사이언티픽 아메리칸 12 에너지의 과학

▣ 출판사서평

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.

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.

▣ 작가 소개

그래함 콜린스 Graham P. Collins : [사이언티픽 아메리칸] 기자이다.

데이비드 비엘로 David Biello : [사이언티픽 아메리칸] 기자이다.

데이비드 카스텔베치 Davide Castelvecchi : [네이처] 기자이다.

래리 그리너마이어 Larry Greenemeier : [사이언티픽 아메리칸] 기자이다.

린다 처치 치오치 Linda Church Ciocci : NHA 사무총장이다.

마이클 르모닉 Michael Lemonick : [사이언티픽 아메리칸] 기자이다.

마이클 웨버 Michael E. Webber : 텍사스대학교 교수이다.

마크 델루치 Mark A. Delucchi : 캘리포니아주립대학교 버클리 캠퍼스 TSRC 연구원이다.

마크 제이콥슨 Mark Z. Jacobson : 스탠퍼드대학교 교수이다.

마크 피셰티 Mark Fischetti : [사이언티픽 아메리칸] 기자이다.

매튜 월드 Matthew L. Wald : [뉴욕타임스] 에너지 전문 기자이다.

멜린다 웨너 Melinda Wenner: 건강 전문 기자 : 뉴욕시립대학원 강사이다.

JR 민켈 JR Minkel : [사이언티픽 아메리칸] 기자이다.

바실리스 프테나키스 Vasilis Fth... enakis : 컬럼비아대학교 교수이다.

비잘 트리베디 Bijal P. Trivedi : 과학 전문 기자이다.

사라 왕 Sarah Wang : 과학 전문 기자이다.

스티븐 애슐리 Steven Ashley : [사이언티픽 아메리칸] 기자이다.

안토니오 레갈라도 Antonio Regalado : [MIT Tech Review] 기자이다.

애덤 피오레 Adam Piore : 과학 전문 기자이다.

애덤 하드하지 Adam Hadhazy : 과학 전문 기자이다.

제인 브랙스턴 Jane Braxton : 과학 및 환경 전문 기자이다.

제임스 메이슨 James Mason : [사이언티픽 아메리칸] 기자이다.

제프 브룸필 Geoff Brumfiel : [사이언티픽 아메리칸] 기자이다.

조지 머서 George Musser : [사이언티픽 아메리칸] 기자이다.

존 헤이우드 John B. Heywood : [사이언티픽 아메리칸] 기자이다.

찰스 초이 Charles Q. Choi : 과학 전문 기자이다.

켄 츠바이벨 Ken Zweibel : 환경 에너지 연구자이다.

역자 : 김일선
서울대학교 공과대학 제어계측공학과를 졸업하고 같은 학교 대학원에서 석사와 박사학위를 받았다. 삼성전자, 노키아, 이르데토, 시냅틱스 등 IT 분야의 글로벌 기업에서 R&D 및 기획 업무를 했으며 현재는 IT 분야의 컨설팅과 전문 번역 및 저작 활동을 하고 있다. 옮긴 책으로는 『사이버해킹』『시간이란 무엇인가』『인공지능』『스포츠의 과학』등이 있다.

▣ 주요 목차

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