[Tech Review] 전기차 배터리 교체식, 장단점은 무엇인가?

국제에너지기구(IEA)가 발표한 2021년 글로벌 전기차 시장 동향 보고서에 따르면, 2021년 글로벌 전기차 판매량은 660만대로, 2019년(220만대) 대비 3배 이상 늘었다. S&P 글로벌 플래츠(S&P Global Platts)는 2030년 전기차 판매량은 2700만대로 전체 자동차 시장에서 약 30% 비중을 차지하고, 2040년에는 5700만대로 확대되어 점유율 약 54%로 내연기관차 판매량을 넘어설 것으로 전망했다.

문제는 충전이다. 아무리 충전소를 늘려도 여전히 인프라 부족에 허덕이고 있다. 2021년 기준, 미국에 개설된 주유소는 약 13만개소 전후. 전기차 충전소는 이미 11만개소 가량이다. 한국은 2021년 6월 기준 전국 주유소 개수는 1만 1430여개소로 집계됐는데, 전기차 급속 충전기의 경우 1만 831개소로 조사됐다. 2030년 무렵이면 전기차 충전소는 주유소의 3~4배가 될 것이라는 전망도 나왔다.

그럼에도 충전소가 부족하다는 언급이 나오는 이유는 아무리 급속충전 기술이 발전했어도 주유소의 연료 주유 시간만큼 단축시키지 못하기 때문이다. 내 앞에 2대만 대기하고 있어도 1시간을 기다려야 하는 상황이 현재의 전기차 충전 현실이다.

전고체 배터리는 당장 양산이 어렵다. 350kW를 넘어 500kW의 극초고속 충전도 개발 중이지만 최대 용량 충전 시간은 제한적이다. 충전 지원 차종도 거의 없고 전용 충전시설을 다시 설치해야 한다. 이스라엘의 스타트업 일렉트레온 와이어리스(Electreon Wireless)는 이스라엘과 스웨덴, 미국 등에 무선충전 도로를 설치하며 주목받고 있다. 하지만 무선충전도로 1km 공사에 약 100만유로(약 13억원)의 비용이 필요하며, 배터리 특성상 충전과 방전이 동시에 이뤄지면 수명에 악영향을 끼친다.

이러한 문제를 단번에 해결할 것으로 예측되는 대안이 떠오르고 있다. 전기차 배터리를 통째로 바꿔버리자는 것. 바로 배터리 스왑(Battery Swap)이다.

배터리 스왑 작동방식은 일종의 자동세차 시설을 떠올리면 쉽다. 특정 시설에 자동차가 진입하면 기계가 스스로 차량의 배터리를 교체해준다. 운전자가 특별히 할 일은 없다. 배터리 교체가 끝나면 바로 출발하면 된다. 차량 등록제도를 통해 결제도 자동으로 진행된다. 운전자가 내려서 무거운 충전 케이블을 끌고 갈 일도, 충전 중 오류가 발생할 걱정도, 오랜 시간 기다릴 필요가 없다.

무엇보다 빠른 시간이 장점이다. 배터리 스왑은 통상 5분 이내에 배터리 교체가 가능하다. 아무리 초급속 충전 기술이 나와도 배터리 스왑의 속도를 따라갈 수 없다. 교체된 배터리는 무리가지 않는 선에서 충전이 이뤄지기 때문에 수명단축 걱정도 없다.

이렇게 장점이 많다 보니 시장 전망도 밝다. 포춘 비즈니스 인사이트(Fortune Business Insight)에 따르면 배터리 스왑 시장은 2020년 1억 20만달러(약 1270억 원)에서 2028년 6억 4100만달러(약 8125억 원) 성장이 예상된다. 얼라이드 마켓 리서치(Allied Market Research)도 2020년 1억 87만 7천달러(약 1278억 원)에서 2030년 8억 5259만달러(약 1조 140억 원)까지 커질 것으로 예측했다.

현재 배터리 스왑 시장은 중국과 대만 등 동남아시아 시장을 중심으로 확대되고 있다. 중국은 전기차를 중심으로, 동남아시아는 전기 바이크를 중심으로 발전했다. 특히 전기 바이크 배터리 스왑의 경우 자판기 형식 기계에 다 쓴 배터리를 집어넣고 완충된 배터리를 꺼내는 것으로 교체가 가능하기 때문에 빠르게 확산되고 있다.

중국은 어느때보다 배터리 스왑 시장에 적극적으로 움직이고 있다. 기업이 아닌 국가에서 주도적으로 배터리 스왑 인프라 확대에 집중하고 있을 정도다. 중국 정부는 2020년 5월 배터리 스왑 스테이션을 ‘신 인프라’로 규정하고 베이징을 포함한 11개 도시를 배터리 스왑 사업 시범지역으로 규정한 바 있다. 단순히 필요에 의한 시장 형성이 아닌 국가 주도 사업으로 밀고 있는 것. 이어 지난해 8월 교체형 배터리 기술 표준과 규격 표준 제정에 나서고 있다.

이 기술을 선점적으로 도입한 업체는 니오(NIO, 蔚来)다. 니오는 중국 전역에 750개 배터리 스왑 스테이션을 보유하고 있다. 2020년 140여 개에 불과했으니 단기간에 배터리 스왑 스테이션을 확충시킨 것. 배터리 교체 횟수도 400만 번을 넘는다. 니오는 배터리 스왑 관련 기술 선두주자다. 이미 배터리 스왑 관련 특허만 1200개가 넘을 정도로 기술 확보에 집중했다. 노르웨이에도 배터리 스왑 스테이션을 오픈했다.

니오는 배터리 스왑을 통한 새로운 자동차 판매 서비스도 실시했다. BaaS(Battery as a Service)라는 이름이 그것이다. 통상 전기차를 구매하면 차값에서 보조금을 뺀 가격이 소비자가 지출해야 할 금액으로 정해진다. 니오의 Baas는 전기차를 구입하되 배터리는 빼고 자동차만 구입하는 개념이다. 이 때문에 전체 차량 가격에서 약 7만 위안(약 1315만 원)을 저렴하게 구입할 수 있다. 여기에 중국 정부에서 30만 위안(약 5640만 원) 이상의 전기차는 배터리 스왑 시스템을 갖추고 있어야 보조금을 지급하고 있다. 니오와 같은 프리미엄 전기차를 구입하면서 정부 보조금도 받고 1300만 원가량 할인도 받는 셈인 것이다.

배터리는 구독 형태로 임대한다. 70kWh 용량 기준 월 980위안(약 18만 원)을 지불하면 된다. 배터리가 떨어지면 충전할 필요 없이 니오의 배터리 스왑 스테이션을 방문에 새 배터리로 교체하면 그만이다. 새로운 배터리 기술이 추가되면 그대로 장착할 수 있어 주행거리 향상 효과도 누릴 수 있다. 배터리는 계속 바뀌기 때문에 노후화에 대한 걱정도 덜 수 있다. 혹시 모를 화재 사고에 대비한 보험 상품도 발표했다.

하지만 배터리 스왑 확대는 아직 일부 자동차 제조사만 적극적으로 시도하고 있다. 대다수 자동차 회사들은 득보다 실이 많은 것으로 파악하고 있다. 테슬라는 2013년 배터리 스왑 스테이션 도입을 시도했지만 광범위한 사용에는 적합하지 않다는 등의 이유로 사업을 접은 바 있다.

가장 먼저 언급되고 있는 것은 호환성 문제다. 배터리 스왑이 가능하기 위해서는 모든 전기차가 동일한 규격의 배터리를 사용해야한다. 하지만 현재 보급중인 전기차 배터리는 디자인과 용량, 구성, 심지어 충전 방식까지 다르다. 이를 위해 모든 것이 규격화된 배터리가 탑재된 전기차를 제조사가 만들어야 하는데 이제 보급 단계에 머물고 있다.

공급 문제도 거론되고 있다. 배터리 교체를 위해 다수의 배터리를 준비해야 하는데 실질적으로 가능하냐는 것. 현재 전세계 자동차업체들이 배터리 확보를 위해 눈치싸움을 하고 있는 상황에서 여유분 생산과 확보가 힘들 수 있다는 비관론도 나오고 있다. 또, 막대한양의 배터리를 추가 생산하는 것에 대해 환경문제도 거론되고 있다.

비용 문제도 기업들이 쉽게 접근하기 힘든 요소다. NIO에 따르면 1개의 배터리 스왑 스테이션을 만드는데 필요한 비용은 5백만 위안(약 9억 5180만 원)이 든다. 일반 전기차 충전소 건설 비용이 약 2백만 위안(약 3억 8070만 원)이니 비용차이를 무시할 수 없다. 여기에 최신 배터리 스왑 스테이션은 최대 28개의 배터리를 보관할 수 있는데, 신기술을 바탕으로 한 새로운 배터리가 시장에 등장하면 커다란 수준의 감가삼각을 기업이 떠안아야 한다는 문제도 있다.

국내 정부는 2010년부터 배터리 스왑에 대한 도입을 시도한 바 있지만 이렇다 할 결론을 내리지 못한 상태로 마무리된 바 있다. 현재는 일반적인 충전소 인프라 확대에 집중하고 있다. 다만 배터리 교체까지는 아니지만 배터리 구독 서비스인 BaaS는 도입을 앞두고 있다. 국토교통부가 '국토교통 규제개혁위원회' 2차 회의를 통해 전기차 배터리 구독 서비스의 시장 진출이 가능하도록 자동차 등록 원부를 개선하는 안건이 의결된 덕분이다. 자동차와 배터리의 개념을 서로 분리했으니, 배터리 스왑에 한발짝 나아간 셈이다.