엔진열의 자리를 채울 열관리 시스템

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- 엔진에서 모터로 변화하면서 또 달라진 점은 엔진은 열에너지를 운동에너지로 전환하였지만, 모터는 전기에너지를 운동에너지로 전환한다는 점이다.

- 내연기관차에서는 엔진에서 발생하는 열을 활용할 수 있지만, 전기차는 아니다. 그렇기 때문에 내연기관차에서는 단순한 공조시스템으로 치부되었던 열관리 시스템은 전기차의 핵심 부품으로 새롭게 등장하였다.

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- 겨울철은 열관리 시스템의 중요성이 가장 잘 드러나는 시기이다

- 엔진에서 발생한 열을 이용해 냉각수를 데우고 난방에 활용하던 내연기관차와 달리 전기차는 배터리의 에너지를 활용하여 히터를 가동한다. 그렇기 때문에 전기차는 겨울철에 주행거리가 짧아지는 단점이 있을 수 밖에 없다

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- 겨울철 주행거리 오차를 줄이는 핵심은 히트펌프 시스템이었는데, 이는 열을 이동시키는 장치이다.

- Condensor 를 통해 외부에서 흡수한 열과 차량 내부의 전장부품에서 흡수한 열을 압축기(Compressor)로 냉매를 압축한 뒤, 응축기로 냉매를 냉각하면서 열이 발생하게 된다. 냉매의 방향을 바꾸면 에어컨의 기능을 하게 된다.

- 이 시스템을 통해 전기차는 실내 냉난방 시스템에 대한 의존도를 낮추고 주행거리를 증가시킬 수 있다.

히트펌프 시스템은 DENSO, 한온시스템 과점

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- 히트펌프는 냉매의 순환을 이용하여 외부 혹은 내부의 폐열을 실내에 공급하는 방식이다. 그렇기에 냉매를 압축시키는 압축기(Compressor)가 반드시 들어가게 된다.

- 기존의 내연기관차의 공조 시스템에서는 압축기가 엔진과 연결된 벨트로 구동되었지만, 배터리 기반의 전기차에서는 전동식 압축기(ECompressor) 가 모터에 의해 구동된다.

- 과거의 공조시스템은 핵심 부품이 아니었기 때문에 경쟁강도가 높지 않았지만, 히트펌프 시스템이 핵심 부품으로 부상한 초입인 지금은 DENSO, 한온시스템이 과점하고 있다.

- 점차 전기차에 히트펌프가 장착되는 비율이 늘어나면서, 전기차의 전환의 수혜를 받을 수 있는 부품이다. 특히 기계식 압축기는 50 만원 대의 단가였던 것에 비해, 전동식 압축기는 2~3 배 높은 단가이기 때문에 전기차 전환율이 중요하다.

- 현대위아도 전기차 부품 기업으로 거듭나려는 움직임의 일환으로 통합형 열관리 시스템을 새로이 개발하였다. 통합형 열관리는 Tesla 에 이어 두번째이며, E-GMP 3 차에 수주하였다. 이는 냉각수를 기반으로 한 통합모듈로 배터리, 구동장치, 전장 부품의 열을 관리하는 장치이다

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자동차 부품 업체들도 변화하고 있다. 첫 번째 변화는 전기차는 내연기관차의 엔진 관련 부품들이 사라질 뿐만 아니라, 전체 부품의 개수가 3 만 개에서 1.5 만개 수준으로 감소된다는 것이다. 다만 부품 수가 줄어들고, 핵심 부품도 공용화가 된다는 것은 부품 업체들이 설 자리가 줄어든다는 것을 의미한다.

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두 번째 변화는 각 부품들이 소프트웨어로 연결되어 중앙 집중식으로 구성되기 시작했다는 것이다. 자동차 부품의 전장화 흐름은 2000 년 대부터 진행되었다. 부품 업체들은 각 부품들을 ECU 와 결합하여 모듈을 납품하고 완성차 업체들은 모듈을 조립했기에, 부품의 Electronics 에서 부가가치가 발생했다

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그러나 스마트카의 흐름으로 인해 부품이 중앙 집중식으로 통합되었고, 부가가치는 중앙 소프트웨어로 이동했다. 즉, 하드웨어의 역할만 하는 부품 업체의 부가가치는 감소할 수 밖에 없으며, 소프트웨어 기술을 가진 소수의 부품사로 집중이 될 것으로 예상한다.

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결론적으로 배터리와 전력 구동장치, 센서 등의 시장은 지금보다 더 크게 성장하겠지만, 엔진과 관련된 부품, 동력 전달장치 등은 부품 수 감소로 시장이 축소될 수 밖에 없다. 또한 제동, 조향 등은 기계적 기술보다는 소프트웨어와의 연결이 더 중요해질 전망이다.

실리콘계 음극 소재는 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘-카본(Si/C) 복합체, 실리콘 합금(Si Alloy)으로 구분된다. 이 중 SiOx(실리콘 산화물)는 약 1,500mAh/g의 이론 용량을 갖는다 [도표 110].

현재 흑연에 첨가되는 SiOx 함량은 5%~7% 수준으로 EV용으로는 포르쉐 타이칸에만 적용되고 있으며(대주전자재료 공급), 타이칸에 공급하는 실리콘 음극재의 초기 효율은 약 85% 내외로 알려져 있다. 다만 실리콘 첨가 비율 10% 이상이 되어야 에너지 밀도 개선 및 충전 시간 단축 효과가 크기 때문에 코팅, 도전재 개발 등을 바탕으로 기술 개발이 진행중이다. 더불어, 초기 효율을 높인 제품들을 지속 선행하여 개발되고 있고, 동시에 주력 제품 외 차기 제품도 R&D를 진행 중인 것으로 파악된다.

SiOx는 순수 실리콘보다는 용량이 낮지만 충방전 과정에서 생성되는 산화물(Li2O, Li4SiO4 등)이 실리콘의 부피 팽창, 수축의 완충재로 작용하여 구조적 붕괴를 방지하는 역할을 한다. 이에, 사이클 수명이 보다 안정적인 형태를 보인다. 다만, 최초 사이클 이후 낮은 충방전 효율, 부피 팽창에 의한 사이클 감소 등 해결해야 할 기술적 과제가 많이 남아 있다.

실리콘 카본 복합체는 실리콘을 나노화 한 후, 이를 흑연과 혼합해 복합화 하는 방식이다. 일반적으로 SiOx는 Si/C 대비 초기 효율은 높지만, 양산 과정이 상대적으로 복잡해 비용 이슈가 있는 것으로 알려져 있다. 

테슬라의 경우, 경제성을 동시에 고려하기 때문에 SiOx에 코팅 기술을 활용할 계획이다. 그리고 중국, 한국, 일본 기업들은 SiOx 또는 Si/C 복합체에 SWCNT 도전재 적용으로 진행되고 있다.

실리콘 음극재 시장 규모는 30년까지 연 평균 49% 성장할 것으로 예상한다. 2030년 기준 실리콘 음극재의 사용 비중은 음극재 전체의 중량 기준 8% 수준이지만, 높은 ASP로 인해 전체 음극재 시장 규모(금액 기준) 대비 실리콘 음극재 시장 비중은 30%에 달할 것으로 예상한다 [도표 102].

실리콘 음극재의 대중화와 보급 확대를 위해서는 생산성을 높이는 것이 주안점이다. 실리콘이 흑연 음극재 대비 중량 당 가격이 높은 이유는 안정적으로, 높은 생산성 하에서 양산하기 어려웠기 때문이며, 앞으로는 생산성을 우선 개선 후, 이를 기반으로 수익성을 확보한 상태에서 단가를 합리적으로 낮춰가려는 노력이 필요하다

현재 대주전자재료의 실리콘 음극재 단가는 $60~$70/kg로 알려져 있으며, 흑연계 ($6~$7/kg) 대비 높은 수준에 형성되어 있다. 다만, 아직 전체 음극재 중량 중 일정 비율을 첨가하는 형태인 첨가제 형태로 쓰이고 있기 때문에 아직까지 원가 부담은 크지 않다 [도표 101] (10% 첨가, $70/kg 가정 시 75KWh 배터리 기준 EV 대당 비용 증가분은 $520 수준)

미국 내 EV 수요는 2025년, 2030년 384GWh, 837GWh로 각각 연 평균 86%, 39% 성장할 것으로 예상한다 [도표 57]. 2030년 EV 침투율 전망치를 51%로 가정하였지만, 궁극적으로 EV 침투율이 100%에 이른다면 미국 내 약 1,500GWh 이상의 배터리 수요가 발생할 것으로 예상한다.

앞으로는 미국 현지 고객사에게 안정적으로 배터리 공급 자체가 가능한 업체 마저도 소수에 국한될 것으로 예상된다는 점이다. 국내 셀 업체 입장에서의 기대 요인은 미국 시장 내에서의 공급자 우위 포지션 구축이다. 구체적으로는 미국 내 신규 수주 모멘텀과 이로 인한 중장기 Capa 가이던스 확대, 혹은 배터리 업체 입장에서의 우호적인 수주 비중 확대가 예상된다.

법안에서 명시한 배터리 부품에는 (1) 전극 활물질: 양극재, 음극재, 음극박(동박), 솔벤트, 리튬염(전해질), 첨가제, (2) 배터리 셀, (3) 배터리 모듈이 있다.배터리 부품의 일정 비율 이상(2023년 50%로 시작하여 매년 10%p 상향)을 북미에서 제조 또는 조립해야 보조금 지급 기준을 충족하는데, 이는 배터리 및 소재 공장을 북미 역내에 갖추면 해결될 문제이다.

실제로 국내 배터리 업체를 필두로 국내 양극재, 음극재, 전해액, 동박 업체 모두 북미 진출을 계획하고 있으며 계획된 증설이 차질 없이 진행 된다면 장기적으로 법안 충족에 무리가 없을 것으로 판단한다 [도표 51].

국내 이차전지 체인에 속해있는 업체들은 확정된 고객사 및 잠재 고객사의 수요에 맞춰 북미 증설을 지속 계획하고 있으며, 보통 2025년 전후로 북미 Capa 계획을 제시하고 있다. 셀 업체 중 가장 공격적인 북미 진출을 제시한 기업은 LG에너지솔루션(25년 260GWh)이며, 양극재 업체 중에서는 포스코케미칼(25년 캐나다 3만t, 미국 6만t)과 에코프로비엠(26년 18만t), 전해액(질) 기업 중에는 엔켐(25년 28만t)이 있다.

배터리의 원가를 분석해 보면, 2022년 기준 재료비 비중이 약 60% 이상을 차지하고 있으며, 이 60% 중 양극재 원가가 70% 이상(NCM8 시리즈 기준)을 차지한다. 상대적으로 고가인 광물을 사용하는 동시에 연중 급등한 메탈 가격으로 양극재의 원가 비중은 전체 배터리 재료비 중 70%, 전체 배터리 원가 중 약 35%~40% 차지한다 [도표 45].

NCM811 기준 양극재의 원가를 분석해보면, 리튬과 니켈의 비중은 각각 27%, 58%로, 니켈과 리튬의 합산 비중이 약 85%를 차지한다 [도표 46]. 다시 말해, 전체 배터리에 사용되는 광물의 원가 중 니켈과 리튬만 적절하게 조달 하여도 법안의 요건을 충족할 수 있다. 단기 법안 요건 충족을 위해서는 리튬과 니켈의 소싱이 주안점이다.

23년에는 배터리에 사용되는 광물의 전체 가격 중 40% 이상에 대해 미국 및 우방 국가에서의 광물 조달이 필요하다. 22년 4분기 기준 현 시점의 메탈 시세가 앞으로도 유지된다고 단순하게 가정하면 양극재에 사용되는 광물의 원산지만 조정하여도 70%의 요건까지는 충족할 수 있다.

탈 중국화에 대한 대응 방안은 아직까지 불투명 

장기적으로 배터리 소재의 탈 중국화가 필요한 것은 자명하지만, 현재 니켈을 제외한 전체 핵심 광물 정제련 시장의 50% 이상을 점유하고 있는 중국의 공급망 배제 정책은 단기에 달성하기 쉽지 않을 것으로 판단한다.

다만, 향후 법안의 세부 항목이 어떻게 설정되는 지와 무관하게 현 시점 판단 가능한 부분은 핵심 광물 자체 공급망 확보의 중요성이 이전 보다 높아졌다는 점이다. 실제로 IRA 법안 통과를 기점으로 기업들의 현지 지분 투자, 장기 공급 계약 등의 광물 투자 활동이 활발하게 진행되었다 [도표 42].

또한, 북미 역내 생산 시설 확보의 중요성이 부각되었다. 역내 생산을 유도하는 분위기는 USMCA 및 BBB 법안을 통해 이전부터 엿볼 수 있었지만, 앞으로 역내 공급망 확보는 해외 진출의 필수 요건이 될 것으로 보인다.

태양전지 구조에 있어서도 변화의 속도는 매우 빠르다. BSF(Back Surface Field) 태양전지는 PERC 등장 이전 30년 동안 일반적으로 사용되어 오던 기술이다. 현재 태양전지 시장의 주류인 PERC 구조가 본격적으로 상용화된 시점이 2019년(글로벌 태양전지 중 PERC 비중 14%)이었고, 23년 이후 차세대 태양전지인 TOPCon 태양전지가 본격적으로 양산될 예정이기 때문에 태양광 시장의 기술 개발 속도는 과거 대비 빨라지고 있다

또한 23년 이후 폴리실리콘 가격 하락에 따른 원가 부담의 점진적 개선이 예상되는 가운데, TOPCon 태양전지 기반 모듈은 기존 PERC 대비 와트 당 1~2센트 가격이 비싸지만 발전단가(LCOE)를 감안하면 이미 PERC 대비 경제성에서 앞서고 있어 변화의 속도는 더욱 가팔라질 것으로 전망한다.

현재 TOPCon셀 양산은 중국에서 가장 먼저 이뤄지고 있다. 11월 1일 Jinko Solar는 광전효율 25%의 TOPCon 태양전지 생산 성공을 발표했다. Jinko Solar의 Tiger Neo라는 이름의 TOPCon 모듈은 기존의 PERC 모듈 대비 3~6%정도 광전 효율이 높은데, 이는 동일 모듈 용량 기준으로 6~10% 많은 발전이 가능하다는 것을 의미한다. 현재 Jinko Solar는 10GW 규모의 TOPCon 모듈 생산능력을 보유하고 있는 것으로 알려졌고, 23년 연간 판매하는 모듈 중 50% 이상이 n-type 기반의 모듈일 것으로 전망했다.

23년 TOPCon 태양전지의 글로벌 생산능력은 149GW로 증가할 것으로 예상되며 출하량도 22년 18GW대비 +244.4% 증가한 62GW 수준으로, 글로벌 태양전지 내 비중은 20%까지 확대될 것으로 예상된다. 26년까지 글로벌 태양전지 내 TOPCon의 비중은 기존의 PERC 시장을 대체하며 40%까지 확대될 것으로 예상되기 때문에 가격이 높은 고효율 태양전지 시장 위주의 태양광 산업 개편이 예상된다.