전기 생산공정에 대한 전 과정 온실가스 배출량 토의 : 유엔유럽경제 위원회 LCA 결과와 한국 전기 LCI DB 대상
Discussion on the Life Cycle of Greenhouse Gas Emissions from the 2021 UNECE LCA Report and Korean LCI DB for Electricity Generation
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Abstract
목적
유엔유럽경제위원회(UNECE) LCA 보고서에 제시된 석탄발전, 천연가스발전, 풍력발전, 태양광발전, 수력발전 및 원자력발전의 온실가스 배출량에 대해 토의하고, 한국의 국가 전과정목록(Life cycle inventory: LCI) 전기생산 DB에서 온실가스배출량을 산정하여 국제 평균치와 비교･토의하였다. 본 연구의 궁극적 목적은 국가 LCI DB 업데이트 및 국제화 필요성에 대해 논하고자 하였다.
방법
UNECE LCA 연구의 석탄발전, 천연가스발전, 풍력발전, 육상풍력, 태양광발전, 수력발전 온실가스 배출 자료를 분석하였고 환경영향평가 범주 중 기후변화, 즉 온실가스 배출량에 대해 토의하였다. 한국 국가 LCI 발전형태 별 DB에서 1 kWh 기능단위 온실가스배출량을 각 각 집계하고 지구온난화 환산지수로 산정하였다.
결과 및 토의
국가 LCI DB에서 산정한 천연가스발전(452 g CO2-eq./kWh), 원자력발전(6.3 g CO2-eq./kWh), 태양광발전(53 g CO2-eq./kWh)의 온실가스 배출량은 UNECE LCA와 유사한 결과를 보였다. 그러나 한국의 석탄발전 배출량은 UNECE 평균값 및 최곳값 범위를 상회한다. 한국의 무연탄발전(hard coal)은 1,351 g CO2-eq./kWh, 유연탄발전(Bituminous)은 1,160 g CO2-eq./kWh로서 UNECE 최곳값인 중국의 1,095 g CO2 eq./kWh보다 높은 것으로 나타났다. 한편, 한국 무연탄발전과 유연탄발전 LCI DB 세부 사항을 분석한 결과, 상대적으로 저질탄으로 알려진 Brown coal을 더욱 많이 사용한 유연탄 화력발전의 CO2 발생량이 무연탄발전보다 오히려 더 적은 것으로 나타난다. 한국 화력발전은 연소과정 이외 타 공정 CO2 발생이 많아 전체 배출량을 높일 수 있으므로 이에 대한 점검이 필요하다.
결론
온실가스발생량 산정에 있어 거의 과반을 차지하는 것으로 알려진 전기생산 및 전기사용량에 대한 정확한 산정이 시급하다. 석탄화력 발전에 의한 전기생산 의존도가 높은 한국은 전기 LCI DB를 하루빨리 업데이트하여 국가 경쟁력을 높이고 탄소중립 2050을 실현하는 데 있어 기초자료로 삼아야 한다.
Trans Abstract
Objectives
The greenhouse gas (GHG) emissions of coal, natural gas, wind, solar, hydropower, and nuclear electricity generation mentioned in the United Nations Economic Commission for Europe (UNECE) LCA report were discussed. Korean GHG emissions were calculated from the electricity database (DB) of the Korean national life cycle inventory (LCI), compared with the international average, and then discussed. The aim of this study was to discuss the necessity of updating and internationalizing the national LCI DB.
Methods
The GHG emissions from the generation of coal power, natural gas power, wind power, onshore wind power, solar power, and hydropower in the UNECE LCA study were analyzed, and climate change, that is, GHG emissions, among the environmental impact assessment categories was discussed. The GHG emissions per 1 kWh functional unit were calculated from the electricity DB of the Korean national LCI by applying the global warming potential to GHGs.
Results and Discussion
The GHG emissions from natural gas (452 g CO2-eq./kWh), nuclear (6.3 g CO2-eq./kWh), and solar power generation (53 g CO2-eq./kWh) presented in the national LCI DB were within the range of results presented in the UNECE LCA report. However, GHG emissions of Korean coal power generation exceeded the UNECE average and highest ranges. The GHG emissions of Korean hard coal and bituminous power generation were 1,351 g CO2-eq./kWh and 1,160 g CO2-eq./kWh, respectively, which were higher than the highest UNECE value, 1,095 g CO2 eq./kWh (China). Analysis of the Korean electricity LCI DB for coal power plants showed that bituminous coal-fired power plants that use more brown coal, which is known to be relatively low-quality coal, produce less CO2 than anthracite coal power plants. In Korean coal-fired power plants, it is necessary to check whether CO2 generated from processes other than the combustion process is significant.
Conclusion
Electricity accounts for the largest portion when calculating national greenhouse gas emissions, therefore, accurate data is necessary. Korea, which is highly dependent on coal-fired power generation for electricity production, should update its electricity LCI DB as soon as possible to increase national competitiveness and use it as a basis for realizing carbon neutrality by 2050.
1. 서 론
탄소중립 2050에 대한 전 세계 발걸음이 매우 분주하다. 2016년 파리 기후변화 협정에서 전 세계 193개국이 지구의 평균 온도상승 폭을 이번 세기에 2도 이하로 유지하고 더 나아가 1.5도를 넘지 않도록 노력할 것을 합의하였다[1]. 2018년 기준 세계 12위의 온실가스(Green house gas: GHG) 배출국가인 한국(758.14백만톤 GHG; 1인당 배출량 20위, 14.8톤 GHG) [2]은 2030년까지 2017년 배출량(7억910만톤) 대비 24.4% 온실가스 감축을 목표하였고 2050년까지 탄소중립을 달성하겠다고 선언하였다[3].
기후변화에 대응하기 위한 글로벌 규제 움직임도 활발하다. EU와 미국이 탄소국경세(carbon border adjustment mechanism) 도입을 추진하고 있다. EU는 2026년부터 시행할 예정으로 탄소배출 범위는 상품 제조 과정에서 배출되는 직접배출뿐 아니라 생산에 사용된 전기를 만드는 과정에서 발생하는 간접배출까지 모두 포함한다[4]. 그동안 제품에 대한 수많은 전과정평가(Life Cycle Assessment: LCA) 연구에서 제조 시 발생 되는 온실가스 직접배출 보다 전기 사용에 의한 온실가스 간접배출이 훨씬 많은 양임은 익히 알려져 있다[5-6]. Weber et al. [7]은 미국 CO2 발생의 40%는 전기생산과 공급과정에서 발생한다고 발표할 정도로 전기의 온실가스 배출량 비중은 매우 높다. 따라서, 정확한 전기생산 관련 정보는 올바른 탄소중립 대책을 수립하는 데 가장 기본 자료이며 앞으로 한국 상품의 국제 경쟁력을 결정짓는 중요한 인자이다.
최근 2021년, 유엔 유럽 경제 위원회(United Nations Economic Commission for Europe: UNECE)는 전 세계 10개 지역(일부 국가포함 :미국, 중국, 일본)을 대상으로 전기생산공정에 대한 LCA 보고서, “Life Cycle Assessment of Electricity Generation Options”를 발간하였다[8]. 본 연구의 첫째 내용은 UNECE LCA 보고서에 제시된 석탄발전, 천연가스발전, 풍력발전, 태양광발전, 수력발전 및 원자력발전 과정 중 발생하는 온실가스 배출량에 대해 토의하였고 두 번째, 한국의 국가 전과정목록(Life cycle inventory: LCI)의 전기생산 DB에서 온실가스배출량을 산정하여 국제 평균치와 비교 토의하였다. 본 연구의 궁극적 목적은 국가 LCI DB의 업데이트 및 국제화 필요성에 대해 논하고자 하였다.
2. 연구 방법
2.1. UNECE LCA 보고서 해석
UNECE는 전 세계 10개 지역(일부 국가포함: 미국, 중국, 일본)을 대상으로 전기생산공정에 대한 LCA보고서, “Life Cycle Assessment of Electricity Generation Options” [8]를 2021년 발간하였고 수정･보완을 거쳐 2022년 “Carbon Neutrality in the UNEC Region: Integrated Life-cycle Assessment of Electricity Sources” [9]로 확정 발표하였다. 10개 지역은 1) Canada, Australia & New Zealand; 2) China; 3) European union; 4) Japan; 5) Latin America; 6) Non-EU member states; 7) Other Asia; 8) Reforming countries; 9) Sub Saharan Africa; 10) United States이다.
UNECE LCA 보고서는 석탄발전(coal), 천연가스발전(natural gas), 풍력발전(wind power), 태양광발전(solar power or photovoltaic), 수력발전(hydropower), 원자력발전(nuclear power)의 LCA 결과를 담았다. LCA 기능단위(functional unit)는 2020년 동안 평균 1 kWh 발전이며 7개 환경영향범주(기후변화(climate change), 지표수 부영양화(freshwater eutrophication), 이온화 방사선 (ionising radiation), 인체독성(human toxicity), 토지사용(land use), 수자원고갈(water resource depletion), 천연자원 고갈(mineral, fossil and renewable resource depletion)에 대해 평가하였다. 본 연구는 기후변화에 대해서만 논의하였다.
UNECE의 LCA 연구에서 석탄발전은 미분탄 발전(pulverized coal: PC)과 석탄가스화복합발전(Integrated gasification combined cycle)으로 분류하였고 탄소 포집 및 저장(carbon capture & strorage: CCS)이 있는 경우와 없는 경우로 나누어 분석하였다. 수력발전 LCA는 660 MW와 360 MW시설로 구분하여 수행하였다. 태양광발전은 다결정실리콘(poly-Si)전지, Cd-Te전지, Copper-indium-gallium-selenide(CIGS)전지 등으로 구분하였고, 또다시 지상설치(gound-mounted)와 옥상설치(roof-mounted)로 구분하여 수행하였다. 풍력발전 LCA는 육상풍력(onshore), 해상풍력(offshore)로 구분하였고, 해상풍력 LCA는 다시 콘크리트 기반(concrete foundation)과 강철기반(steel foundation)으로 구분하여 수행되었다. 원자력발전 LCA는 small modular reactor 기반으로 수행되었다.
본 연구는 UNECE LCA연구의 석탄발전에서 CCS가 없는 미분탄발전(PC, without CCS), 풍력발전에서는 육상풍력, 태양광발전에서는 다결정실리콘 전지, 수력발전은 360 MW시설을 대상으로 온실가스 배출 자료를 분석하였다. 이외 발전은 UNECE LCA 보고서에 나타낸 각 단일 발전 형태를 그대로 활용하였다. 또한 본 연구에서는 7개 영향범주 중 기후변화, 즉 온실가스 배출량에 대해서만 토의하였다.
2.2. 한국 LCI 전기 DB 분석
한국의 LCI 전기 DB는 2000년 산업자원부에서 전기(Electricity) (이후 “산자부전기(2000)”)를 처음 구축하였다. 산자부전기(2000)는 무연탄, 역청탄, 중유, 가스, 가스복합, 경유복합, 내연력, 수력, 원자력발전을 모두 포함하여 기능단위 1 kWh 생산에 소요되는 투입물 및 산출물을 제시하고 있다. 이후 환경부에서 천연가스(2007), 유연탄(2011), 원자력(2011), 댐수력발전(2011), 무연탄화력발전(2012), 태양광발전(2012) LCI가 순차적으로 구축되었다[10]. 풍력발전 LCI DB는 아직 구축되지 않았다.
본 연구는 상기 언급된 각 발전 LCI DB의 Output에 제시된 온실가스 물질의 배출량을 각 각 집계하였고, 각 온실가스에 해당하는 지구온난화 환산지수(2014 Global Warming Potential (GWP-100 year) Values) [11]를 곱해 기후변화 영향평가를 수행하였다. 2014년에 발표된 GWP-100는 The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) IPCC 5차 보고서에 제시된 값으로 공식적으로 최근 값에 해당한다. 2021년 IPCC 6차 보고서[12]에서 수정된 GWP-100값이 제시되었지만 IPCC 6차 보고서는 의견 수렴 후 2023년 공식 확정될 예정이다. 2014년과 2021년 GWP-100에 있어 가장 큰 차이는 이산화탄소 1 대비 화석연료 기원 메탄(fossil methane)이 30에서 29.8로, 메탄(methane)이 28에서 27.2로 낮아졌고, N2O가 298에서 273으로 각 각 낮아졌다.
3. 결과 및 토의
3.1. UNECE LCA 온실가스 배출량과 한국 전기 LCI DB 온실가스 배출량
Fig. 1은 UNECE LCA 보고서에 제시된 각 발전 종류별 온실가스 배출량을 다시 정리하였다. 각 발전 형태별 평균값과 최곳값을 같이 도시하였다. 1 kWh 발전을 위한 발전 종류별 전과정평가에 의한 온실가스배출량은 원자력발전이 평균 5.1 g CO2-eq./kWh로 가장 낮았고 석탄화력발전이 1,023 g CO2-eq./kWh로 가장 높게 나타났다. 수력발전은 10.7 g CO2-eq./kWh, 풍력발전은 12.4 g CO2-eq./kWh이다. 태양광발전은 신재생에너지 중에서 다소 높은 36.7 g CO2-eq./kWh를 보였는데, 이는 polycrystalline silicon 생산과정의 탄소배출량이 많았으며 전과정 탄소배출량의 48%를 차지하였다[9].
Life cycle greenhouse gas emissions (in g CO2-eq. per kWh) of electricity generation options; The highest and average values were obtained from the 2021 UNECE LCA report; Korean values were calculated from Korean LCI DB; Electricity(2000) is the Korean Electricity LCI DB constructed in year 2000.
Fig. 1에는 한국의 LCI DB에서 계산된 발전 종류별 온실가스 배출량을 UNECE LCA 결과와 같이 도시하였다. 한국의 천연가스발전(452 g CO2-eq./kWh), 원자력(6.3 g CO2-eq./kWh), 태양광(53 g CO2-eq./kWh) 발전의 온실가스 배출량은 UNECE 평균값과 최곳값 범위에 속하는 유사한 결과를 보였다. 산자부전기(2000)(Fig. 1에서 “Electricity(2000)”)는 498 g CO2-eq./kWh로서 중간값 수준을 보였다. 2000년 당시 산자부 전기는 무연탄, 역청탄, 중유, 가스, 가스복합, 경유복합, 내연력, 수력, 원자력발전을 모두 포함하여 LCI DB가 구축되었기 때문으로 보인다. 참고로, UNECE LCA 보고서에는 모든 전기생산방식을 포함한 전 세계 1 kWh 전기생산에 배출되는 평균 온실가스배출량은 498 g CO2-eq.로[8] 한국의 산자부전기(2000) 값과 정확하게 일치하는 결과를 보였다. 그러나, 한국의 석탄발전 온실가스 배출량은 UNECE 평균값 및 최곳값 범위를 벗어나 있었다.
IPCC 5차 보고서는 석탄화력발전의 직접 연소 온실가스배출량 범위를 913-1,009 g CO2-eq./kWh로 조사하였으며 평균 값은 961 g CO2-eq./kWh로 보고하고 있다[11]. 간접배출량은 10-13 g/kWh로 직접 연소에 비해 극히 적은 것으로 보고하고 있다. Oberschelp et al. [13]는 석탄발전 직･간접 배출량에 대한 전과정 평가 모델링 연구를 통해 전 세계 평균값을 1,130 g CO2-eq./kWh로 제시하고 있는데 이는 IPCC 보고 수치보다 상당히 크다. 이와 같은 차이는 화력발전소 설립 년 수에 따라 온실가스 배출량이 큰 차이를 보이는 것으로 알려져 있다. Markewitz et al. [14]는 2008년 이후 건설된 석탄발전에서 직접 온실가스 배출량이 700 g CO2-eq./kWh로 과거 배출량의 45-50%에 불과한 것으로 보고하였다. Fig. 1에 나타낸 바와 같이 한국의 무연탄발전(Hard coal)의 GWP가 1,351 g CO2-eq./kWh, 유연탄발전(Bituminous)은 1,160 g CO2-eq./kWh로 UNECE LCA 보고서 최곳값인 중국의 1,095 g CO2 eq./kWh보다 높은 것으로 나타났다. 한국의 LCI DB 구축시 석탄화력발전소가 노후화된 이유도 있겠지만 2011년 구축된 LCI DB의 업데이트가 절실히 필요하다.
Fig 2는 한국의 발전 종류별 온실가스 배출량에서 CO2가 차지하는 비중을 대비시켰다. 산정된 GWP 지구온난화지수의 대부분은 CO2발생에 의해 결정되었다. 예를 들어, 무연탄 화력발전(hard coal)의 GWP 1,351 CO2-eq. g에서 CO2가 1,205 CO2-eq.로 전체 GWP의 89.1%를 차지한다. 그 다음은 CH4가 10.4%, N2O 0.3% 순이었다. 유연탄 화력발전(bituminous)도 전체 GWP 1,160 CO2-eq. g에서 CO2가 99.1%를 차지한다.
Life cycle greenhouse gas emission (in g CO2 eq. per kWh) and carbon dioxide emission (in g CO2 per kWh) for the electricity 1kWh generation by 7 electricity generation methods. The all results were calculated from Korean LCI DB.
3.2. 한국 전기 LCI DB의 화력발전 온실가스 배출량 분석
석탄은 탄소 함량과 휘발성분에 따라 토탄(peat), 갈탄(lignite or brown coal) 역청탄(bituminous coal or soft coal), 무연탄(hard coal or anthracite)으로 구분한다[15]. 토탄 이외 3 종류의 석탄을 발전에 주로 사용하는데, 갈탄의 탄소 함량이 25-35%로 비교적 낮고, 역청탄이 60-80%, 무연탄이 92-98% 순이다. 유연탄은 일반적으로 역청탄을 일컫는다. 발전을 위해 무연탄과 갈탄을 사용하는데, 갈탄 brown coal이 상대적으로 낮은 품질 석탄으로 알려져 있다.
갈탄을 사용하는 화력발전의 경우 비교적 낮은 열량으로 인해 일반적으로 높은 탄소배출을 가져올 수 있다. 갈탄 화력발전의 경우 평균 38%의 열효율에서 966-1221 (평균 1093) g CO2-eq./kWh 온실가스 배출량으로 역청탄과 무연탄발전 배출량인 평균 39% 열효율의 849-1084 (평균 1001) g CO2-eq./kWh 보다 훨신 많은 탄소를 배출하는 것으로 알려져 있다[16].
본 연구는 한국의 무연탄 화력발전 (hard coal thermal power generation) LCI DB와 유연탄 (Bituminous coal thermal power generation) LCI DB 세부 사항을 분석하여 Table 1에 제시하였다. Table 1의 한국 무연탄 화력발전 LCI DB에서 전기 1 kWh 생산을 위한 Input을 보면 Hard coal (Anthracite) 0.459 kg + Brown coal 0.0000506 kg이 투입되었고 CO2 발생량은 1.21 kg이다. 그리고 유연탄 화력발전 LCI DB에서 1kWh 생산을 위한 Input을 보면 Hard coal (Anthracite) 0.00634 kg + Brown coal 1.15 kg이 투입되었고 CO2 발생량은 1.15 kg이다. 상대적으로 저질탄으로 알려진 Brown coal을 0.0000506 g 미량 사용한 무연탄 화력발전의 CO2 발생량은 1.21 kg인 반면, Brown coal을 1.15 kg이나 사용한 유연탄 화력발전에서 CO2 발생량이 1.15 kg으로 오히려 더 적은 것으로 나타난다. 일반적으로 CO2 발생량은 연소과정 중 연료 성상에 따라 가장 영향을 받는 것으로 알려져 있지만, 한국 화력발전 공정에서 연소과정 이외 타 공정 CO2 발생이 전체 발생량에 영향을 미치고 있는지 여부도 재 점검할 필요가 있다.
Selected input and output Korean LCI DB of two electricity generation methods, hard coal and bituminous coal thermal power generations.
4. 결 론
본 연구는 한국 전기 LCI DB로부터 1 kWh 전기 생산 시 온실가스 배출량을 산정하였고 최근 발표된 UNECE 전기 생산 온실가스 배출량과 비교 토의하였다. 연구 결과는 다음과 같았다.
첫째, 한국의 발전형태 별 온실가스 배출량은 무연탄발전(Hard coal)의 GWP가 1,351 g CO2-eq./kWh로 가장 높았고 다음은 유연탄발전(Bituminous) 1,160 g CO2-eq./kWh, 그리고 천연가스발전 452, 태양광발전 53, 수력발전 6.3, 원자력발전 6.3 g CO2 eq./kWh 순으로 나타났다.
둘째, 한국의 LCI DB에서 계산한 천연가스, 원자력, 태양광, 수력발전의 온실가스 배출량은 UNECE 평균 및 최고값 범위에 속하는 결과를 보였다. 그러나, 한국의 석탄발전 온실가스 배출량은 UNECE 범위를 약간 벗어나는 것으로 나타났다. 특히, 한국의 무연탄발전(Hard coal)의 GWP가 1,351 g CO2-eq./kWh, 유연탄발전(Bituminous) 1,160 g CO2 eq./kWh는 UNECE 최고값인 중국의 1,095 g CO2-eq./kWh보다 높았다.
셋째, 한국 무연탄발전과 유연탄발전의 LCI DB의 Input과 Output을 분석한 결과, 저질탄으로 알려진 Brown coal을 0.0000506 g 미량 사용한 무연탄 화력발전의 CO2 배출량은 1.21 kg인 반면, Brown coal을 1.15 kg이나 사용한 유연탄 화력발전의 CO2배출량이 1.15 kg으로 오히려 더 적은 것으로 나타나 LCI DB의 재검토가 필요한 것으로 판단된다.
온실가스 배출량은 탄소중립 2050실현을 위한 탄소 저감 대책 수립의 기초가 되어야 한다. 전과정관점에서 제품 온실가스 배출량의 거의 과반을 차지하는 것으로 알려진 전기생산 및 전기사용량에 대한 정확한 산정이 필요한 현실이다. 전 세계적인 ESG 열풍에 따라 각 기업의 제품생산뿐 아닌 전 과정에 걸친 온실가스 배출량 공개에 대한 요구가 뜨겁다. 한국 LCI DB는 과거 구축된 이후 업데이트가 거의 되지 않았다. 특히, 석탄화력발전 LCI DB에 의한 온실가스 배출량은 전세계에서 가장 높은 것으로 계산되고 있어 재점검이 필요하다. 석탄화력 발전에 의한 전기생산 의존도가 높은 한국은 전기 LCI DB를 하루 빨리 업데이트하여 국가 경쟁력을 높이고 탄소중립 2050을 실현하는 데 있어 기초자료로 삼아야 한다.
Acknowledgements
본 논문은 환경부/한국환경산업기술원의 지중환경오염위해 관리기술개발사업(2022002450002) 수행과정 중 작성되었습 니다. 이에 감사드립니다.
Notes
Declaration of Competing Interest
The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.
