최근 한국과 미국이 공동 연구하여 우리나라 미세먼지 발생 요인의 52%가 국내에 원인이 있다는 결과를 발표하였다(ME, 2017). 또한 지역별로 차이가 있지만, 서울시의 경우 미세먼지 자체 발생량 중 자동차 배출이 37%를 차지한다고 조사되었다(Seoul City, 2017). 낡은 경유차량과 건설기계 폐차를 유도하고, 매연저감장치 부착 및 엔진교체 등을 위한 예산을 투자해도 미세먼지 배출 문제를 근원적으로 해결할 수 없다. 2015년에 조사된 OECD 자료에서 우리나라의 미세먼지(PM_2.5) 농도는 29 μg/m³으로 OECD 회원국 중 하위권이며, OECD 평균치(15 μg/m³)보다 2배 정도 심한 것으로 나타나고 있다(HEI, 2017). 지난 2011년부터 약 4년간 진행된 한국형 오토-오일(Auto-Oil) 사업 결과를 보면, 국내 차량의 연료 생산과 공급 그리고 운행 단계까지 자동차 온실가스 배출량 전 과정 평가(Life Cycle Analysis; LCA)에서 내연기관 자동차의 배출량이 친환경 자동차의 2배 수준으로 나타났다. 차종별 온실가스 배출량은 전기자동차 94 g/km로 가장 낮고, 하이브리드자동차 141 g/km, 경유자동차 189 g/km, 그리고 휘발유자동차 192 g/km로 가장 높게 나타났다(ME, 2015).

이러한 상황으로 인해 우리나라뿐 아니라, 많은 국가들이 친환경자동차에 관한 정책을 수립하고 추진하고 있다. 역사적으로 보면 전기 모터를 사용한 전기자동차는 19세기에 소개되었지만, 가솔린자동차가 보급되면서 경쟁력을 잃고 도로에서 사라지게 되었다. 그러나 1990년대에 배기가스 규제를 자동차 제조사에 적용하면서 전기자동차에 대한 관심이 급증하였고, 화석연료를 사용하여 발생되는 온실가스와 미세먼지 문제는 전기자동차 전환 당위성을 확보하였다. 전기자동차 시장이 세계적으로 급성장하는 추세이고, 전기자동차 보급률이 높은 노르웨이는 최근 전기자동차 판매대수가 내연기관자동차를 추월하였다(NCRTI, 2017). 우리나라도 국토교통부 통계에 따르면 2017년 6월말 전기자동차 등록은 15,869대로 5년 만에 35배 증가하였다(MOLIT, 2017). 전기자동차는 주행 시 이산화탄소나 배기가스가 배출되지 않고, 소음 및 진동이 없으며, 연료비도 10∼30% 정도 저렴하다. 그러나 상대적으로 짧은 주행거리와 높은 구매가격, 그리고 충전 시설 부족이 주요 문제점으로 지적되고 있다. 전기자동차 주행거리를 늘리기 위해서는 차량을 경량화하고, 배터리 용량(밀도)을 비약적으로 향상시킬 수 있는 기술이 요구된다. 현재 일상적인 주행에서 큰 불편을 겪지 않을 수준까지 배터리 용량 기술이 향상되었다고 평가되고 있지만, 충전 시설 부족은 전기자동차 대중화에 문제점으로 대두되고 있다.

국제에너지기구(International Energy Agency; IEA) 보고서에 따르면 2016년 기준으로 전 세계 전기자동차 2백만 대 중 중국과 미국이 60%를 차지하고 있으며, 공공 충전기도 중국, 미국, 일본, 노르웨이, 영국, 프랑스 순으로 설치되어 있다(IEA, 2017). 환경부는 2017년 기준 우리나라의 전기자동차 충전기는 2,726기(급속 1,320기, 완속 1,406기)이며, 2017년 말까지 급속충전기 1,290기를 추가하여 전기자동차 약 6대당 급속충전기 1기가 설치될 것으로 예상하고 있다(EV, 2017). 전기자동차 수요가 지속적으로 증가하면 충전기 보급도 확대되겠지만, 충전 소요시간이 30분 이내인 급속충전기와 4∼6시간이 소요되는 완속충전기의 설치지점을 효율적으로 선정하여 운영하더라도 모든 수요를 만족시키기 어려울 것이다. 최근 2030년에 전기자동차가 100만 대 보급되었을 경우를 가정하여 시간대별 차량 이용유형과 충전유형 그리고 예상 부하를 종합적으로 분석해 예측한 결과, 부하가 피크일 때 전기차로 인해 늘어나는 전력수요는 약 60만 kW로 전체 전력수요의 1% 미만이라는 결과가 발표되었다(Shin, 2017). 따라서 전기자동차의 성장 속도가 예상보다 빠르면 추가되는 전기수요를 충족시킬 수 없어 전력난이 예상된다고 주장하는 의견은 설득력이 낮다고 볼 수 있다.

따라서 본 연구에서는 전기자동차 충전을 위한 전력을 태양광발전과 에너지저장시스템(Energy Storage System; ESS)과 연계한 발전시설에서 전기자동차 배터리를 충전하고, 충전된 배터리를 배터리교환소(Battery Swapping Station; BSS)로 공급하여 소비자에게 제공하는 전기자동차 배터리 공급시스템(Electrical Vehicle Battery Supply System; EVBSS)을 제안하고자 한다.

현재 전기자동차 배터리를 충전하기 위한 전력은 대부분 화력발전소 및 원전에서 생산되는 전기로 충전되고 있으며, 전기자동차 수요가 계속 증가할수록 기존 전력용량에 영향을 줄 수 있다는 우려를 하고 있다. 또한 전기자동차 배터리 충전시설 부족과 충전소요시간으로 소비자들의 선택이 쉽지 않은 측면이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 무한한 재생에너지인 태양광발전으로 생산된 전기를 에너지저장시스템(ESS)에 저장하여 전기자동차 배터리를 충전하고, 실시간 정보를 바탕으로 배터리가 필요한 소비자에게 배터리교환소(BSS)를 통해 제공할 수 있도록 연구를 진행하였다.

본 연구에서는 전기자동차 배터리를 태양광발전과 ESS를 결합한 시스템으로 충전하고, 충전된 배터리를 지정된 장소에서 제공할 수 있는 전기자동차 배터리 공급시스템(EVBSS)을 제안하고자 한다. 충전된 배터리를 지정된 장소에서 교환하면, 배터리 충전을 위한 대기시간을 획기적으로 단축하게 된다. 또한 자동차 전체 원가의 약 40%를 차지하는 배터리를 대여한다면, 차량 구입비용이 내려가 전기자동차 보급 확대에 기여할 것이다. 나아가 배터리 충전시 재생에너지를 사용하고, 배기가스를 배출하지 않는 전기자동차로 전환한다면, 기존 내연기관자동차에서 발생하는 미세먼지를 줄이기 위한 가장 적극적인 대안이 될 것이다.

현재 우리나라 자동차 등록대수는 2016년 12월말 기준으로 약 2,180만 대이고, 전기자동차도 1만 대를 넘어섰다(E-country Index, 2017). 특히 100만대 이상 등록된 서울, 부산, 대구, 인천, 경기, 경북, 경남 등이 전기자동차 보급도 상대적으로 많이 보급되어 있고, 제주, 전남, 광주 등은 지자체에서 전기자동차 활성화 정책을 적극 추진하고 있다. 전기자동차 구매가 늘고 있지만, 충전기(급속 및 완속) 설치는 충분하지 않고, 충전에 소요되는 시간도 전기자동차 보급을 어렵게 만들고 있다(Table 1). 전기충전소에서 충전을 하는 경우라면 충전횟수가 많은 지점이 설치 입지로서 경쟁력이 있다고 볼 수 있다. 본 연구에서는 전기자동차에 이미 충전된 배터리를 교환하는 공급시스템을 기존의 주유소 형태로 추진하는 것을 고려하였다. 2016년 8월부터 국내 주유소에 전기자동차 충전기 설치가 허용되었고, 주유소 설치를 위한 배치계획도 관련 법령으로 규정하고 있다(MOIS, 2016). 전기자동차가 지속적으로 증가한다면 현재 설치된 주유소를 전기자동차 BSS로 전환하여 이용이 가능할 것이다.

Table 2에서 지역별 주유소(대리점과 판매점 제외)와 등록 차량대수를 비교하여 주유소 1개소당 차량대수를 비교하였다. 서울특별시, 광역시(부산, 대구, 인천, 광주, 대전, 울산), 경북, 제주 등이 주유소 1개소당 차량 1,000대를 초과하고, 특히 서울과 인천은 각각 5,000대와 3,000대 이상을 나타내고 있다(KNOC, 2015). 2012년 7월 1일에 출범한 세종특별자치시는 예외적으로 주유소가 상당히 부족하였다. 기존 주유소는 위치구조 및 설비 기준이 위험물안전관리에 관한 법령에 규제를 받지만, 독립된 전기자동차 충전소는 설치 기준이 상대적으로 용이할 것이다.

기존 주유소 중에서 차량 통행량이 상대적으로 많고, 접근성이 용이하며, 대기차량 공간이 충분한 곳부터 BSS로 선정한다. 전기자동차 배터리 수요는 충전 수요 발생 가능성과 설치 용이성을 고려한 지역별 차량대수를 추정하여 공급 계획을 수립하고, 전기자동차의 성능, 배터리 가격, 소비자 선호도 등 가변적인 속성이 수요 예측에 반영되어야 한다.

태양광발전과 ESS를 연계한 센터(PV-ESS Operation Center; PEOC)에서 충전되어 고유번호가 부여된 배터리는 센터 운영자에 의해 승용자동차와 승합자동차(승차정원 15인 이하) 전용, 버스 전용, 트럭 전용으로 구분되어, 각각 전기자동차 BSS, 택시회사 BSS, 버스회사 BSS, 트럭회사 BSS에 배송된다. 우리나라 자동차관리법에서 규정한 차종과 용도별 등록 비율을 보면 승용차가 전체에서 79.5%이고, 트럭이 승합차보다 약 4배 정도 많은 349만 대를 차지하고 있다. 용도별로 보면 자가용이 93.3%인 2,035만 대이고, 138만 대가 영업용 그리고 8만 대는 관용차로 등록되어 있다(E-country Index, 2017). 향후 승용차뿐만 아니라, 버스와 트럭에 배터리 공급이 확산되면 배터리 수요를 차종별로 예측하기 위한 기본 자료로 사용이 가능하다(Table 3). 2017년 환경부에서 전기자동차를 전기승용자동차, 전기화물자동차, 전기승합자동차 등 3종으로 구분하였지만, 본 연구에서는 기존 차종과의 연계성을 갖기 위하여 승용자동차, 승합자동차(승차정원 15인 이하), 버스, 트럭으로 구분하여 분석하였다.

태양광발전이 가능한 부지를 선정하여 차량대수에 비례하여 설치한다. 거리와 소요 시간을 고려하여 배치된 발전소의 PEOC에서 충전된 배터리를 수요가 발생한 BSS에 제공한다. BSS에서 직접 배터리 수요 요청도 가능하지만, 실시간으로 모든 BSS의 배터리 재고를 모니터링한다. PEOC에서는 실시간으로 지자체 및 유관기관으로부터 교통정보를 파악하여, 시간과 거리를 고려한 최단경로를 선택하여 공급할 수 있다. 승용차와 승합차를 위한 배터리는 BSS로 공급하고, 택시, 버스, 트럭 배터리는 해당 회사로 공급하여 자체적으로 배터리를 교환할 수 있는 시설을 이용하여 배터리를 교체한다. 방전된 배터리는 교환후 PEOC로 반납한다(Fig. 2).

Fig. 2. 
Battery supply system diagram.

자가용 이용자와 회사 차량을 PEOC에 등록을 하고, 정보를 모바일로 제공 받으며, 사업용 차량은 회사 간 네트워크를 구성하여 충전된 배터리를 공동으로 교환할 수 있다. 주행 중 이용자 정보제공을 단계별로 보면, 1단계에서는 차량 내부에 있는 배터리 충전 필요성을 운전자가 인지한다. 2단계로 운전자는 등록 시 저장된 모바일 애플리케이션에 접속하여 현 위치에서 가장 가까운 PEOC로 연결되면, 현 위치에서 최단 시간과 거리를 근거로 가장 가까운 BSS 정보를 제공받는다. 최종적으로 BSS에서 배터리를 교환하면 새로운 배터리 고유번호가 PEOC에 자동으로 저장되어 관리된다. 이러한 운영은 PEOC, BSS, 회사 간의 정보공유가 실시간으로 가능하다는 전제로 진행되어야 한다(Fig. 3).

Fig. 3. 
Interconnection diagram between PEOC, BSS and company BSS.

미세먼지의 주요 배출원은 지역에 따라 다르지만, 도로에서 주행하는 모든 이동체에서는 대기오염이 발생하며, 2013년 기준 도로이동오염원이 전체 미세먼지의 24.4%를 차지한다(NIER, 2015). 특히 도로이동 오염원인 자동차는 배기가스에서 직접 나오는 1차 미세먼지(PM₁₀)와 배출된 질소산화물이 대기 중에서 광화학반응을 하여 발생하는 2차 미세먼지(PM_2.5)로 구분된다. 차종별 미세먼지 배출량은 화물자동차, RV 차량(6인승 이상), 승합차, 버스, 특수차, 승용차 순으로 배출된 것으로 조사되었다. 이 결과에 따르면 미세먼지를 가장 많이 배출하는 차종을 우선적으로 전기자동차로 운행해야 하지만, 대형 화물자동차는 배터리 용량이 크고 비용이 높으므로, 초기에 적용하기 어려운 측면이 있다. 화물자동차에서는 이동 구간도 일정하고, 운행 거리가 100∼120 km로 짧은 1 ton급 택배 트럭을 먼저 전기화물자동차로 대체해 나가야 한다. 또한 현재 전기승용자동차와 전기버스 운행은 지속적으로 증가하고 있다.

정부의 미세먼지 감축 대책으로 전기자동차 보급 확대를 위해 충전기 설치 계획을 수립하고 추진하고 있지만, 아직 충전기 시설 부족과 충전 대기시간 등이 문제점으로 나타나고 있다. 본 연구에서 제안한 전기자동차 배터리 공급시스템을 적용하여 신속하게 배터리를 교환하면 기존의 주유소에서 소요되는 시간과 비슷하게 운영될 수 있다. 현재 전기자동차 배터리를 충전하기 위한 에너지를 기존 발전시설을 이용하는 과정에서 전력소모와 미세먼지가 발생한다는 근거로 전기자동차를 완전한 친환경자동차로 인정하지 않고 있다. 그러나 무한 청정에너지인 태양광발전을 ESS와 연계하여 전기자동차 배터리를 충전한다면, 미세먼지 발생을 제로화할 수 있는 무공해 전기자동차로 평가될 것이다. 도로이동오염원 대기오염물질 중 배출된 물질 중에서 PM₁₀과 PM_2.5 비율을 식 (1)을 이용하여 구하고, 차량 유형별 배출량 비율은 식 (2)를 이용해 산출되어진다(Table 4). 도로이동오염원인 트럭, RV, 승합차, 버스, 특수차, 승용차의 PM₁₀과 PM_2.5 배출량은 국립환경과학원에서 측정한 자료(2013년)에 근거하여 비율을 산정하였다.

Table 4에서 트럭, RV, 승합차, 버스, 특수차, 승용자동차 등에 나타난 배출량은 전기자동차로 전환되는 차량 대수에 따라 미세먼지 저감 비율로 상쇄될 수 있다. 도로이동오염원에서 발생한 미세먼지 총합계 26,237 ton은 전기자동차로 대체되어 줄어드는 배출량만큼 저감되며, 배터리를 충전할 때 화력발전이 아닌 태양광발전을 활용하므로 실질적인 저감 효과는 더 많아질 것으로 예상된다. 태양광발전으로 생산된 전력으로 충전한 배터리를 장착하고, 도로를 주행하는 전기자동차는 미세먼지 발생을 최소화할 수 있을 것이다.