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전기자동차: 증가하는 충전소 수요를 충족시키는 방법

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글/데이비드 탈보트(David Talbott), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

수년간 전기자동차(EV) 산업은 느린 속도로 성장해 왔지만 최근에는 발전 속도가 크게 변화하기 시작했다. 미국 에디슨전기협회(EEI)의 최근 보고서에 따르면 8년간 EV를 판매한 결과, 오늘날 미국 도로에는 EV가 1백만 대 이상 주행 중이다. 하지만 1년 전과 비교해서 새로운 EV 판매량은 2배 증가했으며 애널리스트들은 앞으로 3년이면 2백만 대를 기록할 것으로 예측한다. 2030년이면 미국에서만 전기자동차가 1,800만대 이상 주행할 것이며, 전 세계 기준으로 1억 2,500만~2억 2,200만대 수준으로 증가할 것이다.
그러나 EV가 자동차 시장에서 주력 차종으로 자리잡기에는 아직 중요한 장벽이 제거되지 않았다. 바로 충분한 충전소가 없기 때문이다. 웹 사이트 미디어 기관인 더 버지(The Verge)는 미국과 캐나다에 약 22,000개(레벨 2 또는 고속 충전)의 공공 충전소가 운영 중이라고 보고했지만 EEI는 미국 내 EV 판매의 속도를 감안하면 충전 포트(공공, 직장, 가정용 포트 포함)가 960만 개나 필요할 것으로 예측했다. 분명 향후 10년간 누군가 많은 EV 충전 인프라를 구축해야 한다. 이는 무엇을 의미하며, 누가 이를 수행해야 할까? 이번 글에서는 충전 시스템 유형, 충전소 인프라, 증가하는 수요에 부합해 전기를 공급하는 시장 참가자에 대해 알아보고자 한다.

충전 시스템 유형

현재 충전 시장에는 다양한 EV 충전 기술이 사용된다. 선호하는 충전 기술은 EV 제조사와 지역에 따라 다양하다. 아래 표 1은 국제자동차기술자협회(SAE)가 정의한 표준 범주에 따른 충전 기술을 정리한 내용이다.

시스템 유형	AC	DC	충전 시간
레벨 1	120V 단상 최대 16A 및 1.9kW 일반적으로 12A	200~450V 최대 36kW, 80A	1시간 충전으로 6km 주행 가능
레벨 2	240V 단상 최대 80A 및 19.2kW 일반적으로 32A	200~450V 최대 90kW, 200A	1시간 충전으로 15~30km 주행 가능
레벨 3	레벨 2 이상의 AC 충전 일부 EV는 3상 AC 지원 최대 4kW	DC 고속 충전(DCFC)으로도 불림 200~600VDC 최대 240kW, 400A	30분 충전으로 130km 이상 주행 가능

[표 1] SAE가 제시하는 충전 시스템의 정의

레벨 3 고속 충전에 대해서 이야기하는 사람들은 대부분 DC 고속 충전(DCFC)을 의미한다. AC 고속 충전에 대해 이야기하는 사람들은 보통 AC 고속 충전을 의미하며, 레벨 3을 의미하지 않는다.
EV에는 AC-DC 변환기가 내장되어 AC 전원을 자동차에 직접 연결할 수 있다. DC 충전의 경우, AC-DC 변환은 EV 외부에서 진행된다. EV의 DC 전원 연결은 자동차의 배터리 팩으로 직접 구동되어, 자동차에 내장된 AC-DC 변환기를 우회한다.
이러한 표준 충전 시스템 외에도 여러 기업들이 무선 충전 기술을 제공한다. 무선 충전에는 2가지 유형이 있다.

* 전자기 유도: 보통 자동차 아래의 패드에 위치하는 1차 코일에 전력이 공급되면 자동차에 부착된 2차 코일에서 AC 전류가 유도된다.
* 자기 공명: 유도 현상과 비슷하지만 1차 코일과 2차 코일이 동일한 공명 주파수에서 작동해서 무선 전력 전송의 효율이 증가한다.

현재 무선 충전을 하려면 EV에 2차 코일을 새로 장착하고 주차장 등 적합한 장소에 1차 코일 패드를 설치해야 한다.

EV 충전 모델 및 복잡도

EV 충전 인프라는 일반적으로 알려진 주유소의 인프라와 매우 상이하다. 일부 기존의 주유소도 EV 충전 서비스를 추가로 제공할 수 있지만 EV 1대가 완전히 충전될 때까지 일반적으로 자동차들이 움직이지 않아야 한다. 표 2는 EV 충전에 가장 많이 사용되는 모델을 요약한 것이다.

EEI는 최근에 발표한 전기자동차에 관한 예측에서 2030년까지 필요한 충전 포트를 960만 개로 세분화해서 다음과 같이 제시했다.

* 가정: 78%, 포트 750만 개(레벨 2)
* 직장: 13%, 포트 120만 개(레벨 2)
* 공공 레벨 2: 8%, 포트 80만 개
* 공공 DCFC: 1%, 포트 10만 개

충전소는 전기를 제공하는 부하(가정 대 공공) 및 충전 종류(레벨 1, 2 또는 DCFC)에 따라 건설 비용과 복잡도에 차이가 있다. 이밖에도 EV 충전 인프라를 지원하려면 3개 계층에서 장비가 필요하다.

* 전력망에 대한 EV 서비스 연결 성능 업그레이드: 신규 변전소 및 변압기
* EV 전력 공급 인프라: 계측기 및 패널
* EV 충전 장비(또는 EVSE: EV 서비스 장비): 충전소, 포트, 케이블, 커넥터

충전 인프라를 증축하기 위한 장기 계획을 수립하기 어려운 것은 표준화된 기준이 없기 때문이다. 상이한 충전 시스템(레벨 1, 2 및 DCFC)은 상이한 충전 모델에서 비용과 성능 면에서 장점을 제공한다. EV 소유자들은 매일 일상적으로 EV를 사용한다는 가정 하에 이러한 충전 모델 모두 간편하게 사용할 수 있으므로 모두 필요하다. 그러나 동일한 장소에 필요하지는 않다. 또한 커넥터 유형 등 EV마다 상이한 충전 사양을 요구한다. 테슬라(Tesla) 같은 제조사는 독자적인 커넥터를 사용한다.
인프라 구축 계획을 복잡하게 만드는 다른 요소들도 있다. 가령 여러 기업들이 무선 충전 솔루션을 제공하지만, 이 기술을 가장 잘 사용할 수 있는 방법은 무엇일까? 주로 가정에서 사용할 수 있을까? 아니면 공공 주차장이나 일반 도로에서 사용할 수 있을까? 공공 영역에서 어떠한 방식으로 무선 충전을 하더라도 인프라와 관련해서 중요한 함의를 갖는 충전 모델이 될 것이다.
앞으로 수년이 지나면 EV 자체가 어떻게 사용될 것인지에 관한 문제도 있다. EV가 발전하면서 자율운행 자동차와 차량 공유 서비스도 성장할 것이다. 오늘날 사람들이 자동차를 사용하는 방식을 기준으로 애널리스트들은 앞으로 10년 후에는 충전 포트 대부분 가정을 중심으로 사용될 것으로 예측한다. 그러나 앞으로 10년이 흐르면 EV 사용 패턴에 따라 상이한 방식의 충전 모델로 수요가 변경될 것이다.
이렇듯 불확실한 상황에서도 충전소는 건설되고 있고 많은 참가자들이 시장으로 진입하고 있다. 그들 모두 EV의 미래에 경제적 이해관계가 얽혀 있기 때문이다.

누가 EV 충전 인프라를 건설할 것인가?

오늘날 EV 인프라를 건설하는 기업에는 전문 EV 충전 네트워크 회사, 자동차 회사, 정유 회사, 발전소, 정부기관 등이 포함된다. 참여자별로 구체적으로 알아보자.

EV 충전 네트워크 회사

EV 충전은 비교적 새로운 사업 분야로, 충전소 네트워크를 소유 또는 운영하는 기업이 여기에 포함된다. 그 중 차지포인트(ChargePoint)가 전 세계에서 41,000곳을 운영해 최대 규모를 갖췄다. 차지포인트는 시설 소유자들에게 충전 장비(EVSE)를 제조, 판매하며 브랜드를 관리하지만 시설 소유자가 충전 비용을 설정한다. 블링크(Blink)는 대부분의 충전소를 소유한 EV 충전 네트워크이다. EV 충전 네트워크는 사용량 기준 부과, 구독료, 심지어 무료(후원사가 전기 요금 납부) 등 다양한 결제 방식을 지원한다.

자동차 제조사

더 많은 소비자가 EV를 수용하도록 많은 자동차 제조사들도 적극적으로 충전소를 건설하고 있다. 테슬라가 대표적인 자동차 제조사로, 전 세계 1,422개 지역에서 12,011개의 개별 DCFS 충전대를 운영하면서 업계를 주도하고 있다. 아이오니티(IONITY)는 BMW 그룹, 다임러(Daimler) AG, 포드 모터 컴퍼니(Ford Motor Company), 폭스바겐(Volkswagen) 그룹이 함께 설립한 네트워크사이다. 이 회사의 목표는 유럽에서 고성능 충전 네트워크를 구축하는 데 있다. 디젤 엔진 스캔들에 대한 합의에 따라 폭스바겐은 일렉트릭파이 아메리카(Electrify America)라는 자회사를 만들었고 2019년 중반까지 미국 전역에 2,000개의 충전소를 구축하는 과정에 있다.

정유회사

많은 정유회사들은 자사의 주유소를 이용해서 충전 서비스를 제공할 수 있는 기회를 만들었고, 이미 일부 회사들은 이러한 방향으로 움직이기 시작했다. 쉘(Shell)은 유럽 최대의 충전 네트워크 뉴모션(NewMotion)을 인수했고, BP는 EVSE를 제조하는 기업에 투자했다. 악시오스(Axios)에 따르면 과거에는 EV를 호의적으로 보지 않았던 엑손모빌(ExxonMobil)조차 EV 충전 서비스를 진지하게 고려하기 시작했다.

전력공급회사

전력공급회사는 전기 판매에 관심이 있고, 일부 회사들은 EV 충전 사업 진출을 적극적으로 고려하기 시작했다. 미국 캘리포니아주와 메릴랜드주에 소재한 전력공급회사들은 각 주에 수천 개의 EV 충전소를 구축하겠다는 제안서를 제출했다. 전력공급회사들은 EV 충전소를 지으려는 기업에 인센티브를 제공하는 전통적인 역할부터 실제 EV 충전 사업에 필요한 인프라를 구축해서 사업에 진출하는 등 다양한 접근 방식을 취하고 있다. 그러나 아직까지 전력공급회사들의 접근 방식은 분명한 형태로 진행되지 않고 있다.

정부

많은 주 정부들이 EV 충전 인프라에 적극적으로 자금을 지원하는 가운데 캘리포니아주가 가장 앞선 모습이다. 많은 경우에 이러한 투자는 온실가스 배출량을 줄이려는 희망에 따라 결정된다. 최근 미국진보센터(Center for American Progress)가 발표한 보고서에 따르면 미국 내 온실가스 중 27%가 ICE 차량에서 배출된다.

다음은 무엇인가?

현재 미국에서 운영되는 22,000개 공공 충전소를 향후 10년간 백만 개 수준으로 증설하려면 기업과 정부의 적극적인 투자가 필요할 것이다. 이는 두세 개 주요 참가자들만의 노력으로 달성할 수 없다. 많은 상이한 시장 부문에서 적극적으로 참여하는 참가자들이 있을 것이다.
오늘날 자동차 제조사와 EV 충전 네트워크 회사들이 앞장서서 이러한 인프라를 증축하고 있다. 이들은 금전적으로 가장 직접적인 혜택을 누리고 있고 충전 인프라가 지속적으로 성장하려면 돈이 결정적인 요인이다. 이렇듯 인프라 증축은 EV 판매의 증가와 함께 힘을 받을 것이다.
EV 제조사들은 소비자들이 간편하게 구매할 수 있도록 만드는 데 시장의 기회가 있다. EV 충전소를 운영해서 수익도 발생해야 할 것이다. 제조사들을 제외한 대부분의 참여자들에게 기회는 EV가 어디에 정차하던 수입을 얻을 수 있는 가능성에 있다.

leekh@seminet.co.kr
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