NACFE 중형 전기트럭 TCO 리포트

NACFE는 미국 운송 효율 위원회 North America Council for Freight Efficiency인데

이곳에서 2018년 10월에 중형 전기트럭Medium Duty Commercial Battery Electric Vehicles (MD CBEVs)의 TCO에 관한 보고서를 냈다.

여기서 다루는 중형트럭은 차량 총중량Gross Vehicle Weight 기준 4.54톤~11.79톤의 차량들이었다.

주로 Box Trucks과 Step Van 같은 화물 운송과 관련한 차량을 중심으로 검토했다.

중형트럭의 사용처는 제법 많았다.

이들은 위치, 고객, 트럭형태, 사업 형태에 따라 고유한 형태를 갖고 있다.

교대shifts에 따라 나눠보면 1교대는 운송후 장시간의 대기시간을 갖고 있고, 2교대는 짧은 대기시간을 갖고 있고, 3교대의 경우는 대기시간이 거의 없는 경우에 해당한다.

전기트럭 충전의 관점에서 보면, 2교대와, 특히 3교대 근무는 급속 충전을 고려해야만 한다.

차량의 운행 형태를 보면, 통상 35mph(56km/h)로 주행한다.  

최고 속도는 60mph(96km/h)를 넘기는 경우도 많다.

차량이 주행하는 시간은 2.75시간 이하이나 경우에 따라 10시간을 초과하기도 한다.

직물 배송은 중량에 민감하나 대부분은 덜 민감하다고 볼 수 있다.

다음은 충전에 대해 살펴보자.

충전은 완속 충전overnight charging과 급속 충전fast charging이 있는데, 앞단을 먼저 보자.

즉, 발전->송전->배전을 거쳐 충전이 이뤄지는데

완속충전은 가정용 전기를 쓰게 된다. 예를 들어 한국의 경우 220V에 32A를 사용할 경우 7kW의 전력을 사용할 수 있다.

유럽과 미국에서는 전압과 저항을 늘릴 경우 22~42kW까지도 가능한 모양이다

그런데 급속충전의 경우에는 가정용 전기가 아니라 고압 송전선에서 전기를 끌어와야 한다.

완속충전에서처럼 과금을 위한 사용자 인증과 계량기 인증만 거치는 것이 아니라,

급속충전은 예를들어 한국에서는 AC 22.9kV의 고압송전선에서 전기를 끌어와야 하고, 이를 위한 AC 380V 변압기와 AC 380V 수배전반을 설치해야 하고 DC 800V의 충전소를 설치하고, 충전기도 만들어야 한다.

트럭 플리트의 경우, 화물의 적재와 하역이 이뤄지는 Loading Docks에 충전 시설을 설치하는 것도 검토중에 있다.

앞서, 완속충전은 일반 가정용, 급속충전은 고압송전선에서 전기를 끌어와야 한다고 했는데,

좀더 살펴보면, 총 전기 사용량이 이미 설치된 전기 용량을 초과할 경우에는, 완속충전도 고압송전선을 이용해야할 수도 있다.

위의 그림은 125kW Power Module을 1~4개 연결한 경우이고, 각각에서 2대의 충전기로 연결할 경우의 배분되는 전력량을 보여준다.

참고로, 전력은 전압x저항이라고 했는데, 저항과 관련해서는 배선의 굵기로 이해하면 좀 쉽다.

Phoenix Contact의 경우 60A CCS1 케이블의 직경은 27mm, 125A CCS1 케이블의 직경은 35.3mm, 200A CCS2 케이블은 32mm였다.

충전속도를 보자.

충전 80%까지는 충전 속도가 빠른 편이다. 이후 20%의 충전은 두배 정도 걸리는 게 리튬이온 배터리의 특성이라고 한다.

80%까지만 충전하는 사업모델을 적극 검토할 필요도 있겠다.

이 보고서에 따르면 차량 대수, 충전 가능한 시간, 충전 위치의 전기 인프라 및 인프라 능력이 충전 설비 구축에 고려되어야 한다고 했다.

당연히 1대 충전이냐 여러대(예:100대 충전)이냐에 따라 필요한 전력량이 다를 거고,

야간에 충전하는지, 중간중간에 충전해야 하는지에 따라 급속 충전의 필요성이 다를거고,

인프라 능력에 따라, 충전 설비만 구축해야 할지, 송배전망에서 전력을 별도로 끌어와야 할 지가 다르기 때문이겠다.

Level 2 충전기의 가격은 $5000~$7000 (240V x 16~40A = 3.8~9.6kW)이고 (참고로 Level 1 충전기는 120V 기반임)

DC fast charging (DCFC; 480V, 3-phase AC 기준)) 충전소 가격은 $35,000이라고 나와 있다.

부가적으로 중형트럭 전동화에 영향을 끼지는 요소들을 적고 있는데

우선 전자상거래다. '18년 10월 자료인바 최근의 코로나바이러스 상황은 반영이 안되었지만,

전체 거래의 10%가 전자상거래고 매출액으로 1200억불에 달한다고 한다.

캐나다도 399억 캐나다달러에 달한다고 하고.

다만 60%의 소비자들은 실제 물건을 보고 구매하기를 선호한다고.

전자상거래의 비율은 향후 20년대에는 15% 이상으로 성장한다고 예상했다. 

두번째로, 스타트업들이 전동화에 먼저 나서는데, 기존의 OEM들이 전기트럭 시장에 진입해야 사회적 리스크가 줄어든다고 보고 있다.

현재의 시장에서는 배터리팩이 크기나 모양도 표준화 되지 않았고, 성능도 차이나 많다고 보고 있다.

세번째, 차량 수명 vehicle life 관련해서는, 중형트럭의 경우 대략 11.8년에서 21.2년을 사용한다고 보고 있다.

네번째, 잔존가치 residual value 관련해서는, 3년후 디젤은 50%의 잔존가치가 있는 반면, 배터리는 22~27%, PHEV는 31~38%가 남을 것으로 보고 있다. 그런데, 이 비율은 인센티브 등이 반영되어서 높다고 지적하고 있다.

의미 있는 언급이 있었는데, 전기트럭이 디젤트럭보다 더 낮은 관리 비용 maintenance cost와 더 뛰어난 운행 시간 uptime을 제공하는 것이 입증될 경우 중고차 시장에서 전기트럭은 프리미엄 가격이 형성될 거라는 것이었다.

다섯번째, zero emission이 의무화 되었을 때의 디젤트럭 잔존가치에 관한 것이었다.

여섯번째는 zero emission 법규 관련인데, 미국의 경우 캘리포니아를 포함한 13개주에서 2030년까지 500만대의 승용차 또는 LCV 전동화 계획이 있고, 관련하여 2025년까지 ZEV Credit을 22%까지 늘려야 규정이 있는데 여기에 중형트럭도 포함될 가능성이 있다고 한다.

유럽도 런던의 Ultra Low Emission Zone 같은 규정이 있고, 중국도 유사한 규정을 갖고 있다고 언급한다.

일곱번째는 고객 입장에서의 지원프로그램으로는 미국은 Hybrid and Zero Emission Truck and Bus Voucher Incentive Program (HVIP) 같은 프로그램이 있고, Electrify America 같은 충전 네트워크를 지원하는 프로그램 등 다양한 프로그램들이 있다고 한다.

여덟번째로는 Maintenance 비용과 수리비인데, 전기트럭은 regenerative braking system을 사용해서 브레이크와 타이어 비용이 상대적으로 적게 들어갈 것으로 예측된다고 한다.

아홉번째는 화재인데, 2015년 미국에서 17만4천여건의 차량 화재가 발생했었다고 한다. 이중 23%가 전력계의 문제였다고 하며, 이 부분은 배터리 차량에서도 우려가 될 수 있는 부분이다.

열번째는 코발트, 희토류, 리튬 같은 고가 광물들의 가격이다.

코발트는 재충전에 필요한 광물인데 구리나 니켈을 채굴할 때 부산물로 나온다고 한다.

710만세제곱톤이 지구상에 묻혀 있는데, 매년 수요량이 10%씩 늘 경우 20년간 공급 가능한 분량이라고 한다.

코발트의 비율을 줄이기 위해 니켈:망간:코발트 비율을 8:1:1로 개발하기도 하는 등 여러 시도도 하고 있다.

희토류는 고효율 전기모테 제작에 필요하다고 한다.

리튬은 상대적으로 풍부하며 1600만세제곱톤이 묻혀있고 43년간 공급 가능한 분량이라고 한다.

열한번째는 중량인데, 직물이나 종이, 음료를 싣는 차량의 경우 중량 제약에 문제가 있고 다른 차량들은 상대적으로 덜하다고 한다.

열두번째는 배터리의 라이프 사이클인데, 80%까지 사용하고 교체되는 것으로들 보고 있다.

OEM에서 5년, 7년, 또는 10년의 사이클을 목표로 개발하는 반면, 사용자들은 10~30년을 사용할 수가 있고, 이 경우는 수명이 다한 배터리를 교체하는 것을 염두에 두게 된다.

열세번째는 교체된 배터리의 재사용에 관한 것이다.

2025년이면 18GWh에 달하는 2차 배터리 문제가 제기될 것으로 예상하고 있다.

80% 이하의 성능이 남은 배터리의 겨웅 ESS, utilities, 농장/창고/가정용으로 사용될 수 있다고 한다.

열네번째는 온도에 대한 민감성 이슈다.

상기 자료는 미국 DOE의 Wood et at에서 니산 Leaf의 자료를 정리한 테이블인데

외기온도가 10~25도, 주행속도가 시속 36~60km/h일 경우 배터리의 성능이 최적으로 작동되는 반면

같은 외기 10~25도일지라도 주행속도가 92km/h(57.5mph)를 넘게 되면 20%이상 성능이 저하되게 된다.

마찬가지로 주행속도가 12km/h(7.5mph)이하인 때도 배터리 성능이 20~30% 저하된다.

주행속도가 36~60km/h인 경우에도 외기 온도가 영하 5도 이하로 떨어지거나 영상 30도 이상으로 올라가게 되면 배터리 성능은 30% 이상 저하되어, 온도에 특히 민감함을 볼 수 있다. (한지와 열대 지역 취약)

열다섯번째는 차량의 recycling, 열여섯번째는 Energy sourcing이 있고

열일곱번째로 Grid의 준비정도 문제가 있다. 전기차의 공급은 충전 시스템이 준비되는 시점에 가능하다 볼 수 있다.

긜고 충전 시스템 설치는 6개월에서 1년 넘게 걸리기도 한다.

열여덟번째는 충전 규모이다. 1~5대 규모의 전기차를 구매하는 경우 대비 20대 이상의 트럭을 필요로 할 경우, 전력망이 이용할 수 있는 정도와 당국의 승인 여부를 반드시 고려해야 한다. 승인은 때로는 1~2년이 걸리는 사안이기도 하다.

또한 전력 요금은 사용량과 계절, 시간 등에 따라 많이 차이가 난다.

열아홉번째는 디젤의 가격 변화이고

스무번째는 고압 전기의 안정성 이슈다.

이런 배경하에서 TCO를 살피게 되는데

투자된 자금의 회수, 배터리 차량과 관련한 인프라 투자 포함, 차량별 운행 특성, 배터리의 요구 성능 (기본 성능 + worst case + 성능 저하 + Margin), 배터리 교체시 비용, 잔존가치, 구매 방식, 에너지 비용, Maintenance costs 등등을 고려할 것을 언급하고 있다.

중형트럭의 상용전기차는 거점 기반return-to-base 하루 160km 이하로 운행하는 용도에 적합하며,

불확실성이 있기는 하나, 플리트들은 전기차를 운행하게 될 것으로 보고 있다.

OEM도 차량 뿐만아니라 충전기 및 전기, Maintenance와 수리까지 제공하는 것을 고려할 것이고.