신재생연료 보급현황 및 정책방향

조지혜(Ji Hye Jo) 한국환경정책학회 2018 한국환경정책학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.2

나노폐기물의 안전처리를 위한 관리전략

조지혜(Ji Hye Jo) 한국환경정책학회 2016 한국환경정책학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.10

나노 함유 폐기물의 안전처리를 위한 관리방향

조지혜 ( Ji Hye Jo ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2017 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2017 No.-

나노기술이 급격히 발전함에 따라 다양한 산업, 의학, 환경 분야에서 나노물질의 사용 또한 급증하고 있다. 나노물질이란 1~100nm 크기의 미세입자로서 가정에서 흔히 사용하는 세정제나 항균코팅제, 페인트, 화장품, 전기전자제품, 토너 뿐만 아니라 의료기기, 배터리 등 다양한 분야에서 적용되고 있다. 이러한 상당량의 나노물질들은 제조사업장이나 실험실에서 폐기되거나 일반소비자들이 나노제품을 사용한 후 결국 나노물질을 함유한 폐기물, 즉 나노폐기물의 형태로 배출되고 있다. 이들 나노물질이나 제품이 인체건강에 미치는 안전성에 대한 문제 또한 지속적으로 제기되고 있으나, 현재 별도의 관리 없이 기존 일반폐기물들과 함께 처리되고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 나노폐기물의 주요 배출원 및 노출경로를 조사하고, 특히 주요 폐기물 처리시설 중 소각시설에서의 처리실태를 바탕으로 향후 나노폐기물 안전처리를 위한 연구 추진과제 및 관리전략을 마련하였다. 특히, 국내 유통량 및 선행연구 적용사례, 해당 물질의 유해 특성에 기반하여 4가지 나노물질(n-TiO₂, n-ZnO, n-Ag, CNT)을 선정하였으며, 이들 나노물질을 대상으로 소각시설로의 유입 및 배출 시나리오(I, II, III)를 통해 물질흐름을 예측하였다. 이 중 국내 폐기물 처리비율을 반영한 시나리오 III에 따르면, n-TiO₂의 경우 연간 약 48톤이, n-ZnO는 178톤이 소각시설로 유입된 후 대부분 매립되며(65%), n-Ag는 상대적으로 소량 생산되어 7톤 정도 소각시설로 유입될 것으로 추정되었다. 또한 앞서의 흐름 파악 및 실태조사를 바탕으로 향후 나노폐기물 안전처리를 위한 추진과제 및 관리전략을 마련하였다. 본 연구에 이어 향후 폐기물 부문, 화학물질 부문과 수처리 부문(슬러지류의 경우) 간 통합적 협력 및 정책 개발을 통해 나노폐기물을 보다 안전하게 관리할 수 있는 시스템이 마련되어야 할 것이다.

전기차 배터리 순환경제를 위한 정책 동향 및 향후 과제

조지혜 ( Ji Hye Jo ) 한국폐기물자원순환학회 2022 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2022 No.-

태양광 폐패널의 관리 실태조사 및 개선방안 연구

조지혜 ( Ji Hye Jo ),서양원,김유선 한국환경연구원 2018 수시연구보고서 Vol.2018 No.-

현재 세계 각국에서는 태양광발전 중심의 에너지믹스 재편을 통해 지속가능한 신·재생에너지 보급 확대에 박차를 가하고 있다. 국내의 경우에도 2000년대 들어 태양광 산업이 본격적으로 시작된 이래, 2017년 기준으로 국내 태양광발전설비는 5.7GW 규모(총 신재생 에너지 발전용량의 30%에 해당)로 설치되었으며, 신·재생에너지원 중 전년 대비 가장 큰 성장률을 보이고 있다. 또한 재생에너지 3020 이행계획(2018년부터 2030년까지 총 30.8GW 추가 설치 예정)에 따라 앞으로 태양광설비 역시 크게 확대될 것으로 전망된다. 하지만 태양광 산업이 성장함에 따라 태양광 폐패널 처리 문제가 크게 부각하고 있다. 태양광설비가 손상되거나 폐기 시 발생하는 폐패널이 현재 관리체계 미흡으로 그대로 방치되거나 단순 매립되는 등 부적정하게 처리되는 사례가 파악되고 있다. 2000년대 들어 태양광사업이 본격적으로 시작된 이후 파손·자연재해 등으로 인해 실제 사용기한이 15∼20년에 그치고 있으며, 도로용 및 통신전원용의 경우는 5년에 불과하여 현재 폐패널이 본격적으로 발생되는 시점에 와 있다. 이러한 태양광 폐패널에는 종류에 따라 납 뿐만 아니라 발암성 물질인 크롬, 카드뮴이 포함되어 있어 부적정하게 처리될 경우 환경오염을 초래할 우려가 높다. 이미 EU, 일본 등 해외에서는 태양광 폐패널 처리 문제를 미리 인식하여 2010년 초반부터 적정 처리방안을 모색하고, 폐패널의 관리체계 구축 및 재활용기술 개발을 발빠르게 진행하고 있다. 한편 국내 태양광설비의 경우 설치에 관련된 규정만 존재하고 사용 후 처리 규정이 미흡한 상황이다. 이에 본 연구에서는 태양광 패널의 폐기 이후 관리 실태조사 및 유해물질 분석을 통한 환경영향 측면의 검토를 통해 태양광 폐패널의 관리상 문제점을 도출하고 이에 대한 개선방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 태양광 셀/패널 제조업체, 임대업체, 시공업체, 철거업체, 재활용업체(종합재활용업), 지자체, 충북테크노파크, 한국에너지기술연구원, 한국전자제품자원순환공제조합, 한국순환자원유통지원센터, 한국환경공단 등의 현장조사 및 실무자 인터뷰를 통해 현황을 파악하고 업계 의견을 수렴하였다. 본 연구에서는 폐자원 흐름의 분석 대상으로 “실리콘계 결정질 태양광 폐패널”을 선정하였다. 해당 태양광 패널의 국내 보급률이 90% 이상이며, 국내 제조업체가 가장 많이 생산하는 종류에 해당하기 때문이다. 이때 ‘폐패널’이란 재사용이 가능한 상태로 배출되어 중고물품 혹은 등외품으로 판매되는 ‘중고패널’과 재사용이 불가능한 상태로 배출되어 현재 매립 처분되고 있는 ‘폐기패널’을 모두 포함한다. 또한 국내 태양광 폐패널의 형태는 ① 사용 후 발생된 폐패널과 ② 제조 과정에서 발생하는 공정부산물로 크게 구분할 수 있다. 전자의 경우는 주택(가정 및 공동주택), 공공기관, 발전소 등에서 발생되고, 후자의 경우는 태양광 셀/패널 제조업체에서 주로 발생된다. 사용 후 발생된 폐패널의 배출 원인은 크게 “고장 등으로 인한 교체”와 “사용만료, 리모델링, 철거 등으로 인한 폐기”의 두 가지로 나눌 수 있다. 일반적으로 전자의 경우 소량의 폐패널이 배출되고, 후자의 경우 다량의 폐패널이 배출된다. 현재까지는 사용 후 철거된 폐패널의 발생량은 그리 많지 않으며, 대부분은 시공 과정에서 불량품으로 반품되어 발생되고 있다. 태양광 패널 중 관리부실로 인해 유리가 파손되거나 출력이 저하되는 경우가 있으며, 자연재해로 인해 일부 태양광 패널의 사용이 불가능해질 수도 있다. 일부 시공업체의 실무자 인터뷰에 따르면, 현재는 관리 부실로 인한 유리 파손이 고장 사례의 대부분을 차지하고 있는 것으로 파악된다. 이 경우, 태양광 패널의 일부를 새 제품으로 교체하는 과정에서 폐패널이 발생한다. 한편 시공업체에서 태양광발전설비를 설치하면서 패널이 파손되는 경우도 존재한다. 발생원별 세부 흐름을 가정용, 공공용, 발전사용으로 나누어 조사하면 다음과 같다. 가정용의 경우, 새 제품 교체로 인해 폐패널 발생 시 발전시설 운영·관리자인 ① 임대업체 혹은 ② 시공업체에서 이를 수거한다. 한편 제품 자체 문제로 인해 고장이 난 패널을 교체해야 하는 경우에는 제조업체에서 회수한다. 시공업체 실무자 인터뷰에 따르면, 과거에 진공상태인 유리와 백시트(back sheet) 사이에 제품 하자로 습기가 생겨 백화 현상이 발생했던 사례가 있었다. 하지만 일반적으로 제품 자체의 하자로 인한 고장 확률은 매우 낮은 것으로 확인되었다. 보다 세부적인 흐름을 임대업체와 시공업체로 나누어 살펴보면 다음과 같다. 우선. 임대업체의 경우 태양광 대여사업으로 보급된 가정용 태양광발전설비에 한해 임대기간내에 고장 패널을 관리한다. 임대업체에서 판단하여 고장의 원인이 일부 부품의 문제일 경우에는 자체적으로 수리하여 폐패널이 발생하지 않는다. 한편 운영·관리 문제로 인한 고장으로 일부 패널을 교체해야 할 경우 임대업체에서 새 제품으로 고장이 난 패널을 교환하고 폐패널을 회수한다. 반면 패널 자체에 문제가 있을 경우에는 보증기간 이내의 제품은 제조회사로 보내고 보증기간 이후 혹은 보증 불가 제품은 소비자부담으로 제조회사에 직접 구매하거나 임대업체에서 새 제품의 구매를 대행해 준다. 즉, 전자의 경우에는 제조회사에서, 후자의 경우 제조회사 혹은 임대업체에서 폐패널을 회수한다. 그 밖에 자연재해 등으로 인해 시공보증이나 제품/출력보증이 불가능한 경우 소비자는 시공업체, 제조업체, 임대업체 등을 통해 새 제품을 구매할 수 있으며, 각 구매 경로를 통해 폐패널이 회수된다. 한편 정부의 주택지원사업을 받는 가정용 태양광설비를 설치한 시공업체가 파산하는 경우가 발생하고 있다. 현재 한국에너지공단에서는 시공업체의 부도 및 폐업 등으로 인해 사용자가 불이익을 받지 않도록 A/S 신청을 받고 있으며, 이 경우 타 시공 및 운영·관리업체를 통해 폐패널이 배출될 수 있다. 고장으로 인한 교체로 발생한 공공용 폐패널은 입찰을 통해 선정된 시공업체 및 운영·관리업체 혹은 지자체에서 주로 관리한다. 이때 발생한 폐패널은 시공보증 가능 여부에 따라 폐패널 수거처가 상이하다. 시공보증이 가능한 경우, 부품 등으로 인해 발생한 단순 고장은 시공업체에서 처리하며, 시공 문제로 인해 발생한 고장의 경우에는 시공업체에서 새 제품으로 교환한다. 이 과정에서 시공업체에서 폐패널이 발생된다. 시공보증 기간 이후 혹은 제품의 문제로 고장이 발생한 경우에는 시공보증이 불가능하다. 이는 세부적으로 제품 문제, 관리자 과실 등으로 나눌 수 있다. 제품 자체 문제로 인해 고장이 발생한 경우에는 제품보증 혹은 출력보증을 받을 수 있으며, 각각 제조업체에서 수거하여 새 제품으로 교환한다. 이때 제조업체로 폐패널이 회수된다. 관리자 과실로 인해 고장이 발생한 경우에는 담당 관리자(시공업체, 운영·관리업체 등)가 회수하여 새 제품으로 교환해 준 후 폐패널을 수거한다. 그 밖에 자연재해로 인해 시공보증 혹은 제품/출력보증을 받지 못하는 경우도 있다. 이때 소유자는 시공업체, 운영·관리업체, 제조업체를 통해 새 제품을 구매하며, 구매 경로를 통해 폐패널을 배출하게 된다. 발전사용은 지자체, 정부, 개인 등 사업비 출처에 따라 운영·관리자가 상이하다. 자체적으로 운영하는 사업의 경우는 지자체, 시공업체, 운영·관리업체에서, 정부의 보조금이 지급되어 운영되거나 혹은 개인이 자발적으로 운영하는 발전소의 경우는 주로 사업자, 시공업체, 운영·관리업체에서 각각 운영·관리를 맡는다. 발전사용의 경우, 고장 등으로 인해 폐패널이 발생하는 흐름은 공공용과 유사하다. 다음으로, 태양광발전설비의 사용만료, 출력 저하로 인한 전체 리모델링, 발전시설 폐쇄 등으로 폐패널을 다량 철거해야 하는 경우가 존재한다. 하지만 보통 제품 보증기간이 25년정도 되는 만큼 다량 철거되는 사례는 아직까지는 거의 없는 상황이다. 가정용 중 임대사업을 통해 설치된 태양광발전설비는 철거된 사례가 거의 없으나, 일부 발생된 폐패널은 임대업체를 통해 철거된 것으로 나타났다. 반면 정부, 지자체, 개인 비용으로 시공업체를 통해 설치된 시설은 시공업체 혹은 철거업체 등을 통해 철거될 수 있다. 후자를 통한 태양광설비철거 시 비용은 태양광 폐패널 혹은 구조물 매입비용에서 철거비용을 제하는 형태로 지불된다. 단, 철거가 어려운 경사길이나 산 중턱, 높은 건물의 옥상 등에 태양광발전설비가 설치된 경우는 인건비, 철거기구 비용, 차량비용 등에 대한 추가비용이 산정되기도 한다. 가정용 미니태양광의 경우는 260~300W이며, 주택보급용은 3kW 수준이기 때문에 시공업체에서 자체적으로 처리하는 경우가 많을 것으로 판단된다. 공공용의 경우 업계 실무자 인터뷰에 따르면 아직까지 철거된 사례가 보고되고 있지 않으나, 향후 철거될 시에는 입찰을 통해 철거업체가 선정되는 방식이 될 것으로 조사되었다. 발전사용의 경우 시공업체에서도 철거가 가능하나 최소 3,000~5,000장 수준으로 발생하거나 5MW 규모의 발전시설인 경우에는 별도의 철거업체에 작업을 의뢰할 것으로 파악되었다. 사용만료·리모델링·폐쇄 등으로 인해 발전시설을 철거하는 경우에는 폐패널, 알루미늄지지대, 인버터, 구리전선 등이 배출된다. 배출된 폐패널은 철거 및 유통업체의 자체 외관상 검사를 통해 재사용이 가능한 중고패널과 재사용이 불가능한 폐기패널로 구분된다. 재사용이 가능한 중고패널은 철거업체 혹은 중고 태양광 패널 유통업체를 통해 제3국(방글라데시, 스리랑카, 나이지리아, 예멘, 인도, 아프가니스탄, 파키스탄 등) 바이어를 대상으로 판매·수출된다. 업체 실무자 인터뷰에 따르면, 제3국의 바이어들은 사용이 만료된 패널의 출력이 150W에만 도달해도 구매하는 것으로 나타났으며, 이는 재사용 목적이 발전사용이 아닌 가정소규모형이기 때문이다. 하지만 해외 판로의 경우 시장 상황에 따라 수출이 불가능해질 수 있으므로 이를 유념할 필요가 있다. 현재 국내에는 태양광 폐패널에 대한 재사용 인증기준이 부재하여 재사용 시장이 형성되어 있지 않은 상황이다. 다만, 재활용기술 개발을 위한 실증시험이나 성능평가, 자연열화 등의 연구용으로 중고패널 매매가 이루어지고 있다. 그 밖에 알루미늄 지지대와 재사용이 불가능한 폐패널에 부착된 알루미늄(A-10계열)은 수작업으로 해체되어 지역 고물상(중·대상) 등을 통해 최종적으로 알루미늄 제조업체로 판매되고 있다. 알루미늄이 제거된 폐패널에는 강화유리, 실리콘, 구리, 은 등이 포함되어 있으나 현재 상용화된 재활용기술이 없어 파쇄 전문업체에서 파쇄한 후 이를 전량 매립하고 있다. 두 번째 태양광 폐패널의 발생 유형은 태양광 셀/패널 제조업체에서 공정 중 배출되는 부산물로, 폐패널, 파손셀, 유리, 프레임, EVA, 백시트, 실리콘, 리본, 알루미늄 페이스트 및 보루, 은 페이스트 및 보루 등이 주로 배출된다. 공정부산물은 사업장 일반·지정폐기물로 배출되거나 매각되는 것으로 조사되었다. 공정부산물의 경우 배출 및 수거 단계, 재사용 단계, 전처리 및 자원회수 단계, 활용 단계로 나누어 검토하면 각 단계의 흐름은 다음과 같다. 우선, 국내 태양광 셀 제조업체에서는 알루미늄 페이스트, 은 페이스트, 은 보루 등이 배출되고, 패널 제조업체에서는 폐패널, 파손셀, 폐유리, 프레임, EVA, 백시트, 실리콘, 리본 등이 배출된다. 이들은 각각 폐유리, 폐전기·전자제품류 및 폐합성수지, 폐유리, 알루미늄, 폐합성고분자화합물 및 폐합성수지, 구리 등의 폐기물 코드로 등록되어 중간처리업체에 보내지거나 매각된다. 특히, 폐패널 및 파손셀은 처리업체에 판매된 이후에 재사용되고 있다. 폐패널 중 일부는 출력효율이 일정 기준 이하로 떨어지거나 외관상 불량이 있는 등외품으로서 등급(B급, C급)이 나뉘어 배출되며, 국내 오퍼상 혹은 처리업체 등을 통해 해외로 판매되고 있다. 전기·전자제품류로 배출되는 파손셀 역시 처리업체에 판매된 이후에 파손 정도(50%, 70%, 90%)에 따라 분류된 후 해외에 수출되고 있다. 그 밖에 일부 EVA와 백시트는 파손셀과 함께 수출되어 소형 태양광 패널을 만드는 데 함께 사용되기도 한다. 재사용되는 공정부산물을 제외한 폐패널 및 폐셀, 알루미늄 페이스트, 알루미늄 보루, 은 페이스트, 은 보루, 폐유리, 프레임, EVA, 백시트, 실리콘, 리본은 각각 다른 흐름으로 처리된다. 폐패널 및 폐셀은 파·분쇄된 후 매립 처분되고 있다. 이러한 폐패널 및 폐셀에는 은이 일정량 함유되어 있으나 최근 은 가격이 상당히 떨어져 은을 별도로 추출할 만한 경제적 유인이 없는 상황이다. 또한 폐패널에 포함된 리본(와이어)에는 구리 함유량이 80% 가량되지만 폐패널에서 구리를 별도로 분리할 수 없어 함께 폐기되고 있다. 알루미늄 페이스트는 중간처리업체에서 처리된 후 고온 소각되고 있으며, 알루미늄 보루는 지정폐기물로 분쇄된 후 매립 처분되고 있다. 알루미늄 보루의 경우는 아스팔트 등으로 재활용이 가능하나, 소량으로 배출되기 때문에 현재 매립되고 있다. 은 페이스트와 은 보루는 재활용 처리를 통해 은이 추출되어 은 도매상에 판매된다. 폐유리는 파·분쇄 및 재활용업체에 보내져 재생유리로 생산되고 있다. 패널에 부착된 프레임은 A-10계열로 순도가 높아 수요가 많은 것으로 조사되었으며, 고물상을 거쳐 알루미늄 제조업체에 판매된다. EVA와 백시트는 재활용업체에서 처리되며, 실리콘은 소량으로 배출되어 소각되고 있다. 리본은 구리업체에 매각되거나 재활용업체에 보내져 구리가 회수된다. 또한 본 연구에서는 태양광 폐패널의 환경영향 측면을 검토하기 위하여 국내에 보급된 태양광 폐패널 시료 4종을 확보하여 국립환경과학원의 협조를 얻어 과학원에서 용출 분석 및 함량 분석을 수행하였다. 용출 분석 대상 중금속은 7가지 금속(Cu, Pb, Cd, As, Hg, Cr, Cr6+)이며, 이를 분석한 결과 3가지 금속(Cu, Hg, Cr6+)이 모든 시료에서 정량한계 이하로 검출되었다. 반면 납(Pb)은 모든 시료에서 0.064~0.541mg/L의 범위로 분석되었으며, 3종의 샘플에서 비소(As)가 0.008~0.138mg/L 범위로 검출되었다. 「폐기물관리법시행규칙」의 ‘[별표1] 지정폐기물에 함유된 유해물질’에 명시된 지정폐기물 기준에 따르면 7가지 중금속 모두 지정폐기물 기준 미만으로 검출되었다. 다음으로, 함량 분석은 6가지 중금속(Cu, Pb, Cd, As, Hg, Cr)을 대상으로 수행되었다. 그 결과, 2가지 중금속(Cd, Hg)이 검출한계 미만으로 나타났으며, 4가지 중금속(Cu, Pb, As, Cr)은 모두 검출되었다. 특히 납의 함량을 분석한 결과 88.7~201.8mg/kg의 범위로 나타났다. 이는 폐패널에 다량의 납이 포함되어 있음을 의미하며, 깨진 폐패널 등이 부적정하게 관리될 경우 납 유출로 인한 환경 및 인체 영향 가능성을 시사한다. 상기의 발생원별 폐자원 흐름 조사 및 유해물질 분석 결과를 바탕으로, 태양광 폐패널의 관리상 문제점 및 검토사항을 다음의 5가지 측면에서 도출하였다. 첫째, 태양광 폐패널에 대한 관리체계가 미흡한 상황이다. 태양광설비가 손상되거나 폐기 시 발생하는 폐패널이 그대로 방치되거나 단순 매립되고 있다. 일부 시공업체에서는 이를 혼합건설폐기물로 처리하여 이후 매립지로 보내지고 있으나, 현행 「건설폐기물의 재활용촉진에 관한 법률」에 따르면 태양광발전설비는 건설폐기물로 처리되어서는 아니 된다. 또한 폐패널이 부적정하게 처리 될 경우 납 등 유해물질에 따른 환경 유해성 우려가 높다. 향후 다량의 폐패널이 발생하고 재활용이 이루어지지 않는 경우에는 상당량이 매립되어 매립지 부족이 우려된다. 둘째, 태양광 폐패널에 대한 통계관리가 미흡하다. 2016년 7월 21일부터 태양광 폐패널은 「폐기물관리법 시행규칙」 ‘[별표4] 폐기물의 종류별 세부분류’ 중 폐전지류 내 ‘폐태양전지·전자기기페이스트’에 포함되고 있다. 즉, 「폐기물관리법」 제18조제3항에 따라 배출, 수집·운반, 재활용 또는 처분할 때마다 사업장폐기물 수집·운반업자에 의해 운반되어야 하며, 일정량 이상이 될 경우 올바로시스템에 입력되어야 한다. 이를 통해 2017년 12월 31일까지 올바로시스템에 태양광 패널 관련 업체들의 변경신청이 완료되어야 하나 현재 등록된 업체가 전혀 없는 상황이다. 그 원인으로는 제조업체를 포함하여 시공업체 등 관련 사업장에서는 폐기물 분류코드를 인지하지 못하거나, 인지하고 있더라도 올바로시스템에 입력하기 위해서는 3자계약(배출자-운반자-처리자) 원칙에 따라 태양광 폐패널 재활용업체가 없을 경우 등록할 수 없기 때문이다. 이로 인해 태양광 폐패널에 대한 기초정보를 파악하기 어려운 상황이다. 또한 태양광 폐패널은 현재 태양광 도소매업자 혹은 건물철거업자 등에 의해 철거되고 있으나, 철거 이후 별도의 전산처리 및 신고가 전혀 이루어지지 않고 있다. 향후 급증할 것으로 예상되는 태양광 폐패널의 적정 관리 및 관련 인프라 구축을 위해서는 통계관리를 선행할 필요가 있다. 셋째, 재사용에 대한 국내 인증기준이 부재하다. 현재 발생된 폐패널은 국내 재사용에 대한 인증기준이 부재하여 대부분 해외 동남아시아 등으로 수출되고 있다. 하지만 해외 판로의 경우 시장 상황에 따라 수출이 불가능해질 수 있으므로 국내 재사용 시장을 활성화할 필요가 있다. 이를 위해서는 재사용 패널에 대한 인증기준이 마련되어야 하며, 수요처 확대가 과제이다. 넷째, 현재 폐패널은 해외 재사용 이외에 단순 매립 처분되고 있다. 국내에서 제조된 태양광 폐패널 시료를 용출 분석한 결과 납, 비소 등이 검출된 바 있으며, 이는 깨진 폐패널이 부적정하게 처리될 경우 환경오염을 초래할 수 있음을 의미한다. 또한 국내 최종처분업체 매립시설의 경우, 총 매립용량 대비 잔여매립용량 비중이 2013년 기준 50%에서 계속 하락하여 2016년에는 30.1%에 해당한다. 앞으로 폐패널이 다량 배출되어 현행처럼 매립에만 의존할 경우에는 매립지 잔여용량 부족에 직접적인 영향을 미칠 것으로 전망된다. 다섯째, 태양광 패널의 폐기 이후 철거·운반 등에 대한 안전지침이 부재하다. 태양광발전설비 취급 시 감전 및 낙상위험이 있으므로 철거 단계에서부터 주의가 필요하다. 태양광 패널은 빛이 닿으면 발전하기 때문에 감전 방지를 위해 표면을 차광용 시트로 덮고, 절연장갑, 고무장화를 착용하거나 절연 처리된 공구를 사용하여 위험을 줄일 필요가 있다. 상기에 명시된 태양광 폐패널의 관리상 문제점 및 검토사항에 대해 다음의 방향성 ― ① “최종처분(매립) 부하 및 유해물질 부하 저감”, ② “불법투기 방지”, ③ “재활용 추진”, ④ “재사용에 의한 수명연장”, ⑤ “철거, 운반, 처리비용의 적절한 부담” 실현 ― 에 기반하여 크게 5가지 측면에서 개선방안을 검토하였다. 첫째, 태양광 폐패널의 회수 및 적정처리를 위해 “현행 단계 - 과도기 단계(시범사업) - 재활용기술 상용화 이후 단계”로 구분하여 재사용/재활용체계(안)을 제시하였다. 현재 일부 태양광 패널 제조업체에서는 플라스틱(합성수지류)에 대해 폐기물부담금을 부과하고 있다. 폐기물부담금제도는 재활용이 어려운 품목에 대한 환경 비용을 제조업체가 부담하는 것으로 폐기물이 배출된 이후의 수거 등 관리체계가 부재하다. 향후 재활용기술이 상용화될 경우, 환경성보장제도(생산자책임 강화)를 통해 제품 설계에서부터 최종 재활용에 이르기까지의 체계적인 관리체계 마련이 필요하나, 그 이전까지는 과도기 단계로서 시범사업을 진행할 필요가 있다. 즉, 재활용기술이 상용화되는 시점까지는 현재 방치되거나 매립 처분되고 있는 태양광 폐패널을 회수 및 보관할 수 있도록 수거체계를 마련하고 이에 따른 통계관리가 이루어져야 할 것이다. 이때 거점 회수지점으로는 전기·전자제품 자원순환공제조합의 지역별 폐전기·전자제품 수집소나 지자체 폐가전제품 재활용센터 등을 활용할 수 있다. 이를 통해 현재 어디서 얼마나 폐패널이 발생하고 있는지에 대한 데이터를 수집하고, 회수체계 구축 및 수거·운반에 드는 비용 등을 산출함으로써 이후 환경성보장제도 시행 시 필요한 재활용의무량을 산정하는 데 활용하여야 할 것이다. 이후 태양광 폐패널에 대한 재활용이 가능해질 경우 환경성보장제도 품목에 태양광 패널을 포함하여 제품 설계에서부터 최종 재활용에 이르기까지 적정 관리가 가능하도록 의무생산자 역할을 확대(폐패널에 대한 수거, 운반, 재활용처리에 대한 보고책임, 정보제공책임, 폐패널 취급 안내 등)할 필요가 있다. 단, 환경성보장제도의 경우 제품군별로 의무율이 일괄적으로 책정(2018년 기준, 6kg/인)되어 있으며, 세부 제품별로 별도 관리 하고 있지 않으므로 적용 초기에는 태양광 패널만의 별도 회수율 및 재활용 의무율 산정이 필요하다. 현재 매립되고 있는 폐패널이 재활용으로 전환되는 물량에 기초하여 태양광 폐패널의 수거량, 수출ㆍ수입량, 재활용시설의 규모, 재활용기술의 개발상황, 제품의 내구연수 등 재활용에 영향을 미치는 요인을 고려하여 정해야 할 것이다. 둘째, 재사용 인증기준 마련을 통해 국내에서의 재사용을 촉진할 필요가 있다. 현재 태양광 폐패널의 대부분이 철거업체 및 도소매업체를 통해 해외로 판매되고 있으나 해외시장의 경우 불확실성이 존재한다. 따라서 국내 시장을 활성화할 필요가 있으며 이를 위해서는 외관검사, 패널 세정, 절연저항검사, 출력검사, EL카메라검사, 바이패스다이오드검사 등을 실시하여 제품의 안정성을 우선 확보하여야 할 것이다. 이와 동시에 「전기·전자제품 및 자동차의 자원순환에 관한 법률 시행규칙」 제5조의4에 명시된 재사용방법 기준에 따라 태양광 폐패널이 국내에서 재사용될 경우 이를 회수실적으로 인정할 필요가 있다. 셋째, 철거 사업자에 대한 정의 및 자격요건에 대한 검토가 필요하다. 태양광발전설비는 주로 시공업체에 의해 설치되며 설치자에 대한 정의와 자격요건이 법령에 명시되어 있는 반면, 태양광 폐패널은 시공업체 혹은 철거업체 등에 의해 철거되고 있으나 철거자에 대한 정의나 자격요건은 부재한 상황이다. 이에 본 연구에서는 「신재생에너지 설비의 지원 등에 관한 규정」 개선(안)을 통해 “철거자”에 대한 정의와 전기공사업 등 자격조건을 명시하였다. 넷째, 폐패널을 저비용으로 해체하기 위한 재활용기술 지원이 필요하다. 태양광 패널 제조업체에서는 화학물질 사용 저감 등을 추진하고 있지만, 25년 이상 장기적으로 사용되는 태양광 패널의 특성상 최근에는 해체가 용이하지 않은 패널이 생산되고 있다. 또한 패널내 은 함유량이 감소하는 경향이 있기 때문에 앞으로 저비용 분해처리 기술, 저비용 철거·분리·회수 기술을 개발할 필요가 있으며, 제품의 설계에서부터 재사용이나 환경성을 고려하는 설계가 요구된다. 다섯째, 철거·재사용·재활용을 위한 안전지침(안)을 마련할 필요가 있다. 이에 폐패널의 배출 이후 해체·철거 단계 - 재사용 단계 - 재활용 단계별 주의사항을 제시하였다. 여섯째, 태양광 폐패널의 재활용 및 적정 처리를 위한 향후 추진과제를 검토하였다. 무엇보다도 현재 방치되거나 단순 매립되고 있는 태양광 폐패널을 회수하기 위한 수거체계 마련이 우선되어야 하며, 이를 위해서는 지역별 배출 예상량을 추정하여 대상 지자체에서의 시범 사업을 통해 통계 데이터를 확보할 필요가 있다. 이후 회수된 폐패널을 대상으로 자원가치를 평가하여 철거-재활용 비용효과를 분석하고, 중장기적으로는 저비용 해체 및 신기술 도입타당성을 검토하여야 할 것이다. 특히, 국내에서의 재사용을 촉진하기 위해 인증기준 및 재사용지침을 마련하고, 환경성보장제도 내에서 재사용된 양을 회수실적으로 인정하여 포함시킬 필요가 있다. 이를 통해 향후 다량 배출될 것으로 예상되는 태양광 폐패널을 재사용 또는 재활용하여 적정 관리하는 동시에, 패널의 설계 단계에서부터 유해물질 사용 저감 및 해체·재활용 용이성을 고려하여 전 과정에 걸친 자원순환 체계가 정립되어야 할 것이다. Solar panel is one of the key components of system of photovoltaic power generation and takes a significant role in converting solar ray into electricity. Solar panel consists of cells and the size of each cell is 6 inches. Mono-crystalline / multi-crystalline silicon solar panels have made up over 90% share of the global market. As one of solutions to the global issue on climate change, reorganizing energy mix, photovoltaic power generationcentered, has accelerated, which leads rapid pace of supply of solar panel. In Korea, photovoltaic power generation has shown the highest rate of installation among new and renewable energy sources and has been used in a wide range of areas from residential energy use to commercial one. In the meantime, it is expected that extremely high volume of waste solar photovoltaic panel including broken or end-of-life panels would be discarded over the years, but it is nowhere near the system for collecting and managing the waste panels. Meanwhile, foreign countries such as EU, Japan, etc. have already recognized the issue of waste solar panels and taken proper measures for it. EU revised the waste electrical and electronic equipment (WEEE) directive, adding waste solar panel as discarded electronic devices, and sets a target for recovery, recycling and re-use of waste solar panel. Japan also launched investigation into the flow of waste solar panel to prevent the problem of disposal of waste solar panel and resulted in coming up with roadmap for collection·recycling and proper treatment for waste solar panel. In addition, safety guideline for each level of managing waste solar panel - deconstruction·removal, reuse, recycle - has been drawn up. In this study, “silicon crystalline solar photovoltaic panel” was selected as a target of the waste resource flow analysis, because the domestic supply rate of the solar panel is more than 90%. At this time, the ‘waste panel’ includes both ‘used panel’ which is discharged as a reusable product and ‘non-reusable waste panel' currently in landfills. In addition, the type of domestic solar photovoltaic panels can be classified into ① waste panels generated after use and ② byproducts generated in the manufacturing process. In the former case, it occurs mainly in houses (home and apartment buildings), public institutions, power plants, etc. In the latter case, it occurs mainly in solar cell / panel manufacturers. The causes of waste panels generated after use are largely classified into ① “replacement due to failure”, ② “disposal due to expiration of use, remodeling, demolition”. Generally, a small amount of waste panels are emitted in the former case and a large amount of waste panels are produced in the latter case. Until now, the amount of waste panels that have been dismantled after use has not been very large, and most of them have been returned as defective products during the construction process. In the case of households, ① the rental company or ② the construction company picks up the waste panel when a waste panel is generated due to the replacement of a new product. On the other hand, when the panel itself needs to be replaced due to any defect of the product itself, the manufacturer is subject to recover it. According to an interview with a construction company practitioner, there has been a case in which a product was fogged between a glass and a backsheet that had been vacuumed in the past, causing a whitening phenomenon. In general, however, the probability of failure due to defects of the product itself is very low. Public use is managed either by contractors and operation/management companies or by local governments themselves. Therefore, public waste panels resulting from replacement due to failure are mainly managed by contractors, operating / management companies, and local governments. The waste panels occurred in the process are subject to be collected by different players depending on whether the construction assurance is valid or not. In case of construction guarantee, flaw caused by parts is handled by the contractor. In case of flaw caused by constructionrelated problem, the contractor replaces the new product leading to the generation of a waste panel. Construction guarantee for flaw is not valid in case where the warranty period is expired or product problem is found. The use of power generation differs depending on the source of business expenses such as local governments, governments, and individuals. In the case of selfoperated businesses, local governments, construction companies, operation and management companies are provided with subsidies from the government, or in the case of power plants operated by individuals voluntarily, they are mainly operated by operators, construction companies. In the case of power generation use, the flow of generated waste panels due to faults is similar to that of the public. Next, there is a case where a large number of waste panels are to be removed due to the expiration of the use of the photovoltaic power generation facility, the total remodeling due to the power degradation, and the power plant shutdown. However, there are few cases in which massive dismantling has been done as the normal product warranty period is about 25 years. Another generation type of the solar photovoltaic panel is the process by-product that is disposed by the solar cell / panel manufacturer during the process. It is composed of waste panel, broken cell, glass, frame, EVA, back sheet, silicone, ribbon, Silver paste, etc. The process by-products are reported to be discharged or sold as general or designated waste at the workplace. In the case of process by-products, the flow of each step is divided into the following stages: emission and collection stages, reuse stages, pre-treatment and resource recovery stages, and utilization stages. First, aluminum panels, silver paste, and silver bull are produced in domestic solar cell manufacturers, and waste panels, broken cells, waste glass, frames, EVA, back sheets, silicones and ribbons are emitted by panel manufacturers. The waste are registered as waste code such as waste glass, waste electrical and electronic products and waste synthetic resin, waste glass, aluminum, waste synthetic polymer and waste synthetic resin, copper and waste oil paint and sold to intermediate recycling companies. Among the wastes discharged as process by-products, waste panels and damaged cells are being reused after being sold to processing companies. Some of the waste panels are classified as unconventional products that fails to meet a threshold or has flaw, and are discharged separately by grades (Class B and Class C), and are sold overseas through domestic operators or processing companies. Damaged cells discharged to electrical and electronic products are also sold to processing companies and then classified according to their degree of damage (50%, 70%, 90%), increasing their added value and exporting them to foreign countries. In addition, some EVA and backsheets are exported with damaged cells and are used in conjunction with small solar panels. Finally, the valuable metals extracted at the processing and recovery stages are utilized as follows. Silver paste is sold to silver wholesalers. Glass recycled from waste glass is sold to glass manufacturers such as KCC. The aluminum frame sold on the stoneware is sent to the aluminum manufacturer, and the copper recovered from the ribbon is sold to the copper manufacturer. This study also conducted elution analysis and quantitative analysis regarding certain heavy metals (Cu, Pb, Cd, As, Hg, Cr, Cr⁶⁺) with the cooperation of the National Institute of Environmental Research (NIER) in order to examine the environmental impact of waste panels. The results of the elution analysis and quantitative analysis are as follows. Three metals (Cu, Hg, Cr⁶⁺) were detected below the limit of quantitation in all samples. On the other hand, lead (Pb) was analyzed in the range of 0.064 to 0.541 mg/L in all samples. In addition, arsenic (As) was detected in the range of 0.008 to 0.138 mg/L in three samples. According to the Designated Waste Standards listed in “[Annex 1] Hazardous Substances Contained in Designated Waste” of the 「Enforcement Rules of the Wastes Control Act」, all seven heavy metals were detected to be below the designated waste standards. Next, the quantitative analysis was carried out on six heavy metals (Cu, Pb, Cd, As, Hg, Cr). Two heavy metals (Cd, Hg) were detected below the detection limit, while four heavy metals (Cu, Pb, As, Cr) were detected. Especially, the content of lead was in the range of 88.7 to 201.8 mg/kg. It means that a large amount of lead is contained in the waste panel, and if the waste panel is indiscriminately exposed to the natural environment, it may indicate environmental and human influences due to lead leakage. After analyzing the waste flows after disposal of solar photovoltaic panel and leaching/total content analysis of heavy metals, we point out five major issues on the waste panels. First, management system for waste solar panel needs to be strengthened. In case where photovoltaic power generation system is damaged or deconstructed, waste solar panels are left untouched or are sent to hazardous-waste landfill. We found out that some of waste solar panels are treated as mixed construction waste by contractors of photovoltaic power generation system. In accordance with 「Construction Waste Recycling Promotion Act」, however, photovoltaic power generation system shall not be treated as a Construction Waste. Furthermore, if broken panels are improperly treated, toxic substances such as lead would impact on environment. In cases where huge amount of solar panels is discarded and fails to be properly recycled, concerns may arise with respect to lack of hazardous-waste landfill capacity. Second, there is no sound system for statistical data on waste solar panel. Waste solar photovoltaic panels are categorized into the “waste solar cell·electronic equipment paste” as referred to in [attached Table 4] of 「 Enforcement Decree of the Wastes Control Act」 commencing from July 21, 2016. To be specific, in accordance with Article 18(3) of Wastes Control Act, “A person who discharges, collects, transports, recycles, or disposes of any industrial wastes specified by Ordinance of the Ministry of Environment shall record matters concerning the delivery and receipt of wastes on the electronic information processing program under Article 45 (2), as prescribed by Ordinance of the Ministry of Environment, whenever he/she discharges, collects, transports, recycles, or disposes of such wastes”. However, all companies in the solar panel and waste solar panel industry which should register their work record in the Allbaro system can not be found in that statistical system. This is because some of companies such as solar panel manufacturing companies and contractors have not recognized the new waste classification code or even if they do, they can’t register the data in the absence of recycling company based on “Three Party Principle: discharging-transporting-recycling”. Thus, it is hard to search basic information about waste solar panels. Waste solar panels have been generally deconstructed by solar photovoltaic panel dealers or companies for building demolition, however, relevant matters concerning disposes of industrial wastes have not properly recorded on the electronic information processing program. In this regards, sound statistical management system is needed so as to respond to huge amount of waste solar panels to be disposed over the years and build a relevant infrastructure. Third, certification scheme for reuse of waste solar panel needs to be installed. In these days, discharged waste solar panels have been exported to the developing countries. However, foreign markets have risks to be blocked depending on their economic situation. To the end, domestic reuse-market for solar panel needs to be encouraged and it is necessary to set up efficient collecting system or to increase domestic market demand with guarantee system for product and reasonable price setting. Fourth, most of discharged waste solar panels except exported ones for reuse end up in landfill. The results of leaching experiment on waste solar panel manufactured in South Korea shows that heavy metals such as lead, arsenic, etc. were detected, which means broken waste solar panel can cause environmental pollution in an improper treatment condition. Furthermore, the total landfill capacity of private company for waste disposal has been decreased from 50% in 2013 to 30.1% in 2016. Therefore, significant amount of waste solar panels would cause lack of landfill capacity with dependence on landfill for treatment of waste solar panel. Lastly, there is no safety guideline for deconstruction, transport, etc. for waste solar panels. When it comes to handling photovoltaic power generation system, the worker needs to pay special attention since there are risks of electric shocks and falling accident. Generating electricity with solar rays, solar panels should be covered by lightproof designed materials and treated with special tools such as insulation gloves and rubber boots to reduce any risks. With the aim of dealing with the issues mentioned above, this study suggests five solutions based on following directions: ① reducing of disposal(landfill) and toxic substances, ② preventing illegal disposal of waste solar panel, ③ promoting recycling, ④ extending life expectancy for reuse, ⑤ sharing reasonable cost of deconstruction, transportation, and treatment. First, this study recommends that improvement plan for reuse and recycling, dividing it into three steps for management system for effective collecting and proper treatment for waste solar panel: present, transition periods, maturation periods with commercializing recycling waste solar panel. Currently some solar panel manufacturers and importers are responsible for the cost of waste disposal for plastics contained in solar panel under the policy Waste Charge system imposing costs for the substances which are difficult to recycle. It implies that there is no management system for waste solar panel after discharging. After commercializing recycling system, systematic approaches from designing product to recycling is necessary with Eco-Assurance System of Electrical·electronic Equipment and Vehicles (EcoAS). However, pilot program should be followed for the transit periods in advance. In this period, it is required to build system for collection and statistical data so that landfilled waste solar panels can be collected and stored. To be specific, with efficient logistics system it is possible to collect statistical data for waste solar panel such as volume of waste solar panel according to collection points. At this point, it is possible to utilize regional collection point of Korea Electronics Recycling Cooperative or local government recycling centers for it. Based on these collected data, we can calculate the cost for collecting, transporting and apply it to the Eco-Assurance System of Electrical·electronic Equipment and Vehicles (EcoAS). After commercializing recycling waste solar panel, it can be managed as one of the items in the EcoAS, which would extend producer responsibility from product designing to recycling. However, current management policy, the EcoAS is designed to manage products as a group and sets target rate of recycling(6kg/person, 2018), which limits to control individual products. Therefore, solar panel should be set its own target rate of collecting and recycling with consideration for the amount of collection, volume of export and import product, capacity of recycling center, life expectancy of products, etc. Second, it is required to promote domestic reuse market with the guarantee system for reuse. There are risks for secondhand solar panel market overseas. Thus, to set up domestic secondhand market for waste solar panel, it is suggested to assure products safety with the following tests: inspecting, cleansing, insulation testing, voltage testing, EL camera testing, and by-pass diode testing, etc. In addition, the reuse records of waste solar panel is required to be counted as the collection records in accordance with Article5-4 of 「Act on the Resource Circulation of Electrical and Electronic Equipment and Vehicles Enforcement Rule」. Third, the definition and requirement of the deconstruction operators should be reviewed. Generally photovoltaic power generation system is installed by contractors and the definition and requirements of contractors are stipulated in relevant decree. However, when it comes to waste solar panel, there is no definition or requirements for it although contractors or deconstruction companies have worked for it. Therefore, this study suggests definition of deconstruction operator and requirement such as Engineer Electric Work, revising 「Regulations on the support of renewable energy」. Fourth, technical assistance is desirable to recycle solar panel at low cost. Manufacturers are currently reducing chemical substances, but they are producing solar panels which are not easy to be detached from aluminum frame to guarantee product’s durability for 25 years. Considering the trend reducing the use of silver contained in solar panel, we suggest that technology of detach, deconstruction, and recovery at low cost is to be developed. Also the manufacturers should be obliged to design eco-friendly solar panel, considering reuse and environmental effects. Finally we need to frame safety guidelines for level of deconstruction, reuse, and recycling after disposal of waste solar panel. Fifth, we suggest future research directions for recycling and treatment of waste solar panel. Above all, it is necessary to build the collection system for the landfilled waste solar panel. For it, estimating regional volume of waste solar panel and collecting the data by pilot program are required. For the collected waste solar panel, it is suggested to evaluate resource value and to analyze deconstruction-recycling cost. As a medium and long term goal, the development of best available recycling technology at a low cost is necessary. Especially, guarantee system and guidelines for reuse need be introduced and reuse record can be replaced by collecting record under the policy of Eco-Assurance System of Electrical·electronic Equipment and Vehicles(EcoAS). These solutions mentioned above would contribute to building the whole life cycle management and resource circulation system ranging from product designing (Eco-design) to recycling level for the waste solar panels.

순환경제 모니터링 지표 개발 연구

조지혜 ( Ji Hye Jo ),주문솔 ( Munsol Ju ),고인철 ( In Chul Go ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2020 No.-

전 세계적으로 천연자원의 소비는 지난 세기 동안 8배 증가하였으며, 이로 인해 천연자원의 고갈, 폐기물 다량 발생, 자연 자본 손실, 생물다양성 감소, 기후변화 등이 초래되고 있다. 이에 국내외적으로 기존의 ‘선형경제(linear economy)’ 구조에서 벗어나 ‘순환경제(circular economy)’로 전환하기 위한 구체적인 아젠다 및 전략을 통해 보다 지속적인 경제구조로 탈바꿈하기 위해 노력하고 있다. 특히, 우리나라는 대부분의 자원과 에너지를 수입하는 자원빈국에 해당하며, 자원 시장의 변동성 및 자원 고갈에 대한 우려가 높아지는 상황에서 순환경제로의 전환이 매우 필요하다. 본 연구에서는 순환경제에 대한 국제적 논의 동향을 조사하고, 해외 순환경제 모니터링 지표 및 국내 자원순환 관련 지표의 성격과 특성을 분석하여 국내 여건에 적합한 순환경제 이행 진단을 위한 모니터링 지표를 마련하고자 한다. 이를 위해 국가 제 1차 자원순환기본계획(2018-2027)에서 제시하고 있는 추진전략 및 정책방향을 우선 반영하되, 동맥산업과 정맥산업간 연계되도록 통합성을 강화하고, 산업 부문뿐 아니라 생활부문의 시민 참여 및 소비 부문 등 신경제 부문에 대해서도 확대 검토함으로써 “자원이용 효율성” 및 “순환성”을 판단할 수 있는 지표를 도출하였다. 특히, 지속가능발전, 자원효율, 원재료 대체, 기술혁신 및 일자리 창출 등 순환경제의 주요 요소를 포함하여 국내 순환경제로의 전환이 어느 수준에 와 있는지를 진단 및 평가함으로써 순환성을 보다 제고하기 위한 개선방안을 제시하였다.

전기차(EV) 폐배터리 적정 관리방안 연구

조지혜 ( Ji Hye Jo ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2017 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2017 No.-

현재 스마트폰을 비롯하여 전기자동차(EV), 드론, ESS(Energy Storage System) 등 여러 번 충·방전이 가능한 리튬이차전지가 들어가지 않는 첨단기기를 찾아보기 어려운 상황이다. 이와 같이 이차전지 시장이 크게 성장함에 따라 효용 만료, 폐기 등을 통해 폐배터리의 형태로 그 배출 또한 급증하고 있어 관리체계가 구축될 필요가 있다. 리튬이차전지는 기존 전지 대비 에너지 밀도가 3배 정도 높고 무게가 가벼워 널리 활용되고 있으나, 폭발 위험이 있어 안전 측면에서 관리가 필요하다. 해외 각국에서는 리튬이차전지 시장이 급속히 확대됨에 따라 향후 발생할 폐배터리의 배출에 대비하여 친환경적인 자원회수 및 유해물질 관리 등을 통하여 폐배터리가 환경에 미칠 영향을 최소화하고 원재료를 대체해나가고 있다. 미국의 경우, 연방법 「Mercury-Containing and Rechargeable Battery Management Act」 하에 폐리튬이차전지를 관리하고 있다. 유럽연합(EU) 역시 「Battery Directive」를 통하여 폐배터리를 관리하고 있으며, 생산자책임제도에 기초하여 수거 및 재활용 체계를 구축하고 있다. 한편, 국내의 경우 「자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률」에 따라 생산자책임재활용제도(EPR)제도를 통하여 니켈카드뮴전지 등 폐배터리를 관리하고 있으나, 리튬이차전지는 포함되어 있지 않다. 또한 전기차 폐배터리(보조금 지급대상)의 경우 「대기환경보전법」에 따라 지자체에 반납하도록 하고 있으나, 이후 관리체계가 부재한 상황이다. 이에, 본 연구에서는 전기차 폐배터리를 대상으로 배출-수거-자원회수-활용에 이르기까지 각 단계별 관리체계를 마련하고 자원순환성을 제고하기 위한 방안을 검토하였다.

전기자 배터리 순환경제를 위한 정책 동향 및 향후 과제

조지혜 ( Ji Hye Jo ) 한국폐기물자원순환학회 2022 한국폐기물자원순환학회 심포지움 Vol.2022 No.1

순환경제를 위한 ‘지속가능한 제품 설계’ 정책방향 및 과제

조지혜 ( Ji Hye Jo ),김영희 ( Younghee Kim ) 한국폐기물자원순환학회 2023 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2023 No.-

이차전지의 폐자원흐름 분석 및 자원순환성 제고방안

조지혜 ( Ji Hye Jo ),주현수,이소라,김유선 한국환경정책평가연구원 2017 기본연구보고서 Vol.2017 No.-

이차전지란 한 번 사용하고 버리는 일차전지와는 달리 외부의 전기에너지를 화학에너지의 형태로 전환시켜 충·방전이 가능한 전지를 의미한다. 니켈카드뮴전지, 연축전지 등 이차전지의 종류는 다양하나 이 중 리튬이차전지는 스마트폰을 비롯해 블루투스, 드론, 전기차 (EV), 에너지저장장치(ESS) 등에 폭넓게 활용되어 오늘날 전지 시장을 주도하고 있다. 리튬 이차전지 시장은 스마트폰의 상용화를 통해 시장 입지를 다졌으며, 최근 전기차의 급속한 보급과 ESS의 등장에 힘입어 시장규모가 크게 확대되고 있다. 이처럼 급성장하는 이차전지 시장의 속도에 상응하여 효용 만료 및 폐기 등을 통해 폐배터리의 형태로 그 배출 또한 급증할 것으로 전망된다. 하지만 현재 리튬이차전지가 폐기된 이후의 회수 및 관리체계가 미흡한 상황이다. 생산자 책임재활용제도(EPR) 대상 배터리는 수은전지, 산화은전지, 리튬일차전지, 니켈카드뮴전지, 망간/알칼리망간전지, 니켈수소전지만을 대상으로 하고 있어 리튬이차전지는 관리의 사각지대에 있다. 특히 보조배터리, 전기차용 및 ESS용 폐배터리 등은 배출 이후 관리체계 및 처리 가이드라인이 부재한 상황이다. 또한 폐리튬이차전지는 잘못 관리될 경우 폭발 위험성이 높기 때문에 수송 및 처리에 있어 안전성이 요구된다. 현재 리튬이차전지 내 유가금속의 가격이 수요 확대로 인해 급격히 상승하고 있다. 희유 금속인 코발트와 리튬은 양극활물질의 주요 성분으로, 양극활물질은 소재 원가의 40% 상당을 차지하는 핵심 소재이다. 국내 이차전지 업계에서는 코발트와 리튬을 전량 수입에 의존하고 있는 상황으로 국제 유가금속 가격 상승에 매우 취약한 상황이다. 이에 폐리튬이차전지의 자원순환 체계 마련을 통해 유가금속을 효율적으로 회수 및 확보할 수 있도록 정책적으로 지원할 필요가 있다. 해외에서는 자원 회수 및 안전성에 대비한 폐리튬이차전지의 관리체계 구축 및 재활용기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 하지만 국내의 경우 리튬이차전지가 배출된 이후 관리흐름에 대한 연구조차 미미한 상황이다. 이에 본 연구에서는 리튬이차전지의 폐자원흐름 분석을 통해 관리현황 및 체계를 파악하고 재활용을 저해하는 문제점을 분석하여 이에 대한 개선방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 소형(휴대폰 폐배터리)/중형(전기차 폐배터리)/대형(ESS 폐배터리)을 대상으로 각각 배출단계, ②수거단계, ③전처리단계, ④자원회수단계, ⑤활용단계에 이르는 단계별 흐름을 파악하였다. 또한 향후 발생량 전망을 통하여 희유금속 회수에 따른 수입대체 효과를 산정하고 자원순환성 제고를 위한 배출-수거-전처리-자원회수의 관리기반을 마련하였다. 먼저 소형(휴대폰 폐배터리)의 경우 배출형태는 일체형과 분리형으로 나눌 수 있다. 일체형은 휴대폰에 내장된 채 배출되는 리튬이차전지로 주로 가정에서 배출되며, 휴대폰 유통 및 생산업체에서 배출되는 양은 상당히 미미하다. 가정에서 배출되는 폐휴대폰(폐배터리 포함)은 주로 9가지의 경로 - 새 제품을 구매하는 곳(이동통신사 대리점, 이하 대리점), 캠페인, 상시수거, 위탁회수, 한국정보통신진흥협회(KAIT), 대형마트, 우체국, 민간수집, 중고거래 - 에 해당하는 것으로 나타났다. 이 중 캠페인, 상시수거, 위탁회수, 한국정보통신진흥협회(KAIT) 등에서 회수되는 폐휴대폰은 한국전자제품자원순환공제조합(이하 공제조합)에서 관리되고 있다. 공제조합에서 취합한 폐휴대폰은 수도권자원순환센터(MERC)로 운송되어 본체에서 폐배터리를 분리한 후 이를 재활용업체에 판매하고 있다. 한편, 대리점에서는 중고휴대폰을 구매하여 민간 알뜰폰 사업자(MVNO: Mobile Virtual Network Operators)에게 임대폰으로 판매하거나 해외로 수출하는 것으로 알려져 있다. 공제조합 실무자와의 인터뷰에 따르면, 배출된 전체 폐휴대폰 중 약 98%가 수출되고 있는 것으로 파악된다. 그 밖에도 대형마트, 우체국 역시 최종소비자로부터 일정 금액을 지급하여 중고폰을 구입한 후, 민간업자에게 판매하는 것으로 조사되었다. 수집업체는 사업자 혹은 협회 (한국중고통신유통협회 등)로 나뉘며, 각 기관에서는 민간 대리점, 대형마트, 우체국 등을 통해 수거된 중고 휴대폰을 수출하거나 중고시장에서 거래하고 있다. 중고거래는 전자상거래의 형태로 C2C (Customer to Customer) 혹은 C2B (Customer to Business) 등으로 이루어지고 있다. 한편, 분리형의 경우 배출 및 수거 방식 등에서 일체형과 다른 형태를 지닌다. 배출 주체는 사업장과 수입으로 분류되며, 배터리 제조업체에서 공정 중 부산물의 형태로 배출되거나 미국, 호주, 말레이시아 등에서 분말 및 폐배터리 형태로 수입되고 있다. 중고제품으로 팔리거나 공제조합 등에서 회수하고 있는 일체형과 달리, 분리형은 바로 재활용업체로 운송되어 재활용된다. 수입의 경우 일부 폐배터리는 수입업체를 통해 국내에 반입되어 재활용업체로 운송되며, 나머지 폐배터리 및 분말은 재활용업체에서 직접 수거하고 있다. 재활용업체로 운송된 폐리튬이차전지는 전처리 및 자원회수 공정을 거치게 된다. 이는 소형뿐만 아니라 전기차용 및 ESS용 폐배터리 등 다른 제품 유형의 리튬이차전지에도 동일하게 적용된다. 전처리단계에서는 원료 투입-파쇄-입도분리-자력선별-리튬전지 화합물 회수를 통해 수거된 폐전지를 파쇄해서 분말 형태로 만드는 과정이며, 자원회수 공정에서는 분말로부터 침출-여과-저장-추출의 과정을 통해 코발트, 황산망간, 니켈, 인산리튬, NMC파우더 등을 회수할 수 있다. 추출된 유가금속 중 망간, 코발트, 리튬 등은 결정화 단계를 거쳐 메탈종류로 생산되며, 인산리튬은 탄산리튬 생산 공장을 거쳐 최종적으로 탄산리튬으로 전환 및 생산된다. 이렇게 회수된 유가금속(코발트, 황산망간, 니켈, 인산리튬, 탄산리튬, NMC 파우더)은 전구체 업체, 합금 제조업체, 활물질 제조업체 등에 판매된다. 코발트의 일부는 타이어 관련제품 제조업체에도 납품되고 있다. 다음으로 중형(전기차 폐배터리)의 경우에도 각 단계별로 관리현황을 조사하였다. 국내배출은 ①개인, ②기관, ③사업체, ④제조사 등으로 구분된다. 전기차 소유주는 개인을 의미하나, 현재 국내에서 판매되는 전기차 대부분은 정부 및 지자체 보조금을 받고 있기 때문에 전기차 배터리는 지자체 소유로 구분된다. 기관이란, 공공기관에서 구매한 전기차량을 의미하며, 사업체는 버스회사를 뜻하는 운수업체, 전기택시업체, 렌터카업체, 배터리리스 사업체 등 4가지 유형으로 구분된다. 한편, 폐배터리 형태로 배출되는 분리형은 배터리 제조사와 완성차 제조사에서 주로 공정 중에 발생한다. 소형 배터리와는 달리, 전기차 배터리는 팩 상태로 출시되기 때문에 배터리팩 해체작업이 필요하며, 이는 수작업으로 진행되고 있어 현재는 제조사에서 재활용업체에 처리비용을 지불하고 처리하고 있다. 국내외적으로 전기차 보급이 급격히 늘어갈 것으로 전망되는 가운데, 전기차 배터리 역시 2020년까지 약 200억 달러 시장을 형성하며 크게 성장할 것으로 예측된다. 전기차 배터리는 각 형태에 따라 용량이 다르나, 휴대폰 배터리 기준으로 4,300개의 배터리 용량에 해당한다. 본 연구에서 전기차 폐배터리의 발생량을 추정한 결과, 2017년에는 3대에 불과하나 2025년에는 8,321개의 폐배터리가 발생할 것으로 예측되며, 이는 1,976톤에 해당하는 수치이다. 하지만 현재 「대기환경보전법」에 따라 보조금이 지급된 전기차의 경우 폐차 혹은 수출 등 말소 시 해당 폐배터리를 지방자치단체의 장에게 반납하도록 하고 있으나, 그 이후의 관리체계가 마련되어 있지 않아 현장에서는 혼선을 빚고 있다. 또한 전기차 폐배터리의 경우 발화 및 폭발 가능성이 높아 안전성에 대한 위험성이 지속적으로 제기되고 있으나, 이를 고려한 안전취급 지침 역시 부재한 실정이다. 이에 본 연구에서는 보조금 지급/미지급을 구분하고, 폐차 및 수출 등으로 말소되는 경우 이외에도 운행 중인 전기차 배터리에 대해 한계 효용에 도달했다고 소비자가 판단하는 경우, 교통사고 발생으로 파손의 우려가 있는 경우 등 크게 4가지 사항으로 구분하여 관리체계(안)을 마련하였다. 대형(ESS 폐배터리)의 경우에도 정부로부터 ESS 설치 지원 혹은 전력요금 감면 등을 통하여 보조금이 지급되고 있으나, 이 역시 전기차 폐배터리와 마찬가지로 관리체계가 아직 구축되어 있지 않은 상황이다. 현재 개인 배출 ESS는 주로 가정용 ESS 형태로 배출될 수 있으나, 아직까지 국내 가정용 ESS 보급률은 상당히 낮은 상황이다. 기관의 경우 주로 공공기관에서 사용하고 있으며, 사업체의 경우에는 UPS나 발전소 등에서 주로 사용된다. 지금까지는 ESS 폐배터리의 발생량이 없으나 향후 발생할 경우 지정업체를 통해 수거될 것으로 예상된다. 또한 LG화학, 삼성SDI, 코캄, 인셀, 탑전지 등 ESS 제조사에서 공정 부산물로 발생된 폐배터리 역시 향후 배출 시 재활용업체로 바로 보내질 것으로 판단된다. 상기의 각 제품 유형별로 리튬이차전지의 폐자원흐름을 분석하여 관리상 문제점 및 개선방안을 도출하였다. 우선 소형 폐리튬이차전지(휴대폰 배터리 및 보조배터리 등)에 대해 살펴보면 다음과 같다. A rechargeable (secondary) battery is a battery which can be repeatedly charged by converting the external electric energy into a form of chemical one. Today, the secondary battery has been widely used in mobile phone, Electric Vehicle (EV), Energy Storage System (ESS), etc. However, there are several issues raised on how to manage these waste secondary batteries. Since the Extended Producer Responsibility (EPR) regulation only targets batteries made of mercury, silver-oxide, lithium primary, nickel-cadmium, manganese/ alkaline-manganese, and nickel-hydride, lithium secondary batteries have been untouched for waste management. Moreover, waste battery products like portable chargers, EV battery and ESS battery has no disposal process guideline. Considering the risk of explosion and the trend of increasing price of valuable metals (cobalt, nickel, lithium, etc.) used in the lithium secondary battery, it is necessary to build the safe management and effective resource circulation system. Therefore, we conducted the secondary material flow analysis for the waste lithium secondary batteries. With the analysis, we tried to understand the domestic system of waste lithium secondary battery and find out the bottlenecks in the process of recycling. Lastly, we suggested applicable and improved plans by forecasting the expected amount of the waste lithium secondary battery, and estimated the effect of import substitution by recovering the rare metals. For this work to be done, we set the scope of this study into small size (for mobile), medium size (for EV) and large size (for ESS) of the lithium secondary battery and traced the flow of waste lithium secondary battery in the aspect of 5 stages, which are disposal stage, collection stage, recycling stage, resource recovery stage and utilization stage. For the small size (for mobile) of the lithium secondary battery, the mobile phone battery is to be divided into two types: the battery equipped with the mobile phone and the battery itself. In the stage of the disposal, most of the mobile phones are discarded by household, distributor and manufacturer of the mobile phone. Most of the used mobile phones are collected in 9 routes which are: 1) store where customer purchases new mobile phone, 2) the public campaign, 3) the public permanent collection spot, 4) consignment collection, 5) Korea Association for ICT Promotion (KAIT), 6) large retailers, 7) Post office, 8) private collector and 9) private second hand dealers. After that, some batteries are sent to the recycling center under the management of Korea Electronics Recycling Cooperative (KERC) and 98% of used cell phones are assumed to be sold overseas. The latter one comes from the battery manufacturer or imported from the abroad such as U.S., Australia, and Malaysia, and is directly delivered to the recycling companies which is specialized in handling the waste lithium secondary battery. In the recycling stage, waste mobile phone battery is treated with two sub-processes: 1) preprocessing stage and 2) resource recovery. This recycling process is adapted to the all types of lithium secondary battery. After the preprocessing stage, some of the metals such as cobalt, oxide manganese, nickel and lithium are produced in the resource recovery stage. These recovered metals are sold to the precursor, alloy and cathode active materials manufacturer. Some portion of the recovered cobalt is provided to the certain manufacturer, related to tire products. For the medium size (for EV) of the lithium secondary battery, we also conducted the research on the flow of waste EV battery. EV battery is discarded by car owners, public sectors, business sectors and manufacturers. Most of the owners of EV receive subsidies from the both federal and local governments. Therefore, the battery installed in the vehicle belongs to the local government. Due to increasing EV sales in the global automobile markets, EV battery market is likely to grow in certain extent to the worth two billion by 2020. In this research, we can estimate the expected EV waste battery to be increased significantly to 8,321 by 2025 (which is equivalent to 1,876 ton). According to the 「Clean Air Conservation Act」, the waste batteries subsided by the government are returned to the local government head in the case of scraping or exporting the EV. However, there are no collecting and recycling schemes for the EV waste batteries. Considering the risk of the accidental explosion of the EV battery, we need to establish the safe and effective management system for the EV waste battery. For the large size (for ESS) of waste lithium secondary battery, we also find there are no sound wastes manage schemes in Korea. ESS sold in Korea has been subsided by the government in the forms of supporting the installation or discounting the electricity bill. The ESS waste battery is assumed to be discarded by the household and the public/private sector including the power plants. In these days, the waste batteries produced during the manufacturing process are sent to the recycling company directly. We expect that in few years, the batteries would be discarded by the public or private sectors and treated by authorized center for collecting and recycling the waste. Based on the secondary material flow analysis for each size of the lithium secondary battery, we point out the several management issues and propose the efficient safety strategies. We find five issues regarding on the small type of lithium secondary battery (mobile phone and portable charger) and also come up with four solutions in below. First, there are inaccurate statistical data indicating the domestic flow of mobile waste battery. After the end-users sell their used phones to the retailers, it is difficult to grasp all the detailed flow of them. It indicates that the small lithium secondary battery including portable charger, wireless vacuum cleaner is out of legitimate system. Second, we find that 54.5% of smart phone users still keep their used phones, and we assume that 24 million used-phones are stored at home. The collecting system is not the end-user friendly. Third, there is no safety guideline to collect and transport small lithium secondary battery. Without taping or discharging, explosion risks are considerable for the lithium secondary battery. Fourth, it is difficult to sort the lithium secondary battery into each type. The recycling companies have troubles in sorting the various types of the lithium secondary battery due to lack of the labels indicating the type of cathode active materials used. Lastly, it is necessary to improve the ‘Allbaro’ system to control the imported and exported lithium secondary battery. The level of importing the lithium secondary battery has been significantly increased by years and this is subject to the Basel Convention. This study suggests four solutions to the problems that are mentioned in above. The solutions are: 1) track back schemes by retailers which need to be expanded in the terms of scope and role. The retailers participating in the legitimate collecting program is only 2% of the mobile phone industry in Korea with the results of the low rate in collecting the mobile phone waste battery. In addition, they need to provide their consumer information of collecting the waste lithium secondary batteries, 2) existing legitimate municipal guidelines need to indicate what and how to discard the waste lithium secondary battery under the 「Act on Resource Circulation of Electrical and Electronic Equipment and Vehicles」. Therefore, small size of the waste lithium secondary battery including portable chargers can be safely treated and discarded by the household, 3) the label which symbolizing the type of cathode active materials needs to be attached to the battery itself, 4) the classification of battery type code needs to be modified by adding the specified waste code, in order to appropriately manage them in statistical terms. Next, this study looks into the result of secondary material flow analysis for the medium (for EV) and the large (for ESS) size of the lithium secondary battery and find three issues as well as ten solutions. The issues are: 1) there are no management systems for the EV waste battery. Even though「Clean Air Conservation Act」shows that the subsided EV battery should be returned to the local government head, there is no detailed instructions on collecting and recycling schemes and infrastructures, 2) there are no safe guideline of how to handle the EV waste battery. For many years, the risk of EV battery has been debatable in regard of explosion and low shock resistance, 3) it is difficult to disassemble the waste battery pack. All the bolt and nuts used in those products require hand work system since these are in different shapes depending on the manufacturers, and models of the products. Therefore, recycling companies have difficulty in dismantling those waste products in the recycling stage. In this study, the following 10 aspects of the management problems for EV and ESS waste batteries are examined. 1) Plans for establishment of management system for the subsidized EV waste battery are suggested in the cases ① when the consumer determines that the EV battery has reached its marginal utility, ② when there is a risk of damage due to car accidents, ③ when the registration of vehicle is cancelled by scrapping, and ④ when the owner cancels the registration of vehicle for the export as a used car. 2) There is a necessity of reorganized subsidy withdrawal standard by the characteristics of EV waste batteries. Although the same standard with the reduction devices is appled at present, it is necessary to set the recovery rate that distinguishes the characteristics and the value of the devices. 3) A plan for establishment of management system for the non-subsidized EV waste battery is also suggested, so that it can be also collected into the reuse/recycling system. 4) Establishment of Reuse Center (tentative name) for storage and performance inspection of the waste batteries is examined. The center's functions are collection, performance inspection, processing by inspection results, computerization and accounting. 5) Establishment of new statistical management system for the EV waste battery is needed to complement the missing data of current management system for EV and EV battery. 6) Establishment of legal basis for promoting the recycling of waste battery is reviewed by suggesting complementary measures(Articles) for 「Act on Resource Circulation of Electrical and Electronic Equipment and Vehicles」. 7) Safety guidelines for the control of waste batteries is reviewed for the safe transport and handling of the lithium secondary batteries in accordance with UN ADR(The European Agreement concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road). 8) There is a necessity of improvement standards and methods for ‘Designated Wastes’ by reflecting the characteristics of waste lithium secondary battery. 9) Establishment of the EV battery management department is needed for safe collection and providing relative information. 10) We suggest the safe management system for ESS and promote eco-design for the efficient recycling process. Furthermore, the establishment of cooperation system between battery pack manufacturers and recycling companies is needed for the development of easy-disassembling method for battery pack. The above-mentioned approaches for improvements can significantly contribute to the import substitution of valuable metals such as cobalt and lithium by developing the recycling system for waste batteries. In order to grasp the value of recovered valuable metals in detail, the study examined the import substitution effect of cobalt which has high economic effect. In 2027, estimated recoverable cobalt amounts for cell-phone are about 169 tons, 286 tons for EV and 234 tons for ESS, and the total amount is 689 tons. Based on the average value of imports over the past 5 years, the import substitution effect of cobalt recovered from waste batteries will be about 6% of imported amount in 2027 and about 15% in 2029. The import substitution effect will be significantly increased through the recovery of valuable metals from large waste batteries such as EVs in the near future. Therefore, the efficient resource circulation system for lithium secondary batteries should be established at the earliest passible moment, considering the domestic situation where 90% of minerals are heavily dependent on the imports and the rising prices of the valuable metals such as cobalt and lithium.