IRENA 전기자동차 기술 요약 보고서(2)

  • <번역/정리 : 박한돌 기자>
  • 2017-04-25 오전 7:50:57


본고는 국제재생에너지협회인 IRENA에서 지난 2월 공개한 전기자동차 기술과 시장전망에 대한 보고서인 "Electric Vehicle
Technology Brief"의 내용을 번역 편집한 기사로서 이번호부터 3회에 걸쳐 게재한다.

전기 자동차 충전 및 전력계통과의 상호 작용 전기 자동차의 비용은 소유 및 운전은 물론이고 인프라와도 관련되어 있다. 충전기 비용은 특히 공공 충전기의 경우 크게 차이가 있으며, 전기 업그레이드가 필요한 정도와 건설비용이 어느 정도 포함되는지에 따라 달라질 수있다.

지난 2 ~ 3 년 동안 미국의 가정용 충전기의 일반적인 비용은 장치당 미화 200 달러였으며 레벨 2 (저속)공용 충전기는 5 천 달러에서 10,000 달러 사이였고, 고속 직류 충전기는 미화 6만달러이다(Agenbroad and Hollandl, 2014). 다른 국가의 데이터는 수집하기 어렵지만 일부 국가 특히 중국의 경우에는 장치 비용이 저렴할 것이다. 향후 총 충전 인프라 비용은 생산 및 설치 규모와 차량의 수에 대한 저속 및 고속 충전기의 비율에 따라 크게 달라질 것이다.

전기 자동차는 정기적으로 충전해야 하며, 집에서나 직장에서, 쇼핑할 때 또는 여행 시 여러 유형의 정차 중에 충전할 수 있다. 전기 자동차의 일반적인 문제는 충전에 긴 시간이 필요하다는 것이다. 일반적으로 레벨 1 “저속” 충전기를 사용할 때 충전 시간은 최대 8 시간이다.

모든 상황(예: 철야)에 해당하는 것은 아니지만 역시 고속충전이 바람직하며 일상적인 주행이 대부분의 EV 모델과 모든 PHEV 모델의 운행 범위 내에 있는 경우 공용 급속 충전소의 필요성은 완만할 것임을 암시하는 연구를 많이 볼수 있다. 더욱이 고속 충전을 하게되면 배터리 스트레스와 성능저하를 높여준다.

 

<그림 8>은 2015 년 주요 EV 시장에 대해 국가 및 지역별로 현재 설치되어 있는 다양한 유형의 충전기의 대수를 보여준다. 이들국가에서 약 120 만대가 운행된다면 거의 같은 수의 개인 콘센트가 있으며, 반면에 공용 충전기는 200,000 개 미만이고 이 중 80% 이상이 저속 충전기이다. 미국은 가장 많은 수의 개인 충전기가 가장 많이 보급되어 있는 국가는 미국이고, 가장 많은 공용 충전기를 보유하고 있는 국가는 중국인데, 중국에 보급되어 있는 고속 공용충전기 대수는 세계에 보급되어 있는 고속 공용 충전기 대수의 약 50%에 해당한다.

전기 자동차는 충전 및 방전을 통해 계통과 상호 작용할 수 있다. 첫 번째 모드는 차량이 그리드에서 충전되는 경우 G2V로, V2G는 차량이 전력을 그리드로 방전 할 때를 나타낸다. V2G 모드는 EV가 정기적으로 그리드에서 충전 및 방전할 수 있는 양방향 충전으로 간주 할 수 있다.

V2B (차량에서 빌딩)와 제어된 충전과 같은 다른 충전 모드도 있다. V2B는 그리드에 대한 피드백이 없는 가정용 배터리 사용을 말하며, 제어된 충전은 그리드에서 그리드 혼잡을 기초로 신호를 수집하여 충전 속도와 시간을 최적화한다. 전 세계적으로 현재 양방향 충전을 사용하는 충전 시스템은 거의 없지만 다양한 테스트 프로그램이 현재 진행 중이다(Mwasilu et al., 2014). REmap은
2030 년까지 1 억 6 천만대의 EV를 운행하는 것을 목표로 하고 있으며, 이에 따라 전세계 EV 에너지 저장 용량은 획기적으로 증가한다 (IRENA, 2016a).

전기 자동차 및 재생 에너지 보급

전력 시장, 그리드, 연료 믹스 및 그리드에 VRE 공급원을 통합하는 데 중요한 역할을 할 수 있는 요인들의 국가별 상황에 따라 전기 자동차는 전력 시스템에 유연성을 제공하는 데 도움이 되는 핵심 기술 중 하나이다. 이는 EV 배터리를 사용함으로써 초과 전력을 저장하고 주파수 조정, 첨두부하 저감(peak demand shaving), 운영효율을 높이기 위한 전력 지원, 그리드를 보호하기 위한 예비용량과 같은 보조서비스를 제공할 수 있기 때문이다.

전기 자동차의 주요 장점 중 하나는 EV가 충전시간에 유연하기 때문에 그리드의 운영을 효율적으로 지원할수 있다는 것이다. EV와 VRE 간의 연계에서 가치를 발견하는 연구가 많이 진행되고 있다. 예를 들어, 포르투갈의 한 연구에서는 2030 년과 2050년 사이에 EV의 높은 차량 점유율과 그리드에 연결된 대규모 태양광발전 사이의 통합을 모델링했습니다. EV는 태양광 발전을 가능하게 하는 기술이고, 태양광으로 발전된 잉여전기를 소비하는 잠재적으로 유망한 솔루션으로 밝혀졌다(Nunes, Brito and Farias, 2013).

배터리의 또 다른 가능성 있는 가치는 EV의 수명 말기에 고정식 저장용으로 사용하는 것이다(Mwasilu et al., 2014). 중국국가재생에너지센터 (CNREC / ERI, 2015)의 연구에 의하면 전기 자동차 사용 증가에 의한 저장 이점은 중국이 변동성이 높은 재생 에너지의 비중을 높이는데 도움이 될 것이라고 지적했다(IRENA, 2016b).

특히 재생 에너지의 비중이 80 %에 이르기 전에는 저장장치가 시급히 필요한 것은 아니다(Weiss and Shulz, 2013). EVs보급 비중이 높아지고 있고, 이로 인해 재생 에너지에 대한 수요가 증가하고 있다. 이는 특히 재생 에너지 도입 목표가 높은 국가일수록 전력 믹스에서 재생에너지 비중을 80%로 높이는 것이 가능하다.

IRENA의 전력 저장 로드맵에 의하면 EV는 다음 세 가지 방법으로 재생 에너지 비중을 높이는데 사용될 수 있다.

(1) V2G 제도로 전기 자동차가 주파수 규제, 부하 시프팅, 수요 반응 또는 가정에서의 에너지관리 지원과 같은 그리드의 보조서비스에 참여할 수 있게 된다.

(2) EV 배터리는 정지형 애플리케이션에서 재활용될수 있다. 예를 들어, 중국은 이미 두 번째 생애의 리튬이온 전지로 그리드를 지원하는 것을 평가하는 14MW 프로젝트를 진행하고 있다 (IRENA, 2015).

(3) EV는 배터리 충전보다는 배터리 교환소에서 교체하도록 설계될 수 있다. 이 개념은 이스라엘과 덴마크에서 시범 운영되었으며 현재 중국에서 버스에 도입되어 있다(IRENA, 2015). IRENA의 REmap 분석에 따르면 2030 년까지 전 세계적으로 1억6000만대의 EV 보급 목표가 달성된다면 배터리 저장 용량은 약 8,000 GWh / 년에 이르고 따라서 기설치된 발전 용량을 향상시킬 수 있다. 이것은 약 1,200 GW의 배터리 저장 용량에 해당한다. 2030 년까지 REmap에 의해 추정되는 양수된 수력저장과 두 번째
생애의 배터리를 합치면 총 1,650 GW에 이르며, 이는 약 3,700GW의 변동성 재생 전력 용량에 비견됩니다.

 

<그림 9>는 국가별 동시사용률(usage factor, EV의 배터리 저장용량(GWh) / VRE 용량(GW))을 나타낸다. 예를 들어, 호주, 덴마크 및 미국의 동시사용률은 보급된 배터리 저장 용량의 잠재력을 보여 주며, 이는 변동성 재생 가능 전력을 확대해 나가는데 도움이 될 수 있다.

EV는 전력 시스템에서 VRE의 비중을 높일 수 있게 한다. 이를 달성하려면 다음 중 일부 또는 전부가 필요할 수 있다.
(i) V2G 애플리케이션에서 차량의 모바일 배터리 저장시스템을 능동적으로 사용.
(ii) 두 번째 생애의 배터리를 고정형 배터리 저장 장치로 사용
(iii) 충전 기술 및 인프라의 확대 보급.
(iv) EV 소유자의 소비자 행동 측면에서의 진화, 예를들어, 변동성 충전 요율 및 시간에 익숙해 지는 것.
(v) EV에서 그리드로의 다른 부수적인 서비스 제공.

 

<그림 10>의 도식적 그림에서는 다양한 주요 요소들의 상호작용을 도식한다.

그리드에 대한 EV의 영향과 EV를 가장 잘 통합할 수 있는 방법을 조사하려면 두 가지 주요 측면을 고려해야 한다. 첫째, 충전부하 프로파일을 개발하기 위해 일일 운전 서베이로 수집되는 운전 및 충전 거동. 둘째, 저속 충전과 고속 충전 수요의 비율과 전형적인 일일 패턴을 확인하기 위해 사용된 충전 및 충전빈도. 충전 패턴과 그리드 상의 다른 매개 변수 사이에는 강력한 상호 연결이 있다. 예를 들면,
(i) 배전망에 대한 영향
(ii) 관련된 부하 지속 곡선
(iii) DSM의 역할
(iv) 배터리의 열화

따라서 이러한 매개 변수들이 EV와 그리드의 통합을 적극적으로 향상시킬 수 있는 방법을 분석해야 한다. 수 많은 연구가 이미 진행되었지만 더 많은 사람들이 EV를 구매하고 신차 모델의 차량 주행 거리가 증가하고, 더 많은 충전 옵션을 사용할 수 있게 되면서 충전 패턴이 진화함에 따라 지속적인 연구가 필요하다.

EV 영향의 주요 유형 중 하나는 배전 계통에 주는 영향이다. 이미 그림 8에서 보듯이 그리드 토폴로지는 연구의 주요 영역이다. 제어되지 않는 EV 충전으로 야간 부하 피크는 크게 증가할 수 있다. 제어없이 EV 충전을 하는 로컬 그리드를 조사한 한 연구에 의하면 EV의 수가 증가함에 따라 그리드 운영을 안정화하는데에 있어서 부하 관리 시스템 (LMS)이 중요한 역할을 할 수 있음을 밝혔다(Probstet al., 2011).

이 연구에서 제어하지 않는 충전의 문제를 해결하기 위해 2가지 개념의 LMS를 조사했다. 첫 번째 개념은 G2V인데 여기서 그리드들은 바람직한 변압기 부하 프로파일을 계산함으로써 자동차를 충전한다. 두 번째 개념은 V2G인데 그에 의해 그리드가 차량을 충전하며, 역으로 차량에서 그리드로 전기가 흐를 수 있게 되어있다. 목표는 변압기의 부하가 항상 균형을 이루는 방식으로 EV 충전을 제어하는 것이었다.

이 두 가지 개념은 EV의 충전을 예를 들어 야간처럼 보다 수요가 적은 시간대 또는 PV 피크 시간대인 이른 오후로 EV 충전 시간대를 시프트함으로써 변압기 부하를 낮출 수 있다. 또한 V2G를 사용하면 피크부하 시간대인 저녁 시간에 역으로 전력을 계통에 공급할 수 있다.


수요 측면 관리의 역할

변동성 재생 가능 전력 공급의 증가를 감안할 때 스마트 그리드의 진화는 매우 중요한데, 이것은 고객이 자신의 전력 소비에 대해 충분한 정보에 바탕을 둔 결정을 조절하고 행함은 물론 전기요금을 최소화할 수 있기 때문이다. 이러한 종류의 소비 조절을 DSM이라고 한다(Davito, Tai and Uhlaner, 2010).

DSM은 지능형 시스템을 통해 고객의 소비를 최적화하는 데 도움을 줄 수 있으며 피크 시간대에 부하를 이동하는 고객을 크게 지원할 수 있다. DSM은 주택용 전기사용자들에게 언제 전기를 저렴하게 사용할 수 있는지 알려준다. 현재 Honda에서 제공되는 사례로는 Home Energy Mangement System (HEMSx)이 있다. 이것은 EV 충전을 포함한 가정용 전기사용량을 모니터링하고 제어하는 고정식 배터리 저장 시스템이다.

이 시스템은 전기사용자가 언제 전력을 구매하고 언제 그리드에 되팔지 결정하는 것을 도와준다. 이 시스템의 가치는 단순히 전력을 사야할 때와 팔아야 할 때를 계산하는 것이다. 혼다는 적극적으로 에너지 생산과 소비를 조정함으로써 가장 효율적인 가정과 자동차를 만들려고 하고있다(Honda, 2016).

EV와 제조 산업의 통합은 재생 가능 에너지의 통합을 향상시킬 수 있다. 최근의 한 연구에서는 EV 배터리를 제조에 사용하는 것이 VRE 통합에 어떻게 영향을 미치는지를 평가하는 모델을 개발했다. 이 모델에 의하면 구현된 에너지 저장 장치가 제공하는 제조 시스템의 에너지 유연성이 VRE 통합을 향상시킬 수 있으며, EV 배터리의 대안을 제공할 수 있다.

그러나 고정 배터리는 중단없이 사용할 수 있어 EV보다 효과적인 것으로 나타났다(Beier et al., 2016).

그리드에 큰 영향을 미치는 또 다른 요소는 충전 체계이다. 효율적인 충전 방식은 전기자동차의 사용을 크게 촉진할 수 있다. 연구에 따르면 G2V 모드는 주파수 조정과 같은 보조 서비스를 그리드에 제공할 수 있으며 또한 V2G 모드의 대부분의 이점은 G2V를 사용하여 얻을 수 있다는 것을 보여준다. 그러나 V2G/G2V에서 충전주기를 반복하면 배터리에 좋지 않은 영향을 줄 수 있습니다.

한 연구에서는 운전 시나리오, 충전 방식 및 피크 쉐이빙을 고려하여 V2G 체계를 기반으로 리튬 이온 배터리 성능을 조사했다. 결과는 V2G 체계가 광범위한 방전주기로 인하여 배터리 수명을 거의 3 년까지 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 이는 충전 사이클을 신중하게 관리하는 스마트 충전 방식을 적용하면 대부분 회피할 수 있다 (Guenther et al., 2013).

다른 충전 모드를 사용하는 것에 대한 분석은 EV가 그리드에 연결되는 즉시 충전된 전체 배터리 용량을 가지지 않으면 시스템 피크 부하에 대한 EV 영향이 감소될 수 있음을 보여준다. 요금 체계와 소비자 행동 사이에는 밀접한 상호 연관성이 존재하기 때문에 정책 지원은 EV의 통합을 향상시키는 데 중요한 역할을 할 수 있다. EV를 그리드에 통합함으로써 얻은 이러한 이점은 재생 가능 에너지의 보급률을 높여 전력 부문의 탈탄소화로 연결될 수 있다.


스마트 충전

저속 충전은 통상 철야충전이하 하며 6 시간 내지 8 시간이 소요된다. 고속 충전은 저속 충전보다 빠른 충전으로 규정할 수 있다.고속 충전은 특히 택시와 같이 자주 운행해야 하는 차량의 경우 더 편리하다. 1회 10분 충전 사이클로 고속 충전기는 300 마일 (테슬라에 의해 달성된 범위)을 운전할 수 있는 충분한 에너지를 공급할 수 있다. 고속 충전 방식으로 EV 시장은 빠르게 확대될 수
있다.

Neubbenes (오슬로에서 약 60km)에서 28대의 EV를 동시에 충전할 수 있는 기능을 갖춘 Nissan 리프 배터리에 대한 실험적 연구에서. 최근 480km까지의 주행 거리를 가진 모든 모델에서 배터리 용량이 클수록 재충전에 더 많은 시간이 걸린다. 따라서 포르쉐는 폭스바겐 그룹 전체가 고속 배터리 용량의 새로운 EV 버전을 지원할 수 있는 고속 충전기를 앞장서서 개발하고 있다.

포르쉐는 또한 고속충전 네트워크 구축을 위해 전 세계
의 다른 자동차 제조업체 및 공급 업체와 접촉하고 있다. 그리드에서 EV 부하를 최적으로 충전, 수집 및 제어하는 방법을 이해하는 것이 필요하다는 것은 근본적이고 지속적인 문제이다. EV 스마트 충전은 배전 계통 관리를 지원하고 EV의 운영을 효율적으로 개선하는 데 사용될수 있다.

서로 다른 전기 이동성의 사용이 늘어난 것은 주로 충전 네트워크 인프라스트럭처에 기인하지만 반면에 이는 그리드에 대한 에너지 버퍼 역할을 한다. 일부 연구는 V2G 체계를 사용 시 얻게 되는 큰 이점을 보여준다. 이들 연구는 V2G 채택 시 EV와 그리드 간의 정보교환을 제어하여 상호작용을 용이하게 하는 애그리게이터가 필요하다는 것을 보여준다. EV는 가상 발전소(VPP)에서 집계되고 통제된다. 이 애그리게이터는 그리드의 작동 및 제어 방식을 변경한다.

VPP 접근법은 EV와 그리드 간의 상호 작용을 효과적으로 조절하고 제어하는 것을 목표로한다. 예를 들어, sMobilitTy(Smart Mobility Thuringen)는 전기이동성 기술 중에서 스마트 충전 기술의 역할을 조사하기 위해 개발된 프로젝트이다. 이 스마트 충전 기술로 잉여전기가 있을 때 배터리를 저렴한 가격에 충전할 수 있으며 밸런싱 캐퍼를 제공한다.는 그 잉여 전력을 저렴한 가격에 구입할 수 있으며 평형 용량(balancing capacity)을 제공한다.

EV의 배터리로 대형 가상 저장장치를 구성할수 있다. 스마트 충전 툴 적용으로 EVs는 그리드 인프라와의 지속적인 연결을 통해 전력 수요가 높을 때 모든 저장된 전력을 다시 그리드에 공급할 수 있다. 현재 PlangridEV와 Green-eMotion과 같은 EV 스마트 충전을 채용하는 방법을 연구하는 여러 프로젝트가 있지만 실제 상용 프로젝트는 아직 구현되지 않고 있다.

Green-eMotion은 모든 공공 충전소에 대한 개방형 액세스를 요구하고 있다. ICT 시스템은 EV 드라이버와 충전지 사이의 상호 작용을 강화해야 한다. 프레임워크의 확립은 ICT 시스템을 필요로 하는 충전 인프라의 설치 프로세스를 좌우할 것이다. ICT는 EV, 전기버스, 전기자전거 및 전기 스쿠터와 같은 모든 전기 이동성 기술을 연결하는 주된 원동력이다.

독일 자동차 제조사인 BMW 그룹, 다임러AG, 폭스바겐 그룹과 포드는 유럽 최대의 고속 충전 네트워크를 구축하기로 하는 양해각서(MOU)에 서명했다. 이 MOU에는 2017년까지 약 400개, 그리고 2020년까지 수천개의 고속 충전소를 설치한다는 구체적인 목표가 들어있다.

이 MOU는 400 개의 고속 충전소를 추가로 설치하여 총 800 개를 운영한다는 정부의 계획과는 별개이다. 고속 충전 네트워크는 테슬라의 슈퍼차저가 DC120.kW 정도를 공급하는 것과 비교하여 최대 350.kW의 DC를 충전하는 복합 충전 시스템 (CCS) 기술을 기반으로 한다. 중국에는 2016 년 현재로 베이징에 8000 여개의 공공 및 개인 충전소가 있는데, 2016년부터 2020년까지 이 지역에 충전소 435,000개를 추가로 설치한다는 계획을 가지고 있다.

그러나 이 기간에 판매될 EV는 100만대를 상회할 것이다. 베이징 개발 및 개혁위원회는 모든 EV와 충전소를 단일 플랫폼으로 가져가기로 했다. 단일 플랫폼을 사용하면 충전소에서 전기를 연결하고 지불하는 소비자를 위한 충전 프로세스를 용이해진다. 이러한 플랫폼은 전력망에서 최대 수요의 위험을 줄일 수 있다(Chun, 2016).

많은 국가에서 전력과 운송 부문 간의 강력한 결합을 추진하고 있다. 일부 국가들은 이미 운송 부문의 전기화를 위한 조치를 취했다. 예를 들어, 스위스 연방 정부는 전기공급과 EV 운행차량 시나리오를 모두 고려하여 전기와 운송 부문 간의 상호 작용을 평가한 결과 그들의 모델링 작업은 2050 년까지 EV 차량이 30 %에서 75 %에 이르는 시나리오에서 재생가능 전력으로 원자력 발전소의 폐기로 인한 상당한 규모의 전기수요를 충족할 수 있다고 추정한다. 이러한 전략은 스위스 전기 및 운송 부문의 탈 탄소화에 주요한 역할을 할 수 있다 (Kannan, 2016).

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