신재생에너지의 지속 가능성에 대하여

제법 아침 저녁으로는 찬바람이 불어 가을이 가까이 옴을 느끼게 됩니다.

신재생에너지가 미세 먼지로 인한 환경 오염을 줄일 수 있다는 점, 원자력의 방사능 유출과 같은 치명적인 사고로부터 비교적 안전하다는 점, 이산화탄소를 거의 배출하지 않아 지구 온난화를 방지할 수 있다는 점에서 많은 관심을 받고 있어 앞으로도 시장 규모가 더욱 커질 것이라고 대부분   사람들은 예측하고 있습니다.

저도 이 분야에 발을 담고 있지만 이러한 신재생 에너지가 진정 지속 가능한 지에 대해 생각해 보는 기회는 그리 많지 않은 것 같습니다.

우선 신재생에너지를 국내에서 분류하고 있는 기준에 따라 신에너지 (대표적으로 연료전지)와 재생에너지(대표적으로 태양열, 태양광발전)으로 구분하고 그 지속 가능성에 대해 간략히 생각해 보겠습니다.

지구상의 대부분의 에너지의 근원은 태양에너지로부터 비롯되었고, 화석연료로 알려진 석탄, 석유, 천연가스 등은 이러한 태양에너지가 탄소 유기물 형태로 변환되어 저장된 에너지원입니다. 20세기에 들어 본격적으로 시작되어진 석유 자원의 채굴과 우라늄 연료의 연쇄 핵분열을 이용한 원자력 기술 발전에 힘입어 오늘날의 현대 문명이 유지되고 있습니다. 이러한 화석 연료와 핵연료는 지구의 역사와 맞먹는 규모의 시간을 통해 태양에너지와 핵에너지를 저장하고 있고 인류가 단기간에 이러한 연료를 빠른 속도로 소비하고 있는 결과 가까운 미래에 석유 고갈과 같은 에너지 부족 사태가 예견되고 있습니다. 그럼 이를 대체하고자 하는 재생에너지의 속성을 살펴보면, 태양광 및 태양열은 현재의 태양에너지를 20% 내외의 효율로 전기로 변환시키거나 열로 사용하는 것으로 전 지구 규모로 패널이 설치된다 하더라도 화석 연료의 축적된 에너지 효율을 따라갈 수는 없을 것입니다.

더욱 경제성으로 따져 본다면 태양광 패널 하나를 설치하여 생산하는 전력의 총합 (보통 20년 정도의 수명을 산정할 때)은 패널 하나를 생산하는 데 들어가는 모든 에너지 (모래에서 폴리 실리콘 추출, 잉곳으로부터 웨이퍼, 태양전지 모듈과 시스템 패널 제조까지 소요되는 총 에너지)보다 작은 경우가 일반적입니다. 이는 대부분의 신재생에너지 발전에서 생산된 전력이 계통 표준이라고 알려진 표준 전기요금 단가보다 비싼(2배에서 5배까지) 높은 가격에 거래가 되고 있는 이유가 되고, 이는 곧 REC(Renewable Energy Certificate)라고 알려진 보조금(궁극적으로는 국민 세금)이 없이는 사업 운영이 어려운 현실입니다.

발전용 연료전지의 경우도 PAFC, MCFC, SOFC, PEMFC 4 종류의 서로 다른 종류의 연료전지가 사용되어 지는 데 대부분의 경우 천연가스에서 수소 연료를 추출하는 과정에서 여전히 기존 화력발전 대비 1/3 가량의 이산화탄소가 배출되고 있습니다. 물론 미세 먼지 배출은 천연가스 발전이나 화력발전 보다 현저히 적지만 지구 온난화 문제 해결에 그리 매력적인 해답은 아닌 게 현실입니다. 또한 비싼 연료 가격(수소/천연가스)과 열병합발전 대비 낮은 에너지 변환 효율로 역시 REC(또는 보조금)이 없이는 사업 운영이 불가능하고 이는 본질적인 문제로 향후 연료전지가 대량 생산되어 가격이 싸지더라도 마찬가지 실정입니다.  

과연 이러한 상황에서 기술과 비즈니스 모델의 혁신 없이 연료전지 발전소나 태양광 발전소를 많이 건립한다고 청정 에너지 사회로 가는 것일지요?

더구나 아직 연료전지의 연료로는 대부분 비싼 화석 연료를 추출하여 사용하고 있으며, 그나마 신재생에너지로 수소를 추출하는 P2G (Power to Gas)의 경우도 물에서 수소를 추출하는 기술이라 친환경적이긴 하나 물을 전기 분해하여 수소를 만들고 이를 다시 물로 변환시키는 과정을 이중으로 진행하며 효율이 투입 에너지 대비 20~25% 수준으로 무척이나 낮습니다.

개인적인 의견으로는 현실적인 대안은 신재생에너지 기술적 혁신이 성숙될 때까지 원자력이나 대체 원자력 기술을 기저 발전으로 지속 유지하면서 미세먼지를 유발하는 화력발전 및 천연가스 발전을 줄이는 방향이 맞지 않을까 생각합니다. 신재생에너지는 기술 개발에 장시간이 필요하고 여기에는 다양한 백그라운드를 가진 인재들의 혁신적인 아이디어가 많이 필요한 분야입니다. 많은 스타트업 들이 등장할 수 있는 분야이나 현재와 같이 폐쇄적인 전력 독점 판매 구조에서는 혁신 생태계가 조성되기 어려운 분야이기도 합니다. 누군가 애기했듯이 전력 시장이 완전 경쟁 시장이었더라면 우리 주위의 흔히 볼 수 있는 전봇대는 이미 사라졌을 지도 모르겠습니다.

또한 원자력의 방사능 우려를 대체할 수 있는 대체 원자력 기술, 예를 들어 토륨 원자로 기술이나 상온 핵융합 기술과 같은 새로운 혁신 기술에도 관심을 가지고 정부와 민간이 지속적으로 투자할 때 신재생에너지의 장점과 결합되어 진정한 지속가능한 에너지원을 확보할 수 있을 거라고 기대해 봅니다.

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Sustainability of Renewable Energy

In the morning and evening, the cold wind blows, making me feel that autumn is near.

Renewable energy has received much attention in that it can reduce the environmental pollution caused by fine dust, it is relatively safe from fatal accidents such as nuclear radiation release, and it can prevent global warming by releasing little carbon dioxide. Most people predict that the market will be bigger in the future. I have a foothold in this area, but I don’t see much opportunity to think about whether this renewable energy is truly sustainable.

First, we will classify renewable energy into new energy (typically fuel cell) and renewable energy (typically solar and photovoltaic power generation) according to the criteria that are classified by Korean government and briefly consider its sustainability.

Most of the energy on earth comes from solar energy, and coal, petroleum, and natural gas, known as fossil fuels, are energy sources that are converted into carbon organic matter and stored solar energy. Today’s modern civilization is sustained by the development of nuclear technology, which began in earnest in the twentieth century, by chain fission of uranium fuel, and by mining petroleum resources.  These fossil fuels and nuclear fuels store solar and nuclear energy through time equivalent to the history of the earth, and humans consume these fuels at high rates in the short term.  If we look at the properties of renewable energy that we want to replace, solar and solar heat converts current solar energy into electricity with efficiency of around 20%. You will not be able to keep up with your energy efficiency with fossil fuel.

Even more economically, the sum of the power generated by installing one solar panel (typically 20 years of life) is less than all of the energy needed to produce one panel (extracting polysilicon from sand, wafers from ingots, total energy required to manufacture solar modules and system panels). Therefore, most of the renewable energy power generation is trading at higher prices (two to five times higher) than the standard unit price, known as the grid standard, which is covered by the Renewable Energy Certificate (REC). Without subsidies (and ultimately national taxes), business operations are difficult.

In the case of power generation of fuel cells, four different types of fuel cells, PAFC, MCFC, SOFC, and PEMFC, are used. In most cases, when hydrogen fuel is extracted from natural gas, CO2 is being emitted. Of course, fine dust emissions are significantly lower than natural gas and thermal power generation, but the reality is that they are not a very attractive solution for solving the problem of global warming. In addition, high fuel prices (hydrogen / natural gas) and low energy conversion efficiency compared to cogeneration are impossible to operate without REC (or subsidies), which is an inherent problem even if fuel cells are mass produced in the future and its price is low enough.

Is this going to a clean energy society by building a lot of fuel cell power plants or solar power plants without innovation in technology and business models?

In addition, most of the fuel cell still uses expensive fossil fuels. P2G (Power to Gas), which extracts hydrogen from renewable energy, is a technology that extracts hydrogen from water. However, the process of electrolysis to produce hydrogen and convert it back to water is performed in duplicate, and the efficiency is very low, which is 20 to 25% of the input energy.

In my opinion, the realistic alternative may be to reduce thermal power and natural gas power generation while maintaining nuclear or alternative nuclear technologies as the base generation until new and renewable energy technological innovations mature. Renewable energy is a field that requires a long time to develop technology, which requires a lot of innovative ideas from talents with diverse backgrounds. This is where many start-ups can emerge, or in today’s closed power monopoly, where innovation ecosystems are difficult to create. As someone said, if the power market was a completely competitive market, the common power poles around us might have disappeared.

We are also interested in new and innovative technologies such as thorium reactor technology and room temperature fusion technology that can replace nuclear radiation concerns, combined with the benefits of renewable energy when governments and private sectors continue to invest. Then we expect to have a truly sustainable energy source.

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