[글로벌 탈탄소 기술 트렌드] 핵융합·전고체 배터리·인공광합성, ‘탈탄소 혁명’ 3대 기술에 관심 집중

2050년 ‘탄소 중립’을 내다보고 탈탄소를 목표로 하는 국제적인 조류는 올해도 이어질 전망이다. 특히 다양한 분야에서 혁신을 가져올 것으로 기대되는 신기술 개발이 활발하게 이뤄질 것으로 보인다. 그중 가장 크게 주목받는 것이 핵융합 발전과 전고체 배터리, 인공광합성이다.

궁극의 에너지 기술로 불리는 핵융합은 연료 역할을 하는 중수소와 삼중수소의 원자핵을 초고온의 플라스마 상태로 만들어 융합한 다음 헬륨원자로 바꿀 때 발생하는 에너지로 발전한다. 연료 1g으로 석유 8톤분의 에너지를 만들어낼 수 있는 것으로 평가된다. 발전 시 방사성 폐기물이 적게 나오고 기존 원전보다 안전하다는 장점이 있다.

이런 핵융합이 최근 실용화를 향해 크게 나아가고 있다. 일본 니혼게이자이신문(닛케이)에 따르면 지난해 12월 미국 로런스리버모어국립연구소(LLNL)는 세계 최초로 ‘순에너지’ 생산에 성공했다. 순에너지 생산이란 핵융합 실험에서 투입한 에너지보다 생성된 에너지가 더 많다는 것을 의미하는 것으로, 핵융합 발전 실용화 가능성을 보여준 것이다. LLNL은 연료에 레이저를 집중적으로 출력하는 방식으로 에너지를 생산해냈다.

킴 버딜 LLNL 소장은 “핵융합을 상용화하는 데 수십 년이 걸릴 수 있다”면서도 “이번 성과는 핵융합이 발전소에 에너지를 공급할 수 있다는 것을 입증하는 데 필요한 첫 단계”라고 설명했다.

미국과 유럽, 일본 등지에선 기업이나 대학, 연구기관 등이 앞다퉈 핵융합 발전에 공을 들이고 있다. 월스트리트저널(WSJ)에 따르면 현재 민간에서만 50억 달러(약 6조 원) 넘는 자금이 핵융합 발전 연구에 투입됐다.

LLNL이 선보인 레이저 방식 외에 자기장에서 플라스마를 가둬 반응을 일으키는 ‘토카막’ 형태의 핵융합 개발도 활발히 진행 중이다. 한국과 미국, 일본, 유럽, 중국 등이 참여해 프랑스에서 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)는 토카막 방식을 취하고 있으며, 2025년 첫 가동을 목표로 하고 있다. 건설에만 20조 원 가까운 자금이 투입될 전망이다.

전기차 차세대 배터리로 꼽히는 전고체 배터리도 실용화 단계에 가까워지고 있다. 내구성 등 기술적 과제는 남아있지만, 업계는 2020년대 후반 전고체 배터리가 전기차에 탑재되는 것을 목표로 하고 있다.

전고체 배터리는 리튬이온 배터리에 사용되는 전해액을 고체 전해질로 대체해 발화 위험을 줄이고 안전성을 높인다는 특징이 있다. 현재 유통되는 리튬이온 배터리의 성능은 이론적으로 한계에 다다랐다는 평가를 받지만, 배터리를 전고체로 만든다면 이온의 용이성과 내열성 등이 개선될 것으로 기대된다. 에너지 밀도는 지금의 몇 배로 늘고 충전 시간은 몇 분의 1 수준으로 줄어들 수 있다고 닛케이는 설명했다.

다만 현재로서 가장 큰 과제는 충전과 방전을 반복하는 과정에서 배터리 재료에 틈이 생겨 성능이 떨어지는 현상을 개선하는 일이다. 전고체 배터리가 리튬이온 배터리와 구조적으로 크게 다르다는 점도 장애물이다. 리튬이온의 경우 전해액에 전극을 담그면 되지만, 전고체는 전해질을 전극과 붙이기 위한 특별한 기술을 요한다.

그럼에도 업계는 장기적인 이점을 고려해 전고체 배터리 실용화에 속도를 내고 있다. 도요타자동차는 2020년 전고체 배터리를 탑재한 프로토타입 차량 주행을 선보였다. 2020년대 실용화를 목표로 삼고 우선은 하이브리드 차량에 활용한다는 방침이다. 닛산은 2028년, 혼다는 2020년대 후반 전기차 탑재를 목표로 설정했다.

핵융합 발전, 전고체 배터리와 함께 주목받는 기술이 바로 인공광합성이다. 태양광과 물, 이산화탄소로부터 유용한 물질을 만들어내는 인공광합성 연구는 현재 일본이 리드하고 있다. 지난해 12월 유럽에서 열린 인공광합성 기술 대회에서 도쿄대와 INPEX 연합팀이 우승하기도 했다.

다만 에너지 변환 효율이 낮아 추가 연구가 필요한 상태다. 태양광 에너지 가운데 물질로 변환할 수 있는 비중을 나타내는 에너지 변환 효율은 아직 1% 이하로 측정된다. 실용화에는 보통 5~10%의 효율이 필요하며, INPEX 연구팀은 2030년경 목표에 다다를 것으로 기대하고 있다.