전기차 배터리 선순환 경제를 위한 서비스 플랫폼

2023-08-04 주현택

기온 상승, 홍수와 폭설로 인한 재해 등 기후 변화로 인한 영향을 일상적으로 체감하고 있는 현실입니다. 인류가 환경에 미치는 영향에 대해 책임과 위기감이 고조되는 가운데 다양한 산업에서도 변화가 진행되고 있는데요. 자동차 등 이동수단에 있어서도 지속 가능한 에너지 사용에 관심이 늘고 있습니다. 전기자동차 판매는 지난 2022년 고금리∙고물가에 따른 소비 위축에도 불구하고 세계적으로는 802만 대(전년 대비 68% 성장)를 기록하였고, 완성차 판매량 전체의 9.9%를 차지했다고 합니다. 한국 시장의 전기차 판매도 2022년 16만 대 수준으로 전년 대비 61% 성장을 기록했습니다.^[1]

한편, 전기차 배터리는 자원 채굴과 생산 과정에서 환경 오염과 많은 에너지 사용 우려 또한 제기되고 있습니다. 날로 증가하는 배터리 사용에 대한 대책이 중요한데요. 희소자원을 재사용(reuse), 재활용(recycling)하여 경제적 가치를 높이고 지구 환경에 대한 부정적 영향을 최소화하는 노력이 필요하다고 하겠습니다. 전기차에서 배터리가 차지하는 가격 비중은 현재 30~40% 수준으로 세계 각국은 광물자원 확보와 자국 중심의 공급망 운영에 박차를 가하고 있어 가치사슬 전반에 대한 관심과 대응 노력에 주목할 필요가 있겠습니다.

본고에서는 이렇게 세간의 이목이 집중되고 있는 전기차, 그중에서도 전기차 배터리와 관련하여 자원 활용과 산업 생태계를 주도하기 위한 주요 기업의 노력을 함께 살펴보고, 전기차 배터리가 선순환 경제 속에서 생태계 구성원이 함께 가치를 창출할 수 있는 협업의 장으로서 ICT 기술 기반의 서비스 플랫폼을 생각해 보고자 합니다.

전기차 배터리와 순환 경제

경제 모델로서 ‘순환 경제’는 제품의 생산, 사용, 폐기 등 전 생명주기에 걸쳐 자원 사용을 줄이고 폐기물을 최소화하는 것을 의미합니다. 전기차 배터리에 대해 순환 경제의 관점에서 얻을 수 있는 이점을 생각해 보겠습니다.

첫째, 폐기물 발생을 줄일 수 있는 생산 공정에서 저탄소 에너지원을 사용하고 폐배터리로부터 회수된 자원을 최대한 활용함으로써 환경을 보호할 수 있습니다.
둘째, 사용 효율이 떨어진 전기차 배터리를 에너지 저장장치용으로 재사용하거나 광물자원 회수 공정을 통해 재활용함으로써 자원 효율성을 향상할 수 있습니다.
셋째, 자원의 순환으로 연결된 가치사슬을 통해 새로운 일자리가 창출될 수 있으며, 순환 경제의 선순환 구조와 효율을 통해 경제 성장이 촉진될 수 있습니다.

글로벌 전기차 폐배터리 재활용 시장 규모는 2025년부터 연평균 33%씩 성장해 2040년엔 573억 달러(약 68조 원)를 넘어설 것으로 예상하고 있어 사업적 잠재력 또한 클 것으로 예상하고 있습니다.^[2] 전기차 배터리 산업을 지속 가능한 순환 경제 체제로 전환하기 위한 각국의 정책적 지원과 노력 또한 가속화되고 있는데요.^{[3] [4]}

EU(유럽연합)는 폐기물 처리 지침(Directive 2006)에 포함된 배터리 지침의 한계를 개선하여 새로운 배터리 규제안을 2020년 12월 발표했습니다. 동 법은 EU 시장에 진출하는 배터리의 생산부터 재활용에 이르기까지 전 생애주기에 걸쳐 친환경성 및 안전성 입증을 요구하고 있습니다. 2023년 6월 유럽의회를 통과한 '지속 가능한 배터리 법'은 배터리 전 주기에 걸쳐 탄소 배출량을 측정하는 '탄소 발자국' 제도, 리튬, 니켈 등 광물을 재사용하는 재생원료 사용 제도, 배터리 생산·사용 등 정보를 전자 형태로 기록하는 '배터리 여권 제도' 등이 포함되었습니다. 미국 역시 배터리 산업을 유망산업이자 기후 변화 대응을 위한 핵심수단으로 인식하고 폐배터리 관련 인프라 및 기술 개발에 적극적인 모습입니다. 2022년 11월 16일 바이든 행정부는 미국 에너지부(DOE)를 통해 초당적 기반 시설법(Bipartisan Infrastructure Law)에 의거해 전기차 배터리 재활용 및 재사용을 위한 프로세스를 발전시키기 위하여 10개의 프로젝트에 대해 약 7,400만 달러의 자금을 지원한다고 발표했습니다.^[5] 중국은 지난 2012년부터 배터리 생산업체에 폐배터리 재활용을 유도한 '에너지 절약 및 신에너지 자동차 산업 발전 계획'을 시작으로 관련 법률을 꾸준히 만들어왔는데요.

한국은 규제샌드박스 확대 적용을 통해 사용 후 배터리 재사용∙재활용 관련하여 신기술∙신서비스 활성화를 유도한다는 계획입니다. 2024년까지 사용 후 배터리 재사용·재활용 시 해당 배터리에 대한 정확한 정보가 제공될 수 있도록 전기차 배터리 전(全)주기 이력 관리 체계를 구축하는 등 방안을 수립하고 논의를 진행하고 있습니다. 지난 2022년 11월 산업부가 발표한 ‘이차전지산업 혁신 전략’에 따르면 ‘지속 가능한 배터리 순환체계 구축’을 위해 민간 주도 사용 후 배터리 활용, 배터리 전주기 이력 관리, 관련 신산업 육성, 친환경성 평가/인증 등 과제가 민관 합동으로 추진될 계획입니다. 핵심과제 추진을 통해 사용 후 배터리의 회수∙유통∙활용 등 통합관리체계가 마련되고 관련한 법제화 과정이 이어질 것으로 예상됩니다.^[6]

주요 기업 추진 사례

전기차 배터리의 선순환을 위한 주요 기업의 여정을 생태계 활동 관점에서 살펴보겠습니다. 전기차 배터리를 중심으로 산업 생태계를 관찰해 보면 구심점이 되는 주도기업은 자동차 기업이 될 수 있습니다. 자동차 기업이 전기차 플랫폼을 설계하고 사양에 맞는 배터리를 탑재하여 시장에 공급하는 것이지요. 하지만, 생태계의 생명력과 창출하는 가치는 주도기업만으로 완성되는 것은 아니지요. 전기차 핵심부품인 배터리를 생산하는 기업의 역할 또한 중요하며, 사용 중인 배터리의 성능과 안전성과 관련한 정보를 배터리팩으로부터 제공하고 잔존수명에 대한 진단 정보를 통해 적절한 시기에 배터리 교체를 안내할 수 있어야 합니다. 실시간으로 모니터링되는 전기차 배터리 상태정보를 활용하면 배터리 사용 효율과 운전 패턴을 분석하여 운전자에게 최적의 충전 시점과 장소를 안내할 수 있고, 배터리 재사용∙재활용 시점이 도래하기 전에 적절한 서비스와 연계하도록 할 수 있습니다. 배터리의 수집하여 재사용∙재활용하기 위한 과정에서 참여하는 기업도 배터리 잔존용량과 잔존수명에 대한 신뢰성 있는 정보를 기반으로 전방기업과 협업하여 경제적 가치를 얻을 수 있게 됩니다. 전기차 배터리의 선순환 가치사슬과 관련하여 주목할 기업으로 테슬라(Tesla, 미국), 니오(NIO, 중국), 현대차(Hyundai, 한국) 등을 살펴보겠습니다. 이들이 가치사슬의 구심점에서 영역을 어떻게 확장하고 있는지, 배터리 선순환을 위해 어떠한 주도적 역할을 하고 있는지 등을 비교하여 살펴 보고자 합니다.

미국의 테슬라는 2018년 전기차 모델 3의 안정적 생산에 성공하며 적극적인 시장 확대를 모색해 왔는데요. 배터리셀 공급업체로부터 구매한 부품을 자체적으로 배터리팩으로 양산해 왔습니다. 차세대 배터리 개발을 위해 직접 회사를 인수하기도 했고, 2022년에는 리튬, 니켈, 코발트 등 배터리 핵심원재료에 대해 다수 기업들과 장기 공급계약을 체결하는 등 공급망에 대한 통제력을 강화해 가고 있습니다. 그리고, 전기차 운행에 필수적인 에너지 충전을 위해 직접 태양광 에너지를 생산하고 충전인프라를 구축하는 사업을 하고 있지요. 2023년 6월에는 급속충전소인 ‘슈퍼차저’를 포드에 이어 제너럴모터스에도 개방한다고 밝혔는데요. 고객들에게 전기차 전환과 선택의 폭을 넓히고 북미 충전 표준 제정에도 테슬라의 영향력이 커질 것으로 예상할 수 있습니다.

전기차 판매량의 급속한 성장을 예상한 테슬라는 CTO였던 J.B. Straubel이 2017년 창업한 배터리 재활용 스타트업 Redwood Materials과 파트너십을 맺고 자원 회수 효율이 높은 리사이클링 공장을 네바다 공장에 설립하여 2019년 가동에 들어갔습니다. 배터리 생명주기 전반에 대한 내재화 전략과 재사용보다는 재활용 영역에 집중하는 부분이 돋보입니다. 테슬라 전기차로부터 회수되는 재사용 가능한 배터리 물량이 증가한다면 향후 자체적으로 운영하는 에너지 충전인프라의 에너지 저장장치에 활용도가 클 것으로 예상됩니다. 테슬라는 산업의 성장을 촉발하는 데 적극적으로 영향력을 행사하며 선도기업으로 부상하였습니다. 미국, 중국, 독일에서 가동 중인 테슬라의 기가팩토리에서 2022년 생산한 전기차는 136만 대 수준입니다. 앞으로, 다음 기가팩토리의 입지가 될 국가를 선정하고 있는데요.

배터리 스와핑(swapping) 서비스 모델로 유명한 중국의 니오는 전기차 라이프스타일을 견인하고 있는데요. 중국 정부는 전기차 생산기업에 배터리 리사이클링에 대한 책임을 부과하는 정책을 이어오고 있습니다. 중국 전기차 시장에서 선두기업인 BYD는 배터리 생산업체에서 시작하였는데, 2018년부터 배터리 생산공장 인근에 리사이클링 공장을 가동하고 있습니다. 여기서는 배터리 스와핑과 배터리 구독 서비스(BaaS: Battery as a Service) 모델을 연결하여 살펴보고자 니오를 선택했습니다. 사실, 배터리 스와핑은 1912년에 GE가 상용차를 대상으로 서비스를 시작한 이래 2007년 미국의 Better Place, 2013년 테슬라에 이르기까지 오랜 역사가 있는데요. 기술 표준화도 어렵고 교체 방식이 자동화되지 않아 시간이 오래 걸리는 등 실패를 경험하기도 했습니다. 무엇보다 일반적인 충전 서비스에 비해 많은 투자가 필요합니다.

니오는 2017년 출시한 전기차 ES8부터 “chargeable, swappable, upgradable”한 사용자 경험을 제공했고, 2020년부터 구독 서비스 모델을 도입하여 전기차에서 배터리를 구분하여 구독 상품으로 판매함으로써 구매자는 초기 구매비용을 절감하고 보증된 성능의 배터리 용량과 차별화된 서비스를 구매할 수 있게 했습니다. 니오의 배터리 스왑 시스템은 자동화된 로봇 팔을 사용하여 배터리 교체를 수행합니다. 배터리를 교체하는 데는 약 3~5분 정도 소요되며, 고객은 니오 앱을 사용하여 스왑 스테이션을 찾아가고, 배터리를 교체할 수 있습니다. 배터리 교체 후, 기존 배터리를 회수하여 재활용하게 됩니다. 순환 경제 측면에서 배터리 스와핑은 배터리의 소유가 사용자에서 서비스 공급자로 전환되는 것이므로 배터리 재사용∙재활용 대상이 더 체계적이고 효율적으로 운용될 수 있고, 소비자에게는 배터리의 안전성과 성능을 유지하는 가치를 제공하게 합니다.

2020년 발표된 중국의 New Energy Vehicle Industry Development Plan(2021-2035)에는 배터리 스와핑 시스템에 대한 일정 계획이 담겨 있는데요. 2025년까지 배터리 스와핑 인프라와 모듈화된 배터리 표준 시스템 구축을 가속하여 2035년경에는 배터리 스와핑 네트워크의 편의성과 효율성이 완성되도록 할 계획입니다. NIO의 선도적인 배터리 스와핑 기술은 국가 표준에 반영되었는데요. 앞으로 RMB 300,000(약 USD 42,000) 이상 전기차 구매 시 보조금을 받기 위해서는 배터리 스와핑 기술이 적용되어 있어야 한다고 합니다. 배터리 스와핑을 기반으로 한 순환 체계의 성공에 관심을 두어야 하겠습니다.

한국의 현대차는 2022년 ‘중장기 전동화 전략’을 공개하였는데요. 전기차 수요 집중 지역 내에서 생산 확대, 차세대 배터리 기술 개발 및 배터리 모듈화 등을 포함한 배터리 종합 전략 추진, 하드웨어와 소프트웨어를 아우르는 EV 상품성 강화 등을 추진할 계획입니다. 자동차 전장화에 따른 하드웨어 부품 영역과 소프트웨어 영역을 각각 현대모비스, 현대오토에버를 통해 집중 강화해 오고 있습니다. 현대모비스는 전기차 배터리를 안전하고 효과적으로 구동하기 위한 배터리 관리장치(BMS, Battery Management System)를 생산 중이며, 사용 후 회수한 폐배터리의 재생산 영역으로 사업을 확장할 것이라고 합니다. 지난 2022년 발표한 배터리 생애주기 순환 체계와 관련해서는 종합물류기업인 현대글로비스의 사업 확장이 주목됩니다. 물류 네트워크를 기반으로 폐배터리 회수-재사용을 연계하여 사업화를 추진 중입니다. 2020년 실증사업으로 울산 현대차 공장에 2MWh 규모의 태양광과 연계한 에너지 저장장치(ESS: Energy Storage System)를 구축하고 상업 가동하고 있습니다. 한편, 충전서비스 영역에서는 2015년 한국 최초의 민간 충전서비스업체로 설립된 ‘한국충전서비스’ 출자에도 참여(현대차그룹 24%)하였고 2021년에 충전 사업을 본격화하고자 경영권을 확보(38%)하게 되었습니다. 충전인프라 구축에 재사용 배터리를 활용할 수 있으므로 추가적인 선순환의 고리가 만들어지는 것입니다. 또한, 2021년에는 전기차 렌트 서비스를 제공하는 모빌리티 사업자 KST모빌리티(브랜드 마카롱)와 제휴하여 전기차 구매 초기 비용을 배터리 리스(lease: 대여 서비스)를 통해 낮추고 배터리 교환 시 발생하는 확보 물량을 ESS에 활용할 수 있게 하는 사업 제휴를 추진하였습니다.

한편, 다수의 기업이 배터리 재활용 산업에 뛰어들고 있는 가운데 삼성SDI, LG에너지솔루션 등 배터리 제조사들도 적극적으로 글로벌 자동차 기업과 합작사를 설립하고 배터리 재활용 업체에도 투자를 확대하고 있습니다. 삼성SDI는 2022년 스텔란티스, 2023년 제너럴모터스와 합작공장 설립을 추진하고 기술 초격차를 기반으로 한 시장 점유 확대를 추진하는 동시에 지난 2022년 폐배터리 재활용 관련 연구를 전담하는 ‘리사이클 연구 Lab.’을 신설하였습니다.^[7]

전기차 배터리 선순환을 위한 서비스 플랫폼

전기차 배터리의 자원 선순환이 효과적으로 가동되기 위해서는 여러 이해관계자가 참여하고 있는 생태계가 효과적으로 상호작용할 수 있는 플랫폼이 중요해질 것입니다. 배터리 선순환 가치사슬에 참여하고 있는 다수 기업과 시민, 공공 기관 등이 정보기술 인프라를 기반으로 소통하는 ‘통합 서비스 플랫폼’(이하, 서비스 플랫폼)을 생각해 보겠습니다. 이러한 서비스 플랫폼의 개념은 ‘스마트 모빌리티(차량 운영)’, ‘배터리 관리를 위한 클라우드(배터리 관리)’, ‘충전 및 스와핑 서비스(충전)’ 등에서 제시하고 있는 아키텍처 혹은 기술 구조를 참조한 모형으로 볼 수 있겠습니다.

전기차 배터리 서비스 플랫폼의 모형은 ‘개방형 서비스’ 구조로서 전기차 배터리와 관련된 제도와 기술 표준을 수용하고, 배터리 및 전기차 생산자, 충전사업자 등이 제공하는 데이터와 정보가 보안성 높은 클라우드 환경에서 서비스 플랫폼을 중심으로 양방향 연결되어 운영되는 모습입니다. 또한, 서비스 플랫폼의 운영자는 네트워크에 참여하는 각 이해관계자(생태계 구성원)와 중립적인 위치에서 통합된 서비스를 제공하고 플랫폼의 안정적 운영을 담당하는 역할을 합니다.

전기차 배터리 서비스 플랫폼

서비스 플랫폼은 전기차, 사용자, 배터리/전기차/충전 서비스/금융서비스/통신 사업자 등 다양한 생태계 구성원의 니즈에 따라 상호연결하여 정보를 제공하고 서비스를 중개하는 역할을 합니다. 전기차 배터리는 통신망을 통해 서비스 플랫폼과 상호 인증 상태로 연결되어 상태정보를 공유합니다. 먼저, 배터리 상태와 관련하여 사용자는 충전 서비스 및 배터리 잔존 수명 변화에 따른 적기 교체 서비스 이용이 가능해집니다. 사용자 요구에 맞추어 기존 충전 서비스와 연결할 수도 있고 서비스 플랫폼이 제공하는 배터리 사용성 최적화를 통해 수리 혹은 검사 진단을 제공하는 수리센터, 검사기관과 연결할 수 있겠습니다. 수리, 검사 등 주요 이력 정보는 서비스 플랫폼과 양방향 서비스 형태로 공유되며 블록체인을 기반으로 관리하여 신뢰성을 확보합니다. 모빌리티 서비스를 제공하는 운송사업자 등도 사용자와 마찬가지로 전기차 배터리에 대한 종합적인 유지관리가 가능해집니다.

배터리 재사용 기업은 서비스 플랫폼상에 관리되고 있는 교체 수거된 배터리의 이력과 성능 데이터, 검사기관의 배터리 평가 결과를 에너지저장장치, 무정전전원장치, 소형카트용 배터리 등으로 전환하는데 참조 활용할 수 있습니다. 재활용 기업과 배터리 생산 기업 등은 회수된 배터리의 재사용 이력과 검사기관의 평가 결과 등을 참고하여 재활용 수요 물동량을 파악하고 공급망 운영을 효율화할 수 있습니다. 또한, 전기차 배터리 리스, 서비스 중개 과정의 지급결제 등 금융서비스를 담당하는 기업은 배터리 생애주기 과정에서 발생하는 일련의 거래에 대하여 신속한 처리와 부가 서비스를 제공할 수 있을 것입니다.

도전 상황과 기대

앞서 살펴본 서비스 플랫폼은 하나의 청사진으로서 생태계 구성원의 합의된 이해와 참여를 전제로 합니다. 전기차 생산과 배터리 리사이클링의 선순환을 주도하는 기업은 서비스 플랫폼 구축에 앞장서고, 공공기관은 배터리 재사용∙재활용을 촉진하기 위한 제도적 기반 마련을 주도해야 할 것입니다. 배터리 이력과 수명 등을 포함한 주요 데이터는 공공재로서 안전하게 관리되고 효과적으로 유통 활용될 수 있어야 합니다. 서비스 플랫폼의 완성과 운영에 ICT 전문 기업의 참여가 중요하다고 하겠습니다. 선순환 생태계의 강건성과 서비스 플랫폼의 완성 과정에는 여러 도전 상황을 예상할 수 있습니다. 전기차를 생산하는 전통적인 자동차 기업은 배터리 생산을 내재화하는 전략을 통해 배터리 기업과 경쟁이 심화할 수 있고, 기존 배터리 제조사는 배터리 관리와 관계된 BMS 시스템의 데이터를 공유하는데 소극적일 수 있습니다. 배터리 스와핑 기술은 자동차 기업, 배터리 기업과 충전 인프라 사업자 간의 기술 공유, 부품 설계 협업 등이 필요한 영역으로 다수의 기업이 상호 경쟁하는 초기 시장에서 공용화, 표준화를 추진하는 데 어려움이 예상될 수 있습니다. 또한, 배터리 구독 서비스 모델 등은 배터리를 자산화하여 지속적 수익 구조를 만들어내는 사업으로 소비자에 대한 가치 전달과 규모의 경제를 달성하는 난관을 극복하여야 합니다.

References
[1] 한국자동차연구원, 2022년 글로벌 전기차 판매 실적 분석 (2023.2.20)
[2] KPMG, 배터리 순환경제'와 전기차 폐배터리 시장의 부상 (2022.4.18)
[3] 한국기계연구원, 전기차 배터리 재활용 산업 동향 및 시사점 (2022.11)
[4] 한국무역협회, 전기차 배터리 재활용 산업 동향 및 시사점 : 중국 사례 중심으로 (2022)
[5] KOTRA 해외시장뉴스, 2023년에도 여전히 뜨거운 미국의 배터리 재활용 시장 (2023.1.16)
[6] 산업부, 민·관 합동 「이차전지 산업 혁신전략」 발표 (2022.11.2)
[7] 삼성SDI, 폐배터리 재활용 역량 강화 'R&D조직' 신설 (2022.7.7)

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주현택

삼성SDS 컨설팅팀