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.
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.
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...
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 increase explosively due to such energy policy changes. Therefore, this study estimated the amount of mid- to large-sized lithium ion batteries waste and performed economics analysis of a middle and large sized secondary battery recycling project. Based on the results, a policy alternative for the revitalization of the related lithium-ion battery recycling industry is suggested. As a result, the B / C ratio of a domestic mid - to large - sized lithium ion battery recycling project is 1.06, in which the benefit is higher than the cost, so the business is economic feasible. Although the recycling project's economic efficiency is high, the recycling industry has not been activated in Korea because the domestic demand for rechargeable batteries recycling is very low. To solve this problem, this study proposes a plan to activate the industry by adding lithium secondary batteries to the EPR (Extended Producer Responsibility) items.
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 increase explosively due to such energy policy changes. Therefore, this study estimated the amount of mid- to large-sized lithium ion batteries waste and performed economics analysis of a middle and large sized secondary battery recycling project. Based on the results, a policy alternative for the revitalization of the related lithium-ion battery recycling industry is suggested. As a result, the B / C ratio of a domestic mid - to large - sized lithium ion battery recycling project is 1.06, in which the benefit is higher than the cost, so the business is economic feasible. Although the recycling project's economic efficiency is high, the recycling industry has not been activated in Korea because the domestic demand for rechargeable batteries recycling is very low. To solve this problem, this study proposes a plan to activate the industry by adding lithium secondary batteries to the EPR (Extended Producer Responsibility) items.
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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.
제안 방법
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.
동 연구는 국내에서 사용수명이 다한 전기자동차 배터리 및 에너지저장시스템 등의 중대형 이차전지를 대상으로 재활용 산업의 수익성을 분석하였다. 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 장에서는 중대형 리튬이온전지를 재활용 할 경우,경제성 분석을 실시한다. 재활용이 가능한 중형 이차전지로는 전기자동차용 배터리며, 대형 이차전지로는 ESS용 대형 리튬이온전지만으로 경제성 분석의 대상을 한정하였다.
폐리튬이온전지의 재활용을 통해서는 알루미늄, 고철, 구리 등의 부산물 및 코발트, 리튬, 망간, 니켈 등의 유가금속이 회수가 가능하다[1]. 이 중 유가금속 회수를 통한 편익이 90% 이상이므로 본 장에서는 유가 금속 회수를 통한 재활용 편익만을 판매편익으로 산정하였다.
만약 폐이차전지 재활용에 따른 환경개선 또한 편익으로 산출할 경우, 재활용 사업의 편익은 더욱 증가할 것으로 예측된다. 재활용 사업의 비용은 토지구입비용, 공사비용, 설비비용, 운영비용 등 4가지 항목으로 구분하여 추정하였다. 재활용 사업 첫 해의 경우 토지구입비 및 설비비용 등초기 투자비용이 매우 크기 때문에 2020년 기준 약 590억 원이 소요되나 2029년 기준 총 비용은 약 270억 원으로 비용이 크게 감소하게 된다.
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.
중대형 이차전지 재활용의 편익은 주요 희류금속인코발트 및 탄산리튬의 가격변동에 민감하게 반응하므로 주요 금속의 가격 변동에 따른 민감도 분석 또한 수행하였다. Table 8과 Table 9를 살펴보면, 코발트 및 탄산리튬 가격이 20% 아래로 떨어질 경우 B/C가 1보다 낮아 경제성이 존재하지 않는 것으로 분석되었다.
희유금속 회수를 통한 판매수익 추정을 위해 재활용 사업화 1차년도부터 전체 목표의 30%, 3차년도부터50%, 6차년도부터 80%를 가동하여 9차년도에는 100%를 가동한다는 전제 하에 희유금속 회수를 통한 판매수익을 산출하였다. 코발트, 리튬, 니켈 및 망간의 가격은 한국자원정보서비스에서 제공받은 2008년에서 2016년까지의 평균 톤당 가격을 적용하였으며[7], 환율은 2010년에서 2017년 8월까지의 평균 환율인 1,120.
대상 데이터
본 장에서는 중대형 리튬이온전지를 재활용 할 경우,경제성 분석을 실시한다. 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.
희유금속 회수를 통한 판매수익 추정을 위해 재활용 사업화 1차년도부터 전체 목표의 30%, 3차년도부터50%, 6차년도부터 80%를 가동하여 9차년도에는 100%를 가동한다는 전제 하에 희유금속 회수를 통한 판매수익을 산출하였다. 코발트, 리튬, 니켈 및 망간의 가격은 한국자원정보서비스에서 제공받은 2008년에서 2016년까지의 평균 톤당 가격을 적용하였으며[7], 환율은 2010년에서 2017년 8월까지의 평균 환율인 1,120.55원/USD를 적용하였다. Table 3에는 이차전지 재활용 시 회수가능한 주요 금속의 평균 가격이 요약되어 있다.
이론/모형
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].
성능/효과
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 7.12MWh에서 2025년 1,108 MWh, 2030년 2.596 MWh로 폭발적 증가가 발생할 것으로 예측된다.
중대형 폐리튬이차전지 처리량에 따른 예상 매출액은 아래의 Table 4에 연도별로 요약되어 있다. 그 결과 중대형 이차전지 재활용에 따른 희유금속 회수를 통한 매출액의 경우 2020년에는 약 130억 원에서 2029년 기준 420억 원으로 연간 14%의 성장률로 매출이 증가하는 것으로 분석되었다.
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. 만약 폐이차전지 재활용에 따른 환경개선 또한 편익으로 산출할 경우, 재활용 사업의 편익은 더욱 증가할 것으로 예측된다.
또한 일반적인 리튬이온배터리의 경우 100% 완전충전과 0%의 완전방전이 약 500회 정도 진행되면, 배터리의 완전충전이 이루어졌을 경우 전체 배터리 용량의 약 70% 이하의 충전만 가능하여 배터리 교체주기가 도래하게 된다. 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.
재활용 사업 첫 해의 경우 토지구입비 및 설비비용 등초기 투자비용이 매우 크기 때문에 2020년 기준 약 590억 원이 소요되나 2029년 기준 총 비용은 약 270억 원으로 비용이 크게 감소하게 된다. 재활용 사업의 비용편익분석 결과 B/C가 1.06으로 편익이 그 비용보다 높아 충분히 사업의 경제성이 존재하는 것으로 분석되었다. 동 사업의 경제성이 높음에도 불구하고 현재 국내에서 중대형 이차전지 재활용 산업이 활성화 되어있지 않는 가장 큰 걸림돌은 바로 중대형 폐이차전지의 재활용 관련 법제화방안의 부재라고 볼 수 있다.
총 비용 변화에 따른 민감도 분석 결과는 Table 7에 요약되어 있다. 총 비용이 10%에서 20% 정도 상승할 경우 B/C가 1보다 낮게 도출되어 사업의 경제성이 존재하지 않는 것으로 분석되었다. 향후 중대형 이차전지 배터리의 성능 향상 및 용량 증가가 이루어져서 재활용 처리공정 상의 비용 증가 및 폐전지 수집에 따른 수집비가 발생할 경우 이에 따른 사업성 악화에 대한 대비가 필요할 것으로 예측된다.
연간 중대형 이차전지 약 1,188MWh 용량을 재활용할 수 있는 공장을 신규설립 시 이에 따른 사업의 경제성 평가 결과는 Table 6에 요약되어 있다. 현재가치 산출을 위한 사회적 할인률은 5.5%를 사용하였으며 순 현재가치는 약 100억원으로 산출되었으며, B/C(Benefit/Cost)은 1.06으로 비용에 비해 편익이 약간 높게 산출되었음을 알 수 있다.
후속연구
총 비용이 10%에서 20% 정도 상승할 경우 B/C가 1보다 낮게 도출되어 사업의 경제성이 존재하지 않는 것으로 분석되었다. 향후 중대형 이차전지 배터리의 성능 향상 및 용량 증가가 이루어져서 재활용 처리공정 상의 비용 증가 및 폐전지 수집에 따른 수집비가 발생할 경우 이에 따른 사업성 악화에 대한 대비가 필요할 것으로 예측된다.
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.
참고문헌 (7)
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.
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
KOMIS, Korea Mineral Resource Information Service (https://www.kores.net/), 08, 2017.
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