후 중남미, 아프리카, 중동 개도국의 수요증가로 21세기의 에너지수요는 더욱 늘어날 것으로 추정된다.

국제에너지기구(IEA)나 미국 에너지정보관리국(EIA)은 정기적으로 에너지자료를 기록하고 발표하고 있다. 2011년 현재 세계의 1차 에너지소비량은 연간, 석유환산 약 123억 t에 이르고 있고, 더욱이 그 87%를 화석연료에 의존하고 있다. 이를 비율로 보면 석유 33%, 석탄 30%, 천연가스 24%이다.

그런데 이러한 화석연료의 매장량이나 수명은 얼마나 될까. 대표적인 에너지자원으로서 석유의 사례를 보면 매장량은 1조6500만 배럴인데 연간생산량이 305억 배럴로 매장량을 연간생산량으로 나누면 앞으로 자원의 수명은 54년으로 보고 있다. 우라늄의 경우도 매장량346만 t에 연간생산량 5만7000t으로 자원수명이 67년이기에 석유와 큰 차이가 나지 않는다. 이렇게 보면 천연가스의 경우도 자원수명이 63년이어서, 석탄(자원수명 112년)을 제외하고는 21세기 중반에는 자원이 고갈위기에 놓여 있음을 알 수 있다. 주요 에너지자원의 매장량과 수명(가채연도)는 <표 2>와 같다.

   


에너지소비와 밀접한 관련이 있는 것은 1차 에너지 총공급량(TPES)의 개념인데, 전 지구적 차원에서 보면 에너지 생산에서 매장량 변화를 뺀 합계이다. 이 총 1차 에너지 총공급량 값을 대체로 에너지 소비량의 추정치로 사용하고 있다. IEA는 2013년 총 1차 에너지 총공급량 (TPES)이 1.575×1017 Wh(=157.5 PWh, 5.67×1020 줄 또는 1만3541Mtoe)로 추정했다.

2000년에서 2012년까지 석탄은 가장 큰 성장을 이룬 에너지원이었고, 이어 석유와 천연가스, 수력발전과 재생가능에너지가 상당한 성장을 했다. 재생가능에너지는 이 기간 역사상 가장 빠른 속도로 성장했다. 반면에 핵에너지에 대한 수요는 스리마일원전사고, 체르노빌원전사고, 후쿠시마원전사고의 여파로 감소했다.

2011년 에너지 지출은 총 6조 달러를 기록해 세계 총생산(GDP)의 약 10%를 차지했는데 유럽은 전 세계 에너지 소비의 약 25%를, 북미는 약 20%를 차지했다.

현재 세계 주요국의 에너지소비상황은 대략 <표 3>와 같다. 중국이 석유환산 억 t/년으로 26억1300만 t/년으로 전 세계 에너지소비량의 21.3%를 차지해 1위이며, 미국이 18.5%로 2위, 러시아가 5.6%로 3위이다. 우리나라는 2억6300만 t/년으로 세계 에너지소비량의 2.1%로 세계 9위의 에너지소비국가가 돼 있다. 또한 각국의 1인당 에너지소비량을 살펴보면 미국, 캐나다 등은 약 7t/인·년으로 높고, 개도국은 1t/인·년 이하로 낮다. 우리나라는 4.7t/인·년으로 선진국의 에너지소비량에 근접하고 있다.

   


이처럼 에너지를 낭비하고 있는 국가, 에너지의 이용효율이 나쁜 국가, 장래 에너지소비증가가 우려되는 국가가 어떻게 에너지를 절감할 수 있는가, 그리고 에너지수요에 있어 선진국과 개도국의 남북격차를 어떻게 줄일 수 있는가 하는 것이 시대적 과제라 할 수 있다. 우리는 앞으로 어떤 길을 걸어야 할까. 김해창 경성대 환경공학과 교수

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