[논문]전기차 폐배터리를 재사용한 가정용 전력저장장치의 에너지 균등화 비용 추정: 가정용 태양광 시스템과 연계 시

홍용준

전기차 폐배터리를 재사용한 가정용 전력저장장치의 에너지 균등화 비용 추정: 가정용 태양광 시스템과 연계 시 원문보기

태양광발전학회 = Bulletin of the Korea Photovoltaic Society, v.3 no.2, 2017년, pp.55 - 62

홍용준 (고려대학교 그린스쿨 에너지환경정책학과)

초록
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전기차 보급의 확대에 따라 배터리의 사용연한 도래 시 폐배터리의 누적규모도 전기차 판매량에 비례하여 증가할 것으로 보인다. 국가 별 규제로 인해 배터리의 재활용(Recycle) 의무가 있는 자동차 제조사를 중심으로 폐배터리를 재사용(Battery Second Use: B2U)한 ESS(Energy Storage System) 제품을 출시하거나 이를 활용한 실증 과제를 운영 중에 있다. 전기차 배터리의 성능 보증 수준은 통상 초기용량의 80%로, 보증이 완료된 폐배터리를 낮은 가격으로 매입하여 ESS로 활용할 경우 초기용량의 60%까지 사용 후 폐기할 수 있다. 따라서 B2U 제품은 신규 배터리 셀을 사용하는 ESS 제품 대비 가격은 저렴하나, 20년 이상 사용하는 태양광 시스템과 연계 시 4~6회 교체가 필요하다. 이러한 배경에서 본 고에서는 가정용 태양광 시스템에 신규 배터리를 사용한 가정용 ESS 제품과 B2U ESS 제품 연계 시 에너지 균등화 비용(Levelized Cost of Energy: LCOE)을 비교하여 B2U 제품의 경제적 타당성을 추정한다.

AI 본문요약
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문제 정의

한국에서는 산업통상자원부 산하 에너지기술평가원 주도로 폐배터리의 잔존가치를 등급별로 산정, 합리적인 폐배터리 시장 거래 기준 마련을 위한 과제를 수행 중에 있다. 2018년까지 진행되는 본 과제는 60억원의 사업비를 지원하여 배터리 잔존가치를 등급별로 산정해 합리적인 거래기준을 마련하는 것을 목표로 한다.^[11] 전기차 보급률이 가장 높은 제주도는 2019년까지 전기차 폐배터리 재사용센터를 구축한다.
BMW 역시 자사 mini-e 모델의 배터리 팩을 재사용한 시스템을 University of California San Diego에 설치 후 B2U 기술적 구현 가능성에 연구 목적을 두고 실증을 진행했다. 2016년에는 중고 i3 배터리를 활용하여 가정, 상업용 ESS 시장 진출 계획을 발표하였고, 22kWh, 33kWh 두 가지 용량의 제품을 출시할 계획이다.

가설 설정

B2U 제품의 초기 가격은 2016년 신규 배터리 가격의 10%, 20%, 30%, 40%으로 가정하며, 신규 배터리와 동일한 가격 하락률을 적용하여 시나리오 2,3,4에 대입하였다.
교체 시 발생하는 비용은1)ESS 구매가, 2)인버터 구매가, 3)설치, 해체를 위한 인건비로, 2016년 이후 25년 간의 제품 가격 하락률 및 인건비 상승률은 표 3와 같이 가정하였다. 계산을 단순화하여 제품가에 물류비와 판매세만을 추가 적용하였고 마지막 해(25년 차)에는 시스템 철거를 위한 해체비용을 반영하였다.
, B2U 제품은 3년, 4년, 5년 주기로 교체 시 LCOE를 비교하였다. 인버터의 사용 연한은 10년으로 가정하여 총 2회 교체하는 것으로 계산에 반영하였다.

제안 방법

경제성 검증을 위해 가정용 태양광 패널과 함께 B2U ESS 제품과 신규 ESS 제품을 각각 새로 설치하는 것으로 가정하여 에너지 균등화 비용(Levelized Cost of Energy: LCOE)을 비교하였다. LCOE는 발전 시설의 총 비용의 현재가치를 총 발전량의 현재가치로 나눈 것^[14]으로 서로 다른 발전원 간의 경제성을 비교하기 위해 사용하는 방법이다.
상호 비교를 위해 먼저 “태양광 + 신규 배터리”의 LCOE를 산출한 다음, “태양광+B2U 배터리”는 배터리의 교체 주기와 B2U 제품의 가격을 변수로 두고 LCOE를 계산하였다.
^[11] 전기차 보급률이 가장 높은 제주도는 2019년까지 전기차 폐배터리 재사용센터를 구축한다. 센터에서는 앞으로 재사용할 배터리 검증을 위한 분석장치, 배터리 검사 시스템 등을 개발하고, ESS 시험평가 환경을 조성한다. 재사용 배터리의 등급을 판정하는 국내 표준을 제정하고, 국제표준안도 만들어 전 세계 국가에 제안할 예정이다.
시나리오 별 LCOE 도출하기 위해 총 비용 및 태양광 발전량의 현재가치를 구하였다. 먼저 LCOE 계산식의 분모가 되는 총 누적 발전량의 현재가치는 89,041kWh로 계산된다.
태양광 발전량은 NREL의 “PV Watts Calculator”을 이용하여 캘리포니아 주 Los Angeles시에 지붕에 5.6kW 태양광 패널을 설치했을 때의 연간 태양광 생산량을 도출하였다8).
태양광 패널의 수명주기는 25년으로 가정하고, 신규 ESS 제품은 10년⁵⁾, B2U 제품은 3년, 4년, 5년 주기로 교체 시 LCOE를 비교하였다. 인버터의 사용 연한은 10년으로 가정하여 총 2회 교체하는 것으로 계산에 반영하였다.

대상 데이터

다임러는 자회사인 Mercedes-Benz Energy를 설립하여 ESS 시장에 진출하였다. 신규 배터리를 탑재한 가정용 ESS 시장에 진출함과 동시에 B2U 제품을 출시하여 향후 다임러 전기차 폐배터리를 처리하기 위한 사업전략으로 보인다.
본 고는 상기의 케이스 중 “DC Coupled” 시스템4)의 2016년 가격을 채용하였으며, 시스템의 사양은 5.6kW 태양광 패널에 6kWh 용량의 ESS를 연결하여 6kW급 인버터를 통해 가정에 교류 전원을 공급하는 구조를 적용한다.

성능/효과

전기차 보급률이 높은 캘리포니아 주에서만 2050년 15TWh 규모의 폐배터리가 발생하는 것으로 예측한 연구 결과도 있다.^[4] 15TWh는 2015년 캘리포니아 전력사용량의 5%에 달하는 에너지로 활용 방안을 찾을 경우, 전력시장 내 새로운 에너지원으로 자리매김 할 수 있는 수준이다.
상기의 결과는 태양광 시스템에 B2U 배터리를 연계하여 사용할 경우 초기 투자비용을 낮출 수 있지만 제시된 조건 아래에서는 최소 5년 이상 사용 보증이 가능한 제품만이 신규 배터리 대비 시장 내 경쟁력을 갖출 수 있음을 의미한다. 이는 신규 배터리 대비 10~20% 적은 금액으로 B2U를 판매하여도 제품 교체로 인한 인건비, 물류비 등의 유지보수 비용의 비중이 실제 가격 경쟁력을 결정하는 것으로 판단된다.
먼저 LCOE 계산식의 분모가 되는 총 누적 발전량의 현재가치는 89,041kWh로 계산된다. 전술한 조건 아래 첫 해 총 발전량이 8,764kWh으로 산출되었고, 운영기간(25년) 동안의 연간 효율 감소 및 할인율 9%를 고려한 결과이다.
68%의 발전 효율이 낮아지는 조건으로 발전량을 산출하였다. 캘리포니아를 기준으로 한 이유는 전기차와 태양광 보급률이 높고 ESS 보급을 촉진하는 제도⁹⁾가 마련되어 있어 B2U 제품 ESS로 활용하는 생태계가 구축될 가능성이 높은 지역임을 감안하였다. 이러한 배경에서 LCOE 분석을 위한 할인율은 캘리포니아 주 태양광 설치 시의 기대 수익이 9~14% 수준^[18]임을 참고하여 최저치인 9%를 적용하였다.

후속연구

이는 각각의 LCOE를 도출하여 신규 배터리 대비 B2U 제품이 경제성을 확보하기 위한 가격 범위를 살펴보기 위한 것으로 향후 B2U 제품의 거래 기준 책정 시 고려해야 할 사안이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수명이 다 된 자동차용 배터리의 처리방안엔 어떤 방법이 있는가?	수명이 다 된 자동차용 배터리의 처리방안에는 크게 재생산(Remanufacturing), 재활용(Recycle), 그리고 재사용(Battery Second Use: B2U1))이 있다. 재생산은 폐배터리의 일부 셀을 신규로 교체하여 배터리 팩의 수명을 늘리는 것으로 “수거-배터리 팩 해체-셀 교체-재출하” 과정을 거친다.
	배터리 수거 및 재활용의 중요성이 높아진 이유는?	아울러 폐자동차 재활용 관련 법안이 강화 되면서 배터리 수거 및 재활용의 중요성 역시 높아졌다. EU는 2006년부터 폐자동차의 80% 이상 재활용하도록 권고하였고 2015년부터 95% 이상(에너지 회수 포함 시)으로 기준이 강화되었다. 주요 EV의 경우 차량 내 배터리 중량 비중이 20%[6] 이상으로 규제 충족을 위해서는 배터리 전량 재사용 및 재활용이 필수적이다. 한국, 중국, 일본 모두 EU 수준의 자동차 재활용률을 도입하고 있어 전기차 폐배터리 처리 방안 마련에 대한 시장 내 요구가 높아지고 있다.
	폐배터리를 재사용했을 때의 장단점은?	국가 별 규제로 인해 배터리의 재활용(Recycle) 의무가 있는 자동차 제조사를 중심으로 폐배터리를 재사용(Battery Second Use: B2U)한 ESS(Energy Storage System) 제품을 출시하거나 이를 활용한 실증 과제를 운영 중에 있다. 전기차 배터리의 성능 보증 수준은 통상 초기용량의 80%로, 보증이 완료된 폐배터리를 낮은 가격으로 매입하여 ESS로 활용할 경우 초기용량의 60%까지 사용 후 폐기할 수 있다. 따라서 B2U 제품은 신규 배터리 셀을 사용하는 ESS 제품 대비 가격은 저렴하나, 20년 이상 사용하는 태양광 시스템과 연계 시 4~6회 교체가 필요하다. 이러한 배경에서 본 고에서는 가정용 태양광 시스템에 신규 배터리를 사용한 가정용 ESS 제품과 B2U ESS 제품 연계 시 에너지 균등화 비용(Levelized Cost of Energy: LCOE)을 비교하여 B2U 제품의 경제적 타당성을 추정한다.

참고문헌 (19)

International Energy Agency, "Global EV Outlook 2017" June 2017 p.12
문화일보, "지구촌 누비는 전기車... 올 첫 100만대 이상 판매", 2017년 7월 18일 게재 (http://www.munhwa.com/news/view.html?no2017071801071803012001)
Navigant Research, "Alternative Revenue Models for Advanced Batteries" 1Q 2016. p1
Roger Sathre, Corinne D. Scow, Olga Kavvada, and Thomas P. Hendrickson. "Energy and climate effects of second-life use of electric vehicle batteries in California through 2050", Journal of Power Sources (288, 2015), p. 82-91

상세보기
글로벌 오토 뉴스, "중국과 독일, 배터리 재활용을 위해 협력한다", 2016년 6월 21일 게재 (http://global-autonews.com/bbs/board.php?bo_tablebd_026&wr_id193)
닛산 리프 24kWh: 20%(배터리 294kg / 총 중량 1,521kg), 테슬라 모델 S 85: 26%(배터리 540kg / 총 중량 2,108kg). 리프 배터리 중량은 닛산 USA 홈페이지 (www.nissanusa.com/content/dam/nissan/pdf/techpubs/leaf/2012/2012-leaf-dismantling-guide.pdf), 모델 S는 위키피디아 (https://en.wikipediaorg/wiki/Tesla_ Model_S) 참고
박수항, "전기차가 견인하는 ESS 시장", 에너지포커스 (2017년 봄호), p103
박수항, "전기차가 견인하는 ESS 시장", 에너지포커스 (2017년 봄호), p103
The Guardian, "nissan-launches-british-made-homebattery-to-rival-teslas-powerwall", 2017년 5월 4일 게재 (https://www.theguardian.com/business/2017/may/04/nissan-launches-british-made-home-battery-to-rival-teslas-powerwall)
박수항, "전기차가 견인하는 ESS 시장", 에너지포커스 (2017년 봄호), p99 (사진 출처는 각 사 홈페이지)
박수항, "전기차가 견인하는 ESS 시장", 에너지포커스 (2017년 봄호), p104
연합뉴스, "제주도 '전기차 폐배터리 재사용 센터' 2019년 구축", 2017년 5월 2일 게재 (http://www.yonhapnews.-co.kr/bulletin/2017/05/02/0200000000AKR20170502116000056.HTML)
박수항, "전기차가 견인하는 ESS 시장", 에너지포커스 (2017년 봄호). p101.
정지홍 외, "주요국 그리드패리티 달성요인 분석 및 특징 비교", KEMRI 전력경제 REVIEW(2016년 제24호), p2
정지홍 외, "주요국 그리드패리티 달성요인 분석 및 특징 비교", KEMRI 전력경제 REVIEW(2016년 제24호), p2
Kristen Ardani at al, "NREL_Installed Cost Benchmarks and Deployment Barriers for Residential Solar Photovoltaics with Energy Storage: Q1 2016", National Renewable Energy Laboratory, February 2017
Kristen Ardani at al, "NREL_Installed Cost Benchmarks and Deployment Barriers for Residential Solar Photovoltaics with Energy Storage: Q1 2016", National Renewable Energy Laboratory, February 2017. p7
http://www.gosolarcalifornia.ca.gov/solar_basics/pricing_financing.php
https://www.eia.gov/electricity/monthly/epm_table_grapher.php?tepmt_5_6_a (2016년 6월 캘리포니아 주택용 평균가 참조)

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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