혁신적 소재가 지속가능한 E-도로를 현실로 만들다

수송 부문이 전 지구적 기후 변화와 CO2 배출에 크게 기여함이 밝혀졌습니다 [1]. 전기차(EV)는 청정 에너지 행성으로의 전환에서 전략적 중요성을 가집니다 [2].

EV 보급은 대기 오염물질 최소화, 도시 공기 정화, 소음 배출 감소, 경제 활성화 등 수많은 환경·사회·경제적 혜택을 약속합니다 [3]. 에너지원이 풍력·태양광 같은 청정 에너지로 전환될 때 EV는 에너지 소비와 온실가스 배출을 크게 줄일 수 있습니다 [4][5].

광범위한 EV 보급의 혜택은 놀랍지만, 일반 수용 과제는 여전히 큽니다. EV가 최근 성능과 주행거리 면에서 크게 발전했지만, 배터리 무게·크기·비용, 작거나 없는 충전 인프라, 긴 충전 시간, 기존 차량 대비 상대적 고가 같은 한계가 남아 있습니다 [3].

EV 인프라 개발은 EV 광범위한 보급을 이루기 위해 직면해야 할 핵심 과제입니다. 이 맥락에서 전기화 도로는 EV 확산 한계를 극복할 중요한 역할을 할 수 있습니다.

EV 배터리의 한계

EV의 핵심 한계를 풀기 위해 EV 배터리 개발과 최적화를 더 밀어붙이는 게 당연한 해법 중 하나입니다. 하지만 배터리 기술 개선이 성공하더라도, 기후, 환경, 자원 접근 관련 다른 과제들이 아직 남아 있습니다.

EV 배터리 관련 지속가능성 우려는 아직 완전히 해소되지 않았습니다. 근본적으로 리튬, 코발트, 니켈, Li-ion 구동 배터리의 핵심 금속들이 지속가능성을 모순시키지 않고 지속가능하게 채굴될 수 있는지 이해하는 게 중요합니다 [6].

예컨대 코발트 채굴은 세계 최빈국 중 하나인 콩고민주공화국에 집중돼 있습니다. 이 나라는 코발트 가치사슬의 투명성이 제한적이고, 인권 침해, 위험한 작업 환경, 강제노동, 아동노동의 강력한 증거가 있습니다 [7][8]. 리튬 공급업체도 윤리적 조달 고려사항을 다뤄야 합니다. 게다가 리튬이온 배터리 수요가 항상 충족될지 보장되지 않습니다 [9][10].

EV 충전 기술

기술 개선은 EV 충전 기술에도 미칩니다. 현재 EV 충전 기술은 플러그인, 전도성, 유도성으로 분류할 수 있습니다.

플러그인 충전은 거의 모든 기존 EV를 충전할 수 있지만, EV를 주차시키고 물리적으로 에너지원에 플러그를 꽂아야 합니다. 반면 전도성 충전 기술로는 EV가 이동 중 팬터그래프로 전력선과 접촉해 짧은 시간에 고에너지 전송이 가능합니다.

더 최근의 유도 기술, 즉 무선 전력 전송(WPT)에서는 주행 중이나 짧은 정차 시 유도 결합으로 EV에 무선으로 전력을 전송합니다 [2][11].
간단히 WPT 기술은 이렇게 설명됩니다:

전력망 전류가 송신 코일을 통과합니다;
전류가 자기장을 생성합니다;
자기장이 같은 주파수로 튜닝된 수신 코일에 전류를 유도합니다;

아직 성숙 기술은 아니지만, WPT는 EV 보급을 가로막던 많은 한계를 극복할 수 있습니다 [12].

유도 기술은 여러 이점을 제공합니다 [13]:

배터리 주행거리 증가 → 주행거리 불안 감소;
더 작은 배터리와 더 빠른 충전 → 이동성 증가;
운전자가 지저분하고 잠재적으로 위험한 케이블(비, 케이블, 반달리즘 등)을 다루지 않아도 되고, 충전 과정이 더 쉽습니다.

무선 충전용 E-도로

전기 도로(E-도로)는 공상과학 비전 같지만, 생각보다 빠르게 현실화되고 있습니다. E-도로는 이론적으로 이동 중인 무제한 EV를 무선 충전해 충전소 병목현상을 피할 수 있습니다 [6].

E-도로에 구현된 근거리 WPT 기술은 제한된 에어갭 거리에서 고출력으로 수신 장치에 유도적으로 전기를 공급할 수 있습니다. 충전 전력, 전송 거리, 효율, WPT 시스템 안전성 측면에서 지난 10년간 상당한 진전이 있어 실용적 구현이 크게 앞당겨졌습니다 [14]. 게다가 동적 충전용 도로 배선을 전면적으로 까는 건 다수 전기차에 대용량 배터리 쓰는 것보다 더 지속가능할 수 있습니다 [13].

E-도로 건설 기술은 현장 기반 또는 프리팹 기반 설치로 개발 중이며, 다음과 같이 분류됩니다 [15]:

트렌치 방식(지하층 또는 표면 플러시 시공);
마이크로 트렌치 방식(지하층만 굴착);
전차로 교체(전차로 폭 지하층 또는 표면 플러시 시공);
프리팹 전차로 폭(지하층 또는 표면 플러시).

트렌치 기반과 마이크로 트렌치 기반 건설 옵션의 잠재적 이점은 (전차로 폭 시공 대비) 짧은 설치 기간, 굴착 폐기물량 감소, E-도로 시스템 유지보수 접근 용이성입니다 [16].

E-도로를 가능케 하는 소재

E-도로는 WPT를 EV 충전 시스템으로 채택하게 하는 특정 소재의 자기적 특성 덕분에 현실이 되고 있습니다. 자화성 소재, 콘크리트, 아스팔트 사용은 수송 부문에 많은 기회를 엽니다 [16].

'Talga'와 'Betotech'가 업계 표준 시멘트에 프리스틴 그래핀, 흑연, 광석 가공 부산물인 실리카 풍부 물질을 첨가해 콘크리트를 전도성 있게 만드는 솔루션을 제시했습니다 [17]. 이 그래핀 강화 콘크리트는 0.05 옴·cm의 낮은 전기 저항률로 고전도성입니다. 비슷한 건조도에서 시멘트 모르타르는 놀랍게도 약 1,000,000 옴·cm의 일반적인 저항률을 가집니다.

그래핀의 흥미로운 대안은 'Magment'가 제안한 솔루션입니다. 자기 페라이트 입자를 골재로 써 고주파 전류 유도 시 자성을 띠는 자화성 콘크리트 소재(시멘트 또는 아스팔트 기반)입니다. 기존 콘크리트 기계적 특성을 유지해 기존 도로 시공 관행과 완전히 호환되는 특허 기술입니다.

WPT는 자기장을 제어하기 위해 다른 자기층이 필요합니다. 수신기 방향으로 유도하고 지면 쪽으로 제한하기 위해서입니다.

엔지니어드 메타물질(MM)을 사용하면 전자기파를 조작해 송신 코일 효율을 우수하게 높일 수 있습니다.

특히 Magment 기술의 경우, 자화성 콘크리트 기판 아래 반자성 메타물질(DM) 층을, 코일 위에는 필드 포커싱(FF) 층을 둡니다 [17].

이 콘크리트는 페라이트 산업 제조 폐기물과 급증하는 전자 폐기물 재활용에서 주로 얻는 자화성 골재가 거의 87%를 차지합니다. 페라이트는 자연에 풍부한 망간, 아연, 칼슘, 알루미늄 등 다양한 금속 원소의 산화철로 구성된 세라믹 소재입니다. 주목할 긍정적 측면은 페라이트 입자가 주로 페라이트 산업 재활용 소재와 급증하는 전자 폐기물에서 얻어지며, 전자기적 특성은 미지수일 수 있습니다 [18].

E-도로의 기술적 측면

E-도로는 내장 기술 장치 때문에 기존 도로보다 구조적으로 더 복잡합니다. E-도로의 내구성과 최소 유지보수는 구현의 핵심 요소입니다. 노면은 휨이나 궤적에 대한 높은 기계적 저항을 제공해야 합니다. 50-60년 성능 수명의 콘크리트 도로는 요구되는 장기 내구성을 충족할 수 있습니다. 하지만 E-도로는 최적화를 위한 추가 연구가 필요합니다.

WPT 기반 E-도로 시스템의 가장 중요한 구성요소는 콘크리트 모듈과 파워 일렉트로닉스로 이뤄진 충전 유닛(CU) 슬래브입니다. 여기엔 전도성 코일과 자기 페라이트 같은 충전 시스템이 포함됩니다.

E-도로 구조 무결성 개선은 매우 중요합니다. 고품질 코팅, 응력 완화 막이나 직물, 중요 인터페이스의 플러그 조인트 소재, 보강재, 아스팔트 오버레이 그라데이션 등이 포함됩니다 [15][16].

적용 시나리오

유도 충전 기술(정적, 정차, 동적)은 다양한 적용 시나리오에 채택될 수 있습니다.

정적 충전 기술은 주차장, 버스 정류장 버스 주차, 화물차 적재/하역 시 채택 가능합니다. 정차 충전 기술은 택시 승강장 대기 택시, 버스 정류장 정차 버스, 교차로 정차 차량에 채택 가능합니다. 동적 충전 기술은 전용 충전 차선이 있는 고속도로와 도심 도로에 채택 가능합니다 [2].

WPT는 유효한 기술로 입증되고 있으며, 특히 대중교통과 물류 분야에서 가까운 미래에 채택될 가능성이 높습니다.

배터리 비용과 자율성은 여전히 전기 버스와 화물차 fleet 보급의 한계입니다. 하지만 이런 차량들은 항상 같은 경로를 다니므로 WPT 동적 충전 기술의 이점을 온전히 누릴 수 있습니다. 게다가 이 기술로 배터리 치수를 최대 70% 줄일 수 있다고 추정됩니다. 이는 전체 차량 무게를 줄이고 배터리 성능을 연장합니다.

유도 충전은 2003년 이탈리아 토리노, 2010년 네덜란드 위트레흐트부터 대중 버스를 구동해 왔습니다. 한국, 이스라엘, 독일도 공공 전기 버스 동적 충전용 수송망을 성공적으로 구현했습니다 [12][13][19].

반면 노르웨이는 장거리 중량 화물 수송 동적 충전 구현에 집중합니다. 노르웨이 도로 5% 전기화로 대형 차량 배출가스의 거의 절반을 줄일 수 있다고 봅니다 [6].

택시는 공항, 기차역, 호텔 등 전략적 장소에서 대기하거나 주차해야 합니다. 플러그인 기술은 택시를 몇 시간씩 주차장에 묶어둡니다. 무선 기술이 이 핵심 한계를 성공적으로 극복할 수 있습니다.

오슬로는 세계 최초로 동적 WPT를 구현해 택시 승강장 서행 대기 중인 전기 택시 충전을 가능케 할 예정입니다 [22][23].

또한 물류 부문에서 전기 지게차와 지상 지원 장비(GSE) 같은 차량이 선택된 경로에서 정차 충전 없이 WPT 잠재력을 활용할 수 있습니다 [14][17].

세계 여러 곳에서 고속도로 전기화 구현 프로젝트가 개발 중입니다. 스웨덴의 '스마트 로드 고틀란드' 프로젝트, 영국 '하이웨이 잉글랜드' 작업 등이 있습니다.

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