우리도 전기로 움직일 수 있습니다!

우리도 전기로 움직일 수 있습니다!

 보통

 ‘이동수단’ 하면 당신은 무엇을 먼저 떠올리는가? 아마 대부분의 경우 마차 이후 인류에게 가장 친숙한 이동수단으로 자리매김한 게 자동차기 때문에 ‘자동차’를 떠올릴 것이다.

 그런데

 그런데 우리 인간은 무엇이든지 편애하는 경향이 있다. 뜬금없이 무슨 소리냐고? 앞서 세상에 존재하는 무수히 많은 이동수단 중에 가장 대표적으로 거론될만한 것이 무엇이었는지 잘 생각해보라. 당연히 자동차일 것이다. 그만큼 많은 이들의 입에 오르내리고 많은 곳에 쓰이기 때문에 자동차는 다른 이동수단에 비해 사람들의 관심을 더 각별히 받아왔다. 더 많은 관심을 받았기에 다른 이동수단에 비해 더 진화했고 이제 자동차는 이동의 편리함을 넘어 동력원을 전기로 사용하게 되면서 환경과의 조화까지 이루는 수준에 왔다.

 

[사진 1. 1884년 개발된 최초의 전기자동차(좌)와 85년 개발된 최초의 가솔린 자동차(우).

왜 ‘편애’라는 말을 썼는지 이해가 가는가?]

출처: 위키백과

 

 편애는 나쁩니다.

 가만히 보면 좋은 건 죄다 독차지하려는 자동차에 비해 다른 이동수단들은 초라해 보인다는 생각이 든다. 물론 여타의 운송수단들도 많은 개발이 이루어지긴 했지만, 대부분이 화석연료에 기반에 개발되었기 때문에 환경에 무분별한 피해를 준다는 죄악을 뒤집어쓰고 자동차는 환경에 무해한 에너지원인 ‘전기’를 이용해 갈 수 있도록 개발되어 이러한 공해의 주범에서 벗어나려고 하고 있다. 어릴 적 어른들이 “편애는 나쁘다.”고 말씀하셨다. 다행히도 실제 이러한 자동차의 편애에 대해 불만을 품고 자신들도 환경에 무해한 전기로 움직일 수 있다고 도전장을 내민 이들이 있다. 이번 기사에서는 이들에 대해 소개를 하고자 한다.

 전기 비행기

 먼저 소개할 것은 ‘비행기’다. 생각보다 항공에서 배출되는 온실가스의 양도 상당한데 코레일에서 제공한 자료에 따르면 교통수단별 온실가스 배출량에서 항공분야가 자동차 다음으로 많은 온실가스를 배출한다고 한다.

[그래프 1. 교통수단별 온실가스 배출량]

출처: 코레일

 

 이처럼 무시 못 할 수준의 온실가스 배출량을 줄이고 친환경적인 비행을 위해 비행기도 전기를 택하게 되었다. 그렇다면 전기 비행기는 어떠한 원리로 비행을 할 수 있을까?

 전기 비행기의 원리

 전기 비행기는 전기 동력원에서 발생한 전기가 모터를 작동시켜 추진력을 얻게 되는 원리를 가지고 있다.

[그림 1. 전기 비행기의 원리]

출처: 항공기 전기추진시스템 기술 동향, 김근배 외 2

 

 위 그림에서 보듯이 전기 동력원은 이차전지, 연료전지 등이 쓰일 수 있으며 효율을 높이기 위해 내연기관을 합친 하이브리드 방식도 쓰일 수 있다.

 동력원에 대해 좀 더 살펴보면 이차전지의 경우 전기자동차에 흔히 쓰이는 ‘리튬-이온 이차전지(에너지 밀도 약 600Wh/kg)’가 주로 거론되고 있으며 이보다 이론적 에너지 밀도가 더 높은‘리튬-황 이차전지(에너지 밀도 약 2500Wh/kg)’, ‘리튬-공기 이차전지’가 미국, 중국 등에 의해 개발 중이다. 연료전지는 1970년대부터 미국 NASA에 의해 PEM(Proton Exchange Membrane), SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 방식의 항공 분야 적용에 대한 연구가 진행되고 있으며 경량화, 수소의 효율적인 저장 등이 주요 해결과제로 남아있다. 태양전지는 CIGS를 이용한 박막 태양전지가 가장 대중화된 기술로 사용되고 있다.

[사진 2. 리튬-황 이차전지]

출처: 항공기 전기추진시스템 기술 동향, 김근배 외 2

   

[그래프 2. 리튬-황 이차전지의 에너지 밀도]

출처: Sion Power

 실제 개발된 항공기

 다양한 전기 동력원을 이용한 전기 비행기는 주로 무인기의 형태로 개발이 되었다. 몇 가지를 살펴보면 미국의 Sion Power사에 의해 개발된 리튬-황 이차전지가 적용된 Zephyr 무인 항공기, 미국의 Ascent Solar Technologies사에 의해 개발된 폴리이미드 기판이 적용 CIGS 모듈을 사용한 Silent Falcon 등이 있다.

 물론 유인 전기 비행기 또한 있다. 2008년, 미국의 보잉사에 의해 세계 최초로 PEM 방식을 적용한 2인승 전기 비행기가 개발되었다. 전기 비행기는 유해물질의 적은 배출과 더불어 가솔린 엔진 비행기 대비 운항 비용 절감 등의 장점이 있기 때문에 앞으로 다양한 연구를 통해 더욱 높은 효율을 가지는 유ㆍ무인 항공기들이 나올 것으로 생각된다.

[사진 3. 무인 항공기 Zephyr]

출처: Jane's 360

[사진 4. Ascent Solar Technologies사의 무인 항공기 Silent Falcon]

출처: 항공기 전기추진시스템 기술 동향, 김근배 외 2

 

 전기 선박

 육지, 항공뿐 아니라 해양에서 쓰이는 운송수단 또한 전기를 에너지원으로 사용하는 것이 개발되었다. 2015년 5월, 노르웨이 페리 회사 Norled AS, Fjellstrand 및 Siemens AS 조선소에 의해 세계 최초로 전기와 화석연료를 기반으로 움직이는 하이브리드 선박 ‘Ampere호’가 개발되었다. 1040KWh 용량의 ESS가 탑재된 Ampere호는 노르웨이의 Lavik 과 Oppedal 사이를 운행하고 승객이 하차할 때나 선박을 운항하지 않는 야간에 배터리를 충전한다. 또한, Ampere호는 기존의 화석연료로 움직이는 선박에 비해 오염물질의 배출량이 적으며 동력발생장치를 선박에 임의 배치할 수 있어 기관실의 용적을 감소시킬 수 있는 등 여러 장점이 있다. Ampere호 개발에 힘입어 노르웨이에서는 2018년 4월, 세계 최초로 개발된 100% 전기추진 선박 ‘Future of the Fjords호’를 운항할 예정이다.

[사진 5. Ampere호]

출처: corvusenergy

[그림 2. Ampere호의 단선결선도]

(배선, 전기기계 기구 등의 전기적인 연관을 상수, 선수 및 공간적 위치와는 관계없이 한 줄의 선으로 나타낸 것.)

출처: corvusenergy

[사진 6. Future of the Fjords호]

출처: ship-technology

 

 끝으로

 이제 이동수단은 엄연한 ‘세대교체’의 시기에 와있다. 처음에 걷기만 하던 인류가 가축을 이용한 이동수단을 쓴 이래로 화석연료를 동력원으로 쓰는 이동수단의 개발되었고 이들이 유발하는 문제점에 대응하기 위해 이제는 전기 에너지를 사용하는 이동수단이 개발되어 어느 정도 상용화의 수준에 이르게 되었다. 물론 전기를 이용한 이동수단의 경우 비행기의 경량화 및 항속거리 개선의 문제 등 해결해야 할 과제가 남아 있지만 앞으로 전기를 이용한 이동수단은 기존의 화석연료에 기반을 둔 이동수단의 수를 넘어설 것이다. 혹은 아직 이론조차 만들어지지 않은 미지의 연료로 작동하는 이동수단이 전기 자동차, 비행기의 시대를 대신할 수도 있다. 나날이 불거지는 환경문제에 대응해 이동수단의 많은 진화가 이루어진 만큼 가까운 미래에는 전 세계적으로 유해물질 제로의 운행시대가 도래하기를 희망해본다.

 

 참고자료

 1. 항공기 전기추진시스템 기술 동향, 김근배 외 2, 한국항공우주연구원

 2. 해외이슈 <노르웨이 100% 전기추진선박 개발>, 한국에너지공단

 3. [모빌리티와 전기 ②] 전기 비행기의 미래, 2040, 월간전기

 4. AMPERE, FERRY - WORLD'S FIRST ALL-ELECTRIC CAR FERRY, corvusenergy