전기에너지

전기에너지(Electric Energy)는 전기와 관련된 에너지로, 전하의 위치에너지나 운동에너지로부터 파생된 에너지이다. 전기에너지는 전압과 전류, 그리고 사용한 시간의 곱으로 구하며, 단위는 줄(J)을 사용한다.

개요

전기에너지는 전자의 이동을 통해 전기적으로 발생하는 에너지로, 전자가 이동한다는 것은 전위차가 발생한다는 의미이고, 이 전위차를 통해 전류가 흐르면서 주위에 일하는데 이때의 에너지가 전기에너지로 나타난다. 다른 에너지로의 변환이 가장 용이하기 때문에 화력, 수력, 원자력 등의 발전을 통해 만들어내는 가장 기본적인 에너지이다. 실질적으로 전기는 회로를 통해 움직이기 때문에 전기 회로에 의해 운반되거나 소모되는 에너지를 뜻한다. 전기에너지는 회로에 의해 전달되는 전류와 전위차의 결합에 의해 공급된다. 사용자에게 도달하여 다른 형태의 에너지로 전환되기까지는 전기적 위치에너지이다. 위치에너지에서 전환이 되면 전기에너지는 열에너지, 빛에너지, 운동에너지 등 다른 형태의 에너지가 된다.

활용

전기자동차

전기자동차는 고전압 배터리에서 전기에너지를 전기모터로 공급하여 구동력을 발생시키는 차량으로 화석연료를 전혀 사용하지 않는 무공해 차량이다. 내연기관차와 달리 엔진 없이 배터리와 모터만으로 차량 구동이 가능하며 대기오염물질과 온실가스를 배출하지 않는다. 전기자동차 배터리 용량에 따라 주행가능 거리에 차이가 있다. 전기자동차는 외부 전력 공급을 통한 충전이 필요하다. 급속충전기는 50kW급으로 완전 방전상태에서 80% 충전까지 30분이 소요되며, 완속충전기는 약 6~7kW급으로 완전 방전에서 완전충전까지 4~5시간 소요된다. 내연기관 엔진 없이 충전된 배터리에서 공급되는 전기에너지만을 동력원으로 전기모터를 구동한다. 또한 회생제동 기능을 이용한 운행 중 배터리 충전으로 제동 횟수가 많은 도심에서 에너지 효율성을 극대화한다. 전기자동차의 특징은 주행 시 화석연료를 사용하지 않아 이산화탄소나 질소산화물을 배출하지 않고 엔진 소음과 진동이 적어 친환경적이다. 또한 전기모터로만 구동할 경우 운행 비용이 가장 저렴하고 심야 전기를 이용할 경우 비용을 더 절감할 수 있다. 차량 수명이 상대적으로 길고 사고 발생 시 폭발의 위험성이 적다. 심야 전력으로 자택에서 충전이 가능하고 기어를 바꿔줄 필요가 없어 운전 조작이 간편하다. 더불어 전기자동차의 사용량이 증가하면 내연기관차로 인해 발생하는 대기오염물질, 온실가스 등 배출량이 감소하며 전기자동차 1대 보급으로 연간 이산화탄소 2t을 감축하는 효과를 가져온다.

전기자동차 주행상황별 작동방식

주행 상황별 제어
전기자동차 고유의 발진 가속	회생제동	급속충전	완속충전 상태의 예냉/예열
전기모터 특유의 우수한 초기 발진 토크로 혼잡한 도심에서 가속력을 높여준다.	브레이크를 밟으면 모터가 발전기로 전환되어 반대로 배터리가 충전되는 기능으로, 특히 제동 횟수가 많은 도심에서 주행 효율성을 높여준다.	주행 중 배터리 잔량이 부족할 경우, 공공 충전소를 통해 24분~33분 내외의 짧은 시간에 급속충전이 가능하다.	충전기 플러그인 상태에서 공조 장치를 미리 가동하면 쾌적한 상태로 운전이 가능하며 출발 시, 에너지 소비를 줄여 주행거리 연장에 도움을 준다.

전지

이차전지

이차전지는 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지로 양극, 음극, 전해질, 분리막, 용기로 구성되어 있다. 양극재와 음극재 사이의 전해질을 통해 이온이 이동하는 전기적 흐름에 의해 전기가 발생하는 원리이다. 양극에서 분리막을 지나 음극으로 이동하며 충전하고 음극에서 양극으로 이동하면 방전이 되는 식이다. 대표적인 이차전지인 리튬이온 전지는 미래 이동 수단으로 손꼽히는 전기자동차에 필수적인 부품이다. 또한 휴대전화나 노트북 등 휴대용 전자기기뿐 아니라 로봇 산업 등 미래 산업에 필수적이다. 특히, 리튬을 활용한 이차전지는 다른 전지보다 적은 무게로 더 높은 전압의 전기를 만들어 낼 수 있고 타 금속 이온에 비해 적고 가벼워서 단위당 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다. 하지만 전기자동차의 1회 충전 후 주행할 수 있는 거리가 가솔린 자동차의 주유 후 주행거리보다 상당히 부족하다. 이러한 리튬이온 전지의 용량 문제를 해결할 대안으로 리튬 공기 전기가 개발되었다. 리튬 공기 전지는 리튬이온 전기보다 큰 에너지 밀도를 갖고 있다. 리튬 공기 전지는 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동할 때 산소와 반응하여 얻어지는 화학반응을 전기에너지로 전환하여 전력을 생산한다. 리튬 공기 전지는 리튬이온 전지보다 10배 이상 더 많은 에너지를 저장할 수 있는데 공기 중 산소를 전극재로 사용하기 때문에 금속 소재를 사용하는 리튬이온 전지보다 작고 가벼워지는 것에도 유리하다. 더불어 일상에서 쉽게 구할 수 있는 공기 속 산소를 에너지원으로 이용하여 전기에너지를 저장하고 생산하기 때문에 친환경적인 에너지 저장 장치이다.

태양전지

2019년 12월 30일, 광주과학기술원 연구진이 기존 CIGS 유연 박막 태양전지에 차세대 형광물질인 페로브스카이트를 적용해 자외선, 가시광, 적외선 태양광을 모두 전기에너지로 변환하는 태양전지 기술을 개발했다. 기존 CIGS 유연 박막 태양전지는 자외선 영역을 포함하는 파장 대역의 태양광이 태양전지 상부의 투명전극에서 흡수돼 해당 파장 대역의 태양에너지를 전기에너지로 변환하지 못하는 한계가 있었다. 공동 연구팀은 자외선 영역의 빛을 흡수해 가시광 대역의 빛을 발광하는 나노 결정의 CsPbBr3 페로브스카이트 고효율 형광체를 개발하고, 이를 CIGS 태양전지의 투명전극 층 위에 적용했다. 이를 통해 가시광선, 적외선, 자외선 영역을 모두 포함한 광대역 태양광을 전기에너지로 변환하는 CIGS·페로브스카이트 하이브리드 유연 박막 태양전지가 완성됐다. CIGS 박막 태양전지는 비 실리콘 태양전지 중 에너지 변환효율이 높고, 가벼우면서 유연한 특성을 갖춰 차세대 태양전지로서 주목받고 있다. 차세대 형광 물질인 페로브스카이트는 금속과 불소, 염소, 브롬, 요오드를 지칭하는 할로젠족이 결합된 반도체 물질이다. 이 물질은 자외선을 가시광으로 변환하는 발광 특성이 있어 LED, 디스플레이, 태양전지의 광 소재로 널리 사용된다.

상온 초전도체

초고압 상태에서 일상온도인 영상 14도에서 전기저항이 0이 되는 물질인 상온 초전도체를 로체스터 대학 물리 및 기계공학 조교수인 랑가 디아스 박사가 이끄는 연구팀이 개발하였다. 황화수소에 탄소를 결합한 탄소질 황 수소화물을 초고압 장치인 다이아몬드 모루 세포에 넣고 실험하여 물질이 3천800만 psi의 초고압 상태에서 영상 14도에 전기저항이 완전히 없어지는 초전도성을 보이는 것을 확인했다. 1911년 영하 268.8도에서 수은의 전기저항이 완전히 사라지는 초전도 현상이 처음 발견된 이후 이 온도를 높이는 연구가 줄곧 진행돼, 2019년 란타넘이라는 원소와 수소를 합성한 란타넘 수소화합물을 통해 영하 23도까지 끌어올린 것이 가장 큰 성과였던 것과 비교하면 엄청난 진전이다. 상온 초전도체를 이용하여 송전 과정에서 전기저항으로 발생하는 약 2억 MWh의 전력 손실을 없앨 수 있고, 더 빠르고 효율적인 전자장치나 의료장비 개발도 가능하다. 또한 외부에서 가해지는 자기장을 밀어내는 '마이너스 현상'을 이용해 자기부상 열차 이외에 새로운 교통수단을 만들어낼 수도 있을 것으로 기대된다.

참고자료

• 〈전기에너지〉, 《네이버 지식백과》
• 사이언스올, 〈전기 에너지(electrical energy / electric energy)〉, 《사이언스올》, 2015-09-09
• 〈전기에너지〉, 《네이버 지식백과》
• 저공해차 통합누리집 공식 홈페이지 - https://www.ev.or.kr/portal
• 한국환경산업기술원, 〈옷깃만 스쳐도 전기가 된다고?〉, 《네이버 블로그》, 2021-04-23
• 강민구 기자, 〈버려지는 자외선도 전기에너지로···태양전지 기술 개발〉, 《이데일리》, 2019-12-30
• 엄남석 기자, 〈영상 14도서 전기저항 제로 '상온 초전도' 물질 마침내 개발〉, 《연합뉴스》, 2020-10-15

같이 보기

• 전기
• 에너지
• 전위차
• 전기자동차

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