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News/전기차-연료전지

그럼에도 불구하고

by R.E.F. 16기 전예지 2020. 2. 24.

그럼에도 불구하고

대학생신재생에너지기자단 14기 윤재성단원

대학생신재생에너지기자단 15기 김민서단원

대학생신재생에너지기자단 16기 전예지 단원

대학생신재생에너지기자단 17기 변은지단원

대학생신재생에너지기자단 17기 정예진단원

 

세계 곳곳에서 에너지 전환과 기후변화에 대응하는 정책과 논의가 끊임없이 이뤄지며 다양한 방면에서 전기의 이용을 바탕으로 이전에 화석연료를 이용하던 시스템과 사회 메커니즘을 바꿔 나가기 위해 노력하고 있다. 그러한 것들 중에서 자동차는 우리 생활과 가장 밀접해 있고, 세계적으로도 이용률이 증가했으며 화석연료를 주요 사용하는 축이다.

따라서 기후변화를 위한다면 전기차로의 전환이 필수불가결하다.

전기자동차란 전기모터로만 움직이는 순수한 차량이다. 이때 전기에너지는 전기 베터리에 저장된 전기 동력을 이용한다. 전기 자동차는 사실 1834년 이미 등장했었다. 과거를 가지고 있지만, 당시의 배터리 용량과 에너지 변환의 낮은 효율로 인하여 보급되지 못하고 역사에서 자취를 감췄었다. 하지만 현재 배터리의 효율이 충분히 좋아지고 있고, 기후변화에 대한 심각성이 다가오며 활발한 국가적 지원과 함께 전기자동차의 보급에 대한 움직임이 활발해지고 있다.

사람들이 전기자동차를 이용하는 현황은 꾸준히 느는 추세다. 물론 국내의 경우 여전히 다양한 문제로 더딘 부분이 분명히 있다. 전기자동차에서 완속 충전의 경우 3~4시간 급속충전의 경우 30분이면 가능하게 되는데 충전을 위한 시간이 걸리게 되면 이동하는 데 있어서 불편함이 분명 존재하며 국내에서 일정 구간의 경우 충전을 위한 인프라의 부족으로 충전의 불편함이 존재하게 된다. 이를 해결하기 위해 인프라의 증가도 필요하지만, 자동차의 배터리 효율과 용량 증가를 위한 계속되는 연구가 뒷받침되고 있다. 성공적인 전기자동차의 배터리 효율 향상은 분명 전기자동차 이용률 향상으로 연결될 것이다.

하지만 이러한 전기자동차도 환경오염의 문제는 피해 갈 수는 없다. 전기 자동차의 전기 저장을 위해 이용되는 배터리의 경우 화학적 반응이 내부에서 꾸준히 일어나기 때문에 그에 대한 수명이 존재한다. 이를 늘리기 위해서 많은 방법이 소개되지만 분명한 것은 수명을 다하게 되면 폐기하는 절차를 밟아야 한다는 것이다. 또한, 생산과정에서도 이러한 화학작용을 위해 이용되는 중금속과 다양한 환경오염 영향을 확인하게 되는데 이것에 관한 이야기를 조금 더 자세히 다루게 될 것이다.

 

이차전지로 인한 유해물질의 발생

 

이차전지에는 환경에 유해한 중금속과 독성화학물질이 다양하게 들어갈 뿐만 아니라 제조 과정에서도 많은 유해물질들이 발생한다.

특히 리튬이온배터리는 위험한 중금속이 다량 포함되어 있는데, 4,000톤을 사용한 리튬 이온 배터리에는 코발트, 니켈, 구리 등 총 1,100톤의 중금속과 200톤 이상의 유독 전해질이 들어있다.

리튬이온배터리에는 비교적 덜 유해한 중금속이 들어있으나 이외의 이차전지(니켈-카드뮴 전지, 납축전지 등)에는 환경에 큰 영향을 미치는 카드뮴, 납 등의 유해물질이 주재료로 사용된다.

이외에도 분리막은 모든 이차전지에서 공통적으로 자연적으로 분해가 이뤄지지 않는 소재이며 전해질은 유기계 용매나 황산 등 환경에 유해한 물질들이 많이 사용된다.

종류

활물질

집전체

전해질

분리막

양극

음극

리튬이온전지

금속산화물

(LiCoO2,

LiMn2O4,

LiNiO2)

흑연

알루미늄 구리

유기계 용매

(카보네이트계 등)

PE/PP

납축전지

이산화납

(PbO2)

묽은 황산

PE/PVC+silica

니켈카드뮴

전지

수산화니켈

(Ni(OH)2)

카드뮴

니켈

수산화칼륨

폴리올레핀

표1. 이차전지의 구성과 성분

출처: 위키백과

 

생산과정에서의 환경오염

 

현재 이차전지는 음극재료 혹은 양극재료에 따라 납축전지, 니켈/카드뮴 전지, 니켈/수소 전지, 리튬이온전지 등이 있다. 한번 쓰고 버리는 것이 아닌 충전을 통해 반 영구적으로 사용가능하여 환경친화적이다.

 

그림 1.이차전지

출처: 삼성SDI - SDI STORY

 

 

그러나 이차전지는 원료 채굴 과정과 제조 과정에서 환경을 심각하게 오염시킨다. 특히 원료 채굴과정에서 탄소 배출량보다 환경에 더 많은 피해를 준다고 일부 전문가들은 말한다. 예를 들어, 콩고 민주 공화국의 코발트 채굴로 인한 먼지, 연기, 폐수 및 기타 환경 영향이나 라틴 아메리카의 리튬 광업으로 인한 물 부족 과 유독 유출로 인한 생태계의 변화, 러시아의 니켈 채굴로 인한 수질오염, 중국 북동부의 천연흑연의 채굴로 인한 대기 오염이 대표적인 예이다.

 

 

그림2. 채굴 활동에 지역 물의 최대 65 %를 소비한 Sala de Atacama

출처: Francesco Mocellin

 

이차전지의 활물질을 제조하기 위한 통상적인 방법인 공침법은 전이금속염 및 암모늄 이온 공급체 등을 사용함에 따라 부산물로서 폐산 등이 발생하는 문제점이 있다. 또한 이 때 발생하는 폐수는 하천이나 토양 등의 자연 환경에 치명적인 악영향을 주는 산업 폐수 중 하나로 인식되고 있다. 이들 폐수에는 Ni, Co, Al, Mg, 용해성 망간 30ppm 이하, 용해성 철 10ppm 이하 등의 중금속뿐만 아니라, 암모늄 이온 및 암모니아수 등을 사용함에 따른 (NH4)2SO4, NaOH, NH4OH, Na2SO4, NH4+, NaNO3 등의 무기 이온계 고농도 총 질소(Total Nitrogen)를 3,500ppm 이하, LiOH COD 10ppm이하, BOD 10ppm이하, 부유물질 300ppm, TDS 10% 을 함유하고 있다. 따라서 이 폐수가 하수 계통으로 방류될 경우, 심각한 환경오염을 유발할 뿐만 아니라, 하수관을 침식하거나, 하류 처리장의 생물학적 처리 효율에 악영향을 미치게 된다.

 

그럼에도 불구하고 왜 전기차일까

 

앞서 확인한대로 전기차는 ‘말’만 전기일 뿐 그 전기를 생산하는 데 화석연료가 큰 비중을 차지하므로 그렇게 친환경적이지 않다. 미국 에너지부의 아르곤 국립 연구소 (Argonne National Laboratory)의 심층 연구에 따르면 전기차를 제조하게 되면 평균적으로 기존 차량보다 지구 온난화에 더 많이 기여하고 화석연료 자동차를 생산하는 것보다 두 배의 에너지를 사용한다. 배터리 생산 시 원료 추출에서 제조에 소비되는 전력에 이르기까지 많은 에너지를 사용하기 때문이다. 그러나 이러한 방식을 택해야 하는 데에는 이유가 있다. 휘발유 차량이 유발하는 환경오염이 전기차가 발생시키는 환경오염에 비해 상대적으로 크기 때문이다. 주행거리가 길어질수록 화석연료 자동차는 더 많은 에너지를 소모하고 더 많은 온실가스를 방출하기 때문에 전기자동차가 훨씬 환경친화적이라는 결과가 나오게 된다. 그러므로 전기자동차의 환경보호 효과를 극대화하기 위해서는 더 많은 사람들이 화석연료 자동차 대신 전기자동차를 타야한다.

 

 

 

표2. 휘발유 차량이 내뿜는 매연량과 전기 생산 시 발생하는 환경오염 값을 비교한 그래프

출처 : UCSUSA

 

위 그래프는 미국에서 2015년에 조사한 휘발유 차량에 비해 전기충전방식이 얼마나 더 친환경적인지 조사한 값으로, 지도 상 이미지의 색이 옅을수록 전기충전 방식이 휘발유 차량에 비해 환경오염이 적음을 나타낸다. 대부분 옅은 색을 띄고 있으므로 전기 차가 상대적으로 적은 오염물질을 발생시키는 것을 확인할 수 있다.

 

표3. 에너지원별 발전량 현황

출처: 한국전력공사

 

2015년 EIA(미국 에너지 관리청)이 발표한 미국 전기에너지 생산량 중 화석에너지를 이용한 화력발전 에너지의 비율은 33%를 차지한다. 2018년 기준 한국의 총 전기 생산량 중 화력발전 비중은 41.9%를 차지한다. 미국의 2015년 33%에 비하면 8.9포인트 높은 양이지만 연도별 석탄에너지 사용량은 점차 줄어들고 그 자리를 신재생 에너지가 채우는 상황이기 때문에 전기차가 유발하는 환경오염은 점차 휘발유에 비해 줄어들 것으로 예상된다.

 

또한 전기차의 핵심 부품인 배터리의 주재료들은 자연적으로 분해도 안 될 뿐만 아니라 제조 과정에서도 환경에 유해한 물질을 발생시키는 것도 사실이다. 그러나 한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 일차전지에 비해 이차전지는 다시 충전해 반복 사용이 가능하기 때문에 환경에 훨씬 이롭다고 볼 수 있다. 물론 전지의 특성 상 일정 횟수 이상 충방전을 반복하면 최대 용량이 감소하게 되고 수명이 다하게 되는데, 전문가들은 이러한 문제의 해결 방안으로 재활용을 추진하고 있다.

 

폐전지의 재활용은 금속 추출과 타 분야의 재사용으로 다시 나눌 수 있는데, 금속 추출 방법은 전지의 안정성 확보 후 파쇄하여 금속을 추출하는 방법으로 제조 공정에서 발생하는 폐품들을 공정 중에 분류하는 폐품 재활용과 유사하다. 이 방식은 리튬, 코발트, 니켈 등의 금속을 추출 할 수 있어 원재료 수급에 용이하고 도입 과정이 단순해 재료들을 즉각적으로 재활용 할 수 있다는 장점이 있다. 재사용의 경우, 수명이 다한 전기차의 배터리를 ESS에 활용하는 것을 예로 들 수 있는데, ESS의 경우 부피대비 전지의 용량을 극대화 하지 않아도 되기 때문에 가능한 일이다. 대한민국은 리튬, 코발트 등의 원재료를 100% 수입에 의존하고 있다. 하지만 폐전지를 재활용하게 된다면 원재료 수급이 원활해질 뿐만 아니라 추가적인 이익 창출까지 가능할 것으로 예견되고 있다. 폐전지는 ESS에 재사용함으로 새로운 상품이 되고, 처리 비용이 감소하므로 환경에 끼치는 영향 또한 감소하게 되는 것이다.

 

이차전지의 양극과 음극에 사용하는 소재를 신소재 등으로 바꾸어 에너지 밀도를 높이거나 post-LIB 이차전지 기술의 발전을 통한 방안도 기대되고 있기 때문에 이러한 문제점은 점차 나아질 것으로 보인다.

 

지금까지 화석연료 자동차를 대신할 전기차가 과연 친환경적일까에 대한 의문과 그에 대한 반론을 알아보았다. 첫 번째로 전기를 생산하기 위해 또 다시 화석연료를 사용하게 되는 문제점이 있었다. 그리고 두 번째로 버려지는 배터리 문제가 있었다. 전기 생산 시 화석연료를 사용한 오염이 존재하기는 하지만 그 양은 휘발유차에 비해 적다는 반론과, 버려지는 배터리는 재사용될 수 있다는 반론이 존재했다. 어찌보면 ‘최선’ 보단 ‘차악’이 될 수 있는 전기차 시장. 그럼에도 불구하고 매년 전기차 시장은 커지고 있으므로 전기차의 다양한 환경오염 가능성에 대해 지속적인 논의가 필요한 시점이다.

 

 


참고문헌

 

생산과정에서의 환경오염

 

[1] 박석준, 최문호, ⌈이차 전지용 양극활물질 전구체 제조 시 발생하는 중금속 및 고농도의 총 질소 가 함유된 폐수처리 방법⌋, (주)에코프로, 2012.04.10

[2] ⌈리튬 이온 배터리의 회수 및 재생 기술 동향⌋, 국가환경정보센터, 2016

[3] ⌈미국의 전기차용 이차전지 Recycling 기술 동향⌋, 한국에너지기술평가원(KETEP), 2018.6

[4] ⌈폐건전지 및 폐형광등 재활용 실태조사⌋, 자원순환사회연대, 2009.12

[5] Jonathan Eckart,⌈Batteries can be part of the fight against climate change - if we do these five things⌋, World economic forum, 2017.11.28, https://www.weforum.org/agenda/2017/11/battery-batteries-electric-cars-carbon-sustainable-power-energy/

[6] DAVE ROOS,⌈Does hybrid car production waste offset hybrid benefits?⌋, howstuffworks, 2010.12.06, https://science.howstuffworks.com/science-vs-myth/everyday-myths/does-hybrid-car-production-waste-offset-hybrid-benefits2.htm

[7] James Murray, ⌈Is the Nobel Prize-winning lithium-ion battery really having a positive impact on the environment?⌋, NS ENERGY, 2019.10.14, https://www.nsenergybusiness.com/features/lithium-ion-battery-environmental-impact/

[8] 김윤정,⌈새만금 리튬공장 환경 논란, 무엇이 문제인가⌋, 전북일보, 2019.03.12, http://www.jjan.kr/news/articleView.html?idxno=2036601

 

그럼에도 불구하고 왜 전기차일까

 

[1] Rachael Neale 〮 David Reichmuth 〮 Don Anair , “Cleaner Cars from Cradle to Grave : How Electric Cars Beat Gasoline Cars on Lifetime Global Warming Emissions”,Union of Concerned Scientists,2p,2015.11, https://www.ucsusa.org/sites/default/files/attach/2015/11/Cleaner-Cars-from-Cradle-to-Grave-full-report.pdf

[2] 한국전력공사,에너지원별 발전량 현황,2019.07.17, https://index.go.kr/potal/stts/idxMain/selectPoSttsIdxMainPrint.do?idx_cd=1339&board_cd=INDX_001

[3] 헬로 티 첨단

뉴스, “이차전지... 신소재 개발 및 원가 절감으로 도약의 발판 마련”, 김영준 센터장 전자부품연구원 차세대전지연구센터, 2013.02.27., http://www.hellot.net/new_hellot/magazine/magazine_read.html?code=202&idx=12087

[4] LG이노텍 Newsroom, “전지의 기본”, 2014.09.08., http://blog.lginnotek.com/413

[5] 전기자동차의 모든 것, 한국 전력, 2015.08.24, https://blog.kepco.co.kr/448

[6] 전기차 배터리 수명은 얼마나 될까요, 사업통산 자원부 블로그,2017.07.25, https://m.blog.naver.com/mocienews/221059448968

 

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