원자 핵 발전, 해상 풍력, 태양광의 전력 생산 효율성 상호 비교

2000년 이전까지 세상은 석탄이나 석유에서 에너지를 얻는 ‘화석연료’를 기반으로 초고속으로 성장해 왔다. 그러나 2000년 이후는 풍력과 태양광, 땅 속의 지열, 바이오매스 등을 활용하는 ‘청정에너지’ 시대로 전환 중이다.

산업의 급격한 변화의 중심에는 항상 '핵심 에너지'의 전환이 자리 잡고 있다.

인간과 동물의 근육을 주로 사용하던 산업혁명 이전의 시대가 있었다. 석탄과 디젤을 새로운 에너지로 사용하던 근대 산업 발전의 시대가 있었다. 21세기라 말하는 현대의 산업 발전은 석유(원유) 없이는 상상할 수 없다.

Energy Transition Info-graphic: "The 200-year history of mankind's energy transitions" (Source: World Economic Forum)

 

2000년 전후부터 2024년 현재까지 인류는 전기 자동차로 상징성이 부여되는 청정에너지의 시대로 전환을 경험하고 있고, 그 속도 또한 빨라지고 있다. 그 이면에는 인류의 생존과 직접 연결되는, 갈수록 더워지고 있는 지구촌 기후 위기 문제가 있다.

인류는 정말로 에너지 전환 비율 100% 대를 달성할 수 있을 것인가? (개인적인 의견이지만) 세월은 조금 걸리겠지만 어느 시점에서는 달성할 수 있다고 생각한다. 기후 위기를 해결할 남은 시간에 비해서 에너지 원료의 전환을 위한 노력이 너무 늦게 시작되었다고 생각할 뿐이다.

우선, 원자 핵을 이용하는 시간 당 원자력 발전의 효율성은 원료 대비 약 90-95퍼센트에 달한다. 원자에서 뽑아낼 수 있는 전기 에너지의 전체 양이 100이라고 할 경우, 전기로 전환되는 비율이 90-95퍼센트에 이른다는 것에 비유할수 있다.

내륙에 세워지는 풍력발전(Offshore Wind Power Plant)의 효율성은 약 45퍼센트이다. 바람이 가지고 있는 에너지의 총량을 '100'이라 했을 때, 해당 에너지를 전기로 전환하는 비율이라 생각하면 된다.

태양광은 효율성이 가장 작다. 발전의 효율성은 약 25퍼센트이다. 태양광이 땅에 내리쬐는 비율(일조량)이 적은 독일의 경우, 태양광 발전의 효율이 12퍼센트에 불과하다. 그럼에도 태양광 발전 전환 속도는 유럽에서 선두 국가를 달린다.

독일의 태양광 발전 비율 (Source: Statista.com)

 

이번에는 각각의 에너지를 연료의 채굴과 폐기물 배출 관점에서 살펴본다.

원자력 발전은 전기 생산 효율성은 높지만, 전기 생산 후에 남겨지는 핵 폐기물의 처리가 거의 영구적으로 불가능하다. 이에 반해, 자연이 제공하는 풍력과 태양광 같은 에너지는 원료 자체에서는 위험한 폐기물이 아예 생성되지 않기에 무척 안전하다.

인류는 원자력 발전 터빈을 회전 시켜서 전기를 생산(*불을 켜는 기술)하는 기술은 개발했다. 그러나, 불을 지피고 남은 핵 원료 폐기물을 어떻게 안전하게 처리할 지에 대해서는 2024년 현재까지도 기술을 개발하지 못하고 있다.

 

과학 저널에 실린 논문들도 핵 폐기물 자체를 근본적으로 안전하게 처리하기 위한 첨단 기술에 대한 연구 결과는 전무하다. 단지, 사용하고 남은 핵 폐기물을 지하 깊숙한 곳에 안전하게 보관하는 방법에 관한 기술 발전 사항 만을 주로 언급하고 있다.

한국 역시, 경상북도 경주 지역에 깊은 땅을 파고 깡통이나 콘크리트 용기에 핵 폐기물을 밀봉하여 차곡차곡 쌓아둘 뿐이다. 지진 강도 6.5 기준으로 건설되었지만, 향후에 지하 깊숙한 곳에서 대형 지진이 발생하게 되면, 어떤 유형으로 재앙이 벌어질 지는 아무도 모른다.

'월성 중·저준위 방사성 폐기물 처분시설'(Wolsong Low and intermediate level radioactive waste disposal center, 일명: '경주 방폐장')의 모습 (Source: Bing.com 검색 화면 캡처)

 

원자 핵에 비해서 태양광, 풍력, 지열 등은 원료 자체가 방사능을 걱정할 필요가 전혀 없다. 지구의 자전과 공전의 영향에 따른 공기 흐름의 강도와 방향이 풍력의 세기를 결정하는 유일한 변수일 뿐이다.

태양과 지구 사이로 전달되는 태양 에너지는 인간이 개발한 다양한 기술을 활용하여 '빛과 열'을 저장하고 응용할 뿐이다. 인류가 개발하고 있는 태양광 저장 기술은 시간이 갈수록 효율이 확대되고 있다.

현재는 에너지 저장 효율이 25%에 불과하지만, 똑똑한 인류는 50%퍼센트를 넘어서는 날도 빠른 시일 내에 이룩해 낼 것이다. 태양광 에너지 저장 기술의 효율성이 50%퍼센트가 넘는다고 하더라도-방사능 폐기물과 같은-인류가 기술적으로 해결 못하는 문제는 발생하지 않는다.

석탄이나 석유는 매장량이 한정되어 있다. 반면에 바람과 태양열 등 공해가 없는 천연의 에너지는 거의 영구적으로 (자연으로부터) 무상으로 공급 받을 수 있다. 또한, 풍력이나 태양광은 석유나 석탄처럼 원료를 채취하는 과정에서 오염물질이나 쓰레기도 배출되지 않는다.

바람이 부는 방향을 향해 거대한 바람 개비가 돌아가는 시설물을 세우기만 하면 된다. 태양이 공전하는 방향으로 태양광 패널을 세우기만 하면 된다. 바람이 부는 곳, 태양이 비추는 곳이면 어디에서 든 에너지를 얻을 수 있기에 후대들에게도 부담이 없는 에너지 원이다.

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(참고자료 References)

• Vaclav Smil, <How the World Really Works>, ‘Understanding Energy’, Page 25, VIKING, Penguin Random House LLC 2022
• Energy Transition: "The 200-year history of mankind's energy transitions", World Economic Forum, April 12, 2022
• Kristina Kvashnina, Francis Claret, Nicolas Clavier, Tatiana G. Levitskaia, Haruko Wainwright & Tiankai Yao, "Long-term, sustainable solutions to radioactive waste management", Nature.com, 11 March 2024
• 송진식 기자, "핵폐기물은 어떡하고…원전이 민생이라는 정부", 경향신문, 2024.03.03