소금물 자동차, 지속가능한 Mobility의 미래가 되다

소금물 자동차, 지속가능한 Mobility의 미래가 되다

 

 시간이 지나면 지날수록 발전하는 자동차 산업, 그중에서도 가장 각광받는 미래자동차의 분야 중 하나는 바로 에너지와 연료 부분이다. 석유를 이용하는 기존의 디젤차를 대체하는 하이브리드 카, 플러그인 하이브리드 카, 바이오연료 자동차, 전기자동차, 수소자동차 등 현재 우리 주변에는 수많은 동력원의 자동차가 있다. 그러나, 이제 이 모든 것이 단 하나로 통일될 수 있을 것 같기도 하다. 그 획기적 혁명의 열쇠를 쥔 개발 아이템과 기술이 등장했다. 바로 소금물 자동차이다.

사진 1. ‘Nano Flow Cell 사’의 소금물 자동차(퀸트 시리즈)

출처: nanoFlowcell

 

 위 사진은 주유소에서 충전할 수 있는 불연성+무독성 액체를 채워 달리는 소금물 전기차이다. 이 차는 기존의 휘발유 또는 디젤차와 맞먹는 주행반경을 자랑한다. 핵심 구동 원리는 나노플로우셀(Nano Flow Cell)이다. 나노플로우셀의 원재료는 소금물과 같은 전해질이다. 두 종의 전해액을 결합해 일어나는 반응을 이용해 구동하는 것이다. 이는 기존 배터리에 비해 안정성, 친환경성, 내구성, 에너지 직접도가 매우 우수한 것으로 알려져 있다.

 나노플로우셀 기술은 레독스(Redox=환원산화) 플로셀 기술이라고도 명명할 수 있는데 이는 미국 항공우주국(NASA)이 1970년대에 시험했던 기술이다. 레독스 플로셀은 별개 탱크에 담긴 양전기와 음전기의 두 가지 전해액을 주입하여 전기를 만들어낸다. 플로셀은 박막을 사이에 두고 둘로 갈라진다. 이때 양전기액이 한쪽으로 흐르고, 음전기액이 다른 쪽을 흐른다. 그러면 박막을 통해 이온 교환이 이뤄져 전류가 발생한다.

그림 1. 레독스 플로셀 기술

출처: nanoFlowcell

 

 제로 플로셀 재충전은 다른 배터리와 마찬가지로 간단하다. 혹은 두 가지 액체를 재충전하면 그만이다. 헌데 나노플로셀의 작용은 다르다. 전기를 내보내면 이온액은 증발하고, 저장탱크는 텅 비어 다시 충전할 수 있다. 콴트 콘셉트 카는 주유소에서 재충전한다. 노즐이 2개인 펌프로 양전기와 음전기 탱크에 각기 다른 액체를 주입한다.

 이것이 바로 최강의 장점이다. 예전의 플로셀은 단위 용적당 에너지밀도를 극대화할 수 없었고 때문에 상당한 에너지를 저장하기 위해서는 큰 용량이 필요했지만 나노플로셀은 새로운 액체저장방식으로 이 문제를 해결했다. 예전 플로셀보다 5배나 많은 에너지를 똑같은 공간에 저장할 수 있다. 라 베키아에 따르면 지금까지 개발작업의 80%는 이온액의 화학성능을 개선하는 데 들어갔다. 그리고 나머지 20%는 플로셀 설계에 쓰였다.

"발전용 이온액은 불연성+무독성이다. 발전과정에 배기도 없고 고압장치가 필요하지도 않다." 따라서 차에 실린 탱크는 복잡하지 않고, 비용을 많이 들이지 않고 충전소를 간단히 지을 수 있다.

[표 1. 플로셀 기술 요약] 

 휘발유, 디젤, 수소와는 달리 액체연료는 필요하다면 차체 구조 안에 나눠서 저장하기 쉽다. 특히 독성이 없는 나노플로셀 발전액은 차 안에 저장하기 쉽다. 일정한 에너지를 꾸준히 만들어내기는 유리하나 전력의 강약을 마음대로 조절하기는 어렵다. 따라서 액셀 조작에 따라 즉시 파워를 공급할 수 있도록 초용량 2,000A에 전력을 들여보낸다.

그림 2. 소금물 전지 간단 모식도

출처: 네이버 블로그 ‘김태균’

 제네바모터쇼에서 소금물자동차, 콴트 F는 단연 관심을 끌었다. 당시 업체가 밝힌 이 차량의 출력은 912마력이다. 제로백(시속 0㎞에서 시속 100㎞까지 도달하는데 걸리는 시간)은 단 2.8초. 최고속도는 377.6km/h에 달하는 성능을 자랑한다. 아울러 그보다 훨씬 중요한 나노플로셀의 첨단 기술을 갖췄다. 완전 충전 1회의 주행거리가 상당하고, 기존 차량처럼 단시간에 액체연료를 주입한다. 때문에, 충전소 설치 또는 개조 작업이 비교적 쉬울 뿐 아니라 연료가 친환경적이다. 충전성능 역시 탁월하다. 한번 충전을 하면 최대 370마일(약 592km)을 주행할 수 있으며 충전은 소금물로 간단하게 할 수 있다.

사진 2. 소금물 자동차 내부 인테리어

출처: nanoFlowcell

 

 이 모델의 약점 중 하나가 연료탱크를 가득 채웠을 때 2,300kg에 이르는 중량 변화라 하지만 연료를 다 쓰고 나면 무게는 20% 이상 줄어든다. 동력이 되는 전해물질은 대부분 소금물과 같은 가장 근본적인 액체로 구성되어있으며, 귀금속이나 희토류 원소를 사용하지 않아 경제적이고 매우 친환경적이라는 것이 업체의 설명이다.

이 차는 지난해 세계 10대 발명품에 등재되기도 했는데, 지속 가능한 미래를 위한 자동차업계의 중요한 돌파구로서 기대되는 데다 지구 생태계에 나쁜 영향을 주고 있는 화석연료를 대체할 가능성도 내포하고 있기 때문이다. 나노플로우셀 역시 이 기술은 단순히 자동차 업계에 적용되는 것이 아닌 에너지원으로서 비행기, 철도 등 다양하게 사용될 수 있을 것이라고 전망하고 있다.

나노플로우셀은 ‘이온 유체’라는 독특한 물질을 활용해 구동력을 얻는다. 1. 양전기와 음전기, 각각의 전해질이 각기 다른 탱크에 저장되어 있으며 두 전해질이 플로우셀에 들어간다. 2. 이곳에서 박막을 통해 이온 교환이 이뤄져 전기를 발생한다. 3. 플로셀이 전력을 고성능 축전기에 들여보낸다. 4. 축전기가 모터를 돌린다.

표 2. 나노플로우셀의 원리 간단정리

 

 한편, 소금물 자동차와 비슷한 원리로 구동되는 전지를 대한민국에서 개발했다는 소식이 몇 년 전 우리에게 전해졌다. 마그네슘 금속과 공기 중의 산소를 전극물질로 이용함으로써 용량을 극대화한 전지인 '마그네슘-공기전지'를 KIST 조병원 박사팀이 개발했다는 소식이 바로 그것이지만 더 새로운 소식이 들려오지 않고 있는 실정이다.

Mg + 1/2O2 + H2O -> Mg(OH)2

[표 3. 마그네슘-공기전지의 원리]

 

 ‘마그네슘-공기전지’의 장점 또한 나노플로우셀의 원리와 비슷하다. 긴 충전시간 없이 마그네슘 판과 소금물만 교체하면 끝이다. 그가 개발한 전지는 기존 리튬이차전지에 비해 가볍고 같은 양의 충전으로 3배 이상 달릴 수 있으며 매우 친환경적이다.

 

그림 3. 조병원 박사팀의 ‘마그네슘-공기전지’의 구동원리

출처: KISTory

 

 장난감으로 소금물 자동차를 만들었던 어린 시절의 경험은 한번 쯤 기억하고 있을 것이다. 그러나 이것이 현실이 되었다. 소금물 자동차가 등장한 것이다. 과학기술의 무궁무진한 발전이 우리 주변의 산업을 바꾸고 있다. 특히 현재의 자동차산업에서는 그것이 두각을 보이고 있는 실정이다. 앞으로도 소금물자동차를 비롯한 친환경자동차의 개발은 계속될 전망이다.

 

[참고문헌]

1. nanoFlowcell 기업 홈페이지

http://www.nanoflowcell.com/

2. Wikipedia - NanoFlowcell

https://en.wikipedia.org/wiki/NanoFlowcell

3. 헤럴드경제 뉴스

http://hooc.heraldcorp.com/view.php?ud=20151028000900

4. 한국과학기술연구원 블로그

http://kiststory.tistory.com/775