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글로벌오토뉴스 채영석 국장은 30년 동안 자동차 전문기자로 활동해 왔으며 인터내셔널 엔진 오브 더 이어, 월드 카 오브 더 이어의 심사위원이다. 골드만 삭스 등 투자은행들과 다른 시각으로 산업 분석을 해 오고 있다. 지금까지 3,000종 이상의 차를 타고 시승기를 쓰고 있으며 세계적인 모터쇼와 기술세미나 등에 참석해 글로벌 차원의 트렌드 분석에 힘을 쏟고 있다. 2013년 골드만 삭스가 유가 200달러 시대를 이야기했을 때 역으로 유가 폭락 가능성이 있다는 칼럼을 쓰기도 했다.

149. 파워트레인의 미래 – 47. 배터리 전기차에 대한 세 가지 질문

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글 : 원선웅(mono@global-autonews.com) ㅣ 사진 : 원선웅(mono@global-autonews.com)  
승인 2021-06-28 09:15:21

본문

아직은 xEV, 즉 전동화차라는 용어가 통용되고 있다. 유럽 메이커들이 플러그인 하이브리드와 48볼트 마일드 하이브리드의 채용 폭을 넓히고 있고 일본 메이커들이 하이브리드에 집중하고 있기 때문이다. 그럼에도 등장하는 뉴스의 빈도만으로 보면 분위기는 배터리 전기차와 연료전지 전기차를 아우르는 전기차로 수렴되고 있는 듯하다. 최근 자동차회사들은 몇 달 만에 탄소중립 목표를 수정하고 있고 그에 따른 전기차 판매 목표도 크게 늘리고 있기 때문이다. 하지만 그 이면에는 갈등을 부추기고 그것을 먹고사는 미국식 정치에서 보았듯이 정치인들이 이슈화할 수 있는 도구로 부상해 본질보다는 수치가 더 강조되고 있다는 점도 간과할 수 없다. 그만큼 탄소중립의 길은 쉽지 않다. 전기차 시대에 관한 세 가지 질문을 통해 현 상황을 짚어 본다.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스 국장)

최근 신차를 시승하면서 느낀 점이 ADAS 기능의 진보가 예상외로 늦다는 것이다. 3~4년 만에 부분 변경한 모델들의 기능이 거의 그대로다. 차선 이탈 방지 기능을 넘어 차로 중앙 유지 기능들도 등장한 지 제법 시간이 지났지만, 그 이상의 진화는 없다. ACC 기능도 고속도로 주행보조라는 이름으로 발전한 뒤 채용 폭이 넓어지기는 했다.

하지만 조건부 자율주행이라고 할 수 있는 레벨3 이상으로 발전한 예는 없다. 테슬라의 오토파일럿 수준은 인류가 원하는 자율주행차가 아니다. 배터리도 마찬가지이다. 2012년 대비 2020년 kWh당 배터리 셀의 가격이 80%가량 하락해 지금은 120달러 선이다. 그리고 2030년에는 그 절반인 70달러 선까지 떨어질 것이라는 전망이 있다. 과연 그 목표대로 이루어질까에 대한 질문은 해야 한다.

규제가 기술을 발전시킨다. 1970년대 미국의 머스키법이 그렇고 1990년대 캘리포니아주의 클린 에어액트가 그렇다. 지금은 2025년 시행을 목표로 하는 유로 7이 자동차회사들을 압박하고 있다. 그 배경에는 탄소중립이 있다. 지구 온도 상승을 산업화 이후 기준 1.5도로 억제해야 한다는 파리협정을 근간으로 하는 환경 문제 때문이다.

어쨌거나 지금은 전기차, 더 정확히는 배터리 전기차와 연료전지 전기차로 가야 한다는 목표를 정해 놓고 그에 대한 대책을 찾고 있다.


1. 왜 전기차인가?

그런데 자율주행차와 관련된 ADAS 기능이 그렇듯이 지금 배터리 전기차에 대한 발전속도도 정체된 것 같다. 배터리 용량을 늘린 대형차의 등장으로 1회 충전 항속거리가 메르세데스 EQS의 경우 770km라고 발표되어 있듯이 얼마든지 잦은 충전 없이 운행할 수 있는 시대가 오고 있는 것 같이 느껴진다.

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그에 대해 테슬라의 일론머스크는 400마일(644km) 이상이 필요 없다고 배터리데이를 통해 말하기도 했다. 그러면서 항속거리가 837km라고 예고했던 모델 S 플래이드 플러스 출시를 취소하기도 했다. 이들 차량만으로 놓고 보면 서울에서 부산까지 왕복도 가능하다.

사실 이런 배터리 전기차를 주도하는 업체들의 구호 때문에 일반적인 소비자들은 시장과 기술을 오해하고 있다.

근본적인 질문부터 해보자.
왜 전기차로 전환하고자 하는가가 그 첫 번째다. 그에 관해 물으면 탄소 중립을 통해 지구 온난화를 막기 위함이라고 답한다. 자주 언급했지만 탄소중립은 탈 탄소와 같은 의미로 사용된다. 화석연료를 사용하지 않아야 한다는 것이다. 재생에너지, 즉 녹색 전기를 사용하는 시대로의 전환이 선행되어야 전기차를 사용해 이산화탄소를 줄일 수 있다.

하지만 이 부분에서는 북유럽은 대부분 재생 에너지 위주로 전환되어가고 있고 나머지 유럽 지역도 50%에 육박하는 수준에 달하고 있지만, 그 외 지역, 즉 미국과 중국, 일본, 한국 등은 화석연료 의존도가 40~70%에 달한다.

그나마 다행인 것은 사업적인 차원에서의 변화는 있다는 점이다.

“돈으로 비교하면 변화를 실감할 수 있을 것이다. 2019년 기준 매출액 192억 달러인 미국의 친환경 에너지기업 넥스트라 에너지의 2020년 말 기준 시가 총액은 1,487억 달러였다. 이는 매출액 2,650억 달러인 공룡 석유 기업 엑손모빌의 1,759억 달러와 크게 차이가 나지 않는다. 물론 코로나의 영향으로 엑손모빌의 주가는 40% 가량 하락하고 넥스트라에너지는 급증한 결과다.

이 외에도 이탈리아의 에넬(시가 총액 1,035억 달러)과 스페인의 이베르드롤라(시가총액 915억 달러), 덴마크의 오스테드(시가 총액 884억 달러) 등이 석유 공룡 쉐브론(1,642억 달러), 로얄더치쉘(739억 달), BP(711억 달러)와 맞먹는 수준으로 성장했다. 그래서 월스트리트 저널은 지금 돈을 벌고자 한다면 재생에너지에 투자하라고 하고 있고 골드만삭스는 대부분의 사람이 기대하는 것보다 훨씬 더 빠르게 탄소 중립 경제로 전환될 수 있다고 말하고 있다. 이들 역시 화석연료의 편에 섰다가 뒤늦게 사태를 파악한 전문가 단체들이다.

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지금도 국제 석유산업은 엑손 모빌을 비롯한 쉐브론과 로얄더치쉘, BP등 과거 ‘세븐 시스터스’에서 진화한 빅 오일(포 시스터스)과 사우디 아람코를 비롯해 러시아의 가즈프롬, 중국의 페트로차이나, 이란의 NOC, 베네수엘라의 PDVSA, 브라질의 페트로브라스, 말레이시아의 페트로나스 등 소위 신 세븐 시스터스가 영향력을 행사하고 있다.

그러나 지금까지 인류의 1차 에너지원으로 굳건히 자리매김해 지구촌을 호령해왔던 석유 기업보다 신재생에너지기업이 미래 가치를 더 인정받기 시작했고 그 속도는 더 빨라지고 있다. “

이 부분에 대해서는 각 지역과 나라에 따라 큰 차이가 있을 것이고 그것이 궁극적으로 미래 산업의 경쟁력으로 이어질 가능성이 높다.

이산화탄소 배출저감을 시대의 화두로 내 세우면서 미세먼지의 주범인 질소산화물의 배출이 많은 디젤 엔진보다는 이산화탄소 배출이 더 많은 가솔린차를 타는 것이 옳은 것인 양 앞뒤가 맞지 않은 흐름이 있기는 하지만 그 정도는 아무도 신경 쓰지 않는다. 지구환경과 지역 환경을 구분해서 이야기하는 사람조차도 없다. 특히 이산화탄소보다 더 심각한 온난화가스인 메탄 가스를 배출하는 천연가스를 청정에너지라고 하는 오류에 대해 지적하는 전문가도 미디어도 한국에는 없다.

물론 이산화탄소 배출만으로 국한해도 자동차와 비행기, 선박에서 배출되는 비율이 17%이고 축산업이 30%를 점한다는 사실조차 눈감고 먹방에 열광하고 있는 상황인 한국의 경우는 기후 악당이라는 별명이 말해주듯이 탄소중립을 그저 정치적 구호로 치부하고 있다. 초등학생들이 채식 운동을 하는 것을 그저 남의 일로 여기는 무감각에 대해서도 바로 잡아야 한다는 사회적인 움직임은 없다. 지금 당장 코로나19 확진자는 걱정하면서 그에 대한 근본적인 대책은 내가 먼저 에너지 절약과 소비 절약이라는 재생에너지 운동을 해야 한다는 인식조차 없다.

이런 상황에서는 전기차가 아니라 그 무엇이 등장해도 의미가 없다.

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2050 거주불능 지구(데이비드 월러스 웰즈 著, 2020년 추수밭 刊)에서는 “무려 전 세계 탄소배출량의 3분의 1 이 식품 생산 과정에서 비롯된다. 그린피스에서는 심각한 기후변화를 피하려면 2050년까지 전 세계 육류 및 유제품 소비량을 절반으로 축소해야 한다고 추정한다. 나라가 부유해질수록 어떤 일이 벌어지는지 고려한다면 사실상 불가능한 일이나 마찬가지다. 게다가 우유를 먹느냐 안 먹느냐는 한 가지 문제에 불과하다. 값싼 전기, 자동차 문화, 몸매 관리를 위한 고단백 식단 등 포기하기가 훨씬 어려운 문제도 많다. 탈공업화 사회를 살아가는 선진국 시민은 굳이 어마어마한 편의를 마다하고서 이런 선택지를 고려하려 들지는 않는다. 기후변화를 완전히 부인하거나 혹은 반대로 완전히 체념하는 태도보다는 반쯤 무지하고 반쯤 무관심한 태도가 전염병처럼 널리 퍼져 있다.”고 지금의 상황을 지적한다.

그 이야기는 역으로 지금 우리가 영끌해서 아파트를 사고 주식으로 쉽게 돈을 벌려는 탐욕에서 벗어나지 않으면 불과 수십년 후 지구는 생물체가 살 수 없는 공간으로 변할 수 있다고 경고하고 있다.


2. 배터리 전기차가 친환경차가 되기 위한 전제 조건은?

두 번째의 근본적인 질문은 지금의 배터리 전기차가 친환경차인가 하는 것이다. 재생에너지로 발전한 전력을 사용한다고 해도 인류가 바라는 완전 무공해는 아니다. 궁극적으로 100% 완전 무공해차가 없다는 것은 주지의 사실이지만 자동차 운행뿐만 아니라 제조과정에서도 탈탄소화를 추진해야 한다는 것을 의미한다. 그래서 유럽의 자동차회사들은 대부분 공장 생산과정에서의 탄소중립을 추구하고 있다. 그것은 자동차의 이산화탄소 배출과 함께 업체마다 2035년~2050년까지 탄소중립을 달성하기 위한 필수 조건이다.

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글로벌 자동차회사 중에서는 BMW가 올해 안에 전 공장에서 배출 제로를 달성하고 이산화탄소 배출량을 2030년까지 2019년 대비 90% 줄인다는 계획이다. 다임러 AG는 2039년 탄소중립을 선언하고 있고 2022년까지 전 공장에서 CO2제로를 선언하고 있다. 폭스바겐은 2023년까지 유럽 공장에서, 2030년에는 중국을 제외한 전 세계 공장에서 재생에너지 유래 전력 사용 100% 목표를 설정하고 있다. 토요타는 최근 2050년까지로 설정했던 전 세계 공장에서의 이산화탄소 배출제로 목표를 2035년으로 앞당기기로 했다.

그리고 근본적인 탄소중립 구현을 위한 다양한 방안이 강구되고 있다. 그 대표적인 것이 LCA(Life Cycle Assessment) 규제다. 유럽위원회는 이와 관련 2023년까지 결론을 낼 예정이고 2025년 이후가 될 것으로 보이는 유로7 에서부터 LCA규제 기준으로 CO2배출량을 평가할 가능성이 있다. 일본의 경우도 2030년 시행을 염두에 두고 대응을 마련해야 한다는 목소리가 구체화되고 있다.

그리고 그것을 구체적으로 입증하기 위해 BMW와 GM, 포드, 혼다 등 완성차 업체와 보쉬, 콘티넨탈, 덴소 등 자동차 부품업체, 그리고 아마존 웹서비스(AWS)와 IBM 등 IT기업을 비롯해 100여개 업체가 가입한 모비(MOBI : Mobility Open Blockchain Initiative)가 자동차용 배터리의 이산화탄소 배출량을 정확하게 파악하기 위한 규칙을 만들기로 했다.

유럽위원회는 2021년 3월 모비에 가입했으며, 새로운 표준은 유럽위원회의 보증 문서가 될 가능성이 있다. 모비는 유럽위원회와 연내에 공동으로 자동차 배터리의 추적성 관한 실증 실험을 검토하고 있다. 새로운 규칙은 CO2 배출 기록에 신뢰성을 부여하기 위해 블록체인 (분산 대장)을 사용한다. 인터넷상의 여러 컴퓨터가 거래 기록을 공유하고 서로 감시하면서 기록을 축적. 데이터의 갱신은 사실상 불가능하고, 변조 위험이 낮은 것으로 알려졌다.

유럽 메이커들은 LCA 규제에 대비하기 시작했다. 유럽이 WLTP에 근거한 아주 엄격한 유로7의 초안을 마련하면서 LCA를 검토하기 시작한 것은 온난화 대책의 국제적 협약인 파리협정을 중시하기 때문이다. 온난화 가스인 CO2 배출량은 LCA차원에서 계산하지 않으면 실질적으로 줄지 않는다. 그 때문에 배터리 전기차의 비중을 늘리면서 하이브리드 전기차와 플러그인 하이브리드 전기차 등 내연기관을 사용하는 전동화차와 비용 면에서의 경쟁을 추구하면서 발전시킨다는 전략이다. 그러고 나서 LCA규제를 도입해 배터리 전기차를 진정한 에코카로 포지셔닝한다는 2단계 구상을 하는 것이다.

단순히 전기차만으로 바꾸는 것이 아니라 산업구조를 통째로 바꾸는 움직임을 통해 친환경차를 만들고 있다는 것이다.


3. 배터리 전기차 대중화를 위한 과제는?

세 번째의 질문은 배터리 전기차의 대중화는 정말로 가능할까에 관한 것이다.

LMC 오토모티브는 2030년 전 세계 배터리 전기차의 판매 대수가 약 25%인 2,334만대에 이를 것으로 전망했다. 그에 비해 가장 최근의 보고서인 블룸버그 NEF의 경제 전환 시나리오(ETS)에 따르면, 추가 정책 수단이 없다는 가정하에 2020년 시장의 4%를 차지했던 무공해 자동차의 글로벌 판매량이 2040년 70%까지 상승하게 된다고 전망하고 있다. 중국, 미국 및 유럽과 같은 선행국들은 이러한 수치보다 훨씬 앞서가지만, 신흥 경제국의 낮은 도입률이 글로벌 평균을 낮추게 된다고 내다봤다. 무공해 버스 시장 점유율의 경우, 2040년 83%까지 상승하게 되며 무공해 경상용 차량은 같은 기간 동안 현재 시장의 1%에서 60%로, 중대형 상용 차량은 현재 거의 0%에서 30% 이상으로 성장한다고 전망했다.

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블룸버그 NEF는 도로 운송 부문에 대한 탄소 제로 시나리오를 추가했다. 이 시나리오에 따르면, 2050년 탄소 배출량 제로를 달성하기 위해서는 무공해 승용차의 경우 전 세계 매출 비중이 2030년까지 약 60%를 달성해야 한다고 제안했다. 이는 경제 전환 시나리오에서 예측한 34%보다 월등히 높은 수치이다. 이는 또한, 2030년 연간 전기차 판매량이 3천2백만 대에서 5천5백만대로 증가해야 함을 의미한다.

LMC와 BNEF의 전망이 크게 차이가 나는 것은 후자의 경우 그렇게 하지 않으면 탄소중립이 어렵다는 것을 강조하고 있기 때문이다.

어떤 경우든 키는 배터리가 쥐고 있다. 배터리의 생산이 확대되어야 하고 기술이 발전해 가격이 하락해야 한다는 것이다.

배터리 생산에 관해서는 지금은 국가적인 과제가 될 정도로 중요한 이슈로 부상해 있다. 바이든이 이끄는 미국과 폭스바겐이 중심이 된 유럽이 중국과 한국, 일본의 배터리 의존도를 낮추기 위해 총력을 기울이고 있다. 그래서 유럽의 경우 지난 2월 말 기준으로 본 배터리 셀 공장 계획은 2024년까지 161GWh, 2025년에는 402GWh, 거기에 테슬라의 기가펙토리까지 합하면 652GWh나 된다.

이런 흐름에 따라 일본 업체 중에서는 토요타와 파나소닉이 2020년 4월 프라임 플래닛 에너지 및 솔루션 (PPES)를 새로 설립했다. GS유아사는 미쓰비시 상사와 리튬 에너지 재팬 (LEJ)을 구축하고 있으며, GS 유아사 혼다도 블루 에너지 (BE)의 합작을 구축했다. 닛산은 엔비전 AESC와 합작으로 영국에 공장을 건설하기로 했다.

미국 업체 중에서는 GM과 LG 에너지솔루션이 합작해 얼티움 배터리 생산을 위해 공장을 건설하고 있다. 포드는 SK이노배이션과 합작공장을 설립하기로 했다.

근래 들어 가장 시선을 끄는 것은 유럽 시장에서 급부상하고 있는 스웨덴의 노스볼트다. 폭스바겐이 20% 지분을 보유하고 있는 배터리 제조업체 노스볼트는 테슬라 출신 피터 칼슨이 2015년에 설립한 회사로 현재 스웨덴에 60GWh, 폭스바겐과 합작으로 독일 잘츠키터에 40GWh 공장을 건설 중이며 며칠 전에는 볼보와 합작으로 50GWh의 공장을 건설한다고 발표했다.

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다시 말해 아직은 실적이 없다는 얘기이다. 노스볼트는 CATL과 같은 각형 배터리를 주력으로 하는데 파우치형과 마찬가지로 원통형보다 상대적으로 안전성이 떨어지는 상황에서 제품이 생산된 이후의 결과에 대해서는 아직 검증되지 않은 업체다. 과연 기존 업체들과의 경쟁이 가능할지, 아니면 갑작스러운 장해요소로 배터리 전기차 자체의 장벽이 될지는 두고 봐야 한다.

리튬 이온 배터리 기술 문제도 아직은 확실한 해결책이 없는 상황이다. 안전성에 관한 것으로 현대 코나 EV의 배터리 관련 리콜 비용 1조 원을 현대와 LG가 3대 7로 합의한 것이 대표적이다. 현대는 이 때문에 배터리셀 공급업체를 SK이노베이션이나 CATL, BYD 등으로 시장에 따라 다양화하고 있지만, 그 화재의 원인이 분리막 문제라는 점에서 알 수 있듯이 기초 기술의 중요성이 아직은 완전하지 않다는 것이다.

물론 테슬라와 GM, 포드, BMW의 플러그인 하이브리드 등에서도 끊임없이 화재 사고가 발생하고 있다. 이들 업체에 공급되는 배터리는 LG 에너지와 삼성 SDI의 파우치형이다. 이들에 비해 아직 자동차에서 화재 사고가 없었다는 점에서 파나소닉의 원통형에 대한 시선도 달라지고 있다.

각형 배터리를 주력으로 하는 중국의 CATL 등이 과충전, 과방전, 침수 또는 외부 기계적 충격에도 폭발이나 화재 등의 걱정이 없는 안전성을 갖추고 있다고 하는 리튬인산철에도 관심이 쏠리고 있다. 리튬인산철 배터리는 고가의 코발트를 포함하지 않는 만큼, 리튬 이온 배터리에 비해 가격이 저렴하고 안정적이라는 특징이 있다. 하지만, 에너지 밀도가 상대적으로 낮아 주행거리가 짧은 단점이 있다. 중국 BYD의 경우 리튬인산철 배터리를 활용해 주행거리 600km의 배터리 전기차를 선보이겠다는 계획을 발표하기도 했다.

국내 업체 중에서는 포스코 캐미칼이 배터리 전기차의 항속거리를 늘리기 위한 니켈 함량 증대 기술 고용량 하이니켈 NCM·NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 양극재, 코발트 프리 양극재 개발, 배터리의 수명과 충전 속도 개선을 돕는 천연흑연, 인조흑연, 저팽창 음극재 등을 개발하고 있기도 하다.

이는 최근 이슈가 되고 있는 코발트 프리도 중요하지만, 양극재, 음극재, 전해액, 분리막 등 각 부재 자체의 품질이 우선되어야 한다는 것을 의미한다.

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또한 게임체인저로 부상하고 있는 전고체 전지도 지금으로서는 근본적인 대책은 아니라는 것이 중론이다. 양극재와 음극재를 사용하는 한 비용은 내려가지 않는다는 것이다. 기존의 전해액 가격은 큰 폭으로 하락했지만, 세라믹 재료의 고체 전해질을 사용할 경우에 대해서는 아직 답이 없다. 제조 과정도 전혀 다르기 때문에 새로운 설비 투자가 필요하다. 지금으로써는 가격이 인하될 가능성이 없다는 것이다.

현재 리튬 이온 배터리의 가격은 1kWh당 120달러 전후다. 테슬라는 2020파워데이를 통해 이를 3년 이내에 절반으로 낮추겠다고 선언했다. 하지만 3년 전에도 같은 목표를 제시했지만 달성하지 못했다. 어쨌거나 대부분의 업체가 60~70 달러 선으로 낮추는 것을 목표로 설정하고 있다. 그렇게 되면 현재의 가솔린차와 비슷한 가격의 배터리 전기차를 생산할 수 있다는 것이다. 하지만 전고체 배터리로 바뀐다고 해도 근본적으로 가격 문제가 해결되지는 않는다는 것을 포함해 아직도 기술적으로 해결해야 할 과제가 많다.

배터리 전기차에 관한 현재 상황은 배터리 생산용량의 단기적인 과잉과 배터리 기술에 대한 근본적인 해결이 필요하다는 것이다. 물론 그것도 재생 에너지로 생산한 녹색 전기를 사용한다는 전제가 바탕이 되어야 한다.

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