하늘에도 부는 친환경 바람 수소 연료 전지 비행기

하늘에도 부는 친환경 바람 수소 연료 전지 비행기

항공산업이 전세계 온실가스 배출량에서 차지하는 비중은 3 ~ 4% 정도로 차지하는 비중은 미미하지만 동일한 여객거리로 환산하면 기차보다 20배이상 많은 이산화탄소를 배출합니다. 이러한 이유로 전기 동력의 비행기를 생각하게 되었고, 무게 대비 효율이 훨씬 좋은 수소 연료 전지 비행기의 개발 붐이 일어 나고 있습니다. 보잉과 에어버스 등 대형 여객기 개발회사는 물론 미국과 영국의 스타트업도 수소 연료 전지 비행기 개발에 뛰어 들었고, 우리나라의 현대차도 flying car에 수소연료전지 적용 방안을 연구중입니다.

 

수소연료전지 비행기 개발 이유

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유럽환경청에서 각 운송수단별로 1km 이동시 이산화탄소 배출량을 분석한 결과, 제트여객기는 285g, 버스는 68g, 기차는 14g으로 분석되었습니다. 제트여객기는 버스의 4배 이상, 기차보다는 20배 이상 이산화탄소를 배출합니다. 항공산업은 전세계 온실가스 배출량의 3 ~ 4% 정도로 차지하는 비율은 미미하지만, 1대로 환산하면 상당히 많은 편입니다.

2008년에 리튬 이온 배터리를 사용한 하이브리드 항공기를 보잉이 선보였고, 에어버스는 2014년 2인승 전기 비행기 이팬(e-fan)을 시험용으로 선보였습니다. 그러나 배터리 기반의 전기 비행기는 배터리 무게가 너무 무거워 기존 항속거리의 1/15 정도의 성능 밖에 구현하지 못했습니다. 이에 따라 수소연료전지 기반의 비행기가 대안으로 떠오르고 있습니다.

수소 연료 전지 동력 시스템은 리튬 배터리와 비교해 무게가 절반 이하로 떨어집니다. 맥킨지(글로벌 컨설팅 기업)에 따르면 18t 트럭의 동력을 디젤 엔진에서 리튬 이온 배터리의 전기차로 바꾸면 2.5t의 동력 시스템 중량은 4.5 ~ 5.5t으로 최대 220%정도 늘어나는 반면, 수소 연료 전지 동력 시스템으로 바꾼다면 디젤 엔진 대비 72 ~ 84%로 오히려 줄어듭니다. 이러한 무게 대비 효율로 수소 연료 전지 동력 시스템 비행기의 개발 붐이 형성되었습니다.

 

수소연료전지 비행기 관련 기업

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에어버스가 2020년 9월, 미국 델타항공과 협력하여 2035년까지 수소 연료 전지 기반 비행기를 상용화하겠다고 발표했고, 보잉도 NASA와 수소 연료 전지 기반 비행기 공동 연구를 하고 있습니다. 영국의 스타트업 제로아비아가 2020년 9월 세계 최초로 6인승 상업용 수소 비행기의 비행에 성공하였고, 700억원 규모의 투자를 유치했습니다. 2021년 4월 230억원을 투자받은 미국 스타트업 유니버설 하이드로젠도 1,120㎞를 날 수 있는 40 ~ 60석 크기의 수소 비행기를 개발 중입니다.

 

ZEROAVIA의 수소연료전지 비행기 / 자료 = ZEROAVIA

 

또, 초전도체 동력 기술과 관련하여 에어버스가 초전도체 수소 동력 기술 어센드(ASCEND)를 개발 중이며, 현대차는 플라잉카 flying car에 수소와 초전도체를 사용하는 방법을 연구중에 있습니다.

 

수소 연료 전지 비행기의 동력 작동원리

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수소 연료 전지 비행기의 수소 연료 전지 동력 구동 방식은 수소 전기차에 쓰이는 것과 동일한 원리 입니다. 수소를 저장한 탱크에서 수소를 내보내며, 이 수소는 연료 전지 촉매를 지나면서 공기 중의 산소와 결합하여 물이 되고, 이 화학 반응 과정에서 발생하는 에너지의 일부가 전기로 바뀌게 됩니다. 이 전기는 배터리를 거쳐 수소 비행기의 엔진인 전기모터를 돌리게 됩니다.

수소 연료 전지 비행기는 기체 상태의 수소 대신에 액체 상태의 액화 수소를 사용하려 시도 하고 있습니다. 동일한 크기의 탱크에 기체 수소 대신 액화 수소를 넣게되면 800배 더 많은 수소를 담을 수 있습니다. 액화 수소는 기체 수소를 끓는점인 영하 252.87도 이하로 낮추어 만듭니다.

또한, 액체 수소의 낮은 온도를 이용해 비행기에 초전도 모터를 적용하는 기술도 개발하고 있습니다. 초전도 모터는 극저온 상태에서 전기 저항이 0이 되는 초전도체를 사용한 모터입니다. 동일한 출력의 일반 모터와 비교하면 무게가 1/5에 불과합니다. 항공기에 사용하면 무게가 줄어든 만큼 더 멀리, 빠르게 갈 수 있습니다. 특히 액체 수소를 모터의 초전도선에 흘려 기화한다면, 영하 240도 이하의 극저온 온도를 얻을 수 있어 기존 초전도 모터의 무거운 냉각 장치를 없애는 것도 가능합니다.