세상은 실제로 어떻게 돌아가는가

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세상은 실제로 어떻게 돌아가는가 : 우리의 문명을 정확하게 이해하기 위한 과학적 접근 - 인문/

 

 

 

 

 

 

p.33-34

1800년경 지구를 지나가던 탐사선은 지구 전역에서 지배적인 두발짐승이 사용하는 열과 빛의 98퍼센트가 여전히 식물 연료에서 공급되고, 인간과 동물의 근육이 경작과 건설 그리고 제조에 필요한 역학적에너지의 90퍼센트 이상을 제공한다고 기록했을 것이다. 영국에서는 제임스 와트가 개량된 증기기관을 1770년대에 내놓았고, '볼턴 앤드 와트'는 평균 출력이 25마력에 달하는 증기기관을 제작하기 시작했다. 그러나 1800년까지 그 회사는 500대를 채 팔지 못했고, 증기기관은 마구를 채운 말이나 근면한 노동자가 제공하는 총동력의 극히 일부만을 대신할 뿐이었다.

 

1850년경까지도 유럽과 북아메리카에서 채굴한 석탄은 총연료 에너지의 7퍼센트를 감당하는 데 그쳤다. 유용한 운동에너지의 거의 절반은 역축으로부터, 40퍼센트가량은 인간의 근육으로부터 얻었다. 수차와 풍차 및 서서히 확산하던 증기기관, 이렇게 세 종류의 무생물 원동기로부터 얻는 에너지는 15퍼센트에 불과했다. 따라서 1850년의 세계는 2000년의 세계보다 1700년이나 1600년의 세계와 더 유사했다. 

 

그러나 1900년쯤에는 근대적 에너지원(석탄과 약간의 원유)이 일차에너지의 절반을 공급하고, 전통적인 연료(나무와 숯과 밀짚)가 나머지 절반을 담당해 화석연료와 재생 연료가 세계 원동기에서 차지하는 몫이 크게 변했다. 1880년대에는 수력발전소의 터빈이 주된 일차 전력원이었다. 지열 발전은 그 뒤에 탄생했고, 제2차 세계대전이 끝난 후에는 원자력과 태양광 그리고 풍력을 이용한 발전(신재생에너지)이 가능해졌다. 그러나 2020년까지도 전 세계에서 생산하는 전기의 절반 이상을 여전히 화석연료, 주로 석탄과 천연가스를 태워 만들 터였다.

 

p.37-38

세계 인구는 1800년에 10억 명이었지만 1900년에는 16억 명으로, 2000년에는 61억 명으로 증가했다. 따라서 유효 에너지 공급은 일인당 1800년 0.05기가줄(gigajoule)에서 1900년에는 2.7기가줄로, 다시 2000년에는 약 28기가줄로 크게 증가했다. 한편 세계 에너지 공급량이 2020년에 일인당 34기가줄로 급작스레 증가한 주된 이유로는 2000년 이후 세계 무대에 등장한 중국이 손꼽힌다. 요즘 현대인이 평균적으로 사용하는 유효 에너지량은 19세기 초에 우리 조상들이 사용하는 에너지량의 평균보다 700배나 많다.

 

게다가 제2차 세계대전 직후에 태어난 사람들이 평생 동안 사용한 일인당 평균 에너지량은 1950~2020년 10기가줄에서 34기가줄로, 3배 이상 증가했다. 34기가줄을 쉽게 상상할 수 있는 크기로 바꿔 표현하면, 평균적인 지구인이 매년 약 800킬로그램(약 6배럴)의 원유, 혹은 약 1.5톤의 질 좋은 역청탄을 사용하는 것과 같다. 육체노동량으로 표현하면, 60명의 성인이 한 명의 평균적인 사람을 위해 쉬지 않고 밤낮으로 일하는 것과 같고, 부유한 국가의 주민을 위해서는 국가에 따라 조금씩 다르지만 대략 200~240명의 성인이 위와 같이 일하는 것과 같다. 평균적으로도 우리 인간은 역사상 전례없는 양의 에너지를 사용하고 있다.

 

p.40

에이리스가 지적했듯이, 경제학은 생산이라는 물리적 과정에서 에너지가 차지하는 중요성을 체계적으로 따지지 않을 뿐만 아니라, "노동과 자본만으로 생산이 이루어질 수 있는 것처럼, 다시 말하면 에너지가 노동과 자본에 의해 추출되는 게 아니라 생산 가능한 인위적 자본의 한 형태에 불과한 것처럼 (...) 경제에서 에너지가 분담하는 비용은 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에 에너지는 중요하지 않다"고 가정한다.

 

p.47

열역학 제1법칙에 따르면, 에너지가 전환되는 동안에는 에너지가 전혀 소멸하지 않는다. 음식을 소화할 때 화학에너지가 다른 화학에너지로, 근육을 움직일 때 화학에너지가 역학적에너지로, 천연가스를 태울 때 화학에너지가 열에너지로, 터빈을 돌리는 동안 열에너지가 역학적에너지로, 발전기에서 역학적에너지가 전기에너지로, 당신이 책을 읽을 수 있도록 해주는 전기에너지가 전자기에너지로 전환하는 동안에는 에너지 손실이 없다. 하지만 모든 에너지 전환은 결국 저온 열로 흩어진다. 따라서 에너지는 소멸하지 않지만 에너지의 유용성, 즉 유용한 일을 할 수 있는 능력은 사라진다(열역학 제2법칙)

 

p.48

에너지 전환은 유용성에서 큰 차이가 있어 다양한 선택이 가능하다. 예컨대 등유와 디젤유는 화학에너지의 밀도가 높아 대륙을 넘나드는 항공기와 선박에 유리하다. 그러나 잠수함이 잠수 상태로 태평양을 횡단하려 한다면, 최선의 선택은 소형 원자로에서 농축우라늄을 핵분열해 전기를 생산하는 것이다. 육지로 눈을 돌리면, 커다란 핵원자로가 전기를 가장 확실하게 만들어내는 장치다. 핵원자로는 90~95퍼센트의 효율성으로 전기를 생산하는 반면, 풍력발전용 터빈은 최적의 조건을 갖춘 해안지역에서도 약 45퍼센트, 태양전지는 가장 햇살이 좋은 기후권에서도 그 효율성이 25퍼센트에 불과하다. 독일에 설치된 태양 전지판은 12퍼센트 정도의 효율성으로 전기를 생산할 뿐이다.

 

p.58~59

1995년 원유 채굴이 마침내 1979년의 기록을 넘어섰고, 그 후로도 계속 증산하며 경제 개혁에 나선 중국의 수요뿐 아니라 아시아 다른 지역에서도 늘어나던 수요를 맞추었다. 그러나 원유 자체는 1975년 이전의 상대적 우위를 되찾지는 못했다. 원유가 세계 상업용 일차에너지에서 차지한 몫은 1970년의 45퍼센트에서 2000년에는 38퍼센트로, 2019년에는 33퍼센트로 떨어졌다. 천연가스 소비, 풍력발전과 태양광발전의 지속적 증가에 따라 원유의 상대적 추락은 앞으로도 계속될 게 분명하다. 이렇듯 태양전지와 풍력 터빈으로 전기를 생산할 기회는 더 많아질 것이다. 하지만 이런 간헐적 에너지원으로부터 20~40퍼센트의 전기를 생산하는 시스템(경제 대국으로는 독일과 스페인이 대표적인 예)과 재생에너지원에 전국의 전기 공급을 전적으로 의존하는 시스템 사이에는 근본적 차이가 있음을 알아야 한다. 

 

인구가 많은 경제 대국이 전기 공급을 재생에너지원에 완전히 의존하려면, 우리에게 아직 없는 것이 필요하다. 전기를 대규모로 장기간(며칠에서 몇 주까지) 저장하는 장치를 개발해 간헐적인 전기 발전을 보완하거나, 표준 시간대를 넘나들며 햇살과 바람이 많은 지역에서 주요 도시와 산업 중심지로 전기를 송전하는 고압선망을 광범위하게 갖추어야 한다. 오늘날 석탄과 천연가스를 연료로 사용해 만들어내는 전력량뿐 아니라, 모든 운송수단을 완전히 전기화해 현재 자동차와 선박과 항공기에 액체연료로 공급하는 에너지까지 대체할 정도로 충분한 전기를 신재생에너지로 만들어낼 수 있을까? 또 몇몇 계획안이 약속하는 것처럼 이런 전환을 고작 20~30년 만에 실현할 수 있을까?

 

p.69

병원과 활주로를 밝히고 비상구의 위치를 알려주는 조명부터 인공심페기를 비롯해 무수히 많은 산업 공정까지 모든 걸 전기 동력을 통해 얻는 사회에서, 안정된 전기 공급은 필수 조건이다. 따라서 전력망 관리자들은 6개의 9에 올라서야 바람직하다고 말한다. 99.9999퍼센트의 신뢰성으로 연간 32초 만의 단전을 허용해야 한다는 뜻이다. 코로나19 팬데믹으로 혼란과 불안 그리고 피할 수 없는 죽음이 닥쳤지만, 인구가 밀집한 지역에 며칠 동안 전기 공급을 줄이는 경우에 비하면 그 영향은 미미했다. 더구나 단전이 전국적 규모로 몇 주 동안 지속될 경우 전대미문의 결과를 낳는 파국적 사건으로 발전할 것이다.

 

p.74~75

요즘의 핵원자로는 제대로 짓고 신중하게 관리하면 지속적으로 안전하고 확실하게 전기를 공급할 수 있다. 앞에서 지적했듯 핵원자로는 90퍼센트 이상의 효율성으로 운영할 수 있고, 수명도 40년이 넘는다. 하지만 원자력발전의 미래는 여전히 불확실하다. 중국과 인도 그리고 한국만이 원자력발전 용량을 확대하는 데 열중할 뿐이다. 서구에서는 높은 자본 비용, 건축 지연, 덜 비싼 에너지원의 가용성(미국에서는 천연가스, 유럽에서는 풍력과 태양광)이 복합적으로 작용해 핵분열을 통한 발전이 매력을 잃었다. 게다가 미국이 새롭게 개발한 소형 모듈 안전 원자로는 1980년대에 처음 제기되었지만 아직까지도 상업화되지 않았다. 독일은 2022년까지 모든 원자력발전을 포기하기로 결정함으로써 유럽에 팽배한 깊은 반핵 감정을 여실히 보여주었다.

 

그러나 원자력발전을 반대하는 목소리는 지속될 수 없을 듯하다. 유럽연합조차 핵원자로 없이는 야심찬 탈탄소화 목표에 도달할 수 없다는 걸 이제는 인정한다. 2050년까지 이산화탄소 순배출을 제로로 낮추려는 시나리오에서도 수십 년 동안 무시하고 방치해온 원자력발전을 다시 고려하고 있으며, 핵분열에서 얻는 에너지가 전체 에너지 소비량의 20퍼센트까지 차지할 것으로 예상한다. 여기에서 전기뿐 아니라, 일차에너지 소비량을 언급한 걸 주목할 필요가 있다. 전기는 세계 최종 에너지 소비의 18퍼센트에 불과하다. 산업계와 가정, 상거래와 수송에서 사용하는 최종 에너지를 80퍼센트 이상 탈탄소화하겠다는 목표는 전기 발전의 탈탄소화보다 훨씬 어렵다. 늘어난 전기 발전은 국소 난방이나 지금도 화석연료에 의존하고 있는 많은 산업 공정에 사용할 수 있지만, 장거리 수송의 탈탄소화 진행 여부를 여전히 불분명하다.

 

p.78

요즘의 성급한 정치적 선언과 대조적으로, 이런 냉엄한 현실은 신중하게 계산된 장기적 에너지 공급 시나리오에서도 어김없이 확인할 수 있다. 국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)가 2020년 발간한 <공표된 정책 시나리오 Stated Policies Scenario>에 따르면, 2019년에는 화석연료가 세계 총수요에서 차지한 몫이 80퍼센트였지만, 2040년에는 72퍼센트로 하락하리라 추정된다. 반면 국제에너지 기구의 <지속 가능한 발전 시나리오 Sustainable Development Scenario> - 세계적인 탈탄소화의 속도를 크게 높였다는 점에서 지금까지 공개된 가장 공격적인 탈탄소화 시나리오 - 에서는 2040년이면 화석연료가 세계 일차 에너지 수요의 54퍼센트만을 공급할 것으로 예상한다. 그러면 54퍼센트라는 높은 비율을 10년 만에 제로로 떨어뜨린다는 게 가능할까?

 

p.86~87

1950년 25억 명이던 세계 인구가 2019년에는 77억 명으로 급상승했다. 그런데도 세계적으로 영양 결핍이 가파르게 줄었다는 사실은, 1950년의 세계는 약 8억 9,000만 명에게 적정한 식량을 공급할 수 있었지만, 2019년에는 70억 명에게도 적정한 식량을 공급할 수 있게 되었다는 뜻이다. 절대적 수치로는 거의 8배가 증가한 셈이다!

 

이런 인상적인 성취가 어떻게 가능할 수 있었을까? 작물 수확량이 더 많아졌기 때문이라는 것은 너무도 뻔한 대답이다. 더 생산성 높은 품종, 경작의 기계홯, 적정한 비료, 관개시설, 작물 보호 등의 복합적인 결과로 수확량이 증가했다는 대답은 경작법의 중대한 변화를 정확히 지적하는 것이긴 해도 근본적인 설명으로는 부족하다. 현대의 식량 생산은 농지에서의 작물 재배든 바다에서의 어류 포획이든 두 종류의 에너지에 의존하는 특별한 혼성체이다. 첫 번째 에너지는 가장 확실한 에너지, 즉 태양이다. 그러나 이제는 화석연료가 반드시 필요하고, 우리 인간이 만들어내는 전기도 필요하다. 

 

화석연료에 의존하는 흔한 사례에 대해 질문을 받으면, 유럽과 북아메리카의 추운 지역에 거주하는 사람들은 집을 난방하는 데 사용하는 천연가스를 즉각 떠올릴 것이다. 또 대부분의 운송 수단에 동력을 제공하는 액체연료의 연소를 지적하는 사람들도 있을 것이다. 그러나 현대 세계에서 우리가 화석연료에 의존하는 가장 중요한 사례, 즉 근본적으로 우리 생존과 관련 있는 사례는 바로 식량 생산이다. 식량을 생산할 때 우리는 화석연료를 직간접적으로 사용하고 있다. 직접적인 사용에는 농사일에 쓰이는 농기구(트랙터와 콤바인 등의 수확용 기계), 수확물을 농지에서 저장고와 가공 공장으로 옮기는 운송 수단, 관개시설에 쓰이는 펌프에 동력을 공급하는 연료가 포함된다. 간접적인 사용에는 농기구, 비료, 농약(제초제, 살충제, 살진균제)을 생산하는 데 쓰이는 연료와 전기가 포함된다. 온실을 만들 때 필요한 유리와 플라스틱판부터 정밀 농업을 가능하게 해주는 장치까지 다양한 기구를 제작하는 데 쓰이는 연료와 전기도 간접적으로 사용하는 경우이다.

 

우리의 식량을 생산하는 데 필요한 근본적인 에너지 전환 방식은 바뀌지 않았다. 항상 그렇듯이 우리는 광합성의 산물을 먹는다. 식물을 먹으면 그 산물을 직접 먹는 것이고, 살코기를 먹으면 그 산물을 간접적으로 먹는 것이다. 광합성은 생물권에서 가장 중요한 에너지 전환으로, 태양복사에서 동력을 얻는다. 변한 것은 곡물과 살코기의 생산성이다. 화석연료와 전기의 투입이 꾸준히 증가하지 않았다면, 지금처럼 풍부하고 예측 가능하게 수확할 수 없었을 것이다. 이런 인위적인 에너지 보조가 없었다면, 우리는 인류의 90퍼센트에게 적절한 영양을 공급할 수 없었을 테고, 영양실조율을 그 정도로 낮추지도 못했을 것이다. 물론 한 사람을 먹이는 데 필요한 경작지 면적고 노동량을 꾸준히 줄이지도 못했을 것이다.

 

 

 

 

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