[차두원이 본] 전기차 배터리교체시스템은 성공할 수 있을까?
최근 많은 관심을 받고 있는 중국의 전기차 업체 니오(Nio)를 중심으로 배터리교체시스템, 사용자경험 정의자동차(UX-Defined Vehicle)를 2회에 걸쳐 연재합니다.
니오의 배터리교체시스템을 경험하다
지난 주말 중국 둥관시에서 니오 플래그십 ES8 시그니처 에디션을 시승했다. 58만9000위안(약 1억1000만원) 수준의 고급차다. 니오의 대표기술인 배터리교체시스템을 적용했다. 차주의 성향이나 주행거리에 다른 필요 용량의 배터리를 선택할 수 있는 것이 니오가 자랑하는 사용자경험 가운데 하나다. 표준 75kWh 표준 배터리팩은 약 435~465km, 장수명 100kWh 배터리팩은 약 565~605km, 장거리 150kWh 배터리팩은 약 900km를 주행한다. 차주(오너)는 이 배터리 중 하나를 마음대로 선택할 수 있다.
특히 작년 3월 최초 공개한 3세대 배터리교체스테이션은 하루에 408회 배터리 교체가 가능하다. 기존 스테이션보다 일일 교체량을 30% 늘렸으며 단 3분만에 교체가 가능하다고 니오 측은 밝히고 있다.
필자가 방문한 니오하우스에서 지켜본 1세대 배터리교체스테이션의 배터리는 교체에 약 6분이 걸렸다. 운전자와 탑승자들이 니오하우스에 도착하면 니오 스탭이 차량을 인수 받아 스테이션 내부로 이동한다. 스텝은 다시 차에서 내려 교체 디바이스를 작동시키고, 교체가 종료되면 차량에 탑승해 스테이션에서 출차 후 오너에게 인도하는 절차로 진행한다.
하지만 3세대 스테이션은 1세대와 확연한 차이가 있다. 니오하우스 외부 공업사에 설치된 3세대 스테이션으로 ES8 차량을 타고 이동했다. 공업사에 도착하니 도어 잠금장치가 자동으로 해제되고 스테이션에 도착하자 차량이 자동 후진주차로 스테이션에 진입했다. 차량이 배터리 교체를 위해 자리를 잡은 후 인포테인먼트에서 디스플레이의 교체 버튼을 터치하자 교체 작업이 시작됐다. 디스플레이를 통해 진행 과정이 안내 됐고, 교체가 끝나면 출차하는 과정이 이어졌다.
<니오 3세대배터리교체스테이션, 촬영=차두원>
1세대가 세차장에 직접 찾아가 세차를 맡기는 서비스에 비유할 수 있다면, 3세대는 자동세차를 한 기분이랄까?
출장을 마치고 돌아와 처음 셀프주유를 했을 때 3세대 스테이션의 편리함과 비교됐다. 가정용충전기가 없고, 회사건물에도 충전기 없어 전기차를 충전하려 여기저기 떠돌아야 했던 충전난민 시절의 불편했던 기억도 떠올랐다.
물론 배터리교체시스템이 사용가능한 차량을 구매한다 해도 교체스테이션이 주요 이동 경로 주변에 없으면 불편하겠지만, 주유 시간과 유사한 시간에 차량 밖에 나갈 필요 없이 완충된 전기차를 사용할 수 있다는 점은 사용자경험 관점에서 높은 점수를 줄 수 밖에 없었다.
단 니오가 홍보하는 3분이 아닌 약 5분만에 교체가 완료되어 홍보와 현실에 작은 차이를 파악할 수 있었다.
2023년 2월 약 1300개 교체 스테이션을 설치한 니오는 같은 해 연말까지 1000개를 추가 전체 2300개소로 늘린다고 발표했다. 하지만 이미 올해 1분기가 지난 4월 7일 니오하우스 디스플레이에서 확인할 수 있었던 전체 교체 스테이션 수는 2398개로 2025년까지 4000개 이상 구축 목표를 달성을 위한 계획 만큼 빠르게 증설되지는 않는 듯 하다.
<니오하우스에 설치된 실시간 배터리교체 정보 디스플레이, 촬영=차두원)>
니오는 2023년 6월 12일 부터 무료 배터리 교체를 유상으로 전환했다. 2024년 3월에 표준배터리팩 월구독료는 980위안에서 728위안으로, 장거리 배터리팩은 월 1,680 위안에서 1,128 위안으로 내렸다. 전기차 경쟁이 심화되는 상황, 특히 샤오미 ES7 등장에 따라 경쟁력 강화를 위한 대응 가운데 하나로 내린 정책이라고 중국언론에서는 해석하고 있다.
배터리교체스테이션 설치비용도 많이 저렴해졌다. 1세대 스테이션 비용은 346만 위안, 2세대는 장비 150만 위안, 배터리 최소 100만 위안, 1일 30회 교체 가정 시 전략비용, 임대료, 인건비가 100만 위안으로 총 350만 위안, 3세대는 약 100만~150만 위안으로 업계에서는 추정하고 있다. 특히 3세대는 인건비도 절감할 수 있어 마케팅 비용에 과도한 지출을 한다는 비판을 듣는 니오 입장에서는 경제성에 보다 유리한 시스템이라고 볼 수 있다.
고가의 차량으로 막대한 배터리교체스테이션 비용이 필요하지만, 적절한 스테이션 네트워크만 갖추어 진다면 중국 내 니오 오너에게는 높은 사용자 경험을 제공할 것으로 예상된다.
역사 속으로 사라진 테슬라와 베터플레이스
테슬라는 2013년 6월 배터리 스왑 스테이션을 공개했다. 연료탱크가 90ℓ인 아우디 A8이 휘발유를 주유하는 영상과 실제 일론 머스크가 배터리 스왑 이벤트 현장에서 모델S 배터리를 스왑하는 모습을 비교 시연했다. 결과는 아우디A8이 4분 8초만에 주유를, 모델S가 1분 33초 만에 배터리 스왑을 완료했다. 전기차 충전시간이 아니라 일반 휘발유차 주유시간과 비교해 많은 관심을 받았던 테슬라 초기 이벤트 가운데 하나였다.
하지만 테슬라는 약 3년간 캘리포니아주에서 시험 운영했던 배터리 스왑 스테이션의 파일럿 프로그램을 2016년 종료했다. 단 한곳만을 운영하며 휴일을 포함해 오전 9시부터 오후 5시까지 서비스했는데 예약은 항상 밀려 있었고, 스왑 비용은 80달러였다.
기대와 달리 완전 자동화된 시스템이 아니라 차량 밑에서 인간 작업자들이 직접 배터리를 교환하는 방식으로 운영되었다. 평균 스왑 시간은 7분 정도로, 이벤트 때와는 차이가 있었다. 특히 당시 슈퍼차저가 무료였던 점을 감안하면 굳이 비용을 지불하고 예약대기까지 하면서 스왑 스테이션을 활용할 필요는 없었을 것으로 판단된다. 2015년 6월 주주총회에서 일론 머스크는 고객들이 슈퍼차저가 충분히 빠르기 때문에 배터리 교체시스템에 관심을 가질 이유도, 의미를 부여할 필요도 없다고 말했다. 현재 테슬라에 전혀 관심이 없는 분야가 배터리 교체시스템이다.
다음으로 많이 회자 되는 대표적인 기업은 베터플레이스(Better Place)다.
본사는 미국이지만 2007년 이스라엘 기업가 샤이 아가시(Shai Agassi)가 설립한 기업이다. 전기차 개발로 세계 자동차 산업의 석유 의존도를 종식시키겠다는 목표를 가졌다. 차량 대신 교통수단을 판매하는 월구독형과 마일리지 모델을 제시해 많은 관심을 끌었다. 무려 8억5000만 달러(약 1조 445억 원)를 투자받았고, 배터리 스왑이 가능한 차량 르노 플루언스(ZE Fluence ZE) 생산을 위해 르노-닛산과 계약하기도 했다.
샤이 아가시는 자신의 비전 달성을 위해 차량과 배터리는 분리되어야 한다고 믿었다. 베터플레이스는 2분 안에 배터리를 스왑하는 시스템을 개발했다. 이는 주행거리가 불안해 전기차를 구매하지 못하는 고객들을 유인하는 역할을 할 수 있을 것처럼 보였다.
하지만 2010년 전기차는 10만 대가 팔릴 것이라는 예상과 달리 1000대 판매에 그쳤다. 세금감면 혜택에도 불구하고 3만3000달러 수준으로 가격이 매우 비싼 것이 커다란 단점이었다. 자동차와 배터리를 분리해야 한다는 철학을 가졌으나 완성차 업체에 의존할 수밖에 없는 비즈니스 모델이라는 점, 사업 모델의 가능성이 초기 검증에 실패하면서 완성차 업체들에게는 협력할 인센티브가 없었던 점 등이 베터플레이스가 가진 취약점이었다.
방대한 충전소 네트워크 구축에 따른 자금 부담, 비즈니스의 불확실성, 50만 달러를 예상했던 스왑 스테이션 비용이 실제로는 네 배인 200만 달러로 상승한 데 따른 현금 흐름과 성장 압박, 무엇보다 파일럿을 통한 비즈니스 모델의 검증 전부터 덴마크, 호주, 하와이, 일본, 미국, 네덜란드 등으로 지리적 시장 확장에 집중한 것. 이 모든 악재와 악수가 겹쳐진 결과 베터플레이스는 2013년 2분기 파산신청을 끝으로 결국 역사 속으로 사라졌다.
범용 배터리 교체시스템을 꿈꾸는 앰플(Ample)
니오와 함께 배터리 교체 기술로 주목 받는 기업 가운데 하나는 앰플이다. 2014년 설립 7년 동안의 개발을 통해 특수제작한 배터리 모듈과 팩을 10분 만에 교환 가능하다고 밝히고 있는 곳이다. 2021년 11월 평가받은 기업가치는 10억 달러다. 시리즈C로 5000만 달러를 투자 받았으며, 총 누적 투자액은 2억8000만 달러를 기록했다.
앰플의 배터리 교체시스템은 드라이브 스루 형태로 5분만에 완충된 배터리로 교체가 가능하다.
<앰플의 배터리교체스테이션, 출처=앰플 유튜브 채널>
2023년 12월에는 스텔란티스와 파트너십 구축을 위한 계약을 발표했다. 2024년 스페인 마드리드의 Free2Move 카셰어링 서비스에 스텔란티스의 주력 차종인 피아트(Fiat) 500e 100대를 활용하는 프로젝트를 진행할 예정이며, 피스커 역시 2024년 적용을 발표하기도 했다.
앰플의 방식은 동일한 배터리 교체시스템이라도 니오와는 차이가 있다.
니오는 자체 개발한 차량에 배터리팩 전체를 교체하지만(Full Pack Swap System), 앰플은 생산된 차량에 모듈식 배터리 교체(Modular Battery Swapping) 방식이다. 즉, 앰플의 경우 기존 완성차에 모두 적용이 가능한 기술이나, 시스템 적용을 위해선 특정 차종을 위한 탈착식 어댑터 플레이트(Adapter Plate)를 완성차 업체와 협력 개발해 장착해야 한다. 따라서 앰플 측은 2023년 6월 기준 5개 완성차 업체와 파트너십을 체결하고 20개 전기차 모델용 어댑터 플레이트 설계를 완료했다.
최고경영자(CEO)인 칼레드 하수나(Khaled Hassounah)에 따르면 배터리교체를 위한 앰플의 스테이션 가격은 10만 달러 미만으로 일반 컨테이너에 선적이 가능하다. 또, 사흘 만에 설치가 가능하고 저속충전을 활용하기 때문에 비용이 많이 드는 고전압 인프라 설치가 필요 없다고 한다.
단점은 배터리팩 전체를 채우지 못해 빈공간이 생기기 때문에 배터리 용량이 떨어질 수 있다. 하지만 일반적으로 물류, 카셰어링, 택시, 물류 등 특정 지역에서 운행하며 1회 충전 시 주행거리가 길 필요가 없다. 운영 효율성을 위해 적정한 고정 스테이션 설치가 가능한 B2B 차량에는 적합하다는 의견이다. 앰플의 타깃 비즈니스도 B2B 서비스 차량이다(물론 일반 차량에도 적용은 가능하다). 하지만 니오와 달리 앰플 비즈니스가 활성화되기 위해서는 완성차 업체가 파트너가 되어야한다는 필수 제약은 베터플레이스와 동일하다.
2023년 6월 기준 샌프란시스코 베이에어리어와 유럽에 설치된 스테이션에서 하루 200여 회의 배터리 교체를 수행하고 있으며, 최근 교토에 일본 에너지 회사 ENOS와 협력해 2개의 스테이션을 설치했다. 교토에 설치된 스테이션은 소형승용차에서 클래스3 트럭까지 공용으로 사용이 가능하다. 미쓰이스미토모 은행, MK 택시, 교토시와 교토부, NTT 애노드 에너지, 일본생명보험, 오므론 필드 엔지니어링, 도쿄센추리, 일본자동차솔루션, 도쿄R&D, 아사히 ETIC 등이 차량 파트너사로 참여하고 있다.
새롭게 도전하는 현대차와 정부차원 정책을 추진하는 인도
테슬라, 베터플레이스, 니오, 앰플만 배터리 교체시스템을 시도한 것은 아니다.
올해 2월 국토교통부 모빌리티혁신위원회는 현대차가 제출한 전기차 배터리 교환형 차량제작 실증특례 사업을 의결했다. 현행 우리나라 자동차관리법에는 배터리 탈부착 차량에 대한 제작 기준이 없고, 배터리 탈부착은 차량 정비행위로 등록된 정비사업자만이 할 수 있다. 금번 특례는 자동차안전연구원의 안전성 확인을 받아 차량 제작이 가능하며, 현대차는 올해 하반기에는 실제 장거리 운행이 많은 택시 사업자 등을 대상으로 배터리 교환서비스 실증을 위한 계획을 구체화 해 규제 특례를 추진한다는 계획이다. 우리나라 스타트업 피트인도 배터리 교체스테이션 올해 3월 완성했으며, 5월 서비스를 시작할 것으로 알려졌다.
인도는 정부 주도로 배터리 스왑 정책을 진행하고 있다. 2020년 2월 인도 재무부와 기업부 장관인 니르말라 시타라만(Nirmala Sitharaman)은 2022~2023 예산을 발표하면서 빠르면 같은 해 7월 구매자가 배터리를 소유하지 않는 옵션을 제공해 초기 비용을 낮추는 BaaS(Battery as a Service) 정책을 시행하겠다고 밝혔다.
또한 현재 추진하고 있는 전기차와 하이브리드 장려 정책 FAME(Faster Adoption and Manufacturing of Hybrid and Electric Vehicle)과 함께 2022년 12월까지는 전기차 인프라와 배터리교체 생태계 강화를 위한 이니셔티브를 최종 확정할 것이라고 언급하기도 했다. 현재까지 이니셔티브가 확정되지 않았지만, 정부주도로 관련 기술 표준 확립 등 이니셔티브를 위한 논의가 활발하게 진행되고 있다.
인도는 2030년 모든 신차를 전기차로 출시할 예정으로 자가용 30%, 상용차 70%, 버스 40%, 이륜차와 삼륜차 80%를 전동화하겠다는 목표를 수립했다.
하지만 충전 인프라가 부족하고 전기차 가격이 높다는 단점을 극복해야 한다. 전기차의 경우 구매할 당시 초기 비용은 높지만 운영비용은 훨씬 적다. 따라서 전기차 확산을 위해선 초기 구매 부담을 줄여줘야 한다. 구매가의 40% 이상을 차지하는 자동차 배터리, 50%를 차지하는 이륜차와 삼륜차 배터리 교체시스템을 구독모델 등으로 전환하는 전략을 정부 주도로 추진하겠다는 전략은 그런 고민에서 나왔다.
2023년 12월에는 부처간 논의를 통해 이륜차, 삼륜차 중심 배터리 교환 정책 프레임워크 초안을 발표하는 등 정책 초기의 중점 추진 대상으로 보고 적극적 행보를 보이고 있다. 전기차 제조업체에 배터리 스왑이 가능한 차량의 생산을 촉구하며, 상호운용성 표준을 공식화하고, 궁극적으로는 배터리 스왑 정책으로 전기차 초기비용을 내연기관 수준보다 낮춰 출시할 수 있는 구조를 만드는 것이 목표다.
이미 자국 기업들을 중심으로 국가표준이 본격 진행 중인 중국 시장과 달리, 인도는 기술력에 한계가 있다. 인도 이륜차 시장을 석권하고 있는 혼다는 이륜차, 삼륜차에 이어 사륜차량으로 확대가 가능하며, 배터리 기술 발전과 함께 새로운 배터리 시장 형성도 가능하기 때문에 최근 적극적인 행보를 보이고 있다.
배터리교체시스템의 미래는?
중국에서 2018년 서비스를 시작한 니오보다 먼저 배터리 스왑 방식을 도입한 기업은 베이징자동차그룹이다. 중국은 2022년 베이징 동계올림픽을 위한 대기 개선을 목표로 기존의 내연기관 택시 5만 대를 전기택시로 전환하기 시작했고, 베이징자동차그룹은 전기택시 활용을 지원하기 위해 2016년부터 택시용 배터리 스왑 스테이션을 운영하고 있다.
중국의 많은 사람들이 고층 아파트에 거주해 집에서는 충전이 어려운데 주요 도시에는 개인용 주차공간과 충전 시설이 부족하다. 또 일부 오래되고 복잡한 주거 지역에서는 주차공간과 전력부족 문제로 가정용 충전기 설치의 한계로 정부주도로 정책을 정책을 추진하는 이유다.
2021년 8월 니오와 베이징자동차그룹이 주도한 배터리 스왑 표준, 2022년에는 전기 자동차 배터리 교체 스테이션에 대한 일반 기술 요구 사항 관련 표준이 국가자동차표준기술위원회의 검토를 통과했다. 중국과 함께 국가차원에서 배터리 교체시스템 정책을 추진하는 인도도 차종마다 다른 배터리 위치와 크기 때문에 호환성과 표준 확보가 어렵다는 것이 공통적으로 겪는 난관이다.
최근 전기차 시장이 성장 정체기에 들어서면서 할인과 저가모델 출시 경쟁 등이 진행되고 있다. 결국 핵심은 낮은 비용으로 획기적 전비를 갖춘 배터리 상용화 경쟁으로 귀결될 것으로 예상된다.
전기차 충전 대안으로서 의구심과 기대를 함께 받고 있는 배터리 교체시스템은 기존 내연기관 주유 시간 수준으로 배터리를 완충할 수 있어, 충전에 드는 시간 절약과 사용자경험을 강점으로 내세우고 있다. 이들 배터리 교체시스템을 개발하는 기업들은 전기차 전체 시장보다는 B2B 시장을 타깃으로 하는 등 특정시장 확보를 전략적으로 추진하리라 예상된다.
2023년 207억 위안, 한화로 약 3조1000억 원의 적자를 기록한 니오도 중저가 브랜드 온보(ONVO)와 파이어플라이(Firefly)를 출시할 예정이다. 특히 니오는 온보에 배터리교체시스템을 적용할 것으로 알려져 있다. 이와 함께 중국 전기차 업체들과 협력해 표준을 강화하고 스테이션 건설 비용을 분담, 에코시스템 확산을 추진하고 있다. 니오의 이런 행보는 향후 배터리교체시스템 시장성과 확산 초기모델로 지켜 볼 필요가 있다.
[참고문헌]
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Japan, let’s get started, ample blog, 2024. 3. 28.
Jarryd Neves, Stellantis EVs new and old getting battery swapping tech in 2024, CARBUZZ, 2023. 12. 8.
Sam Abuelsamid, Stellantis to implement swappable Ample battery modules In shared EVs, Fobes, 2023. 12. 7. i
Stellantis and Ample Establish Partnership to Leverage Ample’s Modular Battery Swapping Technology for Use in Stellantis Electric Vehicles, ample and Stellantis, 2023. 12. 7.
Todd Woody, EV battery swapping could help solve the US charging problem, Transport Topics, 2023. 6. 21.
蔚来第二品牌命名“乐道”，首款车对标Model Y, 陆金所FU.com, 2024. 3. 16.
