This is what’s keeping electric planes from taking off

전기 항공기가 성공하기 어려운 이유

전기 항공기를 만들려는 시도가 이어지고 있다. 전기 항공기가 도입되면 탄소 배출에서 큰 부분을 차지하는 항공 업계의 탈탄소화에 도움을 줄 수 있겠지만, 현재 배터리 기술로는 전기 항공기의 운항 거리가 크게 제한될 것이다.

여러 스타트업이 전기 항공기를 도입해서 전 세계 온실가스 배출량의 약 3%를 차지하는 항공산업의 배출량을 줄일 방법을 탐색하고 있다. 문제는 최근 분석에 따르면 현재 기술로는 전기 항공기로 승객 수십 명을 태우고 약 50km 정도 운항하는 것이 안전하게 운항할 수 있는 한계라는 점이다.

전기 항공기의 승객 수와 운항 거리를 제한하는 요인은 바로 ‘배터리’이다. 특히 좁은 공간에 저장할 수 있는 에너지의 양이 관건이다. 비좁은 창가 좌석에서 다리를 굽히고 있어 봤거나 수하물 무게 초과로 추가 요금을 낸 적이 있다면 비행기의 공간 및 무게 제한에 익숙할 것이다.

현재 배터리의 에너지 밀도(energy density)를 고려하면 배터리로는 아주 가벼운 비행기밖에 움직일 수 없다. 게다가 그렇게 가벼운 비행기라고 해도 현재 전기 배터리로 비행할 수 있는 거리는 자전거로 멀리 이동할 수 있는 거리 정도에 불과할 것으로 보인다.

배터리 기술은 지난 30년 동안 계속해서 발전해왔다. 기술의 발달로 점점 더 작은 공간에 더 많은 에너지를 채울 수 있었다. 배터리 기술이 앞으로도 계속해서 개선된다면 전기 항공기도 실현 가능한 선택지가 될 수 있을 것이다. 그러나 아직은 그 정도 수준에 도달하지 못했다. 따라서 전기 항공기의 미래는 결국 배터리 기술의 발전에 달려있다고 할 수 있다.

전원 공급

전기 비행은 여러 면에서 매력적이다. 기후변화의 원인인 전 세계 온실가스 배출에서 항공 부문이 차지하는 비율이 점점 늘어나고 있는 상황에서 전기 항공기를 도입할 수 있다면 계속해서 성장하는 항공 부문의 탈탄소화 속도를 높이는 데 도움이 될 수 있을 것이다.

전기 항공기를 도입하면 항공 부문의 배출량을 상당히 줄일 수 있을 것이다. 국제청정교통위원회(International Council on Clean Transportation, ICCT)의 교통 분석가 자이언트 무코파다야(Jayant Mukhopadhaya)는 재생에너지로 충전된 배터리로 움직이는 비행기를 사용하면 제트연료(jet fuel)로 운항하는 오늘날의 비행기를 사용했을 때보다 탄소 배출량을 거의 90%나 줄일 수 있다고 말했다. (남은 10%는 주로 배터리를 생산할 때 발생할 것이다. 대부분의 항공기는 매년 배터리를 교체해야 할 것이기 때문이다.)

배터리는 또한 전기를 효율적으로 사용하는 방법이기도 하다. 전기 항공기에서는 배터리를 충전하는 데 사용하는 에너지의 약 70%가 실제로 비행기에 동력을 공급할 것이다. 배터리와 모터에서 약간의 에너지 손실이 있겠지만, 이 정도 효율은 항공 탈탄소화를 위해 고려되고 있는 다른 선택지와 비교하면 훨씬 높은 수준이다. 예를 들어 다른 선택지에 포함되는 수소나 합성연료는 에너지 효율이 20~30%에 불과하다.

이러한 잠재력 덕분에 여러 스타트업이 2030년까지 비교적 짧은 거리를 비행하는 소형 전기 항공기 도입을 희망하고 있다.

스웨덴의 스타트업 하트 에어로스페이스(Heart Aerospace)도 전기 항공기 사업을 꿈꾸는 그러한 업체 중 하나다. 회사의 CEO 안데르스 포르슬룬드(Anders Forslund)는 자사의 19인승 항공기가 2024년 시험 비행을 시작할 것이고 2026까지는 상업적 비행이 가능할 것이라고 말했다.

포르슬룬드는 “우리의 목표는 전 세계를 가장 적당한 가격에 친환경적으로 빠르게 이동할 방법을 만드는 것”이라고 말했다.

하트 에어로스페이스는 스칸디나비아의 피오르를 횡단하는 것과 같은 틈새시장부터 시작할 계획이다. 이 노선은 지상 교통으로 대체하기 어렵고 노르웨이 같은 일부 국가에서는 정부로부터 보조금을 받을 수 있다.

그러나 포르슬룬드는 이것이 시작에 불과하다고 말하며 목표는 항공 노선을 전 세계로 확대하는 것이라고 밝혔다. 하트 에어로스페이스는 현재 배터리 기술로도 약 400km를 비행할 수 있다고 주장한다. 400km는 뉴욕시에서 보스턴까지 또는 파리에서 런던까지 거리에 해당한다.

아주 긴 거리라고 할 수 없는 이 정도 거리를 비행하려고 해도 엄청난 양의 배터리가 필요하다. 하트 에어로스페이스의 19인승 비행기에는 배터리만 3.5톤 정도 필요할 것으로 보이는데, 3.5톤이면 전기차 8대에서 10대에 실리는 배터리에 필적하는 용량이다.

미국의 스타트업 라이트일렉트릭(Wright Electric)은 그보다 더 규모가 큰 비행을 목표로 하고 있다. 100인승 항공기를 단거리 노선 운항을 위한 전기 항공기로 개조할 계획인 이 회사 역시 2026년까지는 비행이 가능할 것으로 예상하고 있다.

난기류

항공 업계의 일부에서는 배터리가 크게 개선되지 않고도 이러한 전기 항공기가 성공할 가능성에 대해 회의적으로 보고 있다. 무코파다야는 “배터리 기술은 아직 그 정도 수준에 도달하지 못했다”고 말했다.

ICCT의 최근 보고서에서 무코파다야와 그의 동료 연구원들은 현재 에너지 저장 기술로는 전기 항공기의 비행거리가 심각하게 제한될 것이라고 분석했다. 그는 “우리는 비행 가능한 거리가 너무 제한적이어서 솔직히 매우 놀랐다”고 밝혔다.

현재 배터리 밀도와 비행기 무게 제한에 대한 추정치를 사용하여 분석한 결과 19인승 전기 항공기는 최대 260km를 비행할 수 있는 것으로 나타났다. 회사가 주장한 400km에는 훨씬 미치지 못하는 수준이다.

포르슬룬드는 회사 외부 분석가들은 자신들의 배터리팩과 항공기 설계에 관한 세부 사항을 알지 못하기 때문에 회사가 보유한 기술에 대해 제대로 된 추정치를 내놓을 수 없다고 주장했다. (이들은 기존 항공기를 전기 항공기로 개조하는 대신 자체적인 항공기를 설계할 계획이다.)

항공기에 반드시 실어야 하는 ‘예비연료’도 전기 항공기의 실제 이동 거리를 심각하게 제한하는 요인이 될 수 있다. 항공기는 바로 착륙할 수 없는 상황을 대비해 공항 위를 30분 동안 선회할 수 있을 정도의 추가 연료를 반드시 가지고 있어야 하며 비상시에 100km 떨어진 대체 공항에 도달할 수 있는 연료도 있어야 한다.

이 모든 내용을 고려할 때 19인승 전기 항공기로 비행할 수 있는 거리는 260km에서 약 50km 정도로 크게 줄어든다. 라이트일렉트릭이 만들고 있는 100인승 항공기처럼 더 큰 항공기로는 10km도 이동하지 못할 것이다.

유니버시티 칼리지 런던의 항공운송시스템연구소 책임자 안드레아스 셰퍼(Andreas Schafer)는 “예비연료가 궁극적인 문제”라고 말했다.

비행의 미래

셰퍼는 전기 항공기의 미래가 결국 배터리 개선에 달려있다고 말했다.

ICCT는 스타트업들이 목표로 하는 단거리 노선 비행을 가능하게 하려면 배터리의 에너지 밀도를 기본적으로 두 배로 높일 필요가 있다고 분석했다. 그 정도면 현재 전기자동차와 가전제품에 사용되는 리튬이온 배터리의 한계에 근접한 수준일 수도 있다. 그러나 그 정도의 배터리 개선으로는 전기 항공기가 대체할 수 있는 노선이 거의 없기 때문에 2050년까지 전기 항공기는 항공산업의 탄소 배출량을 1%도 줄이지 못할 것이다.

전기 항공기가 항공 업계의 탈탄소화에서 더 중요한 역할을 하기 위해서는 에너지 밀도가 4배는 개선되어야 한다고 셰퍼는 말했다. 그러기 위해서는 상용화할 수 있는 새로운 유형의 배터리가 필요할 것이다.

한편 대체 연료와 녹색수소 같은 다른 기술은 에너지 밀도가 훨씬 높으므로 미래에 이러한 기술을 이용한 배터리가 경제적인 가격으로 대규모로 생산될 수 있다면 이들 기술 역시 더 긴 비행을 가능하게 하는 데 사용할 후보가 될 수 있다.

전기 항공기는 곧 하늘에 나타날 것이다 어쩌면 2030년대에 돌입하기 전에 전기 항공기 상용화가 가능할지도 모른다. 그러나 아직 전기 항공기는 많은 승객을 태우고 멀리 비행할 수는 없을 것이다. 따라서 현재로서는 노선에 피오르가 없다면 전기 항공기보다 자전거나 기차를 타는 편이 더 나을지도 모른다.

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