[함이오 컬럼] 에너지가 미래다

저탄소 발전과 베터리, 데이터 센터.

우크라이나 러시아 전쟁으로 유럽 천연가스 가격이 오르고 각국이 재생에너지로 전환에 가속이 붙고 새로운 도전으로 이어지고 있다, 모든 물질은 에너지다. 결국 경제도 에너지로 환원된다. 원자재들이 청정에너지를 생산하는 기계를 제작해야하고 재생에너지는 화석연료나 원자력에 비해 훨씬 에너지 집약적이기 때문에 동일한 에너지를 생산하려면 더 많은 구조물과 물질이 필요하다 물질세계는 이렇게 돌아간다.

산업혁명은 물질혁명이고 에너지혁명이다. 1800년 영국의 모든 에너지 95%가 석탄에서 나왔고 프랑스는 90% 가 나무에서 나왔다. 해가지지 않는 영국의 출발이 이렇게 시작된다. 미국 역시 전 세계 산유국 원유 시추권 등 자원과 에너지를 바탕으로 영국을 모방하여 새로운 시대 강대국에 들어선다.

대한민국은 그 사이에서 박정희시대 산유국이 아니라는 극렬한 반대에도 불구하고 정부의 적극 지원 아래 원유정제 공장과 대규모 제철소를 짓고 산유국의 원유와 철광석을 수입하고 정제해주는 시장에 스며들면서 산업화의 발판을 만든 예이다.

위대한 비약적인 발전은 대부분 인간의 지적 능력과 재료과학이 합해서 이룬 성과다. 발견과 발명이 짝을 이루고 있는 것이다

지금 대한민국은 AI도 전력문제도 마찬가지 상황에 처해있다. 미국 중국 사이에서 가상공간이 아닌 실물 구조인 데이터 센터와 저탄소 발전이 그 핵심이다 결국 각국은 그에 대한 세금도 데이터를 기준으로 부과할 가능성이 현실적이다.

그 오래전 영국과 미국은 소금으로 기초 화학산업을 구축했고 독일은 석유가 부족한 대신 석탄을 중심으로 경쟁력을 확보했기에 물자 공급 차단 등에도 세계전쟁도 가능했다. 독일의 독창성은 여기서 기인한다. 독일 바이엘 제약은 석탄에서 아스피린을, 또 전쟁 당시 탱크, 트럭, 비행기 기름이 석탄에서 나왔다. 화약을 만드는 질산염을 만드는 보쉬-하버 공법도 독일에서 그 공법으로 석탄을 수소화하여 합성석유를 만들었다. 1913년이다.

가상공간이나 이데올로기가 아닌 사실과 물질에서 답을 찾아야 한다.

현재로선 전기가 기후변화에 대응하는 가장 큰 희망이다. 재활용율을 높인다고 하더라도 기후변화에 대응하려면 여전히 엄청난 전기가 필요하다. 여기서 또 물질세계 역설을 만난다. 물질세계의 지저분한 작업에서 벗어나 기후 변화에 대응하는 전기를 만들려면 다시 그 지저분한 물질세계 화석연료에 의존해야 한다는 것이다.

에너지원이 석탄에서 석유로 그리고 최근 가스로 바뀌어 가고 있다. 카타르 앞바다 라스라판 가스전에서만 전세계 에너지 4%를 공급한다. 현재 태양광 풍력보다 많다. 그리고 러시아 시베리아 가스전은 유럽의 에너지를 담당하고 우크라이나 전쟁으로 텍사스 세일가스와 카타르 가스가 공백을 메웠다. 가스로의 4차 에너지 전환이 진행 중이다. 곧 석유나 석탄보다 많이 사용하게 될 것이다.

천연가스는 석탄이나 석유보다 에너지 효율도 높고 석탄보다 3분의 1, 석유보다 5분의 1 만큼 탄소를 적게 배출한다. 수요가 많으면 당연히 탄소배출은 증가한다. 나아가 대부분 국가가 5차 에너지 전환을 목표로 노력 중이다. 수력, 태양력, 풍력, 원자력으로 대체해 가고 있는 중이다. 더 나은 새로운 동력은 어디에 있는가.

축구장 33개 크기의 엄청난 규모의 공장, 연간 10억 개~100억 개의 배터리를 생산하는 배터리 공장은 가히 기가(Giga)팩토리다. 네바다 황무지에 세워진 테슬라 기가팩토리 1의 규모다. 테슬라는 이밖에도 상하이, 베를린, 텍사스와 뉴욕북부에 4개의 기가팩토리를 운영하고 있다.

AI 로봇 공장도 배터리 공장만큼 기가팩토리화 될 가능성이 높다.

자동차 로봇 드론 등 차세대 이동수단과 생활용품은 AI와 연관 되므로 더불어 연산 데이터센터 역시 규모에서 압도적인 투자와 인터넷 기지국 만큼 곳곳에 산재하게 될 것이다.

대규모 배터리 공장은 배터리, 배터리팩, 전기모터를 만드는 생산 공장 라인들이다. 네바다 배터리 공장에서 흥미로운 사실은 만드는 물건보다 누가 그것을 만드는 지이다. 사실 파나소닉이 만든다. 이 공장의 3분의2는 테슬라가 아닌 파나소닉 전자회사가 차지하고 있다.

리튬 배터리의 역사에서 공로는 자동차 브랜드가 아니라 이 공장에서 그것을 만드는 이(회사) 파나소닉, LG화학, 노스볼트, BYD의 공로다. 공장에서는 과거 카세트테이프나 비디오테이프 같은 리튬 화학적 슬러리(시트, 테이프) 검은 금속 포일과 흰 플라스틱의 얇은 막이 빽빽하게 감겨있다. 겹겹이 쌓인 롤 케이크를 연상하면 된다. 실제로 현장에선 이것을 젤리 롤이라 부른다. 젤리 롤에 리튬 기반 전해질용액을 채우고, 밀봉하고, 강철 뚜껑이 덮이면 제조과정이 완료된다. 모양은 AA 건전지형, 파우치형, 각형으로 빌드 업 되어 왔다.

배터리 공장이 네바다 황무지에 지어진 이유는 배터리가 습기에 약하기 때문에 건조 지역을 선택한 것이다. 자세히 보면 테슬라 자동차는 미국, 일본, 한국, 중국 등 4개국의 합작 자동차 인 것이다. 과거 자동차에서 가장 가치 있는 부분은 내연기관 엔진이었지만 전기자동차의 핵심 부품은 배터리다. 피스톤에서 배터리로 바뀐 것이다. 따라서 그걸 누가 만드는지가 어마어마하게 중요한 일이다.

중국이 현재 전세계 배터리의 80%를 만들고 있다. 중국은 배터리 생산과 원료 물질도 같은 수준에서 통제하고 있다. 또 리튬 배터리에서 음극과 양극을 코팅하는 리튬과 흑연 양극제를 만드는 물질, 배터리 내부 화학 작용에서 배터리 성능의 결정적인 차이가 여기서 나온다. 니켈-망간-코발트 화합물과 니켈-코발트-산화알미늄의 리튬-인산철-화합물을 만드는 회사들 간의 안전성과 성능에서 차이와 장단점 경쟁도 배터리의 또 다른 경제 생태계를 이루고 있다.

스마트폰, 노트북, 드론, 전기차, 로봇. 이 모두에서 전기 화학적 공통은 리튬이다. 태양 풍력 수력 원자력 에너지를 충전 저장하는 곳은 배터리다. 배터리 수요가 증가하는 만큼 전기를 만들어내는 발전도 같이 수요가 증가하는 것은 당연히 수반되는 일이 될 것이다.

일반적으로 한 대의 전기차 배터리에는 리튬 40㎏, 코발트 10㎏, 망간 10㎏, 니켈 40㎏이 들어간다. 흑연은 빼고 물질 자원 확보를 위한 경쟁이 가속화 되는 이유다. 원료 확보 채굴 가공 생산시설 어디에 발을 디디고 있는지와 관계가 관련 기업과 국가의 성패와 깊은 상관을 가진다.

미국은 2차 세계대전 이후 물질 자원들을 주로 군용으로 꾸준히 비축해 왔다. 그러나 냉전이후 비축분도 민간에 내주는 동안 중국은 볼리비아, 칠레 등 남아메리카 원료국가들과 투자거래를 체결하는 등 앞서 나가기 시작했다. 한발 늦은 미국은 트럼프, 바이든 시대에 국방물자생산법등을 통과시키고 해외가 아닌 국내 채굴 공급회사들에 권한을 부여했다. 중국을 견제하고 조이는 중요한 이유 중 하나다. 미국은 매우 중요한 핵심 배터리와 원료 공급 처리를 중국에 빼앗기지 않으려는 것이다. 실리콘 반도체 공급망 통제는 미국과 동맹국들의 승리였으나, 배터리와 배터리 물질들이 중국에 의해 통제되고 있는 것이다.

물질세계의 패권을 두고 일반인들은 잘 모르는 각축이 겉으로 뉴스나 언론에서는 우두머리들의 냉전적 사고나 정치적 편견 등으로 과대 포장되는 경향도 걸러 내면서 들여다봐야 한다. 미국은 지금 호주와 손을 잡고 코발트와 니켈에 더해 수산화리튬, 탄산리튬까지 재료 비축을 서두르고 있다.

각국과 회사들은 배터리, 반도체, 고급유리, 화학물질 등 물질 원료 매장지와 생산지, 가공지, 공급망 그에 따른 관련 기술들의 확보와 보호 그리고 이것을 함께 구현할 동맹을 구축해 이런 관계를 좌지우지 하려는 일을 멈추지 않고 있다. 과거 수 백 년 간 대양과 육지를 정복하며 대부분 식민지로 삼으며 벌였던 일이 19세기 초석과 고무, 구리로 과거를 모방하려 했다. 광물을 향한 희망과 운명을 조금은 다르게 시도해 볼 수는 없을까?

변화하는 세계는 과거 수많은 식민지들에는 정복자의 동상과 상징이 중요한 도시나 광장에 버젓이 서 있다가 독립을 이룬 후 독립 영웅이나 해방전쟁의 영웅들이 그 자리를 차지하고 있다. 아직도 정복자의 상징이 남아 있는 나라가 있을까. 자원 쟁탈전과 노예 등 식민지의 유산은 물질세계의 불쾌하고 취약한 부분이다. 실제로 충분한 광물을 보유한 국가들이 과거 식민지 국가들이지만 지질학적 풍요가 경제성장등 풍요로 이어지지 않는 현실에선 정반대였다. 부패의 고질화, 지속적인 외세의 간섭 속에 자원의 저주란 오명을 쓰고 견디어야 했다. 히로시마에 떨어진 원자탄의 우라늄은 벨기에 식민지 콩고 카탕카산에서 채굴된 우라늄이었다.

인류 역사에서 우리가 사용하는 도구를 만든 원재료의 원천은 돌과 흙이었다. 강철은 지구상에서 가장 많이 재활용된 금속으로 70~90%다. 알루미늄 42~70%, 코발트 68%, 구리 45~53%, 리튬은 1%가 채 되지 않는다. 다가오는 시대는 재활용이 최우선인 시대가 될 것이다. 부차적인 것에서 중요한 일이 되는 것이다.

스마트폰‧노트북‧드론‧전기차‧로봇, 미래 산업 공통분모에서 길을 찾자.

물질세계 모든 부분이 재활용 되는 방법을 연구해야 한다. 반복되는 자원채굴의 고리를 끊어내야 한다. 배터리는 그런 부분에서 가능성이 높다. 폐기물이 한참 나중에야 고려 대상이 되는 다른 다수 산업과는 대조적이다. 전기차 배터리의 수명은 대략 8~10년을 본다, 배터리는 리튬 광산이 아니라 도시광산 배터리 폐기물에서 더 많은 원료가 생기는 것이다. 터지지 않게 분리하고 다시 용광로에 넣어 니켈, 코발트, 구리로 분리하고 슬래그에서 리튬을 분리하는 일이다. 이 과정에서 리튬은 50% 나머지 금속은 95%이상 재회수 한다. 그렇다고 채굴과 발파를 막지 못하고 화석연료 사용을 막을 수는 없다 하지만 이번 5차 에너지 전화의 시대에는 세상이 정말 달라질 수도 있다.

물질과 지성이 연결된 고리와 이야기를 이해하는 것에서 시작한다. 물질세계는 평범한 것들 자랑하지 않는 것들이 이뤄낸 귀중한 것이라는 사실이다. 처음에는 사치품이며 귀하고 특별하지만 평범해지고 저렴해지고 흔해지는 게 물질이다. 더 많이 만들수록 그렇다.

무어의 법칙이나 아담 스미스가 말한 “개별 작업을 전문화함으로써 더 많은 일을 해낸다.” 분업의 현실화는 더 빠르게, 더 저렴하게, 더 흔하게, 가격은 떨어지고 품질은 더 나아지게 된다. 거대해 지는 규모, 지출 감소, 보다 나은 관리에서도 마찬가지 효과가 나타난다.

물질은 인류에게 중요하며 긴밀하게 서로에게도 연결되어 있다. 발전에 어두운 측면도 존재한다. 인류는 물질을 통해 각 단계마다 에너지 밀도를 높여 왔다. 나무를 연소시키는 것보다 리튬배터리를 쓰는 게 이산화탄소를 덜 배출한다. 그러나 이러한 개선이 인간이 점점 더 많은 에너지를 소비한다는 사실을 상쇄 시키진 못한다.

이 또한 물질세계의 결과다. 태양에 의존해 살다가 인구가 늘어나며 식량 물질과 토지와 비료 화석연료로 물질에 의존해 살아가는 생존에 필요한 물질과 그 부작용과 위협에 노출된 물질세계를 대체로 도전과 낙관적으로 보는 견해의 피력이다. 지금부터 요점은 에너지 전기를 어떻게 생산해야 하는가의 문제다. 탄소중립이 가능한 이론에 의거 물질세계 여행을 근거로 대안을 만들어가야 한다. 태양광 풍력 수력 원자력 등과 재활용 재생 공정의 활성을 통해서 가능하게 만들어 가는 일이다.

과정에서 일어날 리스크는 절망과 포기, 탄소 중립에 대한 정치적 저항과 대중의 무관심, 재활용은 다른 채굴이여서 도시자원의 순환 문제. 재활 시설들에 대한 주민의 님비와 혐오. 사실상 어느 나라도 개별적으로 경제 산업 물질 주권을 갖는 게 불가능 하지만 반도체 주권, 물질 주권, 자원주권 달성을 근본 목표로 둔다면 협력과 의존의 관계에 부정적이며 탄소중립을 향하는데 영향을 주게 될 것이다.

대부분의 사람들이 물질세계에서 살지만 정신은 비물질 세계에서 산다고 생각하는 경향에 빠져 있다. 무시하며 살고 있는 물질세계에 대한 이해를 통해 다시 물질세계와 석기시대와 다른 연결을 해야 한다. 우리 시대에 탄소중립의 분기점을 넘지 못하더라도 좀 더 가능한 상상으로 공존을 설계하고 그것을 받아 들여야 한다.

인간의 존속에 이바지하고 번영하는 물질들의 이해에서 비롯되길 바란다.

그럼 이 사이에서 우리는 에너지 미래를 어떻게 대비해야 하는가.