헬스장에 놓인 실내 자전거를 밟아 전기를 만든다는 아이디어는 직관적으로 매력적이다. 어차피 운동은 해야 하고, 사람이 페달을 밟으며 흘리는 땀을 그대로 버리는 대신 스마트폰이나 노트북을 충전하는 데 쓴다면 친환경적으로 보이기 때문이다. 실제로 서구권에서 상업적으로 팔리는 페달 동력 장치의 대부분은 일반 도로용 자전거를 거치대에 고정하고, 뒷바퀴를 모터·발전기와 배터리에 연결해 순식간에 발전기로 바꿔주는 형태다. Windstream, Convergence Tech, Magnificent Revolution 같은 업체가 이런 제품을 내놓았고, 음악 공연이나 영화 상영에 전력을 공급하거나 백열등과 절전등의 소비 전력 차이를 아이들에게 가르치는 교육·예술 프로젝트에도 널리 쓰인다. BBC는 자전거를 탄 80명이 최대 14kW를 만들어 한 가정에 전력을 공급하는 방송을 제작하기도 했다. 그러나 이 방식이 정말로 지속가능한지는 따져볼 필요가 있다.
전기로 바꾸는 순간 절반 이상이 사라진다
핵심 문제는 페달 힘을 전기로 변환하는 과정 자체가 대단히 비효율적이라는 데 있다. 배터리에서 10~35%, 모터·발전기에서 10~20%, 직류를 교류로 바꾸는 컨버터에서 5~15%, 배터리를 보호하는 전압 조정기(DC-DC 컨버터)에서 약 25%의 에너지가 손실된다. 이 손실을 누적하면 전체적으로 42~67.5%가 사라진다. 원문의 계산 예시를 따르면, 100W를 입력해도 모터에서 20%, 전압 조정기에서 25%, 배터리에서 35%, 컨버터에서 15%가 차례로 빠져나가 최종 출력은 32.5W에 불과하다. 여기에 배터리가 방치되는 동안의 자연 방전과 시간이 지나며 나빠지는 충전 효율까지 더하면 상황은 더 나빠진다.
실무적으로 이것이 의미하는 바는 분명하다. 같은 기기를 기계적으로 직접 돌리면 페달의 100W가 그대로 전달되지만, 전기로 바꿔 저장했다가 쓰면 실제로는 32.5~58W만 남는다. 결국 전기를 거치는 방식은 기계식 대비 2~3배 더 세게, 혹은 더 오래 밟아야 한다는 뜻이다. 이 정도 손실은 에너지원이 태양광 패널이나 풍력 터빈일 때는 감수할 만하다. 무한에 가까운 자연 에너지의 일부가 버려질 뿐이기 때문이다. 그러나 에너지를 사람의 다리로 직접 공급해야 하는 상황에서는 이 손실이 곧바로 육체적 부담으로 돌아온다.
도로용 자전거를 거치대에 올린다는 설계의 한계
두 번째 문제는 처음부터 발전용으로 만든 기계가 아니라 일반 자전거를 훈련용 거치대에 얹는다는 점이다. 이 구조는 뒷바퀴가 발전기의 작은 롤러를 마찰로 돌리는 마찰 구동 방식을 쓰는데, 체인·벨트 구동이 최대 98% 효율을 내는 것과 달리 마찰 구동은 80~90%에 그치고 마모도 훨씬 빠르다. 이 손실을 앞서의 42~67.5%에 더하면 48~73.5%까지 올라간다. 게다가 페달은 뒷바퀴에 직결된 것이 아니라 체인과 변속기를 거치므로 그 손실도 추가된다. 낮은 타이어 공기압, 굴곡진 산악자전거 타이어, 공기저항을 줄이려 웅크린 경주용 자전거 자세(직립 자세 대비 약 80%의 효율)까지 겹치면 손실은 더 커진다. 자기 자전거를 쓸 수 있다는 장점은 있지만, 아무 자전거나 써도 된다는 뜻은 아닌 셈이다.
또 하나 간과되는 것이 플라이휠의 부재다. 사람이 페달을 밟는 힘은 일정하지 않아 크랭크 한 바퀴에 두 번의 정점과 두 번의 사점이 생긴다. 도로 주행에서는 자전거와 사람의 관성이 이를 상쇄하지만, 고정된 발전 장치에서는 이 리듬이 그대로 덜컹거림과 부품 스트레스로 나타나 출력이 제한된다. 19세기 말의 전용 기계들은 10~80kg에 이르는 무거운 플라이휠로 이 불균형을 고르게 다듬어 라이더가 덜 지치고 더 많은 힘을 내게 했다. 일반 자전거 거치대에는 이런 장치가 없다.
진짜 비용은 배터리에 있다
효율만의 문제가 아니다. 전기 저장 방식은 배터리라는 소모품을 요구하고, 이것이 페달 동력의 생태적 명분을 근본에서 흔든다. 한 연구에 따르면 Windstream 제품에 딸린 것과 같은 150Wh 납축전지의 내재 에너지는 최소 37,500Wh로, 이 배터리를 250번 완충하는 양과 같다. 75W를 공급할 수 있는 사람이라면 배터리 제조에 들어간 에너지를 만들기 위해 500시간을 밟아야 한다는 계산이 나온다. 그런데 납축전지의 수명은 300회 충·방전에 불과할 수 있으니, 사실상 배터리를 만드는 데 든 에너지를 되갚기 위해 페달을 밟는 꼴이 된다. 다른 전자 부품의 내재 에너지까지 더하면 이 발전기가 만들어내는 에너지보다 제조에 든 에너지가 더 클 수도 있다.
반면 전기 변환을 거치지 않는 순수 기계식 장치는 강철 사용이라는 부담이 있지만 셈법이 다르다. 25kg짜리 Fender Blender(스무디용 페달 기계)를 재활용 강철로 만들면 내재 에너지가 약 41,625Wh, 새 강철로 만들어도 138,750Wh 수준인데, 19세기 말 기계가 지금도 쓰이는 것처럼 100년을 버틸 수 있다. 배터리를 낙관적으로 4년마다 교체한다고 가정하면 전기식 발전기는 100년간 937,500Wh의 내재 에너지를 요구해 기계식의 6.7~22.5배에 이른다. 기계식 프레임은 폐자재로 만들어 내재 에너지를 거의 0에 가깝게 낮출 수 있지만, 배터리는 그럴 수 없고 재료의 독성 문제도 남는다.
이 기사가 던지는 메시지는 페달 동력 자체를 부정하는 것이 아니라, 기술 선택의 방향을 다시 보라는 것이다. 기계적으로 직접 기기를 돌리는 페달 장치는 누구나 수리하고 폐자재로 복제할 수 있는 가장 견고하고 자립적인 에너지원이다. 그러나 여기에 전기 발전과 배터리를 끼워 넣는 순간 그 강점은 사라지고, 소수만 만들 수 있는 배터리의 정기적 공급에 의존하게 된다. 스마트폰과 노트북 충전이라는 현대적 수요가 전기화를 불가피하게 만든 면은 있지만, 무엇을 어떻게 구동할지에 따라 지속가능성의 결론이 정반대로 갈린다는 점은 IT·에너지 실무자가 기술의 친환경성을 평가할 때 되새길 만한 교훈이다.