[TECH REPORT] EV 충전이 양방향이 되다

[마우저 일렉트로닉스=아담 킴멜(Adam Kimmel)] 전 세계 전기차(EV) 매출이 2020년에 300만 대에서 2023년에는 1400만 대로 증가했을 것으로 추산된다. 이것은 이 기간에 367%의 증가율이다. 모든 지역이 이런 변화에 기여했다. 중국이 여전히 가장 큰 비중을 차지하고 있으며 EU는 거의 비슷한 추세로 미국도 약간의 증가세를 나타냈다.

2023년에 전체 자동차 매출에서 EV가 18%를 차지, 이 추세대로라면 2030년에 이르러 날마다 500만 배럴의 석유를 아낄 수 있을 것이다. <그림 1>에서는 EV 매출이 2016년부터 완만하게 증가하다가 최근 몇 년 사이에 큰 폭으로 증가하고 있다는 것을 알 수 있다.

이런 성장을 뒷받침하기 위해서는 다음과 같은 과제들이 해결돼야 한다

• 넷 제로를 달성하기 위해서 요구되는 EV 배터리 수요를 충당하기 위해서는 2030년까지 배터리 생산 용량을 늘려야 한다.
• 기존 기술을 사용할 때의 소재 공급 압박을 완화하고 거리, 위험성, 성능상의 과제들을 해결하기 위해서는 배터리 소재에 있어서 기술 혁신을 이뤄야 한다.
• 소비자들이 전기차를 구매하도록 하기 위해서는 충전 인프라를 계속해서 확충해야 한다.
• 정책과 투자가 뒤따라야 한다. 이를 위해서는 각국 정부와 민간 기업들 사이에 협력이 필요하다.

전기차 생산이 늘어나면 소비자 가격을 낮춤으로써 전기차 보급을 가속화할 것이다. 또 가격이 낮아지면 매출을 증가시키고 수요를 늘림으로써 운전 자동화를 가속화하기 위한 자금적 토대를 마련할 것이다. 이런 흐름이 소비자 가격을 낮추고 EV를 매스 마켓으로 진입하도록 할 것이다.

그런데 한 가지 걸림돌은 충전과 관련한 문제들 때문에 소비자들이 여전히 선뜻 EV를 구매하려고 하지 않는다는 것이다. 주행거리가 불안하거나 충전에 너무 많은 시간이 걸린다는 것이다.

▶현재의 EV 충전

오늘날 대부분의 EV는 기존 전력원으로부터 전력을 인출해서 차를 충전한다. 이런 많은 전력원이 재생 에너지가 아니다(다시 말해서 화석연료, 석탄 같은 것들이다).

탄소 중립을 넘어 탄소 마이너스를 달성하고 기후 변화에 미치는 영향을 제거하기 위해서 UN IPCC(기후 변화에 관한 정부간 협의체)의 6차 평가 보고서에서는 재생 에너지원을 사용할 것을 강력하게 권고하고 있다.

충전 인프라로 재생 에너지원(태양광, 풍력, 바이오매스, 수력발전 등)을 포함시키기 위해서는 이렇게 생산되는 전력의 가용성과 신뢰성에 있어서 자연적인 한계가 따른다는 점을 고려해야 한다.

그럼에도 불구하고 EV는 교통 분야의 탈탄소화를 위해서 꼭 가야만 하는 길이다. 그러므로 업계는 다음과 같은 질문에 대해서 해답을 찾아야 한다.

• 야간이나 흐린 날씨에 태양광 에너지는 어떻게 될 것인가?
• 바람이 규칙적으로 또는 충분히 세게 불지 않으면 어떻게 할 것인가?
• 재생 에너지를 전기로 변환하는 것을 완벽하게 탄소 배출이 없이 할 수 있을 것인가?

이런 질문들에 대답하기 위해서는 전력망의 전기를 사용한 현재의 충전 방식을 되짚어보고 EV 충전을 위한 해법을 찾는 것이 필요하다.

▶전 세계의 전력 발전 현황

기간 전력망의 전력 발전은 지역마다 차이가 난다. 에너지원에 얼마나 가까이 있느냐 하는 것도 지역마다 다르다. <표 1>은 2020년과 2022년 사이의 추이를 보여주는 것으로서 전 세계가 에너지를 어떻게 생산하고 있는지 알 수 있다.

이 표에서는 다음과 같은 점들을 알 수 있다.

• 석탄이 여전히 전 세계 발전량에서 가장 큰 비중을 차지하고 있으나 성장세가 둔화되고 있다(다만 백분율 비중은 약간 높아졌다).
• 가스는 두 번째로 큰 비중을 차지하고 2020년에 거의 그대로이거나 약간 감소하는 추세를 나타냈다.
• 재생 에너지는 비중이 작기는 하나 상승세를 타고 있다. 풍력과 태양광 모두 큰 폭으로 증가하고 있다.
• 수력발전은 정체기로 들어선 것으로 보인다.
• 바이오에너지 또한 부상하는 에너지원으로서 꾸준한 증가세를 보이고 있다.

Our World in Data에 따르면 전 세계는 약 3%의 전기를 저탄소 에너지원로부터 취한다. 여기에는 원자력, 바이오에너지, 여타 재생 에너지원을 포함한다. 수력발전, 풍력, 태양광 같은 재생 에너지원은 전 세계 에너지 발전의 30%를 차지하고 풍력과 태양광은 꾸준히 큰 폭의 성장세를 나타내고 있다.

재생 에너지원으로 전환하는 것은 환영받을 일이자 꼭 필요한 일이기도 하다. 2022년에서 2050년에 이르면서 전 세계의 전기 수요가 75% 이상 증가할 것으로 전망되기 때문이다. 인구 증가와 가속화되는 전기화가 이러한 증가를 부추기는 요인이 되고 있다.

그러는 한편(여전히 전 세계 전기의 거의 2/3를 생산하는) 화석 연료에 대한 의존도를 낮추고 좀더 기후 친화적인 재생 에너지원으로 전환하도록 하는 압박이 심해지고 있다.

이와 같은 급격한 전기화는 전력망 용량으로 부담을 가중시키고 피크 충전 시간대에 부하를 증가시킴으로써 재생 에너지를 저장하는 문제를 제기한다.

이런 과제를 극복하기 위해서는 기술 혁신을 통해서 폭증하는 수요가 충전 인프라에 미치는 영향을 완화할 수 있다. 그런 한 가지 혁신이 전력망과 EV 사이에 전기 흐름의 방향을 뒤집는 것이다. 이것을 V2G(vehicle-to-grid) 기술이라고 한다.

▶V2G 기술이란 무엇인가?

V2G 기술은 전기차를 에너지 저장 장치로 활용하고 전력망과 전기차 사이에 양방향 에너지 전송을 가능하게 하는 것이다.

전기차의 오프 그리드 충전 능력을 활용해서 모든 EV에 저장된 전기 중에서 쓰고 남은 잉여 전력을 전력망으로 돌려보낼 수 있다. V2G는 많은 소비자들이 배터리 용량의 일부만을 사용한다는 점에서 착안한 것이다. 이 접근법은 배터리 활용을 극대화하고 동일한 부품들이 더 많이 쓰이도록 한다.

사용자의 EV 가정용 충전기가 전력망으로 전력을 돌려보내거나 가정 내로 전력을 공급한다. 배터리로 에너지를 공급하기 위해서 전력망으로 연결되는 동일한 전기 경로를 사용해서 배터리로부터 잉여 에너지를 수집하고 공정한 시장 가격 또는 협상 가격으로 전력망으로 공급할 수 있다.

수요와 에너지 가용성이 에너지의 방향을 결정한다. 다시 말해서 전력망으로 공급하거나 전력망으로부터 전력을 인출한다. 이런 구조로 온디맨드로 에너지를 공급하고 여분의 에너지를 저장했다가 나중에 사용할 수 있다.

V2G는 전 사회가 전기를 생산하고 사용하고 전송하는 것을 최적화한다. 전기차 배터리가 원격지 에너지 저장 솔루션과 네트워크를 이룸으로써 피크 수요일 때 전기 공급을 늘리고 자동차를 충전하는 시간대를 최적화할 수 있도록 한다(야간이나 수요가 낮을 때 충전).

또 V2G는 에너지 사용 습관에 관한 데이터를 제공함으로써 자동차 주인들이 자신의 에너지 사용을 좀 더 적극적으로 관리하고 전기 요금을 낮출 수 있도록 한다.

이뿐만 아니라 소비자들이 여분의 전기를 전력망으로 판매할 수 있어 새로운 수입원을 가능하게 한다. EV의 총 소유비용을 낮춘다는 점이 이 기술의 전 세계적인 도입을 확대하는 동력이 될 것이다.

아울러 자동차가 언제 전기를 사용하고 언제 전기를 생산하는지에 관한 V2G 전기 데이터를 이용할 수 있음으로써 유틸리티 회사들이 수요와 소비자 행동 추이에 근거해서 자사의 에너지 생산을 최적화할 수 있다. 그럼으로써 에너지 생산자와 소비자 모두를 위해서 비용을 낮출 수 있다.

사회적 차원에서는 V2G가 이전에 가능하지 않던 지역들로 원격지의 에너지 저장에 접근할 수 있도록 한다는 이점이 있다. 전력망으로나 전기차로나 온디맨드로 전력을 저장하고 제어하고 공급할 수 있다는 것이 전기차의 전기 사용을 전력망으로 통합할 때의 가장 획기적인 이점이라고 할 수 있다.

녹색 EV 충전은 태양광 패널로 광자가 전자를 자극하여 전기차로 전기 흐름을 일으킴으로써 배터리를 충전한다. 온디맨드로 사용하도록 전기를 매끄럽게 공급하기 위해서는 간헐적인 태양광 전력을 배터리 저장과 통합하는 것이 당연하다.

최대로 충전된 배터리는 필요에 따라서 어떻게든 사용할 수 있다. 전기차에 사용할 수도 있고 가정에 사용할 수도 있다. V2G는 재생 에너지원의 도입을 확대하고자 할 때 가장 큰 걸림돌로서 재생 에너지원의 저장 문제를 해결한다.

▶넘어야 할 과제들

배터리는 화학적 에너지를 곧바로 전기 에너지로 변환하므로 연료를 연소할 필요가 없다(연료를 연소하는 단계에서 열효율이 약 30% 감소). V2G는 재생 에너지의 오락가락하는 가용성을 보완하고 전력 수요가 폭증할 때 전력망 부담을 덜 수 있다는 점에서 유익한 솔루션이다. 하지만 EV가 대부분의 소비자들에게 실제적으로 다가가기 위해서는 몇 가지 과제들을 해결해야 한다.

거부할 수 없는 또 다른 이점은 V2G로부터 에너지를 수확함으로써 새로운 수입원을 창출한다는 것이다. 전력망으로 에너지를 돌려보낼 수 있음으로써 에너지를 생산자와 소비자 사이에 거래 가능한 화폐처럼 취급할 수 있는 것이다.

전기차로 DC 충전기를 도입하는 개발도 가능하다. 그러기 위해서는 AC에서 DC로 변환하기 위해서 적정한 크기의 컨버터가 필요하다. 기존의 AC-DC 컨버터는 최대 95%의 효율을 제공하는데 많은 제품들은 아직도 효율이 불과 80~90% 대에 머물고 있다.

그러므로 전력 컨버터를 EV의 배터리 크기에 따라서 맞춤화해야 하며 업계가 힘을 합쳐서 변환 효율을 높이도록 해야 할 것이다. 변환 효율을 높이는 것은 전기 출력을 높이는 것으로 이어진다.

▶맺음말

V2G를 통해서 재생 에너지 그리드 목표를 달성하기 위해서는 EV 충전에 재생 에너지원을 사용하는 것이 중요하다.

녹색 태양광 전력을 사용해서 EV 배터리를 충전하고 전력망으로 에너지를 돌려보냄으로써 수요가 폭증할 때 전력망의 부담을 덜 수 있다. V2G는 유연한 에너지 저장 옵션을 제공함으로써 재생 에너지 확대에 걸림돌이 되었던 저장 문제를 해결하고 풍력과 태양광 에너지원으로 간헐적 전력 가용성을 완화한다.

또 V2G 기술은 에너지 가용성과 소비자 수요를 연계해 사용자가 적극적으로 참여하는 적시 에너지 공급을 가능하게 하고 에너지 공급자와 소비자 모두에게 극히 효율적이고도 비용적으로 경제적인 접근법을 제공한다.

저자 약력
아담 킴멜(Adam Kimmel)은 엔지니어, R&D 관리자, 엔지니어링 콘텐츠 저작자로서 20년 가까운 경력을 쌓고 있다. 자동차, 산업/제조, 테크놀로지, 일렉트로닉스 같은 분야들로 화이트 페이퍼, 웹사이트 카피, 사례 분석, 블로그 포스트를 제작한다. 화학 및 기계공학을 전공했으며 엔지니어링 및 테크놀로지 콘텐츠 저작 회사인 ASK Consulting Solutions의 창립자이자 사장이다.