자원과 문명

 

질문에 답하기 전에

 

지구상의 자원은 현재의 수준으로 채굴한다면(사용한다면) 석유 약 40년, 천연가스 60년, 우라늄235가 60년, 플루토늄239이 3천년, 석탄 220년내에 고갈되고, 현재 가장 널리 쓰이는 석유는 약 2025년쯤되면 공급피크치를 넘어설 것이라 한다.

 

또, 현대산업문명의 핵심적인 기술을 지배하는 자원들중에 희토류금속이 있다. 희토류(稀土類; Rare Earth Elements)는 원소기호 57번부터 71번까지의 란탄넘(란탄)계 원소 15개 와, 21번인 스칸듐(Sc), 그리고 39번인 이트륨(Y) 등 총 17개 원소를 총칭한다.

 

 

희토류는 화학적으로 매우 안정하고, 건조한 공기에서도 잘 견디며, 열을 잘 전도하는 특징이 있으며, 상대적으로 탁월한 화학적·전기적·자성적·발광적 성질을 갖는다.

 

현대사회에서 희토류는 전기 및 하이브리드 자동차, 풍력발전, 태양열 발전 등 21세기 저탄소 녹색성장에 필수적인 영구자석 제작에 꼭 필요한 물질을 포함한다. 예를 들어, 전기자동차 한대를 움직이는 데 필요한 영구자석에는 희토류 원소가 약 1kg가량 포함되어 있다.

 

또한 희토류는 LCD·LED·스마트폰 등의 IT산업,카메라·컴퓨터 등의 전자제품, CRT·형광램프 등의 형광체 및 광섬유 등에 필수적일 뿐만 아니라 방사성 차폐효과가 뛰어나기 때문에 원자로 제어제로도 널리 사용되고 있다.

 

이외에도, 수소연료전지차에도 Stack내 수소_산소 반응 촉매로서 대당70g~20g정도 백금이 들어간다. 백금은 가격도 문제고 매장량도 문제이다, 백금족(PGMs)은 남아공과 구소련지역이 전세계 매장량의 대부분을 차지하며, 남아공의 Merensky, UG2와 Platreef 등 주요 광상은 매장량이 38백만온즈의 금을 포함해서 총 1,948백만온즈로 추정된다. 또한 옛소련연방지역(러시아)은 Norilsk에 약 2억 온즈 정도가 부존하고 있는 것으로 추정된다. 1온즈는 약 28.3g이니 그 매장량을 짐작 할 것이다

 

고갈이라는 것이, 자원의 공급이 완전히 끊기는 것이라기 보다는 수치상 수요가 공급을 의미있게 넘어서는 싯점이라고 보이는데, 그시점에 이르기 전에 가격등으로 감당할 수 없는 사전 현상이 나타나서,적응과정을 거치면서 인류가 대안을 찾아가겠지만, 많은 고통이 수반될 될 것이다. 의미있게 넘어선다는 것은 단순히 수급불균형 때문이 아니라, 절대적 공급능력이 수요를 감당하지 못하는 것을 의미한다.

 

수소연료전지차의 촉매제로 사용되는 백금의 대치로 그래핀이 연구되고 있는 것처럼, '과학기술이 새로운 대안을 찾고 있고, 탐사.채굴기술의 발전으로 매장재원의 확보를 늘릴 수도 있고, 새로운 자원의 발견등' 으로 고갈시기는 늘어늘 것이지만, 한 세대 이상은 지연시키기 어려울 것이다..그 중, 석유는 가장 많이 사용되고, 실생활을 유지하는 데 필수불가결한 자원이므로, 석유고갈의 문제는 타자원에 비해 영향이 크다.

 

'여러자원의 고갈시기 바란스를 맞추어 지연시키는 방법' 이 있다.예를들어 석탄을 석유대신 쓰는 방법이 있지만, 그리하여도 에너지 효율을 고려한다면, 수십년 길어야 한세기는 넘기지 못할 것이라는 얘기다. 원자력으로 얻어진 에너지도, 우라늄같은 원료의 매장량을 고려하면, 오랫동안 지구문명을 버텨주기는 하겠지만, 그것도 문명사적 의미로는 유한한 것이다, 그래서 전기는 궁극적으로 재생에너지, 우주태양광발전 등을 통하거나로 얻어야 한다는 것이다.

 

아마도 먼 미래에는 지구상의 인류가 줄어드는 시점도 있을 것이고, 외계행성에서 채굴하여 지구로 보내는 경우도 있을 것이다. 지구가 멸망하지 않는 다면, 인류가 행성이주를 하는 경우도 미래 지구의 불가피한 모습중의 하나일 것이다.

 

질문에 답한다.

 

1) 수소는 지구상에 무궁무진한 물의 전기 분해를 통해 얻어지거나, 석유나 가스류등의 정제가정에서 만들어지기도 하고 부산물로 생기기도 한다. 여기에 사용되는 전기는 석유, 석탄을 태워 나오는 전기이기 때문에, 이교수질문은, '석유를 사용하지 않기 위해, 전기를 만들고, 전기를 만들기 위해 수소를 만들고, 수소를 만들기 위해 석유를 사용해야 한다'는 아이러니를 말하고자 하는 요지 인 것 같은데,

 

그래서 전기는 석유외의 방법으로 만들자는 것이고, 재생에너지, 원자력으로부터 만들어 야하는 소이가 여기에 있다. 또, 석유를 그대로 태워 사용하는 것보다 석유를 사용해서 전기를 만들어, 그 전기를 사용하면 효율적 측면에서 석유사용량을 줄일 수 있다. 궁극적으로는 석유를 사용하지 않고 전기를 만드는 원자력, 재생에너지가 요구되지만, 단기적으로는 효율을 개선하는 노력이 선행하되 석유사용은 불가피한 것이다. 예를 들어, 에너지 효율 면에서, 내연기관의 효율은 20%대 내외에 있지만, 수소연료전지의 효율은 38% 을 상회하고 60%도 가능하다고 한다.즉, 석유즉 가솔린을 직접태워(폭발시켜) 차량을 움직이는 것보다, 수소를 만들어, 이를 수소연료전지에 사용하여 차량을 움직이는 데 이용하는 것이 효율이 높다는 것이다. 이는 수소연료전지의 수소와 산소의 반응이 화학적반응으로 내연기관의 열역학적 카르노사이클을 따르지 않아도 되고, 마찰등으로의 손실이 적기  때문이란다.

 

*카르노 사이클(Carnot Cycle): 기체를 등온팽창 → 단열팽창→ 등온압축 → 단열압축의 순서로 변화시켜 처음의 상태로 복귀시키는 이상적인 열역학사이클

 

 

2) 석유가 전혀 없는 상태에서의 차량의 제작 역시, 동력소스로서의 전기는 이론적으로는 원자력, 재생에너지등이, 사용될 수 있을 것이다.

 

자동차를 이루는 타자원들, 이를테면, 철강, 알루미늄등은 고갈시기가 훨씬 길고, 재생율이 높고, 대체자원도 있기 때문에 당분간 걱정의 우선 순위에서 한참 밀려 있는 형국이라 해야겠지. 하지만, 석유, 가스등은 다르다. 써버리면 재생이 안될 뿐만아니라, 모든 실생활에 다 사용되는 자원으로, 가능한 한,  석유를 태워 전기를 만들지 말고, 다른 수단을 통해 전기를 만들자는 것이다.

 

하지만, 원자력으로 전기를 만들면, 석유소모는 줄어들겠지만, 안전성의 문제나, 원자력 재료의 확보등으로 장기적으로는 이 역시 고갈의 문제에 직면할 것이다.

 

하지만, 재생에너지 만으로는 성장위주의 현대문명을 성장시키기 어렵다. 성장도 하고 재생에너지로 가겠다? 두마리 토끼를 잡는 것인 단기간은 가능하겠지만, 문명사적으로은 해답이 아니다는 것이 내생각이다. 제러미 리프킨 교수의 제3차산업혁명은, 성장을 전제로 한 산업혁명론은 그래서 전적으로 동의할 수는 없지만, 성장을 지속하는 한 그 밖에 대안이 별로 없는 것도 사실이다.

 

지금 수십년내에, 차량에서 소모되는 석유를 사용하지 않고 다른 용도로 전환한다면, 자원의 고갈 바란스를 어느 정도 맞추어 수세기 동안 인류가 문명를 더 지속할 수 있을 것이라 한다. 앞서 언급한 바와 같이 다른 자원도 고갈의 문제는 있지만, 그동안 고갈의 시기가 훨씬 늦추고, 그동안 인류는 시간을 벌어, 대체에너지를 생각하듯, 대체재질을 발견하든가, 발명하여 헤쳐나갈 것이다.

 

수소연료전지차든, 전기차든, 석유고갈 과정까지, 석유 고갈을 지연시키는 데, 일조를 할 것이다. 대신에 다른 자원의 소모가 늘어나서, 이를테면 수소연료전지차에서 사용되는 촉매제로서 백금, 전기자동차에서 사용되는 모터에 필요한 영구자석등의 소모가 대량으로 발생하여, 또다른 문제에 봉착하게 될 것이다.

 

동력원으로 사용되는 석유는 재생불가능하고, 환경오염문제가 크고, 연료뿐아니라 많은 분야에서 원료로 사용되기 때문에, 차량에서 태워버리는 석유소모량을 줄이는 것은 그래서 더욱 절실히 필요한 것이다. 차량에서 소모하는 석유를 다른 산업분야로 돌린다면, 수백년동안 인류가 문명을 지속할 자원이 된다는 것이다.

 

하지만, 이 모든 전제에 상관없이 인류가 후손들에게 물러주어야 할 일이며, 지금 당장 시작해야할 일은,  '재생만으로 살아가는 문명의 구축,성장의 패러다임을 바꾸는 일에 나서야 한다는 것'이다.

 

3) 수소저장용기는 700기압으로, 수소연료전지차는 고압으로 압축한 용기를 싣고 다닌다. 천연압축가(CNG:Compressed Natural Gas)스차량은 약 150~200기압정도의 압축천연가스를 싣고 다니고, LPG(Liquified Petroleum Gas:액화석유))차량은 액화석유를 싣고 다니는데, 약 15~20기압이 걸린 상태이다. 천연가스나, LPG는 모두 현재, 대량으로 차량에 탑재되어 사용되고 있는 데, 종종, 간혹 가스통이 폭발하여 문제된 기사를 읽은 기억들이 있을 것이다. 물론 개발과정에 사용환경을 충분히 고려하고 검증하여 만든다. 공정하나하나마다, 철저한 검사와 검증을 통해 만들지만, 설계및 검증부족, 제작 및 검증오류, 사용중의 취급부주의나, 정비부족등의 경우가 있을 것이다.

 

당연히 수소용기도 그런 문제가 있을 수 있다. LPG, CNG, 가스통은 폭발시 통자체의 폭발은 거의 더물고, 입구나 배관을 통해 터져 나온다. 최악의 경우, 취약부위를 두어, 통이 폭발하기전에 취약부위가 먼저 터지면서 압력 강화가 일어나도록 설계할 것이기 때문에, 취약부위를 어디에 어떻게 배치하여 위험을 줄일 것인가도 당연히 설계시 고려 대상이다. 물론, 전체적으로 충분히 안전을 고려하되 통보다는 폭발시, 상대적으로 덜 위험한 부위를 취약한 부위로 설정할 것이다

 

LPG나, CNG에 사용되는 석유가스나 천연가스는 공기보다 비중이 높아서 새어 나오면 아래로 깔리기 때문에 폭발화재가 날 경우, 순식간에 인명을 덮치지만, 수소는 공기보다 워낙 가볍고, 워낙 고압이라 터저 나오는 순간, 퍼지지 않고(퍼지기 전에), 순식간에 하늘로 치솟는 성질이 있어 오히려 안전하다고 한다. 물론 이것도, 충분히 설계검증, 제조검증,시험금증을 통해 절대안전의 프로세스를 밟기는 할 것이다. 그렇다고 극히 드물기는 하겠지만, 사고가 절대 안난다는 보장은 없을 것이다.

 

우리나라에서, 교통사고로 년에 약 7,000여명이 죽는다. 비행기나 고속철도차량도 간혹 문제를 일으켜서 인명피해가 나기도 한다.

 

그렇다고, 차량운행이나 비행기나 철도차량을 사용하지 말자, 만들지 말자 못하듯이, 만드는 사람이나, 사용하는 사람이나, 정비하는 사람이나, 정해진 기준이상으로 철저히 지킬 것이 있으면 지키고, 사용하는 수밖에 없지 않을까? 수소연료전지차의 고압수소연료전지용기도 그런 개념으로 이해해보면 어떨까?

 

ANG기술이라는 것이 있다. Absorbed Natural Gas라 해서 2015년경에 미국에서 시작품이 나오는 것으로 알려져 있다. 이것은  급격하게 CNG를 대신하여 사용될 것으로 전망된다. 왜냐하면, 150~200기압정도의 차량용 CNG가스대신에 동일량을 저장하는 데 8분지1이나 10분지1의 압력으로 가스를 저장하는 기술인데, 이정도면 35기압정도로 200기압보다 훨씬 안전하다 할 것이다. ANG탱크는 지금은 CNG대치로 알려져 있지만, 원래 목적은 수소연료전지차의 저기압 수소저장용으로 연구되었다는 리포터가 있다. 수소연료전지차용으로는 아직 진척이 어느 정도인지 알 수 없지만, 만약 이것이 성공하나면, 수소연료전지차량의 가격저렴화와 일반화에 혁신적으로 기여할 것이다. 

 

이처럼, 과학기술이 발전하면, 15년이나 20년쯤 걸리겠지만, 혹은 그 이상이 걸릴 지 모르지만,  수소저장기술이 발전하여, ANG외외도,  탄소나노튜브에 수소를 저장하는 방법, 금속수소화물을 만들어 수소를 저장하는 방법등 현재 수소저장통의 압력을 상압이나 저압(15~20기압)에서 수소를 저장하는 기술도 출현 할 것이다.

 

그러니, 위험은 최소화 하도록 해야겠지만,  현대문명의 숙명을 짊어지고 가는 현대인은, 그런 과학기술이 발전을 지켜보며, 향유하는 대가로, 충분히 발전하여 일반화 될때까지,  경험하고, 어떤 경우에는 고초도 겪으면서 지나는 수밖에 없을 것 같다.그렇게 경험하고 겪지 않으면 과학 기술이 발전할 수 없기 때문이다.