모터사이클 다이캐스팅의 지속가능성 최적화: 폐열 회수 및 금속 스크랩 재활용 통합

본 소개 논문은 "[Leuser Journal of Environmental Studies]"에서 발행한 논문 "[Optimizing Motorcycle Manufacturing Sustainability through the Integration of Waste Heat Recovery and Metal Scrap Recycling: A Process Engineering Approach]"을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

• 제목: 모터사이클 제조 지속가능성 최적화: 폐열 회수 및 금속 스크랩 재활용의 공정 엔지니어링 접근 방식
• 저자: Rifki Saiful, Erkata Yandri, Erik Hilmi, Nasrullah Nasrullah, Uhanto Uhanto, Fitriani Fitriani, Riki Firmandha Ibrahim
• 발행 연도: 2024년
• 발행 학술지/학회: Leuser Journal of Environmental Studies
• 키워드: 모터사이클 제조, 에너지 효율, 폐열 회수, 지속가능성, 에너지 소비 감소, 원자재 예열, 재료 폐기물 재활용

2. 초록:

자동차 산업 제조는 2050년까지 2~3배의 급격한 성장을 경험했으며, 모터사이클은 전 세계 차량의 약 30%를 차지합니다. 그러나 이러한 생산량 증가는 원자재 및 에너지 수요를 크게 증가시켰습니다. 주요 과제는 제조 공정 중에 발생하는 재료 폐기물 및 폐열을 관리하는 데 있습니다.

본 연구는 모터사이클 산업의 지속가능성을 향상시키고, 폐기물을 줄이며, 에너지 소비를 낮추기 위해 재료 폐기물 재활용과 폐열 회수 간의 시너지 효과를 최적화하는 프레임워크 개발을 목표로 합니다. 설계는 용융 공정에서 발생하는 폐열을 활용하여 원자재를 예열하고, 온도를 약 50°C에서 용융 전 350°C까지 높여 추가 에너지 필요량을 줄이고, 배출량을 낮추며, 운영 비용을 절감합니다.

폐열을 원자재 예열에 활용하는 것은 환경 영향과 열 부하를 완화할 뿐만 아니라 에너지 효율을 크게 향상시켜 궁극적으로 비용 절감과 최적화된 자원 사용을 가져옵니다. 폐열을 원자재 예열에 직접 활용하면 에너지 소비를 최대 30%까지 효과적으로 낮출 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 운영 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라 생산 비용을 줄이고 환경 영향을 최소화하여 제조 부문에 보다 지속가능한 솔루션을 제공합니다.

3. 서론:

자동차 산업, 특히 모터사이클 제조는 급속한 성장을 경험하고 있으며, 이는 원자재와 에너지 수요 증가로 이어지고 있습니다. 생산량 증가는 재료 폐기물 및 폐열 관리와 관련된 과제를 심화시키며, 특히 용융 및 주조와 같은 에너지 집약적 공정에서 더욱 그렇습니다. 엔진 부품에 필수적인 알루미늄의 전 세계 수요는 2050년까지 2~3배 증가할 것으로 예상됩니다. 알루미늄 생산은 에너지 집약적이며, 특히 용융 및 주조 공정에서 환경에 미치는 영향이 큽니다.

모터사이클 제조의 환경적 영향은 폐열과 금속 스크랩으로 인한 비효율성과 오염으로 인해 점점 더 심각해지고 있습니다. 이러한 우려를 해결하기 위해 산업계는 재활용 및 에너지 회수를 포함한 지속가능한 관행을 채택해야 합니다.

본 논문은 금속 주조에서 폐열 회수 시스템(WHRS)의 통합과 효과적인 금속 스크랩 관리를 모색하여 모터사이클 제조의 에너지 소비를 줄이고 지속가능성을 향상시키는 것을 목표로 하며, 알루미늄 및 철강 산업과 같은 다른 산업에 비해 이 기술들의 모터사이클 산업 적용에 특정 격차가 있음을 지적합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

모터사이클 제조를 중심으로 한 자동차 산업의 급격한 팽창은 원자재 및 에너지 수요를 크게 증가시킵니다. 특히 용융과 같은 제조 공정 중 발생하는 재료 폐기물, 특히 금속 스크랩, 그리고 폐열 관리는 주요 지속가능성 과제를 제시합니다. 미활용 폐열은 지구 온난화에 기여하고, 폐기된 알루미늄은 천연 자원을 고갈시키며, 알루미늄 생산의 에너지 집약적 특성과 온실 가스 배출로 인해 기후 변화를 악화시킵니다.

선행 연구 현황:

학술 문헌은 제조 분야의 폐기물 관리 및 열 회수에 대해 광범위하게 탐구합니다. 연구에는 알루미늄 재활용에 대한 포괄적인 검토, WHRS를 사용하여 열 공정 효율성을 향상시키는 에너지 모델링 절차, 철강 공장의 열 회수를 위한 기술적 솔루션, 에너지 관리 제어 시스템(EMCS)을 사용한 에너지 절감 측정 방법 등이 포함됩니다. 기존 연구에서는 알루미늄 드로스 및 탄소 잔류물로부터의 폐열 회수를 분석하고, 히트 펌프를 사용하여 열 회수 시스템 설계를 최적화합니다. 산업 부문의 폐열 회수를 위한 프레임워크가 개발되어 에너지 비용과 환경 영향을 줄이는 것을 목표로 합니다. 그러나 대부분의 연구가 알루미늄 및 철강 산업에 초점을 맞추고 있어 모터사이클 제조 산업 내에서 이러한 기술의 특정 응용 분야에는 연구 격차가 존재합니다.

연구 목적:

본 연구는 모터사이클 제조 내에서 재료 폐기물 재활용과 폐열 회수 간의 시너지 효과를 최적화하는 프레임워크 개발을 목표로 합니다. 이 연구는 모터사이클 산업의 지속가능성을 향상시키고, 폐기물을 줄이며, 에너지 소비를 낮추기 위해 이러한 관행을 통합하는 데 중점을 둡니다. 문헌에서 확인된 격차를 해결합니다.

핵심 연구:

핵심 연구는 모터사이클 다이캐스팅의 지속가능성을 최적화하기 위한 공정 엔지니어링 접근 방식에 중점을 둡니다. 용융 공정에서 발생하는 폐열을 원자재 예열에 통합하고 제조 공정 내에서 금속 스크랩 재활용을 강화하는 것을 조사합니다. 본 연구는 모터사이클 엔진 부품 제조의 공정 흐름을 분석하고, 다이캐스팅 영역에 초점을 맞춥니다. 일반적으로 용융 공정(600~750°C 사이의 온도에서) 중에 손실되는 폐열을 활용하여 원자재(알루미늄 잉곳 및 스크랩)를 용융로에 투입하기 전에 약 50°C에서 350°C까지 예열하는 것을 제안합니다. 이러한 예열은 에너지 소비를 줄이고, 운영 효율성을 개선하며, 환경 영향을 최소화하는 것을 목표로 합니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 모터사이클 다이캐스팅의 제조 공정 흐름을 분석하고 최적화하는 데 초점을 맞춘 공정 엔지니어링 설계 접근 방식을 채택합니다. 본 연구는 지속가능성을 향상시키기 위해 폐열 회수 및 금속 스크랩 재활용을 통합하는 개념적 프레임워크를 개발합니다. 설계에는 현재 공정 조건 분석과 폐열 회수를 활용한 원자재 예열을 통합하는 목표 신규 공정 제안이 포함됩니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

본 연구는 모터사이클 제조 시설에서 에너지 소비 데이터를 수집하고 분석합니다. 여기에는 용융, 다이캐스팅, 디버링, 열처리 등 다이캐스팅 공정의 다양한 단계에 대한 전기 및 액화천연가스(LNG) 소비 데이터가 포함됩니다. 잉곳 및 반송/스크랩 재료의 양과 총 생산량과 같은 원자재 투입 데이터도 분석합니다. 폐열 회수 시스템 구현 전후의 단위당 에너지 소비량(kWh/Pcs)을 계산하고 비교합니다. 2023년 데이터는 제안된 시스템 구현 후의 2024년 데이터와 비교하기 위한 기준선 역할을 합니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 모터사이클 제조의 다이캐스팅 공정에 초점을 맞추고, 특히 용융 단계를 상당한 에너지 소비 지점 및 폐열원으로 분석합니다. 범위는 다음을 포함합니다.

• 모터사이클 엔진 부품 제조의 공정 흐름 분석.
• 다이캐스팅 공정(용융 공정)에서 폐열원 식별.
• 원자재 예열을 위한 폐열 회수 시스템 설계.
• 폐열 활용을 통한 에너지 소비 감소 평가.
• 자원 효율성에 대한 금속 스크랩 재활용 기여도 분석.
• 잠재적인 에너지 및 비용 절감, 그리고 환경 영향 감소 평가.

6. 주요 결과:

주요 결과:

본 연구의 주요 결과는 모터사이클 다이캐스팅에서 원자재 예열을 위한 폐열 회수의 통합을 통해 상당한 에너지 절감 가능성을 입증한 것입니다. 폐열을 활용하여 원자재를 용융 전 약 50°C에서 350°C까지 예열한 결과 에너지 소비가 최대 30% 감소했습니다. 이는 2023년과 2024년의 kWh/Pcs 비교에서 분명히 나타나며, 폐열 회수 구현 후 에너지 소비가 감소했음을 보여줍니다. 폐열 활용은 에너지 소비를 줄일 뿐만 아니라 운영 비용을 절감하고 열 배출을 줄여 환경 영향을 최소화합니다. 또한 제조 공정 내에서 스크랩 부품을 재활용하면 자원 효율성이 향상되고 새로운 원자재 소비가 줄어듭니다.

Figure 4. Return or scrap identification source.

Figure 7. Flow diagram of waste heat utilization concept.

Figure 6. Comparison of (a) energy consumption and (b) results from utilizing waste heat

Figure 5. Flow Utilizing waste heat for pre-heating.

그림 목록:

• Figure 1. Total flow process unit motorcycle.
• Figure 2. Flow process of die casting.
• Figure 3. Identification of loss of heat.
• Figure 4. Return or scrap identification source.
• Figure 5. Flow Utilizing waste heat for pre-heating.
• Figure 6. Comparison of (a) energy consumption and (b) results from utilizing waste heat.
• Figure 7. Flow diagram of waste heat utilization concept.

7. 결론:

모터사이클 제조에서 배기열 활용과 스크랩 알루미늄 재활용을 통합하는 개념 설계는 지속가능성을 향상시키는 매우 효과적인 솔루션을 제시합니다. 이 통합 시스템은 생산 공정에서 발생하는 에너지 활용을 극대화하고, 스크랩 알루미늄 재활용을 통해 새로운 원자재 의존도를 최소화하여 자원 소비 및 CO2 배출량을 줄입니다. 원자재 예열을 위한 폐열 회수 구현은 상당한 에너지 절감, 단위당 에너지 소비량 최대 30% 감소, 운영 효율성 개선으로 이어집니다. 이러한 접근 방식은 경제적 이점을 제공할 뿐만 아니라 폐기물 및 배출량 감소를 통해 환경적 지속가능성을 촉진합니다. 본 연구는 더 친환경적이고 효율적인 생산을 달성하기 위해 제조 산업에서 이러한 통합 시스템의 더 넓은 적용 가능성을 강조하며, 모터사이클 제조의 보다 지속가능한 미래에 기여합니다.

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9. 저작권:

• This material is a paper by "Rifki Saiful, Erkata Yandri, Erik Hilmi, Nasrullah Nasrullah, Uhanto Uhanto, Fitriani Fitriani and Riki Firmandha Ibrahim". Based on "Optimizing Motorcycle Manufacturing Sustainability through the Integration of Waste Heat Recovery and Metal Scrap Recycling: A Process Engineering Approach".
• Source of the paper: https://doi.org/10.60084/ljes.v2i2.225

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