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『에너지의 과학』에서는 에너지 문제를 살펴보고 아주 쉬운 것부터 아주 복잡한 방법에 이르기까지 어떤 대책들이 있는지 알려 준다. 당연히 모든 아이디어가 다 실현되지는 못한다. 요점은 그게 아니다. 인류의 삶을 지탱하는 에너지원을 바꾸는 것 말고 다른 선택은 불가능하다. 단지 언제 어떻게 하는가가 문제일 뿐이다. 이 변화를 뒤로 미룰수록 고통은 커질 뿐이다.

전통과 권위, 흥미와 대중성을 고루 갖춘 《사이언티픽 아메리칸》,
‘한림SA 시리즈’로 한국의 독자들과 만나다

근대 과학은 처음 탄생하던 시대부터 오늘날까지 현실에 대한 해석과 참여가 출발점이자 목표였다. 이런 면에서 과학은 인문학과 다를 바가 없다. 그러나 우리나라에서 과학은 이과의 영역이며, 전문가의 영역이라는 선입관이 만연해 있다. 분명히 주입식 교육도 그 원인 중 하나일 것이다.
한림출판사에서는 이러한 선입관에서 조금이나마 벗어나보고자 가장 현실적인 문제, 가장 현재적인 이슈를 과학의 관점에서 추적한 미국의 대표적 과학 잡지 《사이언티픽 아메리칸(Scientific American)》의 칼럼들을 주제별로 묶어 ‘한림SA 시리즈’로 소개한다.
《사이언티픽 아메리칸》은 1845년 첫 호가 발행된 이래 170년 넘도록 꾸준히 발행되어왔으며, 그간 에디슨과 아인슈타인 등 노벨상 수상자 및 후보들이 필진으로 참여한 미국 최고의 대중 과학 잡지이다. 과학이란 전공자가 아니면 쉽게 다가가기 어려운 영역이라는 편견을 깨고 일반인이 이해할 만한 주제의 내용을 전문적으로 다룬 정확한 내용으로 높은 신뢰를 얻었으며, 과학에 대한 이해의 폭을 넓혀줌으로써 전 세계 독자들에게 사랑받아왔다.
한림SA 시리즈는 이처럼 흥미로우면서도 권위 있는 《사이언티픽 아메리칸》의 여러 훌륭한 글 중에서도 시간, 인간, 노화, 기억, 사랑 등 가장 보편적이고 일상적인 삶의 소재를 주제별로 묶어 과학의 시각으로 톺아봄으로써, 현실적인 문제들과 대화할 수 있는 가장 효율적인 통로가 바로 과학이라는 점을 독자들에게 보여주고자 했다. 특히 미래의 주역인 청소년들이 이 시리즈를 통하여 과학의 창으로 세상을 보는 눈을 경험할 수 있기를 기대한다.

‘한림SA 시리즈’ 12 《에너지의 과학》,
지속 가능한 에너지를 찾아서

‘한림SA 시리즈’ 12권 《에너지의 과학》은 에너지 문제를 살펴보고 아주 쉬운 것부터 아주 복잡한 방법에 이르기까지 어떤 대책들이 있는지 알아보려 한다. 책 앞부분의 두 꼭지 ‘지속 가능한 에너지를 찾아서-2030년’과 ‘일곱 가지 혁신적 에너지 기술’에서 다루겠지만, 한마디로 인류가 현재 갖고 있는 기술적 능력을 지금의 난관을 극복하기 위해서 어떻게 사용할 것인지에 대한 논의다. 인류는 분명히 대기 중에 탄소를 뿜어내지 않으면서 유한한 자원을 소모하지도 않는 에너지원을 찾아낼 수 있다.
물론 쉽지는 않을 것이다. 현재의 모든 기간시설은 지속적으로 공급되는 기반 에너지의 존재를 전제로 만들어져 있다. 지금까지 석유 탐사, 정제, 수송에 투자된 금액만 해도 수조 달러에 이른다.
에너지원이 없다는 이야기가 아니다. 태양, 지구, 해양은 인류 문명을 끝없이 유지시켜 줄 정도의 에너지를 갖고 있다. 3장에서 살펴보겠지만, 태양열 전지나 풍력 발전기만이 재생 가능 에너지를 만들어내는 방법도 아니다. 4장에 나타나듯 원자력이 다시금 새롭게 각광받을 가능성도 있고, 태양이 에너지를 만드는 방식과 동일한 원리인 핵융합이 실현될 가능성도 있다. 5장에서는 해안 도시에 전력을 공급하는 조력 발전을 포함해서 수력 에너지를 전반적으로 살펴볼 것이다. 6장에서는 지열을 활용하는 방법에 대해서 알아본다. 미국 서부 대부분의 지역은 잠재적으로 지열 발전소 건설 가능성이 있다.

■ 구성

1 지구와 인류를 지속시키는 방법
1-1 지속 가능한 에너지를 찾아서 - 2030년
우리가 분석한 바에 따르면 WWS가 전통적 에너지원에 비해 가격 경쟁력을 갖게 될 것은 분명하다. 그러나 당분간은 일부 WWS 기술로 만든 전기가 화석 연료로 생산한 전기보다 상당히 비쌀 것이라는 점도 사실이다. 따라서 어느 정도는 보조금과 탄소세를 적절히 조합할 필요가 있다.

1-2 일곱 가지 혁신적 에너지 기술
에너지 관련 문제를 근본적으로 해결하려면 급진적 변화가 있어야 한다. 과학자들과 엔지니어들은 수년간 아주 새로운 방법을 모색하고 있다. 위성에서 태양열을 이용해 만들어낸 전기를 지상으로 전송한다든가, 공중에 떠다니는 풍력 발전기 같은 것들이다.

1-3 진퇴양난 : 물과 에너지의 대결
지구상에 존재하는 담수의 양은 약 800만 입방마일로, 인류가 1년에 쓰는 양의 수만 배에 달한다. 안타깝게도 그 대부분은 지하수와 만년설, 빙하다. 강이나 호수처럼 손쉽게 쓸 수 있고 다시 채워지는 형태로 존재하는 물의 양은 극히 일부에 불과하다.

1-4 중국의 에너지 역설
중국은 13억의 인구와 더불어 주로 미국과 유럽에 판매할 저가의 공산품을 생산하는 거대한 산업 수요를 충당하기 위해 매주 평균 한 개꼴로 석탄 화력 발전소를 건설하고 있다

2 다가오는 태양열 시대
2-1 원대한 계획
미래를 생각하는 사람들이라면 미국 국민들, 정치인, 과학계를 설득해서 태양열의 엄청난 잠재력을 알리도록 해야 한다. 일단 태양열의 잠재력을 인식하게 되면, 에너지 독립과 이산화탄소 배출 감소의 필요성 때문에 전국적으로 태양열 에너지 계획을 실현하고자 하는 움직임에 불이 붙게 될 것이다.

2-2 태양광 발전의 밝은 미래
브라질에는 “브라질은 영원히 미래가 밝은 나라일 것”이라는 조크가 있다. 비슷한 맥락으로 태양열 발전은 오랫동안 미래의 궁극적인 청정 기술일 것으로 여겨져 왔다. 어쩌면 비로소 그 미래가 다가온 것인지도 모른다. 태양 전지 시장은 아직 규모가 크진 않지만 빠르게 성장하고 있다.

2-3 인공 잎
인공 잎은 진짜 잎처럼 햇빛을 받아 화학 연료를 만들어낸다. 이 연료는 석유나 천연가스처럼 태울 수 있고, 자동차의 연료로도 쓸 수 있고, 전기나 열을 만들어낼 수도 있다. 게다가 해가 진 뒤에 쓰도록 저장 할 수도 있다.

3 바람을 타고
3-1 높이가 얼마냐가 문제일 뿐
풍력 발전의 한 계는 정치?사회?경제적 요인처럼, 한마디로 표현하자면 지구물리학적 요인이 아닌 것들에 따라 정해진다. 게다가 풍부한 천연가스 덕택에 여전히 천연 가스를 태워서 전기를 만들어내는 비용이 풍력보다 저렴하다. 물론 이로 인한 미래의 기후 변화 대처 비용도 고려해야 하겠지만 말이다. “경제성장과 개발을 유지하면서도 중대한 부작용 없이 지속 가능한 청정 에너지원을 찾아내고 싶은 겁니다.” 칼데이라가 말을 이었다. “그런 점에서 풍력은 아주 매력적이거든요.”

3-2 어느 작은 섬
마을의 좁은 골목길에 설치된 10여 개를 포함해서, 감자와 딸기부터 호박이나 크리스마스 트리에 이르기까지 다양한 식물이 자라는 언덕배기에 자리 한 농가 바로 옆 등, 섬 어디서나 소형 가정용 풍력 발전기가 솟아 있는 모습을 볼 수 있다. 농부들은 추가 수익이 있기 때문에 이런 변화를 기꺼이 받아들 였다.

3-3 중국에서도 힘을 얻기 시작한 풍력 발전
중국은 2008년 한 해만도 6.25기가와트 용량의 발전기를 설치했고 2020년까지 용량을 100기가와트까지 늘리기로 하는 등, 풍력 발전에 미래를 걸기로 한 것 같다.

4 다시 각광받는 원자력
4-1 검은 백조에 대비하기
어떤 식으로 대비를 하더라도, 사고의 영향이 아주 클 가능성은 거의 없긴 하지만 원자력 발전소에서 사고가 발생할 가능성은 항상 있다. 아주 드물 게 일어나는 (특히 지금까지 한 번도 일어나지 않은) 사고는 예측하기도 어렵고, 대비하는 데 드는 비용도 많이 들뿐더러 통계적으로 바라보다 보면 무시하게 되기도 쉽다.

4-2 원자력 발전은 살아남을 수 있을까?
미래에 어느 정도의 전력 수요가 추가로 있을지는 아주 알기 어렵다. 일부에서는 수천만 대의 플러그인 하이브리드 자동차나 전기 자동차가 보급될 것이고, 이 자동차들이 하루 평균 30~40마일 정도를 주행하며 매일 10kWh씩의 전기를 쓰게 될 것이라고 이야기한다. 그렇다면 전기 수요가 많이 늘어나겠지만, 과연 이런 자동차들이 그만큼 보급될지는 미지수다.

4-3 아직 갈 길이 남은 핵융합
이론적으로 볼 때 핵융합은 완벽한 에너지원이다. 핵융합은 누구나 한 번쯤은 들어봤을, 에너지는 질량과 광속의 제곱의 곱(E=mc2)이라는 물리 법칙에 따라 이루어진다. 광속의 제곱은 굉장히 큰 값이므로, 아주 작은 질량만 있어도 어마어마하게 큰 에너지를 만들어낼 수 있다.

5 넘치는 수자원
5-1 수력 다시보기
수력 발전은 미국 전력 생산의 8퍼센트를 차지하는, 가장 큰 재생 가능 에너지원이다. 분석가들은 이 용량을 원자력 발전 업계가 예상하는 성장 수준과 맞먹는, 30년 안에 두 배 수준까지 훨씬 저렴한 비용으로 늘릴 수 있다고 본다.

5-2 조류를 전기로
지표면의 70퍼센트 이상을 덮고 있는 바다는 태양과 달의 중력에 의해 간조와 만조를 되풀이한다. 과학자들은 이 운동에너지의 일부를 이용하는 기술을 몇 가지 만들어냈다. 현재는 여러 기업이 이를 상용화하려 애쓰는 중이다.

5-3 물의 흐름을 전기로
재생 가능한 유체동력 발전은 파도의 상하 운동, 태양과 달의 중력에 따른 조수의 느린 움직임처럼 다양한 곳에서 찾아볼 수 있다. 조력은 움직임을 예측할 수 있고, 강과 바다가 만나는 구역의 해류에서 얻을 수 있다는 점에서 촉망받고 있는 에너지원이다.

5-4 바다와 강이 만나는 곳
대기를 오염시키고 기후 변화를 촉발하는 화석 연료의 대안을 찾는 과정에서 강과 바다가 만나는 지점이 관심의 대상으로 떠올랐다. 유럽에서 진행 중인 두 프로젝트는 담수와 염수가 자연스럽게 평형 상태를 이루는 현상을 이용해서 청정 에너지를 만들어내려 하고 있다.

6 땅속 열을 이용하는 지열 발전
6-1 폐수에서 얻는 청정 에너지
암반에 주입할 물이 확보되지 않은 많은 곳에서도 가이저에 있는 발전소들 은 참고가 된다. 칼슨은 이들 발전소가 강물 대신 처리된 폐수를 이용해서도 경제성이 있는 지열 발전이 가능하다는 사실을 보여주고 있기 때문이라고 설명한다. 물론 안전 관련 영향은 좀 더 연구가 필요하다. 하지만 그는 여전히 낙관적이다.

6-2 새로운 지열 발전 기술
30개가 넘는 주에서 전력 회사들이 일정 비율 이상의 전기를 재생 가능 에너지원에서 만들도록 하는 ‘재생 가능 에너지 포트폴리오 표준’이 통과되었거나 검토 중이다. 많은 전력 회사들은 지하에서 뜨거운 물이나 증기를 뽑아내는 지열 발전소를 유력한 대안으로 보고 있다.

7 차량용 동력원
7-1 차세대 바이오연료
바이오연료는 이미 환경에 해를 입히고 낭비라는 사실이 증명된, 옥수수로 만드는 에탄올이 아니다. 미국 유수의 첨단 기술 개발 연구소에서 이스트, 해조류, 박테리아와 같은 하등 생물을 이용해서 휘발유와 경유를 대체할 수 있는 연료를 만들어내려 시도하고 있다. 지금의 연료를 바로 대체할 수 있도록 경제성을 확보한 상태에서 대량생산이 가능한지가 관건이다.

7-2 미래의 교통수단은 어떤 연료를 쓸까
기존 교통 시스템의 여러 측면을 고려해야 한다. 무엇보다도 기존 시스템은 이 문제에서 주요 고려 대상인 개발도상국에 적합하다. 또한 수십 년간에 걸쳐서 발전해온 시스템이기 때문에 비용과 목적, 사용 편의성 면에서 균형이 잡혀 있다.

8 주문형 에너지
8-1 전력 전송 기간망
미국에는 온실가스와 석탄 화력 발전소에서 방출되어 스모그의 원인이 되는 오염 물질을 줄이고, 천연가스를 전기 생산 이외의 용도에 사용할 수 있을 만 한 풍부한 자원이 있고, 재생 가능 에너지를 대대적으로 도입할 기술과 자본도 있다. 부족한 것은 이를 현실화시켜 줄 대규모 고압 전력 전송망이다.

8-2 전력 저장 기술
재생 가능 에너지가 당면한 문제가 어떤 것인지를 알고 싶다면 덴마크를 보 면 된다. 이 작은 나라에는 세계 최대 규모의 풍력 발전소가 있다. 그러나 전력 수요는 바람이 가장 많이 불 때 오히려 가장 적을 때가 많아서, 덴마크는 이때 생산되는 전기를 이웃 국가에 아주 싼값으로 팔고 정작 전기 수요가 많을 때는 비싼 값에 전기를 사와야 한다. 그 결과 덴마크의 전기 요금은 세계적으로도 가장 높은 수준이다.

이정모(서울시립과학관장)
《사이언티픽 아메리칸》은 세계 최고의 대중과학잡지다. 과학을 좋아하는 일반인뿐만 아니라 연구자들도 즐겨 보고 통찰을 얻는다. 여기에 소개된 칼럼을 주제별로 한데 모아서 출간하는 ‘한림SA 시리즈’는 연구자와 대중 모두에게 훌륭한 지식창고 역할을 할 것이다.

이명현(과학 저술가)
이 시리즈의 미덕은 현대과학의 어려운 내용을 비껴가지 않는다는 데 있다. 현대 과학의 복잡한 내용을 생략하거나 비유로만 설명하지 않고, 진지하게 핵심적 내용에 정공법으로 접근하고 있다.

김범준(물리학자)
커피 한잔 마시며 기분 내키는 대로 뒤적거리다가 재밌어 보이는 칼럼이 있으면 처음부터 끝까지 부담 없이 읽을 수 있는 그런 잡지, 바로 《사이언티픽 아메리칸》이다. (…) 한 번도 접해본 적 없는 무지한 분야라도 비전공자 누구나 읽고 이해할 수 있을 정도로 쉽게 설명되어 있고, 칼럼 두어 편만 찾아보면 그 분야의 과거와 현재 연구에 대해 빠르고도 정확하게 알게 해준다. (성균관대 물리학과 교수, 《세상물정의 물리학》 저자)

이은희(과학 커뮤니케이터)
《사이언티픽 아메리칸》의 눈은 동시대를 살아가는 이들이 과학에 어떤 관점을 가지고 있는지 보여주었고, 《사이언티픽 아메리칸》의 입은 과학이 진정으로 하고 싶은 이야기를 들려주면서 오늘에 이르렀다. 그랬기에 그 수많은 이야기들 중에서 엄선된 가장 핵심이 되는 칼럼들이 스무 권의 책으로 묶여 나온다는 소식을 듣고 조금의 망설임도 없이 이를 추천하게 되었다. (‘하리하라 사이언스 시리즈’ 저자)

1 지구와 인류를 지속시키는 방법
1-1 지속 가능한 에너지를 찾아서 - 2030년
1-2 일곱 가지 혁신적 에너지 기술
1-3 진퇴양난 : 물과 에너지의 대결
1-4 중국의 에너지 역설

2 다가오는 태양열 시대 71
2-1 원대한 계획 72
2-2 태양광 발전의 밝은 미래 90
2-3 인공 잎 93

3 바람을 타고 101
3-1 높이가 얼마냐가 문제일 뿐 102
3-2 어느 작은 섬 107
3-3 중국에서도 힘을 얻기 시작한 풍력 발전 118

4 다시 각광받는 원자력 123
4-1 검은 백조에 대비하기 124
4-2 원자력 발전은 살아남을 수 있을까? 136
4-3 아직 갈 길이 남은 핵융합 150

5 넘치는 수자원 161
5-1 수력 다시보기 162
5-2 조류를 전기로 165
5-3 물의 흐름을 전기로 169
5-4 바다와 강이 만나는 곳 177

6 땅속 열을 이용하는 지열 발전 181
6-1 폐수에서 얻는 청정 에너지 182
6-2 새로운 지열 발전 기술 193

7 차량용 동력원 195
7-1 차세대 바이오연료 196
7-2 미래의 교통수단은 어떤 연료를 쓸까 206

8 주문형 에너지 217
8-1 전력 전송 기간망 218
8-2 전력 저장 기술

대규모의 풍력, 수력, 태양 에너지 시스템은 전 세계 에너지 수요에 안정적으로 대응할 수 있으므로 기후, 대기, 수질, 환경, 에너지 안보 측면에서 매우 효과적이다. 앞에서도 이야기했듯이, 주된 장애물은 대부분 정치적인 것이지
기술적인 것들이 아니다. 차액지원제도와 인센티브를 적절히 혼합해서 전력 생산자들이 비용을 절감하도록 동기를 부여하고, 화석 연료에 대한 보조금을 폐지하고 지능형 전력망을 확장한다면 WWS는 매우 빠르게 확산될 수 있다. (1-1)

태양이 단 한 시간 동안 지구에 쏟아 붓는 에너지는 인류가 년1간 사용하는 에너지의 양보다 많다. 만약 이 중 일부라도 액체 연료로 바꿀 수 있다면 교통수단의 연료로 화석 연료를 더 이상 고집할 필요도 없고 이로 인한 문제점들도 사라질 것이다.(1-2)

미국, 혹은 전 세계가 어떤 에너지원을 선호하건, 생명체에게 훨씬 직접적이기도 하거니와 대체 불가능하다는 점에서 물이 궁극적으로 석유보다 훨씬 중요한 자원이다. 그리고 물이 저렴한 시대는 이제 끝나가고 있다. 이는 충분히
위기 상황이라고 할 만하지만, 아직 대중은 상황의 심각성을 깨닫지 못하고 있다.(1-3)

인공 잎은 진짜 잎처럼 햇빛을 받아 화학 연료를 만들어낸다. 이 연료는 석유나 천연가스처럼 태울 수 있고, 자동차의 연료로도 쓸 수 있고, 전기나 열을 만들어낼 수도 있다. 게다가 해가 진 뒤에 쓰도록 저장
할 수도 있다. 진짜 잎은 섬유소 연료를 만들어내지만, 루이스 교수의 연구실에서 개발 중인 잎은 물을 원료로 하여 수소 연료를 만들어낸다 (2-2)

육지와 바다에 풍력 발전기를 마음껏 설치할 수만 있다면 당장이라도 전 세계 전력 수요의 4배가 넘는 전기를 생산할 수 있다. 하늘에 연이나 로봇 항공기를 띄워 고공에서 부는 바람을 이용한다면 현재보다 100배에 이르는 전기를 만들어낼 수 있고, 기후에 미치는 영향은 무시해도 좋을 정도다. (3-1)

중국은 2008년 한 해만도 6.25기가와트 용량의 발전기를 설치했고 2020년까지 용량을 100기가와트까지 늘리기로 하는 등, 풍력 발전에 미래를 걸기로 한 것 같다. 경제성장을 담당하는 정부 부서인 국가발전개혁위원(NDRC) 산하 에너지연구소의 부소장 리쥔펑은 “풍력 발전은 이제 시작일 뿐”이라고 말한다. 하지만 “풍력은 지난해 중국에서 새로 건설된 전력 용량의 7퍼센트에 지나지 않으며, 이는 미국의 42퍼센트나 유럽의 43퍼센트에 비하면 한참 낮다”고 덧붙였다. 현재 중국에서 풍력 발전이 전체 발전 용량에서 차지하는 비율은 고작 0.4퍼센트다.(3-2)

국제열핵융합실험로(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) 는 한마디로 지구에서 태양 에너지를 재현하려는 시도다. ITER은 가동 에 필요한 에너지의 10배에 달하는 500메가와트의 에너지를 우주에서 가장 흔한 원소인 수소를 이용해서 만들어내려고 한다. 이 프로젝트가 성공한다면 에너지의 무한 공급이 가능한 기술이 입증되는 셈이다.(4-3)