대세로 자리잡는 전기차 양방향 충전
가역적 에너지 흐름의 수요 충족 방식 살펴보기
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아담 킴멜(Adam Kimmel), 마우저 일렉트로닉스
2024년 1월 19일
전 세계 전기차(EV) 판매량은 2020년 300만 대에서 2023년 말까지 1,400만 대로 증가하여 해당 기간 중 367% 증가할 것으로 예상된다.[1] 전 세계의 모든 국가들이 전기차로 전환하는 가운데, 중국이 선두를 달리는 중이고 EU는 점유율을 꾸준하게 유지되고 있으며 미국의 점유율은 상승 중이다. 이러한 추세가 지속된다면 2023년에는 전기차가 전체 자동차 판매량의 18%를 차지해 2030년까지 500만 배럴에 달하는 일일 석유 소비량을 감축할 수 있을 것이다. 그림 1 은 2016년 이후 전기차 판매량이 기하급수적으로 증가하고 있다는 사실을 보여준다.
그림 1: 연도별 지역별 글로벌 전기차 판매량(출처 : IEA 2023; Electric car sales, 2016-2023, https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/electric-car-sales-2016-2023, License: CC BY 4.0.)
이 같은 성장에는 환경적 요인의 뒷받침이 있다.
- 2030년 배터리 제조 용량 증가로 해당 부문의 넷제로(Net Zero)에 대한 EV 배터리 수요 요구 사항 충족
- 기존 기술로 재료 공급 부담을 완화하고 범위, 위험 및 성능 기회를 해결하기 위한 새로운 배터리 화학 혁신
- 소비자 채택 지원을 위한 충전 인프라의 지속적인 확장
- EV 제공을 위한 각 지역 정부 및 민간 부문 간의 파트너십을 촉진하는 정책 및 투자 확대
차량의 생산 속도가 빨라지면 소비자들의 비용 부담이 더욱 줄어들기 때문에 전동화는 앞으로도 계속될 것이다. 또한 비용이 절감되면 매출이 증가하여 고도로 자본화된 자동화에 자금을 조달하는 데 필요한 수요가 늘어날 것이다. 이 같은 추세는 소비자 비용을 크게 감소시켜 대중 시장에서 EV를 저렴하게 구매할 수 있게 해줄 것이다. 반대론자들은 짧은 주행거리에 대한 불안감과 긴 충전 시간으로 인한 생활상의 불편함으로 인해 전기차로 전환하는 데 일부 소비자들에게 여전히 어려움이 따르고 있다고 지적한다.
오늘날의 EV 충전 방식
오늘날 대부분의 전기차는 기존 전력원에서 전력을 끌어와 충전하는데, 상당수는 화석 연료, 석탄으로 재생 불가능한 전력원들이다. 탄소 중립 또는 탄소 네거티브 상태를 유지하고 기후 변화의 영향에 대한 문제를 해결하기 위해 유엔 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)의 제6차 평가 보고서[2] 는 재생 에너지원의 활용을 강하게 권장하고 있다. 충전 인프라가 태양광, 풍력, 바이오매스, 수력 발전과 같은 재생 가능 에너지 공급 장치를 통합하는 방향으로 나아간다면 해당 전력의 가용성과 신뢰성에는 자연스레 제한이 따를 것이다. 그럼에도 불구하고 EV는 운송 부문의 탈탄소화를 위한 중요한 수단이다. 따라서 업계에서는 다음과 같은 질문에 답할 필요가 있다.
- 밤이나 흐린 날의 경우 태양 에너지는 어떻게 작동하는가
- 바람이 규칙적으로 불지 않거나 충분히 세게 불지 않을 경우 어떻게 대처해야 하는가
- 재생 에너지를 전기로 전환하면 탄소 배출을 완전히 없앨 수 있는가
이와 같은 중요한 질문에 답하기 위해서는 오늘날 전력망의 전력 공급 방법과 전기차 충전에 필요한 것이 무엇인지 검토해야 한다.
글로벌 전력 소싱
기본 전력망의 전력 공급 방식은 지역마다 크게 다르다. 특정 지역 내에서도 에너지원에 대한 근접성은 다를 수 있다. 표 1 은 세계가 에너지를 생산하는 방식에 대한 개괄적인 시각을 보여주며 2020년부터 2022년까지 2년 간의 추세도 보여준다.[3]
표 1: 전 세계 에너지 생산 방식, 2020-2022. (출처: 마우저 일렉트로닉스 작성자 및 Our World in Data)
|
전 세계 전력 생산량(TWh) |
2020 |
2022 |
2년 증감율 |
글로벌 전기생산 점유율 (2020) |
글로벌 전기생산 점유율 (2022) |
2년 점유율 증감율 |
|
석탄 |
9293 |
10191 |
10% |
35% |
36% |
0.4% |
|
가스 |
6132 |
6309 |
3% |
23% |
22% |
-1.2% |
|
수력 발전 및 기타 재생 에너지 |
4435 |
4427 |
0% |
17% |
16% |
-1.4% |
|
원자력 |
2634 |
2610 |
-1% |
10% |
9% |
-0.9% |
|
풍력 발전 |
1587 |
2139 |
35% |
6% |
7% |
1.5% |
|
태양광 |
851 |
1289 |
51% |
3% |
5% |
1.3% |
|
석유 |
741 |
885 |
19% |
3% |
3% |
0.3% |
|
바이오 에너지 |
603 |
678 |
12% |
2% |
2% |
0.1% |
표에서 볼 수 있듯이,
- 석탄은 여전히 에너지 생산에 있어 전 세계적으로 많은 부분을 차지하고 있으며, 점유율이 소폭 상승하기는 했지만 기세는 둔화되고 있다.
- 가스는 두 번째이며 2020년에 기록된 하향세를 이어가고 있다.
- 풍력과 태양광이 비슷한 속도로 기하급수적인 증가세를 이어가고 있는 가운데, 재생 에너지는 규모는 작지만 성장세를 보이고 있다.
- 수력발전은 생산량에 거의 변화가 없었다.
- 바이오 에너지도 떠오르는 에너지원으로, 선형적인 증가세를 보이고 있다.
Our World in Data에 따르면, 전 세계는 원자력, 바이오 에너지 및 기타 재생 가능한 에너지원을 포함한 저탄소 에너지원으로부터 약 39%의 전력을 공급받고 있다. 수력, 풍력, 태양광과 같은 재생 에너지원은 전 세계 에너지 생산량의 30%를 차지하며, 풍력과 태양광의 경우 급격한 증가세를 이어가는 양상을 보인다.
2022년부터 2050년까지 전 세계 전력 수요가 75% 이상 증가할 것으로 예상되는 가운데 재생 에너지로의 전환은 환영할 만한 일이며 필요한 일이라고 볼 수 있다.[4] 인구 증가와 전기화로의 전환이 이와 같은 추세에 대한 주요 원인이라 할 수 있다. 그러나 전력 수요 증가에 대한 또 다른 중요한 요인은 여전히 전 세계 전력의 3분의 2를 공급하고 있는 화석 연료에 대한 의존도를 낮추고 환경 친화적인 재생 에너지로 대체해야 한다는 압박이 커지고 있다는 점이다.
하지만 전기화의 극적인 증가는 전력망 용량에 부담을 주고 피크 충전 시간에 부하를 증가시키면서 재생 가능 저장 장치를 관리해야 하는 과제를 더해준다. 이 같은 과제들은 충전 인프라에 대한 수요 급증의 영향을 완화할 수 있는 혁신적인 기술을 위한 기회를 창출한다. 이와 같은 혁신 중 하나는 전력망과 전기차 사이의 전기 공급 방향을 바꾸는 V2G(Vehicle-to-Grid) 기술이다.
V2G란?
V2G(Vehicle-to-Grid) 기술은 발전소에서 쉽게 휴대할 수 있는 에너지 저장 장치를 분산시켜 전력망과 차량 간에 양방향 에너지 전송을 가능하게 하는 방식으로 작동한다. 도로를 달리는 모든 전기차에 탑재된 전기를 사용하면 오프그리드 충전 기능을 활용하면서 필요할 때 전력망에 전력을 다시 공급하는 데 효과적일 수 있다. V2G는 많은 소비자들이 배터리 용량의 일부만 사용한다는 전제하에 작동하며, 이 접근 방식은 배터리 사용률을 최적화하여 동일한 부품에서 더 많은 것을 얻을 수 있도록 한다.
유저들을 위한 EV 가정용 충전기는 충전된 전력을 전력망에 다시 공급하거나 가정에 전력을 공급하는 인프라이다. 에너지를 배터리로 이동시키기 위해 전력망에 연결되는 동일한 전기 경로는 배터리에서 잉여 에너지를 수집하여 공정 시장 또는 타협된 가격을 통해 전력망에 제공하는 데 사용된다. 수요와 에너지 가용성에 따라 전력망으로 또는 전력망에서 에너지가 공급되는 방향이 결정된다. 이 구조는 필요에 따라 에너지를 공급하는 동시에 나중에 사용할 수 있도록 여분의 에너지를 저장한다.
V2G는 사회가 전기를 생산, 사용, 운송하는 방식을 최적화한다. 차량 배터리는 원격 에너지 저장 솔루션과 네트워크로 연결하여 피크 수요 시에는 전기 공급을 늘리고 야간 등 수요가 적은 시간대의 차량 충전 시간을 최적화할 수 있다. 또한 V2G를 통해 차량 소유자들은 에너지 사용 습관에 대한 데이터를 제공함으로써 에너지 사용량을 보다 적극적으로 관리할 수 있으며, 이를 통해 행동 양식을 최적화하여 비용을 절감할 수 있다. 또한 전기를 다시 전력망에 판매할 수 있는 기능을 통해 소비자에게 수입원을 열어준다. EV에 대한 총 소유 비용을 줄이는 일은 전 세계적으로 전기차 보급을 늘리기 위한 근본적인 시장 동인이라 할 수 있다.
또한 차량의 전기 사용 및 생산 시점에 대한 V2G 전기 데이터를 확보하면 유틸리티 회사가 수요 및 소비자 행동의 추세를 기반으로 에너지 생산을 최적화하는 데 도움이 된다. 이 같은 이점은 에너지 공급자와 소비자 모두의 비용을 절감할 것이다.
V2G는 이전에는 에너지 저장 장치가 부족했던 지역에서 원격 에너지 저장 장치에 액세스할 수 있다는 사회적 이점을 제공한다. 전력망이나 차량에 주문형 전력을 저장, 조절 및 제공하는 것은 차량의 전기 사용을 전력망에 통합함으로써 얻을 수 있는 가장 획기적인 이점이라 할 수 있다.
친환경 EV 충전은 광자가 전자를 여기시켜 차량에 전류를 생성하고 배터리의 충전 용량을 채우는 태양광 패널을 사용한다. 간헐적인 태양광 발전과 배터리 저장을 통합하면 맞춤형 사용을 위한 전기 공급 용량을 원활하게 확보할 수 있다. 배터리가 완전히 충전되면 차량이나 주택 등 필요한 곳에서 언제 어디서나 사용할 수 있다. 즉, V2G는 재생 에너지 적용 확대의 주요 난제 중 하나인 재생 에너지 저장 문제를 해결할 수 있다는 것이다.
남은 과제 및 채택 장벽
전력을 보다 유익하게 만드는 한 가지 방법은 효율성을 높이는 것이다. 배터리는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하여 연료를 연소할 필요가 없으므로 열 효율이 약 30% 감소한다. V2G는 재생 에너지의 간헐성을 완화하고 전력 수요 급증에 따른 전력망의 부담을 줄일 수 있는 유익한 솔루션이다. 하지만 전기차가 대부분의 소비자에게 실용적인 제품이 되기 위해서는 아직 몇 가지 과제를 극복해야 한다.
두 번째 주요 이점으로는 새로운 재생 가능 에너지원, 즉 V2G에서 수확된 에너지를 생성한다는 점을 들 수 있다. 전력망에 에너지를 직접 전달하는 기능을 추가하면 에너지를 통화처럼 처리하여 공급원과 애플리케이션 간에 전송할 수 있다.
또한 차량과 통합할 수 있는 DC 충전기도 개발되어야 하며, 에너지 전송을 위해 AC 전력에서 DC 전력으로 전환할 수 있는 적절한 크기의 컨버터도 필요하다. 기존 AC-DC 컨버터는 최대 95%의 효율을 제공하지만, 많은 제품들이 80~90% 범위의 효율만 제공한다. 따라서 전력 컨버터는 전기차의 배터리 크기에 맞게 조정되어야 하며, 업계는 전기 출력을 직접적으로 증가시키는 변환 효율을 높이기 위해 노력해야 한다.
맺음말
재생 에너지로 구동되는 전기차는 V2G를 통해 재생 에너지 전력망 목표를 달성하는 데 필수적이다. 이 접근 방식은 친환경 태양광 발전의 가용성을 활용하여 EV 배터리의 용량을 채우고 이를 전력망과 주고받으며 가장 필요한 곳에 전력을 공급한다. V2G는 유연한 에너지 저장 옵션을 제공하여 재생 에너지의 중요한 장벽을 해결하는 동시에 풍력 및 태양 에너지원의 간헐적인 전력 가용성을 완화한다. 또한 V2G 기술은 에너지 가용성을 소비자 수요와 연결하여 유저들의 사용 정보를 적극적으로 활용하고 에너지 공급자와 소비자 모두에게 가장 효율적이고 비용 효과적인 접근 방식을 제공하는 적시 에너지 공급 방식을 제공한다.
출처
[1] IEA, Electric car sales, 2016-2023, IEA, Paris https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/electric-car-sales-2016-2023, IEA. License: CC BY 4.0
[2] IPCC, “Sixth Assessment Report.” March 20, 2023, https://www.ipcc.ch/assessment-report/ar6/.
[3] Our World in Data, “Electricity Production by Source, World (2020-2022),” accessed January 5, 2024, https://ourworldindata.org/grapher/electricity-production-by-source?time=2020..latest.
[4] U.S. Energy Information Administration, “EIA Projections Indicate Global Energy Consumption Increases through 2050, Outpacing Efficiency Gains and Driving Continued Emissions Growth,” news release, October 11, 2023, https://www.eia.gov/pressroom/releases/press542.php.
저자 소개
아담 킴멜(Adam Kimmel)은 실무 엔지니어, R&D 관리자 및 엔지니어링 콘텐츠 작가로 약 20년 근무했다. 그는 자동차, 산업, 제조, 기술 및 전자 제품 등의 수직 시장에서 백서, 웹사이트, 사례 연구 및 블로그를 위한 게시글을 기고한다. 아담은 화학 및 기계 공학 학위를 보유하고 있으며, 엔지니어링 및 기술 콘텐츠 작성 전문 회사인 ASK Consulting Solutions, LLC의 설립자이자 대표이다.