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[Technical Report] 코로나 팬데믹, 전기화 앞당기는 촉매 될까?

입력 : 2021.01.08 16:47

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[헬로티]


아나로그디바이스(Analog Devices)


▲ 2019년 3월 25일~4월 25일


▲ 2020년 3월 25일~4월 25일. 코로나 바이러스 확산으로 화석 연료 사용이 줄어들면서 대기 오염이 감소했다. (출처: NASA Scientific Visualization Studio)


전기화의 미래를 엿볼 수 있는 계기가 된 코로나19


아래는 인도에서 코로나19가 확산하기 전과 인도 전역 13억 명의 국민들에게 재택 명령이 내려진 후의 위성 사진(왼쪽)과 거리 모습을 담은 사진이다. 사람들의 활동이 크게 줄어들자 대기 오염이 줄고 대기도 훨씬 깨끗해진 것을 알 수 있다.


세계 각국이 코로나 바이러스에 대처하기 위해서 바삐 움직이고 있다. 코로나 팬데믹으로 인해 많은 사망자가 발생했고 세계 경제는 마비되다시피 했다. 그렇다면 코로나 이후의 세상은 어떤 모습일까? 


사람들 간의 교류, 의료 산업, 서비스 산업 모두에 중대한 변화들이 일어나고 있으며, 코로나 팬데믹은 환경에도 직간접적으로 영향을 미치고 있다. 


전 세계적으로 바이러스 확산을 억제하기 위해서 수개월 간 재택 명령이 지속되자 그 결과로서 탄소 중립적인, 혹은 탄소 배출을 크게 줄인 미래가 어떤 모습일지 엿볼 수 있게 되었다. 도로를 달리는 자동차, 바다를 가르는 선박, 하늘을 나는 비행기가 줄어들면서 수십 년간 지속되어온 환경 파괴가 훨씬 낮아졌다. 


재택근무 명령 전과 후를 비교하는 사진들이 언론과 인터넷에서 화제가 되기도 한다. 대기 오염이 감소하면서 인도 펀자브주 주민들은 30년 만에 다시 150마일 떨어진 거리에서 히말라야 산맥을 볼 수 있게 됐다. 


이뿐 아니라 이탈리아 베니스의 수로에서는 보트들이 사라지고 수질이 개선되면서 수년 동안 볼 수 없었던 바다 생물들이 돌아왔다. 베이징, 뉴욕, 파리에서 이산화탄소, 일산화탄소, 아산화질소 배출이 크게 감소했다.


일시적이나마 자연이 회복되고 있는 것이다. 하지만 교통 운행을 무한정 멈춰 세울 수도 없고 그랬다가는 세계 경제를 불구로 만들 것이다. 이에 대한 해결책이 될 수 있는 것이 전기화가 약속하는 탄소 중립적인 미래이다.


전기화의 중심에 서 있는 전기자동차



“로스앤젤레스시가 전기차와 전기 버스를 도입하면 

시민들은 매일 깨끗한 공기를 누릴 수 있을 것이다”


- 레아 스토크스 박사, UC 산타바버라 부교수 -



전 세계적으로 지속가능한 미래를 실현하기 위해서 전기화의 중심에 서있는 것이 전기자동차(EV)이다. 세계 경제 포럼에 따르면, 2030년에는 도로 상에 전기 승용차가 2억1500만 대에 이를 것으로 전망된다. 


다시 말해 2018년부터 2030년까지 전기 승용차 신차 매출이 매해 23%씩 증가한다는 뜻이다. 앞으로 10년 동안에 전기차 보급률이 이처럼 빠른 속도로 증가할 것으로 예상되므로, 이를 뒷받침하는 기술에 대한 수요 역시 빠르게 증가할 것이다. 


세계 각국이 계속해서 새로운 EV 장려 정책을 내놓고 있으며, 모든 주요 자동차 회사들도 자사 차량을 전기차로 전환하기 위해서 발빠르게 움직이고 있다. 


지금은 전기화를 가속화하기 위해서 기술 개발에 좀더 박차를 가해야 할 시기이다. 하지만 이것은 하루 아침에 이루어질 수 없다. EV 보급을 위해서는 전기화 생태계 전반에 걸쳐서 과제들을 해결해야 한다. 



“2030년까지 전 세계 배터리 수요는 2523기가와트시(GWh)에 

이르고, 이 가운데 2333GWh를 e-모빌리티가 차지할 것”


- 세계 경제 포럼(WEF) - 



현재의 전력망 인프라는 도로 상에서 EV가 폭증하는 데 따른 수요를 감당하기에는 턱없이 부족하다. 또한 소비자들이 전기차를 구매하도록 유인하기 위해서는 전기차가 내연기관 차량에 대적할 만한 가격대 성능비를 달성해야 한다. 자동차 OEM들은 자사 차량 전반에 전기화를 도입할 수 있는 좀더 효율적이면서 경제적인 방법을 여전히 찾고 있는 중이다. 


EV 배터리 재활용 및 재사용 프로그램 역시 비용적으로나 자원 측면에서 충분히 효율적이지 못하다. 세컨드 라이프 애플리케이션으로 EV 배터리 재사용이나 재활용이 원활하지 못하면 결국 많은 전기차 배터리가 쓰레기로 매립되는 것으로 생을 마감하게 될 것이다. 현재의 이 같은 실정은 전기화가 추구하는 친환경 취지에 위배되는 것이다.


인프라 : 전기화의 토대


EV와 그 밖에 다른 전기화 기술이 가속화할 것으로 전망되면서 최근 몇 년 사이 에너지 저장이 새로운 화두로 떠오르고 있다. 세계적으로 전기화가 가속화함에 따라 기존 전력망에는 부담이 커질 것이다. 


에너지 저장 시스템(ESS)은 대규모 배터리를 완충 설비로 사용해서 재생 에너지원으로부터 생산한 에너지의 여분을 저장하고 필요할 때 사용할 수 있도록 함으로써 전력망을 안정화할 수 있다. 


이 방식은 특히 수요가 몰리는 피크 시간대에 활용하기에 유용하며, 모든 사용자들이 전기차 충전을 비롯한 다양한 용도로 활용할 수 있다. ESS는 부하 지점 가까이에서 완충 역할을 할 수 있다. 그러므로 기존 전력망에 전선이나 발전 설비를 확충하지 않고도 더 많은 에너지를 공급할 수 있으며, 인프라 업그레이드 비용도 절감할 수 있다.


BNEF에 따르면, 2030년에 추가되는 저장 용량의 65%는 다양한 재생 에너지원을 전력망에 통합하고 다양한 전력망 서비스를 제공하는 데 사용되고, 30%는 주거용, 상업용, 산업용 설비에 사용되며, 5%는 EV 인프라에 사용될 전망이다.


배터리 활성화 및 테스트(BFT)는 전기차 배터리 제조에 있어서 중요한 공정들이다. 배터리가 주요 성능 및 안전성 요건을 충족할 수 있을지 여부가 이들 공정에서 결정된다. 


이러한 요건들을 충족하지 못하면 배터리를 폐기해야 하거나 자동차에 사용하거나 후에 재사용 시에 배터리 효율에 부정적으로 영향을 미칠 수 있다. 


활성화 및 테스트 공정은 24~36시간에 걸쳐서 전류와 전압을 극히 정밀하게 제어하는 것으로 이루어진다. 이 공정에서 속도가 너무 빠르거나 정확성이 떨어지면 배터리 셀 내의 활성 물질들을 손상시킬 수 있으며, 그러면 전반적인 용량과 가용 수명이 크게 떨어질 수 있다.


BFT 공정만 해도 이미 충분히 까다로운데, 장비 및 배터리 제조사들을 더 어렵게 하는 것은 새로운 배터리 소재들이 끊임없이 등장한다는 점이다. 


새로운 소재에 대응하려면 지극히 까다로운 제조 환경에서 전기적 측정을 위해서 더 높은 수준의 정밀성을 갖춰야 하고, 다른 한편으로는 설비 투자를 끊임없이 통제해야 한다. 뿐만 아니라 생산 능력을 신속하게 확장하기 위해서는 기존 활성화 및 테스트 장비의 풋프린트를 줄여야 한다.


▲전기차 가격에서 배터리가 차지하는 비중은 40%다. 


향후에는 리튬 인산철(LiFePO) 같은 배터리 소재가 점점 더 중요해질 것이다. 코발트 기반 소재는 LiFePO보다 에너지 밀도를 약 10 ~ 20% 더 높일 수 있지만, 코발트는 환경적으로 독성이 높고 채굴 과정에서 인권 침해 논란이 있어 분쟁 광물(conflict material)로 분류된다. 


지금 추세라면 전 세계 코발트 매장량은 2030년 안으로 고갈될 것으로 예상된다. 또한 LFP는 가격이 저렴하고, 고장 처리나 열 폭주 문제와 관련해서 보다 안전하며, 산업 현장에서 10년 이상 사용해 오는 동안 완벽하게 검증되었다.


EV 보급의 본격 가속화


오늘날 EV의 주행거리는 차량 모델에 따라 60마일(96.5킬로미터)에서부터 400마일(643.7킬로미터)에 이르기까지 다양하며, 충전 시간은 30분에서부터 길게는 12시간이 걸리기도 한다. 이 정도면 가까운 거리나 출퇴근용으로는 적합하다. 


하지만 보다 포괄적으로 자동차 시장을 지원하려면 주행거리와 충전 시간을 향상할 필요가 있다. 또한 향후 10년 동안 EV 시장이 10배 확대될 것으로 전망되기 때문에, 수백만 대의 전기차에서 고성능 배터리를 모니터링, 관리 및 유지보수하는 데 효과적인 배터리 관리 시스템(BMS)에 대한 수요 또한 높아질 것이다.


▲전기차의 수명 동안 1회 충전으로 가능한 주행 거리를 극대화하기 위해서는 BMS 전자장치가 모든 동작 조건에서 최대의 정확도를 보장해야 한다.


연료 탱크가 1대의 에너지 저장 장치인 것과 달리, EV 배터리 팩은 수백 혹은 수천 개의 개별 배터리 셀들이 모여서 이루어진다. 1회 충전당 주행 거리를 극대화하기 위해서는 배터리 팩으로 전력이 들어오고 나갈 때 모든 셀들을 높은 정확도로 정밀하게 관리해야 한다. 


이러한 용도의 전자장치는 배터리 가격에서 차지하는 비중이 수분의 1에 불과하지만 전기차의 주행거리, 안전성, 가격에 있어서 큰 역할을 할 수 있다. 예를 들어서 약 15년에 이르는 EV 전체 수명에 걸쳐서 가용 배터리 용량을 극대화하기 위해서는 극한의 온도와 자기 및 전기 잡음을 비롯한 모든 동작 조건 및 가혹한 환경에서 정확도를 보장해야 한다. 


최신 제품 중에는 이 정확도가 2mV까지 높아진 것도 있는데, 400V~800V 배터리 팩 내의 각 셀들에서 이러한 정확도를 보장해야 한다. 또한 안전성을 위해서는 갈수록 엄격해지는 안전성 표준을 완벽하게 충족하도록 이 전자장치들을 설계해야 한다. 이러한 표준들을 충족하기 위해서는 단지 ASIL-D를 충족하는 것을 넘어서 배터리 아키텍처 상에서 혁신이 필요하다. 


이와 관련해서 BMS로 새로운 와해성 기술이 등장하고 있다. 바로 무선이다. 기존 유선 BMS의 부품들을 기반으로 최근에 아나로그디바이스(Analog Devices)가 GM(General Motors)과 협력해서 개발한 무선 배터리 관리 시스템(wBMS)은 배터리 셀들을 연결하기 위한 와이어 하니스(wire harness)를 제거할 수 있다. 


따라서 엔지니어링 설계와 개발 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 와이어 하니스에 따른 기계적 문제와 복잡성을 없앨 수 있다. 또한 배터리 팩 설계를 모듈화하고 확장 가능하게 함으로써 여러 자동차 모델에 걸쳐서 설계를 재사용할 수 있다. 


각각의 배터리 모듈이 무선이므로 셀의 활성화, 보관, 조립 및 자동차 안에 사용하는 전 과정에 걸쳐서 데이터를 수집하고 저장할 수 있다. 


배터리 건강 상태를 계산하고 배터리 팩의 잔여 수명을 예측할 수도 있다. 비용을 절감하고 저장 장치 시스템이나 세컨드 라이프 애플리케이션에 효과적으로 재사용할 수 있다. 제조사와 자동차 소유주 모두를 위해서 비용을 절감하고 환경적 영향을 낮출 수 있다.


배터리 재사용: 지속가능한 전기화 생태계


▲2035년에는 에너지 저장 시장 연간 매출 규모가 5460억 달러에 이를 것으로 전망된다. (출처: 세계 에너지 저장 시장 전망, 2019)


흔히들 전기차는 내연기관과 화석 연료에 대한 친환경적 대안이라고 하는데, 전기차에는 중요한 아킬레스건이 존재한다. 배터리 용량이 더 이상 EV를 구동할 수 없을 만큼 노후했을 때, 무게가 0.5톤이나 되는 이 배터리를 어떻게 처리할 것인가 하는 것이다. 


현재는 주로 재활용을 통해 코발트나 리튬 같은 물질들을 전량은 아니지만 일부나마 회수하고 있다. 하지만 재활용은 비용이 들고, 규정이 미비하며, 공급 사슬이 확실하게 구축되어 있지 않다. 


사정이 이렇다 보니, IER(Institute of Energy Research)의 조사에 따르면 2025년에 전 세계적으로 폐기되는 EV 배터리 수(누적 수치)는 2019년 약 55,000개에서 2025년에는 340만 개 이상에 달할 것으로 보인다. 


재활용의 대안으로서, 혹은 좀더 엄밀히 말해서 중간적인 단계로서 새롭게 등장하고 있는 것이 배터리 재사용이다. 전기차를 8년이나 10년쯤 사용한 후에 리튬이온 배터리가 원래 충전 용량의 70~80%로 떨어지면 더 이상 자동차를 구동하기에는 적합하지 않아 교체해야 한다. 이처럼 퇴역하는 배터리가 점점 더 늘어남에 따라 전혀 새로운 시장이 형성되고 있다. 바로 세컨드 라이프 배터리 시장이다.


세컨드 라이프 애플리케이션은 배터리 수명을 5년에서 10년까지 늘릴 수 있는데, 이는 배터리가 애초 용도에서 어떻게 취급됐느냐에 따라 달라진다. 


무선 배터리 관리 시스템(wBMS)은 배터리 데이터를 지속적으로 수집해서 클라우드로 전송하고 저장할 수 있으므로, 데이터를 보다 상세히 파악하고 이력을 추적할 수 있는 수단을 제공한다. wBMS는 무선 기술이므로 배터리 셀을 자동차에 사용하기 전부터 배터리에 대한 데이터를 저장할 수 있다.


자동차에서 사용하는 동안에는 배터리 건강 상태(state-of-health, SoH)를 계산하고 주행 상태나 환경 조건에 따라서 계속해서 업데이트할 수 있으므로 배터리 팩의 수명이 얼마나 남았을지 파악할 수 있다. 특히 배터리 팩의 잔여 수명을 알 수 있으므로, 전반적인 비용을 절감하고 배터리 셀을 어떻게 재사용할지 결정할 수 있다.


▲ 무선 BMS는 새롭게 등장한 와해성 기술로, 배터리 재사용을 돕고 전체 산업계가 보다 지속가능한 미래로 나아가도록 한다. 


배터리가 세컨드 라이프로 재사용되기 전에, 판매자는 이 데이터를 사용해서 포괄적인 건강 상태 이력을 제공할 수 있기 때문에 구매자와 판매자는 배터리의 가치를 투명하게 평가하고 합리적인 판매 가격에 도달할 수 있다.


맥킨지앤컴퍼니(McKinsey & Company)의 보고서에 따르면, 여전히 쓸모 있는 이러한 전기차 배터리를 활용할 수 있는 애플리케이션들을 찾아냄으로써 상당한 가치를 창출할 수 있으며, 궁극적으로 저장 장치 비용을 절감하고 더 많은 재생 에너지 전력을 전력망으로 통합할 수 있을 것이라고 언급했다. 


용량이 줄어든 EV 배터리는 더 이상 EV 성능 요건은 충족하지 못하더라도 ESS에 재사용하기에는 적합할 수 있다.


전기화 생태계


세계가 환경적으로 좀더 지속가능한 애플리케이션을 추구함에 따라서, 전기화 생태계 전반에 걸쳐서 어떠한 영향과 과제들이 존재하는지 살피는 것은 매우 중요하다. 어떤 한 영역에만 초점을 맞춰서는 친환경적인 미래를 실현하기 어렵다. 


아나로그디바이스(Analog Devices)는 인프라와 세컨드 라이프를 비롯해서 전기화 생태계의 모든 측면을 이해하고 생태계의 모든 단계들마다 진보를 가져오는 솔루션을 제공함으로써 전 세계적으로 탄소 중립적인 미래를 실현하는 데 기여하고 있다.


배터리 생태계 전반에 걸친 혁신


성능 극대화 : 고도로 정밀한 테스트는 배터리 성능을 극대화하고, 무선 데이터 전송은 테스트 시스템 풋프린트를 50%까지 줄인다. 


배터리 수명 연장 : 첨단 배터리 셀 측정 기술을 통해 얻은 통찰을 활용한 재고 관리는 배터리 수명을 30% 연장할 수 있다.


안전성과 신뢰성 향상 : 정밀 제어와 모니터링으로 최고 수준의 자동차 안전 무결성 레벨(ASIL D)을 달성할 수 있다.


모듈화와 유연성 : 무선 BMS(wBMS) 솔루션은 배터리 팩에서 와이어 하니스를 제거할 수 있으므로 배터리 팩 설계에 모듈화, 확장성, 유연성을 실현한다.


주행 거리 연장 : 고도로 정확하고 안정적인 배터리 셀 측정은 배터리 팩의 가용 용량을 안전하고도 신뢰성 있게 늘림으로써 자동차 주행 거리를 15%까지 연장할 수 있다.


유지보수 간소화 : 배터리 수명이 끝날 때까지 개별 셀들을 세밀하게 모니터링함으로써 유지보수를 간소화하고 보증 문제를 줄일 수 있다.


가치 창출 및 비용 절감 : ADI의 wBMS 기술을 사용해서 잔여 수명을 쉽고 빠르게 평가할 수 있으며 세컨드 라이프 배터리 어셈블리 비용을 15%까지 낮출 수 있다.


전력망이 연결되지 않은 지역에 전력 공급 : 배터리 건전성 및 이력 데이터를 사용해서 세컨드 라이프 배터리 애플리케이션에 재사용 용량을 보증할 수 있다. 전력망이 연결되지 않은 지역에서 오래된 전기차 배터리를 사용해서 태양광 에너지를 저장할 수 있다. 


더 깨끗하고 건강한 미래 실현


전기는 우리 삶에서 필수 요소가 되었다. 병원, 학교, 주택, 가로등, 도시를 포함해서 현대 사회의 모든 영역이 전기를 의지하여 돌아간다. 도시에 최초로 전선이 깔린 이후 한 세기도 더 지난 오늘날 전력 산업은 또 한 번의 혁신 기회를 맞고 있다. 


전력망에 다양한 재생 에너지원을 통합할 수 있게 되었을 뿐만 아니라 전원 분배 시스템 자체도 중앙집중형에서 분산형으로 변화되고 있다. 이러한 혁신을 통해서 지구와 인간의 건강한 삶을 위해서 지속가능한 미래를 실현할 수 있을 것이다.



“전 세계적으로 미세먼지로 인한 공기 오염이 사람의 기대 수명을 평균 2년 단축한다.”


- 시카고 대학 에너지 정책 연구소 ‘대기질 생명 지수(Air Quality Life Index®)’ -



화석 연료를 태워서 전기나 열을 발생하는 것이 지구 온난화의 주범으로서 전 세계 오염의 거의 절반을 차지한다4. 세컨드 라이프 배터리 재사용은 자원 고갈을 늦추고 생태 독성을 낮출 수 있다. 


ESS는 여분의 태양광 및 풍력 발전 전력을 저장하고 이것을 부족한 전력망에 되팔 수 있으므로 전기화의 미래 실현에 기여할 수 있다. 


시간이 지나면서 EV가 가솔린 자동차를 제치고 점점 더 많이 보급된다면 도시 지역에서 대기 오염을 지금보다 50~90%까지 줄일 수 있게 될 것이다. 그러면 모든 남자, 여자, 어린이들이 보다 깨끗한 환경에서 더 건강한 삶을 영위하고 잠재력을 최대한 실현할 수 있게 될 것이다.


전기화에 관한 기술 자료와 비디오


아나로그디바이스는 전기차(EV) 배터리를 첨단 에너지 저장 시스템(ESS)으로 재사용하는 방법, 새로운 배터리 소재를 정확하고도 효율적으로 관리해서 환경 보호에 기여하는 방법을 제공하고 있다. 


이뿐 아니라 향상된 무선 배터리 관리 시스템이 환경적으로 지속 가능하고 수십억 달러에 이르는 새로운 비즈니스 가능성을 형성하는 원리, 재생 에너지원을 이용해 발전한 여분의 전력을 저장했다가 나중에 사용하는 방법 등에 대해 설명하는 많은 기술 자료와 비디오를 제공한다. 

/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

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