언젠가부터 뉴스나 신문 기사에 'ESG'란 키워드가 자주 등장하고 있다. ESG가 뭘까?
ESG란 환경(Environment), 사회(Social), 지배구조(Governance)의 앞글자를 따서 만든 단어인데, 기업의 지속 가능성 여부를 파악하는 척도로써 요즘에 투자자들이 투자할 기업을 판별하는 하나의 기준이 되었다. 다시 말해 투자자는 기업이 얼마나 환경 보호에 힘쓰고 있으며, 올바른 사회적 책임을 다 하고, 건전한 지배 구조 아래에서 운영되는지를 파악하여 기업의 지속 가능성을 가늠하고 그 기업에 투자한다.
2013년 남양유업 갑질 사건
남양유업의 영업 사원이 대리점 주에게 욕설이 섞인 폭언을 한 녹취록이 공개되면서 남양유업에서 지역 대리점에 물건을 밀어내기(강매)를 한다는 것이 일파만파 알려지게 되면서 대중의 공분을 사게 됨.
남양유업의 영업 사원이 대리점 주에게 욕설이 섞인 폭언을 한 녹취록이 공개되면서 남양유업에서 지역 대리점에 물건을 밀어내기(강매)를 한다는 것이 일파만파 알려지게 되면서 대중의 공분을 사게 됨.
2014년 대한항공 갑질 사건
미국에서 인천으로 향하던 대한항공 여객기 내에서, 조현아(당시 대한항공 부사장)이 승무원의 땅콩 제공 서비스를 문제 삼아 항공기를 회항시킨 뒤 사무장을 강제로 내리게 할 것을 요구하고, 기장이 이에 따름으로써 항공편이 46분이나 지연된 사건.
미국에서 인천으로 향하던 대한항공 여객기 내에서, 조현아(당시 대한항공 부사장)이 승무원의 땅콩 제공 서비스를 문제 삼아 항공기를 회항시킨 뒤 사무장을 강제로 내리게 할 것을 요구하고, 기장이 이에 따름으로써 항공편이 46분이나 지연된 사건.
개인적으로 2013년 '남양유업 갑질 사건'과 2014년 '대한항공 땅콩 회항 사건'을 계기로 대중이 기업의 사회적 책임과 건전한 지배 구조에 촉각을 세우게 됐다고 생각한다.
그리고 2020년에 창궐한 '코로나 바이러스'는 환경 문제에 전 세계인의 이목을 집중하게 하였다.
코로나 바이러스는 본디 박쥐 등 야생동물의 고유한 질병이던 것이 가축을 매개로 사람에게 전파된 것이라고 한다. 그 근본 원인은 무분별하고 조급한 개발로 동물의 서식지를 파괴하고, 그것도 모자라 야생동물에 대한 밀렵과 불법 거래를 한 현재의 인간 문명에 있다. 즉 문명이라는 이름으로 생태계를 파괴하고, 산업화라는 이름으로 온실가스를 배출하였으며, 그 결과 바이러스가 변형되고 인간에게 노출되는 악의 고리가 만들어진 셈이다.
이처럼 지구온난화로 인한 환경 문제가 지역적 위기만이 아니라 우리 삶과 생명에 직결된 인류 전체의 문제가 된 이상 인류는 지구 환경에 관심을 가지지 않을 수가 없게 됐다.
우리는 여태껏 지구의 자원을 마음껏 써도 되는 권리가 있다고 착각하며 살아왔다. 하지만 폭염, 허리케인, 빙하 해빙, 폭설 등 세계 곳곳에서 발생하는 이상기후 현상을 직시하며 그것이 오만이었음을 깨닫게 됐다. 우리는 지구의 주인이 아니고, 지구에 세를 들어 사는 임차인일 뿐이다. 환경은 미래 세대에게서 잠시 빌려 쓰는 것이다. 미래 세대를 위해 어떤 환경을 물려줄 것인지 진지한 고민을 시작할 때가 왔다.
지속 가능한 지구에서의 삶을 위해서 ESG의 E에 조금 더 민감해져야 할 때이고, 그러한 기조에 맞는 경영을 하는 기업에 자연스럽게 눈이 가는 게 요즘 글로벌 트렌드이다.
대멸종 앞에 놓인 인류
지구 역사의 거대 흐름을 보자면, 생명체는 평균적으로 130만 년쯤은 존재하다가 멸종했다. 호모사피엔스는 등장하고 지금까지 30만 년밖에 안 됐다. 그런데도 현재 생물이 멸종되는 속도가 워낙 빠르다 보니 '여섯 번째 대멸종 위기'를 논하는 과학자들이 많다. 대멸종은 지구 상의 모든 생명체 중 70~95%가 사라지는 것인데, 그때마다 최상위 포식자는 반드시 멸종했었다.
지난 다섯 차례 대멸종을 보면 사람은 결코 여섯 번째 대멸종에서 살아남을 수 없을거다. 자연사가 가르쳐준 진리이기 때문이다. 과학자들은 여섯 번째 대멸종이 짧으면 500년, 길면 1만 년 안에 완성될 것이라고 말한다. 몇 년 전까지만 해도 '500년은 짧고, 1만 년은 너무 긴데, 몇천 년은 되지 않겠어?' 이렇게들 생각했는데 지금처럼 기후위기가 급격화된다면 정말 500년이 맞을지도 모르겠다.
10년 전만 해도 약간 여유가 있었지만 지금은 기후가 정말 급박함이 느껴질 정도로 빠르게 변하고 있다.
일단 북극의 빙하 면적이 줄어가고 있는 게 눈에 딱 보인다. 누구나 다 바다의 빙하가 녹으면 해수면이 상승해서 저지대가 침수된다는 재앙 스토리를 들어보았을 것이다. 정말로 빙하가 녹으면 해수면이 상승할까?
바다의 빙하는 해수면 위로 대략 전체의 10%만큼만 나와 있고, 대부분은 물에 잠겨 있다. 신기하게도 다른 물질은 고체가 되면 부피가 줄어들지만, 물은 고체가 되면 부피가 커진다. 여름철에 페트병에 물을 꽉 채워서 꽝꽝 얼리면 페트병이 터질 듯이 팽창됐던 게 기억날 것이다. 생각해봐라. 이미 물 속에 잠겨있는 빙하(고체)가 해수면을 높여놨다. 만약 빙하가 녹으면 부피가 줄어들게 된다. 그래서 오히려 해수면이 낮아진다.
다만 빙하가 바다에만 있는 게 아니라는 문제가 있다. 육지에도 어마어마한 빙하가 있다. 남극 빙하는 다 육지에 있다. 이게 녹으면 그대로 바다로 가는 거다. 즉, 빙하가 녹는 것이 위험하지 않다는 게 아니라, 지구온난화가 진행되면 북극이고 남극이고 죄다 녹아버리니까 경각심을 가져야 한다는 말이다.
게다가 지구 온난화로 인해 시베리아의 동토층이 녹게 되면 그 안에 녹아있는 엄청난 양의 이산화탄소와 메테인 가스가 대기 중으로 방출된다. 생명체가 죽게 되면 박테리아가 탄소화합물인 시체를 분해하게 되고, 시체 속 탄소가 공기 중의 산소와 만나서 이산화탄소가 된다. 그러나 깊은 바다나 땅 속에는 산소가 많이 없다 보니 탄소와 수소가 만나서 메테인이 된다. 문제는 메테인이 이산화탄소보다 80배 이상 강력한 온실가스라는 점이다.
다행히 아직은 기후 재앙의 한계를 넘지 않았다. 현재, 산업화 때를 기준으로 대기 온도가 1도 가량 올랐는데 한계가 어디냐면 2도다. 문제는 1도 오르는데 100년 밖에 걸리지 않았다는 점이다. 여기서 1도가 더 오르게 되면 대기가 건조해지면서 사방에 산불이 나는 등 사태가 정말 심각해진다. 산불의 원인은 주로 이산화탄소 때문인데, 산불이 나면 또다시 엄청난 양의 이산화탄소가 배출된다. 악순환이 시작되는 셈이다. 그때 가서 이산화탄소 배출을 막아도 소용없다.
그래서 지금 1.5도를 기온 상한 저지선으로 합의하고 기온 상승을 막아보자고, 2015년에 200여개 국이 모여 '파리기후협약'을 맺었다. 이 글을 쓰고 있는 지금 기준으로 1.5도까지 남은 시간은 약 10년 정도 된다. 너무 여유가 없다. 그 사이에 이산화탄소 배출량을 획기적으로 줄이지 않으면 안 된다. 올해 코로나 때문에 수많은 사람이 경제적 부담을 느끼고 있다. 코로나 바이러스 하나에도 이런 상황인데, 기후위기는 견딜 수 있는 문제가 아니다.
지구 온난화와 이산화탄소
1700년께 소빙기가 끝나면서 지구의 온도는 꾸준히 상승하고 있다. 1900년대 중반부터는 본격적인 현대 온난기에 진입했다. 온도가 오르는 구간에서 이산화탄소 배출까지 늘면서 온도 상승세가 가팔라졌다. 2100년이 되면 평균기온이 지금보다 3~5도가량 높아질 것이라는 게 전문가들의 분석이다.
지구온난화를 일으키는 주범은 이산화탄소, 메테인, 아산화질소 등 온실가스다. 온실가스가 태양으로부터 받은 복사에너지를 대기 중에 머물게 해 지구 표면의 온도를 높이는 것을 '온실효과'라고 한다. 사실 온실효과가 무조건 나쁜 건 아니다. 온실의 유리처럼 작용해 지구의 온도를 평균 15도로 일정하게 유지할 수 있게 해 주기 때문이다. 그러나 온실가스 농도가 급격히 짙어지면서 지구의 평균 기온이 비정상적으로 높아지고 있다. 이것이 현재 우리가 직면하고 있는 '지구온난화'다..
기후 재앙의 마지노선에 다다른 현재, 이산화탄소 배출량을 목전에 두고 더 이상 방치할 수 없는 상황에 이르렀다. 따라서 국가적 차원에서 더 나아가 글로벌 단위에서 이산화탄소 배출량을 감축하기 위한 협력과 그에 따른 정책들이 쏟아지고 있다. 일단 이산화탄소가 어떤 산업 영역에서 많이 배출되는지에 대한 현황을 파악하는 게 먼저다.
2019년 우리나라 기준, 대부분의 이산화탄소가 전기를 생산하고 철을 제련하는 과정에서 배출된다고 발표됐다. 그리고 오른쪽 도표에서 확인할 수 있듯이 발전원 점유율의 대부분은 석탄과 석유(LNG)가 차지하고 있다. 석탄과 석유는 탄소로 이루어진 탄소 화합물이기에 연소 후 다량의 이산화탄소가 나올 수밖에 없다.
이산화탄소를 배출하여 지구온난화를 일으키는 점 이외에도 석탄과 석유는 무한정 쓸 수 없다는 문제점도 지적되고 있다. 석탄과 석유는 과거에 살던 동식물의 사체가 변화하여 오랜 기간에 걸쳐 생성된 유한한 자원으로써 언젠가는 고갈될 수밖에 없다. 현재 지구에 매장된 석유 총량을 연간 석유 생산량으로 나누면 52.3년이 나오는데, 이는 인류가 석유를 쓸 수 있는 기간이 50년 정도 남았다는 말이다. 석탄은 그보다는 유효기간이 길다고 하지만, 그래도 제한된 자원이기 때문에 석탄과 석유에만 의존해서는 안될 일이다.
기술의 발전으로 오일 샌드, 셰일 오일과 같은 비전통 석유의 활용으로 사용할 수 있는 화석 연료의 양이 증가하고 있다지만 이들 역시 그 양은 한계가 있다.
지속 가능한 에너지, 신재생 에너지
따라서 인류는 이산화탄소를 배출하지 않으면서, 자원의 유한함에 구애받지 않는 지속 가능한 에너지 개발에 여력을 다하고자 화석 연료에서 벗어나 신재생 에너지로 탈바꿈하는 방안을 적극 모색하고 있다. 화석 에너지가 절대적인 비중을 차지했던 산업계에서 이젠 태양열, 풍력, 수력, 수소 등 친환경 에너지가 그 자리를 대체하고 있다.
신재생 에너지는 기존의 화석 연료를 변환하여 이용하거나 햇빛, 바다, 바람 등의 재생 가능한 에너지를 변환하여 이용하는 에너지이다. 신재생 에너지는 초기 투자 비용이 많이 들지만, 자원이 고갈될 염려가 없고 재생할 수 있으며 환경 문제가 거의 없는 장점이 있다. 신재생 에너지는 신 에너지와 재생 에너지의 합성어이다. 그렇다면 신 에너지와 재생 에너지의 차이는 무엇일까?
새로운 에너지, 신(新) 에너지
신 에너지는 기존에 쓰이던 석유, 석탄, 원자력 등이 아닌 새로운 에너지로써 화석연료를 변환시키거나 수소나 산소의 화학반응으로 생성된 전기를 이용한 것이다. 이는 새로운 자원을 개발하여 에너지원으로 이용하는 것이 아니라, 기존의 에너지원에 새로운 기술을 도입해 얻는 에너지이다.
①수소 에너지
미래학자 제레미 리프킨은 “석탄과 증기기관이 산업혁명 초기에 그랬던 것처럼 수소 경제가 우리의 시장, 정치, 사회제도를 본질적으로 바꿀 것“이라고 말했다. 물이나 천연가스 등의 화합물 형태로 존재하는 수소를 분리, 연소시켜 얻는 에너지로써 이용 가능량이 많은 데다 활용도가 아주 뛰어나고 연소시켜도 산소와 결합하여 다시 물이 되기 때문에 환경오염 문제에서도 자유롭다. 현재 세계 각 나라와 기업들은 수소 화합물의 효율적 분리를 위한 여러 시도를 통해 수소를 활용할 수 있는 인프라 구축 등 수소 경제 생태계를 조성하기 위해 다방면으로 노력을 하고 있다.
②수소 연료 전지
수소 연료 전지는 수소의 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치다.
물에 소금을 타서 전해질 용액으로 만들어주면 전류가 잘 흐르게 된다. 이때 건전지 (+) 극에 연결된 양극에서 산소 기체가 만들어지고, 건전지 (-) 극에 연결된 음극에서 수소 기체가 만들어진다. 이 상태에서 건전지를 제거한 회로에 LED를 연결해주면 (-) 극에서는 수소가 전자를 잃어 산화되고, (+) 극에서는 산소가 전자를 얻어 환원되면서 물이 생성된다. 이때 수소가 내놓은 전자가 회로를 따라 (-) 극에서 (+) 극으로 이동하여 전류가 흐르게 된다. 실제 수소 연료 전지에는 물을 전기 분해하는 대신 다른 방법으로 수소를 공급한다.
수소 연료 전지에서는 최종 생성물로 물만 생성되므로 환경오염 물질이 거의 배출되지 않는다. 또 연료 전지는 에너지 효율이 높은 장점이 있다. 화력 발전에서는 여러 단계의 에너지 전환 과정을 거치면서 에너지 손실이 많이 발생하므로 에너지 효율이 낮아진다. 그러나 연료 전지에서는 연료의 화학 에너지가 전기 에너지로 직접 전환되므로 에너지 효율이 높다.
미생물 연료 전지?
미생물 연료 전지는 미생물이 땀, 오폐수 등 유기물을 분해하는 과정에서 전자, 수소 이온 등이 만들어지고, 이들이 전극을 오가며 전기를 생산하는 점에서 착안한 전지다.
안정성과 지속성이 뛰어나며 친환경적이다. 미생물 연료 전지는 우주 비행사의 배설물을 지구로 되가져오지 않기 위해 본격 연구되기 시작했다고 전해진다. 폐기물을 처리하면서 동시에 전기도 생산할 수 있는, 친환경 미래 에너지의 대표 주자로 꼽히고 있다.
미생물 연료 전지는 미생물이 땀, 오폐수 등 유기물을 분해하는 과정에서 전자, 수소 이온 등이 만들어지고, 이들이 전극을 오가며 전기를 생산하는 점에서 착안한 전지다.
안정성과 지속성이 뛰어나며 친환경적이다. 미생물 연료 전지는 우주 비행사의 배설물을 지구로 되가져오지 않기 위해 본격 연구되기 시작했다고 전해진다. 폐기물을 처리하면서 동시에 전기도 생산할 수 있는, 친환경 미래 에너지의 대표 주자로 꼽히고 있다.
수소는 친환경적이지 않다?
수소를 생산하는 방법은 크게 두 가지이다. 메테인에서 산소를 이용해 탄소를 떼어내고 수소를 얻는 방법인데, 이 과정에서 이산화탄소가 나온다. 또 다른 방법은 석유화학공정이나 제철공정에서 발생한 수소를 얻는 방법인데 이 역시 일산화탄소가 나온다. 결국 수소를 얻는 과정에서 막대한 화석연료를 사용하기 때문에 온실가스 배출에서 자유롭지 않다. 화석연료 대신 물을 전기 분해하는 방식이 있지만 이 방식은 또다시 화석연료를 가지고 생산한 전기를 사용해야 하는 단점이 있고, 또 다른 대안인 태양 전지로 전기를 공급하는 시도가 있지만 낮은 효율이라는 장벽이 있다.
그런 와중에 2019년 국내 연구진에 의해 이산화탄소를 활용해 수소를 만드는 방법이 개발됐다는 소식이 언론에 공개됐다.
2019년 한국경제신문 발췌 기사 "이산화탄소 녹여 수소 만든다."
최근 국내 연구진은 이산화탄소로 전기를 생산하는 배터리 등 신개념 전지 기술을 잇달아 선보이고 있다. 김건태 UNIST(울산과학기술원) 에너지 및 화학공학부 교수팀은 최근 이산화탄소를 활용해 전기와 수소를 생산하는 연료전지를 개발했다.
그동안 에너지원으로서 수소는 메테인가스에서 주로 추출했다. 메테인은 온실가스인 탓에 대체 물질 발굴이 시급했다. 김 교수는 “이산화탄소를 빠르고 값싸게 줄이면서 수소와 전기를 생산할 수 있는 세계 최초 기술”이라고 설명했다. 이번 연구 성과는 ‘앙게반테 케미’ 5월 22일 자에 실렸다. SK 등 국내 에너지기업들이 김 교수에게 공동 연구개발을 제의하고 있는 것으로 알려졌다.
아직 상용화 단계라고 보기엔 이르지만, 탄소에 구속되지 않은 진정한 친환경 수소 연료 전지 개발을 위해 고군분투하는 과학자들의 노고를 엿볼 수 있음으로써 머지않아 탄소를 배출하는 것을 넘어서 탄소를 이용해 수소를 생산하는 게 가능하다는 낙관적 전망을 보여준 기사였다.
수소를 생산하는 방법은 크게 두 가지이다. 메테인에서 산소를 이용해 탄소를 떼어내고 수소를 얻는 방법인데, 이 과정에서 이산화탄소가 나온다. 또 다른 방법은 석유화학공정이나 제철공정에서 발생한 수소를 얻는 방법인데 이 역시 일산화탄소가 나온다. 결국 수소를 얻는 과정에서 막대한 화석연료를 사용하기 때문에 온실가스 배출에서 자유롭지 않다. 화석연료 대신 물을 전기 분해하는 방식이 있지만 이 방식은 또다시 화석연료를 가지고 생산한 전기를 사용해야 하는 단점이 있고, 또 다른 대안인 태양 전지로 전기를 공급하는 시도가 있지만 낮은 효율이라는 장벽이 있다.
그런 와중에 2019년 국내 연구진에 의해 이산화탄소를 활용해 수소를 만드는 방법이 개발됐다는 소식이 언론에 공개됐다.
2019년 한국경제신문 발췌 기사 "이산화탄소 녹여 수소 만든다."
최근 국내 연구진은 이산화탄소로 전기를 생산하는 배터리 등 신개념 전지 기술을 잇달아 선보이고 있다. 김건태 UNIST(울산과학기술원) 에너지 및 화학공학부 교수팀은 최근 이산화탄소를 활용해 전기와 수소를 생산하는 연료전지를 개발했다.
그동안 에너지원으로서 수소는 메테인가스에서 주로 추출했다. 메테인은 온실가스인 탓에 대체 물질 발굴이 시급했다. 김 교수는 “이산화탄소를 빠르고 값싸게 줄이면서 수소와 전기를 생산할 수 있는 세계 최초 기술”이라고 설명했다. 이번 연구 성과는 ‘앙게반테 케미’ 5월 22일 자에 실렸다. SK 등 국내 에너지기업들이 김 교수에게 공동 연구개발을 제의하고 있는 것으로 알려졌다.
아직 상용화 단계라고 보기엔 이르지만, 탄소에 구속되지 않은 진정한 친환경 수소 연료 전지 개발을 위해 고군분투하는 과학자들의 노고를 엿볼 수 있음으로써 머지않아 탄소를 배출하는 것을 넘어서 탄소를 이용해 수소를 생산하는 게 가능하다는 낙관적 전망을 보여준 기사였다.
③석탄 액화 및 가스화
석탄 액화 및 가스화 기술은 말 그대로 석탄을 액화 및 가스화하여 정제해 전기, 수소 등의 고급 에너지로 전환하는 복합 기술이다. 이 기술들은 발전 효율이 높고, 대기 오염의 원인 중 하나인 '황(S) 성분'을 제거하기 때문에 친환경적이다.
자연 발생적인 에너지, 재생 에너지
재생 에너지는 화력 발전과 원자력 발전을 대체할 수 있는 에너지로 자연발생적이며 무공해다. 한 번 사용해도 다시 자연 과정에 의해 사용한 만큼 재생되기 때문에 에너지원이 고갈될 염려가 없어 지속적으로 이용이 가능하고, 환경오염이 적어 친환경적이다.
①풍력 에너지
풍력 발전은 바람의 운동 에너지를 이용하여 발전기와 연결된 날개를 돌려 전기 에너지를 생산한다.
일반적으로 풍력 발전기는 바람이 지속적으로 부는 지역인 산이나 바다 근처에 설치한다. 현재 우리나라는 제주도와 서남해안에 해양 풍력 발전 단지를 건설하고 있다.
②해양 에너지
바다를 내려다보는 이순신과 병사들의 심경은 사뭇 비장했다. 고작 12척의 배로 133척의 왜군 함대에 맞서야 했기 때문이다. 누구도 이 전투에서 조선 수군이 승리할 것이라고 예상하진 못했다. 상황이 너무 핵노답이었기 때문이다. 비유하자면 아래 상황과 같았다.
하지만 시즈 한 대가 발업 저글링 수 백 마리를 학살하는 것과 같은 말도 안 되는 승리를 이순신은 해내고야 만다. 그는 좁은 해협에서 거세게 휘몰아치는 조류의 힘을 활용하여 왜선을 격파하는 대승을 거둔 것이다. 이순신은 이처럼 해양 에너지를 올바르게 활용하여 나라를 구해낸 역사적 위인이다.
이순신이 그랬듯이 우리나라 3면이 바다로 둘러싸여 있다는 지정학적 이점을 충분히 활용하여 바다의 청정에너지를 개발하고 적용한 사례가 많다. 하나하나씩 알아보자.
③태양 에너지
태양 에너지를 이용한 발전 방식은 두 가지가 있는데 두 발전 방식의 원리는 엄연히 다르다.
태양열 발전은 태양열로 인해 만들어진 증기의 힘으로 터빈을 돌려 전기를 생산한다는 점에서 낯이 익지만, 태양광 발전은 태양 전지를 이용하여 태양광을 직접 전기 에너지로 전환하여 사용한다는 점에서 낯설다.
태양 전지는 반도체로 구성되어 있고 태양광을 받으면 전류가 흐르는 특성이 있다. 태양광이 태양 전지에 닿아 흡수되면 태양 전지 안에 자유 전자가 생긴다. 이 자유 전자의 흐름으로 전류가 흐르게 된다.
ESS(에너지 저장 시스템)
태양광 발전은 계절과 일조량의 영향을 받으므로 발전 시간이 제한적이고, 풍력 발전 역시 바람의 방향과 세기가 일정하지 않기 때문에 발전량을 정확히 예측하기 어렵다. 이처럼 자연 발생 과정에서 동력을 얻는 신재생 에너지는 이런 불편함을 감수해야 하는데, 이를 해소하기 위해 나온 기술이 'ESS'이다.
ESS를 이용하면 원하는 시간에 전력을 생산하기 어려운 태양광, 풍력, 조력, 파력 등의 신재생 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 수시로 사용할 수 있다. ESS는 전력 인프라를 구성하는 요소이자, 스마트 그리드와 같은 차세대 전력망을 구현하기 위한 핵심 요소 중 하나가 될 것이다.
태양광 발전은 계절과 일조량의 영향을 받으므로 발전 시간이 제한적이고, 풍력 발전 역시 바람의 방향과 세기가 일정하지 않기 때문에 발전량을 정확히 예측하기 어렵다. 이처럼 자연 발생 과정에서 동력을 얻는 신재생 에너지는 이런 불편함을 감수해야 하는데, 이를 해소하기 위해 나온 기술이 'ESS'이다.
ESS를 이용하면 원하는 시간에 전력을 생산하기 어려운 태양광, 풍력, 조력, 파력 등의 신재생 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 수시로 사용할 수 있다. ESS는 전력 인프라를 구성하는 요소이자, 스마트 그리드와 같은 차세대 전력망을 구현하기 위한 핵심 요소 중 하나가 될 것이다.
연금술이 일어나는 곳, 태양
태양열 발전과 태양광 발전은 태양 에너지를 빌려다 전기 에너지를 만드는 방법으로 어디까지나 수동적인 발전 형태다. 인류는 여기서 머물지 않고 진보하는 과학 기술을 앞세워서 태양 스스로가 에너지를 만드는 원리를 터득하여 이를 그대로 모사하는 시도를 하게 된다.
태양은 초당 3.9 X 10^26 J의 에너지를 46억 년 동안 방출해오고 있다. 도대체 이 엄청난 에너지는 어디에서 나오는 것일까? 화학적 연소는 우선 배제한다. 만일 태양이 석탄과 산소로 되어 있었다면 태양의 수명은 1000년에 지나지 않는다. 곧 알게 되겠지만 태양은 석탄을 태우는 것이 아니라 수소를 태운다.
초당 3.9 X 10^26J의 거대한 에너지를 46 억년 간 방출해온 태양의 에너지원은 도대체 무엇일까?
아인슈타인이 그 답에 대한 힌트를 찾았다.
1905년에 아인슈타인은 질량도 에너지의 한 형태이고 에너지로 전환될 수 있다는 '질량 에너지 등가 원리'를 발표한다. 많이 봤었을 오른쪽 수식이 '질량 에너지 등가 원리' 이론 그 자체다.
태양 핵(core) 중심부에서는 수소 원자핵 4개가 결합하여 헬륨 원자핵 1개가 만들어진다. 이때 질량이 약간 감소함을 확인할 수 있다. 이 감소된 질량이 'E=mc^2(m: 감소된 질량)'식을 만족하는 만큼의 에너지로 전환된다. 이렇게 서로 다른 원자핵이 합쳐져 새로운 원자핵이 만들어지는 핵융합 반응이 태양 에너지원이다. 즉, 태양은 석탄을 태우는 것이 아니라 수소를 태움으로써 에너지를 만든다. 그리고 그 과정에서 생기는 엄청난 에너지는 빛과 열로 전환되어 우주 공간을 퍼져나가고, 극히 일부(태양 에너지의 22억 분의 1)가 지구에 도달한다.
수소의 핵융합 반응을 바탕으로 계산된 태양의 수명은 약 100억 년이라고 한다. 즉 지금의 태양은 수명의 절반만큼 살아온 셈이다.
사실 연소와 핵융합 반응에서 빛이 발생하는 본질적인 이유는 똑같다. 그저 연소는 분자 단위에서 발생하고, 핵융합은 원자핵 단위에서 발생한다는 차이일 뿐이다. 연소할 때 전자가 재배치되어 새로운 분자가 만들어지는 과정에서도 역시 질량이 감소한다. 다만 그 감소량이 핵융합 반응 시 생기는 감소량에 비해 극히 미미하다.
그렇다면 연소 반응과 달리 핵융합 반응이 일상생활에서 쉽게 일어나지 않는 까닭은 무엇일까? 분자 단위에서 전자가 재배치되는 데는 적당히 높은 열에너지로도 충분하다. 하지만 원자핵 단위에서는 어지간한 열에너지로는 핵융합 반응이 일어나지 않는다. 원자핵 단위에서는 분자 단위에서의 '전기력'과 비교하지도 못할 만큼 엄청난 세기의 '강력'이라는 힘이 작용하기 때문이다. 태양 중심부는 그러한 강력을 거스를 수 있을 정도로 뜨거운 온도와 높은 압력을 지니고 있으므로 핵융합 반응이 일어난다.
태양의 중심에서 수소 원자가 헬륨 원자로 바뀐다는 건 어떤 의미에선 거대한 규모의 연금술이나 마찬가지다. 하지만 중세기의 연금술사들은 수소를 헬륨으로 바꾸는 것보다는 납을 금으로 바꾸는 데 더 관심이 많았다. 사실 그들의 접근법은 사용한 용광로의 온도가 충분히 높지 못했다는 점만 빼고는 모두 옳았다.
600K 대신 적어도 10^8K 정도는 되었어야 했다.(K는 온도 단위 273℃=1K)
핵융합 원리를 터득한 인류는 더 나아가 "인공태양을 만들 수 있지 않을까?" 생각했다.
핵융합의 재료를 구하기는 쉽다. 수소는 물을 분해해서 얻으면 그만이기 때문이다. 단지 수소끼리 결합할 수 있는 환경, 즉 입자들의 전기적 반발을 이길 수 있는 충분히 높은 온도와 압력을 제공하면 된다. 그러나 높은 온도와 압력을 견딜 수 있는 고체가 지구에 존재하지 않기 때문에 과학자들은 고민해야 했다. 어떻게 하면 이 뜨거운 물질을 가둘 수 있을까에 대해서...
그에 대한 답은 '전자기력'이었다. 전자기력이란 전기장과 자기장이 상호작용하는 결과 생기는 힘을 뜻한다. 1억 도와 같은 초고온에서 물질은 네 번째 상태, '플라즈마'가 된다. 플라즈마란 물질이 이온화되어 전기를 띠는 상태라 보면 된다. 플라즈마의 이동은 곧 전류의 흐름이므로 플라즈마에 강력한 자기장을 걸어주면 이때 생기는 전자기력으로 플라즈마를 어떤 위치에 고정시킴으로써 가두는 효과를 낼 수 있다. 그러한 가둠 장치가 아래의 토카막이다.
전기장과 자기장이 상호작용하여 생기는 전자기력의 방향은 오른손을 이용하여 손쉽게 확인할 수 있다. 정말로 이러한 힘이 발생하는지 확인해볼 수 있는 실험을 소개하겠다.
①패러데이 모터
②코일 속을 움직이는 건전지
더 이상 환경 문제에 손놓고 볼 수만은 없는 지금, 지구에서의 지속가능한 삶을 위해 인류가 어떠한 노력들을 하고 있는지 살펴봤다. 온실가스 방출량을 줄이기 위한 노력의 일환으로 제시된 신재생 에너지들이 어떤 종류가 있었는지 확인해보았다. 더불어 태양의 핵융합 원리를 응용한 인공 태양으로부터 나오는 가장 친환경적이고 효율이 좋은 궁극의 에너지원을 상용화하기 위한 인류의 노력과 그 노력에 숨어있었던 전자기학적인 원리도 살펴보았다. 마지막으로 요즘 핫한 '메타버스'가 온실 가스 감축을 위해 어떻게 활용되는지 살펴보고 포스트를 마무리하겠다.
메타버스와 디지털 트윈
인터넷이 대중화되기 시작한 지 20여 년이 지난 최근엔 3차원 실감형 가상공간을 구성해 다양한 사용자 경험을 제공하고 현실세계와 가상세계의 경계를 넘나들게 하는 서비스가 부각되고 있다. 이를 가상·추상·초월 등을 뜻하는 메타(meta)와 우주를 뜻하는 유니버스(universe)의 합성어로 ‘메타버스’라고 부른다.
‘메타버스 로드맵’에선 메타버스를 네 가지 유형으로 나눈다. 라이프로깅(Lifelogging), 증강현실(Augmented Reality), 거울 세계(MirrorMirror World), 가상세계(Virtual World)다. 이 포스트에선 '거울 세계' 유형의 '디지털 트윈' 기술에 대해 조명해보고자 한다.
가상과 현실을 짝짓는 ‘트윈’ 개념은 이전에도 있었다. 하지만 실제 기업활동에 적용한 사례는 ‘일방향’ 시뮬레이션 정도에 그쳤다. 정밀한 공정 전체를 가상공간에 구현해 작동시키기엔 컴퓨팅·통신기술의 진화가 더뎠기 때문이다. 하지만 요즘은 분위기가 달라졌다. 막대한 데이터를 빠르게 처리할 수 있는 5세대(5G) 통신, 인공지능(AI)등 기술 환경의 발전이 초고속으로 전개된 덕분이다.
디지털 트윈을 통하면 문제가 간단해진다. 가상공간에서 온갖 변수를 적용해보고 가장 좋은 방법을 찾아 곧바로 현실에 적용하면 된다. 가상공간 속에서 시행착오를 겪으면서 쌓인 데이터를 실제 현실에 적용하여 실수에 따른 낭비를 줄이자는 의도가 디지털 트윈의 목적이라고 보면 된다.
디지털 트윈은 최근 중요성이 높아진 ESG(환경·사회·지배구조) 경영에도 ‘절대적인’ 도움을 준다는 평가다. 각종 폐기물과 탄소배출량을 획기적으로 줄일 수 있어서다. 통상 신형 자동차 모델 하나를 개발하려면 프로토 타입이 수십~수백 대가 필요하다. 디지털 트윈은 프로토 타입의 수를 한 손에 꼽을 정도로 줄일 수 있다. 최근 BMW가 메타버스 기술을 기반으로 실제 공장과 같은 환경의 가상 공장을 마련하겠다고 발표한 바 있다.
전문가들은 제조 분야를 비롯한 다양한 영역에서 디지털 트윈 방식이 확산될 경우 2030년까지 탄소배출량이 7.5억 t 감소할 것이라고 내다봤다. 이는 2020년 세계 전체 탄소배출량의 23.8% 수준이다.
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