요즘에 LK99에 대한 이야기가 뜨거운 감자로 떠오르고 있습니다.
상온 초전도체가 개발되면 앞으로의 생활이 완전히 바뀌겠지만
만약 저항이 아주 낮은 물질이라면 큰 변화가 없을 겁니다.
전기 자동차의 예를 들면 이미 양산 전기 자동차의 에너지 소모에서
모터의 손실이 차지하는 비율은 10% 미만입니다.
대부분의 에너지는 자동차를 움직이는 데 사용되며 초전도체
모터를 만든다고 해도 주행거리는 5% 정도 증가하는 정도입니다.
저항에 의한 손실은 난방을 제외하고는 어디에도 도움이 되지
않습니다. 현대 사회에서는 이미 효율을 중요하게 여기고 있으므로
저항이 작아지는 것으로는 급격한 진보가 일어나기 어렵습니다.
산업용 모터의 효율이 85% 정도인데 대부분이 저항에 의한 손실이므로
산업에서 사용하는 전기가 좀 더 줄어들 수는 있겠네요.
하지만 정말로 상온 초전도체라면 에너지 저장 방식으로
사용할 수 있기 때문에 배터리 대체가 가능할 수도 있습니다.
다만 초전도체이든지 저항이 아주 작든지
현재 주류은 영구자석모터에서 테슬라에서 최초에 사용한
유도기 방식의 모터가 주류가 될 수도 있습니다.
짧게 요약하자면 초전도체 이면 에너지 저장에 대한
혁명이 일어날 수 있지만 저항이 아주 작은 경우에는
모터 타입이 변하거나 주행거리가 5% 정도 증가하는
결과가 될 것 같습니다.
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분위기가 초전도체라는 방향으로 흘러가네요.
솔직히 초전도체가 상용화 되면 어떤 방향으로
변화될지 잘 모르겠습니다.
저항이 없는 모터는 현재 우리가 알고 있는 모터가
아닐 가능성이 높고, 배터리 역시 현재의 지위를
잃어 버릴 가능성이 있습니다.
이 둘에 필수적인 재료인 희토류 역시 현재의
지위를 유지하지 못할 것 같습니다.
어쩌면 전기차 확산의 방해물이 사라진 것인지도
모르겠네요.
10%충전할때 에너지 손실,
18% 구동 프로세스에서 손실
3% 냉각시스템에서 손실
보조 전기부품에서 4% 손실
보통 31~35퍼의 에너지 손실이 생기며 회생브레이크로 22%를 회수한다고 합니다.
이렇게 되면 여기서 10%의 에너지 손실이 된다고 할 경우 112%의 에너지활용이 가능하게 될것 같아 보이네요.
부가적으로 여기서 전기를 송전할때 비용이 낮아지니 연비는 더 좋아질 것이고.
더 높은전압으로 충전도 가능해질테니 전기차에도 변화가 없지는 않을것 같습니다.
그리고 특히 자율주행에서 많은 두각을 나타낼것 같네요.
지금 테슬라가 엔디비아 칩을 사용한다고 자랑을 그렇게 했는데..
컴퓨터와 자동차도 이제 한몸이니까요..
https://renewableenergyfollowers.org/1789
이쪽에서는 TankToWheel을 20%정도 잡았네요. 제가 보기에는 85% 이하로 내려가지는 않을 것 같습니다. 이중 모터 손실 비중은 6% 정도이고 여기서 저항에 의한 손실은 2% 정도입니다.
모든도로에 무선충전라인 or 전력공급라인을 깔 수 있지 않을까요.
상시 전력을 공급하더라도 손실도 없고, 발열도 없을 뿐더러.
저항이 없기에 두께 또한 물리적 내구성이 확보될정도로만 두꺼우면 되니..
전기 자동차에는 메인도로에서 벗어났을 때 사용할 용량만큼의 배터리만 탑재하면
무게도 가벼워 효율도 올라가고, 제작 단가도 내려가고 좋을 것 같네요 ㅎㅎ
아마 자동차용 모터도 더 작고 가볍게 만들어서 실제 효율이 더 많이 향상될지도 모르죠.
검색해 보니까 이런 자료가 있네요.
https://hjtic.snu.ac.kr/board/news_summary/view/7885
비행기에서는 장거리 운행을 위한 에너지 문제가 1 순위라서 모터 보다는 배터리 대체에 더 많은 연구가 집중될 것이라고 생각합니다.
① 모터가 작고 가벼워 집니다: 초전도 자석은 영구자석보다 훨씬 더 자력이 강합니다. 전자석으로 같은 자력을 구현하려면 전력 소모와 발열이 너무 크고요. 초전도 자석을 이용하면 같은 출력을 훨씬 더 작고 가벼운 모터에서 낼 수 있습니다.
② 전기에너지 저장에 활용할 수 있습니다: 초전도 코일은 에너지 저장 장치로 사용될 수 있습니다. 자동차 배터리를 대체할 것 같지는 않으나, 상온 상압 초전도체의 구현은 전기의 분산 저장에 도움이 됩니다.
③ 공기 타이어를 대체할 수 있습니다: 공기 타이어는 펑크로부터 자유롭지 않습니다. 작고 가벼운 고자장 자석이 구현되면 지면에 접촉하는 링과 바퀴 구동 축을 비접촉인 상태로 하여 동력 전달이 가능합니다. 지금도 '솔리드 타이어'가 나오고는 있지만 공기 타이어를 완전히 대체하지는 못하고 있습니다. 초전도 자성체를 이용한 바퀴가 나오면 공기 타이어와 대등하거나 더 우수한 성능의 바퀴를 만들 수 있을 것입니다. 상온 상압 초전도체가 아주 싼 값으로 생산이 가능하게 된다면 아예 이 물질을 도로에 깔아 도로 전체를 자기부상 도로로 운용할 수도 있습니다. 이렇게 되면 아예 바퀴가 없는 자동차들이 도로를 메우게 되겠죠.
④ 동력전달이 더 유연해 집니다: 전기자동차도 큰 토크 변화에는 변속기가 도움을 줍니다. 탈것에는 이런 변속기를 비롯하여 자재이음(유니버설조인트), 차동장치(디퍼런셜 기어)와 같은 동력의 전달, 변환 장치가 필요한데 여기에도 초전도 자석은 새로운 디자인을 가능하게 할 것입니다. 물론 인휠모터(각각의 바퀴에 장착하는 모터)가 보편화되면 자재이음이나 차동장치는 필요없게 되겠죠.
다만 현재 적용하고 있는 상전도 방식은 반발이 아니라 흡인식이 주로 사용되는 것으로 알고 있습니다.
효율이 문제가 안될 것 같겠지만 전혀 그렇지 않습니다.
예를 들어, 10kW 짜리 자동차 모터의 효율이 90%일 경우
손실은 1kW가 됩니다. 그 1kW는 고스란히 열로 발생합니다. (동손, 백요크 와류손, 적층코어 와류손 등)
승용차에 달린 전기모터 사이즈는 상당히 소형인데, 거기서 1kW의 열이 발생할 경우
상당히 큰 냉각시스템이 필요하게 됩니다. 모터 몸체에 냉각수로를 넣어서 수냉식을 많이 쓰죠.
수냉식 쓰면 라디에이터, 펌프 이런게 또 들어가겠죠.
또 모터의 온도가 올라감에 따라 효율은 떨어져서 정격상태에서 90% 효율이지만, 열을 받으면 효율이 60~70%까지 수직 낙하합니다. 때문에 열을 더 많이 발생하고 냉각시스템에 부담은 더 커집니다.
냉각이 제대로 안되면 소위 열폭주가 발생해서 모터가 타 버립니다.
모터 발열량의 부담 때문에 일부러 모터의 체적과 중량을 일정수준 이하로 줄이지도 못합니다.
(자체 열용량을 어느정도 확보하기 위함)
결론적으로 모터의 손실 발열 10%가 우습게 보이겠지만 개발자 입장에서는 장난이 아닌 부담입니다.
실제로 업계에서는 손실 1~2%정도를 유의미하게 설계/해석시에 따집니다.
경쟁력과 성능을 올리기 위해서요.
현재까지 전기자동차에 인휠모터가 제대로 실현되지 않고 있는 이유도 이것과 관련이 상당부분 있습니다.
특히 모터 부분을 집중적으로 다루지 않는 분이라면 더 그렇게 보일 겁니다.
하지만 모터 부분을 확대해서 들여다 보면 단순히 효율 부분 말고 더 많은 파라미터들이 연성되어 있다는 점에 주목하지 않을 수 없다는 것입니다. 열용량과 관련된 사이즈(체적)/중량 부분도 그렇고, 냉각시스템에 의해 필요해지는 원가, 체적, 중량 부분도 그렇습니다.
때문에 모터를 얼핏 보면 효율도 충분히 높은데 왜 한계가 많을까 의문이 들곤 하죠.
결국 모터 개발자들이 효율을 1% 높이려고 왜 저리 고민을 하는지 이해하지 못하게 됩니다.
그래서 알기 쉬운 예시로, 인휠모터를 주류로 만들지 못하고 있는 이유 중의 하나가 이 문제라는 점을 언급해 드린 겁니다.
"모터 유저"와 "모터 개발자"는 관점이 분명히 다릅니다.
여기서 "모터 유저"는, 로봇 시스템 설계자나 자동차 인프라스트럭쳐 섀시 설계자, 모터 구동 비행체 설계자 같은 분들을 말합니다.
이런 모터 유저 입장에서는 모터 내부에서 어떻게 설계가 되고 어떤 이슈들이 있는지 관심이 없지요.
간단히 말해 모터 자체 중량당 출력 내지는 토크를 얼마나 뽑아낼 수 있고, 이때의 발열량을 어떻게 처리할 수 있는가 하는 문제에 대한 최적화가 필요한데, 동손 부분이라도 획기적으로 줄여줄 수 있다면 엄청난 차이를 만들 수 있습니다.
모터 개발자 입장에서는 배터리 이슈는 모터 이슈가 아닌 다른 쪽 분야이므로 논외로 합니다.