차량 동력 공급 가능한 도로 개발로 세계 에너지 전망을 밝히다

만약 도로가 차들이 지나다니는 길의 역할보다 더 많은 것을 할 수 있다면 어떨까? 만약 도로가 신호등이나 가로등, 표지판, 건물 등에 전원을 공급할 수 있거나 심지어 자동차가 그 위로 주행할 때마다 충전이 된다면? 세계적으로 에너지 수요가 계속 증가함에 따라, '스마트' 도로에 대한 시도가 곳곳에서 이루어지고 있다.

세계 에너지 위원회는 2050년까지 전세계 에너지 수요가 두 배로 증가할 것이라고 예측한다. 기존 에너지원만으로는 부족할 것이라는 긴장을 완화하기 위해, 전세계 혁신자들이 새로운 에너지 생산 방법을 개발하기 위해 신기술과 신재료의 사용을 시도하고 있다. 가장 창의적인 혁신 중 하나는 언제 어디서나 필요한 에너지를 포착, 저장, 재분배할 수 있는 "스마트 로드"이다.

 

이러한 시도 중 하나로 "포토볼타전지(photovoltaic cells)"로 알려진 강력한 태양 전지판으로 표면화된 도로들이 전세계적으로 생겨나고 있다. 2016년 프랑스 노르망디에서 첫 시험 도로가 개통 되었고, 2017년 12월 중국 상동 진안에서 세계 최초로 태양광 패널 고속도로가 개통됐다.

그리고 미국에서는 아이다호에 기반을 둔 신생기업 솔라 로드웨이가 지난 5년 동안 샌드포인트, 아이다호, 주차장에 있는 프로토타입 하나를 포함하여 미국 교통부와 3건의 계약을 체결했다. 각각의 솔라 로드웨이 유리 태양열 패널은 67와트의 전기를 만들어 낼 수 있다. 이 에너지는 도로의 눈을 녹이는 난방 솔루션이나 LED 조명이 들어오는 도로 표시 또는 그래픽에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다. 마이크로프로세서는 또한 패널과 차량 사이의 무선 통신을 용이하게 한다. 솔라 로드웨이스는 태양열 패널이 패널 위를 지날 때 전기차를 동적으로 충전할 수 있는 기술을 탑재하기 위해 파트너와 협력하고 있다.

 

"우리 패널들은 미국 전역의 여러 토목 공학 연구소에서 기존 방식의 도로와 동일한 테스트를 거쳤으며 우수한 결과를 얻었습니다,"라고 솔라 로드웨이 공동 설립자인 Julie Loadways는 말했다. "미국 48개 주에만 28,000 평방 마일 이상의 포장 표면이 있으며, 이러한 표면을 패널로 덮으면 연간 국가가 사용하는 전기 에너지의 3배가 넘을 것으로 예상합니다."

 

밝은 미래?

그러나 모든 사람이 태양 전지판 도로의 효과를 확신하는 것은 아니다. 악천후, 그늘, 먼지는 태양열 포획에 지장을 줄 수 있다. 대부분의 태양열 농장처럼 각도가 아닌 평지에 패널을 설치하면 효율성도 떨어진다. 예를 들어, 2,800 평의 태양전지 패널로 뒤덮인 노르망디의 1km의 도로는 하루에 800킬로와트의 에너지를 생산할 것으로 예상되었지만, 시범 단계에서의 실제 수확량은 그 절반에 불과했다.

“2030년까지전체에너지의60%재생가능한전기에너지를사용하겠다는캘리포니아의목표를달성하는데[고속도로에내장된압전크리스털(piezoelectric crystals)] 기술이도움될있다.”

PRAB SETHI 캘리포니아 에너지 위원회, 수석 프로젝트 매니저

또한 비용적인 측면이 있다. 노르망디의 태양광 도로는 건설에 560만 달러가 들었다. 미국의 표준 2차선 도로를 0.6마일 건설하는 데 드는 비용은 미국 도로교통건설협회(American Road and Transportation Builders Association)의 수치를 기준으로 평균 120~180만 달러 정도가 소요된다.

호주 뉴사우스웨일스에 본사를 둔 에너지 개발업체 CWP 리뉴얼의 Andrew Thomson 재생 에너지 엔지니어는 "공학적으로는 인상적인 결과치들이 나왔지만, 태양열 도로가 표준 태양열 농장이나 다른 재생 가능한 대안들에 비해 월등한 기여를 할 것이라고 생각하는 것은 완전히 우스꽝스럽다"고 말했다.

 

"긴 태양광 도로는 수백 개의 연결 지점이 필요해 건설하는 데 복잡하고 비용이 많이 들 것이기 때문에 대규모 실현을 위해서는 상상을 초월하는 도전과제가 뒤따른다. 호주에서 많이 설치중인 것과 같이, 같이 지붕이나, 주차장, 들판에 흔히 설치되는 전통적 태양전지 패널을 도로 양 옆의 벽을 따라 설치하는 것이 오히려 훨씬 비용 효율적이고 효과적일 수 있다. 몇 년 안에, 사용하기 벅찰 만큼 많은 에너지를 수집할 수 있을지도 모른다.

 

도로에서 얻어지는 키네틱 에너지

하지만, 태양전지 패널만이 도로를 스마트하게 만드는 유일한 선택은 아니다. 또 다른 프로젝트에서는 도로 위의 차량 무게에서 나오는 압력을 전기 에너지로 변환하는 시도에 대한 재정적, 기술적 타당성을 연구 중이다. 이 개념은 도로 표면에 내장된 압전 결정체 방식을 포함하는데, 이는 차량이 도로를 주행할 때 바퀴들이 결정체를 변형시키는 힘을 가하여 결정체가 전기를 발생하게 하는 방식이다.

 

압전 시스템은 이미 중간 정도의 성공을 거두었다. 2011년 말, 네덜란드 하덴베르크 대학과 공학 기관인 Tauw가 수행한 한 지방 고속도로에서의 파일럿 프로젝트는 이 시스템이 도로변 센서와 다른 저-에너지 애플리케이션에 전력을 공급하기에 충분한 전기를 발생시켰다는 것을 보여주었다. 하지만 이것은 신호등이나 가로등을 비추기에 충분한 전력을 생산하지는 못했다.

 

영국 랭커스터 대학의 기술자들은 대규모로 더 많은 에너지를 생산할 수 있는 압전 시스템을 개발하기 위해 2011년부터 연구를 수행하고 있다.

 

미국의 주 정부 기관인 캘리포니아 에너지 위원회(CEC)도 같은 일을 하고 있다. 미국 로스앤젤레스에 본사를 둔 에너지 수확 기술 회사인 Pyro-E와 캘리포니아 대학 Merced가 주도하는 두 개의 독립 압전 관련 프로젝트에 200만 달러를 투자했다.

 

CEC의 Prab Sethi 선임 프로젝트 매니저는 "두 기업 모두 실험실 시험 중 압축 부하로 시험했을 때 상당한 수준의 전력 출력을 발생시킨 초고밀도 압전 발전기 프로토타입을 제작했다"고 말했다. "이제 그들은 도로변 전등과 긴급 전화 부스에 전원을 공급하거나 배터리나 전기차를 충전, 또는 송전망에 공급할 수 있도록, 수확 전기를 조절하기 위한 통합 전력 전자 시스템을 제작하고 있다. 실제 시연은 2019년 말 민간 도로 또는 대학 캠퍼스 내의 도로에서 진행될 예정이다.

 

파일럿 프로젝트가 완료되면, CEC는 전력 생산량, 기대 수명, 내구성, 비용 및 마케팅 잠재력 측면에서 다른 재생 에너지원 대비 압전 시스템의 생존 가능성을 평가하게 될 것이다.

 

"성공할 경우 주요 고속도로에서 기술을 시험하기 전에 자본 비용을 낮추면서 전력 생산량을 늘리는 방법을 검토할 것이다." Sethi 박사는 "이 기술은 캘리포니아가 2030년까지 전체 에너지의 60%를 재생 가능한 전기에너지를 사용하겠다는 캘리포니아의 목표를 달성하는데 도움이 될 수 있다"고 말했다.

 

만약 이 기술이 캘리포니아의 광대한 도로 시스템의 일부가 된다면, 연구원들은 이 기술이 길가 불빛과 전화 박스에 전원을 공급하거나, 배터리나 전기 자동차를 충전하거나, 전기 시설망에 공급되는 데 사용될 것으로 예상한다.

하이브리드 시스템

한편, 다른 연구자들은 다양한 기술 조합으로 에너지를 생산하기 위해 노력하고 있다. 예를 들어, 샌안토니오에 있는 텍사스 대학교는 태양열 도로 표면에서 나오는 차량 진동과 열 에너지를 전력으로 변환하는 자가 동력 하이브리드 시스템을 연구하고 있다. 어떤 노면에서도 내장되도록 설계된 이 시스템은 국가 전력망과 완전히 독립적으로 작동하여 외딴 시골 지역에 에너지를 공급하는 데 이상적이다. 이 연구자들은 대학 캠퍼스의 도로에서 실시한 시범 서비스 결과, 이 시스템이 유망하다고 보고하고 있다.

미국 샌안토니오에 있는 텍사스 대학 토목환경공학부 교수인 Samer Dessouky는 "교통량이 많은 따뜻한 기후에서 작동하도록 시스템을 최적화했고, 열변환으로부터 29메가와트, 압전 에너지 변환으로부터 15메가와트의 연속 발전 수치를 기록했다"며, “교통신호등이나 가로등에서 낮은 전력을 사용하는 LED를 동작시키고, 교통과 도로의 상황에 관한 데이터를 수집하는 센서를 활성화하여 안전성을 향상시키고 유지관리 비용을 절감하는 목적으로 활용하는 데 충분하다."고 설명했다.

도로인프라와고전적인전기그리드방식은미래에너지수요를맞추기위해발전해야한다. 우리는두가지모두를위한기술을개발중이다.”

JULIE BRUSAW, SOLAR ROADWAYS의 공동창업자

그렇다고 해서 시스템이 상업화가 될 준비가 되어 있다는 뜻은 아니다.

 

Dessouky는 "이 시스템은 기존의 녹색 발전 시스템(태양광 패널 등)과 경쟁할 준비가 되어 있지 않으며, 주요 도로에 솔루션을 설치하기 위한 기술적 문제가 여전히 많다.”며, "장기적인 기능 극대화를 위한 현장 배치 후 최적화 작업이 더 늘어날 것으로 예상한다"고 말했다. 하지만 더 효율성이 높은 기기들을 더 많이 생산해 낼 수 있는 공급자들이 더 많아짐에 따라, 압전 변환기나 열전 발전기, 위상 변화 재료의 가격이 점점 더 저렴해지고 있는 것도 사실이다.

다른용도

또 다른 곳에서는, 전기 자동차(EV)가 이동하면서 충전할 수 있도록 하는 전기 및 전자기 유도 솔루션에 초점을 맞추고 있다. 예를 들어, 이스라엘에 본사를 둔 ElectReon은 텔아비브에서 주행할 때 EV를 충전하는 데 사용할 수 있는 동적 무선 전력 전송 기술을 시범 도입하고 있다.

 

ElectReon의 Noam Ilan 사업개발 부사장은 "도로에서 발생하는 전기는 아니지만, 무거운 배터리를 들고 다니거나 기존 충전소에 플러그를 꽂지 않고도 장시간 주행할 수 있도록 재생 에너지를 EV로 전달하는 데 이상적인 방법을 제공한다"며, "자동차 제조업체 르노닛산의 전기차를 이용한 테스트를 통해 우리의 강력한 시스템이 다른 조건에서 자동차에 전기를 효율적이고 안정적으로 전달할 수 있다는 것을 보여줬다"고 설명했다.

 

텔아비브에 본사를 둔 Dan Bus Company은 2019년 파일럿 프로젝트를 통해 대중교통인 버스에서 이 시스템의 잠재력을 시험할 계획이다. Ilan은 ElectReon이 2020년까지 전면적인 상업화가 가능해지기를 기대한다고 말했다.

 

2030년까지 화석 연료 없는 교통 인프라를 목표로 하는 스웨덴은 여러 가지 혁신적인 프로젝트를 시행하고 있다. 하이브리드 트럭은 2017년부터 힐스타와 샌드비켄 사이의 도로를 주행하면서 오버헤드 전기 포인트에 연결하여 충전할 수 있었다. 2018년, 세계 최초로 수도 스톡홀름 외곽에 설치된 전기식 트랙에서 EV를 충전하는 도로가 개통되었다. 지역 컨소시엄인 eRoadArlanda가 개발한 이 시스템은 도로 아래에 설치된 2개의 전기식 레일 트랙으로 구성되어 있다.

트랙은 통과할 때 EV 하부에 부착된 이동 가능한 암에 동력을 전달한다. 초기 시험 도로는 길이 2km 정도이지만 두 번째는 20~30km에 이른다.

 

또한, ElectReon은 스웨덴의 고틀란드 섬의 공항과 비즈비 시 사이 구간인 전체 4.1km 도로의 1.6 km 구간을 전기화하기 위한 컨소시엄에 참여하고 있다. 그것은 전기 트럭과 버스를 대상으로 무선 충전을 시도할 예정이다.

 

스스로 충전하는 도로

재생 가능한 자원으로부터 전기를 수집하기보다는 스스로 생산할 수 있는 도로가 궁극적인 꿈이다. 이러한 도로들이 현재 실험 단계에 있지만, 새로운 가상화, 시뮬레이션 및 3D 모델링 기술은 연구자들이 더 나은 성능과 더 비용 효율적인 재료를 설계하여 현실과 더 가까워지도록 도울 수 있다.

 

eRoadArlanda의 발명가 겸 연구 개발 관리자인 Gunnar Asplund는 이러한 도전에 대해 현실적으로 접근한다.

 

"도로가 자체 전력을 생산하도록 하는 것은 좋은 생각이지만, 대부분의 스마트 도로는 매우 작고 고립된 전기 그리드의 일부가 될 것입니다,"라고 그는 말했다.

 

솔라 로드웨이의 Brusaw는 이와 같은 시도를 이점으로 본다며, "새로운 태양열이나 풍력 발전소를 건설하는 것은 땅을 차지하며 야생 동물들에게 해를 끼치지만, 우리는 이미 수백만 킬로미터의 도로를 가지고 있다. 집중화된 태양열이나 풍력 발전소와 달리 태양열과 다른 스마트 도로는 사이버 공격 중에는 차단할 수 없는 분산형 그리드를 만들어 국가 안보를 강화한다. 도로 인프라와 노후화된 전기 그리드는 미래의 에너지 수요를 충족시키기 위해 업그레이드가 필요하며, 우리는 이 두 가지를 모두 수행할 수 있는 기술을 개발하고 있다."고 설명했다.

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