친환경 에너지 넷 제로 계획에는 통제경제가 필요하다. 그리고 몇 가지 기술적 불가능과 생활 수준의 급격한 하락이 필요하다
캠브리지 대학 전기공학과 명예 교수 마이클 켈리
2050년에 미국이 탄소 배출 제로 경제를 달성한다고 상상해 보라. 조 바이든 대통령은 그렇게 하겠다고 약속했다(영국 역시 노력하고 있다).
이를 위해서는 서로 연관된 세 개의 대규모 다영역 엔지니어링 프로젝트가 완성되어야 한다. 교통, 그리고 산업 및 가정용 난방이 전기화된다. 그리고 발전, 송전 및 배전의 전기 부문은 처음 두 프로젝트에 대처하기 위해 크게 확장되며 화석 연료 사용을 중단한다.
나는 산업 및 학술 공학 분야에서 오랜 경력을 쌓았으며 최근 케임브리지 대학에서 전기공학 기술 교수로 은퇴했다. 나는 이러한 아이디어의 실현 가능성 조사에 시간을 보냈고, 이는 모두 사실이다.
현재 미국은 영국 열량 에너지 단위로 매달 평균 7,768조를 사용하고 있고, 그 에너지의 대부분은 난방이나 운송을 위해 화석연료를 직접적으로 태우거나 간접적으로 전기를 생산하여 공급된다.
내연기관은 연료에 저장된 에너지를 약 30%의 효율로 운송 운동으로 변환하는 반면, 전기 모터는 배터리에 저장된 에너지를 90% 넘는 효율로 사용하기 때문에, 미래에 미국 내 운송을 현재 수준으로 유지하려면 전기 공급을 약 25% 늘려야 한다. 현재 화석연료를 동력으로 사용하는 자동차와 기차를 전기 차량으로 교체하는 데 드는 비용이 우리가 사용해온 것보다 더 들지 않는다고 가정해 보자. 사실이 아니긴 하지만 나머지 부분에 비하면 그 차이는 작다. 오늘날 운송 에너지의 작은 부분은 지상 운송보다 전기화가 훨씬 더 어려운 항공 및 해운에 사용된다는 점을 언급해야 하지만 일단 무시하기로 하자.
다음으로 우리는 모든 열을 전기로 공급해야 한다. 만약 이 열이 일반 전기 히터로 공급된다면, 우리는 현재와 같은 규모의 추가적인 전기 부문이 필요하다. 그러나 만약 우리가 주로 공기 열원 및 접지 열원 열 펌프를 사용하고, 성능 계수를 (낙관적이지만 크게 비합리적이지도 않은) 3:1로 가정한다면, 우리는 그 열 작업에 대해 현재 배전망 크기의 35%에 해당하는 규모의 새로운 배전망이 필요하다.
2050년의 배전망은 현재 크기보다 60% 이상 더 커야 한다. 또한 건물들에 대한 작업도 필요하다. 미국의 보유 건물은 약 1억 5천만 가구의 주택, 상업 및 산업용 건물로 구성되어 있는데 바닥 면적이 3,670억 평방 피트로 추정된다. 일부는 단열이 잘 되어 있지만 대부분은 단열이 잘 되어 있지 않다. 전기 펌프가 우리가 필요로 하는 효율에 맞게 작동하려면 모든 전기 펌프가 그렇게 되어야 한다. 영국의 예비 개조 프로그램을 기반으로 한 이에 대한 전국 규모의 비용은 인구 1,500만 명 당 1조 달러이다. 따라서 미국의 경우에는 약 20조 달러, 최대 35조 달러가 될 수 있다.
여기서 우리가 주목해야 할 것은 운송의 경우와 마찬가지로 현재 주요 강철 생산과 같은 특수한 유형의 열 공급은 전기로 할 수 없다는 점이다. 넷 제로에 도달하려면 여기에 추가 비용이 발생하지만, 일단 무시하기로 하자. 비록 우리는 엄청난 양의 강철이 필요하겠지만 말이다.
이제 전력망을 탈탄소화하여 60% 더 크고 강력하게 만든다고 하자. 종합해보면, 미국의 전력망은 세계에서 가장 큰 기계로 불려왔다. 20만 마일의 고압 송전선로와 550만 마일의 지역 배전선로로 구성되어 있다. 우리는 12만 마일의 송전선로를 추가해야 한다. 이 작업은 미국의 비용 데이터를 기준으로 할 때 약 6조 달러가 소요된다.
550만 마일에 달하는 지역 배전선로는 훨씬 더 높은 전류를 공급하기 위해 업그레이드되어야 한다. 미국의 대부분의 가정에는 100~200A 사이의 전류를 허용하는 주 차단기 패널이 있지만, 일부 신규 가정은 300A로 정격이 정해져 있다. 100A 기준은 전기 주전자가 가정에서 가장 큰 가전기기였던 거의 1세기 전에 정해졌다. 전기를 사용하는 현대의 모든 가정에서 새로운 가전기기의 일부만으로 이보다 훨씬 더 높은 전류를 사용한다. 접지 열원 열 펌프는 시동에 85A를 사용하고, 인덕션은 시작 때 37A, 전기차 급속 충전기는 전기 샤워기와 같은 46A, 심지어 느린 충전기도 17A를 사용한다. 거리의 지역 배선과 지역 변압기의 크기는 모두 100A 제한에 맞춰져 있다. 대부분의 가정은 업그레이드된 회로 차단기 패널과 최소한 일부 재배선이 필요하며, 많은 지역 배선과 많은 변전소가 크기를 늘려야 한다. 구체적으로 영국의 비용은 1조 파운드로 추산되는데, 이는 인구당으로 환산할 때 미국의 6조 달러에 달한다.
현재 발전량의 60%가 화석연료이기 때문에, 우리는 모든 화석연료 발전소를 폐쇄하고 남은 비화석 발전 용량을 4배 이상 늘려야 한다. 새로운 수력 발전의 여지가 많지 않고, 지금까지 화석연료 생산 밖에는 탄소 포집이 존재하지 않는다. 풍력(지상 $1600/kW, 해상 $6500/kw), 태양광($1000/kW), 원자력($6000/kW)을 혼합하여 사용하면, 이 작업의 자본 비용만 약 5조 달러에 달하는데, 우리는 풍력과 태양광에 존재하는 엄청난 문제점은 다루지도 않았다.
지금까지 우리가 계산한 넷 제로 세계에서 절연된 건물과 발전, 송전 및 배전을 제공하는 비용은 32조 달러에 달한다. 비록 모든 가구가 부담하는 것은 아니지만, 이 수치는 미국 가구당 26만 달러 수준이다.
이제 간헐성에 대해 생각해 보자. 때로는 바람이 불지 않고 햇볕이 들지 않기 때문에 재생에너지를 주로 사용하게 되는 미국의 전력망은 전력을 공급받을 수 없게 된다. 현재 수력 발전 저장으로는 몇 시간 동안 넷 제로 전력을 공급할 수 있다. 넷 제로 옹호자들은 종종 거대한 양의 배터리 건설을 제안하지만, 이로 인한 비용이 엄청나다. 발전소 비용의 80배에 해당하는 수백조 달러가 든다. 게다가 필요한 양만큼의 광물을 구할 수 없기 때문에 이것은 그야말로 환상에 불과하다. 가격이 오르면, 더 많은 매장량을 확보할 수 있겠지만 이미 가격은 엄청나게 높다.
우리는 당장 재생에너지 비중이 높은 넷 제로 전력망을 구축할 수 없음을 알 수 있다. 하지만 지금은 저장 문제를 무시하고 몇 가지 수치만 더 살펴보자.
영국의 엔지니어링 기업인 앳킨스(Atkins)의 추산에 따르면, 30년간 10억 달러 규모의 전기 부문 프로젝트에는 전체 기간 동안 24명 이상의 전문가 및 대학원 엔지니어와 100명 이상의 숙련된 장인들이 필요하다. 방금 설명한 12조 달러 규모의 전기 부문 프로젝트에 대해 이러한 수치를 확대하면, 우리는 넷 제로 프로젝트의 바로 이 부분만을 기준으로 30년 동안 2050년까지 상시로 30만 명의 전기 전문 엔지니어와 120만 명의 숙련된 장인들이 필요하다. 예산을 기준으로 할 때, 우리는 건물 개조 부문에 약 3백만 명의 필요 인력을 예상할 수 있다. 이 인력을 합치면, 대략 기존 건설 부문 전체의 규모에 해당한다.
이제 재료에 대해 생각해 보자. 600메가와트 복합 발전 가스터빈(CCGT)은 300톤의 고성능 강철이 필요하다. 동일한 600메가와트 연속 공급을 달성하려면 각각 최적 평균 33%의 효율로 가동되는 360개의 5메가와트 풍력터빈이 필요하다(그리고 부수적인 주요 에너지 저장 시설은 불가능할 정도로 비용이 많이 드는데 일단 무시하기로 하자). 수명이 25년인 풍력 터빈은 복합 발전 가스터빈의 절반도 되지 않기 때문에 사실은 720개 이상이 필요하다.
5메가와트 풍력 터빈의 나셀(탑 꼭대기에 있는 터빈)의 질량은 복합 발전 가스터빈의 질량과 유사하다. 또한 단일 복합 발전 가스터빈의 주탑에 있는 콘크리트 질량은 각 개별 육상 풍력 터빈의 기반에 대한 콘크리트 질량과 유사하며, 각 육상 풍력 터빈의 콘크리트 및 밸러스트보다 훨씬 작다. 우리는 복합 발전 가스터빈이나 원자력 발전소 건설에 필요한 양의 천 배에 해당하는 엄청난 고에너지 재료가 필요하다. 이 방대한 요구량은 아마도 자재와 에너지 모두의 가격에 부정적인 영향을 미치겠지만 당장은 비용이 현재 수준에 머문다고 가정하자.
따라서 이론적으로 가능한 넷 제로 프로젝트의 인프라 부분은 35조 달러를 훌쩍 넘는 비용이 들고, 건설 부문에 버금가는 헌신적이고 고도로 숙련된 인력과 엄청난 양의 자재가 필요하다는 것을 알 수 있다. 넷 제로 프로젝트에는 오늘날 완전히 불가능한 몇 가지 사항들이 필요하다. 확장이 가능한 비화석 에너지 저장장치, 초고온의 전기 산업 공정, 최고의 전기 항공 및 운송이다. 또한 농업의 탈탄소화 문제도 있다. 이런 것들이 성취될 수 있다고 해도 비용이 몇 배가 증가하여 적어도 100조 달러를 넘는다.
따라서 넷 제로로 인한 실질적인 비용은 2050년까지 미국 정부가 지출할 것으로 예상되는 총 지출과 비슷하거나 심지어 그 이상이다. 정상적인 시장경제 및 생활수준과 유사한 어떤 상황에서도 그 정도 금액의 돈이 다른 목적에서 전환될 가능성이 없다.
생활 수준의 급격한 하락과 몇몇 예상하지 못한 기술적 기적이 결합한 통제경제가 아니라면 현재의 시간표에서 넷 제로 달성이 가능하다는 생각은 명백한 거짓이다. 이러한 큰 그림의 공학적 현실에 대한 국립아카데미와 전문 과학 및 공학 기관의 침묵은 비열하다.
Michael Kelly almost nails it in his @Telegraph column about totalitarianism being necessary to achieve ‘net zero.’
Here’s the miss. He writes:
“The idea that net zero can be achieved on the current timelines by any means short of a command economy…”
Here’s the reality:
Net… pic.twitter.com/pmbFzUSvst
— Steve Milloy (@JunkScience) October 12, 2023
