본문 바로가기

에너지 솔루션

에너지 전환 시대의 모빌리티 기술

전 세계가 온실가스, 기후변화 등 지구의 환경 문제 해결을 위해 머리를 맞대고 있습니다.  전통적인 에너지원에서 친환경 에너지원으로 에너지 구조를 바꾸려는 움직임이 일고 있으며, 자동차 산업은 내연기관차에서 친환경차로 패러다임을 차근차근 옮기며 에너지 전환 시대를 준비하고 있습니다. 현대자동차그룹은 단순히 배기가스 없는 친환경차 개발을 넘어 안전하고 깨끗한 에너지를 제공하고 관리하는 에너지 솔루션 분야에 역량을 집중하고 있습니다. 적극적으로 새로운 영역을 개척하고, 과감하게 다른 산업과 융합하면서 변화의 주체가 되고자 합니다.

FUTURE전기차가 쏘아올린 변화의 바람

산업 간 융합 및 새로운 분야 도전 가속화

2020년을 강타한 코로나19와 기후 문제를 계기로 인류는 자연과 공존하는 법을 보다 깊이 통찰하고, 기존의 패러다임에서 벗어나 기꺼이 새로운 표준을 만들고자 노력하기 시작했습니다.

자동차 산업에서도 이와 같은 움직임은 감지되고 있습니다. 2020년 7월 현재, 유럽을 중심으로 월간 전기차 판매량은 사상 최고치에 근접했고, 글로벌 제조사들은 전동화 부문에 적극 투자할 것을 예고했습니다. 현대자동차그룹 역시 2021년 전동화 도약을 위한 원년으로 삼고, 2025년까지 23개 차종의 친환경차를 출시할 계획입니다.

친환경차 기술에서 가장 중요한 것은 연료 효율입니다. 한정된 자원으로 얼마나 멀리, 오랫동안 주행할 수 있는지는 친환경차의 핵심 기술일 것입니다. 이 때문에 배터리가 주목받고 있고, 자동차 제조사들은 핵심 부품과 함께 배터리를 중심으로 시장 개척에 힘을 쏟고 있습니다. 현대자동차그룹은 최근 다양한 회사와 배터리 개발 협력을 논의하고 있습니다.

현재 배터리 기술은 리튬이온배터리(LIB)의 다음 세대라 불리는 전고체 배터리와 LIB 재활용을 위한 에너지 저장장치(ESS) 개발로 이어지고 있습니다. 현대자동차그룹은 2017년부터 남양연구소 배터리선행연구팀을 중심으로 전고체 배터리를 연구하고, 2018년에는 전략기술본부 ESS사업추진팀을 중심으로 에너지 전문기업 핀란드 바르질라(Wartsila)와 전략적 파트너십을 맺고 ESS 개발에 매진했습니다. ESS 개발이 중요한 이유는 진정한 의미의 친환경차를 만드는 초석이기 때문입니다. 즉 ESS는 생산된 전력을 저장했다가 필요할 때나 부족할 때 공급해 쓸 수 있는 커다란 배터리로 전기차의 동력원인 LIB가 노후화되면 이를 모아 재가공해서 활용할 수 있습니다.

현대자동차그룹은 현대제철 당진제철소, 현대자동차 울산공장에 ESS 설비를 구축하였고, 이후 다양한 글로벌 지역으로 설비를 확대할 예정입니다. 노후화된 전기차 배터리를 재활용해 ESS를 만들고, ESS를 이용해 저장된 전기로 새로운 전기차를 만드는 선순환 구조 속에서 새로운 산업이 파생되고 있습니다.

TECHNOLOGY에너지 솔루션 핵심 기술 알아보기

배터리와 충전 기술의 모든 것

전기에너지를 생산∙저장∙관리하는 시스템을 구축해 에너지를 효율적으로 사용하는 에너지 솔루션 분야는 친환경 시대를 맞아 주목받고 있습니다. 전기차로 대표되는 친환경차 기술도 에너지 솔루션 개념 속에서 새롭게 정의되고, 다른 산업과 적극적으로 융합해 진화하고 있습니다.

현대자동차그룹은 에너지 생산의 개념으로 태양광에 주목했습니다. 2018년 태양광을 활용한 솔라 시스템(Solar Charging System) 관련 기술을 공개하고, 태양광으로 차량 배터리를 충전해 주행 가능 거리를 늘리면서 배터리 방전을 막아주는 솔라 루프(Solar Roof)를 선보였습니다.

그리고 궁극의 에너지 솔루션 기술이라 할 수 있는 ESS 개발을 위해 전문 기업과 파트너십을 체결, 국내외 ESS 설비 구축을 위한 실증 사업을 진행하고 있습니다. 또한 전기 에너지를 효과적으로 제어하고 효율을 높이는 고에너지밀도 배터리 개발에 박차를 가하며, 솔라 윈도우에 적용 가능한 고효율 태양전지 개발에도 역량을 모으고 있습니다.

에너지 관리 개념에는 친환경차 전력 관리도 포함되어 있습니다. 모든 시스템이 전기로 작동하는 전기차의 경우 전력 관리가 곧 전기차 관리의 모든 것이라고 해도 과언이 아닐 것입니다. 이를 위해 충전 설비는 매우 중요한 요소입니다. 현대자동차그룹이 선보인 ‘하이 차저(Hi-Charger)’는 약 20분 만에 대용량 배터리를 탑재한 전기차를 80%까지 충전하는 초고속 충전 설비입니다. 현대자동차그룹은 이외에도 무선 충전 도로를 구축해 달리면서 충전 가능한 시스템 개발을 위한 노력을 이어가고 있습니다.

KEY TECH1. 햇빛이 연료가 되다

솔라 루프

태양광을 이용해 전기를 만들어내는 솔라 루프는 전기 동력을 이용하는 자동차의 주행 거리를 연장하고, 이산화탄소 배출을 줄이는 데 도움을 줍니다. 이 에너지는 메인 동력을 보조하는 형태로 존재하고, 내연기관차의 배터리를 충전할 수 있습니다.

솔라 루프가 자동차 동력으로 이용되는 원리는 간단합니다. 태양광이 솔라 패널 내 태양전지에 들어가면 전기가 발생하는데, 이 전기는 전력의 효율을 높이기 위해 제어기를 거쳐 주행용과 시동용 배터리에 동시 저장됩니다. 이렇게 만들어진 전기는 제어기를 통해 자동차의 기준전압으로 환원되어 배터리에 저장되거나, 엔진에 연결된 차량 교류발전기의 부하를 낮춰 간접적으로 연료 효율을 높여주는 역할을 하게 됩니다. 제어기에서는 MPPT(Maximum Power Point Tracking)와 변압이 이뤄집니다. MPPT란 태양전지 셀에 모인 전력의 효율을 높이 위해 전압과 전류를 제어하는 것을 의미합니다.

친환경차 중에서 최초로 솔라 루프를 탑재한 쏘나타 하이브리드는 충전 효율이 높은 고성능 셀을 사용했습니다. 셀의 효율이 22.8%로 일반 건축물에 부착되는 셀의 효율 15~19%보다 30~50% 정도 높습니다. 또한 쏘나타HEV 솔라 패널의 용량은 약 200W로 이는 태양빛을 1시간 동안 받으면 200Wh의 전기를 생산한다는 의미입니다. 일조량이 좋을 때 100W 전구 2개, 또는 가정에서 많이 쓰는 막대형 LED 형광등(18W) 11개를 동시에 켜놓을 수 있는 제법 많은 전력량입니다. 이렇게 하루 5.8시간씩 충전을 하면 연간 약 1,300km를 달릴 수 있는 에너지가 생깁니다.

솔라 루프 충전 방식

솔라 루프는 배터리 방전을 방지하는 데도 도움을 줍니다. 보험개발원에 따르면(2015년 기준) 긴급출동 서비스 이용 사례 10건 중 4건 이상이 배터리 방전으로 나타났습니다. 자동차용 블랙박스와 같은 추가 전자 장비 때문에 배터리 소모량은 크게 늘어나는 추세입니다. 솔라 루프를 통해 하루 동안 충전(5.8시간 기준)되는 전류는 8만 1,200mAh로, 자동차가 하루에 소비하는 전류인 720mAh를 크게 상회합니다. 또한 블랙박스가 하루 동안 사용하는 전류(1만 2,000mAh)를 단 한 시간의 충전만으로도 충당할 수 있습니다.

2. 배터리 기술의 진화

고에너지밀도 배터리 + 에너지 저장장치

배터리는 전기에너지를 저장하는 부품으로 전기차의 주행거리는 보통 배터리 용량에 따라 좌우됩니다. 배터리 용량이 클수록 주행 거리가 늘어나지만, 배터리 부피와 무게 때문에 실내 공간이 줄어들고 에너지 효율이 떨어지며 차량 가격도 상승하게 됩니다. 따라서 전기차의 주행 거리를 효율적으로 늘리기 위해서는 배터리의 에너지 밀도를 높여야 합니다.

전기차 배터리의 에너지 밀도를 고도화하기 위한 배터리 전문 기업의 경쟁이 치열해지는 가운데 현대자동차그룹은 배터리 개발을 위한 로드맵을 설계하고, 궁극의 배터리라 불리는 고밀도 리튬공기배터리(Li Air battery) 기술 개발을 진행하고 있습니다.

현대자동차그룹의 배터리 개발 로드맵

또한 환경 문제로 폐기물 재활용 관련 정책적 규제가 강화되며 전기차 배터리의 재활용 기술이 주목받고 있습니다. ESS는 생산된 전력을 저장했다가 필요할 때 공급해 쓸 수 있는 커다란 배터리로 소형 LIB를 모아 하나의 큰 덩어리로 만들었습니다. 전기차의 동력원이 LIB이기 때문에 노후화된 배터리를 모아 재가공하면 ESS로 활용할 수 있습니다. 현대자동차그룹은 배터리 제조사들과 ‘배터리 전생애주기에 걸친 부가가치 발굴’을 위한 협력을 추진하고, 한국수력원자력, OCI, 한화솔루션 등과 함께 전기차 폐배터리 재사용 ESS 실증 및 분산 발전 사업 협력 및 태양광 연계 가정용∙전력용 ESS 공동 개발을 시작했습니다.

현대자동차그룹이 개발 중인 배터리 ESS 

이와 관련해서 주목해야 할 기술로 V2G(Vehicle to Grid)가 있습니다. V2G를 탑재하면 가정이나 건물∙빌딩 등 시설에 전기를 공급해 최대 전력 사용을 줄이는 것은 물론 정전 예방이나 전력 재판매까지 가능합니다. V2G는 차량의 유휴 전력을 전력망으로 이용하는 것으로 전기차에 저장된 전기를 가정이나 빌딩의 전력망에 송전할 수 있으며, 다른 차량을 충전하는 데에도 활용할 수 있습니다.

전기차 1대에 저장된 전기 약 60kWh는 5가구(4인 기준)가 하루 동안 사용할 수 있는 에너지양이라고 합니다. V2G 차량이 약 10만 대 보급될 경우 화력발전소 1기의 발전 용량에 준하는 500MW 전력을 확보할 수 있는 효과가 있습니다.

현대자동차그룹의 V2G 기술은 미국 표준 규격에 따라 최대 충전 11kW∙방전 5kW이며, 커넥터 사양 상 V2L에 최대 방전은 3.5kW 가능합니다. 온보드차저(OBC: On Board Charger를 개선해 직류와 교류를 양방향으로 변환하고, 전압과 전력 주파수 등을 전력망과 동기화하기 위해 양방향 전력제어 회로를 적용했습니다. 또 V2G 전용 충전 케이블에는 성인 주먹 만한 크기의 양방향 계량기를 장착, 충∙방전에 따른 안정적 검침을 가능하게 했습니다.

V2G의 구조

3. 전력 관리는 충전 기술에서

라이프스타일 맞춤형 충전 기술

전기차 충전기의 종류

전기차 배터리를 충전하는 방식은 급속 충전과 완속 충전으로 나뉩니다. 급속 충전은 충전기에서 배터리로 직접 직류(DC) 전력을 공급해 충전하는 방식으로, 국내는 50kW급 성능의 급속 충전기를 주로 사용합니다. 현대자동차그룹은 약 20분 만에 800V 시스템의 대용량 배터리를 탑재한 전기차를 80%까지 충전할 수 있는 충전 설비 ‘하이 차저(Hi-Charger)’를 선보였습니다. 350kWh급 고출력∙고효율 충전 기술이 적용돼 현재 보편화된 급속 충전기보다 2배 이상 빠른 속도로 충전이 가능합니다.

유럽에서는 전기차 초고속 충전 인프라 구축 전문 업체 ‘아이오니티(IONITY)’가 350kW급 초고속 충전기 보급을 시작했습니다. 아이오니티는 2020년 말까지 유럽 24개국을 관통하는 주요 고속도로 내에 총 400개의 초고속 충전소 구축을 진행할 계획이고 현대자동차그룹은 2019년 아이오니티에 전략 투자하고 유럽의 초고속 충전기 인프라 구축에 힘을 보태고 있습니다.

현대모터스튜디오 고양에 자리한 하이 차저

출퇴근이 일정하고, 시간이 여유로운 운전자라면 완속 충전을 사용할 수 있습니다. 완속 충전은 충전기가 교류(AC) 전력을 공급하고 전기차의 OBC가 이 전력을 직류로 변환해 배터리에 충전하는 방식으로 AC 단상 5핀 규격을 사용합니다. 자동차의 배터리 용량에 따라 다르지만 통상 10%를 충전하는 데 약 1시간이 필요합니다. 완속 충전은 심야와 같이 전기차를 사용하지 않는 긴 시간을 활용하는 것이 좋습니다.

이동형 충전기는 별도의 충전기 설치 없이 기존에 설치된 220V 콘센트와 전기차를 연결해주는 장치입니다. 보통 3.2kW급 성능이며 규격은 완속 충전기와 동일한 AC 단상 5핀을 사용합니다. 완속 충전기보다 더 느린 속도로 충전하기 때문에 인근 충전소까지 갈 전력도 없는 경우와 같이 긴급한 순간에 임시로 사용하기 좋습니다.