강철의 솔라리스

프로젝트 개요

기술개발 과제

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영문 : 00000000..

과제 팀명

태양광 폐 패널의 재활용을 통한 유가금속의 회수 및 환경부하 저감

지도교수

장*일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 20138900** 조*우(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 20138900** 배*용

서울시립대학교 환경공학부·과 20138900** 한*우

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 과거에는 폐기물을 잘 처리하는데 초점이 맞춰져 있었다면 이제는 폐기물 발생자체를
줄이는 자원순환에 초점이 맞춰지고 있다.
◇ 우리나라는 광물자원의 90%를 해외에서 수입하여 원자재 수입량이 하루 평균 1조원에 이른다(2013년 환경부 기준).
◇ 자원순환이 이루어지면 원자재 수입량을 감소시켜 자원의 해외의존도가 줄어들 것으로 기대된다.
◇ 태양광 발전 산업은 빠르고 안정적인 성장률을 보이고 있으며 앞으로도 지속적으로
성장할 것으로 예상된다. 에너지 발전 규모 또한 차세대 대체에너지로 불릴 만큼
발전량이 적지 않다.
◇ 평균수명이 20년 내외인 패널의 폐기물화는 빠르게 증가하고 있다. 세계 폐 태양광 패 널의 발생량은 2016년, 2020년과 2030년에 294,000톤, 950,000톤, 2,500,000톤에 도달 할 것으로 보이다. 한국의 폐 패널 발생량은 2016년 39톤, 2022년 1,612톤, 2027년에는
5,802톤에 달할 것으로 전망된다.
◇ 현재 폐 태양광 패널은 체계화된 조치가 없이 전량 매립 또는 소각된다. 폐기물을 매립
비용은 1톤 당 대략 3~4만원이며 소각비용은 1톤 당 대략 1만원 이다.
◇ 태양광 패널에는 알루미늄, 유리와 같이 재활용이 원활한 물질뿐만 아니라 은, 실리콘과
같은 분리추출이 난해하지만 가치가 높은 유가물질이 포함되어있다.
◇ 이러한 태양광 폐 패널의 재활용 시스템이 잘 갖추어 진다면 국내의 폐 패널에 대한 경 제적인 이득을 얻고 환경적 부담은 덜 수 있을 것 이다.

개발 과제의 배경

◇ 자원순환사회의 필요성 대한민국은 광물의 90%, 에너지의 97% 정도를 국외에서 수입해야 한다. 2013년 원자재의 전체 수입량은 하루 평균 약 1조 원이다. 이는 대한민국 주류 수출품 철강, 반도체, 자동차 등의 1일 평균 수출액 을 합친 5,500억 원의 약 두 배이다. 대량으로 생산하고 대량으로 소비 그리고 폐기하는 것이 대부분인 현재의 자원순환계에서는 직면한 환경 · 자원 · 에너지 위기를 해결하기에 어려움이 있다. 그렇기 때문에 생산 · 유통 · 소비 · 폐기 등 모든 부분의 폐기물 발생을 감량하고 생성된 폐기물과 재활용이 가능한 것을 다시 생산계로 되돌려 천연자원과 에너지의 사용을 감량하는 “자원순환사회”의 변경이 필요하다. 자원순환사회의 변경이 되면 순환자원의 이용이 증가되어 천연자원 이용을 대신하여 자원의 해외의존도가 감소될 것으로 기대된다. 재활용량이 연간 약 1천만톤 증가하여 1.7조원의 또재활용 시장이 창출되고, 약 11,000여개의 일자리 또한 생성되는 경제적 효과가 예상된다. 한 환경적으로도 재활용 가능자원의 직매립 제로화를 통해 매립지 수명이 20년 이상 연장되고, 매립 · 소각 물질이 감량됨에 따라 환경오염을 예방 할 수 있을 것으로 기대된다. ◇ 태양광 발전 산업의 지속적인 성장 재생에너지의 수요는 환경이 중시하는 전 세계의 정책 흐름과 지속가능한 에너지를 꿈꾸는 민간, 기관 소비자들에 의해 증가하고 있다. 탄소배출이 전혀 없는 태양광 발전과 비슷한 목적성을 가진 풍력발전의 경우 민간이 진입하기 힘든 규모를 지니고 있다. 그래서 민간 소비자를 유도해 그 수요를 늘리기가 쉽지 않은 구조이다. 반면 세계 태양광 발전 산업은 빠르고 안정적인 보급률을 보이며 지속적으로 성장할 것으로 예상된다. 태양광은 빠르게 성장할 것으로 예상되어 차세대 대체에너지로 불릴 만큼 상당한 양의 발전규모를 가지고 있다. 태양광 발전에 쓰이는 전지의 경우 재료와 공정에 따라 크게 결정질 실리콘, CdTe, 박막형 등의 형태가 있고 2000년대 초반 태양광 패널 도입의 1세대가 실리콘재였기 때문에 현재 유럽을 비롯한 대부분의 국가에서는 결정실 실리콘재 태양전지가 주를 이루고 있다. 우리나라도 이런 흐름에 따라 태양광 발전시설에 대한 보급을 늘리고 있다. 우리나라는 2015년 설체랑 1.1GW수준으로 세계 7위를 당성하였도 2017년 기준으로 국내 태양광 발전설비는 5.7GW규모 (총 재생에너지 발전용량의 30%에 해당) 신 재생 에너지원중 가장 큰 성장률을 보이고 있다. 또한 재생에너지 이행계획(2030년까지 총 53GW 신규설비 보급 목표)에 따라 태양광 설비가 많이 늘어날 것으로 예상된다.

 ◇ 폐 태양광 패널의 국내외 누적

태양광 산업의 발전 속도는 빠르다. 태양광 발전의 가장 핵심푸품은 태양광을 에너지로 바꾸는 태양광 패널이다. 이변이 일어나지 않으면 태양광은 무한한 자원이다. 그러나 태양광 패널은 수명이 있다. 시간이 지나면 폐기물화 될 수 밖에 없다. 수명이 다된 패널은 폐패널이라고 한다. 대체로 평균수명은 20년 정도이다. 그 수명을 결정하는 원인은 봉지재에 의한 박리, 전극부식 유리파손, 황변등의 수명단축 원인이 존재한다. 평균수명이 20년 남짓인 패널의 폐기물화는 빠르게 증가하고 있다. 폐 태양광 패널의 발생량은 2016년, 2020년과 2030년에 294,000톤, 950,000톤, 2,500,000톤에 도달하는 양이다. 한국의 폐 패널 발생량은 2016년 39톤, 2022년 1,612톤, 2027년 5,802톤으로 전망된다. 국내에서 RPS(신재생 에너지 공급의무화제도)를 추진하고 신재생에너지를 강조하는 추세 속에서 태양광 설비용량은 6배이상 늘어날 것이고 모듈가격의 하락세를 통해 패널양도 증가하게 될 것이다

 ◇ 폐 태양광 패널의 환경적 부담
1. 유휴부지 발생

국내의 폐 태양광 패널은 공식적인 법률 및 지침이 없어 설치한 패널을 큰 해결없이 그대로 놔두는 경우가 많다. 100kw발전시설을 갖추기 위해 300평 규모가 필요하다. 그 부지는 철거가 안되면 다른 용도로 사용할 수 없어 땅이 좁은 한국의 나라에는 큰 손실이다.

2. 토지와 해양에 유해물질 유입

구리와 납은 패널의 5%, 0.1%를 구성한다. 태양광 패널의 구성성분의 납, 구리의 유해물질을 처리하지 않고 매립처분을 하면 유해물질이 토지와 해양에 유입되어 토질 및 수질 오염등의 환경적 피해를 초래한다. 지속적으로 농작물이나 인체에 노출되어 악영향을 끼친다. 납은 특히 혈액질환을, 구리는 신경계이상과 간질환들을 일으켜 조치를 취해야한다.

3. 폐기 비용 발생

현재 폐 태양광 패널은 일정한 조치가 없이 전량 매립 또는 소각이다. 폐기물을 매립하면 드는 돈은 1톤 당 3~4만원이며 소각할 때 드는 돈은 1톤 당 1만원정도이다. 매립이나 소각이 되는 폐기물은 그 가치를 다하고 내용물을 다시 활용을 못하는 경우가 많은데 태양광 패널은 사용할 수 있는 가치가 있어서 다음과 같이 처리하는 것은 부적절하다. 이런 처리과정이 해결되지 않아 2020년대부터 급속히 증가해 매년 약 3000톤이 넘는 폐 태양광 패널을 그저 매립 ,소각할 시 막대한 비용이 발생한다.

 4. 경제적 손실

태양광 패널에는 알루미늄, 유리와 같이 재활용이 원활한 물질뿐만 아니라 은, 실리콘과 같은 유가물질이 구성되어있다. 패널의 구성 중 가장 가치가 높은 은의 경우 약 31g당 약 20달러의 가치를 가지고 있는데 패널 하나당 약 10g에서 20g의 은을 추출할 수 있기 때문에 경제적 가치가 상당하다고 볼 수 있다. 이를 재활용해 원자재업체에 팔거나 재료를 다시 유사 제품군을 제조하는데 활용하지 않고 부지에 방치하거나 매립 처분하는 것은 더 큰 기회비용을 잃는 것이다.

 5. 탄소배출

우리나라의 태양광 시장의 90%를 차지하는 250wh 표준 실리콘 태양광 패널을 제작하기 위해서는 750kWh의 에너지가 필요하다. 매번 새로운 패널 제작을 위해 원자재가공부터 완제품 제작에 소모되는 에너지 양은 굉장히 클 것이며 이에 탄소 배출량은 계속해서 증가한다. 탄소배출 그 자체로 환경에 유해한 영향을 끼치는 세계적 환경 이슈이지만 보다 적은 탄소배출량을 달성해 탄소배출권을 통해 이익을 낼 수 있는 기업에게는 새로운 패널 제작으로 인한 탄소 배출 증가가 경제적 이슈로 다가올 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

개발과제의 목표

 전 세계적으로 신재생에너지에 투자하는 비용의 절반 이상이 태양광발전에 투자되고 있는 상황이고 앞으로도 태양광발전량이 지속적으로 증가할 것이라는 예측이 나오고 있다. 그러므로 폐기되는 태양광 패널의 양도 점점 증가할 것이라 예상이 되므로 이를 처리하기 위한 기술이 필요하다. 아직까지는 명확하게 개발된 기술은 없으며, 공정 모식도를 기반으로 하여 새로운 기술을 만들고 있다. 현재의 기술로는 태양광 패널의 유리와 알루미늄은 적절하게 회수되고 있으나, 실리콘과 금속은 모두 건설폐기물로서 매립되거나 해외로 수출하고 있는 상황이다.

 실리콘의 경우에는 반드시 높은 순도로 추출을 해내야지만 태양광 패널에 재사용 할 수가 있고, 순도가 낮을 경우 합금에 이용할 수는 있지만, 이 때는 원자재 가격이 최대 6배 낮아진다고 한다. 또한 금속 중 은과 구리는 반드시 회수가 되어야 하는데, 은은 패널의 구성요소 중 가장 경제적 가치가 높은 금속이고, 구리는 처리하지 않고 매립할 경우에 인체에 노출이 되면 건강상의 영향을 끼칠 수 있는 물질이기 때문이다. 그러므로 우리는 고순도의 실리콘을 추출할 수 있는 기술을 이용하여 새로운 태양광 패널 제작 시에 제작비용을 낮추고, 또한 인체건강에 악영향을 끼칠 수 있는 물질이 무심코 버려지는 것을 방지해야한다.

개발과제의 내용 알루미늄 프레임과 유리의 경우 비교적 간단한 물리적 공정에 의해 분리되어 비용이 낮고 회수율이 높은 간단한 공정들이 존재한다. 공정에 따라 회수율과 순도의 차이가 큰 실리콘과 금속추출에 해당하는 기술들을 도입해 보려고 한다.

 ◇ 실리콘 추출 공정 종류

  1. 패널 분쇄 후 리칭: 분쇄된 패널에서 유리를 제거하고, 패널을 질산에 용해하면 실리       콘 성분은 아래로 가라앉게 된다. 그 후 실리콘을 필터링하여 추출하고, 추출된 실리콘은 물을 이용하여 세척하면 순도가 높은 실리콘을 얻을 수 있다.

  2. 샌드위치 연소 후 리칭: 이 또한 질산을 이용한 리칭을 통한 추출 기술이지만, 분쇄를       하지 않고 유리가 제거된 샌드위치를 연소시켜 재 형태로 만든다. 이 재를 질산과의 반응을 통해 실리콘을 추출하고 물로 세척하여 순도가 높은 실리콘을 얻을 수 있다. 
 
  3. EBMS(Electron Beam Melting System): 이 기술을 이용하면 기존 습식 제련 방식의 문제인 알루미늄과 주석 및 인 성분도 제거할 수 있기 때문에 99.999998%의 고순도 실리콘 디스크를 추출할 수 있고, 이 실리콘을 사용하면 태양광 패널 제작에도 재사용 할 수 있다.

◇ 금속 추출 공정 종류

  1. 전기분해: 실리콘을 추출하면 그 뒤엔 금속 성분이 남는데, 구리와 은을 추출하기 위해서는 각각 다른 전압이 요구된다. 구리의 경우에는 200V, 은의 경우에는 100V의 전압이 필요하므로 각각 따로 추출이 가능하다.

  2. MSA 화학공정: 용해하지 않은 온전한 형태의 샌드위치를 술폰산 화합물 성분과 반응시킨 후, 그 용액을 염산과 반응시키면 은 성분이 염화은의 상태로 침전된다. 은은 염화은의 75%를 구성하고 있기 때문에 아주 높은 농도의 은을 추출할 수 있고, 또한 남은 술폰산 화합물은 재사용이 가능하다.

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

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완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

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