전기차 운행 전에 배터리를 채우려면 충전이 필요하다. 그러나 일부 기업들은 현재 가장 빠른 전기차 충전기보다 훨씬 더 빠른 속도로 전기차 운행을 준비할 대안을 염두에 두고 있다. 그 대안이란 바로 ‘배터리 교체(battery swapping)’다.

지난 5월, 샌프란시스코에 본사를 둔 스타트업 앰플(Ample)이 새로운 배터리 교체 시스템을 선보였다. 회사의 설명에 따르면 이 시스템은 고갈된 전기차 배터리를 5분 만에 새 배터리로 교체할 수 있는 시스템이다.

이로써 앰플은 이와 유사한 아이디어를 가진 기업 명단에 합류하게 되었다. 배터리 교체는 주유소에 들러서 기름을 넣는 것만큼이나 편리하고 빠른 서비스를 목표로 한다. 이 기술을 지지하는 사람들은 빠른 배터리 교체가 가능해지면, 전기차 선호도를 높이는 데 도움이 될 수 있다고 주장한다. 그러나 일부 전문가들은 이러한 주장에 대해 회의적이다. 이들은 배터리 교체를 기껏해야 미래 전기차 시장의 좁은 타겟을 대상으로 한 값비싼 솔루션으로 여긴다.

앰플의 새로운 배터리 교체소는 광택이 있는 하얀색 곡선형 틀과 기둥으로 만들어져, 마치 실리콘밸리에서 설계한 세차장처럼 보인다. 앰플의 제품책임자 하미드 슈리커(Hamid Schricker)는 필자에게 교체소의 모습을 담은 영상 투어를 제공하며, “우리는 이곳을 통해 주유소처럼 빠르고 경제적이며 편리한 경험을 제공하고자 한다”고 설명했다.

앰플의 교체소는 자동차 2대 정도가 주차할 수 있는 공간을 차지하며, 드라이브스루 서비스를 제공한다. 차량의 배터리 교체 준비가 완료되면 운전자가 교체소로 이동한다. 문이 미끄러지듯 열리며 내부 공간이 모습을 드러낸다. 운전자는 교체소 내부 화면에 보이는 안내에 따라 지정된 위치로 차를 가져간 다음, 연결된 앱 버튼을 눌러 배터리 교체를 시작한다. 교체소 플랫폼이 차량과 운전자를 어느 정도 위로 들어 올리면, 내부 기계가 다 쓴 배터리를 제거하고 새로운 배터리를 설치한다. 배터리 교체가 끝나면 플랫폼이 차량을 다시 도로 높이까지 아래로 내린다. 그러면 운전자는 새로운 배터리와 함께 교체소를 떠날 수 있다.

방전된 배터리는 몇 시간이면 다시 충전해서 다른 차량에 장착할 수 있다. 앰플의 공동 설립자이자 사장인 존 드 수자(John de Souza)는 배터리를 더 빨리 충전하는 것도 가능하지만, 천천히 충전해야 성능 저하 방지에 도움이 된다고 말한다. 배터리 교체 횟수는 전력망 연결 상황에 따라 제한되므로 100kW로 연결된 배터리 교체소는 하루에 50kWh 용량의 배터리 48개를 충전 및 교체할 수 있을 것이다.

앰플은 샌프란시스코 주변 지역에 총 12곳의 1세대 배터리 교체소를 보유하고 있다. 드 수자는 이 배터리 교체소 전체에서 1회당 약 10분씩, 매일 수백 번의 배터리 교체가 이루어지고 있다고 말한다. 앰플은 우버(Uber)와 제휴하여 배터리 교체가 승차공유용 차량처럼 까다로운 상황에 도움을 줄 수 있음을 보여주고자 한다. 그러나 회사의 궁극적인 목표는 출퇴근이나 장거리 자동차 여행을 하는 사람들이 잠깐 들러서 전기차 배터리를 교체하고 다시 이동할 수 있게 하는 것이다.

배터리 교체소 건설은 충전소 건설보다 비용이 많이 들 것이다. 앰플은 각 배터리 교체소 건설에 정확히 얼마를 지출할 계획인지 밝히지 않으며, 단지 건설 및 설치에 50만 달러(약 6억 4,000만 원)가 필요할 수 있는 다른 업체의 배터리 교체 시설보다는 비용이 높지 않을 것이라고만 말했다.

갈림길

앰플이 최초의 배터리 교체 회사인 것은 아니다. 테슬라(Tesla)도 2013년에 모델S(Model S)에 배터리 교체 기술을 시연했지만, ‘슈퍼차저(supercharger) 네트워크(테슬라의 초고속 충전 인프라)’를 위해 이 계획을 포기했다.

베터플레이스(Better Place)는 가장 잘 알려진 배터리 교체 스타트업 중 하나였다. 2007년에 설립된 베터플레이스는 르노(Renault) 자동차와 협력하여 이스라엘에 수십 개의 배터리 교체소 네트워크를 구축했다. 그러나 8억 5,000만 달러를 투자받은 이후에 다른 자동차 제조업체와 운전자들을 설득하지 못하면서 2013년, 회사는 결국 파산 신청을 하게 되었다.

베터플레이스의 실패 사례는 여전히 오늘날 배터리 교체 시장에 영향을 주고 있지만, 드 수자는 앰플의 접근 방식이 당시 실패의 원인들을 해결한다고 말한다.

베터플레이스나 앰플처럼 자동차 제조사가 아닌 업체들이 배터리 분야에서 입지를 다지려면, 도로 위를 달리는 수많은 자동차와 호환될 방법을 찾아야 한다. 그러나 자동차 제조사들이 모두 동일한 배터리를 도입하게 하는 것은 어려운 일이다. 실제로 자동차 제조사들이 전기차 모델마다 각기 다른 배터리 설계와 화학을 선택하는 일이 늘어나고 있다.

앰플의 솔루션은 모듈식 시스템으로, 한 번에 전체 배터리를 꺼내서 새로운 배터리로 교체하는 대신, 여러 개의 작은 배터리팩을 배터리 프레임에 맞출 계획이다. 드 수자는 이 방법을 사용하면 부품 크기가 줄어들기 때문에 배터리 이동에 필요한 기계 비용이 줄어든다고 말한다.

드 수자는 무엇보다도, 모듈식 설계가 자동차 제조사와의 협력에 도움이 된다고 말한다. 앰플은 자동차 제조사들이 배터리가 있어야 할 곳에 빈 공간이 있는 자동차를 제조하기를 바란다. 그러면 앰플이 해당 모델에 대한 배터리 외피를 제작해서 장착 가능한 모듈을 최대한 많이 연결할 수 있을 것이다.

모듈의 수는 전기차의 크기(소형차는 대형 SUV보다 모듈이 덜 필요할 것이다)와 운전자의 필요에 맞춰질 수 있다고 드 수자는 말한다. 운전자는 평소에 일일 주행용으로 모듈을 몇 개만 설치하다가 장거리 여행을 갈 때는 모듈을 더 많이 채울 수 있다.

현재 앰플의 배터리 교체소는 회사의 특수 배터리가 설치된 2개 모델, 닛산 리프(Leaf)와 기아 니로(Niro)와 호환된다. 드 수자에 따르면 이 시스템은 13개 자동차 모델에 적용할 수 있지만, 이들과 협력한 다른 자동차 제조사가 어디인지는 아직 발표되지 않았다.

일부 전문가들은 앰플이 주장하는 배터리 교체 시스템의 실용성에 대해서 회의적이다. 카네기멜런 대학교(Carnegie Mellon University)의 공학 및 공공정책 교수 제러미 미할렉(Jeremy Michalek)은 “배터리 교체가 일반적인 전기차 배터리를 관리하는 우선적인 방법이 될 가능성은 낮다고 생각한다”고 말한다.

오늘날 도로 위에 있는 모든 전기차 모델에는 각기 다른 배터리 설계, 모양, 화학이 적용돼 있다. 그러나 배터리 교체에는 표준화가 필요하다. 모듈 방식으로 일부 맞춤화가 가능하더라도 이러한 방식이 여전히 자동차 제조사에는 제약으로 느껴질 수 있다. 그는 “다양한 전기차에 같은 크기의 모듈을 장착하는 것은 매우 제한적인 방법이다”라고 지적한다.

운전석에서

자동차 제조사가 아닌 앰플 같은 기업은 표준화된 배터리 교체 생태계 구축을 목표로 하고 있지만, 일부 자동차 제조사들은 스스로 세부 사항을 더 잘 제어할 수 있는 자체 인프라를 구축하고 있다.

중국에서 자동차 제조사 니오(Nio)는 배터리 교체 시장의 주요 업체로 자리매김했다. 니오는 약 1,400개에 이르는 상업용 배터리 교체소를 건설했다. 이러한 배터리 교체소의 대부분은 중국에 있지만, 회사는 노르웨이나 네덜란드 같은 유럽 국가로도 사업을 확장하기 시작했다. 목표는 2023년 말까지 배터리 교체소 2,300곳을 건설하는 것이다.

니오의 전력 관리 담당 수석 부사장 페이 선(Fei Shen)은 배터리 교체의 강점이 편의성이라고 언급하며 “배터리 교체에는 주유와 비슷한 시간이 소요된다”고 말한다.

니오의 배터리 교체소에서는 일체형 배터리를 제공한다. 회사는 용량이 다른 세 가지 배터리 옵션을 제공하며, 이러한 배터리들은 니오가 생산하는 모든 자동차에 장착될 수 있다.

니오의 고객들은 배터리를 교체할 필요가 없다. 니오의 전기차는 역시 니오가 건설하는 급속 충전소에서 배터리를 충전할 수 있기 때문이다. 하지만 선은 배터리 교체 옵션이 있고, 사람들이 해당 옵션을 선택하고 있다고 말한다. 실제로 니오의 자료에 따르면, 현재 운행 중인 니오의 전기차는 30만 대에 이르며, 운전자 중 약 60%는 배터리 교체 서비스를 이용한 적이 있다. 니오의 배터리 교체소는 총 2,000만 회의 배터리 교체를 진행했고, 새로운 배터리 교체소들은 하루에 약 400회의 교체를 진행할 수 있다.

중국에서 배터리 교체 사업을 추진하는 업체는 니오뿐만이 아니다. 에너지 연구 기업 블룸버그 뉴 에너지 파이낸스(BNEF)의 예측에 따르면, 2025년까지 니오를 포함해 총 6곳의 중국 업체가 중국 내에 2만 6,000곳에 달하는 배터리 교체소를 설치할 계획이다.

브레이크 밟기

캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스(University of California, Davis)의 플러그인 하이브리드 및 전기차 연구 센터 책임자 길 탈(Gil Tal)은 “배터리 교체 서비스가 고급차 시장에서는 성공을 거둘 수 있을지도 모르지만, 니오 같은 업체들이 대부분의 운전자에게 서비스를 제공할 수 있을 것 같지는 않다”고 예측한다. 그는 “배터리 교체는 상당히 고비용 솔루션이라고 생각한다”고 말한다.

배터리 교체 업체는 비용이 많이 드는 배터리 교체소를 건설해야 할 뿐만 아니라(일부 초기 추정에 따르면 급속 충전소 건설 비용의 거의 두 배가 필요하다고 한다), 배터리 교체와 관련된 복잡한 기계를 유지관리해야 한다. 선은 “수많은 배터리 교체소 운영은 매우 어렵다. 모든 배터리 교체소가 높은 신뢰성을 유지할 수 있도록 관리해야 하기 때문이다”라고 말한다.

니오와 다른 배터리 교체 업체들은 자사의 배터리 및 배터리 교체 혜택에 매달 요금을 부과할 계획이다. 노르웨이에서 니오의 최저 용량 배터리 비용은 한 달에 약 135달러이다(배터리 교체 서비스를 이용하지 않고 배터리를 완전히 소유하려면 약 8,500달러가 필요할 것이다).

빠른 배터리 교체로 시간을 절약할 수 있다고 해도 일반 운전자들은 그 시간에 대해 추가 비용과 번거로움을 감내할 가치가 없을지도 모른다. 탈은 “대부분의 전기차 운전자들은 주행거리 이상의 장거리를 운전할 일이 거의 없다”고 말한다. 그는 장거리 운전이 필요한 소수의 운전자들에게는 빠른 배터리 교체 대신 급속 충전소에서 15~20분을 소모하는 것이 그다지 큰 장벽처럼 느껴지지 않을 것이라고 덧붙인다.

급속 충전기 속도는 점점 더 빨라지고 있다. 테슬라의 슈퍼차저 네트워크는 현재 최대 250kW의 충전 전력을 제공하는데, 이는 15분만 충전하면 약 300km의 주행 가능 거리를 확보할 수 있을 정도의 속도이다. 다른 급속 충전기도 350kW에 도달할 수 있다.

업체들이 고급차나 배달 트럭 또는 택시처럼 빠른 속도와 시간 확보가 중요한 분야에 배터리 교체 서비스를 적용할 수도 있다. 급속 충전기에 정차하는 것이 매우 불편하게 여겨질 수 있는 좁은 범위에서는 배터리 교체가 도움이 될 가능성이 크다. 그러나 적어도 현재로서는, 일단 우리가 주유기를 버리기만 하면 배터리 교체를 하지 않아도 전기차로 도로를 달릴 수 있을 것이다.