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배터리 기술 발달로 소형기 활용 늘어
[TECHNOLOGY] 전기항공기 등장- ① 개발 현황
[139호] 2021년 11월 01일 (월) 황룽 economyinsight@hani.co.kr

황룽 黃榮
팡쭈왕 方祖望
<차이신주간> 기자

   
▲ 최근 국제화물 특송회사 디에이치엘(DHL)이 초기기술기업 에비에이션에어크래프트로부터 사들이기로 한 첫 화물 전용 순수 전기항공기 앨리스. DHL은 전기항공기 12대 구매계약을 맺었다. REUTERS

전기자동차가 발전하는 동안 항공업계도 가만있지 않았다. 2021년 8월15일 브라질 항공기 제조사 엠브라에르가 EMB-203 전기항공기의 첫 시험비행에 성공했다고 밝혔다. 에탄올 연료 엔진을 전력 구동으로 개조한 소형 일반항공기를 이용해 전기추진기술 가능성을 평가하는 시험이었다. 7월21일에는 세계 최대 일반항공기 제조사 텍스트론에비에이션이 초기기술기업(스타트업) 서프에어모빌리티로부터 세스나 208EX 그랜드 카라반 항공기 150대를 주문받았다고 밝혔다. 서프에어모빌리티는 이를 전기항공기로 개조해 지역 항공수송에 활용할 계획이다. 일반항공기란 항공기의 한 유형이다. 민용항공기 분야에서 정기로 여객이나 화물을 나르는 공공 항공운송에 쓰이는 것 외의 모든 항공기가 일반항공기에 해당한다.

잇따르는 구매계약
항공기 운영업체들은 전기항공기 도입에 적극적이다. 2021년 4월 국제화물을 주로 운송하는 세계 최대 특송회사 유피에스(UPS)가 스타트업 베타와 전기항공기 150대의 구매의향계약을 체결했다고 밝혔다. 얼마 뒤 다른 특송회사 디에이치엘(DHL)도 전기항공기 12대를 사기로 했다. 7월에는 미국 유나이티드항공이 스웨덴 스타트업 하트에어로스페이스와 전기항공기 100대 구매계약을 체결했다.
항공산업이 전기동력화를 적극 추진하는 것은 탄소배출 감축 부담 때문이다. 국제에너지기구(IEA) 통계에 따르면 2019년 항공운수업에서 배출한 탄소가 세계 탄소배출량의 2.8%를 차지했다. 2013~2019년 민간항공업계의 탄소배출량이 국제민간항공기구(ICAO) 예상치의 70%가 넘었다. 통제하지 않으면 2050년에는 항공업이 세계 탄소배출량의 25%에 이른다.
2016년 10월 국제민간항공기구 총회에서 ‘국제항공 탄소상쇄·저감 계획’(CORSIA)이 통과됐다. 세계 항공업계가 2050년까지 탄소중립을 실현한다는 목표를 제시했다. 이때까지 이산화탄소 배출량을 2005년 배출 수준의 50% 이하로 줄여야 한다는 뜻이다. 이 계획은 2021년부터 자율적으로, 2027년부터는 강제 이행된다. 유럽연합(EU)은 2021년 7월 탄소배출 감축 계획 ‘핏포55’를 발표했다. 2027년부터 항공업의 무료 탄소배출 한도를 없애고 ‘국제항공 탄소상쇄·저감 계획’과 보조를 맞출 방침이다.
전동화는 항공업계가 탄소배출 감축 목표를 달성하는 주요한 방법이다. “전기항공기는 오염물질을 배출하지 않고 소음이 적어 환경에 부정적 영향을 가져오지 않는다.” 황쥔 베이징항공우주대학 교수는 “전기자동차가 발달하고 배터리 기술이 성과를 거두면서 항공 분야에 적용할 수 있는 기본 조건이 갖춰졌다”고 말했다.
그러나 기술 장벽은 여전하다. 업계 관계자들은 “배터리 에너지밀도와 전기항공기의 항속시간에 한계가 있어 장거리 비행을 할 수 없다”고 지적했다. 또 항공기가 이륙할 때 중량의 영향이 커서 항공기에 너무 많은 배터리를 장착할 수 없다. 지금은 전기추진시스템을 소형 일반항공기에만 적용할 수 있다. 중대형 항공기의 전동화는 아직 요원하다.
전기항공기 탐색은 50년 전부터 시작됐다. 1973년 독일인 프레트 밀리트키는 오스트리아에서 생산한 글라이더를 사람이 탑승할 수 있는 니켈카드뮴배터리 전기항공기로 개조했다. 비행은 12분 만에 끝났다. 1980년 5월에는 미국인 폴 맥크리디가 개조한 태양광 비행기는 사람을 태우고 첫 비행에 성공했다. 미 항공우주국(나사)의 기록에 따르면 이 항공기의 최장 시험비행 시간은 14분이었다.

   
▲ 랴오닝통용항공연구원이 설립한 제조업체가 고정익 전기항공기 RX1E 시리즈를 기반으로 주문자상표부착(OEM) 제품을 생산하고 있다. 루이샹통용항공기제조유한공사 누리집

반세기 지속된 탐색
이런 시도는 당시 전기항공기가 기술적으로는 가능하지만 실용성은 갖추지 못한 상태임을 보여준다. 리튬배터리가 등장하자 전기항공기의 시장화 가능성이 열렸다. 리튬배터리는 에너지밀도가 높고 순환 수명이 길다. 이론적으로 보면 전기항공기의 항속능력을 크게 향상시킬 수 있다. 독일 컨설팅기업 롤란트베르거의 통계에 따르면 2019년 6월까지 세계에서 약 170건의 전기항공기 개발사업이 진행됐고, 절반 이상이 2017년 전에 시작됐다. 전기자동차가 폭발적으로 성장하기 직전이었고, 리튬배터리 기술이 고속성장기에 진입한 시기였다.
랴오닝통용항공연구원이 개발한 고정익 전기항공기 ‘루이샹’(銳翔) 시리즈도 리튬배터리 기술을 적용했다. 2012년부터 연구를 시작해 처음 개발한 2인승 전기항공기 RX1E는 리튬배터리를 동력원으로 사용했다. 항속시간이 1시간, 항속거리는 110㎞였다. RX1E는 2013년 6월 첫 비행에 성공했고, 2015년 말 중국 민항국의 감항증명을 받았다. 세계에서 감항증명을 받은 첫 전기항공기였다.
감항증명이란 처음부터 끝까지 안전한 운항 상태를 유지할 수 있는 항공기의 성능을 인증한 것으로, 민용항공기 양산과 상업화의 전제 조건이다. 항속거리를 늘리기 위해 2016년 9월 랴오닝통용항공연구원은 항속거리를 늘린 고정익 전기항공기 RX1E-A를 개발했다. 항속시간이 2.5시간, 항속거리는 280㎞였다. 2017년 11월 첫 시험비행에 성공했고, 2019년 4월 중국 민항국에서 감항증명을 받았다.
랴오닝통용항공연구원 학술위원회 부주임인 황쥔 교수는 “루이샹 시리즈 전기항공기를 항공기 사용 기업과 항공대학 등 고객에 인도하기 시작했다”며 “주로 조종사 훈련과 관광 용도로 쓰인다”고 말했다. “RX1E-A도 항속능력의 한계 때문에 비행장 한 곳에서만 이착륙할 수 있다. 비행장을 바꿔야 하는 임무는 수행할 수 없다.”
기존 일반항공기의 항속거리는 보통 1천㎞ 이상이다. RX1E-A의 최대 항속거리가 이론적으로 280㎞이지만, 중국 민항국에서 항공기가 착륙하기 전 30분 동안 비행할 수 있는 최소 전기에너지(또는 연료)를 남겨야 한다고 규정해 실제 항속거리는 크게 줄었다. “전기항공기의 항속거리는 다른 일반항공기와 비교할 수 없는 수준이다. 시장의 기본 수요에 부응할 뿐이다.” 황쥔 교수는 “일반항공기는 대부분 비행거리가 300㎞ 이상이므로 이 기준에 도달해야 전기항공기를 시장에 투입할 수 있다”고 말했다.
전기항공기를 개발하는 스타트업 앰페어(Ampaire)의 판쉬 중국 지역 대표는 “전기항공기 분야에서 항속거리 300㎞는 높은 기준이 아니다”라며 “항공사와 논의한 결과, 특히 통근 항공기 분야에서 항속거리가 500㎞는 돼야 시장 수요에 적합하다”고 말했다. 하이브리드 동력 전기항공기를 개발하는 미국 기업인 앰페어는 2021년 2월 서프에어모빌리티에 인수됐다.

배터리 에너지밀도
전기항공기의 항속능력이 부족한 주요 원인은 배터리 에너지밀도가 낮기 때문이다. 배터리 에너지밀도란 배터리 단위 부피 또는 질량에서 방출하는 전기에너지를 말한다. 배터리 성능을 평가하는 주요 지표다. 에너지밀도가 높을수록 배터리가 가진 전기량은 많지만 무게는 덜 나간다.
현재 사용하는 리튬배터리는 에너지밀도가 160~300Wh/㎏다. 이 수준이면 전기자동차의 기본 주행은 가능하지만 전기항공기를 움직이기에는 부족하다. “전기자동차에 비해 전기항공기는 중량 지표에 더욱 민감하다.” 위잔푸 롤란트베르거 중국 지역 부총재는 “항공기가 이륙하려면 기체의 중량을 극복해야 한다”며 “중량과 부피가 제한받는 상황에서 전기항공기의 항속거리를 높이려면 배터리 에너지밀도에 의존할 수밖에 없다”고 말했다.
황쥔 교수는 2015년 발표한 논문에서 “배터리 에너지밀도가 200Wh/㎏일 때 최대 항속거리가 200㎞를 넘지 않는다”고 지적했다. 루이샹 RX1E-A에 탑재한 리튬배터리는 에너지밀도가 300Wh/㎏으로, 실제 사용하는 리튬배터리 가운데 밀도가 가장 높지만 최대 항속거리는 280㎞다. 그는 “배터리 에너지밀도를 적어도 2배로 늘려야 시장에서 원하는 전기항공기 항속거리를 지원할 수 있다”고 말했다. 업계 다른 전문가는 더 높은 기준을 제시했다. 고정익 일반항공기의 배터리 에너지밀도가 최소 800Wh/㎏이 돼야 한다는 것이다.
배터리업계에서는 재료 배합을 바꾸거나 제조공법을 개선해 에너지밀도를 올리는 데 한계가 있고, 리튬이온배터리 제조 공법이 정체기에 들어선 것으로 본다. 왕녠쥐 주선배터리(九神電池) 부사장은 “1991~2016년 배터리 에너지밀도가 해마다 평균 5~8%씩 증가했다”며 “300Wh/㎏이라는 한계 앞에서 오랜 기간 정체될 것”이라고 말했다.
“항공기 엔진의 성장 과정과 비슷하다. 처음에는 자동차의 피스톤엔진을 사용했고 훗날 터빈엔진과 터보팬엔진이 생겼다.” 스젠위안 텍스트론에비에이션 중국전략영업 담당 부사장은 “전기자동차와 마찬가지로 전기항공기 기술도 시장에서 활용하면서 성숙해질 것”이라고 말했다.

ⓒ 財新週刊 2021년 제37호
飛機能否電動化
번역 유인영 위원

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