친환경 발전 에너지원들의 생애주기 분석
2020-09-29
org.kosen.entty.User@2be36730
정병욱(byongug.jeong@)
1. 개요
전세계적으로 화석 연료 기반의 발전이 대기오염에 큰 악영향을 미친다는 점을 인식하면서, 기존 연료를 청정 대체 공급원으로 전환하는 것이 시급한 문제로 인식되고 있다. 특히, 자동차 및 해운 산업 등에서도 이러한 우려의 목소리가 높아짐에 따라 국내외의 정부기관에서도 온실 가스 (Greenhouse gas, GHG)를 비롯한 대기오염 감축에 대한 일련의 야심 찬 계획을 발표하고 있다. 특히, 해운의 경우, 2050년까지 최소 50 % 온실 가스 감축 (2008년 기준)을 목표로 하는 결의안이 2018 년에 국제해사기구 (IMO)에 의해 채택되었다 [1]. 이를 달성하기 위해 선박은 더 이상 기존의 석유 제품을 주연료로 사용할 수 없으며, 저탄소 또는 무 탄소 에너지 원을 이용해야 한다.
자동차 산업을 살펴보면, 환경 보호의 일환으로 최근 배터리-전기 자동차가 각광을 받고 있다. 2019년 현재 국내 배터리-전기 자동차의 수가 9만대 가까이에 이르렀으며, 이는 2013년 대비 60배 이상 증가한 추세이다. 이와 마찬가지로, 해운에서도 디젤 엔진을 대신하여 배터리-전기 시스템을 도입하는 것이 글로벌 2050 목표를 달성하기 위한 가장 현실적인 솔루션 중 하나로 인식되고 있다. 배터리-전기 구동 선박의 수가 전 세계적으로 빠르게 증가하고 있는 가운데, 2019 년 3 월 현재 전 세계 300 척 이상의 배터리-전기 선박이 운항 또는 건조 예정에 있다 (그림 1 참조).
그림 1 전기를 주추진원으로 사용하는 이동 수단들의 증가 추세: (a) 한국 전기자동차 증가 추이 [2]; (b) 전세계 배터리 전기 추진 선박 증가 추이 [3].
2. 현황 및 문제점
현재 대다수의 연구들과 정책들을 배터리-전기 자동차 및 선박이 운전/운항 단계에서 대기오염원의 배출이 없다는 사실을 강조하며, 친화적인 이점을 부각하고 있다. 한편, 배터리 충전을 위해서는 전기의 추가 생산 활동이 필수 불가하며, 육상의 발전 그리드를 통해 자동차/선박에 공급되는 경우, 전기 생산 단계 (발전소)에서 잠재적인 대기오염원의 배출량 증가로 이어진다. 다시 말해, 자동차/선박의 배기가스가 도로 또는 해상에 뿌려지는 대신, 추가 전기 생산과정에서 발전소를 통해 대기 중으로 방출된다는 점을 관가해서는 안된다 (대기오염원의 제거가 아닌 Trade-off 현상).
한편, 전기는 다양한 1 차 에너지 원으로 생산되며, 사용되는 에너지원에 따라 발생하는 대기오염원의 수준이 상당히 차이가 나타난다 (그림 2 참조). 이는 배터리-전기 자동차/선박이 설령 환경적 이점이 있다고 할지라도, 발전소의 전기 ？？생산 방식에 따라 배출량 감소 수준에는 여전히 큰 차이가 있을 수 있다는 사실을 암시한다.
그림 2 연료의 유형별 전기 생산 시 발생하는 CO2. Eq. 배출량 [4-5].
그림 3에서 보는 바와 같이, 2018년말 기준, 전세계의 기본 전력 원은 석탄 38 %, 천연 가스 23 %, 수력 19 %, 원자력 10 %, 석유 3 % 및 태양열/풍력 7 %를 차지한다 [6].
그림 3 2018 전세계 발전에 사용되는 에너지 비율 (26,700 TWh) [6]
현재 전세계의 에너지 평균 구성 (석탄 석유 계열의 높은 의존도)은, 상기에서 언급한 바와 같이, 전세계의 배터리-전기 운송수단이 기존의 디젤 운송에 비해 궁극적으로 더 친환경적인 결과를 도출할 수 있는지 아니면, 오히려 유해할 가능성이 있는지에 대한 의구심을 갖게 하기에 충분하다. (실제로 석탄 발전의 경우, 원유 발전 대비 온실가스 배출량이 상당히 높다는 사실을 그림 2를 통해 확인할 수 있다.).
그림 4는 14 가지의 주요 전기 생산 에너지 원에 대하여 5 개국의 사용 비율을 분석한 결과를 보여준다. 전기의 청정도가 그 원천에 크게 의존한다는 점을 감안할 때, 이러한 원 에너지 원의 구성을 국가별로 구분하면 환경에 대한 다른 수준의 기여도에 악영향을 미칠 가능성이 높다는 사실을 쉽게 추론할 수 있다. 예를 들어, 독일은 국가 전력망에 30 % 미만의 화석 연료를 사용하지만 미국은 50 % 이상, 중국은 60 % 이상이다 [6]. 두 개의 동일한 전기 자동차가 운행 장소에 따라 완전히 다른 환경 성능을 가진 운송수단으로 바뀔 수 있다는 사실을 알 수 있다.
그림 4 국가별 전기 생산 시 사용하는 원에너지 비율 [6].
3. 생애주기분석
이러한 맥락에서, 앞서 제시된 근본적인 질문에 답을 하거나, 최소한 그 답에 더 가까워 지기 위해서는 현재 운항중인 전세계의 배터리-전기 운송수단을 해당 국가의 발전 방식에 맞추어 전 방위적인 환경영향 분석을 통해 검증해볼 수 있다.
생애주기분석 (life cycle assessment, LCA) 기법은 환경 영향을 확인하고 주장을 지원하는 가장 신뢰할 수 있는 방법으로 알려져 있다. 현재 다양한 산업에서 최근 매우 뜨겁게 다루어 지고 있으며, 설계자, 규제 기관 및 엔지니어에게 재료, 건물, 서비스 및 인프라의 각 수명 단계에서 결정을 내리는 데 유용한 정보를 제공한다.
그림 5 자동차의 생애주기분석 vs 기존 환경 분석 범위 비교 [7]
그림 5에서 보는 바와 같이, 생애주기분석 기법은 차량의 생산에 필요한 자원의 채굴에서부터 유효 수명이 끝날 때까지의 모든 과정을 환경 영향성을 분석 범위에 포함한다. 즉, 자동차의 생애주기는 1차 자원의 채굴, 재료 생산, 공정, 운전, 사용 및 폐기/재활용의 전 생애과정에서 발생하는 오염원을 모두 고려하여 자동차 한 대의 생산에서 소멸에 이르기까지 지구환경에 얼마나 큰 영향을 미쳤는지를 정량적으로 보여줄 수 있다. 이는 앞서 살펴본 기존의 환경 분석 방식인 자동차의 운항 중 발생하는 오염원을 측정 (또는 계산) 방식의 한계를 개선할 수 있다.
본 보고서에서는 생애주기분석 방법의 유효성을 확인하고, 상기 문제에 대한 해답에 근접하기 위하여, 간단한 사례 연구를 실시하였다. 연구 대상으로는 스코틀랜드의 본토와 인근의 작은 섬들을 연결하는 27척의 소형 여객선 (Caledonian MacBrayne 社)을 선정하였다. 연구 방식은 동일한 여객선들이 주요 5개국에서 동일한 운항 조건으로 운항한다고 가정을 할 때, 국가별 온실가스의 배출량을 산정/비교하고자 한다. 이에 앞서, 주요 14개의 에너지원에 대한 생애주기 분석[1]을 실시하였다 (그림 6 참조). 분석 범위로는 원연료의 추출, 정제, 운송, 소비를 비롯하여 발전소의 건설, 운전, 및 사용 후 해체를 포함한다.
그림 7은 해당 선단을 각 나라별로 운항했을 때, 온실가스 발생량의 차이를 나타낸다. 그리고 기준선 (1.48 x 109 kg CO2 eq.)의 경우, 해당 선단을 배터리-전기방식이 아닌 기존 디젤연료로 사용했을 때 발생하는 온실가스 배출량을 지시한다. 자세히 살펴보자면, 유럽의 국가 (친환경 발전을 수행)의 경우, 디젤 연료 추진보다 확실히 좋은 환경 영향성을 보였지만, 아시아, 국가들의 경우, 대체로 기준선을 넘어섰다. 바꿔 말하자면, 배터리-전기 운송수단이 유럽권에서는 친환경이지만, 아시아권에서는 그렇지 못하다는 사실이 확인되었다. 본 연구에서는 유럽국가들의 비중이 상대적으로 많았던 반면에, 더 나아가 전세계 200여개 국가 전체를 대상으로 하는 경우, 배터리-전기 운송수단이 훨씬 더 환경에 악영향을 미칠 수 있다는 사실을 충분히 추론해 볼 수 있다.
그림 6 전기생산에 사용되는 다양한 에너지원의 생명주기 모델링 샘플 [8]
그림 7 연료의 유형별 전기 생산시 발생하는 CO2. Eq. 배출량
3. 결론
현재 글로벌 환경 이슈로 인해서 전세계에서는 앞다투어 다양한 대체에너지원을 이용하고자 한다. 표면적인 측면에서 보면, 대체 에너지들이 우리 인류 사회를 보다 '친환경'적이고 ‘지속가능’한 형태로 이끌어 줄 것으로 사료되지만, 본 보고서에서는 이러한 주장이 위험할 수 있다는 사실을 간단한 사례 연구를 통해서 보여주었다.
특히, 서로 다른 에너지의 환경 영향성을 비교하여 각 에너지의 총체적인 환경적 이점 또는 해악을 보여주었으며, 이는 국가별로 큰 편차가 있음을 알게 되었다. 일반적으로, 유럽 국가는 아시아나 미국과 같은 다른 대륙의 국가보다 상대적으로 배출량이 낮다는 사실을 알 수 있다. 실제로 이러한 결과는 글로벌 배송을 위한 적절한 에너지 정책을 수립하기 위해 우리가 정말로 알아야 할 사항으로 사료된다.
이는 생애주기의 관점에서 살펴보면, 친환경 에너지로 알려져 있음에도 불구하고, 오히려 기존 화석 연료들보다 더욱 환경에 해가 되는 경우도 쉽게 찾아볼 수 있음을 확인하였다. 본 리포트에서는 현재 우리가 잘못 알고 있는 대체 에너지에 대한 고정관념을 생애주기 기법이라고 하는 연구 방식을 통해 제대로 이해하는데 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
References
전세계적으로 화석 연료 기반의 발전이 대기오염에 큰 악영향을 미친다는 점을 인식하면서, 기존 연료를 청정 대체 공급원으로 전환하는 것이 시급한 문제로 인식되고 있다. 특히, 자동차 및 해운 산업 등에서도 이러한 우려의 목소리가 높아짐에 따라 국내외의 정부기관에서도 온실 가스 (Greenhouse gas, GHG)를 비롯한 대기오염 감축에 대한 일련의 야심 찬 계획을 발표하고 있다. 특히, 해운의 경우, 2050년까지 최소 50 % 온실 가스 감축 (2008년 기준)을 목표로 하는 결의안이 2018 년에 국제해사기구 (IMO)에 의해 채택되었다 [1]. 이를 달성하기 위해 선박은 더 이상 기존의 석유 제품을 주연료로 사용할 수 없으며, 저탄소 또는 무 탄소 에너지 원을 이용해야 한다.
자동차 산업을 살펴보면, 환경 보호의 일환으로 최근 배터리-전기 자동차가 각광을 받고 있다. 2019년 현재 국내 배터리-전기 자동차의 수가 9만대 가까이에 이르렀으며, 이는 2013년 대비 60배 이상 증가한 추세이다. 이와 마찬가지로, 해운에서도 디젤 엔진을 대신하여 배터리-전기 시스템을 도입하는 것이 글로벌 2050 목표를 달성하기 위한 가장 현실적인 솔루션 중 하나로 인식되고 있다. 배터리-전기 구동 선박의 수가 전 세계적으로 빠르게 증가하고 있는 가운데, 2019 년 3 월 현재 전 세계 300 척 이상의 배터리-전기 선박이 운항 또는 건조 예정에 있다 (그림 1 참조).
그림 1 전기를 주추진원으로 사용하는 이동 수단들의 증가 추세: (a) 한국 전기자동차 증가 추이 [2]; (b) 전세계 배터리 전기 추진 선박 증가 추이 [3].
2. 현황 및 문제점
현재 대다수의 연구들과 정책들을 배터리-전기 자동차 및 선박이 운전/운항 단계에서 대기오염원의 배출이 없다는 사실을 강조하며, 친화적인 이점을 부각하고 있다. 한편, 배터리 충전을 위해서는 전기의 추가 생산 활동이 필수 불가하며, 육상의 발전 그리드를 통해 자동차/선박에 공급되는 경우, 전기 생산 단계 (발전소)에서 잠재적인 대기오염원의 배출량 증가로 이어진다. 다시 말해, 자동차/선박의 배기가스가 도로 또는 해상에 뿌려지는 대신, 추가 전기 생산과정에서 발전소를 통해 대기 중으로 방출된다는 점을 관가해서는 안된다 (대기오염원의 제거가 아닌 Trade-off 현상).
한편, 전기는 다양한 1 차 에너지 원으로 생산되며, 사용되는 에너지원에 따라 발생하는 대기오염원의 수준이 상당히 차이가 나타난다 (그림 2 참조). 이는 배터리-전기 자동차/선박이 설령 환경적 이점이 있다고 할지라도, 발전소의 전기 ？？생산 방식에 따라 배출량 감소 수준에는 여전히 큰 차이가 있을 수 있다는 사실을 암시한다.
그림 2 연료의 유형별 전기 생산 시 발생하는 CO2. Eq. 배출량 [4-5].
그림 3에서 보는 바와 같이, 2018년말 기준, 전세계의 기본 전력 원은 석탄 38 %, 천연 가스 23 %, 수력 19 %, 원자력 10 %, 석유 3 % 및 태양열/풍력 7 %를 차지한다 [6].
그림 3 2018 전세계 발전에 사용되는 에너지 비율 (26,700 TWh) [6]
현재 전세계의 에너지 평균 구성 (석탄 석유 계열의 높은 의존도)은, 상기에서 언급한 바와 같이, 전세계의 배터리-전기 운송수단이 기존의 디젤 운송에 비해 궁극적으로 더 친환경적인 결과를 도출할 수 있는지 아니면, 오히려 유해할 가능성이 있는지에 대한 의구심을 갖게 하기에 충분하다. (실제로 석탄 발전의 경우, 원유 발전 대비 온실가스 배출량이 상당히 높다는 사실을 그림 2를 통해 확인할 수 있다.).
그림 4는 14 가지의 주요 전기 생산 에너지 원에 대하여 5 개국의 사용 비율을 분석한 결과를 보여준다. 전기의 청정도가 그 원천에 크게 의존한다는 점을 감안할 때, 이러한 원 에너지 원의 구성을 국가별로 구분하면 환경에 대한 다른 수준의 기여도에 악영향을 미칠 가능성이 높다는 사실을 쉽게 추론할 수 있다. 예를 들어, 독일은 국가 전력망에 30 % 미만의 화석 연료를 사용하지만 미국은 50 % 이상, 중국은 60 % 이상이다 [6]. 두 개의 동일한 전기 자동차가 운행 장소에 따라 완전히 다른 환경 성능을 가진 운송수단으로 바뀔 수 있다는 사실을 알 수 있다.
그림 4 국가별 전기 생산 시 사용하는 원에너지 비율 [6].
3. 생애주기분석
이러한 맥락에서, 앞서 제시된 근본적인 질문에 답을 하거나, 최소한 그 답에 더 가까워 지기 위해서는 현재 운항중인 전세계의 배터리-전기 운송수단을 해당 국가의 발전 방식에 맞추어 전 방위적인 환경영향 분석을 통해 검증해볼 수 있다.
생애주기분석 (life cycle assessment, LCA) 기법은 환경 영향을 확인하고 주장을 지원하는 가장 신뢰할 수 있는 방법으로 알려져 있다. 현재 다양한 산업에서 최근 매우 뜨겁게 다루어 지고 있으며, 설계자, 규제 기관 및 엔지니어에게 재료, 건물, 서비스 및 인프라의 각 수명 단계에서 결정을 내리는 데 유용한 정보를 제공한다.
그림 5 자동차의 생애주기분석 vs 기존 환경 분석 범위 비교 [7]
그림 5에서 보는 바와 같이, 생애주기분석 기법은 차량의 생산에 필요한 자원의 채굴에서부터 유효 수명이 끝날 때까지의 모든 과정을 환경 영향성을 분석 범위에 포함한다. 즉, 자동차의 생애주기는 1차 자원의 채굴, 재료 생산, 공정, 운전, 사용 및 폐기/재활용의 전 생애과정에서 발생하는 오염원을 모두 고려하여 자동차 한 대의 생산에서 소멸에 이르기까지 지구환경에 얼마나 큰 영향을 미쳤는지를 정량적으로 보여줄 수 있다. 이는 앞서 살펴본 기존의 환경 분석 방식인 자동차의 운항 중 발생하는 오염원을 측정 (또는 계산) 방식의 한계를 개선할 수 있다.
본 보고서에서는 생애주기분석 방법의 유효성을 확인하고, 상기 문제에 대한 해답에 근접하기 위하여, 간단한 사례 연구를 실시하였다. 연구 대상으로는 스코틀랜드의 본토와 인근의 작은 섬들을 연결하는 27척의 소형 여객선 (Caledonian MacBrayne 社)을 선정하였다. 연구 방식은 동일한 여객선들이 주요 5개국에서 동일한 운항 조건으로 운항한다고 가정을 할 때, 국가별 온실가스의 배출량을 산정/비교하고자 한다. 이에 앞서, 주요 14개의 에너지원에 대한 생애주기 분석[1]을 실시하였다 (그림 6 참조). 분석 범위로는 원연료의 추출, 정제, 운송, 소비를 비롯하여 발전소의 건설, 운전, 및 사용 후 해체를 포함한다.
그림 7은 해당 선단을 각 나라별로 운항했을 때, 온실가스 발생량의 차이를 나타낸다. 그리고 기준선 (1.48 x 109 kg CO2 eq.)의 경우, 해당 선단을 배터리-전기방식이 아닌 기존 디젤연료로 사용했을 때 발생하는 온실가스 배출량을 지시한다. 자세히 살펴보자면, 유럽의 국가 (친환경 발전을 수행)의 경우, 디젤 연료 추진보다 확실히 좋은 환경 영향성을 보였지만, 아시아, 국가들의 경우, 대체로 기준선을 넘어섰다. 바꿔 말하자면, 배터리-전기 운송수단이 유럽권에서는 친환경이지만, 아시아권에서는 그렇지 못하다는 사실이 확인되었다. 본 연구에서는 유럽국가들의 비중이 상대적으로 많았던 반면에, 더 나아가 전세계 200여개 국가 전체를 대상으로 하는 경우, 배터리-전기 운송수단이 훨씬 더 환경에 악영향을 미칠 수 있다는 사실을 충분히 추론해 볼 수 있다.
그림 6 전기생산에 사용되는 다양한 에너지원의 생명주기 모델링 샘플 [8]
그림 7 연료의 유형별 전기 생산시 발생하는 CO2. Eq. 배출량
3. 결론
현재 글로벌 환경 이슈로 인해서 전세계에서는 앞다투어 다양한 대체에너지원을 이용하고자 한다. 표면적인 측면에서 보면, 대체 에너지들이 우리 인류 사회를 보다 '친환경'적이고 ‘지속가능’한 형태로 이끌어 줄 것으로 사료되지만, 본 보고서에서는 이러한 주장이 위험할 수 있다는 사실을 간단한 사례 연구를 통해서 보여주었다.
특히, 서로 다른 에너지의 환경 영향성을 비교하여 각 에너지의 총체적인 환경적 이점 또는 해악을 보여주었으며, 이는 국가별로 큰 편차가 있음을 알게 되었다. 일반적으로, 유럽 국가는 아시아나 미국과 같은 다른 대륙의 국가보다 상대적으로 배출량이 낮다는 사실을 알 수 있다. 실제로 이러한 결과는 글로벌 배송을 위한 적절한 에너지 정책을 수립하기 위해 우리가 정말로 알아야 할 사항으로 사료된다.
이는 생애주기의 관점에서 살펴보면, 친환경 에너지로 알려져 있음에도 불구하고, 오히려 기존 화석 연료들보다 더욱 환경에 해가 되는 경우도 쉽게 찾아볼 수 있음을 확인하였다. 본 리포트에서는 현재 우리가 잘못 알고 있는 대체 에너지에 대한 고정관념을 생애주기 기법이라고 하는 연구 방식을 통해 제대로 이해하는데 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
References
- IMO, Resolution MEPC.304(72) - Initial IMO Strategy on Reduction of GHG Emissions from Ships, London, IMO 2018.
- Statista. Total number of electric vehicles registered in South Korea from 2013 to 2019. 2020 Available from: https://www.statista.com/statistics/1097976/south-korea-total-registration-number-of-electric-vehicles/ [Viewed cited 2020-09-21];
- DNVGL, Alternative fuels in the Arctic (Norway-WWF) p.30. Oslo. Norway. 2019.
- Fridleifsson, I.B., et al. The possible role and contribution of geothermal energy to the mitigation of climate change. in IPCC scoping meeting on renewable energy sources, proceedings, Luebeck, Germany. 2008.
- Lenzen, M., Life cycle energy and greenhouse gas emissions of nuclear energy: A review. J Energy conversion management, 2008. 49(8): p. 2178-2199.
- IEA. 2018 World Electricity Generation (26,700 TWh). Available from: https://www.iea.org/data-and-statistics/?country=WORLD&fuel=Electricity%20and%20heat&indicator=CO2%20emissions%20from%20electricity%20generation%20factors. [Viewed 2020-02-26].
- Hickey K. WorldAutoSteel, AHSS Insights, Life Cycle Assessment: Why is it Important? https://www.ahssinsights.org/wp-content/uploads/2018/09/Vol16_Fig1.png [Viewed 2020-09-27]
- Sphera, GaBi Solutions: GaBi LCA Database Documentation 2020; Extension database II: Energy. http://www.gabi-software.com/support/gabi/gabi-database-2020-lci-documentation/extension-database-ii-energy/ [Viewed 2020-07-21].
[1] 연료의 생산에서 소비까지의 각 개별활동에서 파생 환경 영향성을 분석하는 방법으로 생애주기 분석과정은 그 내용이 방대하고 복잡하여 본 레포트에서 상세한 설명은 생략하도록 하겠다.