원자력의 변론(Feat. 글로벌 원자력 스타트업 리스트)
1. 팟캐스트 ‘Age of Miracles’을 보지 않았더라면, 절대 원자력에 대한 글을 쓰거나, 공부해볼 생각을 하지 못했을 것이다. 따라서, 글을 전 가장 먼저 멋진 팟캐스트 시리즈를 운영함으로써 많은 사람들을 nuke-pill해준 Packy와 Julia에게 감사의 말을 전한다.
2. 개인적인 용도로 핵분열과 관련된 글로벌 스타트업 리스트들을 모아보았다. 혹시나 궁금하다면, 해당 링크를 참고하기를 바란다.
1. Clean Energy Superabundance
1.1 Clean Energy
현재 ‘에너지’라는 게임의 목표는 ‘2050 탄소 중립’이다. WWF에 따르면, 2015년 파리협정의 1.5℃ 목표를 달성하기 위해서는 2030년까지 2010년에 비하여 CO2 배출량을 최소 45% 감축하고, 2050년까지 Net-zero, 즉 모든 온실가스의 순배출을 제로화해야한다. 지구온난화와 기후 위기가 피부로 느껴지기 시작한 현재, 해당 목표는 어렵지만, 노력해볼만한 가치가 있다.
1.2 Energy Superabundance
나는 우리가 탄소 중립은 물론, 훨씬 더 많은 에너지 생산을 목표로 해야한다고 생각한다. ‘Energy Superabundance’라고 표현하는 해당 개념은, 이름처럼 에너지를 훨씬 더 많이 만들어내는 것을 의미한다. 지난 글에서 언급한 것처럼, 에너지는 우리 사회의 성장 엔진의 주요 원료 중 한 가지로, 더 많은 에너지는 미래의 발전을 의미한다.
더 많은 에너지는 이제껏 비경제적이었던 서비스들을 가능케한다. CGO에 따르면, 1%의 에너지 공급량 상승은 에너지 가격을 1.75% 감소시키고, 에너지 공급량을 2배로 늘리면, 에너지 가격은 70% 감소한다고 한다. 더 저렴한 에너지는 다음과 같이 현재로써는 경제적으로 ‘불가능한’ 것들을 가능케 만들 수 있다.
전세계 에너지 소비량의 20%를 차지하는 교통 분야에서는 VTOL Taxi, 하이퍼루프, 초음속 비행 등과 같이 현재는 에너지 소비량 때문에 비경제적인 기술들이 상용화될 수 있다.
수직 농업과 실내 농업과 같은 방식은 에너지 소비가 높지만, 땅 사용량은 상대적으로 적다. 이러한 방식들이 상용화되면, 더 적은 면적에서 품질이 높은 농작물을 재배할 수 있다.
기존 콘크리트, 철, 플라스틱 등과 같은 재료 생산 방식들은 전부 적지 않은 CO2 배출을 통해서 환경에 악영향을 끼치고 있다. 더 저렴한 에너지를 활용한다면, 친환경 방식으로 해당 재료들을 생산하는 방식이 상용화될 수 있다. 예를 들어, 철은 전체 탄소 배출량의 7%를 담당하는데, HYBRIT라는 스웨덴 프로젝트는 수소를 이용해서 친환경 철을 만드는 시도를 하고 있다. 이러한 시도들은 에너지가 저렴해짐에 따라서, 더 활발해질 것으로 예상된다.
출처: GridStrategies
가까운 미래를 보더라도, 제조 산업의 발달과 데이터 센터 수의 증가로 인하여 전력 수요는 계속해서 증가할 것으로 예측된다. GridStrategies의 자료에 따르면, 지난 한 해 사이에 미국의 전력망 관계자들은 향후 5년의 수요 증가 예측을 두배로 조정하였고, 2028년까지 38GW의 최대 수요 증가를 예측함에 따라서, 신속한 에너지 생산과 송신의 계획, 건설, 투자의 필요성을 강조하였다. 또한, 최근 업데이트된 지표들을 고려하였을 때, 이러한 수치가 과소평가된 것이라는 예측을 내놓은만큼, 더 많은 에너지 생산은 탄소 중립과 함께 우리의 가장 큰 목표가 되어야 한다.
1.3 더 윤리적인 세상을 위하여
나는 Packy McCormick이 자신의 글에서 ‘인류가 에너지 발전을 통해 더 윤리적이 될 수 있는 여유를 갖게 되었다’는 주장이 굉장히 신선한 시각이라고 생각하고, 나 역시 이에 동의한다. 예를 들어, 과거에는 음식과 같은 에너지 자원이 귀하여서 이웃을 해하여서 음식을 얻기도 하였지만, 음식이라는 에너지원에 접근하는 비용이 줄어듦에 따라서, 그럴 필요가 없어졌다. 또한, 노예제 폐지는 다양한 정치적, 윤리적, 사회적 요인들에 의해 이루어졌지만, 화석연료 사용과 증기기관의 발달 역시, 기계 노동력의 비용을 줄여, 노예의 경제적 가치를 상대적으로 떨어트림으로써 이러한 변화에 직/간접적인 영향을 미쳤을 것이라고 생각한다.
이처럼, 현재 인류가 과거의 이웃을 해하여서 음식을 확보하는 행위나 노예제를 비윤리적으로 바라보듯이, Energy Superabundance에 도달한 미래 인류는 현재의 일상적이고도, 불가피한 노동 자체를 비윤리적으로 바라보게 될지도 모른다.
???: 100년전에는 먹고 살려고 하루의 1/3을 하기 싫은 일을 억지로 하면서 살았다고? 너무 비윤리적이야.
2. 어떻게 도달할 것인가?
해당 글에서는 전력 부분에 집중하지만, 실제 탄소 중립을 도달하기 위해선 전체 에너지 소비량에서 전력이 차지하는 비율을 높이는 노력이 함께 수반되어야 한다. 현재, 전력은 전체 에너지 소비량의 약 20% 밖에 차지하지 않기 때문에, 이 비중을 높임과 동시에, 전력에서 발생하는 탄소 배출량을 0에 가깝게 만들어야 한다. 이 비중을 높이기 위해선 전력의 비용이 기존의 경쟁자들, 석탄, 석유, 가스보다 저렴해져야만 한다.
이제 문제는 ‘어떻게’이다. 미래 에너지 포트폴리오를 어떻게 구성해야 Clean Energy Superabundance를 성취할 수 있을까? 일단, 아래 그래프를 살펴보자.
2.1 화석연료
출처: UNECE 2021
석탄, 석유, 천연가스 등의 화석 연료는 지구 온난화의 큰 영향을 끼치고 있고, 탄소 중립을 이루기 위해선 점차 줄여나가야 한다. UN에 의하면, 화석 연료가 전 세계 온실가스 배출량의 75% 이상, 전체 CO2 배출량의 90% 가까이를 차지한다고 한다.
다만, 우리 인류는 화석 연료에게 고마워해야한다. 지금 우리가 누리는 농업, 건설, 통신, 제조 등의 인프라는 화석 연료 없이는 불가능하였을 것이고, 화석 연료가 없었다면, 지구 온난화는 늦어졌겠지만, 반대급부로 더 많은 사람들이 가뭄과 배고픔으로 죽었을 것이다. 단지, 화석 연료가 등장하면서 장작의 시대가 끝난 것처럼, 새로운 대체 에너지들의 등장과 함꼐 이제는 화석 연료가 퇴장할 시기인 것 뿐이다.
2.2 VRE, Variable Renewable Energy
재생 에너지가 미래의 에너지라는 것에 이의를 가지는 사람은 많지 않을 것이다. 재생 에너지의 카테고리 안에는 태양열, 풍력, 지열, 수력 등 다양한 종류들이 있다. 그중에서 가장 대표 주자라고 할 수 있는 풍력과 태양열은 자연 환경, 시간, 계절에 따라서 전력 생산량이 변하기 때문에, Variable Renwable Energy(VRE)라고 부른다.
현재 공개된 다양한 지표들은 VRE의 미래에 대하여 긍정적인 전망을 보여주고 있다. VRE의 전력 생산량은 2010년을 기점으로 기하급수적으로 상승하였고, 생산 전력 당 소모 비용인 균등화발전비용(LCOE, Levelized Cost of Energy)는 크게 감소하였다. 또한, 앞선 UNECE의 데이터에서도 볼 수 있는 것처럼, 탄소 배출량은 화석 연료에 비해서 매우 낮고, VRE에 대한 투자는 증가하고 있다.
하지만, VRE의 간헐적이고, 변동적인 전력 생산은 몇 가지 문제가 있다.
전력망 안전성 문제: 전력망은 항상 전력의 수요와 궁급을 균형있게 맞춰줘야 하는데, 전력의 수요가 높고, VRE 생산량이 낮은 상황에서는 전력망의 안전성에 부담을 줄 수 있다. 또한, 전력망에서는 단순히 수요와 공급 균형 외에도, 전력망의 하모닉스나 무효전력(VAR) 등을 조절해야 하는데, 컨버터를 사용하는 VRE들의 특성 상, 이는 전력망에 대한 추가적인 투자를 필요로 한다.
백업 발전소의 필요성: 전력 수요가 빠르게 변화할때, 이를 대응해줄 수 있는 백업 발전소가 필요하다. 이때 상대적으로 가동률을 빠르게 조절할 수 있는 천연가스가 주로 사용된다.
에너지 저장 시스템의 필요성: 앞서 설명한 백업 발전소와 비슷한 이유로, VRE의 전력 생산량이 높을 때 에너지를 배터리에 저장하였다가 생산량이 적을 때 사용하는 에너지 저장 시스템이 필요하다. 백업 발전소와 비교하였을 때, 상대적으로 반응 시간이 더 빠르고, CO2 방출이 없고, 저장해뒀던 에너지를 사용하기 때문에, 더 효율적이라는 장점이 있지만, 아직까지는 비싼 비용, 짧은 저장 시간, 높은 자원 소모량이라는 단점도 존재한다.
과잉 건설(Overbuilding) & 출력 제한(Curtailment) 문제: VRE는 낮은 공급량을 기준으로 건설해야 하기 떄문에, 과잉 건설과 이로 인해서 공급량이 많을 때는 출력이 제한되는 효과가 발생한다. 예를 들어, 태양열의 경우, 겨울의 전력 생산량을 기준으로 건설을 해야하고, 이는 높은 초기 설치 비용과 다른 계절에서는 에너지가 낭비되는 효과로 이어진다.
2.3 미래 에너지 포트폴리오
이처럼 화석 연료 사용을 줄이고 VRE를 늘리려는 기조 속에서, Clean Energy Superabundance를 위한 구체적인 미래 에너지 포트폴리오로는 다음과 같은 두 가지 접근법이 제안된다. 해당 두 가지 방법 모두, VRE를 늘리되, VRE 비중이 높아짐에 따라서 발생할 수 있는 부작용을 각기 다른 방식을 통해서 보완하는 형태를 취하고 있다.
먼저, 첫 번째 방법은 ‘특정 가정들’을 전제로, 전력 100%를 VRE로 채우는 것이다. 특정 가정들이란 다음과 같다.
대륙간 규모의 장거리 송신망: 특정 시점의 VRE들의 생산량은 지역에 따라서 크게 차이가 날 것이고, 대륙간 규모의 장거리 송신망이 설치된다면, 지역간의 전송을 통해서 VRE의 변동성을 크게 보완할 수 있을 것이다.
유연한 수요 관리(Demand-side Management): VRE의 변동적인 에너지 생산량에 맞춰서 소비자들의 전력 수요를 유연하게 조정할 수 있다면, 상대적으로 백업 발전소나 에너지 저장소에 대한 의존성을 줄일 수 있다.
메우 낮은 비용: 해당 연구에 따르면, VRE 비율이 전체 전력망의 60%를 넘어가면, 전력 생산의 비용과 출력 제한으로 낭비되는 에너지량이 비선형적으로, 급격하게 상승하게 된다. 따라서, 전력망을 100% VRE로 채우기 위해선 더 낮은 전력 생산 비용이 수반되어야만 한다.
에너지 저장 시스템의 발달: VRE 100%를 달성하기 위해선 에너지 저장 시스템의 저장 용량, 기간, 경제성, 효율성 측면에서 많은 발전이 필요하다.
위 가정들이 현실로 이뤄진다면, 전력망 100%를 태양열과 풍력과 같은 VRE로 채울 수 있다,
두 번째 방법은 VRE를 Firm low-carbon energy(이하, FLE)와 함께 사용하는 것이다. FLE란, 화석 연료보다 탄소 배출이 적으면서도, VRE과 달리 에너지 출력이 일정한 에너지를 의미한다. 주요 예시로는 원자력, 지열 에너지, 바이오매스 에너지 등이 있는데, 이러한 에너지는 VRE와 함께 사용하였을 때, 앞서 언급한 VRE의 단점들을 보완할 수 있다.
나는 첫 번째 방법의 특정 가정들이 실현될 것이라고 예상하기보다는, 이미 효과적으로 작동하고 있는 FLE를 함께 사용하는 두 번쨰 접근법이 더 현실적이라고 생각하는데, 이를 뒷받침하는 여러 연구들을 살펴보자.
2.4 FLE의 필요성에 대한 여러 연구들
The Role of Firm Low-Carbon Electricity Resources in Deep Decarbonization of Power Generation, 2018
출처: The Role of Firm Low-Carbon Electricity Resources in Deep Decarbonization of Power Generation
해당 연구는 GenX라는 모델을 통해서 Deep decarbonization 시나리오에서 FLE의 역할을 살펴본다. 결과적으로, 에너지 포트폴리오에 FLE를 포함시킴으로써 전체 에너지 생산 비용이 낮아졌고, 특히 VRE의 생산량이 많지 않은 곳에서 더 큰 효과를 보였다. 위 그래프에서 볼 수 있는 것처럼, VRE 생산율이 상대적으로 낮은 미국 북부 지역에서 탄소 배출량 한계가 낮을수록 FLE은 더 큰 영향력을 가진다.
Getting to Zero Carbon Emissions in the Electric Power Sector, 2018
출처: Getting to Zero Carbon Emissions in the Electric Power Sector
해당 연구는 2014년 이후 발표된 약 40개의 Deep decarbonization 연구들을 종합하여서 인사이트를 도출한다. 해당 연구에 따르면, VRE는 탈탄소화에 중요한 요소이지만, 위 그래프에서 확인할 수 있는 것처럼, VRE가 전력망의 100%를 차지하게 되면, 비용과 출력 제한에 의한 에너지 낭비량이 비선형적으로 급증한다. 이는 FLE를 함께 사용하는 것으로 해결할 수 있으며, 따라서 해당 연구는 당장 승리자로 보이는 VRE에 베팅하는 것이 쉬운 결정이겠지만, 장기적으로 봤을 때는 FLE들에 대한 연구 및 지원이 필요하다고 주장한다.
Clean Firm Power is the Key to California’s Carbon-Free Energy Future, 2021
출처: Clean firm power is the key to California's carbon-free energy future
해당 연구는 여러 연구 기관들에게 같은 데이터를 주고 각자의 모델을 통해서 2045년 샌프란시스코의 탄소 중립 목표를 어떻게 도달할 수 있을지 예측을 의뢰하였는데, 공통적인 의견은 VRE만으로는 어렵고, 원자력, 지열 에너지 또는 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술을 갖춘 천연 가스 발전과 같은 FLE를 VRE와 함께 사용해야 한다는 것이다. 위 데이터에서 확인할 수 있는 것처럼, FLE를 도입함으로써 각종 지표들이 개선되는 것을 알 수 있다.
Stylized least-cost analysis of flexible nuclear power in deeply decarbonized electricity systems considering wind and solar resources worldwide, 2022
출처: Stylized least-cost analysis of flexible nuclear power in deeply decarbonized electricity systems considering wind and solar resources worldwide
해당 연구는 MEM(Macro Energy Model)이라는 선형 최적화 방식을 사용하여서 각 지역의 데이터들을 바탕으로 다양한 온실가스 배출량 축소 시나리오에서 재생에너지와 함께 원자력의 역할을 살펴본다. 해당 연구에 따르면, 현재의 원자력의 비용으로도 풍력 에너지가 약한 지역의 deep decarbonization 시나리오에선 원자력이 충분히 역할을 수행할 수 있을 것으로 예측되고, 원자력의 생산 비용이 낮아질수록, 영향력을 커진다.
3. 그 중에서도 원자력인 이유
3.1 다양한 FLE의 비교
나는 다양한 FLE들 중에서도 원자력은 상당히 매력적인 선택지이며, 상대적으로 다른 에너지원들에 비하여 저평가되어있다고 생각한다. 물론, 모든 에너지원들에는 장단점이 존재하고, 절대적인 우열을 가리기는 불가능하지만, Clean Energy Superabundance에 도달하기 위해선 원자력의 도움이 필수적이다.
아래 도표는 다양한 지표들에 따라 FLE들을 정리한 것이다. 일반적으로 장소 선정의 자유도가 높고, 탄소 배출량이 낮으며, 에너지 효율성과 출력 용량이 높을수록 미래 에너지 포트폴리오에 적합한 FLE으로 평가한다.
출처: GPT
바이오매스 에너지는 장소 선정에서 자유롭지만, 탄소 배출량이 상대적으로 높고 에너지 효율성과 용량이 낮아 크게 매력적이지 않고, 지열 에너지는 탄소 배출량, 에너지 효율성, 용량 면에서 준수하지만, 장소 선정의 자유도가 낮아 일반적인 선택지로는 적합하지 않다. 수력 발전은 에너지 효율성과 용량이 후보 중 가장 우수하지만, 장소 선정의 한계 때문에 보편적인 대안으로는 부족하다.
원자력과 CCS를 사용하는 화석 연료는 모든 지표에서 우수한 특성을 보여줘서 두 방식 모두 좋은 선택지로 볼 수 있다. 하지만 화석 연료의 시대가 점차 끝나가고 있는 상황에서, 나는 CCS를 사용하는 화석 연료보다는 원자력을 더 장기적인 해결책이라고 생각한다.
3.2 원자력 산업의 동향
출처: World Nuclear Industry Status Report 2021
원자력 산업의 황금기는 1970년대였다.
2차 세계 대전 이후에는 미국의 아이젠하워 대통령의 ‘Atoms for Peace’ 정책을 통해 원자력이 전력 생산이나 산업 분야에 사용되기 시작하였고, 1970년대에 들어서는 석유파동과 함께 원자력이 대체 에너지로 주목을 받으며 황금기가 시작되었다. 그러나, 1979년의 스리마일 원전 사고, 1986년 체르노빌 원전 사고, 2011년의 후쿠시마 원전 사고 등으로 인하여 여론이 악화되고, 환경 단체들의 반발이 거세졌으며, 이에 더하여 매우 높은 규제와 안전 기준으로 점차 신규 원자로 건설은 줄어들었다.
이처럼, 한동안 원자력 산업의 분위기는 안 좋았지만, 최근 들어서 변화하려는 움직임이 보인다. 먼저, 대중들의 원자력 산업에 대한 인식은 최근 들어서 계속 긍정적으로 변화하고 있고, 국가들의 정책들 역시 마찬가지이다. 대표적으로, 최근 COP28 기후 회의에서 미국의 주도 하에, 24개의 국가들은 2050년까지 원자력 애너지를 3배 늘리겠다고 발표하였는데, 원자력이 COP 합의에서 공식적으로 기후 위기에 대응하기 위한 해결책으로 등장한 것은 COP 역사상 이번 회의가 처음이다. 이외에도, EU는 원자력을 Net-zero 기술로 포함시키고, 캐나다는 그린본드 발행 대상에 원자로와 원자로 보수 공사를 포함시키는 등의 긍정적인 변화가 계속해서 이어지고 있다. 산업계에서는 최근 마이크로소프트가 데이터 센터 전력 공급을 위하여 원자력 발전을 고려하고 있다는 소식이 눈에 띈다.
3.3 원자력의 장점
이제 원자력의 장점들을 알아보자. 실제 수치를 살펴보면, 우리들의 기존 인식과는 다른 것들이 꽤 있다.
첫째, 원자력은 안전하다.
많은 사람들은 원자력이 매우 위험하다고 생각하지만, 사실 실제 수치는 그렇지 않다.
출처: Our World in Data
위 데이터를 보면 알 수 있는 것처럼, 원자력의 전력 생산량 당 사망 수는 풍력 발전보다도 적고, 태양열과 비슷한 수준이다. 역사적으로 대량 방사능 누출이 있었던 사건은 체르노빌과 후쿠시마, 두 건이 전부이고, 해당 사고들에서 원자력에 의한 사망자 수는 다음과 같다.
체르노빌 원전 사고: 총 31명으로, 2명은 직접적인 폭발에 의해서, 29명은 급성방사능증후군(ARS)에 의하여 사망하였다.
후쿠시마 원전 사고: 총 1명으로, 2018년에 일본 정부에서 한 근로자가 방사능 노출로 인한 폐암에 의한 사망하였다는 사실을 발표하였다. 또한, 2021년에 UN에서는 후쿠시마 원전 사고가 암발생율을 높일 가능성은 낮다고 발표하였다. 이와 별개로, 총 19,729명이 지진과 쓰나미에 의하여 사망하였다.
스리마일 원전 사고의 경우, 누출된 방사능 수준이 자연 방사선량에 못 미치는 수준으로, 인명 피해가 전혀 없었지만, 사고 전 해에 개봉한 영화 ‘차이나 신드롬’과의 시너지로, 미국 내에 원자력 발전에 대한 불신감이 생기는 큰 원인으로 작동하였다.
다른 에너지들을 살펴보자. 먼저 바이오매스와 화석 연료들의 경우,연소로 인하여 발생하는 탄소 미립자들이 상부 기도의 호흡곤란, 즉 일종의 간접적인 검은 폐를 유발한다. 수력 발전의 경우, 드물게 댐 사고에 의한 사망자가 발생하고, 풍력 발전의 경우, 유지 보수 중에서 풍력 터빈에서 근로자가 추락하는 사고가 발생한다.
둘째, 원자력은 탄소 배출량이 매우 적다.
출처: UNECE 2021
위 데이터에 따르면, 원자력의 탄소 배출량은 태양열이나 풍력과 같은 VRE들보다도 적은 수치이다.
셋째, 원자력은 생산성이 뛰어나다.
출처: Office of Nuclear Energy
보통 우리는 용량 계수(Capacity Factor)를 통해서 발전소의 전력 생산 효율을 판단하는데, 이는 해당 발전소의 설치 용량 대비 실제로 운영하여서 생산한 전력의 비를 나타낸다. 위 데이터를 보면 알 수 있는 것처럼, 원자력은 여러 에너지원들 중에서 가장 우수한 용량 계수 값을 보인다.
넷째, 공간 및 연료 효율성이 우수하다.
공간 효율성 측면에서, 원자력과 같은 양의 에너지를 생산하기 위해서 풍력은 260-360배, 태양열은 45-75배의 토지가 필요하다. 연료 효율성 측면에서, 핵연료 6그램은 석탄 1톤, 석유 120갤런, 또는 천연가스 17,000 입방피트에서 생성되는 에너지와 동등한 양의 에너지를 생산한다.
다섯째, 폐기물 양이 적다.
출처: Sustainability by numbers
일반적인 인식과 달리, 원자력을 통해서 발생하는 폐기물은 생산하는 전력 양에 비하여 작을 뿐만 아니라, 엄격하게 관리되었으며, 역사적으로 핵폐기물로 인한 인명 피해는 발생하지 않았다. 해당 자료에 따르면, 원자력 발전소가 한 사람이 일년 동안 사용할 전력을 생산하는데 발생하는 페기물의 크기는 약 벽돌 한 개이고, 그 중에서도 약 5g만 고수준 방사능 폐기물이다. 일반적인 1000MW급 원자력 발전소는 약 100만명 이상의 사람들이 사용할 수 있는 전력을 생산하는데, 이때 사용한 연료를 재활용할 경우, 연간 3m³의 고수준 폐기물이 발생한다.
이에 비하여 화석 연료 발전소는 같은 양의 전력을 생산하기 위해서 매년 약 30만 톤의 재와 600만 톤 이상의 CO2를 배출한다. 현재 미국에서는 폐기물을 연료로써 재활용하는것이 금지되어 있지만, 몇몇 국가들의 경우에는 허용되어 있고, 현재 개발되고 있는 차세대 원자로들은 연료를 재사용할 수도 있다. 또한, 이제까지 역사적으로 미국에서 만들어진 모든 핵폐기물을 다 모아도 축구장에 10미터도 안 되는 높이로 쌓을 수 있다.
다른 에너지원들을 살펴보면, 화석연료로 인한 공기 오염으로 매년 많은 사람들이 사망하고 있고, 태양광 패널의 경우, 해당 연구에 따르면, 원자력보다 전력 생산 당 폐기물 양이 300배 많고, 납과 카드늄과 같은 중금속들이 지하수를 오염시키는 등, 나름의 문제가 있는 것을 알 수 있다.
4. 원자력의 현실
4.1 Negative Learning Curve의 산업
출처: OCED-NEA
원자력의 이론적인 장점과 미래에 대한 기대감과는 별개로, 최근 원자력 발전소의 성적표는 참담하다. 위 표에 나와있듯이, 최근 건설한 원자력 발전소들은 전부 초기에 약속한 1) 건설 기간과, 2) 건설 비용을 몇 배로 초과하였다. 가장 대표적인 예시로, 미국 조지아의 Vogtle 3,4호기는 예상보다 7년이 늦었고, 원래의 예산보다 $17B를 초과하였으며, 사우스캐롤라이나에서 짓고 있던 Summer 2,3호기는 예상 건설 비용이 초기 $4.1B에서 $24B까지 상승하면서 건설이 중단되었다.
출처: IFP, Historical construction costs of global nuclear power reactors
이러한 현상이 발생하는 핵심적인 원인은 원자력 산업이 시간이 지날수록, 생산량이 늘어날수록, 평균 비용이 증가하는 negative learning curve의 산업이기 때문이다. 다른 에너지 산업은 기술이 발전하고 지식이 축적되면서 비용이 줄어든 것과 달리, 원자력 발전은 시간이 지나면서 오히려 퇴화하였다.
나는 현재 비용이 원자력 산업이 마주한 가장 중요한 문제라고 생각한다. 원자력 발전소의 비용을 앞으로 감소시키지 못한다면, 더 많은 원자력 발전소를 짓는 것은 경제적으로 성립하지 않을 것이고, 이는 Clean Energy Superabundance를 달성하는데 전혀 도움이 되지 않을 것이다. 원자력의 비용이 높아진 이유에는 여러가지 원인이 있지만, 이는 크게 건설, 규제 그리고 자본 조달로 나눠서 생각할 수 있다.
4.2 원인1. 건설
출처: OSTI.GOV
이자를 제외한 원자력 발전소 건설 비용에서 약 33%가 간접비로, 원자로 디자인, 엔지니어링 서비스, 프로젝트 관리 등의 항목들이 여기에 해당한다.
출처: OCED-NEA, Sources of Cost Overrun in Nuclear Power Plant Construction Call for a New Approach to Engineering Design
문제는 이 간접비가 원자력 발전 비용 상승에 큰 부분을 차지한다는 것이다. 1976년-1988년 사이 원자력 발전 비용 상승의 72%가 간접비 때문이고, 2010년-2020년까지 원자력 발전 비용 상승의 주요 원인은 간접비라는 연구 결과가 있었다.
그러면 간접비는 왜 올랐을까?
간접비의 80%를 차지하는 인건비가 올랐기 때문이다. 나는 해당 현상이 1) 전문 인력 필요성 증가와 2) 노동 생산성의 감소 떄문이라고 생각한다. 먼저, 원자력 연구의 발전과 안전 규제 기준의 상승으로 인하여 원자력 발전에 더 많은 수의 뛰어난 엔지니어들과 전문가들이 필요했고, 이는 자연스럽게 더 높은 인건비로 이어졌을 것이다. 하지만, 이러한 경향성은 모든 산업이 공통적으로 겪은 것이기 때문에, 더 많은 전문가들의 필요성으로만 원자력 산업만의 예외적인 negative learning curve를 설명하기란 어렵다.
출처: Sources of Cost Overrun in Nuclear Power Plant Construction Call for a New Approach to Engineering Design
따라서, 우리는 노동 생산성 감소를 추가로 살펴봐야한다. 1980년의 연구에 따르면, 전체 노동 시간의 75%가 비생산적으로 낭비되었다. 자재 및 도구 부족으로 주당 11시간, 다른 작업자와의 조정 또는 작업 공간 과밀로 주당 8시간, 작업 재실행으로 주당 5.75시간이 손실되었다. 노동 생산성은 시간이 지나면서 계속해서 감소하였는데, 2020년 기준, 최근 원자력 산업의 노동 생산성은 산업 예상치에 비하여 13배 낮았다. 개인적으로는 점점 더 원자력 발전소 건설이 줄어들면서, 해당 산업에 대한 경험이 있는 인력이 점점 부족해지는 것도 큰 영향을 끼치지 않았을까 싶다.
4.3 원인2. 규제
원자력의 경우, 상대적으로 사고가 났을 때 위험도가 높고, 실제로 체르노빌이나 후쿠시마 원전 사고가 있었던 만큼, 다른 에너지원들에 비하여 더 높은 안전 기준과 엄격한 규제가 필요한 것은 맞다. 하지만, 이와 동시에 규제가 원자력의 비용을 크게 높이는데 기여한 것 역시 사실인데, 해당 연구에 따르면, 1960년대말부터 1970년대 중반까지 규제가 늘어나면서 원자력 발전소 건설 비용이 176% 증가하였다.
출처: STABILITY IN LICENSING REQUIREMENTS: A TECHNICAL PERSPECTIVE
원자력 규제를 관리하는 기구는 1946년에 설립된 Atomic Energy Commission (AEC)에서 1974년에 설립된 Nuclear Regulatory Commission (NRC)로 바뀌었다. AEC 및 NRC에 대해선 다양한 비판들이 있지만, 그 중에서 몇가지만 고르자면 다음과 같다.
NRC는 규제 리뷰를 신청하는 주체가 해당 리뷰 비용의 90%를 부담하도록 규정하고 있으며, 이는 리뷰 과정을 불필요하게 길어지게 하는 인센티브를 제공한다
Linear No-Threshold(LNT) 모델은 방사능 노출에 안전한 수준이란 없으며, 암의 위험성은 방사능 노출량에 따라서 선형적으로 증가한다고 주장한다. LNT 모델을 기반으로한 As Low As Reasonably Achievable (ALARA)는 방사능 보호를 위한 법칙으로, 이름 그대로 가능한 방사능 수치를 최대한 줄이는 노력을 강제한다. 현재 이 ALARA는 NRC의 규제와 정책의 주요 개념으로 큰 영향을 미치고 있는데, 개인적으로 나는 ALARA의 취지는 이해하지만, 현재 이는 비현실적인 안전 규정을 강제하기 때문에, 원자력 발전소의 경제적 경쟁력을 떨어트리는데 큰 역할을 하고 있다고 생각한다. 또한, 최근에는 LNT가 제대로된 데이터를 기반으로 하지 않는다는
사실 1990년대에 NRC는 ALARA를 Below Regulatory Concern Policy(BRCP)로 수정하려고 했던 역사가 있다. 하지만, 이때 여론과 환경 단체들의 반발이 너무 심하여서 이를 취소하였는데, 이처럼 엄격한 규제에 대하여 전적으로 NRC 탓만 할 수 없는 것도 사실이다.
출처: A Review of Light Water Reactor Costs and Cost Drivers
NRC가 요구하는 QA 및 QC 요구사항도 비용에 큰 영향을 미친다. 원자력 발전소 건설 과정에서 전체 콘크리트 비용의 23%, 철 비용의 41%가 QC 요구사항 떄문인 것으로 알려졌으며, EPRI의 분석에 따르면, 원자력 등급 부품은 기성 산업용 부품들보다 50배는 더 비싼 경우도 있었다. 사실 원자력 등급이라고 해서 더 높은 성능을 요구하는 것은 아니며, 대신 더 많은 문서와 테스트를 필요로 한다. 이러한 요구사항들은 제조사 입장에서는 큰 부담이기에, 이는 자연스럽게 공급망 문제로 이어진다.
출처: NRC
NRC 규제의 잦은 변화 역시 큰 문제이다. 실제로 1977년에 완공되었던 David-Besse 발전소의 경우, 전체 비용의 60%가 NRC 규제의 수정과 그 연쇄 효과 때문이고, 반면에 비슷한 시기의 프랑스 발전소의 낮은 건설 비용은 건설 기간 중 규제 변화가 없었기 떄문이라는 연구 결과가 있었다.
4.4 원인3. 자금 조달
출처: OECD-NEA
원자력 발전소 건설는 다른 발전소들에 비하여 초기 건설 비용이 크게 발생하고, 건설 기간이 길기 때문에, 상대적으로 수익 발생까지 오래 걸린다. 이러한 특징 때문에, 자금 조달 비용이 전체 비용에 큰 영향을 미치는데, 실제로 원자력 발전소의 균등화발전비용(LCOCE)의 67%가 자금 조달 비용(financing cost)에서 발생하고, 그 중에서 20%가 이자, 47%가 요구수익률에 해당한다. 이러한 이유 때문에, 다양한 요인들로 인하여 건설 기간이 길어지는 것이 전체 비용에 큰 영향을 끼치게 된다.
4.5 비용을 줄이기 위한 다양한 방법들
현재까지 원자력의 비용을 줄이기 위한 다양한 방법들이 제안되었다.
디자인 및 공급망 체인 관련
출처: OECD-NEA
일단, 본격적인 건설이 들어가기 전에 발전소 디자인이나 공급망 체인을 확정하는 것이 중요하다. 당연한 말 같겠지만, 미국의 Voglte과 Summer를 지을 당시에는 세액 공제 혜택 시기를 맞추기 위해서 발전소 디자인과 공급망을 안정적으로 확정하기 전에 건설에 착수하였고, 이는 건설 비용과 기간 상승에 큰 원인으로 작용하였다.
출처: OECD-NEA
둘째, 한번에 여러개를 짓고, 이를 반복해서 짓는 것 역시 비용 절감에 도움이 될 수 있다. 한번에 같은 장소에 여러 개의 원자력 발전소를 짓게 되면, 다양한 부지 관련 준비나 인프라 등을 공유할 수 있기 때문에, 비용을 아낄 수 있다. 연구에 따르면, 원자력 발전소를 쌍으로 짓게 되면, 두 번째 원자력 발전소의 비용이 15% 정도 감소한다고 한다. 또한, 최근 UAE에 지은 Barakah를 보면, 마지막 네 번째 유닛의 비용은 첫 번째보다 약 50% 감소하였다. 또한, 하나의 발전소 디자인을 고정시켜놓고, 이를 반복해서 짓는다면, 라이센싱 비용과 같은 non-recurring 비용을 아낄 수 있고, 안정적인 공급망 체인과 전문 인력 확보에도 용이하다 .문제는 ‘언제 규격화를 진행해야하냐’인데, 즉 규격화와 기술의 혁신 사이의 균형점을 잘 찾는 것이 핵심이다.
셋째, 간소화이다. 최근 AP1000과 같은 3세대 원자력 발전소를 보면, 중력과 자연대류 현상을 이용한 passive safety system을 도입하여서 이전 모델보다 필요한 밸브, 파이프, 펌프 수를 크게 줄였다. 이러한 기능 도입을 통하여 필요한 자재와 부품의 수를 줄여서 비용 절감에 도움을 줄 수 있다.
마지막으로, 원자력 등급 부품들에 대한 제고가 필요하다. 만약 일부 부품들 중에서, 기존 산업에서 사용하는 부품들을 그대로 사용하여도 안전에 영향을 미치지 않는다면, 기존 산업 부품들로 바꾸는 것이 공급망 체인 확보와 비용 절감 차원에서 이롭다.
프로젝트 관리 관련
원자력 발전소를 건설하는 일은 매우 복잡하며, 서로 다른 종류의 팀들 간의 협력을 통해서 이뤄진다. 이를 성공적으로 완료하기 위해선 가장 상위에서 해당 프로젝트에 책임을 지고 각 팀들간의 관계 조율, 자재 및 장비 조달, 인력 관리, 자금 관리, 일정 관리 등을 전체적으로 관리하는 경험 많은 주체가 필요하다.
또한, 빌딩 정보 모델링(Building information modeling, BIM)나, 지식 관리 시스템(Knowledge Management System, KMS)와 같은 새로운 프로세스의 도입도 프로젝트 관리 효율성을 높이는데 도움이 될 수 있다. 하지만, 이 역시 근로자 교육이나 새로운 리스크 관리 등을 위한 충분한 예산과 노력 없이는 실패하기 쉽기 때문에, 신중해야한다.
규제 관련
규제와 관련하여선, 규제의 안전성과 예측가능성을 높이는 것이 중요하다. 규제의 변화를 주더라도 신규 원자력 발전소 건설 중에 하게되면, 비용과 건설 기간에 큰 영향을 줄 수 있다. 또한, LNT와 ALARA를 바탕으로 한 전반적인 안전 규제에 대한 전반적인 제고 역시 필요할 것으로 보인다.
자금 조달 관련
출처: OECD-NEA
개인적으로, 자금 조달 비용을 줄이기 위해선 위와 같은 양성 피드백 루프의 시작점이 필요하다고 생각한다.먼저, 투자자들에게 원자력 발전소를 예상 비용과 기한 내에서 성공적으로 지을 수 있는 사례를 보여주다면, 더 저렴하게 자금을 조달해올 수 있지 않을까?
5. 마무리하며
5.1 요약
Energy Superabundance는 단순히 더 많은 에너지와 저렴한 에너지를 제공하는 것을 넘어서, 교통, 농업, 제조 등 여러 분야의 혁신을 통해 우리 삶의 질을 다음 단계로 끌어올리고, 인류의 삶을 한층 더 윤리적으로 만들 수 있다. 따라서, 우리는 탄소 중립을 추구하는 동시에 더 많은 에너지 생산을 추구하는 ‘Clean Energy Superabundance’를 목표로 하여야한다.
Clean Energy Superabundance를 위해선 화석 연료를 줄이고, VRE의 비중을 높여야 하는데, 이때 전체 에너지 포트폴리오를 VRE로 채웠을 때는 부작용이 존재하고, 이를 해결하기 위해선 몇 가지 가정들이 현실화되어야만 한다. 따라서, 나는 미래에 해당 가정들이 성립하지 않았을 떄를 대비한 리스크 헷장 차원에서라도, VRE를 FLE와 함께 사용하는 접근법을 고려해야한다고 생각한다. 또한, 앞서 소개한 다양한 연구들 역시 이러한 주장을 뒷받침하고 있기 때문에, VRE만큼이나 FLE에 대해서도 더 많은 대중적 관심, 학문적 연구, 정책적 지원, 그리고 투자 등이 이뤄져야 한다고 생각한다.
VRE와 FLE를 함꼐 사용하는 시나리오를 가정하였을 때, 나는 원자력이 가장 일반적으로 좋은 선택지라고 생각한다. 수력은 좋은 선택지이지만, 장소 선정에 한계가 있고, CCS를 사용하는 화석 연료의 경우, 장기적 해결책일지에 대해서 조금 의문이다. 각 에너지들의 강점은 각양각색이기 때문에, 에너지들간의 우열을 따질 수는 없겠지만, 원자력은 분명 다른 FLE들과 비교하였을 때, 또는 VRE과 비교하였을 떄 나름의 강점을 가진다.
하지만, 현재 원자력 산업의 현실은 그리 밝지 않다. 최근에 건설된 원자력 발전소들은 예상 건설 비용과 기간을 크게 넘겼으며, 다른 산업들과는 다르게 시간이 지날수록 원자력 발전소 비용은 계속 오르고 있다. 이러한 현상의 원인은 크게 건설, 규제, 자본 조달 비용으로 나눠서 생각할 수 있으며, 현재 원자력의 비용을 줄이기 위한 다양한 방법들이 제안되고 있다.
5.2 원자력의 미래
그렇다면, 원자력 산업의 미래는 어떤 모습일까? 사실 소형모듈원자로(SMR)은 앞서 언급한 원자력 산업의 문제점을 해결하는 핵심 후보들 중 하나로, 원자력 산업의 미래로 크게 주목받고 있다. 해당 글에서는 분량의 문제로 다루지 않았지만, 과연 SMR이 원자력 발전소의 미래일까? 아니면 대형 원자력 발전소의 형태는 유지한채로 비용은 절감한 형태일까?
원자력의 미래가 어떻게 될지는 확실하게 알 수 없지만, 그 중요성이 커질 것임은 분명하다. 이 글의 목적은 원자력의 중요성을 더 많은 사람들에게 설득력 있게 전달하는 것이다. 이를 통해 사람들이 원자력에 대해 더 관심을 가지게 되고, 특히 원자력 산업에 부정적인 시각을 가진 이들에게 이 글이 생각을 바꾸는 계기가 되었으면 한다.
6. 참고 자료
