건축/환경에너지

Nikkei Construction_2023.3 특집 요약 (p68-74)

자동차 도로의 진화
주행 중 급전이나 자율주행 지원 등

주행 중 급전이나 태양광 발전, 자율주행 지원. 모빌리티의 변혁에 따라 차량의 효율적인 주행 이외의 기능이 차세대 도로에 요구되고 있다. 새로운 재료를 사용한 포장 위를 차량이 주행하는 실증실험이 이뤄지는 등 도로는 진화가 한창이다. 미래의 도로 건설을 이끌려는 건설업계의 움직임을 따라가 보았다.

Part 1. 모빌리티에 대응하는 인프라
자동차의 ‘이동’이 최우선이 아니다, 코로나19로 더욱 진화하는 도로

모빌리티의 변혁과 더불어 도로가 변화하고 있다. 그동안 차량의 효율적 주행을 목표로 정비했지만 다양한 기능이 부가되면서 완전히 새로운 모습으로 진화하고 있다. 코로나19로 인한 재택근무 정착 등 생활양식이 변화한 것도 도로의 진화를 뒷받침할 것으로 보인다.

차량의 주행 효율을 추구해온 도로에서 패러다임 전환이 일어나고 있다. 환경문제 등 사회 요구에 부응할 수 있도록 모빌리티가 급속히 변화하고 있고, 그에 발맞춰 도로도 진화하고 있다.

예를 들면, 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 전기자동차(EV)가 보급되면 주행 중에 무선으로 급전하는 시스템을 내장한 포장이 나올 것이다. 거기에 필요한 전기의 일부를 조달하기 위해 도로에 태양광 패널을 부설하는 미래도 생각할 수 있다.

차량의 완전 자율주행 구현을 통해 도로에 자율주행을 지원하는 도료 라인을 긋거나 전자유도선을 매설하는 움직임도 등장했다. 아스팔트나 콘크리트 이외의 도로 포장 재료를 당연하게 취급할 날이 멀지 않았다.

도로의 공간 구성에도 변화가 보인다. 자율주행 전용도로는 주행 시의 좌우 흔들림을 고려할 필요가 없어 차도 폭이 좁아진다. 그에 따라 빈 공간을 자전거 전용도로나 보행 공간, 플라잉카의 주차시설로 활용하는 방법을 생각할 수 있다.

-- 역병의 만연으로 새로운 도로의 조짐 --
도로의 역사를 되돌아보면 약 150년 전까지도 마차와 인력거가 주요 교통수단이었다. 마차의 주행 경로에 레일을 깐 '마차철도'가 있는 정도였고 도로는 포장돼 있지 않았다. 그러나 1900년 들어 도쿄에 처음으로 자동차가 등장했다. 도로는 변화하고 콘크리트 포장으로 노면이 정비되었다.

이후 자동차의 폭발적인 보급으로 포장 정비가 늦어지면서 시공이 빠르고 비용도 저렴한 아스팔트 포장으로 대체됐다. 이후 도로는 차량이 원활하게 주행할 수 있는지를 최우선으로 해서 정비되었다. 지금은 전국의 일반국도 포장률이 거의 100%에 달한다.

도로 역사에는 도로 시책과 긴밀하게 관련된 사상이 있다. 바로 역병이다. 국토기술연구센터의 한 연구원은 “역병의 만연과 함께 도시는 크게 변화한다”고 지적한다. 도시 구조의 변화가 도로에도 영향을 미치는 것은 물론이다.

예를 들어 19세기에 유럽에서 대유행한 콜레라를 계기로 파리를 개조했다. 감염 확산의 원인 중 하나였던 과밀 환경을 해소하기 위해 도로가 확대되었다.

지금은 코로나가 만연해 있다. 텔레워크나 워크스테이션의 새로운 일상을 거쳐 도로는 어떻게 진화할지 궁금하다.

차세대 도로에는 건설사 등도 관심을 보인다. 오바야시구미나 다이세이건설은 미래의 도로 구상을 그린 이미지 ‘e-MoRoad’를 공개했다. 실현을 위해 요소기술을 발표하고 실증실험 등을 시작했다.

Part 2. 에너지 공급형 포장재
급전 가능한 도로의 구현이 목전, 인프라가 EV의 변혁을 촉구

주행 중인 EV에 무선 급전하는 도로가 이제는 꿈의 이야기가 아니다. 건설업계에서는 효율적인 급전을 목표로 한 구체적인 포장재를 검토하고 있다. 2023년에 실용화를 위한 기술이 확립될 것 같다.

고속도로를 대상으로 한 무선급전시스템 실용화 기술을 2023년까지 확립하겠다는 다이세이건설. 다이세이건설과 도요하시기술과학대학, Taisei Rotec은 공동으로 무선급전도로 ‘T-iPower Road’를 실현하기 위한 실증실험을 시작한다고 2022년 9월에 발표했다.

다이세이건설을 비롯해 건설사 등이 주행 중 급전 도로 개발에 진심으로 나선 배경 중 하나가 정부가 2020년 10월에 선언한 '2050년 탄소중립'이다. 같은 해 12월에 책정한 '그린성장전략'에서는 35년까지 신차 판매로 EV 등 전동차 100%를 달성하는 목표를 세웠다. 경제산업성에 따르면, EV 판매 비율은 중국이나 유럽에서 착착 성장하고 있지만 일본은 아직 미비하다.

EV의 보급에는 배터리 방전을 걱정하지 않아도 되는 충전 환경이 필수다. 도로변에 급속 충전 스탠드를 다수 배치하고, 주행 중에 무선으로 급전할 수 있는 차도를 구현해야 한다.

무선급전기술에는 몇 가지 방식이 있다. 전력을 전송하는 매체로서 전극에 의한 전계(Electric Field)를 이용한 전계결합방식, 코일에 의한 자계(Magnetic Field)를 이용한 자계결합방식 등이다. 다이세이건설은 전계결합방식을 채택했다. Taisei Rotec의 기술연구소(사이타마현) 내에 무선급전도로를 시험적으로 부설했다.

겉보기에는 그냥 일반 도로다. 다만 포장 구조는 일반 아스팔트 포장과 크게 다르다. 특수 아스팔트 재료인 세라믹 골재를 표층과 기층, 상층 노반에 사용하고 있다고 한다.

전계결합방식은 물에 약하다. 아스팔트 포장 골재에 사용하는 쇄석 내 수분이 전계의 에너지를 흡수해 전송 효율을 떨어뜨린다. 그런 점에서 쇄석보다 함수비가 낮고 흡수성이 작은 세라믹 골재는 전계결합방식에 적합했다.

-- 전송 효율 70%를 달성 --
포장 내에 물을 모아두지 않을 또 하나의 아이디어가 있다. 하층 노반에 사용한 강화 플라스틱제 빗물 침투재다. 이 층의 공극률은 90% 이상으로, 비가 와도 빠르게 배수할 수 있다.

지금의 EV가 시속 50km로 달렸을 때의 평균 소비전력은 시간당 7kW 정도다. 다이세이건설은 전송효율 70%를 목표로 하고 있고, 시험적으로 부설한 도로에서는 이미 고주파 전원에서 전송한 전력 10kW 중 EV에는 7kW의 급전이 가능하다.

“무선급전도로가 실현되면 EV는 전력을 소비하지 않고 계속 달릴 수 있을 것이다. 주행 가능 거리가 늘어날 뿐만 아니라 탑재 배터리도 축소될 수 있다”(다이세이건설 기술센터). 인프라가 모빌리티의 변혁을 재촉할 가능성이 나왔다.

추산으로는 바퀴하중 49kN의 대형차가 하루 3,000대 이상 주행하는 교통량 구분 N7 도로에서도 내구성에 문제가 없다. 실물을 이용한 내구성 검증이 향후 과제다.

시공방법도 개선해 나간다. 시험 부설에서는 0.5ⅹ0.5ⅹ0.1m의 빗물 침투재를 1개씩 수작업으로 끼웠다. 전국 고속도로를 그 방법으로 전개하는 것은 비현실적이다. 그래서 시공 기계 개발도 생각하고 있다.

한편, 시공만 하면 별다른 유지 보수는 필요 없다고 한다. 아스팔트 포장에 바퀴자국 발생하더라도 노면에서 두께 50mm 정도의 표층 부분만 교체하면 된다. 송전 전극의 매설 깊이는 100mm 정도여서 시공에 방해가 되지 않는다.

-- 유기섬유를 섞은 콘크리트 포장 --
오바야시구미도 주행 중 급전시스템 개발에 착수한다. 오바야시구미 기술연구소(도쿄) 안에 자계결합방식의 주행 중 급전시스템을 부설한지 1년이 지났다. 2023년 여름에 송전 코일 등을 비바람에 노출시켜 그 영향을 확인할 예정이다.

오바야시구미는 포장재에 폴리프로필렌을 섞은 섬유보강 콘크리트 ‘Universalcreat’를 사용했다. 철근콘크리트 위에 설치한 송전코일을 Universalcreat으로 덮는 구성이다. 인장력이 가해져도 균열이 한 곳에 집중되지 않고 분산된다. 일반 콘크리트보다 인성이나 내구성이 높다.

원래 섬유보강 콘크리트는 강섬유를 섞는 것이 일반적이고 비용도 낮다. 오바야시구미는 Universalcreat을 10여 년 전 개발했지만 사용 실적은 적었다.

지금까지 사용되지 않았던 재료에 주목한 것은 오바야시구미가 급전 방식으로 채택한 자계결합방식과 궁합이 좋았기 때문이다. 이 방식에서는 포장에 매립하는 송전코일과 EV에 탑재하는 수전코일의 거리가 중요하다.

자계는 코일 사이의 거리가 멀어지면 크게 감쇠하는 성질을 갖는다. 송전코일까지의 거리를 가능한 짧게 해야 했다. 또한 코일 사이에 금속물이 있으면 전송효율이 저하될 우려가 있었다.

금속을 사용하지 않고, 얇지만 내구성이 뛰어난 재료가 Universalcreat이었다. 코일까지의 거리는 25mm로, 바퀴하중 10t에 견딜 수 있다는 계산이다. 아스팔트나 일반 콘크리트는 내구성이 충분하지 않았다. “Universalcreat은 일반 콘크리트보다 비용이 비싸지만 얕은 부분에만 사용하기 때문에 영향이 적을 것이다”(오바야시구미 기술본부).

오바야시구미는 우선 신호대기 등으로 정차 시간이 긴 일반도로 교차로나 버스정류장으로 주행 중에 급전하는 것을 목표로 한다. 기존 도로에서 시공할 경우 포장을 벗겨 콘크리트를 타설하는 방식은 시간이 너무 걸리기 때문에 프리캐스트 부재도 검토하고 있다.

Part 3. 대형차도 견디는 튼튼한 패널
차도가 태양광 발전 시설로, 간이 시공으로 고내구성 패널 개발 중

태양광 패널의 새로운 설치 장소로서, 광대한 발전 면적을 전망할 수 있는 도로에 관심이 집중되고 있다. 대형 도로포장업체들은 민간기업의 주차장 등 사유지에 도입하기 시작했다. 대형차 주행에 대응할 수 있는 내구성 검증도 진행 중이다. 23년에는 공도에 설치하기 위한 실증실험이 시작될 것 같다.

사람이나 차량이 수없이 지나다녀도 파손되지 않는 내구성을 가진 태양광 패널 구현을 위해 도로포장업체 등이 기술개발에서 각축전을 벌이고 있다. 예를 들면, 동아도로공업은 프랑스의 대형 도로건설업체인 콜라스(Colas)와 손잡고, 노면의 태양광 패널 위를 대형 차량이 주행하는 실증실험을 진행했다.

“개발 중인 태양광 패널은 바퀴하중 49kN 환산으로 20만 바퀴 주행해도 손상이 없는 것을 확인했다. 하루 대형차 교통량이 40~100대인 교통량 구분 N3까지의 차도라면 내구성에 문제가 없을 것이다. 23년 여름에는 30만 바퀴 주행이 목표다”(동아도로공업).

국토교통성에 따르면 전국의 국도와 고속도로에서 조명 등 도로 관리에 필요한 전력은 1년에 약 3060GWh(기가와트시, 2013년도 시점)이다. 한편 도로 주변에 설치한 재생에너지 발전시설의 발전량은 그 1%에도 미치지 못한다.

도로 관리에 드는 소비전력을 충당할 수 있을 만큼의 발전시설도 정비되지 않은 것이 현실이다. 그래서 주목을 받고 있는 것이 약 128만km에 이르는 공도이다. 태양광 패널이 설치된다면 새로운 대규모 발전시설이 탄생하는 것이다.

현행 도로법에서는 태양광 패널 등 발전장치를 공도의 노면에 설치할 수 없다. 그러나 국토교통성은 23년 3월, 법제도 개정도 고려하면서 태양광 발전 포장을 설치하기 위한 기술 공모를 시작했다. ‘발전(發電)하는 도로’의 실현이 가시화되고 있다.

-- 두께 6mm의 슬림형 태양광 패널 --
개정에 대비해 동아도로공업은 보도나 공원에서 태양광 패널을 선행 도입한다. 동아도로공업과 콜라스의 일본법인 콜라스 재팬(도쿄)은 태양광으로 발전하는 포장 시스템 ‘Wattway Pack’을 2022년 6월부터 공동 판매하고 있다. 2023년 3월 시점에서 5곳에 설치했다.

이 제품을 구성하는 태양광 패널은 결정실리콘형 태양전지와, 이를 덮는 투명한 특수 수지로 구성된다. 포장을 벗기지 않고 노면 위에서 접착제로 붙인다. 노면과의 단차가 커지지 않도록 두께는 6mm로 얇다.

“고온 다습한 일본에서는 프랑스에서 사용하는 접착제로는 잘 붙지 않는다. 일본 업체의 접착제로 대응했다”(콜라스 재팬). 시간 경과로 접착부에 발생하는 변화는 앞으로도 검증해 나간다. 콜라스는 과거 일본에서 태양광 발전 포장을 도입한 실적이 있다. 동아도로공업과의 협력을 통해 새로운 점유율 확대를 노린다.

“차만 달리는 도로는 아깝다. 설치 장벽이 낮은 곳에서 태양광 패널 도입 실적을 쌓으면서 도로법이 개정되는 대로 차도에 적용할 수 있도록 준비하겠다”(동아도로공업).

-- 휘어짐에 강한 필름형 태양전지 --
태양광 패널 설치 방법은 노면 접착만이 아니다. 닛폰도로는 건자재나 태양전지 등을 제조/판매하는 F-WAVE(도쿄)와 공동으로, 포장에 매립하는 타입의 태양광 패널을 개발하고 있다.

필름 형태의 태양전지를 경질 플라스틱 사이에 끼우는 구조로 두께는 20mm다. 우선 갓길이나 주차장 통로에 설치하는 것을 상정하고 있다. 2023년 말에 판매할 계획이다.

시공 순서는 다음과 같다. 포장을 벗긴 후 콘크리트를 타설한다. 그 후, 수지 모르타르를 칠하고 태양광 패널을 접착한다. 붙이는 타입보다 시공에 손이 많이 가지만 패널이 벗겨질 염려는 적다.

현재 유통되는 태양전지의 상당수는 결정 실리콘형이다. 생산기술이 확립되어 있어 대량생산을 통해 비용을 절감할 수 있다. 반면 필름 형태의 태양전지는 결정 실리콘형보다 발전효율이 낮고 실적도 아직 많지 않다.

그럼에도 필름 형태를 채택한 것은 내구성을 중시했기 때문이다. "유연성이 높아 대형차 주행 시 굴곡 변형을 따라갈 수 있다"(일본도로기술연구소).

발전 능력이나 내구성을 확인하기 위해 22년 8월, 닛폰도로의 도쿄기계센터(이바라키현) 부지 안에 태양광 패널을 설치했다. 대형 차량이 자주 드나드는 곳이지만 파손이나 발전량 저하는 발생하지 않고 있다.

접착형이나 매립형에 관계없이 태양광 패널의 내구성 검증이 진행된다. 한편 높은 도입 비용은 보급을 막는 장벽이다. 태양광 패널의 내구성을 높이거나 도로에서 특수한 공사를 해야 하기 때문에 지붕에 설치하는 것보다 비용이 몇 배 더 든다고 한다.

환경을 생각하는 사회 분위기가 높아지는 가운데, 가격이 비싸더라도 도입하는 민간기업 등이 늘어나면, 생산 규모가 커지면서 비용 저감으로 이어질지도 모른다.

Part 4. 자율주행 보급으로 변화하는 일반도로
건설 시장에서의 미래성은 미지수

차량 자율주행은 일반도로에서 실증실험을 진행한다. 도로에는 차량 주행을 돕는 도료와 센서 등 기존에 없던 기능이 부가된다. 도로를 설계/시공해 온 건설기업이 이 분야에서 사업 기회를 얻기 위해서는 보다 적극적인 기술개발이 필요할 것이다.

Part 5. 수동적인 자세에서 벗어나는 건설업계
미래의 도로 건설을 주도한다

건설업계가 미래의 도로 건설을 이끌기 위해서는 발주를 기다리는 수동적 자세에서 벗어나야 한다. 완전자율주행의 물류시스템 구축과 도전성 콘크리트의 포장 적용 등 도로의 새로운 혁신을 일으키려는 움직임이 건설 측에서 나오고 있다.

 -- 끝 --