전기 항공기가 전 세계 비행기의 상당 부분을 대체하기 위한 도전 과제
전기 항공기가 전 세계 비행기의 상당 부분을 대체하기 위한 도전 과제
  • 문소영 기자
  • 승인 2019.12.20 10:25
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Image Credit: Jag_cz/Shutterstock.com

[퓨처타임즈=문소영기자] 2018년 항공업계에서는 2억 7,600만 톤의 제트엔진을 사용했다. 그 양은 전 세계 석유생산량의 7%에 해당되며 전 세계 에너지 관련 이산화탄소 직접 배출량의 2.7%를 차지하고 있다. 더 나쁜 것은 다른 온실가스 배출과 이를 통해 형성된 난기류가 대기 중에 열을 가두어두는 영향과 함께 이산화탄소 직접 배출이 전체 지구온난화에 미치는 영향이 절반에 해당되는 것으로 추정되고 있는 것이다.

제트기는 지구에 심각한 피해를 주고 있으며 항공 수요의 증가는 이러한 피해를 더욱 증가시키고 있다. 친환경적인 여행을 가능하게 만드는 한 가지 기술은 전기 항공기이다. 그러나 전기 항공기 기술은 현실화가 가능하며 얼마나 큰 영향을 미칠 수 있을까?

비행기들은 점차 효율성이 높아지고 있다. 연료는 항공회사의 비용에 막대한 영향을 주는 요소이다. 그래서 비행기 설계자들은 연료 소모를 줄이기 위해 많은 노력을 하고 있다. 네이처 에너지에 실린 새로운 논문에 의하면 이러한 점진적인 연료효율 향상 노력은 연간 2%에 그치고 있으며 매년 항공 수요가 4.5%씩 성장하는 바람에 그 효과는 상쇄되고 있다.

논문의 수석 저자이며 유니버시티 칼리지 런던 에너지 연구소(UCL Energy Institute)에 재직하고 있는 안드레아스 새퍼(Andreas Schäfer) 교수는 전기 항공기가 항공 산업이 초래하는 모든 지구온난화의 근원을 없앨 수 있다고 말한다. 그는 전기 항공 분야의 잠재적인 경제적, 환경적 영향을 분석하는 연구를 수행하고 있다. 그러나 전기 항공기가 전 세계 비행기의 상당 부분을 대체하기 위해서는 중요한 기술적, 경제적 문제들을 해결해야 한다.

새퍼 교수는 ‘이러한 기회는 너무 커서 무시하기 어렵다. 그러나 문제는 이러한 목표에 도달하는 것이다. 그리고 가장 큰 도전 과제는 배터리’라고 말했다.

배터리 문제 : 중량과 파워

배터리 파워는 닭이 먼저인가 달걀이 먼저인가 하는 상황이다. 비행기의 부양력을 높이기 위해서는 더 많은 배터리를 필요로 하며 중량의 증가는 비행기의 부양력을 떨어뜨린다. 연구진들은 전기 항공기를 상용화하기 위해서는 배터리 에너지 밀도를 현재의 킬로그램 당 250와트시에서 800와트시로 네 배 정도 증가시켜야 한다고 말한다. 그렇게 되면 150명의 승객을 600해리(1,111km) 거리로 수송할 수 있는 전기 항공기가 만들어질 수 있다. 이 정도 사양이면 전 세계 항공기의 절반 정도를 대체할 수 있다. 항속거리를 1,200해리(2,222km)까지 끌어올릴 수 있다면 전 세계 항공기의 80%까지 대체할 수 있다.

그러나 연구진들은 지금처럼 에너지 밀도의 향상이 획기적인 돌파구가 없이 연간 3~4% 증가에 머물게 되면 금세기 후반에나 목표에 도달할 수 있을 것이라고 말하고 있다. 대부분의 학자들이 재앙적인 기후변화를 막기 위해 2050년 이전에 탄소 배출량을 대폭 줄여야 한다고 주장하고 있다는 점을 고려한다면 이는 너무 늦다.

새퍼 교수는 ‘현재 부양력의 한계 때문에 전기비행기는 묘책이 아니다. 지금처럼 매년 항공수요가 5%씩 증가하고 난 후에는 전기 항공기가 도입된다 하여도 항공 분야의 엄청난 복합 성장의 결과 때문에 오늘날의 탄소 배출 수준으로도 돌아가지 못할 수도 있다’고 말했다.

지금이 가장 좋은 시기이다

현재의 궤도를 따른다면 기후변화의 목표를 달성하지 못할 수도 있다. 태양을 이용한 지구공학적 접근 방식의 성장이 지구 온난화를 늦추고 있지만 이산화탄소 배출량의 제한이 없이는 결코 목표에 이르지 못한다. 이는 탄소배출량 제한을 위해서는 전기 항공기를 가능하게 하는 기술개발 경로를 설정하고 상응하는 조치를 당장 취할 필요가 있다는 것을 의미한다. 첨단 리튬-나트륨 배터리 기술이 목표를 달성할 수 있는 잠재력을 가지고 있지만 항속거리 향상 목표를 달성하기 위해서는 보다 더 야심찬 리튬 에어배터리의 개발이 필요하다. 그리고 비행기의 전체 중량을 줄이기 위해 아직 개발되지 않은 고온 초전도체를 활용한 가벼운 전기모터의 개발도 필요하다.

이러한 기술들이 개발되고 기술을 적용한 항공기를 개발하게 되면 환경에 미치는 영향은 막대할 것으로 예상되지만 우리가 생각하는 것보다 계산이 더 복잡하다.

복잡한 환경 발자국

전기 항공기가 모든 이산화탄소 직접 배출의 제거한다 하더라도 모든 항공 산업의 탄소 발자국은 배터리를 만들고 충전하기 위한 전력에 달려 있다. 2015년의 자료에 따르면 전기 항공기들은 실제로 제트항공기보다 더 많은 이산화탄소를 생성한다. 그러나 비 이산화탄소 영향까지 고려한다면 지구온난화에 미치는 영향은 30% 줄어든다. 그리고 그 차이는 전력망이 얼마나 환경적인 재생에너지를 사용하는가에 달려 있다.

전기 항공기 기술을 상업적으로 매력을 가지도록 만드는가 하는 문제도 있다. 연구진들은 1세대 전기 항공기를 비용효율적으로 만들려면 제트 연료의 가격이 배럴 당 100달러 이상이 되거나 전력 생산 원가가 kWh 당 4~6센트 이하로 떨어져야 한다고 말했다.

이는 기술 발전을 촉진하고 기후변화에 바람직한 영향을 주기 위해 탄소세 정책과 저탄소 전력에 상당한 지원이 있어야 한다는 것을 의미한다.

새퍼 교수는 ‘발전 시스템은 점차 청정하게 될 것이라고 확신하고 있다. 그러나 궁극적으로 전기 항공기가 경제적으로 생존할 수 있도록 만들어주는 탄소 배출 거래 시스템이 필요하다’고 말했다.


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