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이렇게 재밌다고?? 듣다가 집중해서 공부하게 되는 에너지 과학자들의 이야기[KIER 에너지 연대기 1부]

산업혁명은 석탄과 같은 화석 연료를 활용해 에너지를 대량 생산하며 인류 문명의 비약적인 발전을 이끈 결정적 사건이었습니다. 그 중심에는 제임스 와트의 증기 기관 개량이 있었습니다. 이전에도 토마스 뉴커먼에 의해 개발된 증기 기관이 존재했으나, 와트는 열손실과 석탄 소모량을 줄이는 혁신적인 개량을 통해 이를 상용화하는 데 성공했습니다. 사실 증기 기관의 기원은 고대 그리스의 헤론까지 거슬러 올라가지만, 당시에는 단순한 장난감 수준에 머물렀습니다. 와트의 노력 덕분에 탄생한 동력 기술은 오늘날 전력 단위인 '와트(W)'로 그 이름을 남기며 현대 문명의 기초를 닦았습니다. 인류가 우주에서 가장 흔한 물질인 수소를 과학적으로 인식하기 시작한 것은 18세기 헨리 캐번디시의 연구를 통해서였습니다. 그는 산과 금속의 반응에서 발생하는 기체를 분리해 냈고, 이 기체가 매우 가볍고 가연성이 높다는 고유의 성질을 실험적으로 규명했습니다. 발견 당시에는 독립된 물질로 정의되기까지 동료 과학자들의 공감대가 필요했으나, 이후 프랑스의 라부아지에에 의해 비로소 우리에게 익숙한 명칭을 얻게 되었습니다. 수소는 단독 분자보다는 화합물 상태로 도처에 존재하며, 현재는 기후 위기를 극복할 핵심적인 미래 에너지원이자 새로운 패러다임의 주역으로 주목받고 있습니다. 수소를 실제 에너지원으로 활용하는 기술은 19세기 윌리엄 그로브에 의해 처음 제시되었습니다. 그는 수소와 산소를 반응시켰을 때 전기 에너지가 발생하는 원리를 발견하고 이를 '연료 전지'라 명명했습니다. 기존의 화석 연료 발전이 연소 과정을 통해 여러 단계의 에너지 전환을 거치는 것과 달리, 연료 전지는 화학 반응을 통해 직접 전기를 생산하므로 효율이 높고 오염 물질 대신 물만 배출합니다. 이러한 기술적 우수성은 과거 NASA의 아폴로 달 탐사선에서도 증명되었으며, 당시 생성된 물은 우주인들의 귀중한 식수로도 활용되었습니다. 오늘날 이는 친환경 수소 경제를 지탱하는 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 태양광 발전의 시초인 광기전력 효과는 1839년 불과 19세였던 에드몽 베크렐에 의해 발견되었습니다. 빛이 반도체 표면에 닿을 때 전자가 이동하며 전류가 흐르는 이 현상은 당시에는 큰 주목을 받지 못했으나, 현재는 가장 중요한 신재생 에너지 기술이 되었습니다. 초기 태양 전지의 효율은 1% 미만에 불과했지만, 현대의 연구진들은 실리콘 위에 페로브스카이트를 층층이 쌓는 탠덤 소자 기술 등을 통해 30% 이상의 높은 효율을 달성하고 있습니다. 이러한 기술적 진보는 태양광 기업 공동 활용 센터와 같은 민관 협력을 통해 대면적 상용화로 이어지며 에너지 자립의 꿈을 현실로 앞당기고 있습니다. 에너지 소비의 확대는 필연적으로 환경에 대한 책임을 동반합니다. 19세기 스반테 아레니우스는 이산화탄소 농도와 지구 표면 온도의 상관관계를 수학적으로 계산하며 온실 효과의 개념을 정립했습니다. 그는 화석 연료 사용으로 인한 대기 중 탄소 농도 증가가 지구 온난화를 초래할 것이라고 경고했는데, 이는 오늘날 기후 변화에 대한 예측과 놀라울 정도로 일치합니다. 현재의 기후 위기는 단순한 음모론이 아닌 실질적인 위협으로 다가와 있습니다. 이에 대응하여 탄소 배출 없는 깨끗한 공기를 지키고 지속 가능한 미래를 만드는 것은 우리 시대의 과학 기술이 해결해야 할 가장 숭고한 과제입니다.

[2021 미래유망기술세미나] 탄소중립을 위한 전략 및 기술_한화솔루션 중앙연구소 손인완 상무

20세기에 들어 인류는 석탄과 석유 등 화석 연료를 에너지원과 물질의 원천으로 광범위하게 사용하며 비약적인 경제 성장을 이루었습니다. 그러나 이러한 활동은 대기 중 이산화탄소 농도를 불과 100년 만에 300ppm에서 400ppm 이상으로 급증시키는 결과를 초래했습니다. 이는 단순히 수치의 변화를 넘어 대형 산불의 빈번한 발생, 북극 빙하의 급격한 감소, 그리고 가뭄의 심화와 같은 심각한 기후 위기로 이어지고 있습니다. 인류가 거대한 지구 환경에 직접적인 영향을 미치고 있다는 사실은 이제 과학적인 데이터를 통해 부정할 수 없는 현실이 되었습니다. 전 세계 주요 국가들은 온실가스 감축을 위한 구체적인 수치를 제시하며, 이를 실현하기 위한 탄소국경세 도입에 박차를 가하고 있습니다. 특히 유럽과 미국이 검토 중인 제도에 따르면, 수입 제품의 생산 과정에서 발생하는 탄소량에 따라 막대한 비용이 부과될 수 있어 수출 중심의 한국 기업들에게 큰 위협이 되고 있습니다. 실제로 자동차 산업에서는 주행 거리당 탄소 배출량에 따라 수조 원대의 벌금을 매기는 규제가 논의되는 등 규제의 현실화가 진행 중입니다. 이러한 글로벌 정책 변화는 탄소 배출 관리가 곧 기업의 영업이익과 직결되는 구조를 만들고 있으며 국가 산업 전반에 거대한 변화를 요구하고 있습니다. 에너지 전환의 핵심인 신재생에너지는 기술적 혁신을 통해 그 효율을 극대화하는 방향으로 발전하고 있습니다. 태양광 분야에서는 기존 실리콘 셀의 한계를 극복하기 위해 페로브스카이트를 결합한 탠덤 셀(Tandem Cell) 기술이 주목받고 있으며, 이는 에너지 전환 효율을 40%대까지 끌어올릴 것으로 기대됩니다. 풍력 발전 역시 설비의 대형화와 해상화를 통해 발전 단가를 낮추고 주민들의 수용성을 높이는 방향으로 진화하고 있습니다. 또한 재생에너지를 활용해 탄소 배출 없이 수소를 생산하는 그린 수소 기술은 수소 경제의 완성도를 높이는 미래 에너지 산업의 근간이 될 것입니다. 자원 순환 기술은 폐플라스틱을 화학적으로 재활용하여 다시 산업의 기초 원료인 나프타로 되돌리는 열분해 공법을 중심으로 빠르게 성장하고 있습니다. 이와 함께 식량 자원과 경쟁하지 않는 목재나 비식용 식물을 활용한 2세대 바이오 화학 제품 개발도 상용화 단계에 접어들며 화석 연료 의존도를 낮추고 있습니다. 특히 대기 중이나 산업 공정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하여 수소와 결합시켜 유용한 화합물로 전환하는 CCUS 기술은 탄소를 버려지는 오염 물질이 아닌 새로운 가치를 창출하는 자원으로 탈바꿈시키는 혁신적인 해결책을 제시합니다. 탄소중립의 실질적인 달성을 위해서는 원료 채취부터 제품 생산, 폐기에 이르는 전 과정의 탄소 발생량을 정교하게 측정하는 전 과정 평가(LCA)와 디지털 평가 시스템이 필수적입니다. 방대한 데이터를 기반으로 한 이러한 검증 체계는 국가 간 탄소 분쟁을 중재하고 기업의 탄소 배출량을 공인하는 신뢰의 기반이 될 것입니다. 한화솔루션은 이러한 기술적 흐름에 발맞춰 제품 설계 단계부터 친환경성을 고려하고 ESG 위원회를 통해 거버넌스를 강화하는 등 책임 있는 경영을 실천하고 있습니다. 미래 세대를 위한 지속 가능한 성장은 이제 체계적인 데이터와 기술적 혁신을 통해 현실화되고 있습니다.

태양광기술

이렇게 재밌다고?? 듣다가 집중해서 공부하게 되는 에너지 과학자들의 이야기[KIER 에너지 연대기 1부]

한국에너지기술연구원

[2021 미래유망기술세미나] 탄소중립을 위한 전략 및 기술_한화솔루션 중앙연구소 손인완 상무

한국과학기술정보연구원