1. 서 론
인류 활동으로 인한 온실가스 배출량의 증가로 전 세계적인 폭염, 홍수, 해수면 상승 등 기후변화가 일어나고 있으며 그 빈도수가 점점 잦아지고 있다. 이는 인류의 생존과 지속 가능성을 포함하여 지구 생태계 환경을 심각하게 위협하고 있다[1]. 세계 각국은 온실가스 농도의 안정화를 위해 파리협정을 통한 자발적인 온실가스 감축 목표를 세우고 이를 달성하기 위한 이행방안을 제시하고 있다[2]. 대한민국 역시 파리협정 당사국으로 장기 저탄소 발전전략(Long-term low greenhouse gas Emission Development Strategies, LEDS) 및 국가 온실가스 감축목표(Nationally Determined Contributions, NDC)를 제출하였고, 2020년에는 한국판 그린뉴딜을 발표하여 2050년 탄소중립을 위한 구체적인 로드맵 및 추진전략을 마련하였다[3].
2022년 국가 온실가스 인벤토리 보고서(National Inventory Report, NIR)에 따르면, 농업부문에서 발생한 온실가스는 년간 약 21.1백만톤-CO2eq로 1990년 대비 1.8백만톤-CO2eq가 증가했다[4]. 농업부문의 온실가스 배출량은 경종분야, 축산분야로 구분할 수 있다. 2021년 기준 1,553,000 ha의 농경지 면적은 2031년까지 1,465,000 ha로 연평균 약 0.8%씩 감소하여 경종분야의 온실가스 배출량은 지속적으로 감소할 전망이다[5]. 반면, 축산분야는 육류소비량 증가에 따른 사육두수가 증가할 전망이며 대부분의 가축분뇨가 퇴비화 또는 액비화로 자원화 되어 농경지로 환원되고 있어 다량의 온실가스가 가축분뇨 처리과정에서 발생하고 있다. 2050년 기준 축산분야의 온실가스 배출기여도는 농업부문의 50% 이상을 차지할 것으로 보인다[6].
2030 온실가스 감축 로드맵과 2050 농･식품 분야 탄소중립 전략에서는 장내발효 분야와 가축분뇨 처리 분야를 중심으로 실현 가능한 저감정책을 계획하고 있으며 이를 Table 1과같이 나타내었다. 먼저, 장내 발효 분야에서는 저메탄 사료와 저단백 사료(조단백질 함량 2% 감소)를 보급하여 가축 사육기간 중 메탄과 아산화질소의 배출량을 줄이기 위한 정책을 계획하고 있다. 가축분뇨 처리 분야에서는 분뇨의 에너지화, 바이오차 활용, 정화방류 비중 확대 등을 통해 기존의 퇴비화 및 액비화 방식에서 벗어나 다양한 처리 방법을 도입하여 2018년 배출량을 기준으로 2030년까지 년간 약 6.7백만톤-CO2eq를 저감하고, 2050년까지 년간 약 9.3백만톤-CO2eq의 배출 저감을 목표로 하고 있다[11]. 하지만, 국가적으로 추진하고 있는 다양한 정책이 실질적으로 온실가스를 감축하여 탄소중립을 달성할 수 있는지는 미지수로 남아있다.
본 연구에서는 농･식품 분야의 2050 탄소중립 추진 전략을 기반으로 축산 분야의 온실가스 저감 시나리오를 구성하였으며, 각 시나리오에 따른 저감량을 정량적으로 계산하였다. 또한, 이를 탄소중립 추진전략에 따른 2018년 가축사육두수 대비 온실가스 저감목표 달성 가능성을 평가하고, 추가적인 감축이 필요한 경우 효율적인 방안을 제시하고자 한다.
2. 실험 방법
본 연구에서는 한국 축산계에서 발생하는 온실가스 배출량을 정량적으로 분석하고 탄소중립 가능성을 평가하기 위해 다음과 같은 실험방법을 적용하였다.
2.1. 활동자료 구축
가축 사육 두수와 관련된 데이터를 확보하기 위해 국가 탄소중립 시나리오 및 NDC 감축 목표에서 기준이 되는 가축 사육 두수 통계자료와 예측 자료를 활용하였다. 이 자료에는 목표값 설정 기준인 2018년의 한우, 젖소, 돼지, 닭, 오리 등의 주요 가축의 사육 두수가 적용되어있어 2024년 까지의 사육두수를 반영하여 2030년도 및 2050년도 사육두수를 예측하였고 축종별 가축분뇨 배출원 단위를 기반으로 가축분뇨 발생량을 산출하였다[7]. 또한, 환경부의 가축분뇨 발생량 및 처리 현황 자료를 바탕으로 축종별 가축분뇨의 처리 방식 비중을 조사하였다. 가축 사육 두수와 가축분뇨 발생 및 처리 현황 자료는 장내 발효와 가축분뇨 처리 등의 온실가스 배출량을 계산하는 기초 활동 자료로 활용하였다. 따라서, 조사된 처리 방식 비중을 통해 가축분뇨 처리 방식 개선에 따른 온실가스 저감량을 계산하였으며, 이를 바탕으로 축산 분야의 온실가스 감축 추진 전략에 따른 탄소중립 가능성을 평가하였다[12].
2.2. 온실가스 배출량 산정
축산분야의 발생원별 온실가스는 장내발효 분야와 가축분뇨 처리분야로 구분될 수 있다. 구축된 활동자료를 기반으로 IPCC의 1996 IPCC 가이드라인에 명시된 Tier 1 방법론을 적용하였으며, 모의 계산을 위한 항목별 배출계수를 Table 2과 같이 선정하여 적용하였다[4,13].
2.2.1. 장내발효
장내발효의 CH4 배출은 반추위 동물이 사료를 소화하는 과정에서 생기는 대사산물로 반추위에 존재하는 미생물이 셀룰로스 등의 탄수화물 소화 시 다량의 CH4를 발생시키며, 단위가축도 소화 과정에서 CH4를 일부 발생시킨다. 장내발효 내 온실가스 배출량에 영향을 미치는 요인으로 축종, 사료 등이 영향을 받을 수 있다. 본 연구에서는 Tier 1의 방법론을 적용하였으며, Tier 2의 가축 하위 카테고리(연령, 생산 유형, 성별 등) 및 사료 섭취량은 고려하지 않았다. 장내발효의 온실가스 배출량은 아래의 식 (1)을 이용하여 통계자료를 기반으로 구축한 활동자료에 한국의 특성에 맞는 배출계수(Table 2)를 곱하여 산정하였다[14].
Ei: 가축종 i의 CH4 배출량(천톤-CH4/year)
EFi: 가축종 i의 배출계수(kg-CH4/head/year)
Populationi: 가축종 i의 사육두수(head)
2.2.2. 가축분뇨 처리
가축분뇨의 온실가스 배출량은 유기물이 분해되는 과정에서 발생하는 CH4, N2O이다. 가축분뇨의 저장 및 처리과정에서 혐기성 환경은 CH4를 배출하며, 가축분뇨 내 질소 성분은 산소의 공급량에 따라 질산화 및 탈질 과정을 거쳐 N2O의 형태로 배출된다. CH4 배출량에 영향을 줄 수 있는 주요 요인은 축종, 사육두수, 온도 등이고, 본 연구에서는 Tier 1의 방법론을 이용하여 CH4 배출량을 계산하였다. 장내발효 식(1)과 동일하게 축종별 사육두수에 한국의 기후조건에 따른 한대지역의 배출계수(Table 2)를 곱하여 CH4 배출량을 산정하였다.
또한, 가축분뇨의 처리과정에서 발생하는 N2O 배출량도 Tier 1의 방법론을 이용하여 산정하였으며, CH4 배출량과는 달리 축종별 가축분뇨 처리방식의 비율을 아래의 식(2)와 같이 고려하여 산정하였다[13].
N2O: 가축분뇨처리시설의 N2O 배출량(kg-N2O/year)
N(T): 가축 종류와 분류에 따른 연간 사육두수(head)
Nex(T): 축종별 분뇨로 배출하는 연평균 질소량(kg-N/head/year)
MS(T,S): 가축분뇨처리시설 S의 이용비율
EF3(S): 가축분뇨처리시설 S의 아산화질소 배출계수(kg-N2O-N/kg-N)
S: 가축분뇨처리시설
T: 가축의 종류
Populationi: 가축종 i의 사육두수(head)
2.3. 온실가스 감축 시나리오 구성
축산계의 온실가스 감축 및 탄소중립 가능성을 평가하기 위해 축산분야 탄소중립 추진전략을 기반으로 Table 3와 같은 시나리오를 구성하였다.
첫 번째로, 기준 시나리오(BAU, Business As Usual)를 설정하였다. 기준 시나리오는 가축사육두수 통계자료 및 예측자료를 기반으로 축산의 생산방식 및 가축분뇨 처리방식을 유지할 때의 온실가스 배출량을 계산하였다.
두 번째로, 저탄소 사료공급 시나리오를 설정하였다. 가축 사육 과정에서 발생하는 온실가스 배출량을 줄이기 위해 사료 효율 개선과 같은 방안을 통해 소와 같은 반추가축의 장내발효 CH4 저감, 분뇨처리과정에서 발생되는 질소 저감 방안을 모색하였다. 선행연구결과 저메탄 사료는 가축의 소화 과정에서 발생하는 메탄의 양을 줄이는 데 효과적이고 가축의 생산성에 영향을 미치지 않으면서도 메탄 배출을 약 10% 저감할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 저단백 사료는 가축의 영양소 흡수 효율을 개선하여 가축분뇨 내 과잉의 질소 성분을 줄이는 데 기여하여 가축분뇨 처리과정에서 발생되는 총 질소 배출량을 약 13%까지 감소시킬 수 있을 것으로 추정되었다[15]. 축산부문 2030 온실가스 감축 및 녹색성장 전략에 따르면 2030년까지 저메탄사료 78% 공급, 저단백사료 48% 공급을 목표하고 있다. 또한 2050년 탄소중립 전략에는 2050년까지 100% 보급완료를 목표하고 있다. 온실가스 감축목표에 따른 저메탄, 저단백 사료의 공급률을 설정하여 기존사료 대비 저감 가능한 온실가스 배출량을 추정하였다.
세 번째로, 가축분뇨 처리방식의 다각화에 따른 시나리오를 설정하였다. 여기에는 돈분의 정화방류 비중확대, 돈분의 바이오가스화, 우분의 바이오차 등 축산분야 탄소중립 추진전략에 반영된 내용을 토대로 온실가스 저감 가능성을 평가하였다. 정부의 추진전략 중 가축분뇨 처리방식 에너지 전환 방안은 전체 가축분뇨, 축종별 가축분뇨 등의 분뇨 전환 비중을 혼용하고 있어 가축분뇨 전환에따른 저감 온실가스 목표량을 기반으로 범위내에서 추정값을 설정하였다.
따라서 추진전략을 기반으로 시나리오는 돈분의 정화방류 비중을 2030년 30%, 2050년 40%로 확대하는 방안으로 설정하였고, 돈분의 바이오가스화와 바이오차는 2030년 5%, 2050년 10%로 확대하는 방안으로 적용하였다.
마지막으로, 통합 시나리오를 설정하여 위의 모든 요소를 종합적으로 적용한 최적 감축 시나리오를 제시하였다. 단 정부의 추진계획 내 가축분뇨 이송주기, 이송거리, 분뇨보관 등에 따른 온실가스 발생량은 고려되지 않았음으로 각 시나리오별 수송, 저장시 발생하는 온실가스 발생량은 제외하였다.
위의 구성한 각 시나리오를 기반으로 2030년과 2050년의 예상 배출량 및 저감량을 산정하고, 기준 시나리오 대비 감축 효과를 분석하였다. 또한, 각 시나리오의 결과를 분석함으로써 실현가능성 및 탄소중립 목표 달성 가능성을 평가하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 기준 시나리오
축종별 가축 사육 두수는 2018년 대비 증가할 것으로 예측되며, 이에 따라 축산 분야의 온실가스 배출량도 증가할 것으로 계산되었다. 육류 소비량의 증가에 따른 소고기와 돼지고기 수요가 늘어나면서, 한육우와 돼지의 사육 두수는 2018년 대비 2030년과 2050년에 각각 한육우 8.8%, 9.4%와 돼지 6.0%, 25.9% 증가할 것으로 예측되었다. 반면, 젖소와 오리의 경우에는 큰 변동이 없는 것으로 나타났다.
축산 분야 온실가스 배출량은 Fig. 1과 같이 2030년 11,295.7천톤-CO2eq/yr, 2050년 11,900.4천톤-CO2eq/yr로 2018년 대비 각각 9%, 15% 증가될 것으로 예측되었다. 장내발효의 경우 2030년 4,774.5천톤-CO2eq/yr, 2050년 4,824.1천톤-CO2eq/yr으로 전체 배출량의 40% 이상을 차지하는 것으로 나타났으며, 이중 한･육우 축종에서 전체 배출량의 69% 이상을 배출하는 것으로 나타났다.
가축분뇨 처리과정에서 배출하는 온실가스는 주로 CH4, N2O이며, 이중 N2O로 인한 온실가스 배출량이 전체 배출량의 45% 이상을 차지하는 것으로 나타났다. 또한, N2O 배출량의 40% 이상을 한･육우에서 배출하는 것으로 나타났다. 반면, CH4 발생에 따른 온실가스 배출량은 N2O 배출량보다 낮았으며, 장내발효 N2O와는 다르게 돼지 축종에서 배출량 비중이 높은 것으로 나타났다.
현재 상태를 유지하고 아무런 정책적 변화가 없을 경우 증가되는 가축 사육두수를 바탕으로 축산분야의 온실가스 배출량은 계속해서 증가할 것이며, 이는 2030 NDC 감축 목표와 2050 탄소중립 목표 달성의 어려움을 야기한다. 축산 분야의 탄소중립을 달성하기 위해서는 정부의 추진 전략에 따라 저메탄, 저단백 사료 공급 및 정화 방류 비중 확대, 에너지화, 바이오차 및 고형연료화 등의 저탄소 사료공급과 다각적인 가축분뇨 처리방법 개선이 반드시 필요할 것으로 보인다.
3.2. 시나리오1: 저탄소 사료공급 및 분뇨 내 질소저감 시나리오
기준 시나리오 결과에 따른 가축 사육두수의 지속적인 증가는 장내발효와 가축분뇨 처리과정에서의 온실가스 배출량을 증가시킬 것으로 예측된다. 따라서 장내발효에 의한 온실가스 배출량을 저감하기 위해 저탄소 사료공급 시나리오를 구축하였으며, 이는 국가 정책의 일환인 저메탄, 저단백 사료의 개발 및 보급 비중을 기반으로 분석하였다. 기준 시나리오에 따르면 장내발효로 인해 발생하는 CH4 배출량은 예측 사육두수 기준 2030년 4,774,5천톤-CO2eq/yr, 2050년 4,824.1천톤-CO2eq/yr로 계산되었다. 저메탄 사료의 공급량을 2030년 78%, 2050년 100% 공급 시 장내발효 CH4 배출량은 2030년 4,402.1천톤-CO2eq/yr, 2050년 4,341.7천톤-CO2eq/yr로 BAU 대비 2030년 8.0%, 2050년 10.0% 저감 가능한 것으로 나타났다. 특히, 소와 같은 반추동물에서 저메탄 사료 공급 시 2030년 372.4천톤-CO2eq/yr, 2050년 482.4천톤-CO2eq/yr의 저감이 가능하며 전체 저감량의 31%, 21%의 비중을 차지하는 것으로 계산되었다. 저메탄 사료의 보급만으로 장내발효의 저감 목표인 2030년 310천톤-CO2eq/yr, 2050년 402천톤-CO2eq/yr을 각각 20.1%, 20.0%를 초과 달성할 수 있는 것으로 계산되었다.
또한, 저단백 사료 공급을 통한 N 저감 후 배출량은 2030년 4723.9천톤-CO2eq/yr, 2050년 4,727.31천톤-CO2eq/yr으로 2018년 대비 6.7%, 14.9% 저감 가능한 것으로 나타났으며 2030년 분뇨배출 저감목표인 440천톤-CO2eq/yr의 71.5%정도만 달성가능하지만 2050년 저감 목표 673천톤-CO2eq/yr의 5.0% 초과 달성이 가능할 것으로 계산되었다.
사료의 제조기술 혁신에 따른 저메탄, 저단백 사료 개발 및 보급을 통해 보급률을 증가시키더라도, 사육 두수의 증가로 인한 온실가스 배출량 증가폭이 더 큰 것으로 나타났다. 사료공급 시나리오의 적용만으로 축산 분야의 탄소 중립 목표를 달성하기 어려운 것으로 나타났으며, 이를 달성하기 위해서는 추가적인 방안 모색이 반드시 필요하다. 결론적으로, 저메탄･저단백 사료의 공급은 장내발효 중 메탄 저감 및 분뇨내 질소저감 효과가 큰 것으로 나타났으나, 미래 가축 사육두수가 지속적으로 증가함에 따른 해당 기술만으로는 축산분야의 탄소중립을 달성하기 어려울 것으로 판단된다. 따라서, 가축분뇨 처리과정 중 발생되는 온실가스의 저감이 더 중요할 것으로 사료되며, 기존 퇴･액비화 기준의 처리방식을 벗어나 다양한 에너지를 생산할 수 있는 처리, 재활용 방법 등의 다각화가 요구된다.
3.3. 시나리오2: 가축분뇨 처리방식 다각화 시나리오
돈분의 정화방류와 에너지화(바이오가스), 우분(육우)의 바이오차 비중 확대를 통한 온실가스 저감량을 계산하였다. 돈분의 정화방류 비중 확대에 따른 온실가스 저감량은 2030년 100.8천톤-CO2eq/yr, 2050년 203.7천톤-CO2eq/yr로 계산되었다. 온실가스 저감량이 낮은 이유는 처리방식 비중을 2024년 기준 예측 자료와 저감 목표값을 사용하였기 때문인것으로 판단된다. 2021년 가축분뇨법 개정에 따른 대규모 돈사의 정화처리 의무화에 따른 정화방류의 비중이 증가되고 있으며 향후 2030 축산부문 온실가스 감축 및 녹색성장 전략에 따라 정화방류 수질기준과 분뇨 발생량 대비 정화처리 비중 확정안이 발표된다면 더 높은 저감량을 보일것으로 예측된다.
돈분의 바이오가스화시 낮은 처리 전환률에도 불구하고 온실가스 저감량은 정화방류보다 높은것으로 나타났다. 바이오가스화 비중을 5%, 10%로 확대할 경우 2030년 322.8천톤-CO2eq/yr, 2050년 708.9천톤-CO2eq/yr의 온실가스가 저감 가능한 것으로 나타났다. 또한, 바이오가스화의 경우 바이오가스라는 에너지원을 이용하여 간접적인 배출량 또한 저감할 수 있으며, 바이오가스의 메탄함량 및 발열량을 고려할 때 101.2천톤-CO2eq/yr, 203.7천톤-CO2eq/yr의 온실가스가 간접적으로 추가 저감 가능할것으로 예측된다.
우분 바이오차의 경우 2030년 및 2050년 비중을 각각 5% 및 10%로 확대할 경우 저감량은 117.2천톤-CO2eq/yr, 237.7천톤-CO2eq/yr 감축 가능한 것으로 계산되었다. 우분의 경우 기존 퇴비화 처리 과정에서 발생하는 온실가스 배출 계수가 높아, 적은 양의 처리 방법 전환으로도 돈분의 정화 방류보다 온실가스를 높게 저감할 수 있다.
온실가스 배출량 및 저감량은 처리 방식에 따라 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. IPCC의 생물학적 처리 방식에 따른 처리 계수에 따르면 가축분뇨 퇴비화의 경우 메탄(CH4)은 10g-CH4/kg, 아산화질소(N2O)는 0.6g-N2O/kg의 배출 계수를 가지고 있는 반면, 혐기성 소화의 경우 메탄은 2g-CH4/kg, 아산화질소는 0으로 다른 처리 방식에 비해 배출 계수가 낮아 온실가스 저감량이 높은 것으로 계산되었다.
혐기성 소화의 경우 소화슬러지는 비료로 농업에 재활용할 수 있으며 분뇨의 부피를 크게 줄여 운반 과정에서 발생하는 간접 배출량을 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 반면, 바이오가스 내 CH4를 이용해 생산한 에너지의 경우 축산 분야의 직접적인 저감량으로 산정될 수 있는 IPCC 기준이 없으며 이를 고려할 경우 가축분뇨의 바이오가스화 비중의 확대는 온실가스를 저감할 수 있는 가장 효과적인 방안이 될 수 있다.
3.4. 시나리오3: 통합 시나리오
시나리오를 통합하여 BAU 대비 2030년과 2050년 처리방법별 온실가스 저감량을 Fig. 2와 같이 나타내었다. 저탄소 사료공급 및 가축분뇨 처리방식 다각화 두 시나리오를 통합하여 적용할 시 2030년, 2050년 탄소중립 목표 달성 가능성은 47.3%, 73.2%로 목표치보다 현저하게 낮은 달성률을 가지는 것으로 나타났다. 축산업의 탄소중립을 달성하기 위해서는 기존 가축분뇨 처리방식의 보다 적극적인 다각화가 필요하며 이를 위한 인프라 구축 및 기술적인 지원이 시급한 상황이다. 축산분야의 온실가스 배출량 중 40% 이상은 한･육우 축종이 기여하고 있으며 다양한 처리방식 중 바이오가스화 방식의 온실가스 저감률이 가장 높은 것으로 나타났다. 이를 기반으로 처리방식의 배출계수가 높은 육우와 젖소의 퇴비화 비중을 줄이며 바이오가스로 전환할 시 30% 수준의 전환만으로 탄소중립 목표 달성이 가능할 것으로 계산되었다.
4. 결 론
2018년을 기준으로, 축산업에서 발생하는 온실가스 배출량은 육류 소비량증가에 따라서 지속적으로 증가할 것으로 예상되며, 축산업의 온실가스 배출량 증가 추세는 기술적 변화가 없는 한 계속될 것으로 예측된다. 따라서 정부의 농식품 탄소중립 추진전략에 따른 2030년과 2050년 온실가스 저감량 저감 목표 달성을 위한 다양한 시나리오를 설정하고 가축 사육두수에 따른 온실가스 배출량과 저감 가능량을 평가하였다. 시나리오 1의 적용 시 저메탄, 저단백 사료의 보급률 증가만으로 2030년 장내 발효 부문의 탄소중립 목표의 20.1%를 초과 달성할 수 있고, 2050년은 20%를 초과 달성이 가능할것으로 나타났다.
시나리오 2에서는 가축분뇨 처리방식의 변경이 온실가스 배출량을 크게 저감할 수 있는 것으로 확인하였으나 계산된 온실가스 저감량은 2030년 축산분뇨 처리 부분 온실가스 저감 목표 2,058천톤-CO2eq/yr 대비 26.3%만 달성 가능할것으로 예측되었지만 2050년에는 축산분뇨 처리 부분 온실가스 저감 목표 2,355천톤-CO2eq/yr 대비 73.2% 달성이 예측되었다. 따라서, 가축분뇨의 처리방식의 다각화가 필요하며, 온실가스 배출량이 상대적으로 높은 우분의 경우 기존 퇴･액비화 처리방법 중 19% 정도를 바이오차 처리방식으로 전환하고 돈분 바이오가스화 비율을 20% 정도로 확대한다면 2030년 축산분야의 탄소중립 목표를 충분히 달성할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 두 가축분뇨 처리방안은 높은 온실가스 저감계수를 가지고 있어 향후 비중을 지속적으로 늘린다면 더 높은 온실가스 저감률을 달성할 수 있을것으로 예측된다.
마지막으로 각 저감가능 방법별 민감도 분석을 실시하였다. 2050 축산부문 온실가스 감축 전략에 따라 감축량과 사육두수를 설정하여 Fig. 3과 같이 나타내었다. 각 저감 가능량 중 돈분 에너지화에 따른 민감도와 온실가스 저감량이 가장 높게 나타났다 이는 바이오가스화 전환시 높은 N2O와 CH4 저감이 가능하기 때문인 것으로 판단된다. 또한 우분의 바이오차에서도 높은 민감도를 나타냈다 이는 우분 바이오차 전환시 많은량의 CH4를 저감할 수 있기 때문인것으로 판단된다. 따라서 향후 가축분뇨의 정화방류 비중을 높이고 바이오차 전환 및 에너지화 비중을 높인다면 더 많은량의 온실가스 저감이 가능할 것으로 기대된다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation 
Print 
