바다의 테슬라 꿈꾸는 엘지엠...전기배 르네상스 이끈다

북경과 주요 관광지역에서 내연기관 엔진 선박 운항 전면 금지. 중국은 내수면에서 전기배와 무동력선 운항만을 허용하는 행정명령을 발동했다. 미국도 미네소타 주를 비롯 19개 주에서 전기배가 아니면 신규로 운항허가를 받을 수 없다. 캐나다와 EU도 마찬가지다.

이들의 미션은 전기엔진 확보. 내수면에서 운항하는 행정지도용 선박들은 무조건 전기배로 바뀌어야 하는 것이 현실이다. 이 모든 주문이 오직 한 회사로 향하고 있다. 부지런히 번호표를 받아 들고 기다린다. 이 회사가 양산공장을 완성할 때까지는 대기손님이다. 왜 그럴까? 40마력 이상의 고마력 전기배 엔진을 상품으로 낼 수 있는 기업은 오직 한 곳밖에 없기 때문이다.

이 기업의 닉네임은 테슬쉽이다. 전기차의 대명사가 돼버린 테슬라를 떠올리면 된다. 정작 이 기업은 테슬쉽이라는 별명을 싫어한다. 자신들은 테슬러와 급이 다르다고 한다. 이 놀라운 기업을 소개하기 위해선 전기배의 역사를 먼저 알아야 한다. 이들은 이미 전기배의 전설이 됐고 새로운 역사를 써 나가고 있기 때문이다.

◆ 제네시스

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1821년 전기모터의 원리를 밝혀낸 마이클 페러데이를 비롯해 그 당시 많은 과학자를 괴롭힌 문제는 회전자가 증기기관처럼 동력원으로 사용될 수 있을까 하는 것이었다. 모리츠 야코비 역시 영국의 피터 발로가 발명한 회전자를 가지고 씨름하고 있었다. 그는 이 회전자의 전자석에 특정 전압을 가하면 사물을 움직일 수 있을 만큼 큰 힘을 낼 수 있다고 생각했다.
 

세계 최초의 전기모터인 야코비모터

“어~ 이 강력한 힘은 뭐지?” 야코비는 전기와 자기의 내밀한 층위들이 기계운동으로 전환되면서 간간이 회전자에 큰 힘이 실리는 것을 눈치챈 것이다. 야코비는 큰 힘이 느껴질 때마다 배터리에서 나오는 전력과 회전자에 걸리는 저항값을 기록했다. 그 결과, 상호작용하는 영구자석과 전자석이 힘의 대척점에서 가장 큰 힘이 나온다는 것을 알아냈다.

이것이 바로 야코비의 법칙이라 부르는 최대전력전달이론(Maximum Power Transfer Theorem)이다. “두 저항값이 동일할 때 최대의 전력이 전달되는구나.” 이 이론은 동력용 전기모터의 개념적 도구가 됐다. 야코비는 회전자를 힘차게 돌게 만들었다.

세계 최초로 동력용 전기모터가 발명된 것이었다. 야코비 모터의 회전력은 동력용으로 사용돼도 좋을 만큼 강력했다. 세상에 존재하지 않던 물건을 발명하면 다음 순서는 많은 사람에게 그 발명의 위대함을 입증하는 것이다, 야코비는 발명이 인정을 받으려면 사람들의 주목을 끌 수 있는 시연이 필요하다고 생각했다.

그러던 어느 날, 강가를 산책하던 야코비의 눈에 들어온 것은 10여 명 넘게 탈 수 있는 보트였다. “저 정도를 구동하면 사람들의 깜짝 놀랄 거야.” 연구실로 돌아온 야코비는 즉시 보트의 선미에 모터와 두 개의 수차를 장착한 설계도 제작에 착수했다. 그리고 이 설계도로 러시아 니콜라스 황제로부터 개발비를 지원받는 데 성공했다.

1839년, 야코비는 길이 8.5미터, 14인승의 보트 후미에 전기모터를 장착, 러시아 네바(Neva) 강에서 시속 약 5km의 속도로 운항하는 데 성공했다. 동력용 전기 모터의 발명이 전기 보트의 발명으로 이어진 것이다. 이렇게 180년 전, 전기배의 창세기가 기록됐다.

◆ 전기배 황금시대

전기 기술자, 구스타브 뚜르브는 지멘스의 소형 모터를 분해하고 있었다. 소형 모터는 사용하기는 좋은 데 힘이 약했다. 뚜르브는 작은 모터의 힘을 키우는 방법을 연구했고 배터리와 연결해서 사용하는 방법을 고안했다. 그는 전기배를 상품화하고 싶었다.

40년 전 야코비가 최초의 전기배를 만든 이래, 전기배의 상용화는 별로 진전이 없었다. 모터와 배터리를 보트에 장착할 수 있게 설계하는 것은 당시로선 매우 높은 기술적 장벽이었다.
 

1881년, 뚜르브는 프로펠러와 연결된 작은 모터를 배의 후미에 달고 충전용 전지를 연결한 최초의 상용 전기배를 완성했다. 이 배는 5미터 정도의 크기에 시속 9km 정도로 움직였다. 모터는 아웃보드 형태로 탈착이 가능했고, 좌석 밑에 들어가도록 설계된 충전용 배터리는 교환할 수 있었다.

뚜르브에 이어 본격적으로 전기배 생산을 시작한 사람은 안소니 레켄짜운 이었다. 레켄짜운은 1882년 ‘일렉트리시티’라는 전기배를 생산했다. 이 배는 7미터 철선으로 배터리와 모터는 승객 좌석 밑으로 장착, 깔끔하면서도 인체공학적 공간활용이 뛰어났다. 시속 12km 속도를 낼 수 있었던 이 배는 한 번 충전에 6시간 동안 운항이 가능했다. 레켄짜운의 배는 영국의 템즈강을 왕복하며 시민들의 사랑을 받았다. 심지어 1893년 미국 시카고 박람회에는 55대가 수출돼 100만명이 넘는 관람객들의 발이 됐다.
 

이미쉬사의 전기모터

“케펠공작님, 사람이 노를 저을 필요가 없는 배가 세상에 나왔습니다. 저는 이 배를 위한 새로운 모터를 발명했습니다. 이 모터로 여러 대의 전기배를 만들어 사업을 해 보고 싶습니다.” 모리츠 이미쉬 는 영국 내무대신 출신의 귀족, 케펠공장에게 동업을 제안했다. 이미쉬의 목소리는 자신감으로 넘쳐 흘렀다. 그의 워크샵에는 그가 개발한 고성능 모터가 완성돼 있었다. 이 모터는 전기배에 특화된 것이었다.

케펠공작은 이미쉬의 제안을 흔쾌히 받아들였고, 이들은 함께 세계 최초의 전기배 택시회사, 이미쉬(Immisch & Co)를 만들었다. 이미쉬의 계획대로 1888년 영국 템즈강을 가로지르는 수십 척의 전기배가 취항했다. 충전소도 여덟 군데나 만들었다. 최초의 상업용 전기배 충전소가 만들어진 것이다. 완성도가 높은 이미쉬의 전기배는 돈 많은 사람에게 자가용으로 많이 판매됐다.
 

세계 최초의 잠수함 페럴

전기배 황금시대에 탄생한 또 하나의 발명품은 전기 잠수함이다. 1888년 스페인 군인이자 엔지니어인 이삭 페럴은 사람들에게 마법 같은 시범을 보였다. 철선이 물속에 잠수해서 순향함에 어뢰 공격을 가하고 귀항하는 것이었다. 페럴은 이 배를 잠수함이라 명명했다. 페럴 잠수함은 물속에서 시속 5.6km의 속도로 운항했으며 어뢰 발사 기능이 있었다.

그러나 그의 잠수함이 작전에 투입되려면 스스로 배터리를 충전할 수 있는 기능이 필요했다. 스페인 해군은 패럴의 연구를 더 이상 지원하지 않았고 페랄의 잠수함은 더 이상 개선되지 못했다.

페럴의 발명품을 더욱 정교화해 잠수함을 가공할 만한 무기로 만든 나라는 독일이었다. 1908년, 독일은 유보트를 개발했다. 유보트는 물속에서 시속 약 15km의 속도를 냈고 한번 충전하면 150km정도를 운항할 정도로 성능이 우수했다. 유보트의 등장으로 본격적인 잠수함 시대가 열렸다. 유보트는 페럴이 꿈꾸던 기술도 완성했다. 수면으로 떠올랐을 때 내연기관 엔진을 발전기로 사용, 배터리를 재충전할 수 있었다.

이렇듯, 1890년부터 1920년까지 유럽 내수면에서 운항되는 동력선들은 거의 모두 전기모터로 작동됐다.

◆ 전기배 침체기

1920년부터 내연기관 엔진의 완성도가 높아지면서 전기배의 열기가 식기 시작했다. 가솔린 내연기관은 연료만 공급하면 먼 거리를 운항할 수 있었다. 이에 반해 전기배의 배터리는 무게가 많이 나가고 주행거리 제약도 있었다. 자연스레 내연기관 배가 전기배의 실용적인 대안이 될 수밖에 없었다.

그러나 결정적으로 전기배를 동력선 시장에서 퇴출시킨 것은 안전문제였다. 전기배가 40마력이 넘어가면 200볼트 이상의 전력을 사용해야 한다. 이 경우, 사고나 고장으로 배에 물이 들어오면 승선한 사람들의 감전으로 목숨을 잃을 수 있다.

전기배가 침수되면 첫 번째 안전장치 역할을 할 수 있는 것이 차단기다. 누전이 감지되면 차단기가 즉시 전원을 단절할 수 있다. 그러나 동력이 차단된 상태에서는 사고상황에서 빠져나올 수가 없어 더욱 위험한 상황에 빠질 수 있다. 침수 상황에서도 동력을 계속 가동하기 위해 방수기술을 사용하지만 완벽한 방수를 하더라도 이론상 30분이 넘어가면 다시 감전의 위험이 생긴다.

그래서 많은 선원이 승선하는 대형 전기선박에는 전기 안전요원이 상주한다. 그러나 개인용 보트는 그런 안전 엔지니어를 고용할 수 없다. 이 문제 때문에 40마력 이상의 전기배를 개발하려는 노력은 많았어도 실제로 출시한 사례는 거의 없었다. 전기배 검색에 나오는 전기배 제조 업체들을 보면 대게 20마력의 소형보트나 저속형 유람선을 공급하는 기업들이다.

충전 문제도 전기배 확산의 걸림돌이 됐다. 전기배는 전기자동차와 달리 배는 해상에서 충전시설을 만들기가 매우 어렵다, 충전 시설을 하기 힘든 장소에서 전기를 충전할 수 있는 유일한 방법은 배터리를 교환하는 것이다. 그러나 40마력 이상의 고마력 전기배의 경우 배터리뱅크의 무게가 최소 700kg이 넘기 때문에 고가의 교환장비와 시설이 없이는 배터리 교환이 거의 불가능하다.

결국, 감전사고, 배터리 교환의 두 가지 큰 장애가 있기 때문에 전기배는 180년 동안 완전 상용화의 장벽을 못했다.

◆ 전기배 르네상스 시대의 개막

180년 만에 전기배의 두 가지 큰 장애를 해결한 나라는 놀랍게도 우리나라, 대한민국이다. 한국기업 엘지엠은 2015년 세계 최초로 전기배를 위한 무감전 기술을 개발, 가장 중요한 기술적 장벽을 넘었다. 이 기술 개발 스토리는 매우 흥미롭다.

2014년 말, 엘지엠은 정부 과제로 전기어선을 개발 중이었다. 전기어선은 120마력의 힘을 내는 90kW급의 모터를 사용해야 하기 때문에 330볼트 이상의 높은 전압공급이 필요했다. 자연스레 감전 문제가 가장 큰 문제로 등장했다. 정부 과제에서는 이를 간과했지만 엘지엠은 그냥 지나칠 수 없었다. 감전 문제 해결 없이는 과제개발에 성공하더라도 상품화는 꿈도 꿀 수 없다는 것을 너무 잘 알고 있었기 때문이다.

그런데 정말로 마법 같은 일이 벌어졌다. 그 당시, 엘지엠의 강시철 회장은 우연히 무감전 기술을 발명한 사람이 우리나라에 있다는 소식을 접했다. 말도 안되는 소문이라고 생각했지만 ‘밑져야 본전’이란 생각에 강 회장은 발명가를 수소문해서 지방 소도시로 있는 그를 찾아갔다. 발명가가 보여준 무감전 시범은 그야말로 놀라웠다.

물에 전선을 늘어트려 전류를 통하고 금붕어를 집어넣었는데도 금붕어들이 살아 있었다. 심지어 발명가는 자신의 손을 집어넣는 목숨을 건 시도까지 했다. 전기이론에 대한 공리를 완전 뒤집어엎은 엄청난 발견이고 발명이었다.

강 회장은 발명가를 지속적으로 찾아가 설득한 끝에 큰돈을 주고 그의 기술을 사왔다. 그러나 그 기술을 선박용 전기엔진 부품들에 적용하는 것은 또 다른 이야기였다. 원천 기술의 보완과 응용기술 개발이 필요했던 것이다. 엘지엠은 그로부터 2년여에 걸친 연구로 2016년 무감전 기술을 선박용 전기엔진에 장착하는데 성공했다. 연구결과를 토대로 새로운 무감전 특허도 냈다. 이로써 세계 최초로 고마력 전기배를 상품화할 수 있는 길이 열린 것이다.

엘지엠은 전기배에 관한 한 전 세계에서 가장 많은 특허 기술을 보유한 기업이다. 기술의 대부분에 ‘세계 최초’란 수식어가 붙는다. 엘지엠은 전기배의 운항거리 한계도 극복했다. 엘지엠은 하이브리드, 플러그인 하이브리드 전기 파워트레인을 발명했다. 하이브리드 시스템은 고속이나 원거리는 내연기관 엔진을 사용하고 저속이나 짧은 거리는 전기엔진을 사용하는 시스템이다. 예를 들어 어선의 경우, 어로장소까지는 내연기관 엔진을 사용해서 목적지에 도달하고 조업을 할 때나 저속으로 운항할 때는 전기 엔진을 이용, 소음과 진동, 연료 소모를 최소화할 수 있다.
 

[사진=엘지엠]

 

엘지엠의 카트리지 배터리 파워뱅크[사진=엘지엠]

플러그인 하이브리드 전기엔진은 잠수함 엔진과 유사하다. 여기서는 전기모터가 기본 동력이다. 내연기관 엔진은 전기를 발전해서 배터리를 충전하는 용도로 사용된다. 내연기관 엔진이 발전기로 사용되는 경우, 정속으로 가동되므로 연료 효율이 매우 높아지고 배기가스도 저감된다. 이 전기 엔진을 사용하면 근거리는 육지에서 충전한 전기를 사용하고 원거리는 엔진발전기로 충전한 배터리를 사용한다.

전기배의 운행거리 한정성을 극복하기 위해 엘지엠이 개발하고 있는 또 하나의 기술은 수소연료전지 선박이다. 엘지엠은 수소연료전지를 이용, 배터리를 지속적으로 충전해서 원거리를 운항할 수 있는 전기배를 개발하고 있다. 이를 위해 세계적인 수소연료전지 회사들과 협업을 진행하고 있다.

엘지엠은 배가 운항할 때 생기는 힘을 이용해 충전할 수 있는 견인력 발전기(Towed Generator)도 개발했다. 돛의 힘으로 운항하는 세일 보트의 경우 출항이나 귀항, 또는 일정한 지점에 머무르거나 선내 전기 제품 사용을 위해 동력이 필요하다. 엘지엠은 이런 세일 보트가 바람의 힘으로 운항 할 때, 1시간에 최소 3kW의 전기를 생산해 낼 수 있는 견인력 발전기를 개발했다. 3kW는 24평 아파트의 하루 전기 사용량이다. 이 장치를 장착한 요트는 운항하는 한 배터리를 잊을 수 있다.

엘지엠은 충전 문제도 해결했다. 바로 카트리지 배터리 시스템이다. 엘지엠은 700kg이 넘는 전기배의 배터리뱅크를 여러 개의 개별 카트리지로 나누는 기술을 발명했다. 배터리뱅크는 배터리 셀과 콘트롤, 통신, 냉각 장치 등 많은 부품이 유기적으로 연결돼 있다. 따라서 한 개의 뱅크를 여러 개로 나누어 하나처럼 관리한다는 것은 불가능하다는 것이 업계의 정설이었다. 엘지엠은 이 배터리뱅크를 한 개가 약 18kg 정도 되는 카트리지 형태의 모듈로 나눠 충전과 교체를 쉽게 할 수 있도록 만들었다. 엘지엠은 충전, 교체, 추가, 분리가 모두 가능한 카트리지 배터리뱅크를 출시했다.

엘지엠은 무감전 솔루션 발명으로 고마력 전기엔진을 상품화할 수 있는 세계 유일의 기업이 됐다. 현재 엘지엠은 20~1000마력의 고마력 전기엔진의 주요 국가, 지역 인증을 모두 받고 있다. 인증이 나온 지역에선 제품 주문을 받고 있다. 인증을 모두 득한 한국에선 이미 여러 지자체로부터 주문을 받고 있다. EU인증이 2018년 말에 나왔고, 중국은 CCS서류 인증을 이미 획득했다.

세계 주요국들이 내수면 환경보호를 위해 내연기관 엔진을 사용하는 선박들의 운항을 금지하고 있다. 미국, 중국, 유럽, 캐나다의 여러 지역이 이미 금지를 예고하고 있으나 공급능력이 있는 기업은 오직 엘지엠 뿐이다. 엘지엠은 거의 독점 사업자의 지위를 누리고 있는 것이다.

배의 내연기관 엔진을 전기 엔진으로 교체하는 것은 반나절이면 된다. 엔진 자리에 모터와 컨트롤러, 연료탱크 자리에 배터리를 장착하면 개조가 끝난다. 나머지는 그냥 사용하면 된다. 그래서 엘지엠의 표적시장은 교체시장과 신조시장 모두이다. 교체 시장이 신조 시장보다 훨씬 크다. 배의 연식이 오래돼 엔진을 교체해야 하거나 법적 단속 때문에 내연기관 엔진을 전기엔진으로 교체해야 하는 배들이 많다. 특히 요트와 같은 레저 용 선박은 전기엔진으로 교체하면 고질적 문제였던 소음과 악취, 바이브레이션 현상이 바로 사라진다. 그야말로 프리미엄 요트가 되는 것이다.

이와 같은 배 중 20마력 이상 엔진을 사용하는 선박 수는 미국, 캐나다가 200만대, 중국이 170만대이다. 유럽은 150만대 규모로 추정된다. 신조 보트 시장은 연간 약 10만대다. 보수적으로 잡아도 500만대의 잠재수요가 있다. 고마력 전기엔진의 가격은 배터리 뱅크패키지를 포함, 최소 4000만원부터 최고 10억원까지 다양하다. 이 역시 보수적으로 계산, 대당 5000만원으로 가정하면 엘지엠의 잠재 시장은 250조원 정도가 된다. 이 시장에 대한민국의 중소기업이 홀로 우뚝 서 있다.