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그린카 자원순환 기술개발 동향

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2012-02-23 17:14:50

본문

1. 서론
그린카 자원순환기술은 그린카에 사용되는 핵심 부품(배터리 및 모터 등)에 함유되어
있는 희소금속소재를 효율적으로 활용하기 위한 기술로 자동차 설계시부터 폐기까지의
전 과정을 고려하여 선순환구조를 형성하는 재활용 기술을 말한다. 희소금속들이 사용되는 그린카 핵심부품으로는 배터리, 전기모터, 연료전지스택, 배기가스 정화장치 등이 있다.

글 / 윤주호, 유승을 (자동차부품연구원)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2012년 2월호

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희소금속은 존재량이 수요량에 비해 적거나 추출∙분리가 어려운 자원으로 향후 그린
카시장의 활성화 시 수요가 급격히 늘어나기 때문에 한정된 자원을 효율적으로 활용하는 기술은 자동차부품 개발시부터 희소금속의 재활용을 고려한 부품설계가 필요하다. 아울러 유가자원 사용량을 저감 또는 대체함으로써 이용량을 감소시키는 한편, 사용후 폐차시 재자원화시켜 다시 소재로 활용될 수 있도록 하는 경제성이 우수한 회수∙분리 기술개발이 필수적이다.

지구자원의 채굴량 한계와 자동차 산업규모의 증대로 인해 수요에 비해 공급량 부족 현상이 발생할 것으로 예상됨에 따라 이미 사용수명이 다한 폐기물로부터 유효한 자원을 회수하는 재활용기술이 신기술로 인식되면서 재자원화 기술개발로 순환자원의 경제성이 높아져 순환형 사회 구조 실현이 가능해졌다. 특히 희소금속은 다른 소재에 비해 고가이므로, 효율적인 리싸이클링 및 회수체계를 구축한다면 자원의 대부분을 수
입에 의존하는 우리나라로서는 리싸이클링 활성화를 통한 해외 자원 의존도를 저감시킬 수 있을 것으로 기대되고 있다.

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우리나라와 일본 뿐만 아니라 자원 부국인 중국 역시 일부 희소금속의 주요국 수입 의존도가 높은 현실이므로 각국은 안정적인 공급원 확보를 위해 노력 중에 있으며 대부분의 희소금속이 일부 국가에 편중하여 매장되어 있는 특성을 가지고 있어 급격한 수요 증가가 예상되는 한∙중∙일의 희소금속 자원 확보 경쟁은 앞으로 더욱더 치열해질 것으로 예상된다.

폐자동차는 전기전자제품과 더불어 희소금속이 가장 많이 함유되어 있고 국내에서 가장 많은 매장량을 가진 대표적인 도시광산으로서 다양한 정부 정책에 부합되며 또한 희소금속 전략자원 대부분을 수입에 의존하는 우리나라로서는 희소금속의 효율적 회수기술개발은 국내 기간산업에서 사용되는 재료 생산을 위한 에너지 사용량을 50% 이상 저감시킬 수 있으므로 국내 에너지 수급 정책과 국가의 이산화탄소 저감목표에 긍정적인 도움을 줄 것으로 기대된다. 이러한 폐자원으로부터 희소금속의 재활용은 국민들에게 자원재활용의 중요성을 인식하게 함으로써 국내에서 발생되는 폐기물의 녹색 자원화를 위한 국가 저탄소 녹색성장정책을 획기적으로 가속화시키는 원동력으로 활용될 것으로 예상된다.

전기자동차용 리튬이온전지 및 리튬폴리머전지의 경우 기술수준이 선진국 대비 62~78% 수준이고 핵심부품과 소재의 국산화율 역시 19~34%로 매우 낮은 수준이어서 전기자동차 생산증가에 따른 리튬이차전지의 수요증가에 대응하기 위해서는 소재기술향상과 더불어 소재 국산화를 위한 재활용기술의 개발이 시급한실정이다. 최근 세계적으로 관심이 집중되고 있는 환경문제를 해결하기 위한 방안으로 온실가스규제가 강화되고 있다. 태양전지 및 전기자동차를 이용하는 경우, CO2 배출량을 50% 이상 저감시킬 수 있어 환경적 측면 뿐만 아니라 에너지 측면에서도 신재생에너지의 사용량은 급격히 증가 할 것으로 예상되므로 이에 대한 재활용 공정기술 개발은 온실가스 저감측면 뿐만 아니라 유용자원의 효율적 이용 측면에서도 바람직한 기술이라 하겠다.

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2. 국내외 환경규제 대응 자원순환 기술동향
2.1 국내 동향

희소금속 소재산업은 국내 산업의 균형적 발전, 과학기술력의 제고를 위해 중요한 역할을 수행하며, 희소금속소재 자체 및 관련제품의 시장성 측면에 있어서도 막대한 규모를 형성하고 있을 뿐 아니라, 향후 국내시장이 필요로 하는 주요 관련 제품의 형태도 과거 철합금류의 범용재에서 첨단산업용 고품위, 고기능성의 기술집약적 제품의 수요 증가가 예상된다.

따라서 정부에서는 공장에서 배출되는 산업폐기물과 우리생활 주변에 버려진 폐자동차, 폐휴대폰, 폐전자제품 등의 효율적인 자원 재이용을 위해「환경친화적인 산업구조로의 전환촉진에 관한 법률」에 의거 재제조를 활성화하고「자동차관리법」상의 중고부품 사용제한을 완화하여 활성화시키고 있으며「전기∙전자제품 및 자동차의 자원순환에 관한 법률」을 제정하여 도시광산 개발을 정책적으로 지원하고 있다.

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폐자동차의 재활용률 95% 이상 달성과 폐차비용 절감, 고부가가치 소재의 회수에 의한 경제성 제고, 환경오염 물질의 원천 제거 등을 위해서는 폐자동차에 함유되어 있는 유가금속의 분리∙회수가 필수적인 사항이며, 현재 금속성분의 경우 철금속은 자력선별에 의해 분리∙회수가 가능하나 비철금속(알루미늄, 마그네슘,구리, 귀금속 등) 등은 수작업에 의하여 일부 회수되고, 나머지는 제련 가능 품위에 미달되어 폐기하거나 전기로에 투입되어 불순물로 처리되고 있다. 비철금속 함량은 최근 자동차에 사용되는 전자부품의 증가 및 첨단 자동차의 개발로 인하여 증가되는 추세로 이러한 비철금속은 회수하여 재이용할 경우 고가의 소재가 되나, 폐기될 경우 환경 위해요소로 작용할 가능성이 크다. 따라서 폐자동차의 재활용률 95% 이상의 목표 달성과, 관련 업계의 경제성 제고를 위해서는 폐자동차에 함유되어 있는 유가금속의 금속종류별 고효율 회수 기술개발이 시급한 실정이다.

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2.2 해외 동향
외국의 희소금속 시장은 중국∙러시아 등 소수의 나라에 편재되어 있으며, 우리나라는 해당 자원을 거의 보유하고 있지 않다. 원광석 세계 총 매장량의 80%가 중국, 캐나다, 콩고, 호주, 미국 등 5개국에 편중되어 있으며 그중에서 희토류∙텅스텐은 중국에 전 세계 매장량의 90%, 백금은 남아프리카에 80%, 바나듐은 남아프리카∙중국∙러시아에 거의 100%가 편중 매장되어 있다. 또한 최근에는 이들 주요 자원보유국에서의 자원무기화 움직임이 확산되고 있는 추세로 수출세 인상, 외자의 자원개발 참가 규제 등의 수출 억제 확대를 통해 자국 자원의 유출방지를 강구하고 있다.

유럽연합은「폐기물기본골격지침」법률을 2008년 6월 제정하여 공동지침으로 적용함으로써 자원순환제도를 운영하고 있으며 생산자들에게는 재활용 의무를 부과하여 2020년까지 50% 이상을 재활용할 수 있는 체계를갖추도록하고있다. 또한2003년2월,「 폐전기∙전자제품처리지침」을정하여모든폐전기∙전자제품을 재활용 대상으로 규정하여 생산자에게 매년 1인당 4kg 이상의 회수의무를 부여하고 있다.

희소금속의 안정적 확보는 우리나라 산업의 지속가능한 발전과 첨단산업의 초석이지만, 총체적 관심부족으로 국가적, 산업적 차원의 대응이 미흡한 실정이다. 특히, 일본은 1981년부터 정부주도로「희소금속 종합대책 특별위원회」를 구성하여 산학연 공동 기술개발과 관련 산업 활성화를 위한 정책을 지속적으로 추진하고 있다. 희소금속의 비효율적 사용에 의해 21세기 내에 소재 고갈문제가 대두될 것으로 예상되며 광물자원
매장량이 한정되어 있는 반면, 급격한 수요 증가에 따라 상당수의 품목이 공급 한계에 도달할 것으로 예상됨에 따라 일본은 희소금속 비축을 위한 JOGMEC(Japan Oil, Gas & Metal National Corporation)법 개정 후 자원전략로드맵을 수립하여 일본의 차세대 자동차 개발전략에 반영하고 있다.

또한 경제산업성 주관으로 차세대 자동차에 필요한 희소금속의 안정적 공급을 위한 자원순환 전략 수립을 위해 2007년 7월 전략이니셔티브「원소 전략」을 사립행정법인 과학기술진흥기구 연구개발전략센터에서 추진하고 있으며 희소금속의 안정적 공급확보를 위해서는 재활용시스템 구축이 무엇보다 중요하므로 차세대 자동차용 배터리 및 전기모터 등의 핵심부품 재활용은 관련 업계를 중심으로 한 회수, 재활용 체제 정비를 검토하고 있다.

「희소금속의 고효율 회수시스템 기술개발 프로젝트」는 2007년부터 4년 계획으로 경제산업성으로부터 보조금을 받아 민간기업, 대학 등이 협력하여 초경공구 스크랩이나 폐소형 전자∙전기기기, 폐배터리 등으로부터 희소금속을 회수하는 기술 확립을 목표로 정부에서 지원하고 있다.

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최근 정련기술만으로는 희소금속이나 희토류금속, 귀금속의 회수효율 향상에 한계점을 인식하고 전처리 개념의 습식, 건식 정제법을 개발하고 있으며 일부 슈레더업체(도요타메탈, 태신 등) 및 비철금속 전문 재활용업체(요시무라, 쇼와메탈 등)를 중심으로 재질선별 기술을 개발하고 있으나 분리효율은 70~80% 수준이다.

일본 TMC는 이차전지로부터 코발트를 회수하는 기술을 개발하였는데 이 방법은 리튬이온전지를 분쇄한 스크랩에 전해정련기술을 적용하여 회수한 코발트를 다시 배터리 소재로 사용하는 기술로 상용화 플랜트를 운영 중이며 생산능력은 월 50t 정도이다. 순도 99.8% 이상의 코발트 회수에 성공하면서, 양극에는 불용성이 높은 산화막이 형성되지 않고, 통전성이 양호한 재활용 코발트 소재를 이용하고 있다. 재활용 코발트 소재를 사용하여 통상 70%인 전류효율을 95%까지 높였으며, 이러한 방법에 의해 순도뿐만 아니라 비용면에서도 사업화가 가능할 것으로 판단하고 있다.

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일본의 도시바에서 개발한 리튬이차전지 리싸이클 기술은 습식 프로세스로 코발트-리튬을 99.8% 이상의 순도로 회수하여 다시 전지소재로 리싸이클하는 기술이다. 이 기술은 폐이차전지를 해체하여 비중, 자력, 분별 등 건식방법으로 선별하고 금속성분들을 모아서 코발트분을 농축시킨 코발트 리치의 선별물을 모아서 산으로 습식 용해함으로써 불순물인 동 및 알미늄 등을 제거하여 고순도의 산화 코발트를 석출하는 기술이다.

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산 습식용해방법은 70℃의 묽은 황산용액에서 불순물을 제거하고 코발트를 침전시켜 수산화코발트 케익으로 취출한다. 또한 입자크기를 조절하여 순도 99.8%의 구상 코발트 원료 베이스로 회수하고 폐액으로부터 이온교환막을 활용하여 순도 99.9%의 탄산리튬을 취출하는 기술이다. 재자원화가 가장 활발한 일본 Dowa메탈마이닝에서는 고온추출기술을 이용하여 희소금속을 회수하는 플랜트를 가동하고 있으며 귀금속 함량이 높은 전자스크랩은 습식추출기술을 이용하고 있다.

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독일 칼스루헤 연구센터(Research Center Karlsruhe)에서는 폐전자기판으로부터 금속성분을 분리함과 동시에 기름을 회수하는 열분해기술(Pyrolysis Process)을 개발하여 파일럿 플랜트를 가동 중에 있으며 벨기에의 Umicore는 폐배터리 자원순환프로세스를 운영 중에 있다.

3. 그린카 자원순환 활성화 방안
국제적인 환경규제가 인체 및 자연에 유해한 오염물질 배출 규제에서 점차 제품, 생산공정 및 생산방식, 소비유통, 폐기 등 제품의 전 과정에 대한 규제로 확대 강화되고 있으므로 청정생산 공정기술의 개발과 확산이 한층 강화되어야 하는 시점이다. 국제 환경규제 강화에 능동적으로 대응하기 위해서는 그린카 산업분야의 국제경쟁력 확보가 필수적이나 미국, EU, 일본 등 선진국가를 중심으로 환경분야의 비관세 무역장벽이 확산되는 양상이며, 특히 자국기업의 대응능력에 맞추어 규제 및 국제 표준화를 강화하고 있어 우리나라기업에는 매우 불리하게 작용할 수 있다. 또한 기후변화협약 등 국제환경협약도 강화되고 있어 산업환경 경쟁력을 확보하지 않고서는 지속적인 성장이 곤란한 상황이다.

한편 각 국가별로 자국의 환경보호 및 산업보호를 위해 무역규제를 통한 환경규제를 한층 강화하고 있는데, EU에서는 WEEE, RoHS, ELV, EuP, REACH 등과 같이 시장접근을 제약하기 위한 엄격한 환경 규제들을 실시하고 있으며, 미국, 일본, 중국 등에서도 이와 유사한 환경규제법이나 지침을 제정하려는 동조화 현상을 보이고 있다.

자동차 및 전기∙전자제품 등은 사용후 버려지면 폐기물로 간주되어 환경부 법령인「폐기물관리법」에 의하여 관리되며 희소금속의 자원화 및 재활용은 폐기물의 발생을 억제하고 재활용을 촉진하는 등 자원의 순환적 이용을 규정하고 있는「전기∙전자제품 및 자동차의 자원순환에 관한 법률」에 의해 뒷받침되고 있다.

우리나라의 재활용정책은 과거 폐기물 규제정책에서 자원순환 정책으로의 전환을 위한「폐기물관리법」의 개정이 요구되며 또한 희소금속 자원 재활용기술 부족 및 관련 산업의 부재로 인해 외국으로 희소금속이 포함된 폐기물을 수출하였다가 이를 다시 자원의 형태로 비싼 가격에 수입하는 산업구조를 지니고 있어 이에 대한 개선이 필요하다.

일본은 순환자원이 국외로 대량 반출될 경우, 자국의 순환산업의 붕괴를 야기하고, 페트병, 폐지 등의 사례와 같이 물류비용에 따른 제품의 가격이 급상승하는 경우를 이미 경험한 바 있기 때문에 희소금속도 이와 동일한 영향을 국내산업에 끼칠 것으로 판단한 결과 기본적인 대책으로서 첫째, 국내에 존재하는 고가의 소형 가전제품은 국내에서 재사용(Reuse)하고 둘째, 재사용 후 불용이 된 소형 가전제품 등은 국내에서 철저히 재활용(Recycle)하며 셋째, 일정 함량 이상의 희소금속을 함유한 폐제품은 국외로 수출하는 것을 억제하는 정책을 시행하고 있다.

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우리나라는 지식경제부의 청정생산이전확산사업 및 환경부 21C 프론티어 연구개발사업에서 폐자동차의 재활용을 위한 해체 시스템 및 자원화 기술개발이 완료되어 국내 폐차업계를 대상으로 보급이 시작되고 있다. 특히 폐자동차에서 발생되는 ASR의 경우 지식경제부 에너지기술사업으로 소재 재활용 및 에너지 자원으로 이용하는 연구가 완료단계에 있으며 국내 상용화 기반 조성을 위한 민간기업의 투자가 진행되고 있다. 그러나 현재 재활용업계의 현실은 폐자동차에 함유되어 있는 희소금속은 개별 금속 또는 제련 가능한 그룹으로 분리∙선별될 경우 이용이 가능하고 가치가 창출되나, 복합재질인 경우 가치가 미미하거나 제련이 불가한 품위일 경우에는 자원으로 인식되지 못하고 폐기되는 실정이다.

한편, 자동차메이커는 폐차 재활용 인프라 운영업체와 공동으로 기존의 재활용규제에 의한 리싸이클율을달성함과 동시에 희소금속의 고부가가치화를 위해 세계 최초로 환경부하 저감과 경제적 부가가치를 창출할 수 있는 한국형 폐차 재활용 인프라를 관련 산업계와 협력체계를 구축하여 기획과제 사업성과를 기반으로 실용화를 추진할 수 있는 계기를 마련하고 있는 중이다.

4. 향후 전망
국내 자동차산업은 미국, 유럽 등 세계시장 점유율이 현재의 7.6% 수준에서 2015년에는 11% 이상으로 확대되고 수출차량의 대당 평균 판매가격도 현재 1만 달러에서 1만 6천 달러로 고부가가치화 될 것으로 예상된다. 또한 2011년 427만 대 생산체제에서 2015년 이후에는 670만 대 생산체제가 가능하고 2011년 총 수출액이 약 675억 달러를 넘어설 것으로 예상되고 있다. 그러나 EU의 ELV(폐자동차 처리 지침) 및 국내의「전기∙전자제품 및 자동차의 자원순환에 관한 법률」이 시행되면서 자동차에 포함된 유해물질 금지, 폐차 회수의무, 재활용 목표치 달성 등을 강화하려는 움직임이 있으며 자동차에 대한 친환경성 요구는 계속될 것으로 전망된다.

향후 그린카산업 활성화 시 국가차원의 희소금속 수급 데이터와 포트폴리오의 구성으로 미래수요의 예측연구가 필요하며 희소금속은 다른 광종과의 혼합물에서 추출되거나 합금소재로 사용 되는 경우가 많아 국내의 공급 및 수요량 파악이 쉽지 않다. 우리나라의 그린카 산업변화 및 기술혁신에 따라 변화하는 필요 광물종류와 그 수요량의 예측을 위해서는 희소금속의 수급 데이터베이스 구축이 선행되어야 하고, 이를 바탕으로 필요 광종과 수요량에 대한 예측 연구가 필요하므로 수요증가가 예상되는 희소금속의 공급원 확보와 대체재 개발로 이어지는 포트폴리오를 구성해야만 그린카 강국으로의 도약이 예상된다. 또한 해외 자원 확보및 재활용 기술개발을 통하여 수요의 증가가 예상되는 희소금속의 안정적인 공급원을 확보해야 하며 장기적으로는 자원의 대체소재를 개발하고 희소금속자원을 다시 재활용하는 자원순환 확보전략이 요구된다.
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