독일의폐전지분류기술및재활용기술동향 konetic 독일주재 IP 김상헌 목 차 1. 도입 1 2. 전지시장동향 2 3. 폐전지재활용규제와환경문제 5 3.1 우리나라와독일의폐전지법규및변경필요성 5 3.2 카드뮴전지와 환경오염 8 4. 폐전지분류기술동향
1. 도입 전지는이동용전기에너지의도구로생활전반에걸쳐널리사용되고있는필수 품이다. 전지는오래전부터차량시동용전지로부터비상용전지와비교적최근에 폭발적으로사용이늘어나기시작한충전후반복사용이가능한이차전지및이동 용가전제품, 통신장비, 정보통신분야의다양한분야에서없어서는안될부분이다. 그러나전지의사용후발생하는여러가지환경문제와특히이차전지의수요증가와 함께폐기되는폐전지를회수하여재활용할수있는회수시스템과재활용기술이미 비한상태에있어서, 철, 니켈, 코발트, 카드뮴등의유가금속이낭비되고있다. 독일의폐기물기본법인순환경제및폐기물법에따르면무해재활용을원칙으 로한다. 전지규칙은전지전자장비폐기지침(WEEE), 폐자동차(LEV) 및포장재법과 도관련이있다. 매년 10 억개이상의차량용전지가폐기물로발생되고, 이를통한 오염물질유입을저감하기위하여 1998 년말에전지시행규칙이제정되었다. 이미일 부전지분야에서는오랫동안효율적인수거밀재활용시스템을구축하고있고, 최근수년간재래식방법을개선하기위한노력들이진행되고있다. 독일연방환경부(Umweltbundesamt) 의연구지원프로그램인 Umweltforschungs- plan(ufoplan) 에따라칼스루에대학내 Deutsch-Franzoesisches Institute fuer Umweltforschung 에서카드뮴의위해성을근거로환경및경제적중요성을고려한 전지재활용공정및재활용업체조사 라는연구가수행되었다. 원보고서는전지처 리를위한환경및경제적최적화방향을제시하고있고, 전지재활용을위한중요 한조건들을지적하고있다. 전지의시장현황과추후시장변동, 유럽과각국의전 지재활용을위한법적요건, 전지의수거, 분류, 재활용및처리에대한전반적인 흐름및독일에서운영되고있는수거된전지의분류시설에대해서조사하였다. 또 한재활용을위한다양한공법과니켈- 카드뮴전지의사용으로인한카드뮴문제, 전지중특별한분야로분류되는차량에서사용되는시동용전지의수거, 재활용현 황과효율에대하여기술하고있고, 독일내전지의수거및재활용현황을고려하 여전지재활용을위한기준과요구사항들을기술하고있다. 본고에서는상기보 고서를바탕으로폐전지시장동향과재활용규제를정리하였고, 재활용기술을요약하였다. 폐전지분류기술과 - 1 -
2. 전지시장동향 1960년에서 1990 년까지전지산업의기술적인진전은거의없었다. 1990년이후 전자산업의혁신적인발전으로인해전지산업이급속도로성장하기시작했다. 히휴대성과데아타처리와관련하여 ( 예를들면휴대폰과노트북) 이차전지분야 의기술이엄청나게발전하기시작하였다. 휴대용전자제품의지속적발전과함께 전지는높은시장점유율을차지하게되면서수익성또한높아져전지생산업체들 특히이차전지개발을위한혁신기술에많은노력을기울이기시작하였다. 전지의 종류는충전가능여부와화학적성분에따라아래 < 그림 2-1> 과같이구분할수있 다. 특 전 지 일차전지 ( 일회용전지) 이차전지 ( 충전가능전지) 아연/ 탄소, 아연/ 클로라이드 : 장난감 알라키/ 망간 : 손전등 아연/ 은 : 단추전지 슈은 : 의료및군사용 리튬/ 메탈 : 카메라 산화납 : 자동차용 니켈/ 카드뮴 : 전기용구 니켈/ 하이드리드, 리튬이온, 리튬/ 폴리머 : 핸드폰, 노트북, 오거나이져 그림 2-1 충전여부와화학적성분에따른전지의구분 충전지에대한수요의계속적인증가로인해기술개발또한점차적으로진보하 기시작하였다. 기존의니켈/ 카드뮴전지에이어니켈/ 수소충전지가출시되었고, 그다음으로리튬이온충전지가개발되었다. 최근에는니켈/ 카드뮴충전지는쇠퇴 하는반면새로운두가지건전지가시장에서확실한자리를차지하고있다. < 그림 2-2> 는전체적인이차전지(Sekundaerbatterien) 의세계적인연도별소비량 (Absatz) 과시장점점유율(Marktanteil) 을보여주고있다. - 2 -
그림 2-2 이차전지종류별소비량과시장점유율 1990 년대초반까지만해도니켈/ 카드뮴충전지가이차전지의유일한형태였는 데, 90년대후반으로가면서급속하게낮아져 99년도에는 48 % 의시장점유율을보 이고있고, 나머지절반은니켈/ 수소 (38 %) 와리튬이온 (14 %) 충전지로대체되었 다. 니켈/ 카드뮴충전지의연간판매수량을비교해본다면위의그림에서도볼수 있듯이새로운이차전지의개발에도불구하고 10 년동안거의변하지않았다. 오히 려전지수요의지속적인팽창이전지시장의확대를촉진했고, 앞으로해를거듭 할수록전지의수요는증가할전망이다. 최근전지수요는거의대부분새롭게개 발된이차전지로보충되고있으며, 이차전지기술개발이계속해서이루어지고있 는상황을감안한다면리듐이온의시장점유율이계속증가할것으로보인다. < 그 림 2-3> 에서볼수있듯이 2003 년에리튬이온과니켈/ 수소충전지가전체전지시 장의 90 % 정도를차지할것으로예상된다. 독일에서휴대폰전화의사용자수가 4천 8백만까지증가했으며이는 2001년에 이차전지산업에서 30 % 의수익성장을가져온것으로나타났다. 이로서이차전지 산업은연간성장율이두자리를기록한몇안되는분야중하나로휴대용전자제품 의기술개발에결정적인역활을하고있다. 이차전지에대한기술투자또한계속 되고있어현재휴대폰충전지생산의주역인 Sanyo와 Masushita에서는기술개발 - 3 -
을통해리듐이온충전지의시장점유율을 25 % 와 100 % 로증가시킬방안을추진 중에있다. 그림 2-3 이차전지종류에따른생산비율과시장점유율 - 4 -
3. 폐전지재활용규제와환경문제 3.1 우리나라와독일의폐전지법규및변경필요성 우리나라의경우전지와관련한폐기물법률로예치금및부담금제도가있다. 예치금제도는자원의절약과재활용촉진에관한법률( 제18 조) 에의거하여, 사용 후폐기물이다량발생하는제품 용기중회수 재활용이용이한제품 용기의제 조업자또는수입업자로하여금폐기물의회수 처리에소요되는비용을예치하게 하고, 적정한기준과방법에따라제품 용기를회수 처리한경우납부된예치금 중에서회수 처리한정도에따라반환해주는폐기물재활용촉진제도이다. 폐기 물예치금부과대상전지는 92년부터적용된산화은및수은전기와 2001년부터새로 이추가된니켈/ 카드뮴, 리튬전지가해당된다. 예치금을반환받을수있는폐기물 의회수 처리기준및방법으로는예치금납부자가회수하여재활용하거나예치금 납부자또는예치금납부자로부터회수 처리를위탁받은자가지정폐기물공공처 리기술에서의처리하는경우와재활용을영업목적으로하는폐기물중간처리업허 가를받은자에의한처리를규정하고있다. 2003년 1월부터폐기물예치금제도는 생산자책인재활용제도로전환되어시범단계에있으며생산자와정부가자발적협 력을체결하여생산자스스로가폐기물을회수 처리하도록하고, 면제하도록제도를시행하고있다. 예치금의부과를 폐기물부담금은자원의절약과재활용촉진에관한법률( 제19 조) 에따라, 예치금 부과대상외에특정대기유해물질, 특정수질유해물질또는유독물을함유하고있거 나, 재활용이어렵고폐기물관리상의문제를초래할가능성이있는제품 재료 용 기의제조업자또는수입업자로하여금당해폐기물의처리에소요되는비용을매 년부담하게하는제도이다. 폐기물부담금부과대상품목은 2001년부터예치금부 과대상품목으로추가된니켈/ 카드뮴전지, 리튬전지를제외하여리튬전지중이상화 망간리튬전지와플루오화탄소리튬전지가해당된다. 독일의건전지처리규정에는사용되어진건전지의처리방법에대해자세하게 명시해놓고있다. 이를통해유해물질을함유하고있는전지가잘못된폐기처리 ( 매립이나소각) 로인해유해물질이환경생태계로유입되고먹이사슬을거쳐인 체에유해한영향을끼치는것을막고자하는데그의의가있다. 아래 < 그림 3-1> 은 - 5 -
유럽연합의폐전지의처리및재활용시법적조건을정리한것이다 그림 3-1 : 유럽연합의폐기물처리전제조건 이러한법적인조치에도불구하고전지의크기가작아지기때문에상당한양의폐전지가일반가정쓰레기와함께버려져쓰레기소각장이나매립장에서처리되어지는것을제대로규제하지못하고있기때문에소비자들이폐전지를일반가정쓰레기와함께버리는것을방지하기위해전지처리규정의적절한변경이시급한실정이다. 게다가최근쓰레기의재활용에관한법규가강화되고자원이나에너지원으로의재활용에많은관심이집중되고있는추세를고려하여적절한법의변경이이루어져야한다.. 기존규정의주된변경사항중에첫번째로유해물질을함유한전지의확실한 분류를위해수은에대한허용기준의강화를들수있다. 기존의규정은수은함 유량이전체전지무게의 0.025 % 이상인전지의유통을금지하고있는데새로운 규정은이를수은함유량의허용기준을 0.0005 % 로강화한다는것이다. 현재독일 의폐건전지처리규정에명시되어있는유해물질의허용기준은표 3-1 과같다. - 6 -
표 3-2 건전지에함유된유해물질의허용기준 ( 무게기준) Al/Mn 전지 수은 기타 카드뮴 납 < 0.025 % < 25 mg < 0.025 % 0.4 % 또하나의주변경사항은폐전지의수거율을정기적으로산출하여관리기관에 보고의무를강화시키는것이다. 지금까지의규정은생산자나유통업자로부터폐전 지공동수거시스템 (GRS) 이나개별수거시스템의현황에대한연간보고서의제 출만을요구하였다. 하지만기존의규정으로는관리기관이수거시스템에대한통 제를제대로할수없다. 이러한폐단을막고기존수거시스템이전지생산업체들 에의해성공적으로운영되도록하기위하여, 전지처리규정의새로운변경을통 해업체별수거에대한정기적인현황보고서제출을의무화하고자한다. 정기적인현황보고서제출의의무화를확립시키기위해보고서의제출기한과작성요령을엄수해야한다는조항을전지처리규정에새로명시하여야한다. 그렇게되면이조항에따라보고서작성의의무를제대로지키지않은경우에관리기관으로부터벌금이부과될수있다. 이를통해정기적인현황보고서제출의의무화가전지의적절한처리에대한생산자와판매자의책임의무를명확히하는수단으로서큰의미를가지게된다. 뿐만아니라수거시스템의확실한통제를실현하기위해기존의규정에수거시스템의시작과마지막을정확하게명시해놓은규정조항을첨부하게되었다. 가정쓰레기와함께그냥버려지는건전지의양은현재전체폐건전지의70 % 정도로추정하고있는데, 이러한건전지의양이새로운규정을통해현저하게줄어들것으로예상되어진다. 더나아가새로운규정은재활용가능쓰레기의오염을방지하는기초가될수있고폐건전지에함유된유해물질이제대로처리되는것을보장해줄것으로기대된다. - 7 -
3.2 카드뮴전지와환경오염 독일에서는 1998년부터폐전지처리규정을통해전지의생산과판매업자가모 든폐전지를수거하는것을의무화하였고소비자들도더이상폐전지를일반쓰레 기와함께버리지못하도록하였다. 그럼에도불구하고기존의폐전지수거시스템 은유해성중금속에의한환경오염을줄이는데는충분하지않다. 전체전지의약 30 % 정도만이소비자들에의해수거되고있기때문이다. 그것은소비된 수거되어진폐전지는독일에서가동되고있는여러가지처리공정에의해분류, 재활용되어지거나( 약 33 %), 소각및매립과같은방법으로최종처리( 약 67 %) 된 다. 이러한폐전지의재활용이나무해한최종처리과정의최종적인목표는폐전지 에의한환경생태계로의유해물질의유입을막고원료를재회수하여자원절약에 이바지하고자하는데있다. 독일의카드뮴소비현황을살펴보면, 대부분카드뮴은전지, 도장염료, 전압안 전장치로사용되는데그사용량은약 800 톤이상으로추정된다(1990년-94년자 료). 최근에는도장염료와전압안전장치산업에서는카드뮴의사용양이감소한 것과달리, 않고있다. 전지에소비되는카드뮴의양은증가하여전체소비량은거의변하지 오히려이차전지이용제품의수요가급속도로증가하면서카드뮴의소 비량또한조금씩증가하고있는추세이다. 합금에사용되어지는카드뮴의양은매 년줄어들고있으며앞으로이영역에서카드뮴이거의사용되지않을것으로보인 다. 이에따라독일연방환경성은폐전지를통한카드뮴오염이전지업계에서주목 해야할가장큰환경문제라고보고있다. 니켈/ 카드뮴이차전지의경우 20 % 정 도의중독성카드뮴을함유하고있다. 여러가지새로운이차전지( 니켈수소또는리 튬이온이차전지) 가개발되었음에도불구하고, 니켈/ 카드뮴이차전지의연간판매 수량을비교해본다면 10 년동안거의변하지않았다. 니켈/ 카드뮴전지의사용영 역은전자공구분야의경우계속해서성장할것으로예상되지만, 휴대폰과노트북 업계에서는니켈수소와리튬이온등새로운화학성분의이차전지가시장을완전히 장악할것으로보인다. - 8 -
1960년에서 2000 년사이의카드뮴가격의변동상황을비교해보면, 카드뮴이 재활용되고있지만계속되는카드뮴의가격하락때문에그경제성이계속나빠지 고있다. 카드뮴가격하락의가장큰이유는카드뮴의심각한유해성때문에카드 뮴을함유한생산물에대한규제가강화되기때문이다. 80년대말일시적인카드뮴 가격폭등이있었는데, 몇몇생산업체간의가격경쟁과일본충전지회사의엄청 난카드뮴수요에기인한것이었다. 독일의통계자료에따르면전체소비된전지의약 31 % 정도만수거되고있는 현실을고려할때, 나머지연간 400 톤의카드뮴이처리되지않고, 환경생태계로 유입되고있는것으로추정된다. 업체별카드뮴현황보고서의작성이완전히이루어진 일반전지에사용되는카드뮴에대하여처음으로 2000년의통계자료에따르 면독일에서당해년도에 3214 톤의일반니켈/ 카드뮴전지가소비되었고, 전지 1 개당 20 % 정도의카드뮴함유정도를고려하면, 640톤의카드뮴이 1 년동안소비 된것으로추정된다. 같은해 1000 톤겅도의니켈/ 카드뮴전지가 GRS와 Vfw-REBAT, Robet Bosch GmbH 등의수거프로세스를통해수거되어적절한공정을 거쳐재활용되었다. 이는전체소비된전지의단지 31 % 정도만이다시수거되어지 고있다는것을의미하며소비된전지의대부분인 69 % 정도가적절하게처리되지 못하였음을의미한다. 이에대해독일연방환경성은약 200 톤의폐전지가쓰레기와 함께그냥버려지고, 나머지 200 톤은다른종류의쓰레기통에버려지거나가정에 방치되어있는것으로추정한다. 독일에있는산업용전지생산업체를대상으로설문조사한결과에따르면 1999년 니켈/ 카드뮴산업용충전지생산에 195 톤정도의카드뮴이사용되었던것으로추정 되었다. 산업용충전지의경우긴수명과높은수출비율과특히업체들간의경쟁의 식때문에산업용충전지에사용되는카드뮴의양을업체별로종합하여정확한환 경수지를계산해내는데많은어려움이있었다. 그러나최근니켈/ 카드뮴전지의 사용금지가유럽의회차원에서본격적으로논의되기시작하면서업체들사이에 자료공유와협력의움직임이일어나기시작하였다. < 그림 3-2> 와 <3-3> 은 CollectNicad 사가조사한자료로최근 10년간유럽연합 에서유통및재활용된니켈/ 카드뮴산업용충전지양의변화를보여주고있다. 이 자료를근거로카드뮴의재활용율을추정하면평균 90 % 정도된다는것을알수 - 9 -
있다. 앞서언급한설문조사결과에따르면연간 195 톤정도의카드뮴이사용되고 있으므로산업용건전지의카드뮴함유량을 5 % 라고가정할때연간 3900 톤의니 켈/ 카드뮴산업용충전지가유통되었음을추정해볼수있고, 이는 CollectNiCad의 자료와거의일치하는결과이다. 그림 년 ) 3-2 : 유럽에서유통된니켈/ 카드뮴그림 3-3 : 유럽에서재활용된니켈/ 카드뮴 산업용충전지의양 ( 단위톤/ 년) 산업용충전지의양 ( 단위톤/ 일본의아연광산에서카드뮴오염으로발생한이타이타이병이후로카드뮴이 인체에미치는영향이활발히연구되었다. 식물의뿌리를통한카드뮴의흡수는먹 이사슬을통해사람에게까지영향을미치게되고인체의여러기관에축적되어 암까지유발시키는것으로나타났다. 유럽연합은카드뮴의불충분한수거효과와 환경오염및높은발암성을고려하여카드뮴을함유한건전지를규제하기위한법 적인규정을마련하기에이르렸다. 특히독일연방환경성의의도에따르면카드뮴의 유입을최소화하기위한예방차원에서사용을금지해야한다는견해를가지고있 다. 지금까지지속된카드뮴의토양및생태환경으로유입을제한하기위한대책의 논의결과나다양한연구결과를고려해볼때, 전자제품에사용되어지는전지의 카드뮴함유를금지시켜야한다는결론에이르게되어전기전자장비폐기지침 (WEEE- Waste Electrical and Electronic Equipment) 과폐차처리지침(LEV- End of Life Vehicles) 등새로운환경규제에반영하게되었다. WEEE란 2006년말까지유럽연합회원국들이국민1인당폐가전제품 4kg 이상을수 거재활용하도록노력해야하고, 각회원국들은생산자혹은그들을대신하는제3 자가유럽연합의법령에따라활용가능한최선의처리, 재생, 회수기술을이용할 수있는시스템설립의의무를가지고, 2007 년부터사용후소각, 매립되지않은전 - 10 -
자전기폐기물을일정비율이상으로회수, 재활용을수행하기위한시스템을구축하 고, 유럽연합진행위에제출의무와동전자전기폐기물에함유된 PCB, 수은, 카드 뮴등의특정물질분리의무가있다. 2000년 10월 21 일결정된유럽연합의폐차처리지침(Directive 2000/53/EC on End of Life Vehicles) 은유럽연합내폐차에서발생되는연간 8-9백만톤의폐기물 에대한엄격한관리를위하여, 유럽연합회원국간상이한폐차관련조치들을조 율하고, 미비한규정들을보완하며, 폐차에서발생하는제반오염을최소화하기위 한환경보호, 에너지와자원보존을주목적으로하고있으며, 재활용(Recycling) 과 회수(Recovery) 를고려한차량의설계, 회수및처리, 재활용과회수율목표달성을 위하여, 종속국의원칙및오염자부담의원칙에따라국가간접근방법의일관성 을보장하는범공동체적체계구성에궁극적목표가있다. 이지침은첫번째, 2005년말까지무게기준으로 85%, 2015년까지무게기준으로 95% 의재활용을달성해 야하고, 둘째, 자동차에함유된납, 카드뮴, 수은, 6 가크롬등의중금속함량규제, 세번째, 차량제작사의폐차무상수거의무로요약된다. 또한이와관련하여 2006 년 7 월부터전기전자장비폐기지침(WEEE) 에따라유해중금속외에브롬계난연제인 PBB와 PBDE 의사용이제한된다. 그러나이러한규제를실현하기위하여예외규정이항상논쟁의대상이된다. 아직까지많은전지생산업체가카드뮴전지대체기술을확보하지못했고, 따라서전지생산자와사용자의불만을해소하지못하고있다. 현재무선전화기나휴대용면도기, 가정용전자공구등의산업영역에서는이미더이상니켈/ 카드뮴전지를사용하지않고있는반면, 예외규정을통해우선적으로카드뮴의사용금지를이행할수없는산업영역에서는카드뮴함유건전지의완벽한수거와재활용을목표로대책을수립하고있는실정이다. 결과적으로현제논의중인예외규정을고려한확실한카드뮴의사용금지만이 카드뮴에의한환경오염을줄이는유일한방법인것으로보인다. 실례로자동차 부품업계를들수있는데, 오랜기간동안니켈/ 카드뮴충전지의사용을선호했 지만, 최근유럽연합의폐자동차규정에서정한카드뮴사용규제이후, 실제로 니켈/ 카드뮴충전지의사용이줄어들고있다. - 11 -
4. 폐전지분류기술동향 전지를수거하기시작했던초기에는수거전지의양이적기때문에자동분류시설의필요성이없었다. 따라서분류작업은전적으로수작업에의해이루어졌다. 지금도수작업전처리를통해기계로분류해낼수없는유해물질함유전지를분류하고있지만, 물리적화학적인특성을이용한폐전지분류자동화기술이개발되고있다. 그러나간단한자력이나크기등의물리적특성만가지고는전지의화학적성분을분류해내기에충분하지않기때문에폐전지의분류효율을높이기위하여다양한복합공정이개발되었다. 폐전지를분류하기위한다음과같은중요한두가지이유가있다. 폐전지의재활용을위한공법들중특정방해물질의성분이과다하게포함되면 경제성이떨어진다. 예를들어 RVD 공법은아연함유전지에서아연이니켈/ 카드뮴 전지로부터카드뮴추출시효율을낮추기때문에부가적인정제공정이필요하게된 다. 이러한경우는경제성을떨어뜨리는요인이되므로, 실제재활용되지못하고 매립하게된다. 폐전지를재활용하는데충분한사전분류가되어있지않으면재생단계에서부가 공정이필요할뿐아니라, 독일에서는재활용허가를얻을수없다. 예를들어재활 용공법인 Imperial-Smelting Process나 Wlzverfahren 의경우특정순도이상을만 족시켜야하고, 수은함유전지로부터수은을회수, 제거하여환경에악영향이없음 을증명해야한다. 화학적성분에따른폐전지분류를위한전제조건과기본원리는다음과같다 수작업에의한분류 외형 : 종이, 플라스틱, 코팅등의외부재질와형태에( 원통형, 단추형, 직육면 체등) 따라분류가능 분류 화학적성분과색깔 : 특정화학적성분사용시특정색깔을사용하도록하여 - 12 -
UV 인식바코드 : 자동분류시설에 UV인식기를부착하여생산자와상품종류및 화학적성분에따라분류 자동화상인식장치 : 분류시설에서 3차원화상을통한전지분류방법으로다른 분류기술의보완기술로사용되고있다. 로테르담의 Sorbat-분류장치에사용되고있 다. 그외에도그림인식, 분자인식, 코드인식, 라디오파인식공법등이시도되었다. 4.1 G MA 의분류장치 GMA 1) 분류시설은독일에서처음으로자동화분류장치를설치한회사로 1997 년부터가동하고있다. 이시설의설치비용은부대시설까지포함하여 250 만마 르크정도들었으며처리용량은시간당 1 톤정도이다. 수거되어진혼합폐전지(Batteriegemisch) 는콘베이어벨트에올려진다. 먼저 수작업전처리(Handsortierung) 를통해기계로분류해낼수없는장애물질을분류 해내고, 여과기(Sieben) 를거치면서미세한불순물을제거하는데, 막대모양의여 과기를통해단추모양의소형건전지를분류하고, 그뒤를이어자석선별기 Magnetische Trennung) 를통해자력의유무에따라폐전지를분류하게된다. 쇠로 입혀진건전지는자석을통해정말간단하게분류해낼수있으며거의자력이없 는다용도건전지의경우수작업을통해각각에함유된화학적성분에따라계속해 서분류되어진다. 자석선별기를통해분류되어진보통건전지는또한번여과기를거치면서무게 와크기에따라분류되어지고이어서센서 (Trimag-Sensoren) 를거치게된다. 이 센서를통해기존의전지데이터베이스를바탕으로전지에함유된화학적성분에 따라전자지문이찍히게된다 (Identifikation). 찍혀진전자지문에따라최종적 으로다음과같은 7 가지(Ni/Cd( 니켈/ 카드뮴), Zi/C ( 아연/ 탄소), alkalische ( 알 카리), Hg( 수은), Ag( 은), Li( 리튬), unbestimmte ( 식별불가능)) 로분류되어진다 (Endsortierung in 7 Kategorien). 1) Gesellschaft fuer Materialkreislauf und Abfallwirtschaft - 13 -
그림 4-1 : GMA 분류공정도 4.2 Trienekens AG 의분류장치 Trienekens AG는 2000년 5월부터유럽에서최신의자동화분류장치를가동하고 있다. 이전에수작업으로연간 2300 톤의폐전지를분류했는데, 새로운분류시설 을통해연간 5000 톤을처리하고있다. 이분류시설의설치를위해약백만마르 크가소요되었다. 이자동화분류장치는수거된혼합폐전지를 분류센서를사용하여다음과같은원리로분류한다. 차별화된전자신호를발생하고, Euro Bat Tri 라는프랑스회사의 대상폐전지는센서를통해 감지된폐전지의크기와무게에따라각각의전지 를표시하는전자지문이찍히게되며, 이를통해컴퓨터에저장되어진기존의전 지기초자료목록( 데이터베이스) 와비교를거쳐최종적으로전지의화학적성분에 따라분류하게된다. 이시설의한가지특징인분류공정중에전지의무게를측정 하는측정시스템에서혼합폐전지가센서를거치기전에여괴기를통해우선큰 전지를분류한다. 단추형전지의경우막대모양의여과기를거치면서분류된다. 남은혼합폐전지는회전원판을거치면서원형전지와평면전지로분류되어, 최종적 - 14 -
으로원형전지만센서를거치게되고, 폐전지의화학적성분에따라 11가지의폐전 지로분류된다. 4.3 Uni-cyc 의분류장치 Uni-cyc사는독일브레멘항구에세계최대규모의화분류시설을가동하고있다. X-ray를이용한폐전지자동 수거된혼합폐전지(Batteriegemisch) 는특성조사 (Eigenschaftkontrolle) 와 정량 (Wiegen), 표기(Beschriften), 기록(Dokumentation) 등의절차를거치게되고, 콘베이어벨트에서수작업과체거름전처리를통해기계로분류해낼수없는장애 물질을먼저분류한다. 전체혼합쳬전지의 90 % 정도가여과기 (Sieben) 를거치면 서대형, 중형, 소형및미분류로분류되어자동분류장치인 SORBAREC X-ray 장치 로들어가게된다. 그림 4-2 : SORBAREC 공정도 크기별로분류되어진폐전지가낱개로정렬되어 X-ray 투시기로들어가면, 비디 - 15 -
오카메라가투시사진을녹화하게되고, 이결과를바탕으로전지의종류를분석 하게된다. 이때주기율수가높은무거운원소들( 예를들어카드뮴, 납, 수은) 은 X-ray 를많이흡수한다는원리를이용해서주기율수가낮은원소들과구별되어진 다. SORBAREC X-ray 장치의처리속도는 10 개/ 초이고, 컴퓨터데이터베이스화된자 료와비교, 최종적으로폐전지의화학적성분에따라정확하게분류된다. 처리규모 는시간당 1 톤이고, 순도( 처리효율) 는 99.75 % 이상으로보고되었다. 이분류시설 을통해최종적으로다음과같은분류군으로나누어진다. : Ni/Cd, Ni-MH, Li-이 온, 수은원형건전지, 알카리/ 망간-, 아연/ 탄소-건전지등의일반적인원형전지 외, 납- 건전지와아연/ 공기- 건전지, 단추형건전지등의특수형건전지까지분류할 수있다. 4.4 REDUX 의분류장치 독일의 Dietzenbach에위치한주식회사 REDUX는폐전지의분류작업을대행하 는회사이다. 2000년 5 월까지전적으로수작업을통해폐전지를분류했지만, NIREC Recycling GmbH 의니켈함유폐기물재활용공정을벤치마킹하여, 프랑크푸르트의 L.S.I, 기전산업과공동으로화학적자동인식시스템을개발하여 2001년 1월에 2단 동력학적전극센스를이용하여 AA와 AAA 사이즈분류하고, UV 표시장치를동시에 이용하여니켈금속하이브리드, 니켈/ 카드뮴, 니튬및알카리/ 망간및아연/ 탄소폐 전지를분류할수있게되었다. 분류속도는콘베이어벨트의흐름속도가 1 m/s인 경우, 1초에최대 6 개의건전지까지분류해낼수있다. 4.5 Rethmann Kreislaufwirtschaft GmbH & Co 사의분류장치 Betzweiler-Waelde에위치한 으로외부에서접근이어려우나, Rethmann사의폐전지분류시설은사내의기밀사항 독일뤼벡에위치한노르딕수은회수유한회사와 같은콘체른에속해있는것으로알려져있다. 외부로발표된정보가없고, 수작업 과부분자동화분류로소형단추전지를분류하고, 특히 UV를이용한무수은단추전 - 16 -
지의높은분류효율을보이고있다고인터뷰를통해확인할수있었다. 4.6 Willershausen 의재활용센터 Willershausen 에위치한재활용센터는전기제품전문업자들이수거한충전지를 수작업으로화학적시스템과제작사에따라분류하여현장에서분해하여분류저장 한다. 대부분이니켈/ 카드뮴충전지이고, 일부니켈/ 금속하이드리드폐전지가분류 되었다. - 17 -
5. 폐전지재활용기술동향 였다. 본장에서는앞에서분류된폐전지를재활용하기위한공정과업체를정리하 현재독일에서가동되고있는폐전지재활용시설은독일기업과외국기업을 합하여총 19 개가있고, 시설의보완개선을위한연구가계속진행되고있다. 폐전지의재활용목적은크게두가지로요약할수있는데, 첫번째는유해물질, 특히중금속의환경내유입을차단, 감소시키고, 두번째는경제적재활용가치가 있는중금속을회수하는것이다. 기계에사용되는전지는유해물질의유입을저감하기위하여 1988년에전기가전 산업연합 (Zentralverband der Elektronik- und Elektroindust- rie e.v. (ZVEI)), 독일소매자중앙협회(Hauptgemeinschaft des Deutschen Einzelhandels (HDE)) 와연방환경부가자유협약을맺어수거와재활용을약속했다. 1998년에산업 용전지와자동차용전지의리싸이클링에대한법률이제정되면서실제로폐전지 시장이형성되었다. 이법률의폐기물처리주목표는폐기물중유해물질이유입을 저감하고, 또한부분목표로수거및재활용시무해화및재활용불가능전지의처 리를향상시키는것이다. 폐전지재활용공법는습식공법와열처리공법으로구분할수있다. 일부는이두가지방법이혼합되어있지만, 실제로처리대상성분에따라처리방법이결정된다. 열처리공법은 2000-3000C 의고온처리가필요할때적합한반면, 습식공법수용성성분에적절하다( 표 5-1 참조). 폐전지의재활용공법은폐전지의종류와구성성분에따라구분, 개발되었다. < 표 5-2> 에는독일에서운영되고있는폐전지재활용공법과업체를중금속함유를 기준으로분류, 정리하였다. 아연함유폐전지인아연/ 공기, 알카리/ 망간, 아연/ 탄 소밧데리는아연성분이높기때문에매립이전에아연회수가선행되어야한다. 경제적인이유로비제철산업, 제철/ 철강산업에서도특히관심을가지고있지만, 높 은수은함량이문제점으로지적되고있다. - 18 -
표 5-1: 습식/ 열처리공법의비교와장단점분석 열처리공법 습식처리공법 빠른반응속도 화학반응시높은선택적분리 신속한처리 고순도제품생산 장 점 대용량가능 동성분의유입시운전및최적 혼합성분에도적합 화용이 단 점 유입성분의변동에덜민감 부가적대기오염물질불필요 화학반응시 낮은 선택성 분리 낮은반응속도 성 낮은처리용량 반복프로세스필요 배출가스및소음문제 유입물의조성변화에따라민 감 매립장및수처리문제 공정시유해화학물질필요 니켈/ 카드뮴충전지의니켈회수가증가하는이유는니켈이비싸고카드뮴또한 가격에오르고있기때문이다. 산업용전지는비교적저렴한수거비용때문에오래 전부터 SAFT 공법을이용하여재활용이안정화되었고, 귀금속산업에서분진폐기물 에서니켈을회수하는공법인 Inmetco 공법이폐기물분야에도적용되었다. 독일에 서는 ACCUREC GmbH 가니켈/ 카드뮴전지의재활용을위한특수시설을개발, 가동중 에있다. 일반적으로니켈/ 카드뮴충전지의재활용비용은톤당 130유로로정해져 있는데, 이금액은실제판매비용보다 1% 낮은수준이다. 니켈수소충전지의재활용은고가의성분때문에경제적인의미가있고, 니켈/ 카 드뮴충전지에서증류를이용하여카드뮴을분리하기위한공정보다에너지, 시간 등의저비용의장점이있다. 현재까지니켈과철의원료재활용만이제한적으로가 능했으나, 코발트등의다른미량원소들에대한재활용도시도되고있다. 수은의최대소비분야는염소- 알카리전기분해, 전지산업, 전기기구, 실험실, 측정기구및치과분야등이다. 청동생산량의감량과지난수십년간환경보호를이 유로필요한수은함유제품들의재활용이필요하게되었고, 다양한분야에서수은 의사용량제한과금지로총수요는낮아지게되었다. 수은함유전지의재활용시다 른금속성분들과비교할때수은의높은증기압을이용하여가스상태의수은제거 - 19 -
방법이주로이용된다. 이러한분리원리과정을통해가스상수은은응축을통해 재회수되고수은과분리된무해한잔유물은다음재활용단계, 매립등의방법으로 처리된다. 독일에는특별히수은함유단추전지재활용시설이가동중에있다. 혼합 단추전지가격은 kg당 6.50-12.50 마르크로시장이형성되어있다. 수은함유전지 는재활용과특정폐기물매립장외에는다른대안이없다. 표 5-2 : 독일에서운영되고있는폐전지재활용공법과업체 리튬은리튬이온, 리튬폴리머등의충전지외에리튬- 이산화황, 리튬- 이산화망간, 리튬- 철등의일차전지에도사용되며, 최근들어리튬함유이차전지의시장이급격하 게성장하고있다. 리튬함유전지의수거, 재활용시문제점은리튬이금속원소로 이용되고, 많은알카리금속처럼높은반응성때문에전지외장, 수분흡수, 화재등이 동반될수있다. 따라서리튬함유전지의수거와재활용은특별히안전조치가필요 하다. 최근에는 VTR(Vacuum Thermal Recycle) 공법을이용함으로서발화성의리튬 을불활성화하여, 안전하게플라스틱을열분해시킬수있고, 제철공정을간략화하 고자한다. 현재독일에는리튬전지를재활용하기위한전용시설은없으며, 전세 계적으로단지북미에서현장에적용된기업이유일하다. 현재까지는분리되지않은밧데리를처리하는공정은알려진것이없다. 고품질 의리싸이클링제품을생산하기위해서는균일화된유입이우선되어야한다. 에도거의특정밧데리에대한재활용공정만이존재한다. 프랑스에서가동중인스위스CITRON사의 Oxyreducer 프로세스가있다. 외국 그러나한가지예외로 - 20 -
구분폐전지종류공법업체 아연함유니켈니켈수은리튬혼합폐전지 아연/ 탄소, 알카리/ 망간, 아연/ 공기 니켈/ 카드뮴 니켈/ 수소 수은함유전지 리튬이온, 리튬 폴리머, 리튬/ 이산화망간 무분류재활용 공정 ISP:Imperial-Smelting-Proc MIM Huettenwerke ess Duisburg GmbH Waelzrohr B.U.S.AG BATREC-(Sumitomo-)Process BATREC Industrie AG VALDI AFE Metal & TREDI DK-Process DMA Doerschelofenanlage RVD Process Cadmiumdestillation SAFT Recycling Process Drehherd- Direktreduktionsverfahren NIREC Recycling Process RVD Process VTR Process VTR Process MRT Process Tieftemperaturzerlegung Oxyreducer-Process DK Recycling & Roheisen Chemtec ABRG ACCUREC GmbH S.N.A.M. SAFT AG International Metals Reclamation Company, Inc. NIREC Recycling GmbH ACCUREC GmbH GMR NQR Trienekens ToxCo Inc. CITRON SA, 스위스 - 21 -
6. 결론및아웃룩 1998년 10월에제정되어 2001년 7월부터적용되는독일의폐전지규제는폐전지 를수거하고, 순환경제및폐기물법에따라일반폐기물과분리수거, 재활용및환 경에무해한방법으로처리할것을의무화하고있다. Deutsch-Franzoesisches Institute fuer Umweltforschung 에서수행한 카드뮴의 위해성을근거로환경및경제적중요성을고려한폐전지재활용공정및재활용업 체조사 에대한연구에서는독일의폐전지수거시스템및재활용에대한분석과 최근까지의개발상황및특징, 문제점, 개선방안에대하여살펴보았다. 최근개발되는전지는리튬을기초로한것들이지만아직까지시장을주도하고 있는제품은니켈/ 카드뮴충전지이다. 폐전지는유해물질을분리하여재활용함으로 환경문제를줄일수있다. 또한시장경제조건에는독일국내법뿐만아니라유럽 연합의법규, 즉유해물질함량에대한규제치및수거의무에대한규제가큰영 향을미친다. 현재독일에는총 19 개의재활용시설이있고, 지속적으로재활용효 율을향상시키기위한기술을개발하고있다. 본연구의중요한결론은다음과같이요약할수있다. 효과적인재활용은폐전지의분리가가장중요한요소이다. 폐전지로부터각성분을분류하기위한기술과지역특성을고려한현장적용이필요하다. 폐전지재활용을위한특수공정들은비철, 제철, 제강산업현장에서의일반적 인공정보다고비용이나, 수은, 카드뮴같은유해물질의처리라는관점에서중요한 의미를가진다. 폐전지규칙의환급제도로현재약 90% 이상이재활용되고있다. 독일의많은납 리싸이클링시설을통해충분한재활용이이루어지고있어, 산화납밧데리의재활 용을위한연구개발은더이상큰의미가없을것으로판단된다. 폐전지재활용촉진을위하여다음과같은연구분야의필요성을제안한다. - 22 -
많은분야에서환경문제를유발하는문제를극복하기위하여유해물질을 함유하지않는전지의개발및재활용이용이한전지시스템개발 제철제강산업분야의수입양과비용을고려하여다양한기술들을적용시 기술적, 환경적, 경제적평가를위한시뮬레이션과의사결정의단순화를위한 자료구축및최적변수결정 효율적인재활용을위한전문가집단형성과관련기초자료수집을바탕으로 전지재활용변수평가 혼합쓰레기중폐전지재활용을위한로지스틱과재활용시스템의최적설계 수거장소와분리재활용시설사이의이동거리최소화를위한최적분리시설및 부수시설의위치선정을위한모델 - 23 -
7. 참고문헌 O. Rentz; B. Engels; F. Schultmann, Invesitigation into battery-recycling-processes and -plants with regard to their environmental and economic significance with particular consideration of cadmium, Deutsch-Franzoesisches Institut fuer Umweltforschung Universitaet Karlsruhe, 07. 2001 Ole Holm et al., Heavy Metals in Waste - Final Report, EC DG ENV. E3, Feb. 2002 German Law Govering the Disposal of End-of-life Vehicles of 21. June 2002 by the German Association of Motor Vehicle Importers, Federal Minisrty for the Environment, Natur Conservation and Nuclear Safety, 28 June 2002 유효신, 폐전지의처리기술동향, 한국과학기술정보연구원기술동향분석보고서, 2002.10-24 -