전기차(EV) 판매량이 증가함에 따라 전기모터 생산량도 증가하고 있다. 수명이 다한 전기모터는 파쇄한 후 재활용된다. 개별 부품과 조립품은 재사용할 수 없다. 지금까지는 순환경제의 일환으로 전기모터를 재제조하고 재활용하기 위한 지속 가능한 가치 유지(value retention) 전략이 부족했다. REASSERT 프로젝트에서 프라운호퍼 제조공학 및 자동화 IPA 연구소(Institute for Manufacturing Engineering and Automation IPA)의 연구진은 업계 파트너와 협력하여 전기모터의 수리, 재제조, 재사용을 위한 다양한 개념과 순환경제를 위한 새로운 설계를 추구하고 있다.



REASSERT 프로젝트는 순환경제를 위한 전기모터 시제품 개발을 목표로 한다. [출처=Schaeffler]


중고 전기모터에는 구리와 같은 귀한 원자재(raw material)뿐만 아니라 중국이 준 독점권을 쥐고 있는 네오디뮴과 같은 희토류 금속이 포함되어 있으며, 현재의 재활용 방법으로는 회수가 어렵다. 따라서 모터의 사용 기간을 늘리는 것이 점점 더 중요해지고 있다. 또한, EV 모터에 사용되는 원자재는 내연기관에 비해 탄소발자국이 더 크다. 따라서 이러한 모터의 사용 기간을 연장하는 것이 중요하다. 

독일 바이에른 주 북부에 있는 도시 바이로이트에 위치한 프라운호퍼 제조공학 및 자동화 IPA 연구소의 과학자 줄리안 그로세 에르드만(Julian Große Erdmann)은 “혁신적인 가치 유지 전략은 지속 가능성 측면에서 탄소 배출을 줄일 수 있는 상당한 잠재력을 제공한다”라고 강조했다. 

연구진은 REASSERT 프로젝트의 일환으로 셰플러(컨소시엄 리더), 카를스루에 공과대학, BRIGHT Testing GmbH, iFAKT GmbH, Riebesam GmbH & Co. KG 등과 협력하여 전기모터를 재제조하여 차량에 재사용할 수 있는 혁신적인 방법을 개발하고 있다. 이들은 재사용(reuse), 수리(repair), 재제조(remanufacture) 및 원자재 재활용(recycling)이라는 가치 유지 전략에 중점을 두고 있다. 이는 순환경제의 핵심 요소로, 천연자원 소비를 줄이고 폐기물을 최소화할 수 있다. 이 프로젝트는 독일 연방경제기후보호부(BMWK)에서 자금을 지원하고 있다. 

환경 영향 감소

현재 원자재 재활용은 확립된 가치 유지 전략이다. 수동 또는 자동화된 재활용 방법을 통해 구리, 알루미늄 등을 회수한다. 전기 트랙션 모터는 이러한 목적을 위해 분해하고, 파쇄하고, 개별 재료 조각으로 분류하고, 용해하기도 한다. 그러나 오염된 재활용 소재는 더 이상 모터 용도로 사용할 수 없으며 개별 부품과 조립품은 폐기된다. 따라서 원자재 재활용은 재활용을 위한 최후의 수단으로만 선택하고 재사용, 수리, 재제조, 재료 재활용과 같은 고품질 가치 보존 전략으로 대체되어야 한다고 연구진은 지적한다.
그로세 에르드만은 “우리는 원자재 수입 의존도를 낮추고 원자재 채굴을 최소화하기 위해 귀중한 자원을 재사용하는 폐쇄 루프 시스템을 구축하고자 한다”라고 말했다. 

REASSERT 프로젝트 파트너들은 재사용을 엔진 전체를 2차 용도로 다시 사용하는 것으로, 수리는 결함이 있는 부품과 조립품을 교체하는 것으로 정의한다. ‘재제조’에서는 모든 부품을 분해하고, 세척하고, 수리하고, 재조립한다. 
그로세 에르드만은 “이러한 전략을 통해 희토류, 구리 등과 같은 원자재가 더 적게 필요하며 예비 부품에만 필요할 수 있다”라고 설명했다. 원자재 재활용을 위해 프로젝트 파트너들은 모터를 파쇄 전에 분해하여 개별 자재를 분류할 계획이다. 프로젝트 파트너들은 승용차 부문의 기준 모터(reference motor)를 사용해 지정된 분야에서 어떤 가치 유지 전략을 적용해야 하는지 분석하고 선택한다. 

인바운드 검사에서 최종 라인 테스트까지 프로세스 체인 구축

이 프로젝트는 모터 분류를 위한 인바운드 검사에서 분해, 자성 제거, 세척, 부품 진단 및 재제조, 모터의 기능을 평가하는 재조립 및 최종 라인 테스트에 이르기까지 단계마다 자체 데모 및 테스트 장비를 갖춘 완전한 프로세스 구축을 포함한다. 
그로세 에르드만은 “예를 들어, 이 과정에서 마모가 경미한 모터 하우징은 재사용을 위해 분류될 수 있으며, 필요한 경우 기계 가공 공정을 통해 기능을 보장하기 위해 재조정될 수 있다. 선택한 가치 보존 전략에 따라 다양한 프로세스 단계와 체인이 수반되므로 재조정을 위한 노력도 달라질 수 있다”라고 설명했다. 

이러한 과제 중 하나는 모터의 자성 재료를 분해하여 재사용하는 것이다. 그로세 에르드만은 “영구자석이 적용된 로터는 자석의 코팅과 접착으로 인해 손으로 분해하는 과정에서 부품별로 분해하기 어렵다. 따라서 비파괴 분해 방법을 확립하는 것이 목표다”라고 말했다. 

AI 의사결정 툴

프로젝트의 일환으로 개발된 AI 툴은 주어진 적용 분야에 가장 적합한 가치 유지 전략을 선택하는 데 이용된다. 이 툴은 디지털 트윈에 저장된 전기모터의 제품과 공정 데이터에 접근할 수 있다.

이 프로젝트에서 수집된 지식은 새로운 전기모터 설계에 활용할 계획이다. 목표는 쉽게 분해할 수 있고, 앞서 언급한 4가지 가치 보존 전략을 쉽게 적용할 수 있는 순환경제를 위한 모터 시제품을 개발하는 것이다.

AEM_Automotive Electronics Magazine