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전기 자동차는 얼마나 환경 친화적인가?

작성자 :
정기찬
조회수 :
638
작성일 :
2012-07-24
 본문은 전기 자동차로 미국 도로 상의 소형차를 대체할 때 얻을 수 있는 온실가스 배출 절감과 석유 소비 절약을 계산하였다. 결과는 비관적으로 그 효과는 미미하다는 결론이다. 이는 현재 미국의 배전망에 공급되는(따라서 전기 자동차에 충전될) 전기가 대부분 화석연료로 발전되는 탈-탄소 에너지가 아니기 때문이다.

○ 본문은 심지어 미국에서는 플러그식 하이브리드 차를 구매한 운전자가 이 차를 플러그에 연결하지 말고(배전망에서 전기를 공급 받지 말고) 항상 휘발유로만 가동하는 것이 온실가스 배출을 최소화하는 길이라고 까지 주장한다.

○ 따라서 전기 자동차 단독으로는 온실가스 배출의 실질적 절감과 석유 소비 감소를 이루지 못한다. 거기다 배터리 무게 및 부피는 주행거리에 대해 선형관계가 아니다. 원칙적으로 배터리를 추가하면 주행거리가 증가된다. 그러나 추가된 배터리를 지원하기 위한 보조 구조의 증가되는 무게는 추가적인 배터리가 필요하다. 따라서 전기 자동차가 온실가스 문제에서 평가할만한 의미를 가지려면 배터리의 에너지 밀도가 대폭 개선되어 전기 자동차가 장거리를 달리는 대형 차량을 대체 할 수 있어야 하거나 전기가 재생에너지로 생산되어 무-탄소 에너지여야 한다.

○ 그러나 연료전지 차량에는 상당한 기대를 가지고 있다. 천연가스를 전환시킨 수소(따라서 온실가스를 대기로 배출한다.)로 구동하더라도 온실가스 배출 절감은 상당하다는 주장이다. 더구나 매립지 가스나 폐수처리 공장에서 발생하는 메탄(재생 자원)을 수소 생산에 쓰는 것이 이 문제의 궁극적인 해결책으로 보고 있다.

○ 메탄은 이산화탄소에 비해 지구 온난화 잠재력이 23배나 큼으로 재생에너지 회수 차원이 아니라 온난화 방지 차원에서도 포획 소각하여 이산화탄소로 전환해야 한다. 그러나 매립지 가스의 완전 포집은 아직 기술적으로 거의 불가능하며 발생량이 매립 1년 후부터 급격히 감소하여 단기적인 이동식 가스 포집장치를 사용해야 하는데 이는 매우 비경제적이다.

도로에서 타이어를 개입시켜 급전하는 기본 원리를 확인 / 염가의 전기 자동차(이하, EV)를 실현 / 장거리 주행 시 충전도 불필요 -

도요하시(Toyohashi University of Technology) 기술 과학 대학 파동 공학 연구실은 도로의 노면 아래에 설치한 전극으로부터 타이어를 개입시켜 차량 내에 전력을 공급하는 기술의 기본 원리를 실증했다고 발표하였다. 실용화되면 EV에 대용량의 배터리를 탑재하지 않고 장거리를 주행할 수 있게 된다.

현 시점에서의 전기 자동차(EV) 최대의 결점은 주행거리가 짧은 것으로 예를 들면 닛산(Nissan) 자동차의 `리프(Leaf)`는 JC08 모드로 200km가 되지만 더운 여름이나 추운 겨울에 공조를 사용하면 주행거리는 더 짧아진다. 주행거리를 늘리기 위해서는 탑재하는 배터리의 용량을 늘리면 되지만 그 만큼 가격이 올라간다. 2012년 6월 22일 미국에서 발매된 Tesla Motors의 `Model S`는 리프의 약 3.5배라는 85 kWh의 배터리 용량을 탑재하고 있어 주행거리는 425 km에 이른다. 그러나 7만 7,400달러(약 8,601만 원)인 가격은 싸다고는 할 수 없다.

이러한 EV의 과제를 해결하는데 있어서 검토되고 있는 것이 팬터그래프(Pantograph)와 가선(架線)을 사용하여 전력을 공급하는 전철과 같이 도로로부터 EV에 전력을 공급하는 시스템이다. 도로로부터 전력이 공급되면 대용량 배터리가 없어도 EV를 주행할 수 있다. 즉 정차 중에 대용량의 배터리에 충전하는 것이 아니라 주행 중에 급전을 계속한다는 구상이다.

도요하시 기술 과학 대학의 파동 공학 연구실은 2012년 6월 27일 도로의 노면 아래에 설치한 전극으로부터 타이어를 개입시켜 차량 내에 전력을 공급하는 기술의 기본 원리를 실증하였다고 발표했다. 향후 시니어 카트를 개조한 1인승의 EV를 이용한 실험을 실시할 예정으로 5년 이내 본격적인 EV를 이용한 실증 실험을 시작하고 싶다고 한다.

파동 공학 연구실 교수는 도로로부터 공급되는 전력으로 주행하는 EV를 `전화(電化) 도로 전기 자동차(EVER : Electric Vehicle on Electrified Roadway)`라고 부르고 있다. EVER에서 자동차는 항상 노면에 접지하고 있고 일반적인 타이어는 트레드 표면 근처에 도체가 되는 스틸 벨트가 조립되어 있으며 주파수가 수MHz의 고주파 전류를 이용하면 통상은 절연체인 콘크리트나 타이어의 트레드는 유전체로서 작용하여 도로 아래의 전극과 스틸 벨트를 유도 결합시켜 적은 손실로 전류를 흘릴 수 있다는 점에 주목하여 개발하였다.

즉 도로 아래의 전극과 스틸 벨트의 사이로 도로 표면의 콘크리트와 타이어의 트레드를 매질로 하는 콘덴서가 형성되고 있다고 생각하면 된다. 전류의 흐름으로서는 고주파 전원 회로, 도로 아래의 전극, 도로 표면의 콘크리트, 타이어의 트레드, 스틸 벨트, 래디얼, 알루미늄 휠, 차축, 차량 내부로 통과하게 된다. 입력과 역 측의 차축으로부터 고주파 전원 회로로 향하여 전류가 흐른다.

다만 통상의 고주파 전원을 사용하여 전류를 흘려도 도로 아래의 전극으로부터 스틸 벨트에 전류는 흐르지 않는다. 이것은 고주파 전류에 대한 타이어의 전기적 매질 정수가 통상의 전기 회로와 크게 다르기 때문에 흘린 전류의 대부분이 반사하기 때문이다. 거기서 전원과 타이어의 사이에 작은 코일과 콘덴서로부터 되는 회로(LC 회로)를 삽입하였다. 이 LC 회로는 반사된 고주파 전류의 위상을 180도 늦추어 재차 반사하는 기능이 있다. 이것에 의해 타이어 표면에서 반사된 고주파 전류를 위상을 180도 늦추어 재반사한 고주파 전류에 의해서 대체함으로써 도로 아래의 전극으로부터 스틸 벨트에 높은 효율로 전력을 공급할 수 있게 된다. 이것은 무선 통신용 전력 증폭기에 이용되고 있는 고주파 회로 기술을 응용한 것이다.

이번 발표한 기본 원리를 확인하기 위한 실험에서는 고주파 전원을 접속한 알루미늄 전극으로부터 아크릴의 절연판을 개입시켜 시판하고 있는 승용차용 13인치 래디얼 타이어의 스틸 벨트에 전력을 공급해 차축과 접속한 60W의 백열전구를 점등시키는 것에 성공하였다. `이론적으로는 80% 이상의 효율로 전력을 공급할 수 있다. 이번 실험에서는 효율을 정확하게 측정하고 있는 것은 아니지만 백열전구의 밝기에서 80% 이상의 효율은 확보 되어 있다고 한다. 그리고 차축과 백열전구의 사이에서도 반사가 일어나기 때문에 고주파 전원과 같은 LC 회로가 조립되어 있다.
EV의 주행 중 도로로부터 급전하기 위한 기술로서는 무선급전을 이용하는 수법이 제안되고 있다. 그러나 노면 아래에 매립된 코일과 EV의 코일과의 사이에 있는 공간(에어 갭)으로부터 누설된 자계에 의한 노이즈의 영향이나 도로에 매설한 코일은 유지비용이 높다고 하는 문제점이 있다. 이것에 대해서 EVER의 경우 에어 갭이 존재하지 않기 때문에 노이즈의 영향이 작고 도로에 매설한 전극의 도체 평판이나 가는 도선을 조립한 시트는 유지비용이 낮다는 장점이 있다.

EVER에서는 모든 도로에 전극과 고주파 전원을 매립하는 전화 공사를 하는 것을 상정하고 있지 않다. 고속도로와 주요 간선도로는 전화 공사를 실시하여 배터리의 전력을 사용하지 않고 주행할 수 있도록 한다. 한편 자택에서 고속도로나 간선도로의 입구까지 등의 일반도로로는 소용량의 배터리로 주행하게 된다. 이것에 의해 EV는 대용량의 배터리가 불필요하게 되어 염가로 되어 장거리를 충전하지 않고 주행할 수 있게 된다.

다만 고주파 전원을 도로에 매립하기 위한 비용 등 과제는 많다. 현재 공장이나 공항과 같이 정해진 코스를 주행하는 업무용 차량이나 노선버스 등에서의 실용화를 목표로 하게 될 것 같다.

<참고자료 1> 도요하시 기술 과학 대학이 기본 원리를 실증한 EVER의 이미지
<참고자료 2> (좌) `EVER`의 기본 원리를 실증하는 시스템의 구성 / (우) 등가 회로.

키워드 : 전기 자동차, 주행, 급전, 타이어

출처 : http://eetimes.jp/ee/articles/1206/28/news058.html

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