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Nikkei Electronics_2022.12 특집 요약 (53~64)

'배터리 교체'로 EV의 게임 체인지
EV 및 배터리 제조사들의 전략에 큰 전환

이용자가 배터리를 충전하는 것이 아니라 교체해 사용하는 배터리 교환 서비스가 모바일, 전동이륜, 그리고 전기자동차(EV)로 급속히 확산되기 시작하고 있다. 

배터리 교환 서비스가 보급된다면 기존의 EV 배터리 및 그 충전과 관련된 대부분의 과제, 그리고 전력계통의 부하 집중 문제와 재생 가능 에너지의 출력 변동 문제 등, 대부분이 해결된다. EV와 배터리에 요구되는 요건도 크게 바뀔 것이다. 이러한 움직임은 EV 및 배터리 제조사들의 전략에 큰 전환을 불러일으킬 것이다.

Part 1. 동향
대만과 중국에서 배터리 교환 서비스 인기, EV 제조업체들의 대규모 경쟁 시작

전동이륜과 EV에 관련된 '게임 룰'이 크게 바뀔 것으로 보인다. 배터리를 충전하는 것이 아닌, 통째로 교체하는 서비스가 대만과 중국을 중심으로 빠르게 확산되고 있기 때문이다. EV의 경우, 기계를 이용해 최단 1분만에 배터리를 교환할 수 있다. 이로 인해 EV 충전과 관련된 많은 과제들이 거의 해소되고, 동시에 배터리에 요구되는 요건도 높은 에너지 밀도에서 저렴함과 충‧방전 사이클 수명의 길이로 바뀌게 된다.

-- 개시 7년만에 50만명 --
전동이륜용 배터리 교환 서비스가 본격적으로 보급되고 있는 곳은 대만이다. 전동 스쿠터 제조사인 대만의 고고로(Gogoro)가 2015년에 시작한 서비스는 올 8월, 계약한 이용자가 50만 명에 이르렀다.

인구가 약 2,360만명인 대만의 이륜차 대수는 약 1,200만대로, 그야말로 이륜차 대국이다. 이러한 대만에서 50만명의 계약에 이르게 된 것은 아직 얼마 되지 않는다. 하지만 신차 판매분 가운데 전체 이륜차에서 전동 이륜차가 차지하는 비중은 2019년 18.7%에서 2021년 약 25%로 빠르게 확대되고 있다. 그리고 이 전동이륜차의 92% 이상이 고고로의 서비스에 대응하고 있는 것이다.

올 9월말 시점의 고고로 네트워크의 교환 스테이션 '고스테이션(GoStation)'은 대만 전체에 2,423개. 1곳에 배터리 슬롯을 120개 이상 갖추고 있는 이른바 '슈퍼 고스테이션'도 증가하고 있어, 슬롯의 총 개수는 약 10만 5,000개에 달하고 있다.

-- 일본에서는 2륜 제조사 4개 사가 결속 --
이러한 고고로의 기세에 ENEOS홀딩스와 국내 이륜 제조사 4개사도 배터리 교환 서비스 '가차코(Gachaco)'를 일본에서 개시하기 위해 결속. 올 4월, 서비스 실행과 인프라 정비를 위한 회사 '가차코'를 ENEOS와 혼다, 가와사키모터스, 스즈키, 야마하발동기가 공동 설립했다. 도쿄와 오사카에서 서비스와 대응 차량 판매를 올 10월 하순부터 개시하고 있다.

-- 혼다는 단독으로도 서비스 개시 --
가차코에 대한 출자 비율은 ENEOS 51%, 혼다 34%, 다른 3사가 각각 5%이다. 이 가운데 혼다는 비교적 일찍부터 배터리 교체 서비스에 주목, 단독으로도 움직이기 시작했다. 2018년에는 파나소닉과 손잡고 인도네시아에서 배터리 교환 서비스 실증 실험을 실시. 2020년에는 오사카, 2021년에는 인도에서도 실증실험을 실시했다. 

같은 해 9월에는 야마하발동기, 이탈리아의 Piaggio, 오스트리아의 PIERER Mobility(이륜차 브랜드는 KTM) 등과 유럽에서 이륜용 배터리 교환 서비스의 보급 촉진을 도모하는 컨소시엄 'Swappable Batteries Motorcycle Consortium(SBMC)'을 결성했다.

-- 중국에서 EV의 배터리 교환 서비스 활성화 --
전동이륜차용 서비스가 궤도에 오르고 있는 가운데 사륜인 EV용은 지금까지 실패가 이어졌다. 하지만 최근 중국에서 상용 서비스가 이용자들의 뜨거운 지지를 받기 시작하고 있다.

중국에서는 EV 시장이 급격히 팽창하고 있으며, 2021년 300만대였던 총 차량 수는 올 9월 말 678만대를 기록, 두 배를 훌쩍 넘었다. 이러한 타이밍에 배터리 교환 서비스의 본격적인 등장은 EV와 배터리, 그리고 제조사에게 있어 임팩트가 크고, 중국의 EV 업계 전체의 재편도 촉진하고 있다.

그 태풍의 눈이 중국의 NIO(蔚來)이다. 이 회사는 2018년 중반에 배터리 교환 서비스를 시범적으로 개시. 2020년 8월에는 차량용 배터리 대기업인 중국 CATL(寧德時代)과 손잡고 일반 이용자를 대상으로 한 서비스를 정식으로 개시했다. 이 서비스 개시 후 이용자는 순조롭게 늘어 교환소는 1년 3개월 만에 1,000개에 달했다.

-- 도요타도 검토에 나선다 --
일본에서의 또 다른 움직임은 올 7월말에 야마토운수와 CJPT(Commercial Japan Partnership Technologies)가 카트리지식 배터리의 규격화와 실용화를 위한 검토를 시작했다고 발표한 건이다. CJPT는 도요타자동차와 이스즈자동차 등이 출자해 설립한 기업이다. 카트리지식 배터리는 교환 가능한 차량 탑재용 축전지이지만, 발표 시에 제시한 그림을 보면 모듈형인 것을 알 수 있다.

-- 충전식 배터리의 과제 해결에는 '꿈의 배터리'를 기다려야 --
EV 배터리 교체 서비스가 보급되어 사업이 궤도에 오를 가능성이 보이자마자 주요 EV 업체들이 일제히 사업화에 나서고 있는 데는 이유가 있다. EV 판매가 확대됨에 따라 EV 충전과 관련된 과제들도 가시화되어 보급의 큰 저해 요인이 될 수 있다는 것을 알게 되었기 때문이다.

구체적으로 과제는 적어도 13개. 또한 각 과제들이 서로의 저해 요인이 되면서 악순환을 만들고 있다. 이것은 어떻게 보면 충전식 EV를 선택한 시점에서 모두 예상할 수 있는 논리적 귀결로, 이 악순환에서 벗어나기 어렵다. 

만일 초고에너지 밀도 및 초고출력이며 재료의 공급 부족 없이 저렴하고 수명이 길고 안전한 이른바 '꿈의 배터리'가 개발된다면 과제의 심각성은 저하될 것이다. 리튬유황2차전지 또는 리튬공기전지 등이 이것에 가깝지만 실용화 전망은 낮아, 꿈으로 끝날 가능성도 부인할 수 없다.

-- 배터리 교환, 20초만에 완료 --
한편, 배터리 교환 서비스가 사업적으로 성공한다면, EV의 과제 대부분은 해소될 수 있다. 여기서는 그 중 다섯 가지를 설명한다. EV의 과제 중 하나는 충전에 시간이 걸리는 것이다. 표준으로는 8시간 정도. 급속 충전으로는 30분 내외로 줄어들지만, 급속 충전을 하면 풀 충전 시 용량 자체가 천천히 충전했을 때보다 크게 줄어든다.

한편, EV용 배터리 교환 서비스에서는 길어도 6~7분. 짧은 것은 20초면 교환이 완료된다. 중국의 지리(吉利)가 운영하는 차량의 번거로운 정렬이 거의 불필요한 드라이브 스루형 배터리 교환 스테이션 등도 등장하고 있다.

-- 충전을 잊어버리는 불안감을 해소 --
두 번째 EV 과제는 충전의 번거로움 자체를 무시할 수 없다는 것이다. EV 소유자는 매일 밤 EV를 충전해야 한다. 무심코 충전하는 것을 잊어버리면 먼 길을 떠나는 계획이 당일 아침에야 불가능하다는 것을 알게 되는 비극도 있을 수 있다. 가끔 운전하는 사람이라면 더더욱 그렇다.

충전하는 것을 잊어버린 경우, 이를 해결하는 방법으로 일본에서도 빠르게 보급되어온 것이 충전이 완료된 모바일 배터리를 대여하는 서비스이다. 

이러한 서비스가 이렇게 까지 확대되고 있는 것은 충전을 잊어버리는 사람들이 있기 때문이다. EV도 예외라고는 할 수 없다. 배터리 교환 서비스라면 충전의 번거로움에서 해방될 수 있다.

-- 차량과 배터리의 가치를 분리 --
세 번째 EV의 과제는 차량 가격은 높아지지만, 이후 배터리의 열화(劣化) 상황에 따라 차량의 가치가 크게 좌우된다는 점이다. 차량에는 문제가 없더라도 배터리의 열화가 빨라질 수 있기 때문에 이러한 경우 구매자의 사실상 손실액이 커진다. 

배터리의 열화 상태를 평가하는 기술은 아직 신뢰성이 낮아, 중고시장에서 가치에 대한 정당한 평가가 어렵다. 또한 EV 제조사는 배터리 개발과 제조에 자원을 투입할 수 밖에 없어, 핵심인 자동차로서의 주행 성능 추구는 차선이 될 가능성도 있다.

배터리 교환 서비스를 이용한다면 이러한 과제도 거의 해소된다. 차량과 배터리의 가치가 분리되기 때문이다. 휘발유 차량 구매 시 휘발유는 첫 회분을 제외하면 이용자가 따로 구입해야 한다. 

배터리 교환 서비스 지원 차량도 배터리를 뺀 가격으로 구입할 수 있어 초기 비용을 낮출 수 있다. 차량 제조사는 차량 개발 및 개선에 주력할 수 있다. 만약 신차 구입 후 배터리에 하자가 있을 경우에도 배터리 교환 서비스라면 구매자에게 피해가 없다.

-- 배터리의 자원 문제가 해결되어 저렴해져 --
네 번째로 거론되는 것이 배터리의 자원 부족과 가격의 고공행진이다. 현재 EV는 항속거리를 중시하는 모델이 많고, 배터리도 희소 자원을 많이 이용해 높은 에너지 밀도를 추구한 것이 많다. 

하지만 일반적으로 배터리는 에너지 밀도의 높이와 충방전 사이클 수명의 길이가 상충관계이다. 차량에 탑재하는 배터리 용량을 늘리면 급속 충전의 필요성도 높아져 수명이 더 짧아진다. 이것은 자원 부족과 배터리의 고비용화를 동시에 초래한다.

한편, 배터리 교환 서비스를 전제로 하면, 항속 거리는 EV의 중요한 성능 지표가 아니게 되기 때문에 충‧방전 사이클의 수명이 길어지고, 보다 안전하고 저비용의 배터리 기술이 요구되는 선순환이 생긴다.

-- 충전 타이밍의 쏠림으로 전력계통 무너져 --
마지막 EV의 과제는 충전 타이밍의 쏠림 현상으로 인한 전력계통의 과부하이다. EV가 보급되면 전력량이 부족해진다는 비판을 종종 듣지만 이것은 오해이다. EV 보급에 따른 전력량 자체 증가는 미미하기 때문이다. 예를 들어, EV 1,000만대 분의 연간 전력 수요량은 일본의 연간 전력발전량의 12%밖에 되지 않는다.

하지만 충전 타이밍 문제만큼은 매우 심각하다. 만일 EV 300만대가 일제히 50kW의 급속 충전을 한다면, 전력 수요는 최대 150GW가 되어 일본의 발전 가능 출력에 필적하게 된다. 실제로 순간적인 수요 변동에는 적은 전력 수요라도 대응이 어려워 정전 혹은 전력 인프라 파손으로 이어질 수 있다.

-- 전력계통에 있어서는 천국--
한편, 배터리 교환 서비스에서는 이용자의 배터리 수요와 실제 충전 타이밍이 분리된다. 또한 전력계통의 부하 평준화가 반자동적으로 진행된다. 서비스 사업자들은 전기요금이 저렴한 시간대에 최대한 많이 충전하려고 하기 때문이다. 이 시간대는 태양광 발전 출력이 피크가 되는 등 전기가 남아도는 시간대이기도 하다. 즉, 재생 가능 에너지의 대량 도입에 있어서도 배터리 교환 서비스는 매우 큰 역할을 하게 된다.

-- 경영적으로 성공한 사례는 아직 없어 --
이처럼 장점이 많은 배터리 교환 서비스이지만, 특히 EV용에서 지금까지 성공 사례가 없었던 데는 이유가 있다. 배터리 교환 서비스 사업으로 수익을 내기가 매우 어렵기 때문이다. 서비스 개시부터 이용자가 일정 수 늘어나기까지가 특히 어렵다. 이 사업의 선구자인 미국의 베터플레이스(Better Place), 테슬라의 'Model S'에서 실패로 끝난 이유가 바로 이것이다.

-- 사업성 확보에 4개의 장벽 --
이 사업의 어려움은 (1) 배터리 교환 스테이션, 즉, 그곳에서 이용되는 자동 교환 로봇이 매우 고가인 점 (2) 배터리와 자동 교환 로봇이 파손되기 쉬운 하드웨어인 점 (3) 배터리를 이용자 수보다도 많이 준비해야 할 필요가 있다는 점 (4) 장소별 배터리 수요 변화에 대한 대응이 용이하지 않다는 점이다.

(1)뿐이라면, 다른 많은 사업에서도 직면할 수 있는 장치 산업에 공통된 과제라고 할 수 있다. 초기 투자액이 많아도 이용자가 늘어나 배터리 교환 스테이션의 가동률이 높아지면 이용자 당 감가상각비가 점차 낮아져 해결될 수 있다. 하지만, (1)과 함께 (2)~(4)도 동시에 과제가 된다는 점은 이 사업의 경제성 확보를 어렵게 하고 있다.

-- 고고로는 10% 이상 많은 배터리를 보유 --
물론, (3)도 이용자 수가 늘어나면 서비스에 투입되는 배터리 전체에 대한 여분 배터리의 비율은 저하된다. 한 이용자의 배터리가 다른 이용자의 백업으로 기능하기 때문이다. 하지만 반대로 이용자 수 증가에 시간이 걸리면 자금이 고갈되어 사업 유지가 불가능해진다.

이용자가 늘어도 배터리 수가 차량에 필요한 분과 같아지지는 않는다. 참고로 고고로의 경우, 현시점에서 약 50만명의 이용자 차량에 탑재되고 있는 배터리 수는 약 100만개. 한편, 배터리 교환 스테이션의 슬롯 수는 약 10만개이다. 

고고로의 서비스는 수요가 높아 슬롯 수를 늘려야 하기 때문에 대부분의 슬롯에는 배터리가 들어있다고 추정할 수 있다. 즉, 가동되고 있는 배터리는 차량에 탑재되어 있는 것보다 10% 많은 것이다. 고장난 배터리의 백업분도 필요하게 된다.

-- 특정 업계용도 안심할 수 없어 --
여분으로 확보한 배터리의 코스트는 이용자로부터 징수하는 서비스 이용료에 가산해 회수할 수밖에 없다. 이것을 이용자가 납득할지 여부가 사업이 성립할 수 있는지를 좌우한다.

베타플레이스 등이 타깃으로 한 택시업계 등은 일정 수요를 예상할 수 있어 예상 밖의 리스크가 적다. 배터리 교환 스테이션을 무작정 늘릴 필요도 없다. 하지만, 이용자의 절대수가 적으면 (1)이나 (3)의 과제는 오히려 큰 리스크로 작용, 이것이 베터플레이스가 실패한 주된 원인 중 하나일지도 모른다.

마지막 (4)은 배터리의 수요가 장소에 따라 크게 다르고, 그것에 큰 변화가 있을 수 있다는 것이 분명한 점이 원인이다. 이러한 변화에 대응하려면 물류 창고에서 수요가 높은 장소에 배터리를 물리적으로 배송해야 하지만 그 비용도 낮지 않다. 하지만, 인공지능(AI) 등으로 이것을 잘 해결할 수 있다면 (3)의 리스크, 즉, 여분의 배터리 양을 크게 줄일 수 있게 된다. 

예를 들어, 이용자가 언제 어느 교환 스테이션에서 배터리를 교체할지 AI로 정확하게 예측할 수 있다면 이용자가 적어도 배터리의 수를 차량에 탑재하는 수의 2배나 그 이하로 줄일 수 있고, 배터리 교환 스테이션의 수에도 의존하지 않아도 된다.

Part 2. EV
EV 배터리 교체가 전자동으로 1분 이하, 경쟁 격화로 새로운 발상들이 속속 실용화

EV용 배터리 교환 서비스 사업에서 EV 제조업체와 배터리 제조업체 총 10개사 이상이 패권 다툼을 벌이고 있다. 그 주요 무대인 중국에서 EV 시장은 연간 100% 이상 급성장 중이다. 이 치열한 경쟁 속에 기술 혁신이 잇따르면서 기존 과제였던 EV의 긴 충전 시간이 배터리 교환으로 주유보다 짧아지고 있다.

Part 3. 규격화
규격화도 추진되는 EV배터리 교환, '흑막'은 CATL인가?

중국을 주요 무대로 경쟁과 확대가 진행되고 있는 EV용 배터리 교환 서비스. 배터리 교환 스테이션의 사양은 10종류 이상으로, 난립 상태다. 하지만 이것을 근거로 당분간 혼란이 계속되고 시장 확대가 지연될 것으로 생각하는 것은 섯부른 판단일 수 있다.

일견 격화된 경쟁과 방식의 난립으로 보이는 것은 표면적인 것으로, 실은 배터리 교환 방식의 공통화가 물밑에서 진행되고 있을 가능성이 있기 때문이다. 그 '흑막'이라고 할 수 있는 것이 최대 EV용 배터리 기업인 중국의 CATL이다.

Part 4. 이륜차 / 모바일
혼다와 가차코가 지향하는 미래, 배터리를 '천하의 공유물'로

배터리를 복수의 이용자가 셰어(공용)해 사용하는 서비스는 EV의 전매 특허는 아니다. 일본에서는 모바일 배터리에서 이미 서비스가 제공되고 있으며, 올 가을에는 이륜차용으로도 서비스가 개시된다. 그리고 이 배터리는 이용자 간뿐만이 아니라 다른 용도로도 사용되는 등, 횡단적으로 셰어할 수 있게 될 것으로 보인다.

-- 끝 --

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