Evaluation of Contribution to Greenhouse Gas Reduction and Economic Benefits of Livestock Manure based Solid Fuel

Park, Mi Sook; Hwang, Yong Woo; Kim, Byong Chul; Lee, Yun Mo; Jung, Jong-Min

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J Korean Soc Environ Eng > Volume 46(3); 2024 > Article

축분(畜糞) 고체연료의 온실가스 감축 기여도 및 경제적 효익 산정

Research Paper

Journal of Korean Society of Environmental Engineers 2024; 46(3): 81-89.

Published online: March 31, 2024

DOI: https://doi.org/10.4491/KSEE.2024.46.3.81

축분(畜糞) 고체연료의 온실가스 감축 기여도 및 경제적 효익 산정

박미숙^1,²

, 황용우^3,^†

, 김병철⁴

, 이윤모⁴

, 정종민⁵

¹인하대학교 순환경제시스템전공

²국가녹색기술연구소

³인하대학교 환경공학과

⁴현대제철연구소

⁵농촌진흥청 국립축산과학원

Evaluation of Contribution to Greenhouse Gas Reduction and Economic Benefits of Livestock Manure based Solid Fuel

Mi Sook Park^1,²

, Yong Woo Hwang^3,^†

, Byong Chul Kim⁴

, Yun Mo Lee⁴

, Jong-Min Jung⁵

¹Program in Circular Economy Environmental System, Inha University

²National Institute of Green Technology Republic of Korea

³Department of Environmental Engineering, Inha University

⁴Hyundai Steel R&D Center

⁵Nation Institute of Animal Science, Rural Development Administration

^†Corresponding author E-mail:hwangyw@inha.ac.kr Tel:032-860-7501

Received November 2, 2023 Revised February 25, 2024 Accepted February 26, 2024

Abstract

Objectives

In the context where the greenhouse gas (GHG) emissions from livestock manure (LSM) account for more than half of the GHG emissions in the livestock sector, it is necessary to find alternatives to composting due to the decrease in agricultural land. This study aims to calculate the GHG reduction contribution and economic benefits when converting LSM into solid fuel as an alternative to traditional composting.

Methods

The study compares the results of converting the entire LSM generated domestically into solid fuel replacing it with hard coal for fuel (HC-F), bituminous coal for raw materials (BC-R), bituminous coal for fuel (BC-F). The GHG reduction contribution is calculated following the domestic GHG inventory methodology, using the IPCC guidelines and the method for calculating carbon emission reduction effects. For the assessment of economic benefits, were evaluated by aggregating the impacts of reducing coal imports and GHG reduction benefits in line with EU-ETS standards. Economic benefits are assessed by combining the effects of avoiding coal imports and the GHG reduction benefits according to the EU-ETS.

Results and Discussion

The GHG reduction effect was found to be highest when replacing with HC-F, and this is attributed to the lower heating value and higher GHG emission coefficient of HC-F compared to BC-R, and BC-F, indicating that the substitution with HC-F is most effective in terms of import avoidance. If 20% of the annual coal consumption in 2022 is replaced with solid fuel from LSM, the GHG reduction effects for coal substitution are 1.4% for HC-F, 2.1% for BC-R, and 1.9% for BC-F based on the LSM generation CO₂ emissions from biomass fuel are considered climate-neutral and are excluded from the national total emissions. Solid fuel from LSM serves as an alternative in addressing the GHG generated during the LSM treatment process, contributing to potential reduction. If all generated LSM is replaced with HC-F, BC-R, or BC-F, there are respective GHG reduction effects of 13,193,591 tGHG, 11,320,572 tGHG, and 11,226,331 tGHG.

Conclusion

In 2018, the livestock sector accounted for approximately 42% of the GHG emissions in the agricultural sector, totaling 9.4 million tCO₂ eq. Assuming the complete conversion of LSM into solid fuel for coal substitution, regardless of the type of coal replaced, it offsets the entire GHG emissions from the agricultural sector. Currently, there is limited demand for the conversion of LSM into solid fuel due to a lack of proof and awareness, but with some coal-fired power plants scheduled for partial shutdown and the government considering energy options for LSM, a promising stage is anticipated in the future for the substitution and expanded use of solid fuel from LSM in place of coal in the coal fuel. Although it may not be possible to entirely replace the coal used in power plants and steel mills with solid fuel from LSM, it can be utilized by increasing the proportion of coal blending. However, even if not reported in the national GHG inventory, the treatment of pollutants generated by solid fuel combustion remains an ongoing challenge. As solid fuel becomes more commonplace in the future, a comprehensive assessment of the entire process, including potential environmental impacts throughout the life cycle, will be necessary to establish a basis for GHG reduction measures.

Key words: Livestock manure, Solid fuel, GHGs reduction, Economic benefits

요약

목적

축산분뇨(축분) 온실가스 배출량이 축산분야 온실가스 배출량 비중에서 절반 이상 차지하고 있는 상황에서 농지 감소로 인해 기존의 퇴비화에 대한 대안 마련이 필요하다. 기존의 생물학적 처리 방안에 대한 보완책으로 축분을 고체연료로 제작하여 석탄대체 연료로 활용할 경우의 온실가스 감축 기여도 및 경제적 효익을 산정하고자 한다.

방법

국내에서 발생하는 축분의 발생량을 기준으로 전량 고체연료화하여, 연료용 무연탄(HC-F), 원료용 유연탄(BC-R), 연료용 유연탄(BC-F)으로 각각 대체할 경우 결과값을 비교하였다. 온실가스 감축 기여도 산정을 위해서 국내 온실가스 인벤토리 산정 방법론을 따르되, IPCC 가이드라인과 ‘탄소배출저감효과산정’방법을 사용하였으며, 경제적 효익 산정을 위해서는 석탄 수입 회피 효과 및 EU-ETS에 따른 온실가스 감축 편익을 합산해 비교하였다.

결과 및 토의

온실가스 감축효과는 무연탄으로 대체시에 가장 기여도가 높은 것으로 나타났으며, 이는 유연탄 대비 무연탄의 발열량이 낮으면서 온실가스 배출계수가 높은데서 기인한다. HC-F은 단가 비교 대상인 BC-R 및 BC-F 대비 1.4배 가량 높아, 수입 회피 효과에서도 무연탄으로 대체시에 가장 효과가 큰 것으로 나타났다. 2022년 연간 석탄소비량 중 20%를 축분 고체연료로 대체할 경우 축분 발생량 기준 HC-F 대체시 축분의 1.4%, BC-R 대체 시 2.1%, BC-F 대체시 1.9%의 축분 고체연료가 각각 사용된다. 바이오매스 연료로부터의 CO₂ 배출은 기후 중립적인 것으로 간주되어 국가 총 배출량에서 제외하게 되며 축분 고체연료는 기존 처리 방식에 대한 보완책으로 축분 처리과정에서 발생하는 온실가스에 대해서도 감축 잠재성이 있다. 발생 축분을 전량 HC-F, BC-R 또는 BC-F로 대체할 경우 각각 13,193,591 tGHG, 11,320,572 tGHG, 11,226,331 tGHG의 온실가스 감축 효과가 있다.

결론

축산 분야는 2018년, 기준 농업분야 온실가스 배출량 중 약 42%를 차지하는 9.4백만 tCO₂ eq.이며, 발생 축분을 전량 고체연료화하여 석탄대체에 사용한다고 가정할 경우 어떤 종류의 석탄을 대체하더라도 농업분야 온실가스 전체를 상쇄한다. 현재 축분 고체연료화에 대한 효과 입증 및 인식 부족으로 수요가 없으나 석탄화력발전 시설 일부 중단이 예정되어 있고, 정부 차원에서도 가축분뇨의 에너지화 방안 마련을 위한 과도기적 시점으로, 향후 석탄 연료에서 축분 고체연료로의 대체 및 확대 사용이 기대된다. 현재 발전소 및 제철소에서 사용하고 있는 석탄을 축분으로 전량 대체하여 사용할 수는 없더라도, 석탄 발전 혼소 및 혼소 비율을 높여나가는 방식으로 활용할 수 있다. 다만, 국가온실가스 인벤토리상 보고되지 않더라도, 고체연료 연소로 인해 발생하는 오염물질 처리는 여전히 해결과제로 남아있다. 향후 고체연료가 상용화단계에 이르면, 이에 대한 전과정평가를 통해 온실가스뿐만 아니라 전주기의 잠재적 환경영향 평가를 통해 온실가스 감축방안 근거기반을 마련할 필요가 있다.

주제어: 축산분뇨, 고체연료, 온실가스 감축, 경제적 효익

1. 서 론

국내 총 온실가스 배출량은 2020년 기준 656.2 백만톤 CO₂ eq.로, 1990년 대비 124.7% 증가하고 2019년 대비 6.4% 감소했다[1]. 이 중 에너지 분야는 86.8%, 산업 공정 분야는 7.4%, 농업 분야는 3.2%, 폐기물 분야는 2.5%의 비중을 차지하고 있다[2]. 농업 분야 온실가스 배출량은 21.1 백만톤 CO₂ eq.이며 이 중 벼재배 부분 27.1%, 농경지 토양 26.6%, 가축분뇨처리 23.7%, 및 장내발효 22.5%로, 축산분뇨(이하, ‘축분’) 온실가스 배출량이 축산분야 온실가스 배출량 비중에서 절반 이상을 차지하고 있다[2]. 국내 발생 축분의 75% 이상이 퇴비화 되어 농경지에 이용되어 왔으나 차츰 농지가 감소됨에 따라 대안 마련이 필요한 상황이다.

이에 농림축산식품부[3]는 축분을 활용한 정화 처리･바이오차･에너지화 등 축분 처리 다양화 및 농경지 활용 감소를 통한 온실가스 감축을 제시하였다. 현재 축분의 퇴액비화 비율은 약 75%를 차지하고 있으나 2030년까지 67%까지 감소시키고, 에너지화 비율은 15%까지 확대할 계획이다.

축분 연료는 다른 연료에 비해 친환경적이고 지속가능한 열에너지로 사용할 수 있을 뿐 아니라 잔여 연료를 유기질 비료로 재활용할 수 있다는 이점이 있어[4] 정부는 ‘화석 연료를 저탄소 에너지원으로 대체하는 것이 배출 감소 가능성이 가장 크고 실행 가능한 완화 방안’이라고 제시하였다[5].

Park 외 (2023)는 축분 처리방안과 관련하여 2,058개의 연구를 검토한 결과 ‘생물학적 처리’, 분뇨처리 개선을 위한 ‘축분 관리 방안’, ‘열화학적 처리’, 그 외 ‘LCA 연구’와 ‘고체-액체 분리 방안’ 연구의 순으로 높은 비중을 차지하고 있음을 제시하고 있다[6]. 이에 따르면 Fig. 1에 인용한 바와 같이 축분은 생물학적 처리와 열화학적 처리 방법으로 분류할 수 있는데 가장 보편적으로 사용되는 생물학적 처리 방안이 시간과 공간 및 비용적 측면에서 한계점이 발생함에 따라 보완적으로 활용이 가능한 열화학적 처리가 대두되고 있다. 축분의 고체 연료화는 열화학적 처리를 위한 전 단계로, 고체연료 자체도 석탄 대체로 활용 가능성이 있지만 연소 이후에 발생하는 재(manure ash) 활용 가능성 및 생물학적처리과정에서 발생할 수 있는 온실가스에 대해서도 감축 잠재성이 있다.

Carline 외 (2009)은 발전소에서 우분 고체연료로 석탄을 부분적으로 대체하는 사업의 경제적 이점을 분석한 바 있으며 이를 통해 CO₂ 및 NO_x 배출량을 줄이는 동시에 연료 소비량을 절감하는 방안을 제시하였다[7]. 국내에서는 Ha (2021)가 고형 연료화된 축분을 석탄발전용 유연탄으로 대체할 경우의 온실가스 감축량을 산정하는 연구를 수행하였다[8].

이외, 축분 고체연료 제작이나 악취 제거[4], 발열량을 높이는 연구[4,9]가 수행된 바 있다. 이처럼 환경영향과 관련해서 국가 온실가스 인벤토리상의 배출량 산정기준을 적용한 온실가스 배출량 산정 평가와[9] 고형폐기물연료산업의 환경편익 분석은 있으나[10], 축분 고체연료의 활용을 통한 온실가스 감축 편익을 산정한 연구는 전무한 상황이다. 따라서, 본 연구에서는 축분 고체연료 사용에 따른 온실가스 감축 효과와 이에 따른 경제적 효익을 산정하고자 한다.

2. 연구 방법

2.1. 산정 범위

본 연구에서는 축분 고체연료 사용에 따른 기대효과로써 온실가스 감축 기여도 및 그에 따른 경제적 편익을 산정하였으며 연구 범위를 Fig. 2에 나타내었다. 경제적 편익으로는 석탄 수입 회피 효과 및 온실가스 감축에 따른 비용 편익을 산정한다.

2.2. 가정사항

국내에서 사용되는 석탄의 종류는 3가지로 분류된다[11]. 크게 무연탄과 유연탄으로 나뉘며, 무연탄은 연료용(Hard coal for fuel, 이하 ‘HC-F’)으로, 유연탄은 원료용 유연탄(Bituminous coal for raw materials, 이하 ‘BC-R’)과 연료용 유연탄(Bituminous coal for fuel, 이하 ’BC-F’)으로 구분된다. 국내에서 사용되는 무연탄과 유연탄은 각각 제철과 발전 분야이며, 2014년 기준 제철 분야 무연탄 소비량은 829만 4천톤, 유연탄이 3,519만 8천톤이었으며 발전 분야 유연탄 소비량은 7,547만 9천톤이었다. 국가통계포털에서[12] 제공하는 에너지 수입액에서 무연탄 수입량은 전체의 88%, 유연탄 수입량은 7%로 가장 많은 비중을 차지하고 있다. 기타 석탄의 종류는 5%미만으로 그 비중이 적고 관련 자료를 확인할 수 없어 본 연구 대상은 무연탄과 유연탄으로 제한하였다.

Fig. 3에 축분 기반 고체연료의 활용 경로를 나타내었으며 국내에서 사용되는 석탄이 주로 제철과 발전 분야에 사용됨을 고려할 때, 본 연구의 대상이 되는 축분 고체연료는 국내 석탄 활용처인 제철소와 발전소에서 각각 석탄을 대체해 활용되는 것으로 가정하였다.

2.3. 산정 방법

2.3.1. 석탄 사용에 따른 온실가스 배출량 및 대체연료 사용에 따른 감축 기여도 산정

본 연구는 기존 석탄 사용에 따른 온실가스 배출량을 산정한 이후, 대체연료로써 석탄연료를 사용할 경우의 감축 기여도를 산정하고자 한다. 기존 석탄 사용에 따른 온실가스 배출량 산정을 위해 ‘온실가스 배출권거래제의 배출량보고 및 인증에 관한 지침’을 따랐다[13]. (Eq. 1)

(1)

고체연료 연소에 따른 온실가스 배출량(tGHG)=Σ연료별 소비량(t)×열량계수(MJkg)×산화계수×온실가스 배출계수(kgGHGTJ)×10-6

폐기물의 대체 연료로의 활용에 따른 온실가스 감축량 산정을 위해 세계지속가능발전기업협의회(World Business Council For Sustainable Development, 이하 ‘WBCSD’) [14]가 제시한 바와 같이, CO₂ 총 배출량에서 대체 연료의 화석연료 CO₂ 총배출량을 차감하는 방식을 따랐다(Eq. 2).

(2)

CO2 감축량 = CO2 총 배출량-대체 연료의 화석연료 CO2 총 배출량

IPCC 가이드라인은 국가 온실가스 인벤토리 작성시 바이오매스 연료로부터의 CO₂ 배출을 기후 중립적인 것으로 간주하므로, 메모 사항(‘Memo item’)으로써 보고는 하더라도, 국가 총 배출량에서는 제외하게 된다[15].

N₂O 산정과 관련하여서는, 연료로서 분뇨를 연소할 경우 IPCC 가이드라인 제2권의 ‘연료 연소’에서 고려하도록 되어 있으나 활동자료 산정을 위한 국내 기준상, 분뇨를 연료로 사용하는 시스템의 직접적 N₂O 배출량을 산정하지 않는다[16].

CH₄는 혐기성 처리시에 발생하는 것으로, 본 산정에서 제외한다. 따라서 축분 고체연료의 온실가스 감축량은 대체되는 만큼의 석탄 온실가스 총 배출량과 같은 값이 된다.

2.3.2. 온실가스 배출량 산정 자료

온실가스 배출량 산정시 기준이 되는 축분 사용량은 농림축산식품부[3]의 축산환경개선 대책에 제시된 에너지화 비율을 활용하여 1.3%, 7%, 15%로 하되 비교를 위해 전량(100%) 고체연료화 할 경우도 함께 산정하여 비교하였다. 이를 토대로, 축분을 고체연료로 전환했을 때의 무게 감소율을 적용하고, 고체연료 사용에 따른 석탄 사용 대체량을 산정하였다.

축분을 고체연료화 하게 되면, 수분 감소로 인해 무게가 감소하게 된다. 본 연구에서는 수분 감소 근거로, 관련 연구에서 도출된 값을 인용하고 그 중간 값을 적용하였다. 국립축산과 학원[9]의 연구에 따르면, 수분이 66%인 젖소분이 건조될 때 시료의 중량비율이 78.3% 감소하였고, 수분이 81%인 젖소분이 건조될 때 시료의 무게는 86.7% 감소하였으며 이를 Table 2에 나타내었다. 본 연구에서는 이 두 값의 중간 값을 사용하여 건조된 이후의 무게를 고체연료의 무게로 사용하였다. 중간 값은 82%로, 고체연료화 단계를 거치면, 축분의 무게가 축분상태일 때 대비 18%가 된다.

축분 고체연료의 발열량은 「가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률 시행규칙」에서 최소 발열량(kcal)으로 제시하고 있는 3,000 kcal를 발열량(MJ)으로 환산한 후, 이에 대응하는 석탄의 발열량을 고려하여 동일한 발열량을 충족하는 축분 고체연료 사용량을 산정하였다. 석탄은 BC-R, HC-F, 및 BC-F으로 구분하였다.

무연탄과 유연탄에 대한 발열량 및 온실가스 배출계수는 연료별 국가 고유 발열량 및 배출계수[17]를 활용하였다. 환산계수는 잔류성유기오염물질 관리법 시행규칙[18]내의 고체연료 환산계수를 따른다. Table 3에 온실가스 배출량 산정 근거로써 발열량, 산화계수 및 CO₂배출계수를 나타내었다.

고체연료의 발열량 대비 석탄의 발열량 차이로 인해, 동일 고체연료가 대체할 수 있는 석탄별 대체량에 차이가 발생하며 이를 Table 4에 나타내었다.

2.4. 축분 고체연료 사용에 따른 경제적 효익 산정

2.4.1. 석탄 대체에 따른 수입 회피 효과 산정

축분 고체연료로 석탄을 대체할 경우 석탄수입 회피효과는 석탄 대체량에 단가를 곱하여 산정하며 식(3)에 나타내었다.

(3)

축분 고체연료에 의한 석탄대체 시 석탄수입 회피 효과= 석탄 대체량 × 단가

Table 5에 석탄별 단가 환산금액을 나타내었다.

2.4.2. 온실가스 감축에 따른 편익 산정

본 연구에서는 온실가스 배출량의 잠재적 이득 산정을 위해 감축되는 온실가스만큼 EU-ETS로 거래된다고 보아 저감되는 온실가스 배출량에 EU-ETS 가격을 곱하여 산정하였다(식 (4)). EU로 수출하는 역외기업의 CBAM 탄소비용은 일정 조건 하에서 EU ETS 허용량(allowance)의 주간 평균 경매 가격에 따라 계산되므로[20] EU-ETS를 기준으로 산정한 것이다. Table 6에 EU-ETS 가격의 변동 추이를 나타내었으며, 본 연구에 적용한 가격은 2022년 연평균 가격이다.

(4)

온실가스 감축에 따른 편익 = 온실가스 감축량 × EU·ETS 가격

3. 결 과

가축분뇨 발생량 대비 농림축산식품부의 축산환경개선 대책에 따른 에너지화율에 고체연료 사용량을 대입하여, 이를 HC-F, BC-R, 및 BC-F로 대체할 경우의 온실가스 감축량을 각각 Table 7과 Fig. 4에 나타내었다.

축분 고체연료를 HC-F로 대체할 경우 온실가스 감축효과가 가장 큰 것으로 나타난 반면 BC-F로 대체할 경우 감축효과가 가장 적었다.

경제적 효익 산정을 위해 고려한 사항은 석탄을 고체연료로 일부 대체할 경우, 대체량에 따른 수입 회피 효과 및 온실가스 감축 편익이다. 축분이 국내에서 소비되는 HC-F, BC-R, 및 BC-F로 각각 소비할 경우 경로별 경제적 파급 효과를 Table 8과 Fig. 5에 나타내었다.

축분 고체연료로 석탄을 대체할 경우 수입 회피 효과는 HC-F로 대체시에 가장 높았다. 고체연료로 무연탄을 대체하는 경우, 유연탄으로 대체하는 경우에 비해 평균 약 2.5배가량 높게 나타났다.

온실가스 감축 편익 역시 HC-F로 대체할 경우에 가장 높게 나타났으며, BC-R 및 BC-F로 대체할 경우에 비해 약 1.12배 높게 나타났다.

수입 회피효과 및 온실가스 감축편익 모두 고체연료를 HC-F로 대체할 때가 가장 높게 나타났다. 수입회피 효과에서 HC-F로 대체시에 가장 높은 값을 나타내는 이유는 HC-F의 단가가 가장 고가(高價)이기 때문이다. HC-F는 발열량이 가장 낮고 온실가스 배출계수는 가장 높은 특성을 가지고 있다.

발전소 및 제철소에서 축분 고체연료를 석탄 대체로 사용하는 방안이 실증화되지는 않았기에 현실적인 대체 비율 내지 석탄 혼소 비율을 제시하는 것은 시기 상조이나 석탄발전 폐지 대안으로 제시되고 있는 암모니아발전의 경우 최대 20%까지 암모니아 혼소 발전을 목표로 하는 상황이다[22].

2022년 대한석탄공사 연간 석탄소비량 합계[23] 425,000 톤 중 20%를 축분 고체연료로 대체할 경우 Table 4의 축분 발생량 51,940,000 톤 대비 HC-F 대체시 축분의 1.4%, BC-R 대체시 2.1%, BC-F 대체시 1.9%의 축분 고체연료가 각각 필요하다.

4. 결 론

농업분야(비에너지) 온실가스 배출량은 2018년 기준 온실가스 배출량 21.2백만 tCO₂ eq.이었으며, 이 중 축산부분은 42%를 차지하는 9.4백만 tCO₂ eq.이다. 발생 축분을 전량 고체연료화하여 석탄대체에 사용한다고 가정할 경우, 국내에서 활용되는 연료용 무연탄(Hard coal for fuel, HC-F), 원료용 유연탄(Bituminous coal for raw materials, BC-R), 및 원료용 유연탄(Bituminous coal for fuel, BC-F) 중 어느 석탄을 대체하더라도 농업분야 온실가스 배출량 전체를 상쇄하는 것으로 나타났다. 서두에 언급한 바와 같이 현재까지는 기존에 생물학적 처리방안이 가장 널리 사용되고 있으나, 향후 고체연료화 내지 열화학적 처리를 거치게 되면 화석연료 대체로 인한 온실가스 배출량 감축 효과뿐 아니라, 분뇨 처리 과정에서 발생하는 온실가스 감축에도 기여할 수 있어, 온실가스 감축 비용이 높아질수록 더욱 경쟁력 있는 대안이 될 수 있다.

경제적 파급효과 분석을 위해 축분 고체연료의 석탄 대체량에 대한 수입 회피 효과, 온실가스 감축편익 및 매립 회피 효과를 산정한 결과 고체연료를 HC-F로 대체할 경우 온실가스 감축효과 및 경제적 편익이 가장 높은 것으로 나타났으며 이는 무연탄이 유연탄 대비 1.4배가량 단가가 높을 뿐 아니라 무연탄의 배출계수가 높기 때문이다. 각 활용방안별로 경제적 파급 효과의 총 합계에서는 차이가 크게 발생하지 않았으나, 현재로서는 석탄의 단가 차이가 수입회피효과간의 차이에 가장 크게 기여하였다.

온실가스 감축량 기여도 측면에서는 발열량 및 CO₂ 배출계수의 차이로 인해 발열량이 가장 높은 BC-R로 대체시 기여도가 가장 높게 나타났다.

가축농가에서 해결과제에 봉착한 축분을 고체연료화 하여, 공급 대상시설인 시멘트 소성로, 발전시설, 제철소 등의 대규모 시설에 공급하게 된다면 환경과 경제 요소를 동시에 만족하여 산업의 지속가능성을 높여줄 수 있는 요인이 될 수 있을 것이다[24].

고체연료 전환 기술도입을 위해서는 고체연료를 대규모로 소비하는 산업부문간 연계 및 석탄사용을 부분적으로 대체할 고체 연료 소비자 확보가 중요하다. 현재로서는 축분 고체연료화에 대한 효과 입증 및 인식 부족으로 수요가 없으나, 향후 석탄화력발전 시설 일부에 대한 중단이 예정되어 있고 온실가스 감축에 기여할 대체 연료 마련이 시급하므로, 차츰 축분 고체연료 사용 확대 및 파급효과 역시 클 것으로 기대된다.

축분 고체연료화는 축분을 처리하는 동시에 석탄연료를 대체할 수 있다는 가능성이 있지만, 타 연료에 비해 대기오염물질이 다량 발생되므로, 축분 고체연료화를 통해 온실가스 감축을 실현하고자 할 때는, 적절한 생산 공정과 활용방안이 고려되어야 한다. 축분 고체연료의 연소가 국가 온실가스 인벤토리상 보고되지 않는다 하더라도, 고체연료 연소로 인한 오염물질 방지시설 및 해결방안이 필요하며, 연료 특성상 축분 고체연료가 석탄연료를 완전히 대체할 수는 없기 때문이다.

현재 축산분뇨의 고체연료화 제작 및 사용은 실증화 단계로 전과정 환경영향평가를 수행할 수 있는 단계에 이르지는 못했으나, 향후 상용화 이전 단계에서는 전과정평가를 통해 잠재적 환경영향평가를 도출할 필요가 있다. 축분 고체연료의 석탄 대체 사용을 통해 국가온실가스 인벤토리상 보고되는 온실가스 양이 절감된다 하더라도, 고체연료의 제작과 사용과정에서 발생하는 온실가스 발생량, 잠재적인 환경영향 산정 및 제시를 통해 보다 설득력 있는 온실가스 감축방법론 근거 마련이 가능하기 때문이다.

Acknowledgments

본 성과물(논문)은 농촌진흥청 연구사업(과제번호: PJ0170 5501)의 지원에 의해 이루어진 것 입니다.

Notes

Declaration of Competing Interest

The authors declare that they have no known competing interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

Fig. 1.

The extension of livestock manure (LSM) usage [6].

Fig. 2.

Research Scope.

Fig. 3.

Livestock manure-based solid fuel use and the treatment of manure ash (Author reconstructed from Park et al (2023) [6]).

Fig. 4.

GHGs Reductions based on the Substitution of Solid Fuels by Coal Types.

Fig. 5.

Economic Ripple Effect of Coal Replacement (Unit: million KRW).

Table 1.

Establishment of Improvement Goals for Livestock Manure Treatment Methods by 2030(Draft) (Unit:10,000 ton).

Year	The amount of livestock manure (The estimates)	Composting & liquefaction (%)	Non-agricultural use		Energization (%)
Year	The amount of livestock manure (The estimates)	Composting & liquefaction (%)	Purification (%)	Compost reduction (%)	Energization (%)
2,020	5,194	4,655 (90)	538 (10)	1 (0)	68 (1.3)
2,021	5,256	4,686 (89)	569 (11)	1 (0)	80 (1.5)
2,025	5,373	4,456 (84)	850 (15)	67 (1)	350 (7)
2030	5,562	3,747 (67)	1,365 (25)	450 (8)	830 (15)

Source: Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs Announces “Measures to Improve the livestock environment [3]”

Table 2.

Reduction rate of livestock manure after drying.

The moisture content of the target sample	Reduction ratio
With 66% moisture	78.3%
With 81% moisture	86.7%

Table 3.

Basis for calculating greenhouse gas emissions [17].

Classification	Calorific value (MJ/kg)	Oxidation factor	CO₂ emission factor (kgCO2/TJ)
Hard coal for fuel	18.9	1	112,000
Bituminous coal for raw materials	29.3	1	96,100
Bituminous coal for fuel	25.8	1	95,300

Table 4.

Coal consumption replaced by solid fuel according to coal type (Unit: ton).

Livestock manure Generation(A)^a	Fuel Conversion rate(B)^a	AⅹB	Reduced Weight (C=18% of AXB)	Solid fuel calorific value(D)^b	CⅹD	Coal calorific valuec	Coal consumption replaced by solid fuel according to coal typed
51,940,000	1.3%	675,220	121,540	12.6	1,531,404	HC-F	81,027
						18.9
						BC-R	52,266
						29.3
						BC-F	59,357
						25.8
	7%	3,635,800	654,444		8,245,994	HC-F	436,299
						18.9
						BC-R	281,433
						29.3
						BC-F	319,612
						25.8
	15%	7,791,000	1,402,380		17,669,988	HC-F	934,920
						18.9
						BC-R	603,071
						29.3
						BC-F	684,883
						25.8
	100%	51,940,000	9,349,200		117,799,920	HC-F	6,232,800
						18.9
						BC-R	4,020,475
						29.3
						BC-F	4,565,888
						25.8

a: The Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs, 「Livestock Environment Improvement Measures」, b: The value converted from the calorific value of solid fuel (kcal) to the calorific value(MJ), c: HC-F; Hard coal for fuel, BC-R; Bituminous coal for raw materials, BC-F; Bituminous coal for fuel, d: (Weight of solid fuel×calorific value)/Coal calorific value

Table 5.

Unit price conversion by coal [4-19].

Field	Category	Unit price (USD/Ton)	Unit price KRW (Ton)
Ironworks	Hard coal for fuel	127.6	164,885
	Bituminous coal for raw material	75.6	97,690
Power plant	Bituminous coal for fuel	75.6	97,690

Source: Ministry of SMEs and startups, 2019 [4]; KOSIS, ’ Exchange rate for 2022: 1,292.20KRW/USD [19]

Table 6.

Trends in European emission trading system (EU-ETS) prices [21] (Unit: Euro).

Year	Minimum price	Maximum price	Average annual price
2017	4.38	8.14	5.82
2018	7.75	24.16	15.77
2019	18.72	29.41	24.86
2020	16.31	32.04	24.78
2021	32.89	88.88	54.01
2022	58.3	98.01	81.24

Table 7.

GHGs Reductions based on the Substitution of Solid Fuels by Coal Types (Unit: tCO₂ eq.)

Replacement ratio according to the fuel (%)	HC-F	BC-R	BC-F
1.3%	171,518	147,167	145,943
7%	923,551	792,439	785,843
15%	1,979,039	1,698,005	1,683,949
100%	13,193,591	11,320,572	11,226,331

HC-F; Hard coal for fuel, BC-R; Bituminous coal for raw materials, BC-F; Bituminous coal for fuel

Table 8.

Economic Ripple Effect of Coal Replacement (Unit: million KRW).

Coal type	Replacement ratio(%)	Import avoidance effect	GHG reduction benefits	Total
HC-F	1.3	13,360	18,953	32,313
	7	71,939	102,055	173,994
	15	154,154	218,689	372,843
	100	1,027,695	1,457,927	2,485,622
BC-R	1.3	5,106	16,262	21,368
	7	27,493	87,567	115,060
	15	58,914	187,643	246,557
	100	392,760	1,250,953	1,643,713
BC-F	1.3	5,799	16,127	21,926
	7	31,223	86,838	118,061
	15	66,906	186,081	252,987
	100	446,042	1,240,539	1,686,581

HC-F; Hard coal for fuel, BC-R; Bituminous coal for raw materials, BC-F; Bituminous coal for fuel

References

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21. Korea Gas Corporation, European emission trading system(EU-ETS) price, https://www.data.go.kr/data/15102705/fileData.do, August(2023)

22. Ministry of Trade, Industry and Energy, Ammonia power generation by 2030 and hydrogen power generation by 2035 for commercialization promotion, https://korea.kr/news/policyNewsView.do?newsId=148895640, November(2021)

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24. I.H. Lee, K.M. Paik, B.W. Ban, H. Jung, Feasibility evaluation of building a resource circulation network for industrial parks-focusing on North Chuncheong Province, Proceedings of the Spring Academic Presentation of the Korean Society for Waste and Resource Circulation, (2012).