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“전기 자동차 수요와 함께 증가할 배터리 생산의 환경 비용(에너지 사용, 광물 추출 및 화학 폐기물)을 완화하기 위한 혁신이 절실히 필요해지고 있다.”

순환경제 :
전기자동차 배터리의 인생 이모작 “재활용과 재사용”

“전기 자동차 수요와 함께 증가할 배터리 생산의 환경 비용(에너지 사용, 광물 추출 및 화학 폐기물)을 완화하기 위한 혁신이 절실히 필요해지고 있다.”

용량 면에서 배터리 기술은 지난 수십 년 동안 비약적인 발전을 이루었다. 이로 인해 전기 자동차(EV)는 개인과 기업 모두에게 점점 더 실행 가능한 옵션이 되었다. 전기자동차(EV)는 글로벌 운송 부문에서 배출 제로를 위한 길을 천천히 열고 있다. 

▲ “전기 자동차 수요와 함께 증가할 배터리 생산의 환경 비용(에너지 사용, 광물 추출 및 화학 폐기물)을 완화하기 위한 혁신이 절실히 필요해지고 있다.”

즉, 글로벌 운송 부문의 전기화가 리튬 이온 배터리에 대한 수요를 주도하고 있다. 전기차 수요와 함께 증가할 배터리 생산의 환경 비용(에너지 사용, 광물 추출 및 화학 폐기물)을 완화하기 위한 혁신이 절실히 필요해지고 있다. 따라서 순환경제의 좋은 모델이 되는 전기차 운송의 지속 가능성은 부분적으로 배터리와 배터리에 포함된 화합물을 재사용 및 재활용하는 능력에 달려 있다.

사용한 배터리(used battery)의 비즈니스 기회

블룸버그 뉴 에너지 파이낸스(Bloomberg New Energy Finance)는 2030년까지 EU에서만 20만 톤 이상의 리튬 이온(Li-ion) 배터리를 재활용해야 할 것으로 추정했다. 이 수치는 2035년까지 두 배가 되고 재활용 리튬 이온 배터리의 가치는 톤당 USD 700(약 1백만 원)에 이를 것으로 예상된다. 

 

동시에 EU는 배터리 산업을 위한 새로운 규제 프레임워크를 도입해 배터리 가치 사슬의 모든 단계에서 재활용 및 추적 가능성에 더 많은 가치를 부여할 것이다. 이러한 시장 환경에서 지난 7월 20일 한독상공회의소는 주한독일대사관(대사 미샤엘 라이펜슈튈 Michael Reiffenstuel)과 함께 ‘한국과 독일의 순환경제: 전기차 배터리의 재사용 및 재활용(Circular Economy in Korea and in Germany: Recycling and Reuse of EV Batteries)’을 주제 컨퍼런스를 개최했다. 

▲ ‘한국과 독일의 순환경제: 전기차 배터리의 재사용 및 재활용(Circular Economy in Korea and in Germany: Recycling and Reuse of EV Batteries) 컨퍼런스’

이 행사는 순환경제 분야에서 양국간의 상호협력을 강화하는 두 번째 컨퍼런스이며, 한국, 독일, 그리고 EU의 전기자동차 배터리 정책 및 전략 논의, 기업 및 기관의 실제적용 사례와 향후 계획 공유, 상호간 협력 가능성에 대한 아이디어 교환 등을 위해 마련됐다. 이 컨퍼런스에서 이목을 집중시킨 것은 국내에서도 글로벌 폐배터리 시장환경의 흐름을 읽고 환경부 자원순한국 자원재활용과와 한국환경공단 환경성보장처 미래폐자원부가 정책과 효율적인 산업의 가치사슬을 가이드하기 위해 적극 행정력을 발휘하고 있는 것이다. 

 

주한독일대사관 미샤엘 라이펜슈튈 대사는 "자원 효율과 순환 경제는 한국과 독일이 우리의 기후와 생물 다양성 목표를 달성하기 위해 없어서는 안 될 도구"고 말했다. 그는 또한 "동시에, 순환경제는 우리 경제와 공동체의 경쟁력과 회복력을 키워줄 것"이라고 덧붙였다.
한독상공회의소 홀거 게르만 회장은 “한국과 독일 모두 순환경제로의 전환을 적극적으로 추진하고 있다”며 “특히 대형 트랙션 및 산업용 배터리 재활용 및 재사용 분야에서 활발한 활동을 보이고 있고, 한국과 독일 모두 각자만의 전환속도가 있겠지만 강성대국 두 나라가 협력과 지식 이전으로 상호 이익을 이룰 수 있는 여지는 충분하다”고 강조했다. 

▲ 2011년에서 2021년 사이 세계 최고의 시장에서 플러그인 전기 승용차의 연간 판매

국내의 대표적인 전기차 폐배터리 처리 기업

군산에 소재한성일하이텍(주)(대표 이강명)은 2000년부터 소재 재활용 사업을 시작으로 국내 최초로 사용 후 리튬이온배터리에서 원소재 회수 및 양산에 성공하고 이차전지 제조업체와 자동차 OEM들과의 꾸준한 거래를 통해 입증된 기술력으로 리튬이온배터리 재활용 분야를 선도해 나가고 있다. 

 

성일하이텍(주)은 여기에 안주하지 않고 고성장 전기차 시장에 발맞춰 글로벌 친환경 기술 리더쉽 강화, 지속 가능한 배터리 재활용 기술 고도화, 그리고 배터리 재활용 소재 생산 규모 대폭 확대를 추진하고 있다. 이 회사는 헝가리에 전기차 폐배터리 처리시스템을 갖춘 공장을 2023년 4월에 가동할 예정이다. 대구 달성에 소재한 ㈜CORN은 2015년에 설립돼 배터리 셀/팩 제조 및 판매, 이차전지 기술 이전 및 장비 분야에서 괄목할 성장을 하고 있는 대표적인 전기차 배터리 관련 기업이다.

유럽의 전기차 배터리 수도 노르웨이 : EV 배터리산업에 대한 대응

배터리 재사용 및 재활용에 대한 가장 중요한 작업은 현재 지속 가능한 프로세스 산업을 위한 노르웨이 EYDE 클러스터가 수행하고 있다. 클러스터는 연구 기관 및 교육 기관뿐만 아니라 글로벌 시장에 납품하는 지역 공급업체 및 다국적 기업으로 구성된다. 이들은 주로 재생 에너지를 사용해 환경 발자국이 적은 맞춤형 재료를 생산하는 기업들로 남부 노르웨이에 위치하고 있다. 

 

EYDE 클러스터는 BATMAN(리튬 이온 배터리 – 지속 가능한 수명 종료 관리, 재사용 및 신소재 흐름 내에서의 노르웨이 기회)이라는 교차 부문 협업 프로젝트를 실행하고 있다. 클러스터 목표는 기업이 가치 창출 기회를 식별하고 전략적 결정을 내리고 제품 개발 및 시설에 대한 투자시기를 더 잘 이해할 수 있도록 하는 것이다. 

 

이로써 리튬 이온 배터리를 재활용 및 재사용할 수 있는 새로운 기회를 찾는 것이다. 이 프로젝트는 자재 흐름 분석을 기반으로 하는 역동적이고 전략적인 도구를 개발할 것이다. 이를 통해 가치 사슬의 원자재와 결과 제품 또는 자재가 완전한 순환 가치 사슬에서 계속해서 활용될 수 있다. 

 

Norsk Hydro社는 배터리 재활용 및 도시 채광을 위한 합작 투자를 통해 스웨덴 배터리 대기업인 NorthVolt와 협력해 2020년에 또 다른 배터리 재활용 이정표에 도달했다. Hydro Volt라는 새로운 회사는 노르웨이의 Fredrikstad에 파일럿 재활용 시설을 건설하고 있으며, 이 시설은 2022년에 가동을 시작할 예정이다. 이 시설은 연간 8천 미터톤 이상의 배터리를 처리할 수 있는 능력을 갖추게 된다. 알루미늄 및 기타 금속을 회수한다.  

▲ 중고 전기차 시장에서 거래되는 중고배터리

왜 노르웨이인가?

노르웨이가 지속 가능한 배터리 분야에서 독보적인 위치에 있는 이유 중 하나는 노르웨이의 운송 부문이 세계에서 가장 전기화된 부문 중 하나라는 사실이다. 2020년에는 모든 신차 판매의 54%가 EV(전기차)였다. 2020년 노르웨이는 KPMG의 글로벌 자율주행차 준비도 지수(AVRI)에서 싱가포르와 네덜란드에 이어 3위를 차지했다. 페리와 같은 다른 운송 수단이 뒤따르고 있다. 

 

결과적으로 노르웨이는 상당량의 사용된 배터리 풀에 접근할 수 있게 되었다. 이는 배터리 재사용 및 재활용을 위한 새로운 비즈니스 모델 및 기술 솔루션의 개발 및 테스트를 위한 고유한 기회를 제공하고 이는 차례로 더 큰 시장으로 수출될 수 있다. 일부 기업은 이미 이 기회를 최대한 활용하고 있다. 

 

예를 들어, 오슬로에 기반을 둔 ECO STOR는 상업용 및 주거용 건물에 에너지 저장을 제공하기 위해 EV 배터리를 용도 변경하는 솔루션을 개발했다. 노르웨이는 이미 배터리 생산에 사용되는 여러 원자재를 생산하고 있다. 

 

현재 EU에 1차 알루미늄의 21%, 니켈의 13%, 코발트 원료 수입의 8%를 공급하고 있다. 노르웨이 공정 산업이 재생 가능한 수력 발전에 의해 거의 독점적으로 운영된다는 점을 감안할 때 노르웨이에서 배터리 셀, 전구체 및 배터리 원료를 생산하면 유럽에서 배터리 생산의 총 탄소 발자국을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 

 

Freyr는 2023년부터 생산을 시작해 32GWH 리튬 이온 배터리 셀 공장을 건설할 계획이다. 2020년 3월, Noah와 Agder Energi의 지원을 받는 Morrow Batteries는 기가셀 공장 건설 계획을 발표했다. 배터리 순환성, 전기화 및 배터리 생산과 같은 이러한 모든 요소를 ​​종합하면 노르웨이는 지속 가능한 글로벌 배터리 산업의 진원지가 될 수 있는 독보적인 위치에 있다.

전기 자동차용 세계 최대 배터리 제조국 중국 현황

중국 회사 CATL은 2022년 상반기까지 전기 및 하이브리드 자동차용 배터리의 세계 최대 판매업체다. CATL로 더 잘 알려진 Contemporary Amperex Technology Co. Ltd.는 2022년에도 전기 및 하이브리드 자동차용 배터리의 최대 글로벌 판매자로 남을 것으로 예상된다. SNE리서치에 따르면 전년 동기 대비 매출은 115.6% 증가했다. 

 

2011년에 설립된 CATL은 신속하게 BMW와 전략적 파트너십을 체결했다. 그 이후로 시가 총액이 거의 1조 3천억 달러에 달하는 이 회사는 SAIC Motor, Dongfeng Motor, GAC Group, Geely Auto Group 및 FAW Group과 같은 중국 자동차 제조업체와 합작 투자 사업을 시작했다. 

 

CATL은 또한 자동차 제조업체의 상하이 공장에서 생산되는 차량용 배터리 부품을 Tesla에 공급하고 있다. 중국 자동차 제조업체 협회(China Association of Automobile Manufacturers)에 따르면 배터리 전기 자동차의 인기는 중국에서 계속 증가하고 있으며 BEV는 2022년 상반기까지 전체 승용차 판매의 거의 20%를 차지한다. 

 

실제로 2022년 6월까지 중국에서 판매된 배터리 전기 승용차의 양은 전년 동기보다 두 배 이상 증가했다. 한편 중국의 플러그인 하이브리드 차량 판매는 2021년 상반기에 비해 150% 이상 늘어났다. 따라서 중국 배터리 회사가 자동차 산업에서 그러한 지배력을 보고 있다는 것은 놀라운 일이 아니다. 

 

그 규모에도 불구하고 CATL은 미국에 단일 배터리 생산 시설이 없다. 그러나 회사가 앞으로 몇 달 안에 미국에 배터리 공장을 건설할 계획을 발표할 것이라는 소문이 있기 때문에 이는 향후 몇 년 동안 변경될 것으로 예상된다. CATL과 마찬가지로 BYD는 중국 회사이지만 BYD는 자체적으로 배터리 전기 자동차를 만들기도 한다. 실제로 회사의 자동차 사업부는 더 이상 내연기관 차량을 생산하지 않는다. BYD의 승용차는 현재 미국에서 사용할 수 없다.

일본의 저조한 시장 점유율

SNE Research에 따르면 중국 배터리 제조업체는 2022년 상반기에 기가와트시 판매가 크게 증가한 반면 일본 배터리 제조업체는 "시장 평균보다 낮은 성장률을 보이며 계속 감소하고 있다"고 보도했다. 

 

파나소닉(Panasonic)은 2022년 첫 6개월 동안 19.5기가와트시(Gigawatt hour)에 달하는 판매로 일본 자동차 배터리 제조업체 중 1위를 차지했다. 작년 같은 기간에 비해 12.5% ​​증가한 수치에도 불구하고 이 수치로 인해 Panasonic의 점유율은 9.6%에 불과합니다. 2021년 상반기보다 5.4% 감소했다. 그럼에도 불구하고 Panasonic은 Tesla와의 오랜 관계로 인해 주요 자동차 배터리 공급업체로 남을 태세다. 

 

두 회사는 네바다주 스파크에서 배터리 공장을 공동으로 운영하고 있다. Panasonic은 10년 중반 이전에 캔자스에 또 다른 배터리 생산 시설을 열 계획이다.

기타 상위 EV 배터리 제조업체; 한국 LG 에너지 솔루션

미국인들은 중국 소비자들보다 더 느린 속도로 배터리 구동 차량을 채택하고 있지만 전기 및 배터리 전기 자동차에 대한 욕구는 여전히 계속 증가하고 있다. 대한민국 회사가 Lucid, Porsche 및 Tesla와 같은 회사에 배터리 부품을 공급하기 때문에 LG Energy Solution의 판매 성공은 분명하다. 유럽과 중국에서 Tesla Model 3 및 Model Y의 판매 호황은 한국 회사가 배터리를 Tesla 구매자의 진입로 및 차고로 옮기는 데 도움이 되었기 때문에 후자의 자동차 제조업체가 LG Energy Solution의 성장의 상당 부분을 차지했다. 

 

LG 에너지솔루션은 오하이오주 워렌에 공장을 완공한 제너럴모터스(GM)와 합작법인 얼티엄셀(Ultium Cells)의 핵심 이해관계자이기도 하다. 또한 테네시 주 스프링 힐과 미시간 주 랜싱에 공장이 건설 중이다. Ultium 배터리는 현재 GMC Hummer EV 및 Cadillac Lyriq에 전원을 공급한다. 

 

LG 에너지솔루션이 앞으로 몇 개월, 몇 년 안에 글로벌 배터리 생산량을 늘릴 것이 확실하지만, 상반기 동안 판매된 29.2GWh(기가와트시) 용량의 배터리는 CATL이 움직인 것의 절반에도 못 미친다. 또한 같은 기간 BYD가 판매한 것보다 5.2기가와트시 더 많다. 2022년 상반기에 판매된 BYD의 24.0기가와트시(GWh) 배터리는 2021년 같은 기간 동안 판매한 것과 비교하면 입이 떡 벌어지는 200% 이상 증가한 수치다. 

▲ Tesla "Roadstar"

독일 자동차 제조의 자부심 메르체데스-벤츠의 전략

전기 우선에서 전기 전용으로 전환하면서 Mercedes-Benz는 배기가스가 없고 소프트웨어 중심의 미래를 향해 가속화하고 있다. 이러한 변화의 중심에 배터리가 있다. 배터리 시스템의 순환 경제와 관련하여 메르체데스는 세 가지 핵심 주제인 환경을 위한 디자인, 가치 유지 및 폐쇄 순환 고리를 다루는 전체론적 접근 방식을 추구하고 있다. 이 회사의 포트폴리오에는 이미 6개의 순수 전기 모델이 포함되어 있다. 2025년부터 새로 출시되는 모든 차량 아키텍처는 전기 전용이 될 것이며 고객은 회사가 만드는 모든 모델에 대해 완전 전기 대안을 선택할 수 있다. 리튬 이온 배터리는 각 전기 자동차의 핵심이다. 그러나 배터리 생산에는 많은 에너지가 필요하다. 또한 리튬 이온 배터리에는 리튬, 망간, 니켈 및 코발트와 같은 귀중한 원료가 포함되어 있다. 이것이 순환 경제가 배터리 시스템에서 핵심적인 역할을 하는 이유다.

전기차 배터리 설계의 바람직한 방향은?

첫째, 환경을 위한 디자인이어야 한다. 전체론적 접근 방식의 일환으로 제품을 개발할 때마다 처음부터 순환 경제를 염두에 두고 있어야 한다. 지난 7월 한독컨퍼런스에서도 FfE(에너지 경제 연구소, 뮌헨)연구소의 아니카 나이츠-레게트(Anika Neitz-Regett) 박사는 “전기차 배터리의 순환경제는 쓰레기 처리와 동일하지 않다”며 “배터리 설계 단계에서부터 재활용 가능한 물질의 분리가 쉽도록 해얗한다”고 말했다. 이미 차량을 개발하는 동안 모든 구성 요소와 재료가 순환 경제의 맥락에서 적합성을 분석해 각 차량 모델 개념을 만들어야 한다. 벤츠 사는 “사용된 배터리 원자재의 재료 재활용을 포함하여 재활용 프로세스의 다양한 단계에 구성 요소와 재료가 적합한 정도를 검사한다. 이 분석은 광산에서 재활용 프로세스에 이르기까지 전체 가치 사슬을 고려한다. 이를 통해 우리는 직원의 근무 환경에서 인권 존중에도 많은 관심을 기울이고 있다”고 설명했다. 명확하게 정의된 개발 목표는 미래 배터리의 범위를 크게 확장하기 위해 에너지 밀도를 높이는 것이다. 또한 충전 시간을 크게 단축하고 미래 배터리 기술의 시리즈 성숙도를 가속화하며 중요한 재료의 사용을 더욱 줄이는 것이 중요하다. 예를 들어, 차세대 배터리 셀에서 코발트 함량은 이미 10% 미만으로 줄어들 것이다. 목표는 새로운 재료 구성과 함께 포스트 리튬 이온 기술을 사용하여 코발트와 같은 재료를 완전히 없애는 것이다. 재활용 가능성의 추가 최적화 및 구현도 당사의 전체적인 배터리 전략의 일부다.

둘째, 가치 유지
사용한 배터리를 재처리하는 것은 새 배터리를 생산하는 것보다 훨씬 적은 에너지와 원자재를 소모한다. 그리고 모든 재처리된 배터리는 교체 부품 또는 기타 애플리케이션에 대한 수요를 충족하기 위해 새 배터리의 생산을 미루기 때문에 폐기물의 양을 줄인다. 결함이 있는 배터리는 차량에 재사용하기 위해 재처리된다. 벤츠의 경우 높은 품질 기준으로 만하임에 있는 중앙 재제조 공장에서 대부분의 배터리에 대해 이 작업이 수행된다. 시리즈 생산 요구 사항에 따라 재생산한 후 배터리를 면밀히 검사하여 새 부품과 기능 및 품질이 동일한지 확인한다. 자원을 절약하고 순환 경제의 개념을 정의하기 위해 모든 전기 자동차에 이러한 잔여 배터리를 제공한다. 예를 들어 잔여 용량이 너무 낮아 차량에서 재사용하기에 더 이상 적합하지 않은 배터리는 고정식 에너지 ​​저장 장치에서 사용하기 위해 재처리할 수 있다. 이것이 전기차의 환경적 균형을 개선하는 동시에 지속 가능한 에너지 산업의 구축에 기여하는 방법이다.

셋째, 폐쇄 순환 고리
재료 재활용은 배터리 수명의 끝자락이며 재료 루프(loop)를 닫는 열쇠다. 배터리 재활용은 미래의 전기 자동차에 지속 가능한 비즈니스 모델을 제공하기 위해 필수적이다. 배터리를 더 이상 재사용할 수 없게 된 후에야 귀중한 원자재를 회수하기 위해 재활용된다. 오늘날 우리는 이미 배터리 법률에 의해 드라이브 배터리에 대해 규정된 재활용 할당량을 훨씬 능가할 수 있다. 배터리 하우징, 케이블 및 전원 레일은 어려움 없이 재활용할 수 있다. 희소 물질이 대부분인 배터리 모듈의 재활용은 다소 까다롭다. 공정은 이미 존재하지만 배터리 셀 내부의 귀중한 원료가 가능한 순수한 상태로 회수될 수 있도록 여전히 개선되어야 한다. 목표는 재활용 할당량을 더욱 늘리는 것이다. 이러한 노력의 배경은 오늘날의 오래된 배터리를 미래의 배터리를 위한 "광산"으로 사용할 수 있다는 것이다. 앞으로 우리는 재활용을 통해 새로운 배터리 시스템에 필요한 원자재를 추출하는 데 사용할 것이다. 전기차의 보급이 확대되면서 재활용되는 배터리의 수는 꾸준히 증가할 것으로 예상된다. 전기 자동차의 수명 주기와 관련하여 2030년대에는 상당량의 재활용 재료가 예상된다. 2020년부터 대량으로 인도되는 전기 자동차의 대부분이 서비스 수명을 다하게 되기 때문이다. 이는 전체 배터리 또는 배터리를 구성하는 미네랄 및 화합물이 사용 및 재사용의 영구적인 주기로 유지되는 순환 배터리 생산이 중요한 비즈니스 기회를 열 수 있음을 의미한다. 그러나 이는 전체 배터리 가치 사슬에 걸친 협력을 통해서만 완전히 활용될 수 있다.
 

<참고>
순환 경제(CE : Circular Economy)는 가능한 한 오랫동안 기존 자재 및 제품을 공유, 임대, 재사용, 수리, 개조 및 재활용하는 생산 및 소비 모델이다. CE는 모델의 3가지 기본 원칙의 설계 기반 구현을 강조함으로써 기후 변화, 생물 다양성 손실, 폐기물 및 오염과 같은 글로벌 문제를 해결하는 것을 목표로 한다. 순환 경제로의 전환에 필요한 세 가지 원칙은 폐기물과 오염 제거, 제품과 재료 순환, 자연 재생이다. CE는 전통적인 선형 경제와 대조적으로 정의된다. 순환 경제(CE)의 아이디어와 개념은 지난 10년 동안 학계, 기업 및 정부에서 광범위하게 연구되었다. CE는 원자재의 배출 및 소비를 최소화하고, 새로운 시장 전망을 열고, 주로 소비의 지속 가능성을 높이고 자원 효율성을 개선하는 데 도움이 되기 때문에 인기를 얻고 있다. 정부 차원에서 CE는 지구 온난화를 막는 수단이자 장기적인 성장을 촉진하는 수단으로 간주된다. CE는 행위자와 자원을 지리적으로 연결하여 지역 수준에서 물질적 순환을 막을 수 있다. 핵심 원칙에서 유럽 의회는 CE를 "가능한 한 오랫동안 기존 자재 및 제품을 공유, 임대, 재사용, 수리, 개조 및 재활용하는 생산 및 소비 모델"로 정의한다. 이러한 방식으로 제품의 수명 주기가 연장된다”라고 설명했다.

선형 경제에서 천연 자원은 설계 및 제조 방식 때문에 궁극적으로 폐기물이 되는 제품으로 전환된다. 이 과정은 종종 "take, make, waste"로 요약된다. 대조적으로 순환 경제는 재사용, 공유, 수리, 개조, 재제조 및 재활용을 사용하여 폐쇄 루프 시스템을 만들고 자원 투입의 사용과 폐기물, 오염 및 탄소 배출의 생성을 줄인다. 순환 경제는 제품, 재료, 장비 및 인프라를 더 오래 사용하여 이러한 자원의 생산성을 향상시키는 것을 목표로 한다. 폐기물 및 에너지는 폐기물 가치평가를 통해 다른 공정의 투입물이 되어야 한다. 다른 산업 공정의 구성 요소 또는 자연을 위한 재생 자원(예: 퇴비)으로 사용된다. Ellen MacArthur Foundation(EMF)은 순환 경제를 가치와 디자인에 의해 회복 또는 재생 가능한 산업 경제로 정의한다. 

[더사이언스플러스=문광주 기자] "Green Soul, Beautiful Science"

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