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태양 충전 에너지를 이용한 전기 자동차(EV) 고속 충전

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글/존 하퍼(Jon Harper), 온세미 산업용 SiC 디스크리트 및 모듈 기술 스태프

모빌리티 시장은 극심한 변화를 겪고 있고, 전기 자동차(EV)의 도입이 가속화되면서 판매 전망치가 지속적으로 상향 조정되고 있다. 현재 전체 시장에서 많은 부분을 차지하지는 않지만, 2025년에는 최대 1천만 대의 전기 자동차가 판매되고, 2050년에는 판매된 모든 차량의 약 50% 이상이 전기 자동차가 될 것으로 예상된다. 이러한 차량의 대부분은 진입로에서 밤새 주차된 상태로 월박스(wallbox)와 연결되어 천천히 충전한다. 

일부 차량은 거리의 충전소에서 빠르게 충전될 것이며, 미래 주유소에서는 초고속 충전도 가능해질 것이다. 여러 충전 지점이 동시에 운영되면 지역 전력망의 최대 수요가 상당할 것이다. 다만 이를 모두 처리할 수 있는 전력 용량을 제공할 수 있도록 송전선 및 발전소에 대한 대규모 투자가 이루어지지 않는다면, 국지적인 전력망 붕괴가 발생할 수 있다. 

본 기고에서는 전기 자동차 충전의 현재 상태를 살펴보고, 머지않은 미래에 발생할 수 있는 전력 수요 수준을 고려해본다. 그런 다음 그 수요를 실용적이고 지속 가능하며 상업적으로 실행 가능한 방식으로 충족시킬 수 있는 방법에 대해 알아본다.

오늘날 전기 자동차(EV) 충전

현재 공공 및 민간 시설에서 사용되는 AC 충전 인프라는 제공하는 전력량에 따라 다르다. 레벨 1 AC 충전기는 120V(최대 2kW)에서 작동하며, 레벨 2 충전기는 최대 20kW의 전력을 제공하는 240V에서 작동한다. 두 시나리오 모두 AC에서 DC로의 전력 변환은 월박스(대부분 보호 및 측정 기능을 수행함)가 아닌 차량에 탑재된 충전기에서 발생한다. 비용, 크기 및 무게 제한으로 인해 자동차의 온보드 충전기는 일반적으로 정격이 20kW 미만이다. 

혹은 AC 대신 DC 충전을 사용하는 경우, 훨씬 더 높은 전력 수준에서 충전할 수 있다. 레벨 3 DC 충전기의 정격은 최대 450V(최대 150kW)이며, 최신 슈퍼 충전기는 최대 800V(최대 350kW)이다. 충전 플러그가 차량에 연결되어 있는 동안 안전을 위해 상부 전압은 1000V로 제한된다. DC 충전에서는 자동차 배터리에 직접 연결되는 충전기에서 전력 변환이 수행된다. 따라서 차량에 온보드 충전기를 장착할 필요가 없어지므로 차량은 가벼워지고 사용 가능한 공간도 늘어난다.

미래 수요

도로 위에 더 많은 전기 자동차가 등장함에 따라, 운전자는 자동차를 더 짧은 시간에 충전할 수 있다는 기대를 할 것이다. 향후 10년 이내에 현실이 될 가능성이 있는 다음과 같은 충전 시나리오를 고려해보자. 도로변에 위치한 5개의 DC 충전기가 있는 충전소에 차량 5대가 동시에 정차하여 각 충전기에서 한 대씩 충전하고 있다. 각 차량에는 이미 25%가 충전된 100kWh 배터리가 있으며 운전자가 15분 안에 75%까지 충전하려는 경우, 그리드에서 충전소로 전달되는 총 전력량은 다음과 같다.

5 * (75% - 25%) * 100kWh/0.25h = 1MW

충전소에 전력을 공급하는 전력 그리드에는 이러한 간헐적인 1MW 피크를 공급할 수 있는 용량이 필요한데, 이는 전력 공급 인프라에 여러 가지 영향을 미친다. 그리드의 주파수가 영향을 받지 않고 안정적이고 효율적으로 유지되려면, 매우 효율적이고 복잡한 PFC(power factor correction) 스테이지가 필요하다. 

저전압 충전소를 고전압 그리드에 연결하기 위해서는 고가의 변압기가 필요하며, 발전소에서 충전소로 전력을 운반하는 케이블은 전달되는 전류 수준을 처리하기 위해 적절한 크기가 요구된다. 대용량 배터리가 장착된 차량의 경우 최대 전력 수요는 훨씬 더 클 것이다.

현대차 솔라루프 기술 개요(출처: 현대차그룹)

태양이 공백을 막는다

새로운 송전선로와 대형 변압기를 설치할 필요없이 더 간단하고 경제적인 해결책은 바로 태양열이나 풍력과 같은 재생 자원에서 지역적으로 생성된 전력을 사용하는 것이다. 이러한 기능은 본질적으로 간헐적이지만, 주의 깊게 관리하면 전기 자동차 충전으로 인해 생성되는 그리드에 소요되는 간헐적 전력을 충족하는 데 사용할 수 있다. 태양광 발전(PV) 기술의 비용은 지난 10년 동안 약 80% 감소했고, 탄소 배출 감소 요건에 의해 추진되고 있는 재생 에너지 시스템의 지속적인 성장에 기여하고 있다. 

오늘날 태양광 발전은 전 세계 발전량의 5% 미만을 차지하지만, 2050년에는 1/3 이상으로 증가할 것으로 예상된다. 태양광 발전의 성장은 전기 생산 및 소비 방식에 영향을 미칠 것이다. 발전소는 그리드가 과잉 공급되지 않도록 관리돼야 하며, 사람들은 가정용 태양광 시스템에서 생산된 전기를 점점 더 소비하게 될 것이다. 

이를 통해 변동적인 고객 수요에 맞춰 중앙 집중식 주요 전원과 지역 재생 에너지 생산의 균형을 신중하게 유지하는 데 대한 요구 사항이 만들어질 것이다. 예를 들어, 온세미의 충전소의 경우 500kW를 공급할 수 있는 태양광 발전 설비로 전력을 공급받는 서브 그리드에 직접 연결하면 그리드에서 500kW만 공급하면 된다.

투광형 태양전지 기술을 적용한 예(출처: KIST)

백업으로 원활하게 만들기

그러나 태양광 발전 설치에서 전력을 사용한다는 것은 태양이 가장 밝게 빛나는 낮 시간에만 가장 빠른 충전 속도를 달성할 수 있다는 것을 의미한다. 이는 지속할 수 없는 부분이다. 하지만 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)을 태양광 발전과 함께 사용하면 보다 현실적인 해결책을 찾을 수 있다. 이 ESS 시스템은 가정 및 산업용과 같은 다양한 용도로 사용될 수 있는 가스 또는 오일 저장 탱크와 전기적으로 동등하다. 

가정용의 경우 낮에는 햇빛에 의해 충전되고 밤에는 전기 자동차를 충전하는 데 사용될 수 있는 저장 배터리에 PV 인버터를 연결하는 것이 간단할 것이다. 산업 환경의 경우 ESS 설치는 PV 및 기타 재생 자원의 전력을 조절하거나 디젤 발전기에 대한 요구 사항을 제거하여 블랙 스타트업에 백업 지원을 제공하는 등 다양한 목적으로 사용될 수 있다. ESS의 사용은 빠른 전기 자동차 충전에 대한 수요 증가에 따라 더 오랜 기간에 걸쳐 기존 송전선로를 점진적으로 업그레이드하거나 교체할 수 있기 때문에 경제적인 의미도 가진다. 

이러한 시스템에 대한 시장은 현재 20GWh에서 2050년까지 2,000GWh를 초과하여 빠르게 성장할 것으로 예상된다. 충전소의 경우 필요에 따라 ESS는 태양 설비(또는 기타 재생 자원)에서 충전기로 에너지를 저장하고 전달할 수 있는 대형 배터리처럼 작동하며, 초과 에너지는 그리드로 전달한다. ESS의 규모는 피크 전력 수요 및 에너지 저장 용량(태양광, 풍력 등 사용 가능한 지역 발전 전력 양, 충전기 수 및 기타 지역 연결 부하에 따라 비율이 크게 달라짐)간의 최상의 균형을 유지하도록 결정된다.

전기 자동차의 판매가 증가함에 따라 운전자는 더 짧은 시간에 자동차를 충전할 수 있을 것이라 기대하며, 이는 곧 빠른 전기 자동차 충전 인프라에 대한 수요가 증가할 것임을 의미한다. 분석에 따르면 기존 그리드는 간헐적 최대 수요 요구에 대처하도록 설계되지 않았다. 태양광 PV 설치 및 ESS 저장 시스템의 조합을 사용하는 것은 전체 그리드 인프라 정비에 있어 현실적이고 상업적으로 실행 가능한 대안이 될 수 있다. 이러한 조합이 아니라면 대대적인 정비가 필요할 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
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