1. 개요
21세기 현재 인류의 핵심 자원인 석유를 대체하는 방법을 모은 문서다.대체로 다음의 이유로 대체가 논의되고 있다.
- 석유는 화석 연료이므로 언젠가는 고갈된다. 석유 문서의 고갈론 문단에서 다루듯 당장 고갈될 가능성은 낮아보이나 한계가 있다는 것은 사실이다.[1]
- 탄소를 배출하여 지구온난화 문제를 심화시킨다.
다만 아래 내용들에서 보듯 각 대체 방법은 아직 한계가 있어 전격적인 석유 대체는 요원해보인다.
2. 분야
석유는 광범위한 산업에 쓰이므로 대체해야 할 분야도 다양하다. 오늘날에는 대개 내연기관을 활용한 탈것의 연료로서의 석유의 대체가 주로 이야기된다. 분별증류에서 보듯 인류가 쓰는 대부분의 연료유는 석유가 아니면 나오기 무척 어렵다.오늘날 발전(전력 생산)의 연료로는 석유보다는 석탄이 주이기 때문에 본 문서에서는 핵심적으로 다루지 않는다.[2] 때문에 태양열, 태양광, 지열, 풍력, 조력, 수력 등 환경 오염 문제가 화석 연료에 비해 비교적 덜한 '그린 에너지'들은 전력 생산이 주된 목적이기에 석유보다는 석탄을 대체하려는 목적이 크다. 물론 탄소 배출량 감소라는 목적은 같으므로 함께 논의되는 것이 보통이다.
3. 대체 연료
탈것의 연료로서 석유를 대체하려면 석유와 비교할 수 있을 정도로 질량당 에너지 밀도와 에너지 효율이 좋아야 하며,[3] 석유보다 환경오염을 덜 일으키는 쪽이 바람직하다. 혹은 환경오염 요인이 있더라도 비교적 정화가 간편하다거나, 매장량과 같은 한계가 존재하지 않는 자원을 물색해볼 수도 있다.오늘날 수소 연료와 바이오 매스(생체 연료)가 대체연료로 주목을 받고 있다.
3.1. 석탄 액화
석탄을 이용해 석유를 만들어내는 기술(CTL:Coal-to-Liquid)이 있는데 석탄 매장량은 인류가 최소 수백년 이상 사용할 수 있는 양이 있다는 것이 확인되었으므로 고갈의 염려가 적다. 원리는 석탄에 일산화탄소와 수소를 혼합해 가스화한 다음 액체 탄화수소로 변화시키는 것으로, 기술 자체는 이미 100년전인 1920년대에 개발되었다.다만 석탄을 액화하는 데 드는 비용이 그냥 석유를 수입해 쓰는 것보다 더 비싸기에 널리 보편화되지는 못했다. 석탄 액화를 활발히 사용한 곳은 아래와 같이 석유 공급이 어려웠던 특수한 경우에 한한다. 석유 고갈론이 현실화되어 석유값이 천정부지로 뛰어오른다면 다시 활용될 여지가 있다.
- 남아프리카 공화국에서는 독일의 기술을 받아들여 대규모 석탄액화연료를 생산했다. 독일과 남아프리카 공화국은 석유 매장량은 거의 없는 반면에 석탄 매장량은 풍부했고, 남아프리카 공화국은 아파르트헤이트 정책으로 인해 세계 각국에서 각종 제재를 당해 석유를 수입하기 힘들어지자 액화 기술을 사용해 직접 석유를 생산한 것이다. 현대에는 남아프리카 공화국의 사솔(Sasol)사가 석탄액화 기술로 유명하다. 2000년대 초에 남아공으로부터 한국에 수입된 슈퍼세녹스가 석탄액화연료이다.
- 일제도 북한 지역에서 채굴한 석탄을 석유로 만들어 사용하였다. 논문 기사 위의 기사나 논문에 따르면 아오지에 일제가 건설한 인조석유공장(석탄액화 공장)은 생각보다는 효율이 떨어져서 석유 부족을 해결할 정도는 아니었던 것으로 보인다. 100만톤의 석탄이 있다면 20만톤의 인조석유가 나오는 정도였다고. 그래도 없는 것보다는 좋았을테니 전쟁 수행을 위해 열심히 가동하였던 것으로 보인다.
3.2. 생체 연료
현재로서 가장 가능성이 있는 대체기술은 E-디젤이다. 바이오디젤은 광합성으로 이산화탄소와 물을 생물학적인 공정을 통해 탄화수소로 만드는거라면, E-디젤은 전기화학공정을 통해 탄화수소를 만드는것이다. 광합성의 최대 효율은 태양에너지의 5~10%, 광합성에너지가 바이오매스로 전환되는 효율은 10% 미만, 바이오매스내에서 직접적으로 연료로 사용할 수 있는 지질 및 단당류 함량이 소수라는걸 감안하면 바이오연료의 태양에너지 사용 효율성은 0.1% 내외다. 반면에 15% 효율의 태양광 에너지를 이용해서 70% 효율의 전기화학공정을 통해 만들어지는 E-디젤의 효율성은 10%가 넘는다. 현재 아우디에서 개발해서 시험 중이다.에탄올이나 바이오 디젤 등을 쓸 수 있지만, 아직 석유만큼의 고품질 및 다기능 연료를 얻을 수는 없다. 따라서 아직까지는 휘발유의 저등품 대체재로 쓰이는 정도다. 한국처럼 땅이 좁은 곳은 바이오 디젤도 자급자족하기 어려운 한계가 있다. 이 때문에 해조류를 이용한 바이오디젤도 연구 중이다. 아래 다루듯 효율의 한계가 있기는 하나, 이런 문제가 유발되는 환경적 효과를 감안하여 전인류적인 입장에서 우리와 자연 모두에게 합당한 방법을 찾기 위해 연구에 매진하고 있다.
에탄올 연료유만 봐도 브라질을 비롯한 일부 국가를 빼면 널리 쓰이지 않는데, 그 이유가 석유를 더 팔아먹기 위해서라는 음모론까지 있지만[5] 대체 연료유는 바로 윗 문단 내용처럼 석유처럼 고품질의 다양한 연료를 합리적으로 공급해주지 못해서 아직 널리 쓰이지 않을 뿐이다.[6] 웃지 못할 일이, 바이오디젤 의무화 규정을 지키기 위해 이 옥수수가공품을 수입하기도 한다. 가까운 미래에 석유가 고갈되고 가격이 폭등하면 에탄올이 대체에너지로 널리 쓰일 수밖에 없다. 이미 연료로서는 가장 고품질이라 할 만한 유종인 항공유도 잡초나 옥수수 등을 원료로 생산해내는 기술까지 개발된 상황이기에, 석유가 정말로 고갈되더라도 전세계적인 엄청난 손해를 감안한다면 기술적으로는 얼마든지 대체가 가능한 상황이다.
3.2.1. 효율 문제
바이오수송연료의 궁극적인 (그리고 제일 치명적인) 단점이 농경지뿐만 아니라 질소와 인 자원을 비롯한 비료의 소모량이다. 이 문제점은 농경지를 따로 필요하지 않은 미세조류를 포함한 바이오매스도 포함된다. 특히 인의 경우는 기체 phase를 가지고 있지 않은 원소라 탄소나 질소와 달리 자연적인 순환 메커니즘이 없는 원소다.[7] 70억이 넘는 세계 인구를 유지하기 위해 매년 몇 억톤씩이나 채굴되고 있지만 인 또한 매장량이 한정된 자원이다. 인 고갈이 일어난다면 현대농경기술을 통한 대량식량생산이 불가능해지며, 현재 전세계 소모량을 본다면 오히려 석유보다 일찍 고갈될 확률이 높다고 한다. 즉 비료를 사용해서 연료를 생산한다는 것은 석유고갈을 막기 위해 인류의 식량생산과 직결된 인을 고갈시키는 것과 다름없다. 1kg의 바이오연료를 생산하려면 0.71kg의 인이 필요하다는 것을 감안하면 바이오연료는 절대로 석유를 대체할 수 없다.한편 최근에 이루어진 연구에 의하면 옥수수나 사탕수수 등을 이용하여 연료를 만드는 작업에 투입되는 에너지가 작업 후 얻는 에너지보다 더 많이 든다니, 미래의 연료 문제는 절대로 쉽게 해결될 문제가 아니라는 소리도 있으나 이건 다른 연료도 다 마찬가지이다. 석유만 봐도 오랜기간 석유가 만들어지는 과정은 고사하고 시추하고 운반하고 정제하는데 투입되는 에너지가 거기서 나온 휘발유로 얻을 수 있는 에너지보다 더 크다. 결국 고효율 태양광 기술이나 핵융합 개발로 인해 에너지가 넘쳐난다면 input vs output에 비대칭이 커도 큰 문제가 되지 않는다.[8]
실제로 이미 석유를 대체할 수단으로 전기나 식물, 혹은 동물기름을 정제해서 자동차 연료는 물론 합성수지도 만들 수 있는 기술이 개발되었다고 하나 이런 기술들이 쓰이지 않는 이유는 동일하다. 품질과 범용성과 비용의 문제이다. 특히나 품질 측면을 따져보면 이런 대체 에너지 연료는 석유와 비교조차 되지 않는다. 또한 지금까지 나온 많은 대체연료는 바이오 디젤, 옥수수, 사탕수수 등으로 만들기 때문에 곡물가격을 폭등시켜 기아를 유발시킬 수 있다는 문제가 제기되었고, 실제로도 해당 국가의 곡물가에 심대한 영향을 끼쳤다. 더하여 환경적인 영향을 감안하면 차라리 석유를 쓰는 것이 더 도움된다. 나아가 바이오 연료를 만드는 데 쓰는 작물을 재배할 경작지를 확보하기 위해 아마존 같은 열대 정글을 더 파괴하는 역설적 결과를 낳을 것이다.
4. 전기 모터
자동차 분야에서는 2010년대부터 전기 모터가 내연기관의 대안으로 부상하고 있다. 유럽연합에서는 2030~2040년대 즈음을 기한으로 전면적인 전기자동차로의 전환을 꾀하고 있다.# 이에 따라 전기자동차의 핵심 연료인 리튬이 석유에 준하는 수준으로 세계적 주목을 받고 있다.한편 모든 종류의 탈것에 전기화가 상용화된 것은 아니다. 항공기의 전기모터는 프로펠러 방식이라 속도가 떨어지기 때문에 제트엔진에 대응하는 대안엔진이 등장하지 않는 이상 항공기 연료의 대체연료를 찾는 연구는 절실하다. 우주항공 분야의 로켓 역시 연소를 이용한 추진방식 이외에는 대안이 없는 상황이다.
5. 태양 에너지 및 기타
연료와 재료에서 석유는 절대적이지만, 에너지면으로는 태양광의 고효율 전기 에너지 변환법만 개발되면 걱정할 필요는 없을 것이다. 태양은 우리 주변에 존재하는 초거대 핵융합 발열기나 다름없다. 따라서 태양이 주는 열 에너지는 인류 전체가 소모하는 에너지에 비하면 무지막지하게 많다.[9] 앞으로도 수십억년은 문제없이 공급받을 수 있는, 사실상 무한정의 자원인 셈. 하지만 지구에 도달하는 자연상태의 전자기파와 그 복사열을 인류가 쓰기 좋은 전기 에너지 형태로 전환하는데는 아직 물리적 한계가 있다. 이 때문에 지금 효율로는 그저 시망일 뿐.차후에도 태양 에너지가 주요 에너지원이 될 수 없는 이유는 일조량, 기후조건의 제약조건이 많고 발전 효율이 너무 낮아 아직은 큰 도움은 안된다. 하지만 현재 태양광[10] 발전에 필요한 부품값이 미친 듯한 속도로 내려가고 있으며 이미 독일은 태양광 발전 기술을 굉장히 높은 효율로 보유하고 있다.[11] 2010년대 이전만 해도 태양광 기술은 실용성을 전혀 논할 수 없는 수준에 머무르고 있었지만 2020년대에는 저렴한 가격에 휴대폰 정도는 충분히 충전하고도 남는 수준의 태양전지가 상용화되었다. 이는 북한 주민들이 전력난에도 불구하고 휴대용 전자기기를 이용하기 쉽게 만들기도 했다.
다만 태양광은 그자체로 한계가 명확하다. 집에서 쓰는 에너지는 태양광으로 얻는다쳐도 자동차는 어떻게 굴릴텐가? 막말로 태양광 기술이 100년 이후인 최신 기술이라고 쳐도 태양에는 시간당 얻을 수 있는 에너지가 한계되어있고, 날마다 불규칙하기에 자동차에 태양광 발전을 다는 것은 비현실적이고 태양광은 효율이 낮아서 발전을 해도 그 에너지를 배터리에 담아야하는데 이는 결국 전기 자동차를 사용해야한다는 뜻이며, 용량이 낮다는 단점을 계승한다. 문제는 현기술의 배터리는 100년 전과 비교해도 큰 차이가 없다는 점이다. 자동차는 전기 충전소에서 자주 충전한다 쳐도 오랜 시간을 망망대해와 하늘에서 맴돌아야 하는 선박과 항공기는 이 문제점이 더 크게 다가온다.
그 밖에도 핵융합 발전이 유망하다. 앞서 언급한 태양 및 항성에서 일어나는 에너지 생성과정을 인간이 통제하는 것인데, 이 때문에 인공 태양을 만든다고 표현하기도 한다. 이를 상용화한다면 방사능 걱정도 거의 없는 데다가 효율도 원자력 발전소의 수 십배에 달하는 꿈의 에너지원을 얻을 수 있게 된다. 이 발전 방식은 원재료가 널리고 널린 수소인지라 사실상 가동기간이 무한해서 석유의 이용시한을 최소 1억배로 늘릴 수 있다. 그간 동력원으로 사용되던 석유를 온전히 전기로 대체하고 석유는 온전히 플라스틱이나 합성섬유, 비료 등의 화학 물품 제작에만 사용하면 된다. 즉 핵융합이야말로 개발되기만 한다면 석유를 대체할 가능성이 있지만 문제는 핵융합의 개발과 소형화가 매우 어렵다는 것이다. 수많은 국가들이 연구를 진행하고 있으며, 과학이 발달한 일부 선진국은 기초 기술 확보까진 성공했으나 상업화를 위한 효율 달성은 아직 요원하다. 한국 역시 기초 기술의 개발이 완료되었고, ITER 프로젝트에도 주요 국가로 참여 하고 있다.
핵분열 발전소의 막대한 수소 가스 부산물을 활용한 수소 에너지도 있는데, 대한민국이 이 부분에서 선진국이다.
6. 부산물의 대체
증류탑에서 나오는 연료유들을 뺀 나프타로는 플라스틱을 포함한 우리가 쓰는 모든 고분자 물질을 만든다. 에탄 크래킹 기술의 발달로 나프타를 쓰지 않아도 플라스틱을 생산할 방법은 있다. 실제 NCC(나프타 크래킹 센터) 플랜트가 증설 되지 않는 이유가 에탄 크래킹이 더 효율적이기 때문이다. 다만 대량생산은 여전히 나프타가 많이 활용되는 상황.일단 현대의 화학기술이 발전하기 때문에 아예 다른 재료로도 플라스틱을 만드는 것 자체는 가능하다. 식물성 수지[12]를 이용하는 방법이 성공하여 꾸준히 연구되고 있고 실제로 식물성 수지에서 플라스틱을 만드는 것도 가능하다. 아울러 우리는 현재까지 생산된 플라스틱을 재활용하는 기술도 가지고 있다. 하지만 비용 문제로 현실화될 수 없다.
여러가지 이유로 나프타의 생산이 중단될 경우 현재처럼 대량의 플라스틱을 저렴하게 이용하기는 어려워진다.
대표적인 의약품인 아스피린도 석유에서 추출되는 벤젠으로 만든다. 아스피린의 경우 실로스타졸, 클로피도그렐 등 대체의약품이 개발되었다. 보습제인 바셀린도 석유로 만드는 제품이다.
6.1. 반론
상단에서 다룬 석유의 본 용도를 대체하는 것과 달리 이 문제는 그리 심각하지 않다는 반론이 있다.그 이유인즉 플라스틱의 가격이 비정상적으로 싼 것은 플라스틱은 어디까지나 석유산업의 폐기물 재활용 자원이기 때문이다. 가장 많이 쓰이는 정제방식으로 정제를 하다보면 휘발유 - 나프타- 등유 - 경유 - 중유등의 순서로 정제되는데 이 중 나프타는 연료로 쓸 수는 없다. 문제는 가장 수요가 높은 휘발유와 경유를 정제하다보면 다른 종류의 유종과 나프타가 쏟아진다.
이는 원유 1L를 정제했을 때, 가솔린 200, 등유 200, 경유 200, 중유 200, 나프타 200 이렇게 나온다고 가정했을때 가격을 각각 20%씩 배분하는게 아니라 가장 수요가 높은 유종이 원유 + 정제비용의 대부분을 감당하고 수요가 낮은 유종과 나프타는 가격 분배가 전혀 이루어지지 않기 때문이다. 경우에 따라서는 나프타는 마이너스 가격을 찍는 경우도 있는데 그 이유는 휘발유와 경유를 정제하기 위해서는 원유탑에서 생산된 유종들을 다 빼내고 남은 나프타를 치워야 새 원유를 투입해서 정제를 하는데 고탄소 잔여물을 땅에 묻거나 바다에 버리면 경찰이 와서 검거되는건 고사해도 땅과 바다는 탄소천지가 되어 오염된다. 따라서 나프타의 경우 팔기는 커녕 그걸 치워주기만 하면 정제회사가 나프타를 이용한 가공회사에 돈을 주는 상황이 발생한다.
따라서 오늘날 플라스틱이 다른 재료로 잘 대체되지 않고 재활용율도 낮은 것은 단지 원료가 매우 헐값이기 때문이지, 플라스틱의 물성이 매우 탁월해서 대체 불가능해서가 아니다. 만약 석유산업이 쇠락하면 다른 원료로 플라스틱을 합성하거나 플라스틱의 가격이 시장경제에 합리적인 수준으로 조정될 뿐이다.
이에 대한 비슷한 예로 과거 목화 산업의 부산물로서 활발히 거래된 면실유가 있다. 면실유를 연료로 쓰고 참치캔에도 넣고 하던 시절에도 혹자는 면실유의 수요 때문에 목화농장이 계속 확대되어 식량위기를 불러일으킬 것이고 면실유를 대체할 수 없을 것이라는 우려를 했으나 실현되진 않았다. 이때 당시에 온갖 데에 면실유를 썼던 것은 목화 산업이 매우 커서 면실유가 남아돌았기 때문에 다른 기름을 쓰느니 면실유를 쓰던 것뿐이었고, 목화 산업이 축소되어 면실유의 공급이 줄어들자 대부분의 수요는 다른 더 싼 기름으로 이동했다.
하지만 당연히 연료로서의 석유가격이 미래라고 0가 될 리는 없고, 휘발유나 경유가 가격을 받는 만큼 플라스틱의 가격은 싸진다. 거기에 지금 거의 원가가 들지않는 나프타가 배럴당 80달러가 되고서도 그 수요가 유지될 리도 없다. 비싸지니까 다른 상품으로 대체할텐데 그것은 곧 석유상품 전체에 대한 총수요 감소를 뜻한다.[13] 비현실적으로 가정하여 지금의 휘발유, 경유, 중유가 모두 돈을 받아가면서 치우는 쓰레기로 전락하고, 그럼에도 석유로 된 플라스틱은 반드시 써야만 한다고 하더라도 현재의 정유 인프라로 플라스틱을 생산하는 것에는 추가 부담이 생길 수가 없다. 지금까지 생산하던 만큼 그냥 쭉 생산하면 되기 때문이다.
[1] 사실 이는 지구의 모든 자원이 마찬가지이지만 석유의 생성 시간이 사용(연소 후 이산화탄소화)보다 압도적으로 짧다는 것이 문제이다. 물이나 공기 같은 것은 비교적 짧은 정화 과정을 통해 순환이 가능하다.[2] 석유가 저렴하던 시절에는 석탄보다 이동과 보관이 편리한 석유가 잠시나마 석탄을 대체한 적이 있다. 그러나 오일 쇼크 이후 유가가 치솟으면서 석유 발전의 가격 경쟁력이 크게 낮아졌다.[3] 총에너지 주기를 고려하지 않고 배터리에 저장된 에너지를 기준으로 전기모터의 에너지 효율을 따질 경우약 85% 정도가 나온다. 다만 리튬이온 배터리의 에너지 밀도가 가솔린 에너지 밀도의 1/30 혹은 그 이하이기 때문에 효율이 나빠도 전기자동차에 대해 가솔린 자동차가 경쟁력이 있는 것이다.[4] 본토에는 석유 매장량이 아예 없는 수준이었고 동맹국들 중에서도 플로이에슈티 유전을 보유한 루마니아를 제외하면 마땅한 산유국이 없었다. 그래서 전쟁 이전에는 주로 미국이나 소련에서 석유를 대규모로 수입했는데 1941년을 기점으로 이 둘과 모두 전쟁을 치르게 되면서 답이 없어진 것. 전쟁 후반기에는 루마니아를 소련군에게 상실하면서 비축분과 석탄액화기술로 버틸 수밖에 없었고, 독일의 전쟁수행 역량은 급속도로 무너져내렸다.[5] 영화 '누가 전기자동차를 죽였나'에 나온다.[6] 브라질은 사탕수수가 지나치게 풍부하기 때문에 에탄올 연료유가 대중적이다. 하지만 브라질과 같이 사탕수수가 풍부하게 자라고 자랄 수 있는 환경을 갖춘 나라는 제한적이다. 애초에 브라질에서 사탕수수가 많이 나는 것은 원래 환경적으로 맞는 것도 있지만, 에탄올 생산으로 돈이 되는 사탕수수를 심기 위해서 다른 작물 생산지역을 새로운 목적에 맞게 전환하거나, 아마존 숲을 밀어내어 농지를 늘리기 때문이다.[7] 원소별 생태계 순환도를 보면 얘만 다른 곳에서 끝나는 막다른 화살표가 있다.[8] 따지고 보면 전지기술만 해도 효율성이 투입된 전기의 80% 내외만 에너지로 얻울수 있다.[9] 태양과의 거리 및 지구의 크기 때문에 지구는 태양 에너지의 극히 일부밖에 받지 못하지만, 그 극히 일부의 에너지도 지구의 모든 것을 존재할 수 있게 만드는데는 충분하다. 단적으로 태양이 단 1초 동안 방출하는 에너지의 총량이 지금껏 인류가 발생시키고 사용해온 에너지의 총합보다 크다.[10] 태양열이라는 단어가 더 친숙하지만 태양광 발전과 태양열 발전은 다른 개념이다. 오늘날의 이른바 솔라에너지의 대부분은 태양광이다.[11] 독일은 1970년대 환경운동, 반핵운동이 활성화되면서 사회 전체적으로 탈원자력, 탈석유에 대한 공감대가 형성되었고, 이때부터 꾸준히 대체에너지(혹은 신재생에너지) 개발에 집중해서 현재 이분야에선 최선두권이다. 독일 녹색당이 의회에 진출해서 독일 정계의 주요 세력으로 부상한 것도 이런 흐름을 가속화시켰다.[12] 옥수수 등.[13] 이해하기 쉬운 비유를 들자면 돼지 1마리의 가격은 돼지 1마리(원유가격) 원가는 = 안심+등심+삽겹살+족발 등 고기자원+ 폐기물인+돼지껍데기+가공비용 원가에 대응하기 때문이다. 그 안에서 어떤 고기의 선호가 높거나 낮아진다면 고기들간에 돼지 원가에서 가격부담율이 차이가 날 뿐이지 총수요가 그대로라면 돼지 가격에 영향을 줄 순 없다.