[전력 설비 지능화, 스마트 그리드 ③] 스마트 그리드를 향한 전기차 레이스, 배터리 가격은 낮추고 효율은 높여야

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[전력 설비 지능화, 스마트 그리드 ③] 스마트 그리드를 향한 전기차 레이스, 배터리 가격은 낮추고 효율은 높여야

2012년 7월 5일 (목) 13:45:08 | 지면 발행 ( 2012년 6월호 - 전체 보기 )

기아차 레이 EV는 50㎾ 모터와 16.4㎾h 리튬이온 배터리를 장착한
고속 전기차로 배터리와 전기모터만으로 움직여 주행 중 탄소배출이 전혀 없다.

"토머스 프리드먼은《CODE GREEN》에서 '돌이 다 떨어져 석기시대가 끝난 것은 아니다'고 했다. 마찬가지로 석유가 다 떨어져야 전기차 시대가 오는 것은 아니다. 친환경성과 경제성을 무기로 한 전기차 시대는 도래한다." 김광의 KEPCO ST실증사업팀 팀장이 기초 전력 연구원 스마트 그리드 인력양성센터가 5월 2일 서울대에서 주최한 스마트 그리드 신기술 세미나에서 한 말이다. 현상황에서 전기차는 친환경 차임엔 분명하지만, 경제성이 없고 불편하다. 소형차보다 약간 큰데 대당 가격은 3,000만 원 선(정부 보조금 1,500만 원 제외시)이며, 애국심이발동해큰맘먹고한대구입하더라도내륙에선마땅히충전할곳도않다. 그럼에도국내외내로라하는자동차회사마다 앞다퉈 전기차 개발 생산 레이스를 펼친다. 한편에선 전기차를 이용해 전력을 경부하 시간대에 싼 가격으로 충전했다가 피크시간대에전력망에비싼가격으로재판매하는V2G(Vehicle To Grid) 얘기도간간이들린다. 전기차레이스현장으로들어가보자.

전기차(EV : Electric Vehicle)는 클린 디젤차, 하이브리드차, 플러그인차, 수소연료전지차와 함께, 유해 가스와 CO2 발생량을 감소시키는 시스템 또는 이를 발생시키지 않는 무공해(Zero Emission) 동력 시스템을 장착한 그린카에 속한다.
지식경제부와 에너지기술평가원에서 발간한《그린에너지 전략 로드맵 2011-그린카》에선 전기차를"차량에 탑재한 대용량 에너지 저장 시스템에 저장한 전기에너지만을 이용해 전기 구동을 통해 주행하는 차량으로, 대기 오염이나 화석연료의 소비가 없는 그린카"로 정의한다. 지경부에서 2010년 9월 발표한 '전기차 충전 인프라 구축 방안'을 보면, 전기차를 크게 하이브리드 전기차(HEV : Hybrid EV), 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV : Plugin HEV), 순수 전기차(EV)로 분류한다.

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현재, 순수 전기차(이하 전기차)는 주행 거리가 130∼160㎞로 짧아 중간 단계인 하이브리드 전기차, 플러그인 하이브리드 전기차가 운행 중이다. 전기차의 최단 주행 거리는 130㎞로 알려졌는데, 여름에 에어컨을, 겨울에 히터를 틀면 80㎞ 정도이므로 60㎞ 주행한 후 충전해야 한다. 전기차의 보급량을 늘리려면, 전기차 가격의 50% 정도를 차지하는 배터리 가격도 문제지만 효율을 높여야 한다.
솔라앤에너지는 2011년 11월에 발표한 '세계 전기차 시장 전망'에서 2020년에 1000만 대 전기차시장을 형성해 신차 판매량의 10%를 점유하고, 4대 주요 시장인 중국, 일본, 북미, 유럽의 전기차 판매 비중을 15%에 이를 것으로 추정했다. 전기차의 핵심인 배터리는 뉴 에너지 파이낸스에서 발표한 '리튬 배터리 가격 전망'을 보면 ㎾h당 2011년 1,000불에서 2020년 325불로 하락할 것으로 보았다. 두 전망을 통해 전기차 가격의 상당 부분을 차지하는 배터리 가격 하락과 효율 향상, 용량 증대가 전기차 보급 확대로 이어짐을 파악할 수 있다.
전기차 VS 가솔린차 | 전기차를 가솔린차와 비교하면 연료 탱크는 전기 충전용 배터리, 변속기는 인버터, 엔진은 모터에 해당한다. 소형차를 기준으로 가솔린차에 비해 전기차가 에너지 사용 효율은 7.3%, 단위 연료비당 주행 거리는 6.3배 우수하며, CO2 배출량은 55% 더 적다. 전기차의 주요 구성요소는 인버터와 충전기, 회생 브레이크, 완속 및 급속 충전 소켓, 배터리와 BMS(Battery Management System : 배터리 관리 시스템), 모터와 감속기, 고효율 냉 · 난방기 등이다. 배터리는 소형차를 기준으로 용량은 16㎾h, 무게는 80㎏ 정도이며, 하단부에 배터리 관리 시스템과 함께 자리한다. 가솔린차는 엔진, 트랜스미션, 연료 계통 등 부품 수가 3만 개 정도로 전문 대기업 위주로 생산하는 반면, 전기차는 모터, 배터리, BMS 등 부품 수가 1만 개 정도로 중소기업도 생산할 수 있다.

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전기차의 심장 배터리 | 최근 배터리의 중량, 순간파워, 지속 시간 등을 개선한 대용량, 고효율 전지기술 개발로 전기차(하이브리드차 포함)에 활용하는 이차전지 관련 기술 특허출원이 급증하는 추세다. 특허청이 올해 4월 발표한 자료를 보면, 미국을 중심으로 전기차 시장을 형성하기 시작한 2008년 이후 이차전지 관련 특허출원은 총 3278건으로 연평균 21.9% 큰 폭으로 증가했다. 국가별로 우리나라가 2533건(77%)으로 가장 많은 비중을 차지하고, 다음으로 일본(626건, 19%), 미국(56건, 2%), 유럽(40건, 1.2%), 중국(18건, 0.6%), 대만(5건, 0.2%)순이다. 출원인별로 보면 삼성SDI(688건, 21%), LG화학(648건, 19.8%)이 가장 많은 비중을 차지하고, 다음으로 에스비리모티브(223건, 6.8%), 파나소닉(114건, 3.5%), 산요(83건, 2.5%), 삼성전자(62건, 1.9%), 소니(58건, 1.8%), 도요타(54건, 1.6%), SK이노베이션(39건, 1.2%)
등의 순으로 나타났다. 이차전지 특허출원이 급증한 이유는 유가 급등과 지구 온난화에 따른 환경 규제 강화로 전기차 개발이 각국의 시급한 과제로 떠오르면서, 전기차에 대한 기대가 그만큼 상승했음을 뜻한다. 또한, 삼성SDI, LG화학, SK에너지 등 우리나라 이차전지 업체들은 국내외 완성차 기업과 이차전지 공급 계약을 체결하는 등 상호 긴밀한 협력 관계를 구축함으로써 세계 1위를 향한 이차전지 산업 경쟁력을 한층 강화할 것으로 보인다.

전기차 충전 인프라 | 전기차에 전력을 공급하는 데 필요한 기반시설이다. 충전 장치는 크게 접촉식, 비접촉식, 축전지 교환 방식으로 나눈다. ▲접촉식은 홈 충전, 완속 충전, 급속 충전으로 구분한다. 홈 충전식은 출력 용량 1∼2㎾, 충전 시간 6∼8시간이다(현재 보급 안 됨). 완속 충전식은 가장 많이 보급한 것으로 도로, 공용 주차장, 마트 등에 설치한다. 출력 용량은 2∼15㎾, 충전 시간은 4∼6시간이다. 급속 충전기는 출력 용량 20∼200㎾(버스 200㎾), 충전 전압 DC 500V 미만, 충전 시간 10∼30분이다.
▲배터리 교환 방식은 미국 Better Place Project에서 개발해 주로 이스라엘과 유럽에서 사용하며, 일본에서도 일부 사용한다. 전자동 시스템으로 3∼5분 만에 편리하게 교환하지만, 시스템을 하나 구축하는 데 10억 원 정도 들며 표준화하기 어렵다. ▲비접촉식은 전자 유도 기술을 활용한 전력 전송 방식으로, 일본 쇼와항공과 닛산차에 개발했다. 접촉식에 비해 안전하고 편리하지만, 효율이 낮다. 우리나라 카이스트에서 일부 개발해 서울대공원에 적용했는데 비용이 만만치 않다.

스마트 그리드와 전기차
전기차 보급 목적은 크게 에너지 효율 향상과 CO2 감소다. 그러면 전기차 보급 확대에 따른 전력수요는 어떻게 변할까. 김광의 KEPCO ST실증사업팀 팀장이 기초전력연구원 스마트 그리드 인력양성 센터가 5월 2일 서울대에서 주최한 스마트 그리드 신기술 세미나에서 강의한 '스마트 트랜스포테이션Smart Transportation'내용을 중심으로 살펴보자.
전기차를 홈 충전하는 가정 계약 전력은 3㎾에서 5∼6㎾로 증가하므로 막대한 자본을 투입해 발전소에서 가정 전력 설비까지 용량을 증설해야 한다. 전기차 보급 대수가 70만 대이고 30%가 동시에 충전한다고 가정하면, 전력 피크는 원전 1기에 해당하는 약 200만㎾로 증가한다. 지난해 9 · 15 순환 정전 때 100만㎾ 정도 부족했는데, 그보다 두 배 많은 양이다. 이에 따라 발전소, 변전소, 송전탑, 송 · 배전선로 등 전력 설비뿐만 아니라 충전 장치도 늘려야 한다. 여기에만 11조 6,000억 원이 든다. 이것을 최소화하려면 시간대별 차등 전력 요금제를 적용해 충전 시간대를 분산하고, PLC(Power Line Communication : 전력선 통신)를 통해 실시간으로 충전량을 제어해야 한다. 또한, 전력 피크 때 전기차에서 전력망으로 전력을 공급해 판매(V2G : Vehicle To Grid)하도록 해야 한다. 이 역할을 하는 것이 스마트 그리드의 한 축인 '스마트 트랜스포테이션'이다.

전기차 시대 개막, 양산 첫 전기차 출시

2012년 전기차 보급 목표 2500대 달성 가능할까. 환경부는 4월 17일 정부 과천청사에서 '2012 전기차 보급사업 출범식'을 했다. 출범식에서 유영숙 환경부 장관이 이삼웅 기아자동차 사장에게 국내 첫 양산 전기차인 'Ray EV'1호 차를 전달받았다. 경형 고속 전기차인 Ray EV는 국내 최초 전기차 양산 모델로 최고 속도 130㎞/h, 1회 충전 시 최고 135㎞까지 주행할 수 있다.
또한, 환경부는 2012년도 보급 사업을 추진하기 위한 전기차 판매 가격, 보조금, 충전 인프라 지원 금액을 확정했다. ▲고속 전기차 Ray EV의 판매 가격은 4,500만 원으로 구매 시 1대당 보조금 1,500만 원과 충전 인프라 구축비용 880만 원을 지원한다. ▲저속 전기차 판매 가격은 2,100만 원으로 구매 시 보조금 578만 원과 충전 인프라 구축비용 880만 원을 지원한다. 이와 함께 개별소비세, 취득세, 교육세 등 최대 420만 원의 세제도 감면한다.
환경부는 일반인의 전기차 체험 기회를 확대하고자 올해 하반기부터 제주도 내 친환경 전기 렌터카를 시범 운행하는 등 EV 선도 도시와 협력을 강화하며, 다양한 보급 모델 도입을 유도할 예정이다. EV 선도 도시는 1차 - 서울 · 제주 · 영광, 2차 - 광주 · 당진 · 창원, 3차 - 부천 · 포항 등 8곳이다. 아울러 장기적인 전기차 운행 기반과 민간 보급 여건마련을 위해 운행 중 비상 충전 수요 대응용 급속 충전 네트워크 구축 등 공공 충전 인프라를 강화하기로 했다. 충전 네트워크 구축 사업의 실효성 확보를 위해 위치 정보와 사용 정보를 웹사이트 및 스마트폰 앱을 통해 제공하는 공공 충전 인프라 정보 시스템을 5월에 시범 개통했다.

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전기차 보급에 따른 전력 수요 증가 | 전기차 보급에 따른 전력 수요 영향을 분석하려면, 먼저 자가용 승용차 이용 실태를 파악해야 한다. 자가용 이용률을 보면 출퇴근용 51%(25분), 업무용 20%(11분), 가사용 29%(11분)로 나타났다. 이용 빈도는 일주일에 4.3일, 하루 평균 운행 시간은 47분, 평균 운행거리는 40.0㎞다. 즉, 하루 중 주차 시간이 약 23시간으로 대부분을 차지한다. 전기차 보급에 따른 전력 수요 증가는 1%로 미미하지만, 소유자 대부분이 퇴근 후 집중적으로 충전하면 피크를 가중시키기에 전력 설비를 추가로 구축해야 한다. 전체 차량 중 전기차가 5%를 점유할 때 전기차 대수는 86만 7000대로 하루 전력 사용량은 5526㎿h이며, 최대 전력수요는 동시 출전율 30%는 1070㎿h, 40%는 1426㎿h, 50%는 1783㎿h다(2010년 8월 평균 전력1193GWh, 최대 전력 6만 620㎿ 기준). 또한, 전기차 점유비가 10%인 173만 6000대일 때 동시 충전율 30%이면 전기 사용량은 약 0.9% 증가하고, 피크 수요는 약 3.5% 증가하는 것으로 나타났다.

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전기차 충전 전력 요금 | 2010년 10월 전기차 충전전력 요금을 신설했다. 밤 11시부터 오전 9시까지 경부하 시간대인 심야에 충전하면 ㎾당 51원, 여름철 피크 때는 ㎾당 206원을 받는다. 이렇게 요금 차이가 4배 정도 난다. 연료비를 비교하면 하루 40㎞ 운행할 때, 월 주행 거리는 1200㎞다. 연비는 전기차는 8.1㎞/㎾h, 가솔린차는 15.1㎞/ℓ이며, 월 연료 소비량은 전기차는 148㎾/h, 가솔린차는 79.5ℓ다. 월간 연료비 구입비용은 가솔린차(ℓ당 2100원 기준)는 16만 7,000원, 전기차(기본요금 포함 2,130원/㎾×3)는 최대 부하 시 3만 7,000원, 경부하 시 1만 4,000원 정도다.
V2G(Vehicle To Grid) | V2G는 전력을 경부하 시간대에 최저 요금으로 저장(축전)했다가, 피크 시간대 높은 가격으로 되파는 것이다. V2G 기능을 구현하기 위한 전제 조건은 배터리와 인버터 가격 하락, 양방향 통신, 양방향 스마트 미터 보급 등이다.
제주도에서 V2G를 실증하는 중인데 문제는 경제성이다. 현재 구매 전기요금을 ㎾h당 100∼200원으로 보는데, V2G는 판매 전기요금이 ㎾h당 900∼1,000원이어야 수익성이 있다(배터리 수명 10년기준). 정부에서 보조하지 않는 한 이 금액으로 한전에서 구매하기 어렵다. 단기간에 해결할 문제가 아니라 꾸준히 기술을 개발해야 한다. V2G는 스마트그리드의 성공 그 자체가 될 수 있다.