산업혁명을 일으킨 검은 돌, 석탄을 해부하다!

대중교통 활용도, 분리수거 참여율, 폐자원의 재활용 비율이 높은 국가임에도, 한국은 왜 온실가스 감축 모범 국가가 아니라 최대 이산화탄소 배출국으로 나아가고 있을까? 포항공과대학교 환경공학부 황동수 교수와 포스코 이상호 연구위원은 이러한 배경에 ‘석탄’이 있다는 사실을 지적하며, 실현 가능한 탄소중립으로 나아가기 위해서라도 석탄과 이를 둘러싼 산업 그리고 미래 기술을 이해해야 한다고 말한다.

이 책의 1부에서는, 전 세계에 공급되는 에너지자원의 약 90퍼센트를 차지하는 화석연료가 어떻게 선사시대의 생물을 구성하던 유기물로부터 생성되는지 그 기초부터 설명하며, 탄소 수에 따라 천연가스, 휘발유, 디젤 등으로 분별 증류되는 이러한 화석연료가 어떻게 공기 중의 산소와 결합해 이산화탄소로 돌아가는 이른바 ‘탄소 순환’을 일으키는지를 이야기한다. 또한, 철 1킬로그램을 생산하기 위해 약 30만 평의 산림을 필요로 하던 기술적 제약으로부터 인류를 해방시키며 ‘환경친화적 에너지’로 여겨지던 석탄이 어떻게 산업혁명의 실질적인 도화선이 되었는지, 어떻게 유럽연합의 전신인 유럽석탄철강공동체를 비롯해 오늘날의 화석연료 중심의 산업구조가 형성되었는지를 밝히며 석탄의 기본 특성과 그 역사를 짚어본다.

2부에서는, 석탄의 기본 특성을 바탕으로 무연탄, 갈탄, 아탄, 이탄 등 석탄의 다양한 종류를 구분하고, 에너지원뿐만 아니라 소재로서 석탄이 어떻게 현대 산업과 일상에서 활용되어 왔는지를 기술적으로 분석한다. 또한, 이러한 기술적 활용의 발전을 설명하면서 파이넥스 공법, 석탄가스화복합발전, 이산화탄소 포집 및 저장 기술, 수소환원제철 등 오늘날 주목받는 석탄 활용 기술이 자동차 산업이나 조선 산업과 같은 한국의 주력 산업들과 어떻게 연계되어 있는지를 조망한다.

‘탄소제로(carbon zero)’가 아닌 ‘탄소중립(carbon neutral)’인 이유

의학 저널 《랜싯》에 따르면, 2013년에서 2017년까지 중국에서 대기오염에 노출되어 사망한 사람은 약 124만 명이며, 2000년 이후 중국의 대기오염으로 사망한 사람의 수는 3,000만 명 이상으로 추산된다. 한편 국제에너지기구의 보고서에 따르면, 중국의 이산화탄소 배출량은 2005년부터 2019년 사이 약 80퍼센트 증가했는데, 이러한 중국의 대기오염과 이산화탄소 배출의 주된 원인이자 기후 위기의 주범으로는 언제나 화력발전소, 제철소 그리고 겨울 난방용 재료에 쓰이는 석탄이 지목된다.

3부에서는, 이렇게 급격하게 달라진 석탄 및 화석연료의 위상과 그 배경인 기후 위기의 심각성에 주목한다. 먼저 화석연료가 발생시키는 대기 중 이산화탄소가 어떻게 온실효과로 이어지는지 과학적으로 그 원리를 설명하고, 이러한 온실효과가 어떻게 대기 탄소량의 2배가 넘는 탄소를 함유한 ‘영구동토’를 녹이며 기후 위기를 가속하는지를 살핀다. 또한, 탄소 배출을 당장 중단하더라도 21세기 말이면 인류가 섭씨 2도 수준의 지구 가열에 직면할 위험을 지적하며, 탄소 배출을 억제하는 일이 불가피한 숙제라는 점을 강조한다.

4부에서는, ‘에너지원’로서의 석탄과 ‘소재’로서의 석탄을 구분하고, 탄소 배출 억제가 필요함에도 왜 ‘탄소제로’가 아닌 ‘탄소중립’에 주목해야 하는지를 이야기한다. 에너지원으로서의 석탄 및 화석연료의 대안으로 주목받는 태양광발전이나 풍력발전과 같은 재생 가능한 에너지 사용의 한계, 스리마일섬, 체르노빌, 후쿠시마 원전 사고에서 드러나는 원자력에너지 사용의 한계에도 불구하고, ‘에너지원’으로서의 석탄은 단계적으로 사라질 것이라고 내다본다. 그럼에도 ‘소재’로서의 석탄이 급격하게 퇴출되는 경우 나타날 수 있는 문제점을 지적하며, 철강 산업을 기준으로 어떠한 대안과 추가적인 노력이 나타날지를 설명한다.

화석연료로 굴러가는, 욕망이라는 이름의 전차

“우리는 무엇을 원하기를 원하는가?” 이는 『사피엔스』에서 유발 하라리가 21세기의 가장 중요한 물음으로 꼽은 질문이다. 저자들도 석탄이나 석유와 같은 화석연료보다도, 우리의 욕망이 지속 가능한 것인지 되물어야 하는 시점이라고 말한다. 그 이유를 설명하기 위해, 저자들은 1800년대 스웨덴의 어느 과학자에게 친환경 에너지원이 무엇인지 물으면 무엇이라고 답했을지를 질문한다. 그는 분명 석탄이나 석유라고 답했을 것이다. 그러나 2010년도 미국 오바마 정부의 에너지 정책 수립에 관여한 과학자에게 친환경 에너지가 무엇인지 묻는다면, 원자력이라고 답했을 것이다. 2100년의 과학자라면 어떨까? 태양광발전이나 풍력발전을 환경친화적이라고 답할까? 녹지 활동의 저해와 산사태, 에너지저장시스템의 빈번한 화재와 짧은 태양광 패널의 수명으로 인해 발생하는 폐기물 처리 비용 등을 고려해, 저자들은 그렇지 않을 것이라고 말한다. 이러한 예에서도 드러나는 것처럼, 저자들은 결국 모든 에너지원이 가치 중립적이라는 점을 기억하고 우리의 욕망과 생활양식이야말로 다시 한번 재검토해야 할 때라고 말한다.

책 속에서

환경공학 교수로서 대학 강단에서는 환경오염의 주범으로 석탄을 지목해 왔고, 따라서 18~19세기에나 있었을 검은 굴뚝을 연상시키는 석탄 관련 산업들은 대한민국에 대부분 남아 있지 않을 거라고 착각해 왔음을 그제야 깨닫게 되었습니다. 미래 사회에서 석탄은 퇴출될 것이고, 마땅히 그래야 한다는 저의 가치관도 이상호 연구위원과 대화를 나누면서 흔들리게 되었습니다.
pp.7-8

영화와 소설로 유명한 『반지의 제왕(The Lord Of The Rings)』에서도 오크 병사를 무장시키기 위해서 어마어마한 양의 산림이 파괴되는 내용이 나옵니다. 중세 기사의 철기 및 갑옷의 총 무게가 대략 100킬로그램 정도인 것을 생각해 볼 때, 오크 1만 명을 무장시키는 철기를 생산하기 위해서는 서울시 전체 면적, 약 600제곱킬로미터가 넘는 면적의 산림을 파괴해야 했을 것입니다.
p.22

산업혁명은 갑작스럽게 생긴 어떤 기계나 기술의 발명이라기보다는, 유럽의 근대적 발전을 배경으로 여러 변화가 서서히 누적되다가 어떤 임계점에 다다르며 극적인 경제적·사회적 변화가 일어났다고 볼 수 있습니다. 많은 과학자와 사회학자 들은 급격한 사회변화에 대한 시발점을 단순화해서 말하자면 ‘증기기관’이 아니라 ‘석탄’이라고 주장합니다. 이에 따라 사회가 폭발적으로 변화했던 산업혁명의 시간적 흐름을, 석탄 활용을 중심에 두고 정리해 보았습니다.
p.38

그럼 제련된 철 속에서 탄소는 어떤 역할을 할까요? 석탄에 들어간 탄소는 단순한 불순물이 아닙니다. 섭씨 1,500도라는 높은 온도의 공정 후에도 선철에 남아 있는 미량의 탄소들은, 금속재료임에도 쉽게 깨지는 특성을 가진 철이 충격에도 휘어질 수 있도록 유연성을 부여하는 핵심 소재입니다. 즉, 100퍼센트 순도의 철이 도자기처럼 쉽게 깨지는 소재라면, 인류가 지금까지 사용했던 소량의 탄소가 함유된 탄소강은 단단하면서도 대나무처럼 유연한 소재입니다.
p.63

생물학적으로 비유하자면, 산화는 생명체가 에너지를 잃어버리면서 ‘죽어가는 과정’이고, 환원은 생명체가 에너지를 얻어서 ‘살아나는 과정’입니다. 살아 있는 사람을 포함한 생명체는 ‘환원’ 반응을 하지만, 죽어 있는 생명체는 ‘환원’ 반응을 할 수 없습니다. … 에너지는 우리가 흔히 이해할 수 있는 ‘열’과 ‘운동력’의 측면들뿐만 아니라, 물질에 생명을 넣어주는 ‘환원’으로도 이해할 수 있습니다. 수소환원제철을 다시 표현하자면 수소로 ‘죽어 있고 쓸모없는’ 철광석을 ‘살아 있는’ 철강으로 바꾸는 환원 과정인 셈입니다.
p.120-121

대부분의 대기 물질들은 태양광에서 오는 에너지를 흡수하고, 흡수한 에너지보다 적은 양을 방출합니다. 태양광은 다양한 파장을 갖는 빛의 혼합물이고, 빛을 흡수하는 특성은 각 대기 속의 기체마다 다르며 이는 그 기체의 고유한 특성입니다. 수증기 72퍼센트, 이산화탄소 9퍼센트, 메탄 4퍼센트, 오존 3퍼센트 정도로 온실효과를 가속한다고 알려졌지만, 수증기는 인류가 제어할 수도 없고 농도가 높아지면 빛을 반사해 에너지를 제어하는 효과를 주기 때문에, 많은 과학자는 온실효과와 이산화탄소의 관련성에 조금 더 초점을 맞추고 있습니다.
p.135

러시아와 캐나다의 영구동토 아래는 이산화탄소와 메탄가스가 많이 차 있습니다. 대표 지역인 시베리아에서는 수만 년에 걸쳐 식물이 불완전하게 분해되어 이산화탄소와 메탄가스들이 토양에 가득 갇혀 있었지요. 이렇게 저장된 온실가스 등이 배출되기 시작하면서, 지구온난화가 가속화되기 시작한 것입니다. 영구동토는 대기 탄소량의 거의 2배에 이르는 탄소를 포함하고 있는데 온난화가 진행될수록 동토는 해동됩니다. 이는, 현재 세계 각국의 온실가스 감축 노력을 넘어서는 탄소량을 보유하고 있으므로, 상승한 지구 기온을 산업화 이전 기온에 맞춰 섭씨 1.5도 이내로 낮추려는 파리협정 목표를 위태롭게 할 수도 있습니다.
p.145

들어가며

1부 석탄에서 시작된 현대 문명

1. 석탄의 출현
2. 환경친화적 에너지, 석탄
3. 산업혁명의 방아쇠, 석탄
4. 석탄, 제철 그리고 경제 부흥
5. 20세기 석탄 산업의 글로벌화
6. 석탄 공동체 유럽연합

2부 기술적 의미의 석탄

7. 소재로서의 석탄
8. 현대 산업과 석탄의 발자취
9. 산업화와 함께 발견된 석탄
10. 탄소에너지 활용 기술의 진보
11. 석탄의 종류와 활용법
12. 화석연료 활용 기술의 고도화
13. 금속 내부 석탄을 활용한 철강 기술 개발
14. 석탄 대신 수소로 제철하는 기술의 개발

3부 대자연이 날린 기후변화라는 펀치

15. 석탄의 어제와 오늘
16. 온실효과의 개요
17. 영국의 재앙적인 스모그
18. 100년 뒤 중국의 미세먼지
19. 대기 중 온실가스의 영향

4부 석탄으로 얻고 잃은 것들

20. 석탄과의 거리 유지
21. 원자력에너지는 편법인가 해결책인가
22. 석탄의 급진적 퇴출의 문제점
23. 수소경제에도 필요한 석탄
24. 오래된 미래, 탄소 소재

나오며
주