강충인 미래학자

전기는 인류문화를 혁신시켰다.  인류 역사에서 전기는 어떤 혁명을 이끌어 왔으며 생활 속에 전기는 어느 정도의 역할을 하고 있는가? 우리는 전기가 어떤 영향을 주고 있으며 전기로 인하여 어떤 이익을 얻고 있는지 무감각해져 있는 듯하다. 국가는 당연히 전기를 공급해 주는 것을 인식되어 있다. 1950년, 60년대는 전기가 귀중하다는 것을 생활 속에서 느끼며 살았다. 하루에도 몇 번이고 정전사태가 발생했다. 조금이라고 전기소모가 많은 전기제품을 사용하면 전기가 차단되었다. 식사도중에 정전되어 칠흑 속에서 밥을 먹었던 기억도 있다. 어둠속에 헤메였던 시절에는 전기가 얼마나 고마운 존재인가를 인식하며 살았다. 요즈음은 전기가 얼마나 중요한지를 망각하는 것 같다.  가끔 정전사태가 발생하면 전기를 공급하는 사람들의 잘못이라고 질책을 한다. 마치 전기는 자동적으로 생성되는 것처럼 생각하는 경향이다.

전기는 에너지원이다. 에너지는 AI(인공지능)의 생명이다. 따라서 에너지 생산을 위한 다양한 방법들이 나오고 있다. 전기 에너지는 생활의 뿌리가 되어 있다. 전기에너지가 사라지면 모든 것이 정지되고 지구촌은 암흑세계로 변한다. 스마트 폰 없는 세상을 생각하면 숨이 막힌다. 전기 중요성을 모르지만 스마트 폰의 중요성을 누구나 느낀다. 가상화폐는 채굴로 얻어지는 화폐다. 화폐 채굴에 엄청난 전기가 소모된다. 중국을 비롯한 여러 국가에서 채굴을 금지하는 이유가 막대한 전기소모로 인하여 주변에 전기 부족 사태를 막기 위함이다.     
 
생활 활동을 원활하게 만들어 주는 에너지가 전기에너지이다. 전기는 회로를 통해 움직이기 때문에 전기 회로에 의해 운반되거나 소모되는 에너지를 전기에너지라고 한다. 전기에너지는 회로에 의해 전달되는 전류와 전위차의 결합에 의해 공급된다. 사용자에게 도달하여 다른 형태의 에너지로 전환되기까지는 전기적 위치에너지이다. 위치에너지에서 전환이 되어 열, 빛, 운동 등 다양한 형태의 에너지가 된다. 개인이나 기업의 생산수단이 되고 이동수단이 되며 생활 수단이 된다. 따라서 전기가 없다면 모든 것을 정지되는 것이다. 전기장이나 자기장이 있는 공간에는 전기에너지가 분포되어 있다 이러한 에너지를 어떻게 이용하고 활용하는가에 따라서 개인이나 기업의 경쟁력이 되고 있다. 소량의 에너지로 대량의 이익을 창출하기 위한 에너지 개발은 개인과 기업, 국가의 경쟁력을 만든다. 가스나 석유 등의 자동차가 전기 자동차로 바뀌어 친환경 이동수단이 되면서 동시에 자동차 내연기관이 없어도 전기 자동차는 달릴 수가 있어 자동차 가격도 내연기관만큼 싸게 판매된다.      

인류혁명은 전기 생활화로 급속하게 변했다. 전기의 최초 발견은 전정기다. 기원전부터 정전기에 대한 이야기가 전래되어 왔다. 전기의 존재를 처음 발견한 사람은 기록상으로는 고대 그리스 과학자 ‘탈레스’다. 기원전 600년경, 보석 호박을 모피에 문지르다가 발견했다. 머리카락이나 먼지와 같은 가벼운 물체가 호박에 붙는 것을 보고 최초로 ‘전기현상’을 발견했다고 하지만 마찰로 발생하는 정전기는 오래전부터 유래되었다. 정전기는 전기이지만 실제로 에너지로 사용할 수가 없어 전기를 생산할 수 없었다. 

19C에서 전기가 생산되면서 인류 생활은 급속하게 발달했다. 1차 산업혁명은 증기기관의 발명이다. 증기기관의 에너지는 전기가 아닌 석유다. 2차 산업혁명이 전기로 인한 산업혁명이다. 1905년 포드 자동차는 전기를 이용한 콘베어시스템으로 대량생산체계로 바꾸면서 자동차 가격을 대폭 인하했다. 일반 대중도 자동차를 구입하면서 급속하게 생활이 변화되었다.

3차 산업혁명은 인터넷 발명이다. 인터넷은 전기를 통해 존재한다. 전기가 없다면 인터넷도 존재할 수 없다. 유선을 통한 전기는 무선을 통한 에너지로 과거와 현재 미래를 구분시켰다.

전기가 없다면 미래는 어떻게 될까?

전기 생활용품, 전기 자동차, 전기 인터넷, 전기 산업, 전기 배터리 등의 모든 것이 정지될 것이다. 지구촌은 암흑세계가 될 것이고 78억 인구는 이동이 정지된다. 반대로 전기 생산이 다양화되면 상상이 현실이 된다. 지구촌이 더욱 가까워지고 다양한 이동수단으로 동서양이 하루 생활권으로 바뀌고 지구와 우주 공간이 좁혀질 것이다.   

정전사태는 생활기기, 생활환경을 완전히 마비시킨다. 난방기가 정지되고 전기장판이 꺼지면 추위에 견디기 어렵고 냉장고의 모든 음식은 상한다. 한 두 시간만 정전이 되고 난리가 나는 시대에 전기의 중요성을 인식하지 못하는 것이 아쉽다. 전기는 당연히 공급되는 것으로 착각하는 것이 이상하지 않는지--- 우리는 전기에너지의 중요성을 인식해야 한다. 필요이상으로  전기를 소모시키면 전기 생산비를 높이는 원인이 되고 있다.

전기의 학문적 연구는 16세기 말 영국의 윌리엄 길버트 자석에 대한 연구로 호박이 지니는 전지력과 자석의 자기력과의 차이를 처음으로 명확하게 밝혀 전기 기초학문이 되었다. 1752년 미국의 벤저민 프랭클린은 연을 이용한 실험을 통하여 번개의 전기적인 성질을 증명하며 피뢰침을 발견하였고 프랑스의 물리학자 뒤페는 전하에 양과 음의 구별이 있다는 사실을 발견하면서 전기 분야 기초학문이 만들어졌다. 전기 에너지개발은 새로운 전기 에너지원을 개발하거나 최소의 에너지로 최대의 효과를 얻어내는 기술로 발전하고 있다.

전기는 수력발전, 화력발전, 원자력발전, 태양광발전, 풍력발전 등으로 다양화 되었다. 그러나 쉽게 얻어지는 화력발전으로 지구촌의 대기가 오염되고 있다. 지구환경을 위해 화력발전을 축소하고 있지만 생산가격이나 방식에서 유지되는 실정이다. 화석연료는 대기를 오염시키는 주요인으로 중국의 대기오염이 한국 하늘을 뿌옇게 만드는 원인이기도 하다. 이를 대체하기 위해 안전한 전기 생산으로 태양열 발전이 증가하고 있지만 관리 과정에 발생하는 또 다른 오염물질이 문제가 되고 있다.  .  

세계는 지구촌이라는 하나의 공간속에 공생하고 있다. 따라서 유엔은 지구환경을 위한 친환경 전기를 권장하고 있다. 지금까지 가장 친환경적인 전기 생산은 원자력발전이다. 한동안 한국은 원자력 발전기술의 선도국가로 부상했다. 일본 후쿠시마 원전 사태 이후 원자력 발전을 중단하기로 했던 한국이 다시 소형원전으로 전기에너지원 생산방향을 바꾸는 것은 다행스럽다. 소형원전기술은 한국이 주도적으로 개발하고 있다. 대형원전으로 인한 사고를 최소화 시킬 수 있는 원전기술이 소형원전이다.  

전기 생산에 국가 미래가 달려 있다.

얼마나 친환경적인 전기를 안전적으로 생산할 수 있는 가에 따라 국가의 미래와 경쟁력이 달려 있다. 중국이나 미국의 공장이 한순간에 정지되는 사건들이 발생하고 있다. 전기가 없으면 공장은 정지된다. 전기는 안정적으로 공급되어야 한다. 세계는 보이지 않는 전기 생산 전쟁 중이다. 친환경적인 전기 대량 생산으로 원자력 발전이 지속적인 관심으로 개발되고 있다. 지역적 소규모의 원자력 발전소 개발은 안정적이고 친환경적인 생산으로 각국이 개발하고 있다. 

태양열 발전은 친환경이지만 설치 공간의 확보가 문제다. 이런 문제를 해결하기 위해 바다위에 태양열판을 설치하고 있다. 지구 공간을 벗어나 우주 공간에 태양열판을 설치하는 연구도 개발하고 있다. 중국이 우주공간에 태양광발전소 건설을 계획하고 있다. 인류사상 최초로 달 뒷면 착륙에 성공하면서 우주굴기(堀起ㆍ우뚝 섬)를 추진하면서 우주 태양광발전소 건설 경쟁에서 미국 등 다른 우주과학 선진국들과 경쟁하고 있다.  중국 국영 우주방위산업체인 항천과학기술그룹(CASC)은 우주공간에 태양광발전소를 건설하기 위한 시뮬레이션 기지를 충칭(重慶)에 짓고 충칭시정부, 충칭대학, 시안(西安)전자과기대학 등과 공동개발을 추진하고 있다.

우주 태양광발전소는 지구 궤도를 돌며 태양광을 축적해 전력을 만든 뒤 이를 마이크로파나 레이저 형태로 지구에 전송하는 방식이다. 우주 공간은 구름에 가리거나 일몰 후엔 효율이 떨어지는 지상과 달리 99% 효율로 태양광 에너지를 안정적으로 공급받을 수 있다는 장점을 가지고 있기 때문에 지구 밖에 건설하는 것이다.

전기의 특성은 생산과 동시에 소비된다. 다양한 방법으로 생산된 전기를 축전하거나 쓰고 남은 전기를 축전하는 기술이 더욱 발달할 것이다. 최소의 전력으로 최대 전자기기를 사용하는 기술도 발달할 것이다. 전기자동차의 활성화는 전기 축전시간을 대폭 단축시켰다. 10분 충전으로 400키로 이상을 다닐 수 있다.    

밤에는 전력사용이 줄어들어 전기가 남게 되는데 그대로 소비되는  전력을 이용하는 방법이 없을까 해서 생각해 낸 것이 양수발전이다. 양수발전소는 높은 곳의 물의 낙차를 이용하여 발전하는 수력발전이다. 물의 낙하를 이용하여 전기를 생산하는데 이 때 물이 흘러서 하부 저수지로 흐르게 된다. 야간(심야)에 하부 저수지에 모인 물을 위로 상시 상부로 퍼 올리는데 이 전력을 사용하게 된다.

국민이 직접적으로 소비할 수 있는 방법을 생각한 것이 심야전기다. 심야전기를 이용하여 주택난방, 물을 데우는데 사용하고 축냉식 등으로 활용한다. ​ESS(에너지 저장장치)는 휴대폰 배터리와 같은 역할이다.

1800년도의 볼타전지를 시작으로 전기에너지 축전기 시장은 급속도로 확산되었다. 1836년 영국의 화학자 존 F. 다니엘은 볼타 전지의 원형격인 축전지를 개발 이후 미래에너지 시장은 배터리 축전기술 경쟁으로 치열하다.

세계는 다양한 전기에너지 생산 경쟁

네덜란드는 최근 세계 최초로 전기 생산 자전거도로인 ‘솔라 로드(SolaRoad)’를 암스테르담에서 북쪽으로 25킬로미터에 위치한 잔스타드(Zaanstad)市의 크롬메니(Krommenie)區에 설치하였다. 2.53미터의 사각형 콘크리트 모듈들을 이어 모듈 안에 실리콘 솔라셀이 들어있는 구조다. 콘크리트층 위에는 1센티미터 두께의 거친 강화 유리가 덮여 있어 빛을 통과시키면서도 도로의 미끄럼을 방지하고 화물트럭이 지나갈 수 있을 만큼 도로를 튼튼하게 보강해 줌으로 전기에너지 생산을 하고 있다.

수수 연료전지는 수소와 산소가 전기의 화학반응으로 인하여 전기 및 열을 생산한다. 오염물질을 발생하지 않는다는 장점이 있다.  지금까지 발전 기술 중에서도 상당히 우수하다는 평가하고 있다. 따라서 버려지던 수소로 전기를 생산하는 방식이다.

원자력 에너지 Nuclear Energy 경쟁

전기는 기업과 국가의 경쟁력을 만드는 기본요소다. 전기 생산능력이 국력과 비교되기도 한다. 전기료가 높으면 상품 생산비용도 높아지기 때문이다. 전기 생산량이 부족하면 기업이 기계를 마음껏 돌릴 수 없는 것이다. 한국의 전기료는 세계 기준으로 보면 싸게 공급되고 있다. 산업용전기료는 기업경쟁력에 큰 영향을 준다. 기업과 국력으로 이어지는 이유다. 가장 적은 생산비로 효율적인 대량 생산을 하려면 원자력 발전이다. 2차대전 후 미국은 원자력을 전기 에너지 생산 방법으로 건설했다. 최저 비용으로 질 높은 전기 생산을 하게 되었다. 1986년 체르노빌 원전 사고로 인해 원자력 발전이 축소되었지만 탄소배출 대기오염으로 인한 기후변화를 대비하기 위해 원자력 발전은 지속되고 있다, SMR 개발에 모든 국가가 사활을 걸고 있는 듯하다.

SMR(Small Modular Reactor, 소형모듈원자로)은 증기발생기, 냉각재 펌프, 가압기 등 주요 기기를 하나의 용기에 일체화한 소형 원자로로 전기출력이 300MWe 이하인 원자로를 말한다.
SMR (Small Modular Reactor)은 기존 원전의 발전 용량과 크기를 최대한 측소한 발전소다. 전력 수요가 부족하고 기존 전력망을 끌어 오기엔 비용이 너무 많이 들어가는 도서산간지역의 전기 공급을 목표로 연구되고 있는 원자로다. 냉각수나 기타 복잡한 안전장치 없이 대류현상 등의 자연적인 힘으로 냉각이 가능하다. 운전 중에는 물론 각종 자연재해나 사고 시에도 안전을 확보할 수 있어 모듈식으로 여러 공장에서 각각의 파트를 생산하고 현장에서는 조립만 하는 방식으로 원자로를 규격화 시켰다. 기존의 거대한 원자력 발전소를 여러 대의 SMR로 대체하는 방향으로 개발되고 있다. 한국원자력연구원이 초임계 CO2 발전시스템의 핵심 장비인 압축기를 개발했다.

전기에너지시대에 전기공업 신문의 역할은 지대하다. 24년 동안 한국전기 발전을 위해 노력해온 전기공업신문사 임직원들의 노고에 감사드린다. 미래산업이 발달할수록 전기에너지 가치는 높아질 것이다. 전기공업신문의 역할도 그만큼 중요해지는 것이다.    

강충인 미래학자