요기조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 음폐수 처리 적용 다회용기 회수함

영문 : Multi-use container recovery box with foodwaste treatment

과제 팀명

요기조

지도교수

이상철 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2017890063 장*수(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2017890033 박*기

서울시립대학교 환경공학부 2017890053 이*윤

서울시립대학교 환경공학부 2017890077 홍*기

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 본 설계의 목표는 1인 가구의 증가와 코로나19 사태 이후 증가한 배달 음식 문화에 따른 일회용품 사용을 근본적으로 해결할 수 있는 다회용기 사용 배달 시스템을 구축하는 것이다. 설계는 효율적인 플랫폼 운영을 위한 시스템 구축과 편리한 다회용품 수거를 위한 수거함의 기계적 설계로 구성되고 이에 따른 기본적인 장치 구조를 평면도로 나타내며, 전반적인 시스템 구상 내용을 포함한다. IoT 기반의 지역 단위의 시스템 관리체계를 통하여 용기 회수에 있어 높은 효율성과, 용기 수거함 자체에서의 음식물의 기초적인 처리를 통하여 위생적이며, 경제적으로 우수한 효과를 내고자 한다.

개발 과제의 배경

◇ 2021년 10월부터 서울시가 배달 어플리케이션과 함께 강남구를 중심으로 시범사업을 펼친 다회용기 음식 배달 사업은 총 6만 7000건의 주문건수를 기록하며 시민들에게 긍정적인 반응을 보였다. 하지만, 이러한 성과 이면에는 서울시가 지원하는 서비스가 종료된 이후엔 다회용기의 향후 수거비 등 서비스 이용료 명목의 환경부담금에 대한 우려가 있다. 때문에 본 설계에서는 다회용기의 수거를 IoT 기반의 시스템을 통해 효율적으로 관리하여 수거비를 최소화하고, 더불어 다회용기 수거함에 음식물의 기초적인 처리와 동시에 전력을 생산할 수 있는 구조를 마련하여 환경적 이익뿐 아니라 경제적 이익도 창출할 수 있도록 하고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

1. 일회용품 사용량 감소 기존 일회용기 사용의 배달 시스템을 다회용기를 통한 배달 시스템으로의 변화를 통하여 일회용품 사용량을 감소시킴으로써 이를 기반으로 하여 탄소 배출량 감소를 목표로 한다.

2. 자체 에너지 생산을 통한 제로 웨이스트 수거함 다회용기 수거함 속의 음식물 쓰레기 저장소를 통하여 재생에너지를 생산한다. 이렇게 생성된 에너지를 통하여 에너지 소비가 없는 제로 웨이스트를 목표로 한다.

3. IoT 기반의 지역단위 관리 체계 및 정부 정책과의 연계 배달의 시작부터 회수까지 전 단계에 다회용기 추적이 가능한 IoT기반의 트랙킹 시스템을 도입하여 다회용기의 미수거를 사전에 예방할 수 있게 하며, 정부의 환경 정책과 연계함으로써 해당 시스템의 활성화를 도모함으로써 탄소중립사회를 실현한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 기존 일회용 배달 플라스틱 용기를 다회용기로 전환시키기 위해선 향후 다회용기의 수거 과정에서 수거비 등 서비스 이용료 명목의 환경부담금에 대한 우려가 있다. 하지만 본 설계가 실제로 적용된다면, IoT 기반의 시스템을 통해 다회용기를 효율적으로 관리할 수 있다. 수거비를 최소화함과 동시에 다회용기 수거함에 음식물의 기초적인 처리와 동시에 전력을 생산할 수 있기 때문에 환경적 이익과 경제적 이익을 창출할 수 있을 것이라 기대된다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 한국소비자원이 조사한 배달음식의 사용실태를 조사한 결과, 1인당 연간 평균 10.8kg의 플라스틱 배달용기가 사용된다고 한다. 대표적인 국내 배달 3사의 이용자의 합은 2022년 1월 기준 약 800만명으로, 이를 바탕으로 계산하면 연간 86,400t의 플라스틱 배달용기가 배출된다고 예측할 수 있다. 플라스틱 1t 당 평균적으로 약 5t의 온실가스가 배출되는 것으로 알려져 있기 때문에, 위에서 계산한 연간 일회용 플라스틱 배달용기의 배출량인 86,400t은 432,000t의 온실가스를 배출한다는 결론을 도출할 수 있다. 이러한 온실가스 감축은 환경적 효과 뿐만 아니라 경제적인 효과로 이어진다. IMF가 발표한 2030년까지 탄소 1톤단 한화 약 9만원의 탄소배출 가격을 부과한다고 한 계획에 따라 계산하면 연간 약 389억의 국가적 경제 효과가 발생한다. 또한, 폐플라스틱 용기의 처리가 불필요해짐에 따른 경제효과도 발생한다. 환경부가 발표한 폐기물의 종류별 처리단가에 의하면 폐플라스틱 용기 1t을 처리하는데 필요한 금액은 53,000원이다. 즉, 전국 일회용 배달 플라스틱 용기를 처리하기 위해선 연간 약 45억 7천 9백만원이 필요한 셈이다. 결론적으로, 본 설계가 실제로 적용되어 전국적으로 다회용기를 사용하는 문화가 정착된다면 일회용 배달 플라스틱 용기 처리 과정에서 발생하는 온실가스 배출을 감소하는 환경적 효과 뿐 아니라 경제적 이익도 얻을 수 있을 것이라 기대된다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 장익수 : 자료조사 및 기존 현황 검토를 통한 배경지식 확보, 재활용 용기 사용 정책 및 시스템 구축 후 환경적, 경제적 가치 분석 진행

◇ 박현기 : 자료조사 및 기존 현황 검토를 통한 배경지식 확보, 재활용 용기 수거함 및 에너지 회수 시스템 설계 후 현실성 평가 진행

◇ 이재윤 : 자료조사 및 기존 현황 검토를 통한 배경지식 확보, 재활용 용기 수거함 및 에너지 회수 시스템 설계 후 환경적, 경제적 가치 분석 진행

◇ 홍진기 : 자료조사 및 기존 현황 검토를 통한 배경지식 확보, 재활용 용기 사용 정책 및 시스템 구축 후 현실성 평가 진행

설계

설계사양

제품의 요구사항

◇ IoT 기반의 다회용기 트래킹 시스템 다회용기의 효율적인 관리를 위한 해당 설계의 시스템은 다음과 같다.

사물인터넷은 각종 사물에 센서와 통신 기능을 내장하여 인터넷에 연결하는 기술로 무선 통신을 통해 각종 사물을 연결하는 기술을 의미한다. 이를 다회용기 회수함에 적용하여 정보 수집을 위한 QR코드 인식 센서가 부착되며, 중앙 시스템과 인터넷망을 통하여 연결한다. 중앙 관리 시스템으로 수집되는 정보로는 소비자의 다회용기의 반납 여부, 가게에서 각 가정으로 배달된 다회용기의 개수와 같은 정보가 수집되며, 이는 중앙 시스템에서 관리되며, 해당 데이터를 기반으로 하여 배달 기사에 의한 다회용기의 적절한 분배와 회수가 이루어진다.

소비자의 다회용기 반납시 반납여부와 기본적인 음식물쓰레기의 제거 여부를 확인하기 위하여 QR 코드 인식과 반납 사진 촬영단계를 통한 미수거 용기 발생을 방지하고, 과도한 음식물 쓰레기 축적으로 인한 용기 수거함의 고장을 사전에 예방하도록 한다. 해당 시스템은 도시 전체에서 이루어지는 대규모의 사물인터넷 기반의 시스템으로 원거리 통신에 적합한 네트워크망인 LTE 기술이 적용된다. 이 중 전력 사용량이 낮으며, 실시간, 이동형 서비스에 최적화된 LTE Cat. M1기술을 사용한다.

설계 사양

개념설계안

가.시스템 운영

◇ IoT 기반의 다회용기 트래킹 시스템

다회용기의 효율적인 관리를 위한 해당 설계의 시스템은 다음과 같다.

사물인터넷은 각종 사물에 센서와 통신 기능을 내장하여 인터넷에 연결하는 기술로 무선 통신을 통해 각종 사물을 연결하는 기술을 의미한다. 이를 다회용기 회수함에 적용하여 정보 수집을 위한 QR코드 인식 센서가 부착되며, 중앙 시스템과 인터넷망을 통하여 연결한다. 중앙 관리 시스템으로 수집되는 정보로는 소비자의 다회용기의 반납 여부, 가게에서 각 가정으로 배달된 다회용기의 개수와 같은 정보가 수집되며, 이는 중앙 시스템에서 관리되며, 해당 데이터를 기반으로 하여 배달 기사에 의한 다회용기의 적절한 분배와 회수가 이루어진다. 소비자의 다회용기 반납시 반납여부와 기본적인 음식물쓰레기의 제거 여부를 확인하기 위하여 QR 코드 인식과 반납 사진 촬영단계를 통한 미수거 용기 발생을 방지하고, 과도한 음식물 쓰레기 축적으로 인한 용기 수거함의 고장을 사전에 예방하도록 한다. 해당 시스템은 도시 전체에서 이루어지는 대규모의 사물인터넷 기반의 시스템으로 원거리 통신에 적합한 네트워크망인 LTE 기술이 적용된다. 이 중 전력 사용량이 낮으며, 실시간, 이동형 서비스에 최적화된 LTE Cat. M1기술을 사용한다.

◇ 어플리케이션 디자인

해당 시스템을 효율적으로 관리하기 위한 어플리케이션의 설계는 다음과 같다.

기존 배달 대행 어플리케이션과 비슷한 구조에서 다회용기를 사용한다는 점을 강조한다. 어플리케이션 내 다회용기 사용에 대한 안내와 반납 방법, 혜택에 대한 기본적인 정보를 디자인 내에 제공하여 소비자들로 하여금 해당 시스템에 대한 이해와 사용을 용이하게 한다. 또한 하나의 어플리케이션으로 음식 주문부터 다회용기의 반납을 가능하게 함으로써 이용자들의 편의성을 높이고 다회용기 사용 배달 시스템에 대한 접근성을 높이고자 한다.

◇ 용기 수거함

다회용기보관함 내부 세척 기능을 추가하여 다회용기 반납과 동시에 간단한 세척을 진행하여 위생적으로 유지 관리할 수 있도록 한다. 위와 같이 가정용 식기세척기와 유사하게 다회용기를 꽂은 뒤 문이 닫히면 내부 노즐 등을 통하여 고압∙고온의 물을 분사함으로 용기를 1차적으로 세척하게 된다. 이처럼 보관과 동시에 용기 세척 문제를 해결함으로 보다 위생적인 다회용기 사용 체계를 구축할 수 있게 된다. 이때, 용기를 꽂은 판을 구멍이 있는 철망의 형태로 하여 처리수가 자연스럽게 하단의 배수관으로 흘러갈 수 있도록 설계하여 처리수 문제를 해결한다. 또한, 고압∙고온의 물을 분사할 때 사용되는 전력은 다회용기보관함과 연결된 음식물 쓰레기통에서 볼타전지를 통해 생산되는 전력을 이용하여 추가적으로 필요한 전력의 소요를 없애려한다.

3) 볼타전지를 이용한 전력생산

다회용기를 보관함에 반납하기 전에 발생한 음식물 쓰레기를 음식물 쓰레기통에 버리게 되는데 볼타전지를 활용하여 이 음식물 쓰레기로부터 전력을 생산하는 장치를 추가적으로 고안하여 다회용기보관함에 사용되는 전력을 자체적으로 생산할 수 있다. 음식물 쓰레기통 하단에는 산성을 띄는 음폐수가 모이게 되고 이 하단부에 구리-아연 금속을 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 이때 그림5.와 같이 하단부에 여러칸으로 나누어 여러 개의 구리-아연 전지를 설치하게 되면 충분한 양의 전력을 생산할 수 있다. 이때, 그림6.과 같이 음식물 쓰레기통의 뚜껑을 열기 위하여 하단의 페달을 밞았을 때 음식물 쓰레기통 내부의 판이 떨어지며 음식물 쓰레기를 누르는 과정을 추가한다면 음폐수의 착즙 과정 역시 전력소모없이 가능하다. 추가적으로 음식물 쓰레기에서의 착즙 과정을 통하여 음식물 쓰레기로부터 음폐수를 분리하는 1차 건조과정을 거치기 때문에 음식물 쓰레기 수거 이후 처리과정에서도 퇴비화 및 소각처리의 효율도 높아지며 악취 문제도 해결 될 것으로 기대된다.

4) 청결 유지 방안

(1) 살균 고온, 고압 세척수를 통하여 다회용기를 1차적으로 세척하는 과정에서 기본적인 살균, 세척과정이 진행이 되며, 수거 후 식당에서 2차 세척을 진행한다. 또한 다회용기의 보관 기간이 1~2일 가량으로 짧은 기간일 것으로 예상되므로 위생적인 문제가 크게 작용하지 않을 것으로 예상된다. 그럼에도, 여름철이나 수거가 늦어질 경우를 대비하여 UV 건조램프를 추가 설치하는 것을 고려하여 위생상의 완전성을 높힐 수 있다.

(2) 악취 음식물 쓰레기통에서의 악취의 근본적인 원인은 음폐수이다. 본 설계의 볼타전지를 활용한 음식물 쓰레기통의 경우 착즙 과정을 통한 음식물 쓰레기로부터 음폐수를 분리하기 때문에 악취문제가 해결될 것으로 예상된다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 예상 저감 탄소량

한국소비자원에 따르면 1년 배달음식 플라스틱 사용량은 국민 1인당 약 10.8kg으로 조사되었다. 그린피스 보고서에 따르면 플라스틱 1ton 당 약 5ton의 온실가스를 배출한다. 이를 이용하여 연간 배달용기로 인한 온실가스 배출량을 계산해보면 아래와 같다.

따라서, 전국적으로 다회용기로 일괄 교체한다고 가정하면 총 280만톤의 온실가스를 저감할 수 있다.

◇ 전력효율 분석

표준환원전위표에 따르면 구리판과 아연판에서의 볼타전지를 이용한 산화-환원 전극의 기전력은 약 1.1V임을 확인할 수 있다. 2 .3 이론적 계산 및 시뮬레이션 실제 구리-아연판과 탄산음료를 이용하여 실험한 결과 아래와 같이 약 0.9V가 측정되어 기전력과 큰 차이가 없을 것으로 예상되었다.

실험 당시 사용한 D사의 탄산음료의 pH는 3.5~4정도이며 음식물쓰레기의 경우 일반적으로 pH 4.0~5.0으로 책정되는 전력에는 큰 차이가 없을 것으로 예상된다. 이때, 그림 8,9와 같이 여러 개의 구리-아연판의 직렬 연결을 통하여 보다 큰 전압을 생산할 수 있는데, 3개 직렬연결시 2.83V가 측정되며 직렬연결을 하여도 효율적으로 떨어지지 않음을 확인 할 수 있었다. 이를 통하여 5*5 직렬연결시 25V가 생성될 것이라고 예상할 수 있으며 전압은 약 0.6A로 5*5 직렬연결시 약 15W가 생산 가능할 것으로 예상되며 이를 1시간동안 효율의 저하 없이 전력생산이 가능하다고 가정하면 약 0.9kWh의 에너지가 생산이 가능하다.

일반적인 가정용 식기세척기의 전력사용량은 다음과 같다.

따라서, 일반적으로 약 1.2kWh의 전력을 소비함을 확인할 수 있다. 이를 토대로 다회용기수거함 음식물쓰레기통 전력생산부의 직렬연결을 5*5보다 더 많이 연결을 하거나 보다 효율적인 세척시스템을 구축한다면 충분히 자체적으로 전력을 생산할 수 있을 것으로 예상된다.

◇ B/C분석 Benefit - 탄소세: 90,000원/𝐭on CO2 ×2,800,000 ton/yr = 2520억원/𝒚r ( IMF의 발표를 토대로 탄소 1ton 당 한화 약 9만원의 탄소세 적용 ) - 플라스틱 처리 비용 감소: 53,000원/ton PP × 560,000tonPP/yr = 297억원/𝒚r ( 환경부 발표를 토대로 폐플라스틱 용기 1ton 당 처리비용 53,000원 적용 ) Cost - 초기투자비용

외형제작비용 200,000원/대 ( 시중 스테인리스 비용을 참고하여 임의 책정 )

전력생산부제작비용 290,000/대 ( 시중 구리-아연판 및 전선의 비용을 참고하여 임의 책정 )

구리 140,000원 (100cm^2당 1,000원, 14,000cm^2 => 140,000원) 아연 120,000원 (225cm^2당 2,000원, 14,000cm^2 => 120,000원) 전선 30,000원

상수도 연결 비용 90,000원/대 ( 상수도 시공업체 문의 결과를 참고하여 임의 책정)

총 필요대수 43,000대 ( 공동주택관리 정보시스템 기준 전국 아파트 3동당 1개의 보관함 설치 가정 )

총 투자비용: (𝟐00,000 + 290,000 + 90,000)원/대 × 43,000대= 249억원 - 운용비용

용기수거비용 약 1277억원/yr

( 전국적으로 일일 1회 일괄 수거를 가정하고 1회수거당 약 8,000원의 인건비가 소요된다고 가정하여 책정 )

전력생산부 교체 비용 약 465억원/yr ( 2달에 1회 전국적으로 일괄 교체를 가정하여 책정 )

유지보수비용 430억원/yr ( 1대당 연간 1,000,000원의 유지보수비용이 소요된다고 가정하여 책정 )

총 운용비용: (1277 + 465 + 430)억원/yr= 2172 억원/yr

B/C ratio

B/C ratio = 1.163

이를 통하여 환경적인 이익뿐만 아니라 경제적인 가치도 충분하다고 평가할 수 있다.

◇ 인식분석

다회용기사업에 대한 인식조사_서울기술연구원 기술개발본부 생활환경연구실

소비자의 경우에는 다회용기사업에 대해 50%의 과반수 이상의 소비자가 긍정적인 반응을 보였으며 부정적인 반응을 보인 소비자는 약 10%로 조사되었다. 또한 다회용기사업의 추진시 참여하겠다고 밝힌 소비자는 약60% 이상이며 참여하지 않겠다고 답변한 소비자가 약 7%정도였다.

반면 음식점의 경우 긍정적인 반응과 부정적인 반응이 거의 유사하였으며 참여하지 않겠다는 의사를 밝힌 음식점은 20%이상으로 조사되었다.

이를 통해 보다 편리하고 효율적인 시스템 구축을 통하여 음식점의 참여를 적극적으로 유도할 필요가 있다고 판단되었다.

상세설계 내용

가. 조립도

나. 조립순서

◇ 음식물쓰레기통(그림좌측)

1) 음식물쓰레기통 하단(①)에 반투과성 막을 부착한다.

2) 반투과성 막 하단에 구리와 아연을 꽃은 판을 부착한다.

3) 구리판 아연판에 전선을 연결한다.

4) 음폐수 보관공간(②)와 음식물쓰레기 회수부를 연결한다.

5) 결합한 음식물쓰레기통에 뚜껑을 열고 닫을 수 있는 발판을 부착한다.

◇ 다회용기 보관함(그림우측)

1) 다회용기 보관함 내부에 다회용기를 보관하기 위한 틀을 결합한다.

2) 다회용기 회수부 상단에 세척 장치를 설치한다.

3) 수도관과 다회용기 회수부를 연결한다.

나. 부품도

다. 소프트웨어 설계

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

향후계획

◇ 본 설계에서는 IoT 기반의 지역 단위 시스템 관리체계와 자체 전력생산이 가능한 다회용기 수거함을 적용하여 일회용품 사용 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 다회용기 사용 배달 시스템을 설계하였다.

◇ 해당 시스템은 배달 시스템에서 일회용품 사용량을 줄이고 다회용기 사용을 활성화 하는 것을 목표로 하며, 다회용기 회수 및 순환을 원활하게 하기 위해 소비자, 음식점, 배달 라이더 측이 이용할 수 있는 배달 플랫폼 어플리케이션을 IoT 기반 지역 단위 시스템 관리체계로 구축하였다. 또한, 사용 후의 보관할 다회용기 수거함을 기계적으로 설계하여 다회용기 회수 후 수거함 내에서 기초적인 처리 및 수거함 내 다회용기 개수 데이터를 배달 플랫폼 어플리케이션으로 전송할 수 있도록 설계하였다. 해당 시스템이 적용 될 경우 기존 배달음식 일회용품으로 인한 이산화탄소 발생량 280만톤을 절감할 수 있을 것으로 예상되며, 배달음식 일회용품으로 안한 탄소세 및 플라스틱 처리세 등을 저감하여 경제적 이익 또한 발생할 것으로 예상된다. 최근 배달음식으로 인해 배출되는 일회용품에 대한 문제제기가 강조되고 있고, 국가적 차원에서 해결하려는 움직임이 많기 때문에 본 시스템은 배달 일회용품 사용량 감소에 큰 기여와 다회용품 배달 시스템에 좋은 발판이 될 것으로 보인다.

◇ 다회용기 수거함을 세대 별 추가로 설치해야 한다는 점에서 설치 부지 확보 및 관리 인력 우려가 발생하였다. 이에 따라 수거함 당 몇 세대가 수거함을 공유할 지, 수거함 설치를 위한 부지 설치 및 상하수도 설치에 대한 연구가 필요하다. 또한, 음식물 쓰레기 보관으로 인한 악취 및 수거함의 유지관리에 대한 인력 및 비용 문제에 대해 더 세부적인 검토를 할 예정이다.

요기조

목차