우리는 에너지 혁명의 정점에 있다.

태양열, 풍력, 지열, 수력 및 융합 발전과 지역화된 그리드 및 배터리 기술의 지속적인 발전은 인류를 저렴하고 풍부하며 유비쿼터스 재생 에너지로 계속 이끌게 된다.

킬로와트시 당 가격은 에너지 저장량이 3센트/킬로와트 시 아래로 떨어지는 것과 동시에 계속해서 떨어지게 된다. 그 결과 전 세계적으로 화석 연료가 지속적으로 대체된다.

세계 최빈국은 세계에서 가장 햇볕이 잘 드는 국가이기도 하여 인류를 에너지 풍요의 시대로 이끌고 있다.

우리는 시간이 지남에 따라 인류의 에너지 사용을 간략하게 살펴보고 에너지 풍요의 미래로 우리를 이끌 가장 흥미로운 최근 발전에 대해 논의한다.

에너지 접근이 중요한 이유

에너지와 번영은 밀접한 관련이 있다.

지역 사회, 마을 또는 국가가 에너지에 접근하기 쉬울수록 더 번영한다.

에너지는 교육 및 의료와 같은 서비스 활성화에서 산업 프로세스 강화 및 기본 가정 요구 충족에 이르기까지 모든 경제 활동의 원동력이기 때문이다. 예를 들어 국제에너지기구(IEA)는 에너지 인프라에 지출되는 1달러당 전체 경제 활동에서 최대 5달러를 창출할 수 있다고 추정한다.

에너지 접근과 번영 사이의 관계는 전기를 보면 더욱 분명해진다. 세계은행에 따르면 전력 접근성이 1% 증가하면 GDP 성장률이 최대 1.5% 증가한다.

동시에 세계보건기구(WHO)는 일관된 전기 사용이 빈곤을 20~30% 감소시킬 수 있다는 사실을 발견했다.

에너지에 대한 인류의 접근에 대한 간략한 역사

이제 에너지 접근이 왜 중요한지 알았으니 시간이 지남에 따라 에너지원과 에너지 사용이 어떻게 발전해 왔는지 간략하게 살펴보겠다.

우리 몸은 인간 근육의 형태로 가장 초기의 에너지원 중 하나의 원천이다.

인간 근육의 시대: 고대 문명에서 인간 근육은 사회에 동력을 공급하는 주요 에너지원이었으며 중국의 만리장성에서 이집트의 피라미드에 이르기까지 여전히 그 증거를 볼 수 있다.

길들여진 동물의 시대: 동물 에너지의 초기 사용은 수레와 쟁기를 끌기 위해 말과 소를 사용하는 것이었다. 이러한 작업과 기타 작업은 농업 사회의 발전에 매우 중요했다.

물레방아 시대: 고대 그리스와 로마는 동력 방앗간을 사용하여 밀과 기타 곡물을 갈았다. 그러나 물레방아가 보다 정교해지고 산업적 목적으로 사용된 것은 중세 시대였다.

증기 시대: 이 에너지원은 18세기 제임스 와트(James Watt)의 증기 기관 발명으로 거슬러 올라간다. 이것은 또한 산업 혁명의 시작을 의미했다. 증기는 운송에서 제조에 이르기까지 모든 것을 혁신했다. 증기로 움직이는 선박은 바다를 더 빠르고 효율적으로 횡단할 수 있게 했으며 증기로 움직이는 공장은 중장비, 철강, 섬유를 포함한 다양한 산업의 성장을 이끌었다.

화석 연료 시대: 고대 중국과 로마에서는 석탄이 요리와 난방에 사용되었지만 실제로 화석 연료, 특히 증기 기관의 동력이 되는 석탄의 사용을 본격적으로 시작한 것은 산업 혁명이었다. 그러나 전 세계적으로 에너지 수요가 증가함에 따라 천연 가스 사용도 증가하여 운송 및 기타 산업에 혁명을 일으켰다. 오늘날 화석 연료는 지구 온난화 신경 소비의 80% 이상을 차지하는 지배적인 에너지원이다.

핵 시대: 19세기 후반 과학자들이 원자를 분리하여 에너지를 이용할 수 있다는 사실을 발견하면서 시작하여 1950년대에 러시아와 미국에서 최초의 상업용 원자력 발전소가 탄생했다. 오늘날 400개 이상의 원자력 발전소가 가동 중이며 전 세계 전력의 약 10%를 공급한다.

재생 가능 에너지의 시대: 재생 가능 에너지원은 에너지 수요를 충족시키기 위해 태양, 물, 바람을 사용하는 고대 문명과 함께 오랜 역사를 가지고 있다. 최근 태양열과 풍력의 급증은 인상적이었다. 풍력 발전 용량은 지난 20년 동안 400% 이상 증가했으며 태양광 발전 용량은 같은 기간 동안 1,500% 이상 증가했다. 그리고 추정치에 따르면 우리는 여전히 성장 곡선의 초기 단계에 있다. IEA는 재생 에너지가 2050년까지 잠재적으로 전 세계 전력 수요의 80% 이상을 충족할 수 있을 것으로 추정한다.

재생 가능 에너지의 사례

우리는 재생 에너지 혁명의 한가운데에 있다. 네 가지 통계는 설득력 있고 강력한 이야기를 전한다.

1. 국제 에너지 기구의 2022년 12월 보고서에 따르면 녹색 에너지원은 2025년 초까지 석탄을 추월하고 세계 최대의 전력원이 된다.

2. 2022년에서 2027년 사이에 전 세계 재생 에너지 용량은 2,400기가와트 증가할 것으로 예상되며 이는 오늘날 중국의 전체 발전 용량과 같다.

3. McKinsey는 화석 연료에 대한 전 세계 수요가 올해와 2025년 사이에 정점에 이를 것으로 예상한다. 동일한 분석에 따르면 2050년까지 화석 연료는 전 세계 에너지 수요의 43%에 불과하게 된다.

4. 청정 에너지 기술(재생 에너지, 전기 자동차, 에너지 저장 장치 등 포함)에 대한 투자는 2022년에 1조 1천억 달러에 달했으며 이는 처음으로 화석 연료 발전에 대한 투자와 일치한다. (BloombergNEF의 연구 기준).

이제 태양광에서 시작하여 이 재생 에너지 혁명을 지원하는 몇 가지 기술을 살펴보겠다.

태양 에너지

5일마다 태양은 입증된 모든 석유, 석탄 및 천연 가스 공급량만큼의 에너지를 지구에 제공한다.

가용 태양 에너지의 6,000개 중 한 부분만 포착할 수 있다면 전 세계 에너지 수요의 100%를 충족할 수 있게 된다.

태양광 경제를 향한 우리의 진전은 인상적이었으며 앞으로도 줄어들지 않을 것으로 예상된다. 다음은 몇 가지 주요 예이다.

1. IEA(International Energy Agency)는 누적 태양광 PV 용량이 향후 4년 동안 약 3배 증가하여 약 1,500기가와트 증가하여 2026년에는 천연 가스를, 2027년에는 석탄을 능가할 것으로 예상한다.

2. IEA에 따르면 미국에서만 2022년 말에 설치된 태양광 PV 용량이 약 74기가와트였으며, 이는 2017년 태양광 용량의 3배이다.

3. 앞으로 IEA는 미국이 2024년 말까지 84% 증가한 63기가와트의 태양광을 추가할 것으로 예상한다. 이러한 용량 추가로 미국의 전체 발전에서 태양광이 차지하는 비중은 현재 3%에서 내년 말까지 6%로 두 배가 된다.

4. 태양 에너지의 폭발적인 성장(전 세계적으로 그리고 미국에서)의 핵심 동인은 급격한 비용 감소이다. IEA는 "태양광 PV는 전 세계 대부분의 지역에서 새로운 전력 생산을 위한 가장 저렴한 옵션이 되고 있다."라고 말했다.

5. 비용 10배 감소: 미국 에너지부에 따르면 2010년 미국의 유틸리티 규모 태양광 PV 평균 비용은 kWh당 무려 28센트였다. 그러나 2021년까지 그 비용은 kWh당 2.8~3센트로 떨어졌다.

그러나 이러한 평균 비용이 숨기는 한 가지는 위치의 영향이다. 세계에서 가장 햇볕이 잘 드는 지역에서는 태양광 발전 비용이 훨씬 더 저렴하다. 다음은 지난 몇 년 동안 유틸리티 규모의 태양광 발전소에서 달성한 몇 가지 주요 가격 이정표이다.

●사우디아라비아 비용: kWh당 1.04센트 -- 사우디의 600MW 태양광 발전소

●포르투갈 비용: kWh당 1.32센트: 포르투갈의 10MW 태양광 발전소

●미국 뉴멕시코 비용: kWh당 1.50센트: 뉴멕시코의 100MW 태양광 발전소

그러나 전 세계적으로 태양열을 극적으로 채택하는 데 비용이 유일한 요인은 아니다. 재료도 중요하다.

페로브스카이트: 혁신적인 소재

페로브스카이트(Perovskite)라고 불리는 재료 과학의 돌파구는 상업용 태양열 비용을 낮추고 있다. 페로브스카이트는 햇빛을 전기로 효율적으로 변환하는 독특한 광학 및 전자적 특성을 가진 빛에 민감한 결정(광물)이다.

역사적으로 대부분의 상용 태양광 패널은 변환 효율이 15%~22%인데, 이는 노출된 에너지의 15%~22%를 포착한다는 의미이다.

그러나 페로브스카이트는 훨씬 더 높은 효율성을 약속한다.

지난 몇 년 동안 페로브스카이트의 변환 효율은 3%에서 30%로 증가하여 광전지 역사상 가장 빠르게 발전하는 기술이 되었다.

페로브스카이트 효율의 이론적 상한은 약 66%이며 실리콘의 이론적 상한은 32%이다.

더 좋은 점은 페로브스카이트의 재료가 널리 사용 가능하고 결합 비용이 저렴하여 태양열 비용을 더욱 낮출 수 있다는 것이다.

일반 박막(실리콘) 광전지는 와트당 대략 $0.40~$0.69의 비용이 드는 반면, 페로브스카이트의 와트당 $0.16은 가까운 미래에 와트당 $0.10로 급락할 것으로 예상된다.

궁극적으로 우리는 효율성이 2배 증가하고 가격이 4배 감소하여 오늘날의 옵션보다 전반적으로 8배 개선되는 것을 볼 수 있었다.

이러한 기술 및 경제적 성과는 2021년 약 6억 달러에서 2030년까지 60억 달러 이상으로 성장할 것으로 예상되는 페로브스카이트 시장의 성장에 힘을 실어주고 있다.

지열 에너지

또 다른 미개발 에너지원은 지열이다.

미국 에너지부에 따르면 지구 열 함량의 0.1%(1/1000)만 포착할 수 있다면 200만 년 동안 인류의 총 에너지 수요를 공급할 수 있다.

이것이 지열 에너지의 약속이다. 지각 아래의 열을 활용하는 기술이다.

그러나 지열은 현재 미국의 전체 유틸리티 규모 발전량의 0.4%에 불과하다. 그 중 거의 절반이 1980년대에 가동되었다!

하지만 곧 바뀌게 된다.

Google은 지열 발전 프로젝트를 개발하기 위해 청정 에너지 스타트업 Fervo와 파트너십을 맺었으며 Microsoft는 북미에서 가장 큰 지열 발전소 중 하나인 시애틀 외곽에 300만 평방피트 규모의 열 에너지 센터를 건설하고 있다.

동시에 전 세계 정부 정책은 투자를 촉진하고 혁신을 장려하고 있다.

2030년까지 50% 무탄소 에너지를 목표로 설정한 미국 연방 정부는 2035년까지 지열 비용을 90% 줄이겠다는 "Energy Earthshot"을 발표했다. 그리고 인도네시아 정부는 w 필드, 필리핀은 현재 대규모 지열 프로젝트를 외국 개발자가 소유하도록 허용하고 있다.

최근 지열에서 가장 흥미로운 발전 중 하나는 향상된 지열 시스템(EGS)을 사용하는 것이다.

전통적인 지열 발전소는 자연적으로 발생하는 뜨거운 물과 증기 저장소에 의존하는 반면, EGS 기술은 뜨겁고 건조한 암석에 물을 주입하여 인공 저장소를 만들 수 있다.

EGS 기술은 초고온 암석에 도달하기 위해 더 깊이 들어가 전기를 생성하는 데 필요한 높은 열을 지질 단층선뿐만 아니라 더 많은 위치에서 사용할 수 있도록 한다. 이러한 초고온 암석 시스템의 주요 이점은 유정의 열이 42%만 증가해도 시스템이 10배 더 많은 에너지를 생산할 수 있다는 것이다.

더 깊이 시추할 수 있는 새로운 방법을 찾고 있는 신생 기업 중 하나는 Quaise Energy로, 핵융합 실험에 사용되는 밀리미터파 시추 기술을 재구성하여 지구 표면 아래 2~12마일의 뜨거운 암석에 도달하는 MIT 스핀아웃이다.

Quaise의 공동 창립자이자 CEO인 Carlos Araque가 지적했듯이 지열은 2050년까지 지열 에너지를 0.4%(현재)에서 30% 이상으로 늘리는 것을 목표로 하는 청정 에너지 전환의 주역이 될 수 있다.

핵융합

핵융합은 비용이 거의 들지 않는 무한하고 깨끗하며 재생 가능한 에너지에 대한 오랜 꿈이었다.

핵융합을 상황에 맞게 설명하자면, 핵 폐기물 문제를 근절하면서 태양의 발전 과정을 복제할 수 있다면 다른 모든 솔루션을 대체할 수 있는 솔루션이 된다.

핵융합 에너지 원자로는 태양이 24시간 연중무휴 수행하는 과정을 복제하여 엄청난 압력과 온도에서 두 개의 무거운 수소 원자 동위원소(삼중수소 및 중수소)를 융합하여 헬륨을 생성한다. 이 과정에서 소량의 "과도한" 질량이 아인슈타인의 공식 E=mc^2에 따라 에너지로 변환된다.

제어된 핵융합을 생성하려는 최초의 시도는 65년 전인 1958년으로 거슬러 올라간다. 그렇기 때문에 2022년 12월 과학자 캘리포니아의 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory) 국립 점화 시설(National Ignition Facility)이 핵융합 원자로에서 처음으로 순 에너지 이득을 달성했다는 발표가 큰 일이다.

처음으로 과학자들은 핵융합 과정에서 투입해야 하는 것보다 더 많은 에너지를 얻었다(결과적으로 1.5메가줄의 순 에너지 이득).

이 특정 형태의 융합이 상용화되기 위해서는 훨씬 더 많은 작업이 필요하지만 미래에 무엇이 가능한지 보여준다.

또한 해당 분야에 대한 관심과 투자가 증가하고 있음을 반영한다.

2022년 상업용 핵융합 회사에 대한 민간 투자는 10억 달러를 돌파하여 40개의 민간 자금 융합 회사를 지원했다. 자금이 가장 많고 가장 주목할만한 선수는 다음 세 선수이다.

●커먼웰스 퓨전 시스템즈(Commonwealth Fusion Systems)는 20억 달러를 모금하고 빌 게이츠와 구글을 투자자로 포함하고 있으며 2025년까지 순 에너지 이득을 시연할 프로토타입을 구축하고 있다.

●Goldman Sachs 및 Charles Schwab을 포함한 투자자로부터 12억 달러를 유치한 TAE Technologies는 2030년대 초까지 핵융합로를 공개할 계획이다.

●2억 5천만 달러를 모금한 Tokamak Energy는 2022년에 역대 최고 지속 에너지 펄스인 59MJ의 에너지를 생성하여 오랜 기록을 경신했다.

블룸버그는 핵융합 시장이 궁극적으로 40조 달러의 가치가 있을 수 있다고 추정한다.

에너지 저장 기술

태양열과 풍력을 사용하려면 에너지 저장 장치가 필요하다. 많은 저장 공간 말이다.

여기에서도 기하급수적인 발전이 이루어지고 있다.

IEA에 따르면 2021년 전 세계적으로 에너지 저장 장치의 총 설치 용량은 약 160GW에 달할 것이라고 한다.

BloombergNEF는 2022년부터 2030년까지 전 세계적으로 387GW의 새로운 에너지 저장 용량이 추가될 것으로 예상한다. 이는 2020년 일본의 전체 발전 용량보다 많은 양이다.

현재 설치된 용량 중에서 양수 저장(수력 발전)은 가장 널리 사용되는 저장 기술이다(물을 언덕 위로 펌핑하고 에너지를 위치 에너지로 저장한 후 터빈을 통해 언덕 아래로 다시 흐르게 할 때 회수함).

배터리 영역에서 리튬 이온은 저장에 사용되는 가장 일반적인 유형의 배터리이다. 인기의 핵심 이유는 지난 10년 동안 비용이 크게 절감되었기 때문이다.

BloombergNEF에 따르면 리튬 이온 배터리 팩의 평균 가격은 2013년 kWh당 $732에서 2022년에는 kWh당 $151로 5배 급락했다.

그러나 적어도 2개의 다른 유망한 배터리 기술이 개발 중이다.

흐름 배터리

흐름 배터리는 액체 전해질을 사용하여 에너지를 저장한다. 리튬이온 배터리에 비해 수명이 길어 25~30년이 지나도 성능 저하가 없다. 또한 제한된 투자로 에너지 저장 요구에 따라 크기를 조정할 수 있다. 2022년 7월 중국에서 세계 최대 규모의 플로우 배터리(바나듐 레독스로 제작)가 시운전되었으며, 용량은 100MW, 저장 용량은 400MWh이다.

공기 철 배터리

각각의 철-공기 배터리는 세탁기만큼 크고 수성 전해질로 둘러싸인 50개의 철-공기 셀을 수용한다.

철-공기 배터리는 리튬-이온에 비해 2가지 장점이 있다.

●비용: 철은 리튬, 코발트 및 니켈보다 저렴하고 조달하기 쉽기 때문에 철-공기 배터리는 리튬 이온 배터리 비용의 절반도 되지 않는다.

●기간: 공기철 배터리는 최대 150시간 동안 전력을 저장할 수 있으며, 이는 풍력 및 태양열과 같은 간헐적인 재생 가능 에너지원의 에너지를 저장하는 데 중요하다.

그렇다면 에너지 저장 분야의 이러한 모든 발전을 감안할 때 재생 가능 에너지 목표를 달성하는 데 필요한 것은 무엇일까?

NREL(국립신재생에너지연구소 National Renewable Energy Laboratory)에 따르면 2050년까지 미국 전기의 94%가 재생 가능 에너지원에서 나오는 제로 탄소 시나리오를 달성하려면 훨씬 더 많은 저장 공간이 필요하다.

약 930GW의 에너지 저장 용량과 6.5시간의 용량으로 미국의 전체 전력 수요를 충족할 수 있다.

이는 미국 인플레이션 감소법(US Inflation Reduction Act)의 일환으로 배터리 공급망에 대한 새로운 투자에 800억 달러 이상을 투자하겠다는 바이든 행정부의 최근 약속에 의해 더욱 인센티브를 받는 기업가와 투자자에게 엄청난 도전이자 동등한 크기의 기회를 나타낸다.\

최종 생각: 풍부한 에너지의 비전

풍부한 에너지 시대는 태양열, 풍력, 핵융합 및 첨단 에너지 저장 기술과 같이 저렴하고 깨끗하며 신뢰할 수 있는 다양한 에너지원에 접근할 수 있는 사회를 의미한다.

에너지 풍요는 또한 가정, 기업 및 운송 시스템 전반에 걸쳐 에너지 효율적인 기술 및 관행의 광범위한 채택을 포함한다. 또한 온실 가스 배출량을 줄이고 기후 변화의 영향을 완화하기 위해 화석 연료에서 벗어나야 한다.

그 결과 모든 사람과 모든 곳에서 더 많은 경제 성장, 삶의 질 향상, 더 나은 에너지 안보가 가능할 것이다.

그렇다면 에너지 풍요는 얼마나 가능할까?

태양 에너지만으로도 낭비할 만큼 풍부한 에너지를 제공할 수 있다.

88분마다 470엑사줄의 태양 에너지가 지구를 강타한다. 이는 인류가 1년 동안 소비하는 양과 맞먹는다. 112시간 또는 5일이 채 안 되는 시간에 우리는 36제타줄의 에너지 또는 지구상의 모든 확인된 석유, 석탄 및 천연 가스 매장량에 포함된 에너지를 얻는다.

에너지에 관해서는 희소성에 관한 것이 아니라 접근성에 관한 것이다. 이것은 기하급수적 기술이 해결해 온 역사가 있는 바로 그 종류의 문제이다.

재생 가능한 에너지원에서 생성된 전자가 주도하는 미래에 오신 것을 환영한다.

귀하의 비즈니스에 미치는 영향은 무엇일까? 당신의 산업? 글로벌 지정학, 가족 및 환경에 어떤 영향을 미칠까?

이 메타트렌드시리즈(20개 중 17번째)의 다음 블로그에서는 지속 가능성 및 탄소에 대한 증가된 초점을 살펴본다.