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국내 중대형 이차전지 재활용 사업의 경제성 분석 및 발전방안 연구
The Benefit-Cost analysis for Korea Lithium-ion Battery Waste Recycling project and promotion plans 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.9, 2018년, pp.326 - 332  

모정윤 (산업연구원)

초록
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현재 우리나라는 친환경 및 원전비중 축소라는 에너지 정책의 큰 변화에 직면하고 있다. 그러나 에너지 정책 변화에 따라 폭발적 증가가 예상되는 전기차 배터리 및 에너지저장시스템 등 중대형 이차전지의 폐기물 사후관리체계 및 관련 정책은 매우 미비한 상태이다. 따라서 본 연구는 국내에서 폭발적인 증가가 예상되는 중대형 리튬이온전지의 철거량을 추정해보고, 중대형 이차전지 재활용 산업의 경제성 분석을 실시하고자 한다. 이를 토대로 국내 중대형 이차전지 재활용 산업의 수익성 분석 및 관련 재활용 산업의 활성화를 위한 정책적 대안을 모색하고자 한다. 연구 분석 결과 국내 중대형 리튬이온전지 재활용 사업의 경우 B/C 비율이 1.06으로 편익이 그 비용보다 높아 사업의 경제성이 존재하는 것으로 분석되었다. 동 사업의 경제성이 높고, 현재 국내에 중대형 이차전지 재활용 관련 부분적 원천기술 및 응용기술이 확보되어 있음에도 불구하고 산업 활성화가 되지 않는 이유는 중대형 이차전지 재활용의 법제화가 이루어지지 않아 국내 수요가 낮기 때문인 것으로 분석된다. 따라서 본 연구에서는 생산자책임재활용 제도의 의무대상 품목에 리튬이차전지를 추가하여, 중대형 이차전지 재활용의 국내 수요 확대를 통한 산업 활성화 방안을 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Korea faces major changes in energy policy, which include eco-friendly and zero-nuclear power. On the other hand, there are very few policies for the waste-management of mid- to large-sized lithium-ion batteries, such as electric car batteries and energy storage systems, which are expected to increa...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 반면,우리나라의 경우 소형 리튬이온전지를 제외한 중대형 폐이차전지의 재활용에 관한 규정은 아직 마련되어 있지 않은 실정이다. 따라서 동 논문은 전기차 배터리 및 에너지저장시스템으로 대표되는 중대형 폐이차전지의 재활용 산업의 경제성 분석을 통해 관련 산업의 수익성을 살펴보고, 국내 중대형 폐이차전지 재활용 산업의 발전 가능성을 모색해보고자 한다.
  • 재활용 산업의 편익은 폐이차전지에서 회수 가능한 유가금속 회수 및 고철 판매에 따른 경제적 편익과 중금속 등 독성화학물질 회수를 통한 환경 편익 증진으로 나눌 수 있다. 본 논문에서는 리튬, 코발트, 망간 및 니켈 등 유가금속 회수를 통한 경제적 편익만을 재활용 사업의 편익으로 산정하였다. 그 결과 중대형 이차전지 재활용에 따른 희유금속 회수를 통한 매출액의 경우 2029년 기준 420억으로 매년 크게 증가하는 것으로 분석되었다.

가설 설정

  • 배터리 1회 완전충전 시 현대 아이오닉의 경우 주행가능거리가 약 191 km이므로 총 95,500 km까지는 배터리 효율저하 없이 전기자동차의 운행이 가능하다고 계산하였다. 국내 연간 평균 승용차 운행거리가 약 13,176.5 km1)이므로 동 연구에서는 현재의 국내 전기자동차 배터리 기술수준 하에서 약 7년(=95,500/13176.5)의 배터리 수명을 가정하였다. 마지막으로 전기차 1대당 포함되어 있는 전기자동차 리튬이온전지의 용량은 현재 리튬이온전지 배터리 용량 확대가 빠르게 진행되고 있으므로 2007년 기준 18kWh의 전기차 배터리 용량이 이후 1년마다 4%씩의 증가가 발생한다고 가정하였다.
  • 재활용이 가능한 중형 이차전지로는 전기자동차용 배터리며, 대형 이차전지로는 ESS용 대형 리튬이온전지만으로 경제성 분석의 대상을 한정하였다. 또한 폐전지 안의 희유금속(리튬, 망간, 니켈 및 코발트) 재활용만이 가능하다고 가정하였다. 재활용을 통한 경제성 분석의 기간은 약 10년이며 중·대형 폐이차전지 재활용 처리 목표는 Fig 1에서 도출된 2020년에서 2029년의 기간 동안 폐기가 예상되는 중대형 리튬이차전지의 연 평균 용량인 약 1,188MWh(중형 리튬이온전지 999MWh, 대형 리튬이온전지 189MWh)로 설정하였다.
  • 5)의 배터리 수명을 가정하였다. 마지막으로 전기차 1대당 포함되어 있는 전기자동차 리튬이온전지의 용량은 현재 리튬이온전지 배터리 용량 확대가 빠르게 진행되고 있으므로 2007년 기준 18kWh의 전기차 배터리 용량이 이후 1년마다 4%씩의 증가가 발생한다고 가정하였다. 그 결과 국내 중형 리튬이온전지 철거량은 2018년 7.
  • 중대형 이차전지 재활용 공장시설 신규 설립에 따른 비용은 크게 토지구입비용, 공사비용, 설비비용, 운영비용 등 4가지 항목으로 구분하여 추정하였다. 먼저 토지구입비용은 연간 1,188MWh의 규모의 중대형 이차전지를 재활용하는 공장 설립을 위해서는 약 10,000평의 토지가 필요하다고 가정하였으며, 총 토지구입비용은 재활용 공장의 입지가 상대적으로 용이하다고 판단되는 울산, 포항 및 군산 산업단지의 평당 평균 분양가격인 625,000원을 적용하여 산출하였다. 공사비용의 경우 조달청(2016)에서 공개한 공장부문 단위당 공사비용을 적용하여 총 공사비용을 항목별로 산출 후 합산하였다[4].
  • 설비비용의 경우 건식 전처리 설비(해체 선별 장치,파·분쇄 선별 장치, 열처리 장치)장비 구입비용 50억원,습식 처리 설비(전처리 로, 용매추출기, 습식 침출장비,습식 반응기, 여과장치, 결정화장비, 폐수처리장비)구입비용 약 140억, 유틸리티 설치비(배관, 전기, 스팀)구입비용 50억, 용매추출 약품 40억, 기타 부품 및 장비 구입비(120억원)로 총 400억 원 정도가 소요된다고 가정하였다.
  • 국내 ESS 설치용량은 2013년 총 28 MWh에서 2015년 150 MWh로 연 130%의 폭발적인 성장률로 급증하였다. 세계 ESS 설치용량 증가율2)을 따라 국내의 ESS 설치용량이 증가할 것이라 가정하고[5], ESS의 평균 수명을 10년으로 가정 시, 연도별 대형 리튬이온전지의 철거량은 2023년 28 MWh에서 2030년 961 MW으로 폭발적 증가가 발생할 것으로 예측된다.
  • 운영비용 중 인건비의 경우 물리적 처리(해체, 파쇄,분리공정 포함)과정에 56명이 필요하며, 습식 공정(침출,용매추출, 제품화)에는 49명이 필요하여 총 95명의 인력이 필요하다고 가정하였다. 인당 인건비는 35백만원/년으로 산정하였으며 본 분석에서는 생산 외의 인력은 고려하지 않았다.
  • 운영비용 중 재료비의 경우 약품 처리비는 현재 휴대용 리튬이차전지의 습식 처리에 필요한 약품비용을 준용하여 산정하였으며 또한 재료비 중 폐전지수집비의 경우전기 자동차 및 에너지저장시스템에서 회수되는 중대형 리튬이차전지에 대한 재활용 규정이 정립되지 않은 상황으로 국내 관련 기업들은 무상으로 재료를 입고하고 있어 이에 대한 재료비는 발생하지 않는다고 가정하여 재료비를 산출하였다.
  • 운영비용 중 인건비의 경우 물리적 처리(해체, 파쇄,분리공정 포함)과정에 56명이 필요하며, 습식 공정(침출,용매추출, 제품화)에는 49명이 필요하여 총 95명의 인력이 필요하다고 가정하였다. 인당 인건비는 35백만원/년으로 산정하였으며 본 분석에서는 생산 외의 인력은 고려하지 않았다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
폐리튬이온 이차전지에서 니켈, 망간, 코발트 및 리튬 등의 희유금속을 회수하는 재활용 기술은 크게 어떻게 구분되는가? 폐리튬이온 이차전지에서 니켈, 망간, 코발트 및 리튬 등의 희유금속을 회수하는 재활용 기술은 크게 건식공정과 습식공정으로 구분된다[2]. 건식공정은 1500도의 고온에서 이차전지 전체를 녹여서 가라앉는 금속을 회수하는 방법이며, 습식공정은 황산과 알칼리의 화학반응을 통해 금속을 이온상태로 만들어 회수하는 기법이다.
건식공정과 습식공정의 각각 어떠한 방법인가? 폐리튬이온 이차전지에서 니켈, 망간, 코발트 및 리튬 등의 희유금속을 회수하는 재활용 기술은 크게 건식공정과 습식공정으로 구분된다[2]. 건식공정은 1500도의 고온에서 이차전지 전체를 녹여서 가라앉는 금속을 회수하는 방법이며, 습식공정은 황산과 알칼리의 화학반응을 통해 금속을 이온상태로 만들어 회수하는 기법이다. 국내 주요 이차전지 재활용 기업들이 활용하는 공법은 습식공정이므로 동 논문에서는 습식공정을 기반으로 한 중대형 폐이차전지 재활용 산업의 경제성 분석을 실시한다.
현재 우리나라의 에너지 정책은 어떻게 변화하고 있는가? 현재 우리나라의 에너지 정책은 기존의 고품질의 저렴한 에너지를 안정적으로 공급하는 에너지 정책에서 친환경 및 원전비중 축소라는 정책의 패러다임 변화를 겪고 있다. 이러한 에너지 정책의 변화에 따라 태양광 및 풍력발전 비중의 급격한 증가가 진행 중이며, 전력계통의 불안정성 및 신재생에너지의 간헐성 문제를 극복하기 위한 에너지저장시스템(ESS) 설치 확대가 예상된다.
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참고문헌 (7)

  1. Jae Woo An et al, "trends in recovering valuable metals from spent lithium batteries", The Korean Institute of Metals and Materials, Vol.26, No.2 pp.14-22, 2013. 

  2. Jung Soo Son, "Lithium secondary battery recycling technology trend", Ceramist, Vol.13, No.5, p.45-53, 2013. 

  3. Joint ministry, "The third environment-friendly automobile development and diffusion plan", p.1-37, Joint ministry, 2012. 

  4. Public Procurement Service, "Analysis of Construction Expenses Classified by Public Facilities", pp.1-265, Public Procurement Service, 2017. 

  5. SNE Research, "Global ESS Market Forecast(2015-2025)", pp.1-131, SNE Research, 2017. 

  6. EU, "DIRECTIVE 2006/66/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 6 September 2006 on batteries and accumulators and waste batteries and accumulators and repealing Directive 91/157/EEC", 2016 

  7. KOMIS, Korea Mineral Resource Information Service (https://www.kores.net/), 08, 2017. 

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