메모 - 에너지가 바꾼 세상 (마쓰이 다케시, 출간 2022.9.13)

 

- 인간과 비슷한 수준의 체중을 가진 포유류 대부분은 뇌크기가 인간의 5분의 1인데 반해 위장의 길이는 인간의 2배나 된다. 인류는 상대적으로 큰 뇌와 작은 위장을 가졌다. 인류는 뇌가 커지는 방향으로 진화하는 과정에서 충분한 에너지를 뇌에 공급하기 위해 위장을 작게 하고 소화기가관의 에너지 소비를 줄여 균형을 유지해왔다. ...음식을 조리하면 위장의 소화 부담이 크게 줄어든다.. 요리의 발명이 이를 가능케 했다.. 이렇게 얻은 잉여 에너지를 뇌에 집중 투자했고 이것이 우리 조상의 진화 방향을 결정지었다. 인류가 고도화된 지능을 갖게 된 데는 인류의 조상이 불을 사용한 것과 연관이 깊다. ... 가열한 음식에는 또 하나의ㅡ 장점이 있다. 가열하면 음식에 붙은 잡균을 죽일 수 있다. 세균의 침투를 방지하는 면역 체계의 부담이 줄어든다. 요리는 소화기관의 부담을 줄여주고 흡수 가능한 에너지 양을 최대로 늘려주는 위대한 '발명'인 것이다. 

- 증기기관의 발명이 진정 혁명적인 데는 또 다른 이유가 있다. 바로 에너지의 형태를 바꿨다는 점이다.  증기기관은 석탄을 태워서 물을 가열하고 여기서 만들어진 수증기의 열에너지로 피스톤을 움직여 운동 에너지를 얻는다. 이 과정에서는 증기기관에 의해 열에너지가 운동 에너지로 바뀌는 에너지 형태 변화가 일어난다. ... 증기기관의 발명은 열원이 될만한 것이라면 무엇이든 동력으로 바꿀 수 있음을 의미했다. 장작과 숯은 물론 석탄 석유 천연가스부터 원자력까지도 열원이라는 의미에서는 차이가 없다. 이 점이 연료 선택지를 늘려주었고 그 결과 유례없는 규모의 에너지 소비가 가능해졌다.  그러므로 3 차 에너지 혁명을 이끈 주역은 석탄이 아니라 어디까지나 에너지 전환을 가능케한 실용적인 증기기관의 발명이었다. ... 증기기관의 발명은 ..말과 소를 해방하는 데에 그치지 않고 노예와 농노에게 부과된 인적 에너지까지도 대체할 수 있는 무한한 가능성을 제시했다. 

- 와트가 만든 작고 출력이 큰 증기기관에는 꼭 필요한 기술이 있었다. 바로 고온 고압 조건에도 견딜 수 있는 보일러와 실린더 제작 기술이다. 증기기관을 개량하려면 반드시 제철 기술이 발달해야 했다. 이러한 제철 기술의 진보도 산업혁명 시기 영국에서 일어났다. ... 수공업에서 기계 공업으로 이행한 결과 열에너지를 공급하는 연료가 장작과 숯에서 석탄으로 대체되었고, 건축 자재도 철재가 목재를 대새했다. 이리하여 인류는 문명의 발상 이래 쭉 걱정거리였던 삼림 자원의 고갈로 인한 성장의 한계에서 마침내 해방되었다. 

- 전기는 공간을 초월한다. 인류는 얻은 에너지를 전기로 바꿔 보내고, 다른 곳에서 다시금 필요한 에너지 형태로 변환해 사용할 수 있게 되었다. 이로 인해 에너지 이용이 한층 확대되었다. 전기의 이용이야말로 제4차 에너지 혁명이다. ... 전기를 이용하면 에너지를 쉽게 전달할 수 있다는 점이다. 증기기관은 대발명이었으나 열에너지를 얻는 곳과 이를 변환해 운동에너지로 소비하는 곳이 같아야 했다. 하지만 전기의 이용은 에너지 변환의 자유 뿐 아니라 장소의 제약까지 없애는 힘을 가지고 있었다. 

- 비료의 3요소 중 화학 합성을 시도할 타깃이 된 것은 질소다. 인과 칼륨은 계속 광문 자원에 의존할 수 밖에 없지만 질소만큼은 ... 모든 사람 앞에 평등하게 존재했기 때문이다. 바로 공기다. 공기의 5분의 4는 질소로 이루어져 있다. ... 질소 분자 N2의 삼중 결합을 끊고 질소를 고정하려면 질소 원자가 가진 3개의 전자에 수소 원자 H를 결합하여 암모니아 NH3 를 만들어야 했다. 

- 인공 비료 개발은 에너지 역사와 무관한 이야기처럼 들릴지 모른다. 식량 증산에 얼마나 많은 에너지가 투입되는가를 안다면 생각을 달리할 것이다.  하버-보슈법을 이용해 질소를 고정하는 공정은 상상 초월하는 에너지가 든다. 비활성 질소문자의 삼중 결합을 끊어야 하므로 일반적으로 450~580도, 200~300기압이라는 혹독한 조건 속에서 이루어진다. 게다가 질소분자를 반응시키기 위해 사용하는 수소는 현재 천연가스에서 분리 생성하는 것이 일반적인데 분리하는 데로 대략 800도, 약 25기압이라는 조건이 필요하다. ... 이렇게 만들어진 인공비료가 가져다준 것은 인구의 폭발적인 증가다. 

- 식량 공업화의 첫 번째 흐름은 인공 비료의 활용이다... 두번째 흐름은 기계화 대응이다. 옥수수는 품종 개량을 통해 단위 면적당 수확량이 많은 교잡종이 만들어졌다. 똑같은 유전적 성질을 갖도록 교배하기 때문에 똑같은 모양으로 자라서 기계를 이용한 파종과 수확에 적합하다. .. 세번째 흐름은 제초제나 살충제와 조합이 가져온 공업화다. 유전자 조작 기술로 특정 제초제나 살충제에 내성을 가진 품종이 생겨나고 그런 품종은 제초제와 살충제로 잡초와 해중을 없애면서도 작풀에는 영향이 없다. ...  네번째 흐름은 종묘 회의 종자 판매 지다. 첫 종자를 구입해서 심어 얻어진 2세대 종자는  1세대와 닮은 점이 없고 수확량이 30%나 적다고 알려져 있다. 결과 종묘회사가 농업을 지배하게 되었다. 높은 수확량을 유지하기 위해 옥수수 농가들은 매년 종묘 회사로부터 종자를 구입해야 하기 때문이다.

- 원래 소는 풀을 먹는 동물로 옥수수를 먹일 수 없다. 소화하기 힘든 목초를 몇 번에 걸쳐 반추해 몸에 흡수하고 목초는 영양가가 낮아서 충분한 양을 얻으려면 광활한 토지가 필요하다. 반면 생산량이 넘쳐나는 옥수수는 영양가가 높고 저렴하게 얻을 수 있다. 옥수수를 사료로 쓸 수 있다면 넓은 목초지가 아니라 협소한 사육장에서 키울 수 있다는 의미다. ... 옥수수를 소에게 먹이기 위한 연구가 시작되었다... 소고기 생산의 공업화다.. 옥수수를 소에게 먹이면 일어날 수 있는 질병을 예방하기 위해 항생물질이 개발되고 점차 소에게 옥수수를 먹이게 되었다. 

- 옥수수 소비를 목적으로 시작된 공업 과정은 소사료에 그치지 않는다. 가공식품이나 청량음료에는 옥수수로 만든 공업 제품인 전분이나 물엿이 대량으로 함유되어 있다. 콜라 사이다를 마시는 것은 옥수수를 짜내고 남은 찌꺼기를 마시는 것이나 다름없을 정도다. ... 우리의 식생활 대부분이 어느샌가 옥수수에 의해 잠식되고 있다. 

- 옥수수 소비 방법 중에 단연 에너지 낭비라고 할 수 있는 것이 바이오에탄올 생산이다. 소 사육이나 가공식품 제조에 들어가는 에너지는 효율이 낮을 지언정 음식의 선택지를 늘리기 위해서는 필요한 투자라고 볼 수도 있다. 그러나 바이오에탄올은 결과물이 액체 연료 에너지이기 때문에 단순히 에너지의 비용 대비 효과만으로도 필요성을 판단할 수 있다. ... 에너지 수지비 Energy Profit Raio 라고 한다. 옥수수로 만든 바이오에탄올은 EPR이 0.8 정도로 1에 못 미친다고 알려져 있다. 즉 제조에 투입되 에너지가 얻어지는 에너지보다 크다는 뜻 이는 에너지 낭비일 뿐이다. ... 식물로 만들었다고 해서 반드시 친환경은 아니라는 점을 명심할 필요가 있겠다. 

- 인간이 먹을 수 있는 식사량에는 한계가 있기 때문에... 인구 증가가 정체된 선진국의 식품회사나 패스트푸드 체인이 금융시장이 원하는 높은 이익률을 달성하려면 과점을 통해 경쟁 우위를 확보하거나 가공 정도를 높여 부가가치를 창출하는 방법 밖에 없다. 대부분 가공으로 부가가치를 더하는 방법에 사활을 건다. 

- 1차 에너지 혁명에서 불을 사용하는 법을 익히며 시작된 인류의 에너지 획득의 역사는 불 조리를 통해 뇌가 비대해지면서 속도가 빨라졌다.  이어서 농경 생활을 하게 되는 2차 에너지 혁명이 일어났고 대지로 쏟아진 태양 에너지를 독점해 잉여 식량을 안정적으로 확보하고 도시를 만들어 문명을 탄생 시켰다.  증기기관이라는 에너지 변환 기계의 발명으로 3차 에너지 혁명이 일어나 육체가 가진 한계를 극복했다. 화석 연료를 태워 대량의 에너지를 흡수함으로서 거대한 구조물을 만들거나 움직일 수 있게 된 것이다.  전기의 체계를 찾아내 4차 에너지 혁명에 접어들었고 에너지 변환의 자유와 더불어 장소의 제약까지 극복했다. 마지막으로 하버-보슈법이 발명되면서 인공비료가 탄생하는 5차 에너지 혁명이 일어났고 인공적인 에너지로 농작물을 기르는 농업의 공업화를 추진해 압도적인 양의 에너지를 공급함으로써 식량 생산이 가진 자연의 한계를 뛰어 넘기에 이르렀다. 

- 19세기 영국의 경제학자 윌리엄 스탠리 제번스는 ... 에너지 절약 기술의 개발과 사회 전체의 에너지 소비량 사이의 역설을 이렇게 기록했다. "연료를 경제적으로 사용하면 소비가 줄어들 것이라는 생각은 참으로 어이없는 발상이다. 진실은 정확히 그 반대다. 수많은 유사 사례로 입증된 법칙에 따르면 새로운 상태로 이행한 경제는 대개 에너지 소비량을 늘리는 방향으로 간다."  ... 에너지 절약기술 개발은 중요하지만 ... 해당 기술로 탄생한 결과물에 강력한 수요가 있기 때문에 발전하는 것이다. 수요가 많은 분야의 기술 혁신에 속도가 붙고 결과물의 수요를 낮추는 방향으로는 가지 않는다. 

- 인류는 왜 에너지 소비량을 늘렸을까. 다섯 차례의 에너지 혁명을 통해 인류는 에너지 소비량을 놀랄만큼 증가시켰다. 나는 각각의 과정에 공통점이 있다고 생각한다. 키워드는 '시간의 단축'이다. 

- 1차 에너지 혁명이 된 불의 사용은 요리라는 형태로 음식의 저작 시간을 줄였다. 야생 침팬지는 하루에 6시간 이상을 씹는데 할애한다. 하지만 우리는 세 끼를 다 먹어도 2시간 정도면 충분하다.  2차 혁명인 농경 생활로의 이행은 잉여 식량의 창출로 식량 생산에 종사하지 않는 사회 지배층이나 특수 기능을 가진 장인층을 낳았다.  3차 혁명인 증기기관의 발명과 산업혁명은 똑같은 시간에 사람이나 소, 말의 몇 십배나 되는 일을 해내는 데다가 쉬는 법도 없었다. 5차 혁명인 인공비료의 발명은 자연이 정한 질소 공급의 한계를 깨트렸다. 농업의 공업화를 추진해 생산 효율을 높여 나갔다. 

- 이렇게 인류 활동의 발자취를 정리해 보면 인류의 역사는 '시간을 단축하는 일', 시간의 빨리 감기에 가치를 둔 역사라고도 할 수 있다. 이는 인류의 가치 판단 기준이 얼마나 두뇌에 편중되어 있는가를 보여준다. 우리는 늘 육체적 부담을 최소화하며 최대의 성과를 얻고자 한다. 에너지를 얻으려는 뇌의 끝없는 욕구가 시간을 앞당기는 결과를 낳았다. 

- 전기를 만드는 에너지원은 석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석연료부터 재생에너지인 수력 태양광 풍력까지 다양한 선택지가 존배한다. 이들은 저마다 발전 비용과 환경 부하 정도가 달라서 정확하고 공평하게 비교하기가 여간 어려운 일이 아니다. 예를 들어 기후 변화 문제의 대처 방안으로 각각의 에너지원에 투자를 검토하는 경제적 합리성의 계산안에 이산화탄소 배출량을 넣을 순 있지만 ... 이산화탄소 배출량만 본다면 석탄화력이 태양광보다 불리하지만 태양광 패널이 대규모 토지를 점유해 생태계에 미치는 영향, 패널의 대량 생산에 필요한 자재량, 생산과 설비 과정에서 배출되는 이산화탄소량, 미래에 패널을 폐기하는 데 드는 환경 부담도 고려해 평가해야 한다고 반론할 것이다... 합의를 형성하기 어려운 탓에 종종 의견 대립이 발생한다. 

- 태양 에너지는 에너지를 무한히 공급해주고 광범위한 지역에서 이용할 수 있지만 에너지 밀도가 낮아서 대규모 토지 확보와 대량 자재가 필요하고 날씨에 따른 변동에도 대처해야 한다. 추가로 하루의 절반 야간에는 가동하지 않는 문제가 있다. 태양은 인류에서 완벽한 에너지원이 아니다. 태양에너지 특성에 맞추려는 구조적 노력을 병행해야 한다... 최대 과제는 에너지 저장장치의 개발에 있다고 해도 과언이 아니다. 축전지는 충방전으로 열화가 진행되어 내용 연한이 짧다는 단점도 있고 희소 광물자원 생산 위해 투입하는 에너지 양이나 자원 고갈 문제도 무시할 수 없다.. 전해액은 강산성 강알칼리성으로 환경 부담 크고 다 쓴 축전지 폐기할 경우 고온에서 분해 처리해야 하는 등 처분시 에너지가 소비된다. ... 전기를 전지 대신 수소로 변환해서 이용하는 방법도 연구가 진행되고 있다. 수소 역시 저장이 어렵고 액화나 고압화에는 많은 에너지가 든다. 그럼에도 수소에 기대를 거는 데는 에너지 밀도가 높고 경량이기 때문에 저장 용기의 중량을 감안해도 수송이 비교적 쉽다는 점을 꼽을 수 있다. 화력발전소 연료로 쓸 수 있고 연료전지의 연료로 직접 발전할 수 있다는 편의성이 있다. 

- 경제 성장은 크게 인구 증가와 개인의 구매력 향상이라는 두가지 요인으로 이루어진다. 노동력 증가와 생산성 향상이라고도 하겠다.  나라의 총인구 중 노동 인구가 차지하는 비율이 늘어나는 시기를 인구 보너스라고 하는데 ... 경제 성장이 강하게 촉진된다. ... 이러한 경제 성장 모델이 전환을 맞이하고 있다. 선진국의 노동 인구가 전부 줄어들었기 때문이다. ... 삶이 윤택해질수록 아이 수가 줄어드는 것은 인류 사회에 공통으로 발견되는 현상이다. 아이를 노동력으로 보지 않고 미래를 위해 교육에 투자하게 된다. 즉 아이가 수입원이 아닌 지출 대상이 되기 때문에 필연적으로 수가 줄어드는 것이다. 위생 상태가 개선되어 영유아 사망률이 낮아지는 것 역시 이러한 경향을 뒷받침한다. 

- 애초에 에너지를 대량 소비하는 선진국의 인구 감소는 에너지적 관점에서 절약 효과가 크다. 따라서 선진국 사람들은 애써 인구를 유지할 것이 아니라 인구 동태 변화를 긍정적으로 받아들여 인구가 감소하는 과도기를 생산성 향상으로 극복하며 사회를 재구축해 나가야 한다.