한국석유공사 E&P / 에너지사업본부 본부장
2024 미래에너지포럼 강연 2 - 한국석유공사의 석유 개발 현황과 향후 전략
민간LNG산업협회 부회장
2024 미래에너지포럼 강연 7 - AI 데이터 시대 천연가스의 역할-에너지 전환·기후격차 대응 전략
前 국가안보실 경제안보비서관 / 서울시립대학교 국제관계학과 교수
한국전력공사 계통계획처장
한국수력원자력㈜ 전략경영단 원자력정책실장
“지난 250년 동안 인류는 산업화를 이루기 위해 노력해 왔고, 그 결과 오늘날의 화석 원료 기반 에너지 시스템이 구축됐다. 그러나 이제는 ‘탄소 중립’이라는 커다란 산이 인류 앞에 놓여 있다. 탄소 중립을 달성하기 위해서는 핵융합 기술이 충분히 발전해 세계 에너지 시스템에 근본적인 변화를 가져와야 한다.”
크리스토퍼 모리(Christofer Mowry) 타입원에너지(Type One Energy) 최고경영자(CEO)는 6일 조선비즈 주최로 서울 중구 웨스틴조선호텔에서 열린 ‘2023 미래에너지포럼’에서 “현존하는 에너지 기술은 결국 한계를 맞이할 것”이라며 이같이 말했다.
이날 그는 ‘스텔라레이터, 에너지 시장을 바꿀 핵융합 기술’을 주제로 기조연설을 진행했다. 미국 위스콘신주에서 강연 영상을 보내온 그는 “시간이 흐를수록 인류에게 필요한 에너지의 총량은 늘어나고 있다”면서 “태양광, 풍력 등 재생에너지 기술이 발전하고 있지만, 결국 핵융합처럼 혁신적인 에너지 기술이 상용화되지 않는다면 인류는 탄소 중립을 달성할 수 없다”고 했다.
타입원에너지는 태양이 에너지를 만드는 원리인 ‘핵융합’ 반응을 ‘스텔라레이터(Stellarator)’라는 인공 장치로 구현하는 것을 목표로 하는 미국 기업이다. 핵융합은 바닷속에 풍부하게 있는 중수소와 리튬을 연료로 사용해 발전 효율이 높으며, 탄소를 배출하지 않아 획기적인 미래 기술로 꼽히고 있다.
핵융합은 원자력 발전에서 활용되는 기술인 ‘핵분열’과 마찬가지로 핵에너지를 사용한다. 핵분열은 우라늄이나 플루토늄처럼 무거운 핵이 둘 이상의 가벼운 원자핵으로 쪼개지면서 방출하는 에너지를 이용한다. 반대로 핵융합은 가벼운 중수소, 삼중수소 등 수소 원자핵이 무거운 헬륨 원자로 합쳐지면서 생기는 에너지를 활용한다.
타입원에너지는 기술 잠재력을 인정받아 빌 게이츠의 브레이크스루에너지벤처스(Breakthrough Energy Ventures)를 비롯한 투자자들로부터 2900만달러(약 380억원)를 조달했다.
그간 핵융합을 연구하는 과학계의 화두는 ‘순(純) 에너지’의 달성이었다. 이는 핵융합 반응에 투입되는 에너지보다 핵융합 반응에서 더 많은 에너지를 얻어내는 것이다.
지난해 미국 에너지부 산하의 로런스 리버모어 국립연구소(LLNL)는 순 에너지를 얻는 데 성공했다. 이를 두고 모리 CEO는 “핵융합 업계 종사자들에게는 매우 흥분되는 순간이었다”면서도 “핵융합의 상용화라는 궁극적인 목표를 이루기 위한 큰 여정 가운데 한 길목일 뿐이라고 생각한다”고 덧붙였다.
그는 “우리의 목표는 실용적인 핵융합 발전소를 세우는 것이다. 타입원에너지의 스텔라레이터 기술은 핵융합 발전을 상용화하는 확실한 길을 제공할 것”이라고 밝혔다.
지구상에서 핵융합을 구현하려면 섭씨 1억 도가 넘는 초고온 상태의 플라스마를 만들어 일정 시간 이상 유지해 줘야 한다. 지금까지는 강력한 자기장으로 플라스마를 가둬 핵융합 반응이 일어나는 환경을 만드는 ‘토카막(tokamak)’ 방식이 주로 연구됐다.
타입원에너지는 ‘스텔라레이터(Stellarator)’ 방식을 사용해 핵융합을 구현하는 것이 목표다. 스텔라레이터 방식은 플라스마를 가두는 장치 주변을 꽈배기 형태로 만들어 이론상 안정적으로 플라스마를 가둘 수 있지만, 구현이 극히 어려운 것으로 알려졌다.
모리 CEO는 “3D 프린팅 등 첨단 제조 기술이 발달하면서 매우 복잡한 형상을 띠고 있는 스텔라레이터도 낮은 비용으로 조립할 수 있는 가능성이 생겼다”며 “현대의 슈퍼 컴퓨팅(Super Computing) 기술 역시 매우 복잡한 핵융합 현상의 모델링과 시뮬레이션을 수월하게 만들고 있다. 이는 스텔라레이터의 상용화 시기를 앞당길 것”이라고 말했다.
마지막으로 그는 “핵융합은 기존 원자력 발전보다 안전하며 수소를 사용하는 만큼 원료비도 저렴하다”면서 “인류의 산업 환경에 근본적인 변혁을 가져다줄 것”이라고 강조했다.
유석재 한국핵융합에너지연구원(핵융합연구원) 원장이 6일 “미래는 핵융합 기술을 보유한 나라가 강국이 될 것”이라며 “우리나라는 15년 이내에 에너지 수출국이자, 에너지 초강대국이 될 수 있다”라고 말했다.
유 원장은 이날 서울 중구 웨스틴조선호텔에서 열린 ‘2023 조선비즈 미래에너지포럼’ 특별 강연에서 2035년에는 핵융합 에너지 개발의 변곡점이 올 것이라며 “핵융합 에너지가 스스로 불탈 수 있다는 점을 검증할 수 있을 것”이라고 설명했다.
유 원장은 미래에는 탄소 배출과 연료 자원 제한이 없고, 안전하고 안정적인 대용량 에너지가 주목받을 것이라고 설명했다. 유 원장은 이를 모두 충족하는 것은 핵융합에너지의 자원인 바닷물이라고 강조했다. 핵융합은 가벼운 중수소, 삼중수소 등 수소 원자핵이 무거운 헬륨 원자로 합쳐지면서 생기는 에너지를 활용한다.
유 원장은 “자원 빈국인 우리나라가 가진 풍부한 자원은 바로 바닷물”이라며, 한국은 이미 풍부한 바닷물을 토대로 핵융합 기술에 익숙해져 있다고 밝혔다. 그리고 향후 15년 이내에 핵융합에너지 개발이 과학 기술적으로 완성될 것이라고 내다봤다. 유 원장은 “과거에는 석탄·석유·가스가 있는 나라가 강국이었지만, 앞으로는 바닷물을 이용하는 기술을 가진 나라가 에너지 강국 될 것”이라고 말했다.
유 원장은 2035년에 핵융합 에너지의 과학적 개발이 완료되면 우리나라 역시 에너지를 수출할 수 있다고 봤다. 유 원장은 “미래 사회 에너지 기반은 수소 에너지 형태가 될 것”이라며 “수소를 생산할 수 있는 에너지가 바로 핵융합에너지”라고 설명했다.
유 원장은 에너지 안보 문제에 대해서도 미래의 에너지 강국은 자원이 아닌 기술을 가진 나라가 될 것이라고 강조했다. 유 원장은 “핵융합 기술 난도는 매우 높다”며 “현재 자원을 가진 나라와 갖지 못한 나라가 종속 관계이듯 미래에는 기술을 가진 나라가 유리할 것”이라고 말했다.
유 원장은 1999년부터 국가핵융합연구소 연구원으로 재직하며 선임단장, 플라즈마 기술연구센터장, 응용기술개발부장, 소장으로 재직했다. 2020년부터 한국핵융합에너지연구원 원장을 맡고 있다.
“앞으로 최소 30년에서 길게는 50년이 걸릴 에너지 신기술 개발에 힘을 쏟는 것도 좋지만 태양광, 풍력처럼 이미 기술이 증명된 에너지를 확산하는 것도 시급합니다.”
김희성 브라이트에너지파트너스(BEP) 대표는 6일 조선비즈 주최로 서울 웨스틴조선호텔에서 열린 ‘2023 미래에너지포럼’에서 “기후위기가 부각되는 오늘날 우리는 평균기온을 1.5도 높이느냐, 낮추느냐는 게임을 해야 하는 위험한 상황”이라며 이같이 말했다.
BEP는 2017년 설립된 태양광발전 전문기업이다. 한화그룹에서 태양광 투자 금융 업무를 총괄해 온 김 대표는 태양광 시장의 성장성을 보고 창업에 나섰다. 설립 이후 국내외 투자자들로부터 약 3300억원을 유치했다.
김 대표는 “국내에선 풍력보다 태양광의 수익성이 좋은데 실제로 국내 재생에너지 설비용량 대부분을 태양광이 차지하고 있다”며 “정부 성향과 무관하게 다양한 정책적 지원에 의해 지난 10여 년간 태양광 시장 규모는 폭발적으로 증가했다”고 했다.
그는 “2018년을 전후로 글로벌 시장에서 재생에너지는 가장 저렴한 발전원으로 자리매김했다. 그중에서도 태양광의 압도적인 균등화 발전단가(LCOE) 하락세는 수년 안에 태양광이 한국 시장에서 가장 경쟁력 있는 발전원이 되게 할 것”이라고 덧붙였다.
지리적 여건이나 민원 이슈 등을 고려해도 태양광이 풍력보다 유리하다는 게 김 대표의 설명이다. 풍력은 대형 터빈이 필수적이라 사업 규모가 큰데, 태양광은 가정용, 산업용 등 크기를 다양하게 적용할 수 있다.
김 대표는 “국내에 태양광 발전소를 지을 땅이 부족하다는 우려도 있지만, 2050년까지 태양광 발전 목표를 달성하는 데 필요한 부지 크기는 충북 음성군 수준으로 아주 작은 편”이라고 말했다.
그는 “불리한 시장 여건 변화 속에서도 태양광의 중요도는 지속적으로 유지될 수밖에 없다”며 “2036년까지 신재생에너지는 매년 5~6기가와트(GW) 수준으로 신규 보급이 필요한 상황”이라고 덧붙였다.
김 대표는 향후 10년 이상 매년 10조원 규모의 신재생에너지 신규 투자가 이뤄질 것으로 봤다. 주요 기업들이 ESG(환경·사회·지배구조) 측면에서 재생에너지 수요를 늘리면서 한국전력(19,600원 ▲ 110 0.56%)공사와 발전자회사로 국한된 판매 채널도 다변화될 것이라는 관측이다.
오익환 SNE리서치 부사장은 2035년까지 글로벌 배터리 시장이 연평균 19.5% 성장하겠지만, 공급은 계속 부족할 것으로 6일 전망했다.
오 부사장은 이날 서울 중구 웨스틴조선호텔에서 열린 ‘2023 조선비즈 미래에너지포럼’ 강연에서 “전기차가 급속도로 늘면서 배터리 시장은 올해 687GWh 규모에서, 2035년 5256GWh로 성장할 전망”이라며 이같이 말했다.
오 부사장은 “올해 글로벌 배터리 판매는 CATL, BYD, LG에너지솔루션(557,000원 ▼ 5,000 -0.89%), 파나소닉 순으로 많을 것”이라고 전망했다. 그는 “한국 3사의 점유율 합계는 2022년 26%에서, 올해 1~5월 23%로 약간 하락했다”면서 “중국의 이차전지 시장이 늘어나고 해외로도 계속 나오면서 중국 배터리 업체가 강세를 보이고 있다. 한국은 주로 판매하는 게 유럽, 북미인데 유럽이 상대적으로 부진해 실적에서 아쉬움이 남는 상황”이라고 했다. 다만 “내년 이후 유럽이 활성화되고 미국이 성장한다면 한국 배터리의 위상이 다시 높아질 것”이라고 전망했다.
오 부사장은 “배터리 업체 중 크게 주목할 업체는 LG에너지솔루션, CATL, 파나소닉, 삼성SDI(690,000원 ▼ 7,000 -1%), SK온, BYD”라면서 “이 6개 업체의 생산능력 합계는 지난해 1TWh에서 2035년 5TWh로 늘어날 전망”이라고 분석했다.
그는 “지역별 생산능력은 중국 중심에서 미국이나 유럽으로 서서히 옮겨갈 것”이라며 “중국은 2022년 기준 75%의 비중을 차지하지만, 2035년에 37%까지 감소하고 같은 기간 북미는 6%에서 33%로, 유럽은 12%에서 26%로 늘어날 것으로 전망된다”고 했다.
오 부사장은 “중국을 제외하고 전세계 이차전지 수급은 2035년까지 공급이 부족할 것으로 보인다”고 분석했다. 그는 “유럽은 2028년 공급 초과가 예상되지만, 유럽에서 신규로 배터리 사업을 하겠다는 곳이 상당히 많다”면서 “이런 기업이 지금부터 시작해서 성공할 수 있느냐는 미지수로, 성공하는 기업은 1~2개로 예상된다. 이런 리스크를 고려하면 여기도 부족하지 않을까 예상한다”고 말했다.
그는 “북미는 배터리 생산능력이 늘어나고 있지만, 여전히 공급이 부족할 것”이라고 했고, “중국은 많은 업체가 증설하겠지만, 배터리 업체의 구조조정이 예상된다. CATL, BYD 등 몇 개 회사 말고는 대부분 구조조정될 것으로 보인다”고 말했다.
오 부사장은 “미국의 인플래이션감축법(IRA)이나 유럽 핵심광물원자재법(CRMA)은 어떻게든 중국 의존도를 줄여보자는 것”이라면서 “배터리 생산과 주요 자재의 중국 의존도가 너무 높다. 한국 배터리 3사 등 많은 기업이 탈중국 자재를 써서 배터리를 만들 준비를 하고 있다. 이런 부분이 해결되면, 시간은 많이 걸리겠지만 미국과 유럽도 탈중국을 할 수 있게 될 것”이라고 말했다.
사용 후 배터리 리사이클링(재활용) 기업인 재영텍의 박재호 대표는 “배터리 수요가 커질수록 리튬, 니켈, 코발트 등을 보유한 국가가 자원을 무기화할 것”이라며 “여기에 대응하려면 배터리 재활용이 필수”라고 말했다.
박 대표는 6일 서울 중구 웨스틴조선호텔에서 열린 ‘2023 미래에너지포럼’에 참석해 이같이 밝혔다. 박 대표는 “한국 배터리 기업들과 배터리 소재 기업 모두 중국에 대한 리튬 의존도가 큰 상황”이라며 “의존도를 낮추기 위해 배터리 재활용 사업이 필요하다”고 말했다.
박 대표는 환경을 위해서도 재활용이 불가피하다고 설명했다. 글로벌 시장조사기관 블룸버그 뉴 에너지 파이낸스(BNEF)는 2032년부터 110GWh(기가와트시) 이상의 사용 후 배터리가 발생할 것으로 예상했다. 하루 평균 50㎞를 주행할 수 있는 전기차 1100만대를 만들 수 있는 양이다. 박 대표는 “NCM(니켈·코발트·망간) 배터리의 수명이 10년인 점을 고려할 때 2030년부터 사용 후 배터리가 쏟아져 나올 것”이라며 “이를 재활용하지 않고 광산 개발로 충당하려고 하면 환경이 파괴된다”고 했다.
다만 아직 배터리 재활용을 통해 회수할 수 있는 자원의 양(회수율)에는 한계가 있다고 박 대표는 진단했다. 코발트와 니켈 회수율은 평균 90% 중후반대, 리튬 회수율은 80%대다. 박 대표는 “배터리 시장 확대에 따라 원재료 수요도 늘어날 텐데 재활용 기술을 더 고도화해서 대비해야 한다”고 했다.
재영텍도 재활용 기술을 강화하고 있다. 배터리 재활용은 크게 전처리 공정과 후처리 공정으로 이뤄진다. 전처리 공정에선 배터리의 전력을 모두 방전시킨 뒤 물리적으로 파쇄해 다양한 자원이 뒤섞여 있는 블랙 파우더(Black Powder·검은색 가루)를 제조한다. 이후 후처리 공정에서 블랙 파우더에 있는 금속을 추출한다.
재영텍은 블랙 파우더에서 ‘리튬’을 먼저 추출하는 것이 가장 큰 특징이다. 박 대표는 “NCM 배터리를 기준으로 중국 재활용 기업은 NCM을 빼낸 뒤 리튬을 추출하기 위해 수많은 약품을 사용하고 공정도 복잡하다”며 “재영텍은 물에 잘 녹는 리튬의 성질을 이용해 우선 리튬부터 빼내 친환경적”이라고 말했다.
재영텍은 지난해 LG화학(649,000원 ▼ 7,000 -1.07%)으로부터 240억원 규모의 지분 투자를 받았다. LG화학과 북미 지역에 배터리 재활용 합작법인(JV) 설립도 추진하고 있다. 박 대표는 사업 확장과 함께 배터리 생산과 소비, 재활용이 계속 순환하는 ‘Closed loop System(폐쇄 루프 시스템)’ 구축을 핵심 목표로 꼽았다.