시대의 화두,전기자동차에 대하여

작금의 수송산업계의 화두요, 산업계 전반을 고려하여도 대표되는 주요 화두는 '전기자동차' 일 것이다 

얼마전, 대통령이 현대자동차 남양연구소를 방문하여 전기자동차 시대를 2011년에 열어달라고 격려겸, 압력(?)을 행사한 모양인데. 이에, 준비된 업계에서는 매우 고무적인 행보라 여기겠지만, 우물쭈물 준비가 덜된 업계에서는 급변화는 상황에 대처하기 위해서, 속된 말로 '죽었다'싶을 정도로 고통스럽게 상응하는 연구개발, 경영활동등 대응행위를 강요당하는 환경의 조성이 가속화된다고 느낄 것이다.

대통령이 이 정도로 나서는 것은 ,선진업체는 물론이고 중국등 후발업체의 활발한 전기자동차 양산준비에 경쟁하여야 하고,  나아가서 그들보다 앞서 나가기 위해, 전 국민적, 산업적인 필요와 공감대가 비등하고 있기 때문일 것이다. 거기다가, 차량 뿐만아니라, 관련된 배터리, 모터등은 물론이고 전기자동차 및 부품의 인프라산업격인 기계,소재, 전자산업에서 세계의 리딩기술과 개발업체를 보유하고 있다는  자신감때문에,

"다른 나라가 할 수 있다면  당연히 우리도 할 수 있다" 

나아가서,

"다른 나라가 못한다해도 우리는 할 수 있다. 우리는 해야 한다',

"다른 나라가 한다면, 우리는 더욱 잘 할 수 있고, 더욱 잘해야 한다"

는 기류가 전반에 형성되고 있다고 봐야 할 것이다. '한국이 할 수 있다면, (大國인) 우리(미국) 도 할 수 있고 해야한다'는 식의 미국대통력 오바마의 말씀과 유사한 맥락이라 할 수 있을 것이다.

'전기자동차' 하면, 전기로 달리는 차다. 전세계의  난다긴다 하는기업들이 너도나도 그 전기자동차 및 부품사업을 차세대사업으로 추진하는 현상이 최근 더욱 급격히 전개되고 있는 것이다. 여기에는 전기자동차의 기술적 완성이나 산업적 성숙을 떠나서, 마치 부동산 버블처럼 유행처럼 번지는 미래에 대한 희망과 전망의 버블이 상당히 끼여 있다 할 것이다. 기술분야뿐만아니라, 일반적인 분야에서마저, 전기자동차에 대해 한두마디 찌껄이지 못하면 바보 취급당하기 쉽상인 사회적 분위기다.

그 배경에는 해외 선진업체들의 기술과시용이거나, GM처럼 기술소외를 만회하기 위해 과다한 방어적 홍보활동, 관련 부품생산을 희망하는 군소업체들의 산업화아이템발굴을 위한  과다한 경쟁등이  다소 개입되어 있는 것 같기도 하고, 이에 편승한 정치인들의 정치적 역활모색과정에서 과잉의 정치적 액션의 영향이 없다하지 못할 것 같다.

그 옛날 도심에 운행되던 전차, 지하철, 고속철도가 전기로 움직이는 차다. 일견 생각하면, 새삼스러운 게 없는 고전적인 개념인데, 요즈음 와서 왜 이 난리인가?

지구 온난화와 이상기후의 주범은 이산화탄소이며, 이 이산화탄소배출의 주범은 자동차이고, 그러므로 자동차의 배출가스를 줄이고, 여기에 사용되는 자원도 절약하기 위해서, 배출가스 없는 차량이 필요해지고,  고유가등의 유지비용, 나아가 자원고갈에 따른 비용증대의 악순환에 대한 두려움 때문에, Green Car로 불리는 여러대안의 차중, 현실적으로 상용화와 대량생산이 근접한 '전기자동차 에 관심이 집중되는 까닭' 이 아니겠는가?

무한궤도를 달려야 하는 자동차는 송전설비에 직접 연결된 선으로 전기를 공급받아 달리는 전차류와는 달리,  산으로 들로, 시골길, 산악길, 도심의 도로등 차가 다닐 수 있는 폭이 있는 길이라면은 어디든지 헤집고 다녀야 하기 때문에, 그런 자동차에 맞추어 송전설비를 깔 수 없는 일, 그러므로 스스로 동력에너지을 싣고 다녀야 하는 문제를 안고 있어서, 그 기술적 제약의 타파를 위한 백가쟁명의 노력들이 쏟아져 나오고 있어, 이런 혼란을 부채질하고 있다할 것이다.

그래서, 동력에너지 즉 전기에너지를 싣고 다니는 배터리와 배터리 용량이 중요해진다. 그러나 1세기가 넘는 배터리 개발역사가 있슴에도 불구하고, 한번 배터리에 충전하여 150km~200km 정도 달릴 수 있는 수준이 한계를 보이고 있는 것이 문제의 핵심이다.

[이는, 현재 1,000kg기준의 차량이 감당할 수 있는 배터리 무게는 약 150~200kg이고,  이 배터리는 시속100km로 달리기 위해서는  대충 20kw의 구동전력이 필요한 모터가 사용될 터인데, 전문적으로는 '배터리 kg당 축전할 수 있는 전기에너지(kwh)' 즉 '배터리 비에너지(=에너지밀도)' 가 120~150wh/kg로 총 축전에너지는 (120 ~150)wh/kg x 200kg = 24,000~30,000wh=24~30kwh 로서,이는  차량의 20kw의 모터를 약  1.5~2.0시간 정도 돌리는 전기에너지를 축전할 수 있는 수준이기 때문에, 변.감속 및 변환효율등의 영향을 고려하여, 1회 충전 주행거리가  대충 150km~200km 간다는 것이다.]

가솔린 차량의 주행거리를 확보하는 것은 에너지밀도를 현재 150kwh/kg수준을 3~4배 즉 (450~600)kwh/kg 로 끌어 올려야 하는 것인데, 현재 리튬이온 폴리마(LIPB) 배터리기술의 발전속도로는 요원하고 당분간도 다소의 진전이 있다하드라도 획기적인 달성은 어려울 것이라는 전망이다. 그래서 화석연료를 대치하는 동력운행차는 다음과 같은 몇갈래 길로 진화할 것으로 예측된다.

앞으로 10여년 이상의 중.장기적 전망으로 보면, 아연공기전지나, 리튬공기전지등이 개발되어, 배터리의 용량 증대가 획기적으로 이루어 질 것으로 기대하는 전망도 있다. 예를들어, 리튬공기전지는 리튬폴리머 배터리 용량의 10배를 달성할 것으로 전망하고 있기도 하다.


용도에 맞추는 전기자동차


이 개념은 현재의 주행거리에 맞는 용도로 전기자동차를 사용한다는 것이다. Green Car 이미지에 맞게 배출가스기준으로 거의 무공해인 전기자동차의 용도는 다양하다. 대부분의 도시 출퇴근 차량의 운행 거리가 30~50km 인 것이 60% 내외라는 보고가 있듯이, 근거리 출퇴근수요를 대상으로 해도 충분한 수요가 있다는 것이다. 그외도 현재도 전기자동차가 쓰이지만, 공항, 병원, 공장, 비닐하우스등의 특정지역과 배달등의 특수목적용 운행차량은 근거리고 충전이 쉽기 때문에 이 목적의 전기자동차가 확산될 것이라는 것이다.


배터리 교환식 전기자동차


누구나 휴대폰이나 디지털카메라를 들고 다니면서 배터리가 다 되면 예비 배터리로 교환하거나, 충전소를 찾아가 1,000원정도를 넣고 10여분 충전하여 사용한 경험이 있을 것이다.  이때, 사용된 배터리를 버리고 새 배터리로 갈아끼우는 재생불능 배터리를 1차전지라하고, 충전하여 재사용하는 배터리를 2차전지라 하는 데, 자동차용 배터리가 1차전지라면, 그 폐기물이 엄청날 것이기 때문에, 재충전하여 사용하는 2차전지여야 함이 이론의 여지가 없이 당연하다 할 것이다. 

때문에 현재 3~4시간 걸리는 충전속도를 높이는 급속충전기술이 요구되고 있고, 충전관리등 부수되는 기술개발이, 배터리 용량증대와 아울려 요구되는 핵심기술이다. 배터리 용량증대, 급속충전기술개발, 충전소설치등의 Infra구축등등이 그나마 용도제한적인 전기자동차의 활성화의 전제조건이라 할 수 있다.

이런한 기술개발과 병행하여, 배터리 교환이라는 방식이 매력적으로 각광을 받고 있다. 마치 휴대폰 배터리를 갈아 끼우듯이 사용자는 주요소 충전하러 가듯이 배터리소모가 다되면, 배터리교환소로 가서 배터리를 갈아끼우는 것이다. 이 방식은 교환이 용이하게 배터리와 차량측에서 설계되고, 표준화 되어 개발된다면, 기존의 휴계소, 주유소등에 쉽게 Infra설치가 가능할 것이다.

용도제한용 근거리 전기자동차가 점차 많아지면, 그 차량의 보유자들이, 점차 멀리 가보고 싶은 욕망이 생길 것이고, 이런 수요가 증대하면, 자연스럽게 배터리 교환소가 등장하게 될 것이다. 배터리 교환식의 장점은 무엇보다, 배터리 초기구매비용이들지 않아 차량가격을 획기적으로 낮출수 있는 장점이 있다.  배터리는 차량렌트시 처럼, 그 배터리 차기교환시까지 렌트개념으로 이용하면 되기 때문이다. 

아마도 전기자동차 보급이 확산되면 부가적으로  무수한 교환소사업자들이 지금의 카센터처럼 새로운 사업분야로 등장할 전망이다.


발전기를 탑재한 전기자동차


가솔린 엔진에 버금가는 효율과  주행거리를 달성하는 꿈의 전기자동차가 오랫동안 연구되어 왔고 조간만 상용화 시대가 도래하고 있다고 보여진다.  이동의 특수성을 가진 수송수단의 동력공급에는,  앞서 언급한 배터리식 자동차에 직접전기를 발전시키는 발전수단을 동시에 탑재한 자동차 즉. 연료전지자동차(Fuel Cell Electric Vehicle)가 바로 그것이다.  연료전지자동차는 고압의 압축수소나 아연공기, 리튬공기등를 공기중의 산소와 스택을 매개로 결합하여 얻어지는 전기를  동력으로 직접 이용하거나 배터리에 충전하여 구동동력에 이용하는 시스템이다. 여기에서 사용되는  배터리는 보조 및 예비전원으로 사용된다.

수소의 압축수준이 고압으로 갈수록 소형화와 경량화가 되기 때문에 압축 및 용기기술과 스택의 내구성, 수소공급인프라구축등이 핵심기술이라 할 수 있으니, 최근 기술의 완성도와 안정성, 내구성등에 충분한 기술개발이 상용화수준에 가까워 지고 있어 조간만 시장에 등장할 예정이다.  또 아연공기, 알루미늄공기, 리튬공기를 산소중의 공기와 결합시켜 발전하는 금속연료전지시스템등도 향후 10~20여년전후에 상용화가 전망되는 데, 이들 자동차들도, 구동은 전기자동차기술을 기본으로 한다. 

연료전지는 휴대용, 가정용, 발전용, 수송용으로 그 용도가 대별되는 데, 발전용으로는 포스코등에서 이미 상용화가 되어 있고, 보일러회사등에서 가정용등으로 개발이 진행중이거나 상용화가 진행되고 있다. 

* 앞서 언급한 금속전지와 금속연료전지차이를 주목해야 하는데, 금속전지는 축전기능 즉, 외부 전원으로 부터 받아드린 전기를 금속판을 매개로 저장시켜 필요시 내보내는 배터리이고, 금속연료전지는 양극으로 금속분말등 적절한 금속물질을 연속적으로 공급하면서 금속과 공기중의 산소반응에 의해서 전기를 발생시키는 발전기로, 단순 축전이냐  내부전기생성과정의 유무에서 차이가 난다할 것이다


온라인 전기자동차


2009년 8월 11일자 신문보도에 의하면, 서울시는 KAIST와 세계 최고기술의 신개념 온라인 전기자동차를 개발하여 상용화하기 위한 테스트베드를 설치하고, 시범운행을 통한 기술발전을 도모하기 위하여  ‘친환경 온라인전기자동차 도입을 위한 협약’을 체결하였다고 한다.

서울시와 KAIST는 이번 협약체결 후 현재 매연, 악취 등으로 탑승자들이 불편을 겪고 있는 과천 서울대공원 코끼리열차 운행구간(2.2㎞)에 무궤도열차 제작 및 온라인 충전인프라를 금년 10월까지 구축하여 ‘온라인 전기자동차’를 운행하고, 시범운행 결과 평가 후 서울시내 버스전용차선에 온라인 전기버스를 도입할 계획이다.

'친환경 온라인전기자동차 시험 및 시범도입을 위한 협약’은 지난 7월 서울시의 ‘저탄소 녹색성장 마스터플랜’발표 후 2020년까지 서울시 대중교통수단의 100%를 그린카로 전환코자 하는 서울시의 의지 표명으로, 온라인전기버스 도입을 위한 기술개발 및 시범운행을 효율적으로 이루어지도록 하는 내용이 담겨져 있다.(출처: 2009년08월11일 환경일보)

온라인 자동차의 원리는 차량이 다니는 도로바닥에 전선을 심고 여기에 전류를 흘러보내면 자기장이 발생하고 이 자기장을 유도전류로 전환하는 수신장치를 차량내 탑재하여 전기를 만들어 내는 것으로 알려져 있다.  차량은 도선이 깔려 있는 도선위로 바닥에 심어둔 전선으로 부터 끊임없이 전기를 공급받아서 모터를 구동하여 움직이는 데, 차량이 도선의 위치를 벗어나드라도 일정한 시간동안은 배터리을 이용하여 전기를 공급하고 다시 도선위치로 복귀하면 정상적으로 실시산으로 전기에너지를 공급받는 방식이다.

이 경우에도 배터리는 활용되나 어디까지나 보조용으로, 일반적인 전기자동차용보다 배터리를 획기적으로 줄일 수 있고, 별도의 충전설비나 시간을 낭비하지 않는 장점이 있는 반면, 도로에 깔린 전선에 흐르는 자기장을 비접촉식으로 수신하기 위해서 도로에 심어둔 도선, 도로면 및 차량의 수신장치의 근접공간의 유지가 전기에너지 전달효율에 지대한 영향을 미칠 것인데, 이의 시공과 유지관리문제가 있을 것이다. 또, 일정 구간이나 지역의 특수목적으로는 적용이 가능하나, 일반도로용으로는 모든 도로에 전선을 심을 수 없는 비현실적인 점이 있고, 이때문에 차량의 운행의 지역적 제한이 있어 대중으로는 부적합한 점이 크다하겠다.


무선충전 전기자동차


온라인 전기자동차는 직접동력전달이 주목적이지만, 충분한 에너지 전달효율이 있다는 것이 개발된다면, 

앞서도 언급했듯이, 특수목적용 구간운행의 차량운행에 사용할 수도 있고,  또한, 일반대중용으로는 직접차량에 실시간으로 운행동력을 공급하기보다는 오히려, 충전기능으로 역활을 하게 하는 것이 어떨까 싶다. 즉, 예를들어 서울-부산 고속도로중 일정구간(대전역 전후 50km, 동대구역 전후 50km: 수치는 충전에너지의 가능량에 따라 정확히 계산될 것이다)에 이 설비를 해두면, 서울에서 출발하는 전기자동차의 배터리가 소모될 때쯤 이 무선충전시설로부터 수신된 에너지로 전기에너지를 보충하여 연속적으로 장기리 운행이 가능하지 않을 까? 즉 이런 목적으로 잘 계산되고 설계된 도로망이 구축된다면, 본래 목적의 온라인 자동차기능외에 전기자동차의 배터리 용량한계를 극복하는 길의 유용한 하나가 될 것이라는 생각이 든다.

또, 2007년 동경모텨쇼에 닛산자동차가 전기충전을 무선으로 할 수 있는 이른바 Plug Free 전기자동차를 선보인 이래 여러 곳에서 무선충전전기자동차의 개발방향을 제시하고 있다. 닛산이 채용한 원리는 마이크로파를 발생시키는 송전설비를 설치한 주차장에 전기자동차를 주차시키면, 전기가, 마이크로파로 차량내부에 있는 수전장치에 전달되어 전기자동차에 탑재되어 있는 리튬이온배터리에 충전한다는 것이다, 

또다른 아이디어로는 가로등처럼 마이크로파를 발생하는 송전설비를 도로변에 일정한 간격으로 두어서 차가 달리는 동안 연속적으로,  이 마이크로파를 수신하여 전기를 충전시키는 방식도 연구되고 있다. 이 개념의 차는, 일정한 용량의 배터리가 주력설비로, 주차장에 설치된 무선충전설비로 충전될 수도 있을 것이고, 달리는 중에 도로변에 설치된 무선송전설비로 전기에너지를 수신하여 소모되는 배터리에 축전하는 역활을 할 것이다, 앞서의 온라인 무선자동차처럼, 송전효율이 크고  송전에너지가 충분히 차량동력으로 전환될 수 있도록 크다면. 직접 동력에 실시간으로 공급되는 기능도 가능하지 않을까?


새로운 패러다임의 창조와 전환


지금 이시대는 가장 밀접한 비중으로 우리 생활을 지배하는 수송수단이 극적인  대변혁기에 들어서고 있슴은 부인 할 수 없다. 동력과 자동차문명이  기술문명을 모두 대변한다 할 수 없을 것이다. 하지만, 수송수단의 대변혁은, 문명의 패러다임을 새로 창조할 엄청난 파괴력을 가지고 있는 것이다. 왜냐하면, 자동차는 현대문명에 없어서는 안될 도구이면서,  동시에 화석연료의 고갈과 지구온난화 폐해주범이기 때문에, 역설적으로 이를 극복하는 것을 통해 문명의 패러다임을 Shift시킬  가장 극적인 Key를 쥐고 있다고 보기 때문이다.

2009년 10월 21일 매일경제 A9 Page '세계를 바꿀 에너지 5대기술' 이 소개기사가 있다.  전문가에 따라 다소 시각의 차이는 있을 지언정, 언급되는 기술이 앞으로 매우 주요한 기술인 것만은 분명하다 할 것이다. 소개하면.

1) 리튬공기전지
2) 이산화탄소 지하폐기기술
3) 우주태양광발전
4) 전력저장시설
5) 해조류바이오 연료

전기자동차분야에서 주목라는 것은 앞서에서도 언급하였듯이 리튬공기전지이다. 일단,  입력전기를 리튬과 공기중의 산소를 반응시키는데 사용하여 산화리튬을 만들면서 발생하는 전하형태로 축전시키는 원리이지 싶은 데, 리튬이온전지의 10배의 성능 즉 축전 성능을 달성한다고 하니, 이렇게 되면 굳이 앞서의 논의들의 의미가 퇴색된다. 왜냐하면, 단순한 산술계산으로 리튬공기전지 하나 달랑 달고 다니면, 가솔린엔진 이상의 주행거리를 달성할 수 있다는 것인데, 리튬의 매장량 및 상용가격, 리튬충전소의 Infra등이 이경우 고려되어야 할 핵심요소가 될 것이다.  그리만 된다면, 굳이 앞서의 논의처럼 그런 복잡한 개발과정과 Infran구축을 들여서 해야 하는가 하는 생각이 얼핏들기 때문이다.

하지만, 지금의 기술은 지금의 기술대로 상용화되어 문명사회에 기여하고, 새로운 기술은 새로운 시대를 대비하여 끊입없이 개발되고 발전되어야 하는 것이다. 미래기술만을 생각하고 당장 개발하고 실용화 할 기술, 현재의 기술을 기반으로 축적과 창조의 누적을 소홀히 한다면, 먼 미래 기술마저도 신기루처럼 결코 다가오지 않을 것이다. 우리가 단계적으로 기술과 문명의 발전을 예측하고 차근차근 축적과 창조의 누적을 밟아가는 노력과 그것에 상응하여, 부단히 패러다임을 전환하는 사고와 창조의 유연성을 발휘하는 지혜가 필요한 것이다. 처음부터 장대한 결과를 기대하는 것은 요행일 것이다. 

기술의 발전에는 경계가 없고, 한계도 없다.  한치앞도 내다보기 힘든, 산업사회, 기술사회의 소용돌이, 틈바구니 속에서 중장기 전망이라는 것이 호락호락 제대로 가능할 것인가? 오늘날의 전망은  오늘날의 전망일 뿐, 요즈음처럼 기술발전의 속도전에 앞일을 예측한다는 것은 작은 회사, 일개인의 입장에서는 가당찮은 일이기는 하다.  내가 아무리 통찰력(?)을 발휘한다해도 코끼리 다리만지듯 하는 것보다 못할 것이며,  그 시대는 지금의 전망과 전혀 엉뚱하게 흘러갈 개연성이 충분히 있는 것이다.

그렇다고, 미래의 불확실성에 압도당하거나,  호구지책에 연연하여, 중장기적 준비를  뭉개버린다면, 이 또한 당대에 책임을 회피하는 것이고, 후대에게 엄청난 잘못을 범하는 결과가 될까 두려운 것이다. 

안타깝게도, 오늘 내일의 호구지책이 아니라 10년이나 20년이상을 내다봐야하는 중장기적 기술을 전망하고, 이를 실천하기 위해서는  남겨진 자금과 시간이 나에게는 너무없다.  더구나, 새로운 패러다임의 창조와 자세전환에 저항하는 무지(?)한 세력과 장애들을 극복하기에도 벅찬 현실속에서....