2015년 12월 전 세계적으로 인류의 기후변화 대응체계인 ‘신 기후변화체제 파리협정’을 통해 앞으로 이산화탄소 감축을 위한 다양한 사업과 시장이 활성화 될 것으로 예상된다.
최근 우리나라는 이보다 앞선 2014년 기후변화 대응이 새로운 산업과 투자의 기회라는 인식을 확산하고, 에너지 신산업의 본격적인 투자를 확보하기 위해 에너지 신산업 대토론회에서 ‘시장으로, 미래로, 세계로’를 통해 적극적인 기술개발, 시장창출, 제도개선을 추진하고 있으며, 그 핵심이 되는 산업이 바로 전기자동차다.
일반적으로 전기자동차 10만대를 1년간 운행할 경우 CO₂의 연간배출량의 45%, 즉 99,500톤이 감소한다고 알려져 있으며, 이는 30년생 소나무 71만2,420그루에서 흡수하는 양이다.
온실가스 종합정보센터에 따르면 우리나라는 2008년 7월에 개최된 G7 정상회의에서 온실가스 감축목표 발표를 계기로 2020년 온실가스배출전망(Business As Usual, BAU) 대비 30% 감축이라는 중기 국가 온실가스 감축목표가 확정됐다. 이중 수송 분야의 감축 목표는 비율로는 34.3%로 가장 높으며 감축량은 약 3,700만 톤으로 친환경자동차 도입 등 연비개선 강화를 통해 감축목표 달성을 추진하고 있다.
▲ 표 1. 국가별 차기 온실가스 달성을 위한 연평균 저감율
2010년 세계 15개국 정부와 국제에너지기구(Interna-tional Energy Agency, IEA)는 전기자동차 시장 개발을 위해 국제에너지장관회의(Clean Energy Ministerial, CEM)에서 EVI(Electric Vehicles Initiative, EVI)라는 전기자동차관련 리더십포럼을 결성했다. 15개 글로벌 EVI 포럼국가와 국가별 전기자동차 현황은 그림 1과 같다. IEA와 EVI는 2013년 그동안의 글로벌 전기자동차관련 다양한 통계자료와 정보를 기초로 ‘GLOBAL EV OUTLOOK’ 보고서를 최초로 발행하였으면, 이 보고서는 2015년 일부 내용을 업데이트했다.
▲ 그림 1. 글로벌 15개 EVI 포럼 국가 현황 및 통계정보 < 출처: Global EV Outlook 2015>
국가별 전기자동차 시장 현황
EVI 멤버 15개국은 2012년까지 전 세계 EV 보급의 90%이상을 담당하는 국가들로 미국, 영국, 프랑스, 스페인, 포르투갈, 덴마크, 네덜란드, 독일, 이탈리아, 스웨덴, 핀란드, 중국, 인도, 일본, 남아프리카공화국이며, CEM 멤버지만 EVI 멤버가 아닌 국가는 아일랜드, 노르웨이, 한국이 있다.
▲ 그림 2. 2008년부터 2012년까지의 EVI 국가들의 전기자동차관련
투자현황
보고서에 따르면 EVI 멤버 국가들은 2020년까지 590만대의 EV 판매와 2,000만대 보급을 목표로 하고 있으며, 2014년까지 글로벌 EV 수량은 65만대이다.
이는 순수 전기차(Battery Electric Vehicle, BEV), 플러스인 하이브리드(Plug-in Hybrid Vehicle, PHEV)와 연료 전지자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)를 포함하고 있다.
이 보고서는 멤버 국가들의 강력한 정부 지원은 전기자동차의 공급과 수요의 빠른 증대에 기여하고 있다고 본다. 15개국 중 12개 국가가 차량 구입에 대한 재정적 지원을 제공하고, 전용차선 진입허용과 같은 제도적 지원을 통해 보급률을 높여 전기자동차 시장의 급속한 성장세를 보여주고 있지만, 미래의 목표 달성을 위해서는 인프라 구축과 기술개발 등 당면한 과제가 많다고 보고하고 있다.
보고서는 현재 전기자동차 시장에 지속적인 기술개발 투자가 가장 중요한 요소라 강조하고 있다. 재정 지원은 시장이 정착하게 되면 소멸될 분야지만, 현재까지의 인프라 투자는 비교적 낮은 수준으로 판단된다. 이는 장기적인 기술개발 프로그램보다 충전기 보급비용이 낮기 때문이며, 국가들의 재정지원이 가장 쉽게 결정할 수 있는 이유이기도 하다.
전기자동차용 배터리 시장 현황
국가들의 기술개발 투자 우선순위는 배터리에 집중되어 있으며, 이는 배터리가 전기자동차 비용의 대부분을 차지한다고 판단하기 때문이다. 보고서에 따르면 배터리 비용은 지난 4년(2008년~2012년) 동안 절반 이상으로 떨어지고 있다. 미국 에너지부(DOE)는 배터리 가격이 2008년 kWh당 1,000달러였던 것에서 2012년 말 kWh당 485달러로 낮아졌다고 보고했다. 도이치뱅크는 2020년 배터리팩의 가격은 kWh당 300달러로 낮아질 것으로 예상하였다. 결국 전기자동차의 성패는 배터리의 가격에 의존한다고 예측할 수 있다.
▲ 그림 3. 전기자동차 배터리 가격 추이 및 전망
보고서 발표 이후, 2014년 기준으로 주요 전기자동차 제조사가 채택하는 배터리팩 비용은 1kWh당 300달러까지 떨어졌다. 지금 추세라면 오는 2018년에는 1kWh당 230달러까지 비용 하락이 진행될 것으로 보인다. 결국 1kWh당 125달러까지 비용이 떨어질 것으로 보이는 만큼 가솔린 자동차 유지비와 비교해도 전기자동차 쪽이 훨씬 보유하기 쉬운 시대가 열릴 것으로 예상할 수 있다.
지난 2015년 미국의 대표적 자동차 업체인 GM은 기업설명회(IR)에서 자사의 주력 전기차 ‘볼트’에 쓰이는 배터리 셀 공급 가격과 향후 가격 전망을 공개했으며, 2016년 10월 판매 예정인 신형 볼트에 탑재되는 배터리 셀 가격은 kWh당 145달러이며, 2019년까지 같은 가격으로 유지될 것이라고 밝혔다. 이후 배터리 셀 가격은 2022년 kWh당 100달러 선까지 떨어질 것으로 GM은 예상한다고 발표했다.
완성차 업체와 배터리 제조업체 모두 배터리 가격에 대한 구체적인 설명은 없지만, 업계에서는 1㎾당 배터리 가격이 약 375달러로 추산하고 있으며, 닛산 전기차 `리프'의 경우 배터리 용량이 24㎾로 배터리 가격만 9,000달러(약 1030만원)에 달해, 차량 가격(3만2500달러, 보조금 적용 시 2만7700달러)의 30% 이상을 차지한다고 알려져 있다.
전기자동차에 사용되는 배터리는 리튬이차전지로 1990년 일본의 소니사로부터 상용화 되었으며, 2000년 후반까지 일본기업의 시장점유율의 90%를 유지할 정도로 기술적 장벽이 높은 분야였다.
배터리 소재 리튬이차전지 개발 박차
우리나라는 리튬이차전지관련 양산설비 투자를 1999년부터 본격적으로 추진하여, 2012년 소형 리튬이차전지 분야에서 세계 1위의 시장점유율을 차지하고 있다. 전 세계 리튬이차전지 매출에서 소형전지가 차지하는 비율은 아직까지 약 80% 이상으로 소형전지의 의존도가 높으며, 소형전지에서 세계 1위를 차지하고 있는 우리나라는 리튬이차전지 시장 점유율 1위를 차지하고 있다.
하지만 앞으로 성장하고 확대될 전기자동차에 적용되는 중대형 전지분야에서 시장 점유율은 열세를 면하지 못하고 있다.
일반적으로 전기자동차에 사용되는 리튬이차전지는 스마트폰에 사용되는 배터리의 양보다 2,600배(예, 스마트폰 9.25Wh, 전기자동차 24kWh) 많다고 알려져 있다. 이에 대부분의 배터리 제조사들은 하이브리드 자동차용 배터리를 포함한 전기자동차용 배터리를 차세대 기술로 선정하고 중점적으로 기술개발 및 양산을 추진했다.
배터리의 안전성, 수명 및 성능을 고려할 경우 전기자동차에 적용하는 배터리 시스템의 최적용량은 대략 25kWh 내외로 소형차 플랫폼을 기준으로 개발이 진행됐다. 대표적인 전기자동차인 닛산 리프(24kWh), BMW의 I3(18.8kWh), 르노의 SM3(24kWh), 기아자동차의 소울(27kWh) 등이 대표적인 사례이다. 이러한 전기자동차의 주행거리는 한 번 충전에 150km 내외로 차체의 경량화를 통해 주행거리를 향상시키는 기술개발이 중점적으로 진행됐다.
대표적인 배터리 강국인 일본은 그동안 니켈-카드뮴전지, 니켈수소전지, 리튬이온전지를 상용화에 성공하였으며, 이러한 기술상용화 경험을 통해 배터리는 10년에 두배 정도의 에너지밀도와 출력밀도의 향상이 가능하다고 보고 있다. 결국 배터리 기술의 기술개발 속도는 타분야에 비해 더디게 진행 된다고 할 수 있다.
▲ 그림 4. 친환경자동차 동력에서의 배터리 비율 및 용량 <출처: LG화학>
▲ 그림 5. 친환경자동차 동력의 배터리 비율 및 용량 <출처: 일본자동차연구소(JARI)>
전기자동차용 배터리 시장의 미래는
최근 배터리 기술에 전기적인 시스템 기술을 접목한 테슬라의 전기자동차가 각광을 받고 있는 이유는 여기에 있다. 배터리시스템은 대표적인 대량생산 제품인 3.3Ah의 18650전지를 사용 85kWh, 60kWh의 배터리 시스템 용량을 확보해 주행거리를 300km로 두배 이상 향상시켰다. 회로시스템 기술을 활용한 기술적 접근으로 그동안의 배터리 에너지밀도를 향상시키는 관점과는 다소 다른 관점의 접근이다. 최근에는 중국의 전기자동차 제조사 역시 60kWh 내외의 배터리 시스템을 장착 주행거리를 300km 정도로 향상시킨 전기자동차를 발표하고 있다.
그동안 전기자동차 산업의 장벽은 저렴한 연료비용, 고가의 배터리 가격, 부족한 충전 인프라 등 이라고 알려져 있다. 그 중에서 고가의 배터리 가격은 정부의 기술개발 지원과 기업의 대규모 양산 투자를 통해 극복해가고 있다.
특히 국내의 이차전지 기술개발 전략은 신뢰성과 성능, 안전, 가격적인 측면 등 다양한 접근을 하고 있으며, 이를 통해 10년 이상의 사용수명과 240,000km 이상의 주행성능 등 기존 내연기관 자동차 이상의 안전과 가격적인 장점을 향상시키기 위한 기술개발 노력을 추진하고 있다.
대표적인 리튬이차전지 사이즈인 18650전지를 기준으로 97년 1.3Ah의 용량에서 현재는 3.2Ah로 2.5배 이상 증가하였으며, 최근 3.5Ah의 제품이 국내에서 개발됐다.
이차전지의 성능을 대표하는 척도인 에너지밀도는 체적당 1997년 292Wh/L에서 2014년 700Wh/L로 증가하였으며, 가격은 1997년 $950/kWh에서 2014년 $180/kWh로 줄어들었다. 에너지밀도를 기준으로 현재 160Wh/Kg에서 200Wh/kg으로 증가하며, 차세대 이차전지 기술이 적용되는 경우 300~400Wh/kg까지 성능이 향상 될 것으로 예상된다. 이러한 경우 전기자동차의 주행거리는 500km 이상을 넘어설 것으로 기대된다.
김유탁 박사 _ 한국전지산업협회 팀장
