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마찰식 브레이크 ⓒ픽사베이

 

최근 모빌리티 시장의 화두는 단연코 친환경입니다. 화석연료를 활용하는 동력장치에서 전기적 동력장치로의 전환이 빠르게 진행 중이죠. 이 과정에서 환경을 넘어 효율까지 잡는 ‘회생제동’ 기술이 대두되고 있습니다. 이번 기사에서는 회생 제동이 무엇이고, 어떻게 활용되고 있는지 알아보겠습니다.

 

자동차에 적용되는 제동방식 대부분은 마찰식 브레이크입니다. 마찰식 브레이크란, 마찰력을 이용해 운동에너지를 열에너지로 바꾸어 속도를 줄이는 원리인데요. 회생제동은, 마찰로 소모되는 운동에너지를 전기에너지로 변환시켜 배터리에 저장하면서 회전 속도를 줄이는 방식입니다. 전기 공급 시 모터가 회전하고, 회전운동 시 전기가 발생한다고 생각하면 이해하기가 쉬운데요. 평상시에 충전된 전기를 이용해 회전하면서 모터를 구동하지만, 속도를 줄이고자 할 때는 돌고 있는 모터의 회전으로 전기를 충전하는 것이 회생제동입니다.

 

운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 이 원리는 무엇일까요? 모터는 동력을 발생시키는 회전체와 회전체를 움직이는 고정체로 구성되어 있습니다. 모터가 운전할 때, 회전체는 돌면서 운동에너지를 만들어죠. 속도를 줄이기 위해 모터의 전류를 차단하면 모터와 연결된 바퀴의 운동에너지가 모터를 구동합니다. 이 운동에너지를 전기로 바꾸기 위해 바깥의 고정체에 전류를 흘려주면 고정체가 자성을 띄게 되면서 회전체와 고정체 사이에 전류가 발생하죠. 이 과정을 통해 바퀴의 운동에너지는 전기에너지로 전환되는 것입니다!

 

회전체, 고정체로 이루어진 모터 ⓒ픽사베이

 

회생제동에는 전자기 유도법칙이 사용되는데요전자기 유도법칙은, 코일과 자석이 상호 간 운동을 하게 되면 자석의 운동만으로 자기장이 형성되어 코일에 전류가 흐르게 되는 현상입니다. 회생제동장치는 코일이 감긴 회전체와 고정체에 자성을 띄게 하여 전류를 만드는 원리를 이용하죠.

 

회생제동장치가 주목받는 이유는 전기자동차의 단점을 보완하는 동시에, 기존 제동장치의 수명을 대폭 향상할 수 있기 때문입니다. 전기자동차는 화석연료보다 1회당 주행거리가 짧습니다. 배터리의 개발이 전기차 상용화의 급선무인 이유도, 짧은 주행거리로 인한 효율성을 높이기 위함입니다. 회생제동은 주행하는 동안 배터리에 전기를 충전하기 때문에 이러한 문제를 보완하는 방법으로써 연구가 진행되고 있습니다. 회생제동이 사용되는 만큼 기존의 물리적인 제동이 감소하기 때문에 마찰식 제동 시스템의 수명 연장에도 기여하죠. 물론 회생제동으로 모든 감속이 이루어지는 것은 아니므로 급제동 시에는 물리적 브레이크 패드가 작동하도록 설계되어 있답니다.

 

전기차 주행상황별 작동방식 ⓒ전기차 충전정보 : 저공해차 통합누리집 홈페이지

 

회생제동장치는 전기자동차, 열차, 승강기 등 가속과 감속이 반복되는 모든 장치에 적용할 수 있습니다. 전기자동차의 경우, 회생제동장치가 탑재되었더라도 일정 속도로 계속 주행한다면 모터는 전기에너지를 사용한 회전만 하면서 배터리를 소모합니다. 이러한 이유로, 정속주행이 오래 지속되는 고속도로나 장거리 주행보다, 신호등이 많고 정차와 출발이 반복되는 도심 내 주행이 전기자동차의 에너지 소비 효율이 높습니다. 전기모터는 가동 직후에 최대토크를 발휘한다는 점도 출발 시 공회전이 필요한 내연기관차에 비해 도심 주행의 이점을 갖습니다.

 

하루에도 몇 번이나 기차역에 정차, 출발을 반복하는 열차도 회생제동의 적용을 넓혀가고 있는데요. 열차는 정확한 시간에, 정확한 위치에 멈춰서야 하고, 승객의 안전과 직접적인 연관이 있습니다. 제동장치의 중요성이 큰 장치죠. 그만큼 성능이나, 신뢰성 측면에서 높은 기준을 충족시켜야 하는데요. 기존의 열차 제동은 공기 압력을 이용한 마찰 제동이 지배적이었기 때문에, 마찰 소음, 냄새와 열기가 발생했습니다. 회생제동이 적용된 열차는, 감속도가 일정해서 정위치에 정차가 가능합니다. 마찰이 없으므로 소음뿐 아니라 미세먼지 발생도 줄일 수 있어서 성능과 신뢰성이 뛰어나죠. 발생한 전기는 주변의 열차에서 재사용하거나, 선로 주변의 변전소에 공급할 수도 있습니다.

 

마지막으로, 승강기 또한 동작하면서 전력을 생산할 수 있습니다. 승강기에 승객들이 탑승한 경우 그 무게를 이용할 수 있습니다. 승객이 미탑승한 경우에는 균형추보다 가벼우므로 전력을 사용하지 않고 발전기로만 동작할 수 있죠. 회생제동을 사용한 승강기는 열이 발생하지 않고, 소비전력도 약 10~30% 절감할 수 있습니다. 설치면적도 약 80% 절감할 수 있죠. 하지만 가격 면에서는 기존의 저항 제동보다 부담이 있습니다.

 

승강기 회생제동의 원리 ⓒ한국전력 사이버지점 홈페이지

 

한국전력에서는 가격 부담을 덜고자 회생제동 승강기 설치를 지원하는 사업을 펼치고 있습니다. 기존의 저항제동장치를 사용하는 7.5kW(킬로와트) 이상 110kW 엘리베이터, 호이스트, 크레인 등에 회생제동장치를 대체하여 설치하는 경우가 지원대상에 해당합니다.

 

지자체와 협력하여 공공건물의 회생제동장치 설치 보급에도 힘쓰고 있는데요. 서울시와 함께 2018년 76대, 2019년 2,093대를 지원했습니다. 올해는 수원시, 시흥시와도 공동주택 에너지 효율 개선사업을 위한 업무협약을 체결하여 지원 범위를 넓혔습니다.

 

설치규모 3,000대를 기준으로 했을 때, 승강기 회생제동장치를 통해서 연간 869만 1,000kwh의 전력량을 절감할 수 있습니다. 장기적으로는 더 많은 전력을 절감할 수 있고, 온실가스 감축 등 다양한 환경효과도 기대할 수 있죠. 회생제동은 친환경 자동차 연비효율의 1/3을 좌우할 정도로 전력 효율 측면에서 큰 영향을 미칩니다. 앞으로의 가능성은 더욱 기대되는데요. 친환경 에너지 시대를 이끌 회생제동장치의 활용, 다음은 어떤 모습일까요?

 

 

 


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  • 김종화 2020.11.05 10:11
    회생전기 = 틈새전기
    라고 표현해도 되겠네요~

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