IRENA 전기자동차 기술 요약 보고서(1)

  • <번역/정리 : 박한돌 기자>
  • 2017-04-10 오전 11:19:35

 

본고는 국제재생에너지협회인 IRENA에서 지난 2월 공개한 전기자동차 기술과 시장전망에 대한 보고서인 "Electric Vehicle Technology Brief"의 내용을 번역 편집한 기사로서 이번호부터 5회에 걸쳐 게재한다.

“전기 자동차”(EV)라는 용어는 일반적으로 차량에 탑재되어 적어도 저장 에너지 일부를 공급하는 배터리를 충전하기 위해 접속할 수 있는 전기 구동(모터) 추진 시스템이 있는 차량을 의미한다. EV에는 두 가지 주요 유형이 있다. 즉, 에너지 저장용 배터리만을 사용하고 재충전 시 접속해야 하는 배터리 전기 자동차(BEV)와, 배터리와 액체 연료 저장 시스템을 모두 갖춘 플러그인 하이브리드 전기 자동차(PHEV)로서 차량에 저장된 에너지를 증가시키기 위해 접속하거나 액체 연료로 급유할 수 있다.

일반적인(플러그인이 아닌) 하이브리드 자동차에는 전기 구동 시스템이 있지만 플러그는 없으며 차량에 탑재되어 있는 배터리 충전에 회생 제동과 액체연료를 함께 사용한다.

PHEV는 일반적으로 가솔린 등 액체 연료로 작동하는 내연 기관을 가지고 있기 때문에 BEV보다 훨씬 작은 배터리 팩을 제공한다. PHEV는 배터리로 이동하는 거리가 짧지만 액체연료가 있어 일반적으로 전체 주행 거리가 길다. 통상 주행거리는 750km 이상으로 기존 차량과 비슷하다.

현재 BEV는 통상 1회 충전 시 주행거리가 250km(160 마일) 미만이지만 Tesla S 모델(www.tesla.com/models)과 BYD E6(www.byd.com/la/auto/e6.html) 등 일부 모델은 주행거리가 300km 이상이다. Chevrolet는 2016 년 말 출시할 볼트는 약400km 이상의 주행 거리와 37,000 달러의 가격이 책정되어있다. 이외에도 2017년 3월 출시를 목표로 주행거리가 보다 긴 여러 모델들이 발표되고 있다(www.chevrolet.com /bolt-ev-electric-vehicle.html).

 

<그림 1>은 2015 년에 여러 국가에서 판매된 BEV 및 PHEV의 모델에 대해 각 차량의 배터리 용량 및 정격 주행거리(배터리 저장 기능은 물론 에너지를 주행 거리로 변환하는 차량의 효율성)를 보여준다. PHEV는 액체 연료 상에서 일반적으로 배터리 용량과 전기에 의한 주행 거리가 매우 낮다. BEV는 일반적으로 주행거리가 100km 이상이지만 어떤 모델은 200km 이상의 주행거리를 제공한다. 언급했듯이 2015년에 몇몇 모델 특히 BYD E6는 주행거리가 250km 이상이었고, 테슬라 모델S는 400km 이상이었다.

휘발유 및 디젤유 등 액체연료는 에너지 밀도가 높기 때문에 급유 전에 장거리 주행이 가능하다. 운전자는 주유소에서 몇 분 안에 연료탱크를 쉽게 채울 수 있다. 엔진에서 연료가 연소될 때의 단점은 대부분의 에너지가 열로방출되며 변환효율은 20-30 %이다(하이브리드는 높은쪽인 30% 수준이다).

대조적으로, 전기 모터는 입력 에너지의 90~95 %를 차량을 이동시키는 데에 사용하여 매우 효율적이다. 그러나 전기 자동차의 문제점은 적절한 주행 거리를 제공할수 있게 배터리에 충분한 에너지를 저장해야 하고 운전자에게 과도한 불편함 없이 배터리를 충전하는 것이다. 다행히 배터리는 시간이 지남에 따라 성능이 좋아지고 저렴해지고 있다.

현재 모든 디자인과 상용화된 EV는 일종의 리튬이온 기반의 배터리를 사용하고 있는데, 이 기술은 지난 25 년동안 휴대용 전자 제품, 특히 휴대 전화 및 휴대용 컴퓨터에서 사용하기 위해 완성된 기술로서 다른 모든 배터리를 대체하였다. 리튬 이온 배터리는 비교적 높은 에너지 밀도, 높은 비에너지(specific energy) 및 우수한 사이클 수명을 제공한다.

현재 리튬이온 배터리는 생산의 대량화, 성능 향상, 그리고 자동차용 및 전력망에 사용되는 대규모 저장 배터리용으로 정교하게 관리되는 “팩”에 리튬 배터리 셀을 패키징하는 성숙도의 새로운 단계에 있다. 지난 몇 년 동안 진행된 많은 발전으로 배터리는 더 작고 가볍고 내구성이 뛰어나며(차량 수명을 연장시킬 수 있을 뿐만 아니라), 몇 분 안에 완전히 충전된다.

 

이를 둘러싸고 있는 문제는 비용으로서 kWh 용량 당으로 측정된다. 일반적인 목표는 전체 배터리 팩의 경우 USD150/kWh인데 이 단가는 EV의 전반적인(구매 및 에너지) 비용이 내연기관 차량과 경쟁할 수 있는 가격이다. <그림 2>는 스웨덴의 두 연구자가 연구한 다중소스 연구 결과이다.

이 그림에서 2014년부터 2030년 미화 50달러/kWh에 이르는 진전을 볼수 있다. 2016 년 보고서에 의하면 비용은 10 년 이내에
100달러/kWh까지 내려갈 수 있다(블룸버그 신에너지(Finnance and McKinsey & Co, 2016).

 

리튬 이온 배터리 외에도 리튬공기 배터리와 같은 여러 가지 배터리들이 개발되고 있는데, 이들 배터리는 리튬이온 배터리보다 높은 단위 질량 및 부피당 에너지를 제공할 수 있는 가능성 때문에 매우 희망적이다. 리튬공기 전지는 에너지 효율이 낮고 분해 속도가 빠르다는 단점(http://news.mit.edu/2016/new-lithium-oxygen-battery-greatlyimproves-energy-efficiencylongevity-0725)이 있지만 전통적인 리튬 이온 배터리의 기술적 한계를 뛰어 넘는 핵심 성능 특성을 제공한다.

MIT의 연구자들은 리튬 공기 배터리의 단점은 극복하고 리튬 공기 배터리로 사용할 수 있는 새로운 개념의 리튬 산소 배터리를 개발했다. 급속충전식 리튬이온 배터리 생산을 위해 이스라엘의 한 스타트업 기업이 설립되었다. 이 회사는 나노 기술을 사용하여 30 분 내에 재충전할 수 있는 배터리용 유기 물질을 새로 만들었다(http://fortune.com/2015/08/19/ electric-car-batterycharges-
minutes/). 이러한 물질은 기존 리튬이온 배터리에 비해 충전 속도를 높일 수 있다.

배터리의 진화와과는 별도로 과학자들과 전문가들은 EV의 성능을 크게 변화시킬 수 있는 대체 또는 보조 전기저장장치로서 울트라 커패시터의 잠재력을 보았다. 리튬이온 배터리는 화학 반응을 통해 에너지를 변환 및 저장하는 반면 울트라 커패시터는 전기장을 사용하여 에너지를 저장한다.

결론적으로 배터리는 방전하는 데 오랜 시간(몇 시간)이 걸리는 반면, 울트라 커패시터는 대전력을 급속 방전(초 또는 분) 할 수 있다. 리튬이온 배터리는 일반적으로 최대 10,000 회(사이클) 충방전이 가능하지만 울트라 커패시터의 사이클 수명은 그 백배인 1백만 회이다. 그러나 울트라 커패시터는 일반적으로 리튬 이온 배터리에 비해 낮은 에너지 밀도를 가지며 kW당 가격도 더 비싸다. 따라서 에너지 밀도를 크게 개선하면 시장에 진입하여 EV성능을 향상시킬 수 있다.


경량 전기자동차 판매

<그림 3>에서 볼 수 있듯이 PHEV 및 BEV 경량 차량(LDV) 판매량은 지난 5년간 빠르게 증가하여 2015 년에는 거의 500.000대에 달했으며, 이중에서 세계 8대 시장 (중국, 미국, 일본, 독일, 프랑스, 영국, 노르웨이, 네덜란드)의 EV 판매량은 전체의 95%에 달한다. PHEV는 BEV보다 조금 느리지만 2015 년에는 전체 매출에서 차지하는 비중이 약 45 % (BEV는 나머지인 55 %)로 나타났다.

그러나 이 판매량 합계는 전 세계적으로 판매된 근 900만대의 LDV 파매대수의 약 0.5 %에 불과하다 2016년에는 EV 판매대수가 100 만대에 이르며, 그 절반은 중국에서 판매될 것으로 예상된다.

<표 1>에서 볼 수 있듯이, EV 판매량과 시장 점유율은 주요 자동차 시장마다 매우 다양하다. 2015 년 시장 점유율은 노르웨이 20 %, 네덜란드 10 %, 캘리포니아 3 %(미국 전체에서는 1 % 미만)이지만 다른 국가에서는 2 %미만이다 (중국은 지난 1년 또는 2년 동안 가장 높은 판매 증가율을 보였지만) 전 세계적으로, EV의 2015 년 50만 대에 가까운 판매량은 전 세계에 판매된 LDV의 약
0.5 %이다.

미래를 내다보면서 UC Davis는 하이브리드 자동차와 같은 다른 신기술을 경험해온 것과 같이 현재 진행중인 시장 개발로 일어날 수 있는 것을 특성화하기 위해 승용차 EV 기술 개발의 4 세대 모델을 개발했다.

 

<그림 4>는 2010년과 2030년 사이의 4 세대 차량을 보여주는데, 새로운 세대의 EV는 약 5년마다 새롭게 등장한다. Chevrolet Volt 및 Nissan Leaf와 같은 최신 (2016년) 모델 도입은 EV가 2 단계에 진입하고 있음을 나타낸다.

 

이미 세계 시장에 출시 된 2 세대 차량의 경우 1 세대 차량에 비해 주행거리 및 기타 특성이 크게 개선되었다(그림 5). BEVs는 1회 완전충전으로 통상 150km 이상 주행하지만 일부 모델들(특히 Tesla S와 Tesla 3 및 Chevrolet Bolt)은 주행거리가 300km 이상이다.

PHEV의 경우는 원래 플러그인인 Prius와 같은 주행거리가 짧은 저속 모델은 최소 30km의 배터리 범위와 60km를 넘는 일부 모델(새로운 GM Volt 및 Ampera모델)로 대체되었다. 이들 모델은, 부분적으로는 구매자들이 전기 주행에 더 관심을 가지고 있으므로 주행거리가 짧은 모델들에 비해 전기로 더 긴 거리를 주행한다. 또 새로운 모델은 기존의 1 세대 모델보다 저렴하다.

다른 유형의 전기자동차 판매

기존의 LDV 전기자동차 외에도 고속도로용으로 인증되지 않았으며 일반적으로 경량이며 전력 비용이 낮은 4 륜 차량인 저속 전기 자동차 (LSEV)를 위한 의미 있는 시장이 존재한다. 이들 전기자동차는 일반적으로 최고 속도가 50-70 km/h이다. 이들은 아시아 (특히 중국)에서 인기가 있으며, 유럽에서 가장 성공적인 모델은 지금까지 15,000대 이상 판매된 르노 Twizy이다(Kane,2015).

또한 규모가 큰 2 륜차 (전기자전거 포함) 시장과 전기 트럭 및 버스를 위한 신흥 시장이 있다. 사실 지난 십 년 동안 중국에서 팔린 많은 2륜 전기차 덕분에 세계적으로 4 륜차 시장보다 훨씬 더 큰 전동 이륜차 시장이 있다. 지난 10 년간 중국에서는 판매 대수가 증가해왔으며, 전기스쿠터, 모페드, 전기자전거를 포함한 전동 2륜차 누적 판매대수는 2 억 대가 넘는다(Cherry, 2016).

 

<그림 6>에서 알 수 있듯이 2015년 아시아 지역의 판매대수는 중국과 일본을 중심으로 4 천만 대에 이른다(ITDP / UC Davis, 2015). 나머지 지역의 매출은 주로 유럽에서 약 2 백만대로 추정된다. 이 연구는 BAU(Business-as-usual) 시나리오에서 아시아에서 6 천만대, 기타 지역에서 4 백만대 판매 성장을 계획하고 있다. 일반적으로 중국과 다른 개발 도상국에서 판매되는 이륜차는 납산 배터리를 사용하고 있지만 일본과 유럽에서 판매되는 배터리는 리튬 이온 배터리를 사용한다.

전기 트럭과 버스 시장도 출현하였는데, 전 세계적으로 150,000대가 넘는 전동 버스가 중국을 중심으로 운행되고 있다(International Energy Agency, 2016). 이는 지난 2~3년간 매우 빠른 증가세를 보였으며 그 수는 더 많은 국가에서 꾸준히 빠른 속도로 증가 할 것으로 예상된다. 전기 트럭의 판매대수나 재고에 대한 명확한 데이터는 발견되지 않았지만, 대부분이 데모 및 소규모 생산 차량이다.

그러나 소규모 서비스 및 배달 트럭과 같이 전기 트럭과 관련 인프라를 채용하기 시작했다. 예를 들어, 스웨덴은 전동식 트럭을 위한 세계 최초의 전기 도로 (e-way)를 구축했다. 이것은 소규모, 2km 스트립으로서 여기서 전장화된 트럭이 팬터그래프 전력 수집장치가 딸린 커테너리 시스템으로부터 전기를 수전한다. 이들 트럭은 e-웨이(Scania AB, 2016)를 사용하지 않을때에는 최대 3km까지 주행할 수 있는 5kWh의 리튬이온 배터리가 내장되어 있다.

비용, 시장 및 소비자

EV 채용을 성공으로 이끄는 데 두 가지 주요 요소 즉, 정부의 조치 지원과 소비자 인기가 필요하다. 이는 기존의 차량 모델과 경쟁해야 한다는 것을 의미한다. 따라서 전기자동차는 즐거운 운전 경험, 충분한 주행 거리 및 좋은 “녹색” 자격 증명과 같은 바람직한 속성을 가져야 한다.

정책 입안자는 선행 비용을 낮추기 위한 보조금 및 프리미엄 주차 장소와 같은 도시 접근 수단과 같은 조치로 EV를 보다 매력적이게 할 수 있다. 또한 EV는 다양한 형태와 크기 (즉, 다른 시장 부문, 가격 측면 등)로 제공되어야 하며 적어도 이들이 경쟁할 수 있도록 지원하는, 공평한 경쟁의 장을 창출해야 한다.

소비자는 시장에서 판매되는 차량 모델을 알고 있어야하며 기존 차량보다 이러한 모델에 많은 돈을 기꺼이 쓸수 있는 수준의 신뢰를 확보해야 한다. 심지어 캘리포니아에서도 2015년까지 상대적으로 많은 수의 신규 자동차 구매자들이 현지 딜러 (쿠라니, 카프리 엘로 및 티리 -헤이먼, 2016)로부터 EV를 구매할 수 있다는 것을 모르고 있었다. 소형차 부문의 구매자는 특히 가격에 민감한경향이 있다.

그리고 이것은 오늘날의 많은 EV들이 시판되고 있는 곳이다(Fulton, Tal and Turrentine, 2016). 따라서 이 차량들은 가격 경쟁을 해야 하는데, 경쟁 차량인 내연기관 모델의 가격이 저렴하기 때문에 어렵다. 프리미엄 시장에서는 가격 등가성(price equivalence)은
덜 중요하지만 고성능(예: 가속 및 전반적인 품질 인식)이 중요하다. 테슬라는 주로 이 기초 위에서 경쟁함으로써 성공을 거두었다.
따라서 전기 자동차의 비용 특성(예: 처음 구매 비용, 운영 비용, 그리고 그 합인 총 소유 비용(TCO))은 수요에 영향을 준다는 점에서 중요하다.

그리고 이러한 속성은 예를 들어, 배터리 비용 하락과 관련하여 위에서 설명한 바와 같이 빠르게 변화하고 있다. 정책 측면에서 중요한 질문은 차량을 대량 판매하기 위해 필요한 보조금 (및 보조금 수준)이 필요한 규모이다. 이와 관련된 보조금은 사회 비용이며, 전기 자동차가 제공하는 CO2 배출량 감축을 위한 톤당 명시적 또는 암묵적 비용이다.

이러한 비용과 향후 발생할 수 있는 비용을 추정하는 것은 많은 요소에 영향을 받기 때문에 복잡하다. 한가지 요소는 개인들이 연간 주행하는 거리인데 이것은 전기자동차의 연료 비용 이점이 자동차 사용 정도에 따라 상승하기 때문이다. 또 다른 요소는 전기 자동차의 CO2 절감효과인데 이것은 운영되는 전기 자동차의 CO2 강도에 크게 좌우된다. 전기자동차가 15년간 운행할 경우 이 기간동안 전력망이 탈탄소화하면 CO2 강도에서 지속적인 감축이 된다. 따라서 이 비용도 내연기관 자동차와의 비교에 반영되어야 한다.

다음 몇 가지 예는 전기자동차와 기존 내연기관 자동차의 경쟁력 비교 시 우열을 가리는 요소들에 대해 보여준다. <그림 7a>는 일반적인 ICE 차량과 “효율적인 ICE”차량(논플러그인 하이브리드와 같은), 그리고 BEV에 대해 연간 운전 수준의 범위에서 TCO를 비교한 것이다. 배터리 팩 비용을 USD 350/kWh로 설정한 2015 년 계산에서 EV는 일반적으로 기존 ICE 차량보다 1 만 달러이상 높으며 하이브리드 차량은 3,000 달러 이상이다.

이 EV 차량 비용 증가분은 35kWh 배터리 팩을 기준으로 하였다. 이때 배터리 비용은 미화 약 12,000 달러이며 ICE 엔진/드라이브 트레인을 모터 시스템으로 교체 시 2천 달러가 절감된다. 연료비는 가솔린 1리터당 USD와 전기요금은 1 kWh당 0.12 달러(운전기간 10년 및 10년 할인율 기준)이다. 이 분석은 다른 많은 가정을 기반으로 반복될 수 있다6. 이들 3종류의 차량 유형 모두 사용거리에 따라 순 비용이 상승하지만, EV는 연간 2만 km 이상 사용하는 운전자라 하더라도 비용 패리티(cost parity)에 도달하지 못한다.

 

<그림 7b>에서는 배터리 비용이 미화 50 / kWh로 떨어지고 EV의 처음 구입 비용 증가분이 차량당 5,000 달러로 떨어지는 미래의 어느날 (2025년 또는 2020년의 어느날)에 대한 유사한 상황을 보여준다. 연료비는 그때까지도 다소 높게 나온다(휘발유는 리터당 1.25 달러, 전기는 0.14달러/kWh). 이 예에서 15,000km 이상을 운전하는 사람은 소유 비용에 대해서도 비용 패리티를 넘어선다.

<그림 7c>와 <그림 7d>는 이러한 손익분기점을 다른 방식, 즉 휘발유(또는 디젤)와 전기의 상대 비용을 기준으로 보여준다. 여기서 우리는 연간 16,000km의 운전자에 대한 사례에 대해 일련의 다양한 연료 가격 조합에 대한 2015년(그림 7c) 및 2030년(그림 7d)에 대한 세 가지 옵션을 비교한다. 2015년, 현재의 자동차 기술 및 비용에 대한 가정 하에 손익분기점은 휘발유가 리터당 1.50 달러 전기는 kWh당 0.14 달러의 조합으로 손익분기점이 발생한다.

2030년, 자동차 비용의 변화(특히 낮은 배터리 비용)로 손익분기점은 전기자동차에 훨씬 유리해져서 휘발유의 리터당 1.25 달러는 전기자동차 kWh당 0.16 달러이다. 이 수치들은 단순히 가능한 손익 분기점의 예일 뿐이며 다양한 요인에 따라 다양한 상대 경제성을 보여준다. 그들은 또한 손익분기점이 장래에 EVs에 훨씬 유리하게 될수도 있다고 제안한다. 이것은 보조금이 필요 없고 따라
서 톤당 비용이 0이다(CO2 배출 감소가 달성되는 수준에 상관없이). 이미 언급한 것처럼 다른 비용요인이 아닌 요소가 전기자동차의 수요에 영향을 줄 수 있다.

보조금 또는 기타 정책적인 지원 없이 강력한 EV 시장을 창출할수 있는 특성 및 비용의 정확한 조합을 결정하는 것은 쉬운 일이 아니다. CO2 감축 톤당 발생하는 비용을 결정하기가 쉽지 않다.

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