전기로의 전환

연금 부자 되는 에너지 투자 - AI, 반도체, 로봇 산업이 주목하는 넥스트 텐배거 섹터
권효재 지음 / 21세기북스 / 2026년 3월

 이 책은 미래 재생에너지 기업에 대한 투자 책이라 생각했다. 하지만 제목과는 다르게 투자 내용은 거의 책 막바지에 나오며 내용은 대부분 전기화와 재생에너지 관련이었다. 의외긴 했지만 내용이 깊어서 새로 배운게 많아서 좋았다.

 인간은 산업화로 증기기관을 발명하며 철도가 보급되며 수송문제가 해결된다. 그로 인해 각 도시의 가정과 공장마다 대량의 에너지가 안정적으로 보급되기 시작한다. 그리고 이로 인해 산업단지와 도시가 성장하고, 이것이 다시 에너지 수송의 안정화를 위한 철로 보급 확대라는 선순환 구조가 생겨난다. 즉, 석탄은 문명을 탄생시켰다.

 하지만 문명을 고도화한 것은 석유다. 석탄은 가공과정이 거의 없으나 끈적한 원유는 복잡한 정유와 정제 시설이 필요하다. 초기의 원유는 부가가치가 낮아 오크통에 담아 마차로 날랐다. 하지만 석유 수요가 늘며 파이프라인과 유조선이 등장한다. 내연기관이 등장하자 석유의 가치는 치솟았다. 내연기관은 증기기관에 비해 효율은 높고 가벼웠으며 구조도 더 간단했다. 20세가 가솔린 엔진을 장착한 비행기, 자동차가 나타났으며 선박은 디젤을 사용했다. 

 이런 석유로 인해 석탄은 퇴출된 것 같지만 아니다. 석탄은 이미 기존 인프라가 구축되어 있어 오래 사용되었다. 다만 석유가 난방, 산업용 열원, 플라스틱 원료, 운송 수단의 연로로 패러다임을 장악했을 뿐이다. 

 석유의 시대에 이어 이젠 전기의 시대다. 전기모터의 개발로 산업화 초기 증기기관 하나에 모두 풀리, 축, 벨트가 매달린 공장 설비가 개별화되었다. 이는 생산 공정은 유연화와 효율성을 높였다. 전기는 빛, 열, 동력으로의 전환이 간단하다. 오염물질도 없다. 다만 전자의 흐름이기에 저장이 극히 어렵다. 지금의 전기공급은 수천만이 전기 전력망에 연결된 체계다. 실시간 전기소비와 공급이 일치되어야 하고, 그 불일치가 심하면 전압과 전압의 주파수가 운전 범위를 벗어나 광역 정전이 발생한다. 그래서 이를 막기 위해 전력망에는 수많은 제어장치가 있다.

 전기 에너지는 비중이 점차 증가중이다. 유럽은 러우 전쟁 이전 천연가스에 의존하다 심각한 에너지 부족 사태를 겪고나서 재생에너지 비중을 확대중이다. 중국은 이미 세계 재생에너지 설비의 50%이상을 차지한다. 

 사실 에너지 기업의 주식은 인프라 자산에 가깝다. 태양광이나 풍력발전소 모두 20-30년 이상 운영을 전제로 설계하며, 송전, 배전망은 40-60년을 쓴다. 이런 자산은 초기 투자 비용이 무척 크지만 운영을 시작하면 비교적 안정적 현금흐름을 보인다. 그래서 글로벌 연기금과 보험사들은 오래전부터 에너지 인프라를 핵심자산에 포함한다.

 에너지 인프라는 초기 투자비용은 크고 투자기간도 길다. 그래서 금리의 변동이 사업성에 크게 영향을 준다. 그래서 장기계약을 선호하고 이를 통해 낮은 금리로 자금을 조달한다. 자기자본 투자자도 더 낮은 요구수익륙로 참여한다. 그 결과 총자본비용이 낮아져 더 낮은 가격에 소비자에 전력을 공급할 수 있게 된다. 

 아직까지도 세계는 화석연료가 지배적이다. 화석연료는 운동, 빛, 열원으로 다양하게 사용되나 변환 과정에서의 손실이 크다. 현재 세계가 소비하는 화석연료는 석탄 약85억톤, 석유 45억톤, 천연가스 30억 톤이다. 이를 석유로 환산시 연간 1인이 2톤의 석유를 사용한다. 화석연료가 이토록 지배적인 이유는 가격 경쟁력과 잘 구축된 글로벌 공급망, 산업의 구조가 여기에 맞춰 설계되었기 때문이다. 철강, 시멘트, 화학 산업처럼 고열이 필요한 곳은 공정에서 화석연료의 대체제가 없다. 

 다만 화석연료는 온실가스, 지정학적으로 공급처가 편중되었다는 문제가 있다. 또한 언급한 것처럼 낮은 전환 효율도 문제다. 화력발전소의 전력 변환 효율은 40%에 불과하고, 내연기관의 효율역시 25%다. 등유램프의 빛전환 효율은 1%에 불과하다. 하지만 LED는 4%수준이고 전기모터는 효율이 무려 90%다. 

 때문에 세계의 에너지원을 전기화하는 것이 필요하다. 하지만 한 국가의 에너지 경로는 한번 정하면 바꾸기가 어렵다. 이미 정책, 인프라, 산업 생태계가 적응했기 때문이다. 그러나 변화가 서서히 일어나 임계점이 넘어서면 전환은 급격해진다. 

 많은 국가들에서 전력망 설계의 출발점은 평균 사용량이 아니라 피크 사용량이다. 폭염이나 한파시 전력 수요는 평소의 30-50%증가한다. 이는 연간 몇번 나타나지 않는 경우이나 이것을 견뎌내지 못하면 전력망이 붕괴하기에 설계는 극단값이 맞춰진다. 따라서 재생에너지를 통한 전기생산도 그래야 한다. 

 전기화는 장점이 있다. 높은 전환 효율, 동일 인프라 네트워크, 전력 피크의 관리 가능성, 저장 문제를 하나로 통합하는 것이다. 문제점은 에너지 피크가 모든 것의 전기화로 커질 수 있다는 점과, 에너지 저장 시스템이 연료보관창고에서 전력망과 전기저장설비로 모두 집중된다는 점이다. 

 재생에너지에서 가장 중요한 것은 우선 태양광이다. 변환효율이 현재 25% 수준에 이르며 아직까지도 기술적 한계에 이르지 않았다. 태양광은 설비 제조 비용이 주요하다. 사실상 이 산업은 제조업에 가깝다. 누적 설치 비용이 2배 커질수록 모듈가격이 20%내려간다. 그래서 수십년간 와트당 비용이 1.5달러에서 0.15달러까지 하락했다. 그래서 태양광은 생산규모, 공정수련도, 공급망 통제력이 경쟁의 핵심이다.

 태양광은 대규모 단지, 소규모 단지, 건물 자체, 영농 병행등 다양하다. 문제는 출력 변동성과 낮은 설비 이용률이다. 하지만 모듈 설치량에 비례해 전력 생산량이 비례해 어느 정도 전력 생산이 예측 가능하다. 

 풍력은 발전량이 풍속의 세제곱에 비례한다. 풍속은 바람이 불어야 하기에 태양광에 비해 전력 생산 예측이 매우 어렵다. 풍력은 풍질이 좋은 곳에 설치해야 하기에 바람이 센 능선, 해안가, 넓은 평야에 주로 설치한다. 그런데 이런 지역은 대개 경관가치가 높고, 주민생활권이며, 환경 보호구역이다. 그래서 풍력 개발가능입지는 풍질이 좋으면서 인허가가 가능하고, 송전망 연결이 되는 곳이다.

 풍력은 바람방향 안정성과 난류, 계절별 패턴, 극한 풍속, 결빙여부가 중요하다. 난류가 발생하면 피로 하중이 높아지고, 극한 풍속도 투자비를 높인다. 해상풍력은 위에 언급한 입지 문제에서 비교적 자유롭지만 수심과 해저지반상태, 파랑과 조류조건, 항만과 설치선 접근성 문제가 있다. 고정식 해상풍력은 수심30-50m가 경제성이 가장 좋다. 60m이상이면 건설 난이도가 높고, 80-10m이상이면 부유식이 적합하다. 다만 부유식은 아직 규모의 경제에 이르지 못했고 ,다른 것과 인프라가 모두 달라 실현이 어렵다. 

 바이오연료는 변동성이 없다. 2023년 바이오의 발전 설비용량은 약150GW수준이다. 열병합으로 운영하면 전기와 열을 모두 제공한다. 바이오의 원료는 가축 분뇨, 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 농업 부산물 등이다. 덴마크는 1천개 농가가 참여하는 60개 이상의 바이오 플랜트를 운영한다. 바이오는 연료의 투입과 발전량 조절이 가능하다.다만 규모의 경제가 어렵다. 태양광과 풍력은 설비를 확대할 수록 단위당 비용이 하락하나 바이오는 아니다. 바이오 연료의 수집, 운송, 저장 비용이 같이 증가하기 때문이다. 바이오 연료는 지역에 분산하고, 수분함량과 품질이 제각각인 문제도 있다.

 재생에너지로 전기화를 하는 경우, 기존이 교류 전력망은 적합하지 않다. 여기서는 모든 발전기와 수요가 50-60hz 의 범위에 묶인다. 태양광과 풍력은 인버터를 통해 전령을 계통에 공급하는데 출력이 급변할 수 있어 기존 교류전력망은 부적합하다. 대안이 고압직류송전이다. 동일거리 송전 손실률이 교류에비해 30-40% 낮고 전력흐름을 전력 전자 제어장치로 조절이 가능하다. 

 재생에너지는 간헐성으로 인해 저장이 중요하다 저장 기술은 양수발전, 압축공기 저장, 플라이 휠, 열저장, 수소, 합성연료, ESS가 있다. 저장은 양보다 시간이 더 중요하다. 수초에서 수분 저장은 주파수 안정화와 계통을 보호하고, 수시간 저장은 일간 변동에 대응하고, 수주간의 저장은 계절변동에 대응한다. 현재의 ESS배터리는 1-4시간 정도 저장한다. 그래서 단기 저장은 배터리, 중기 저장은 열저장과 압축공기, 장기 저장은 수소와 합성연료로 진행해야 한다.

 성공적인 재생에너지를 통한 전기화를 위해서는 산업의 전기 전환도 필수적이다. 현재 최종 에너지 소비의 50%이상이 난방, 공정, 증기의 열수요다. 산업의 열수요는 100도 이하에서 1000도 이상까지 매우 다양하다. 식품, 제지, 섬유는 60-150도, 화학은 200-400도, 시멘트, 철강은 1000-1500도다. 가정과 상업용 난방과 급탕은 30-70도 정도로 히트펌프로 수용이 가능하다. 하지만 산업용에서는 히트펌프가 무용지물이다. 히트펌프는 150이상에서 효율이 떨어지기 때문이다. 그러나 대부분의 산업용 열이 200도 미만이고 공정 혁신으로 열을 떨어뜨리고 열저장과 결합한다면 히트펌프도 가능성이 있다. 

 수소는 전기화가 어려운 고온 공정과 장기 저장, 대형운송수단에 사용할 수 있다. 전기에서 수소, 다시 전기로의 전환은 효율이 25-35%로 낮다. 하지만 대량, 장기 저장이 가능한 유일한 수단이다. 수소는 물리적으로 다루기 어렵다. 저장 운송은 위해서는 엄청나게 고압압축하거나 -253도로 액화해야한다.여기에 가벼워 잘 날아가버리고, 금속을 약하게 한다. 그래서 기존 가스망으로는 어렵고 새로운 망을 설치해야 한다. 여기에 화석연료 기반 그레이 수소에 비해 그린 수소는 아직 매우 비싸다. 

 전기화에는 구리도 필수다. 내연기관차는 구리가 20-25kg들어가지만 전기차는 60-80kg이나 필요하다. 풍력터빈에는 수톤이 들어가고, 해상풍력단지라면 수만 톤이다. 글로벌 연간 구리 수요는 그래서 2035년이면 3500만 톤에 달할 예정이다. 태양광 패널의 전극과 고전압 접점에는 은이 사용된다. 은도 대량 필요하다. 백금과 팔라듐은 수소연료전지, 전해조, 일부 촉매 공정의 핵심이다. 수소차 1대에 10g이하의 백금이 필요하다. 이들 금속은 매장량이 제한적이고 편중되는 문제도 있다.

 전기화에는 사용 시간대 조절도 필수다. 모든 것이 전기화하면 기존의 보일러, 자동차 연료, 산업 공정등 의 전기 사용으로 전기 피크가 크게 상승할 수 있다. 다만 전기료 차등부과로 이를 조절할 수 있다. 재생에너지 발전량이 높은 시간대나 사용량이 적은 시간대에 전기료를 낮게 하면 전기 수요의 20-30%를 이동시킬 수 있다. 이는 피크조절로 이어진다.

 전기화의 순서는 먼저 전력은 재생에너지로 생산하여 무탄소화하고, 그 전력을 안정적으로 조달하는 인프라 구축, 그리고 열, 산업, 연료 영역으로 전환을 확장해야 한다. 이는 순차적이라기보다는 동시다발적으로 이뤄져야 하는 것이다.