Tier 1과 Tier 3 방법론에 따른 선박 온실가스 배출량 산정에 관한 고찰

1. 서 론

국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)는 제72차 해양환경보호위원회(MEPC, Maritime Environment Protection Committee)에서 국제 해운의 온실가스(GHG, Greenhouse Gas) 저감을 위한 온실가스 감축 초기전략을 채택하였다[1]. 동 전략은 온실가스 감축 방안을 단기, 중기, 장기로 구분하는 등 세부적인 저감 조치를 통해 국제 해운에 실질적인 온실가스 감축 노력을 촉구하고 있다. 우리나라도 “저탄소 녹색성장 기본법”에 따라 2009년부터 산업 부문별 온실가스·에너지 목표관리제를 시행하고 있으며 추가로 2015년부터는 온실가스 배출권 거래제를 통해 민간사업장의 온실가스 감축 활동을 유도하고 있다[2]. 이처럼 국내·외적으로 온실가스 감축을 위한 다양한 활동이 전개되고 있으며 그 시작은 정확한 온실가스 배출량 산정이라고 할 수 있다. 이와 관련하여 최근까지 산업 부문별 온실가스 배출량 산정과 방법론에 관한 연구가 활발히 진행되었다. 2010년 T. H. Kim et al. [3]은 국내·외 도로교통부문의 온실가스 배출량 산정 방법론을 검토하였다. 그 결과, 더욱 정확한 온실가스 배출량 산정을 위해 Tier 2, 3과 같은 높은 수준의 방법론 적용이 필요함을 제시하였다. 2011년 C. K. Bong et al. [4]은 국내의 선박등록 검사기관에 등록된 선박 8,000여 척을 대상으로 Tier 1과 Tier 3의 방법으로 온실가스 배출량을 산정하여 비교 분석한 결과 Tier 3 방법론에 따라 산정된 배출량이 Tier 1보다 평균적으로 약 9%가량 많게 나타남을 보여주었다. 2014년 S. D. Lee et al. [5]는 한국해양대학교 실습선 한바다호를 이용하여 연료소모량과 육상전기 사용량을 분석한 결과 학생 1명을 1년간 실습시키는데 발생하는 온실가스가 34.1 tonCO_2e이라는 결론을 얻었다. 전술의 연구 결과들로부터 여러 부문에서 다양한 방법과 목적을 가지고 온실가스 배출량을 산정한다는 것을 알 수 있다.

선박의 경우 운항 특성상 정지상태에서도 발전기를 운전하여 전기를 생산하는 등 온실가스 배출 측면에서 여러 특성이 산재한다. 따라서 이를 고려하여 선박에 적합한 온실가스 배출량 산정방법이 필요하다[6]. 본 연구는 범용 수치해석 프로그램인 Matlab/Simulink (v.2016a)를 활용하여 온실가스 배출량 산정 모델링을 구성하였으며, 기후변화에 대한 정부 간 협의체(IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change) Guideline 2006[7]에서 제시하는 온실가스 배출량 산정 방법론인 Tier 1과 Tier 3을 적용하였다. 이 방법론은 특정 선박을 대상으로 일반적으로 적용되는 온실가스 배출량 산정 방법이 아닌, 국가 및 부문별 배출량 통계를 위한 수단으로써 주로 사용된다. 그럼에도 불구하고, 본 연구에서 동일한 하나의 선박에 Tier 1과 Tier 3을 방법론을 각각 적용하여 그 결과를 비교·분석한 이유는 첫째, 개별선박에 Tier 3을 방법론을 적용해봄으로써 각각의 세부적인 요소가 온실가스 배출량 산정에 미치는 영향성을 보다 정량적으로 파악할 수 있고, 이는 추후 Tier 3의 본래 목적에 맞게 선박 부문의 온실가스 배출량을 산정할 때, 산정된 배출량 증감 원인을 쉽게 추정할 수 있기 때문이다. 둘째, 선박 운항에 따른 연료소모량은 쉽게 파악할 수 있으나, Tier 3 방법론의 일괄적 적용을 위한 선박들의 세부적인 운항자료는 해운선사에서 운용하는 선박 운항 관리시스템이 각기 달라 현행 상 국제항해에 종사하는 다수 선박을 대상으로 Tier 3 방법론을 적용한 온실가스 배출량 산정이 어렵기 때문이다. 이에 우선적으로 하나의 선박을 대상으로 Tier 3 방법론에 따른 온실가스 배출량을 산정해 보았다.

2. 온실가스 배출량 산정

2.1 온실가스 배출량 산정 대상 선박

Rumesh et al. [8]는 실제 운항자료와 상향식 접근방법(Bottom-up Approach) 계산을 통해 선박의 연료소모량을 비교·분석하였다. 본 연구에서는 온실가스 배출량 산정을 위한 대상으로 Rumesh et al의 연구에 사용된 Capesize Bulk Carrier 선박을 선정하였다. 그 이유는 Tier 1 방법론 적용을 위해 필요한 일정 기간 사용된 유종별 연료소모량과 Tier 3 방법론 적용을 위해 필요한 온실가스 주요 배출 기기의 제원 및 운항상태별 자료가 Rumesh et al.의 연구에 모두 나타나 있기 때문이다. 대상 선박의 개략적인 제원과 30개월간 수집된 연료소모량 자료를 각각 Table 1과 Table 2에 나타내었다.

Table 1:

Specification of subject vessel for calculating greenhouse gas emissions from ship [8]

Table 2:

Fuel consumption data for 30 months for calculating greenhouse gas emissions from ship [8]

2.3 온실가스 배출량 계산 조건

본 연구에서는 Third IMO GHG Study 2014 [10]에 나타난 온실가스 배출계수를 배출량 산정에 사용하였으며 Table 3은 본 연구에 사용된 배출계수를 정리하여 나타낸 것이다.

Table 3:

Greenhouse Gas Emission Factor [g/gfuel] for calculating greenhouse gas emissions from ship

온실가스 배출량 단위는 이산화탄소환산톤 tonCO_2e(Ton of Carbon Dioxide Equivalent)이다. 이는 여러 종류의 온실가스가 지구온난화에 기여하는 정도를 정량적으로 비교하기 위해 지구온난화지수(GWP: Global Warming Potential)를 이용하여 이산화탄소를 기준으로 환산한 값이다. 2006 IPCC Guideline에 제시된 주요 온실가스의 지구온난화지수를 Table 4에 나타내었다.

Table 4:

Global Warming Potential

2.4 온실가스 배출량 계산식

2006 IPCC Guideline의 효율적인 이행을 위해 유럽환경청(EEA, European Environment Agency)에서 발간한 EMEP/EEA air pollutant emission inventory guidebook 2016 [11]은 Tier 1, Tier 2 그리고 Tier 3 방법론에 따른 선박 부문 온실가스 배출량 계산법을 제시하고 있다. 본 연구에서는 Tier 1과 Tier 3 두 가지 방법론을 대상 선박에 적용하여 온실가스 배출량을 계산하였다.

Tier 1은 단순히 유종만 구분하여 선박 운항의 총 연료소모량에 온실가스 배출계수를 곱하여 산정하는 방법론이고, Tier 3 방법론은 유종, 엔진 종류, 출력, 연료소비계수 (SFOC, Specific Fuel Oil Consumption) 그리도 운항상태 등 세분화된 선박 운항자료를 고려하여 온실가스 배출량을 산정한다.

2.4.1 Tier 1 계산식

Tier 1 방법론에 따른 온실가스 배출량은 식 (1)과 같은 방법으로 계산된다.

$\[ E_i=\sum _m\left(F{C}_m\times E{F}_{i,m}\right) \]$

(1)

여기서, E_i는 대상 온실가스 i의 배출량(ton), FC_m은 사용된 유종 m의 연료소모량(ton), EF_i,m는 대상 온실가스 i와 유종 m에 해당하는 온실가스 배출계수이다.

Figure 1은 Matlab/Simulink (v.2016a)를 이용하여 구성한 Tier 1 방법론에 따른 이산화탄소(CO₂) 배출량 계산 모델을 나타낸다. ①블록과 ②블록은 계산 조건으로써 각각 유종에 따른 총 연료소모량과 온실가스 배출계수이다. ③블록에서 연료소모량과 해당 유종의 배출계수가 곱해져 온실가스 배출량이 계산된다.

Figure 1:

Calculation of GHG emissions by Tier 1 methodology

2.4.2 Tier 3 계산식

Tier 3 방법론에 의한 온실가스 배출량은 선박 운항을 정박상태인 Hotelling mode, 입·출항 상태인 Maneuvering mode 그리고 정속 운항상태인 Cruising mode 3가지로 나누어 각각의 배출량 합으로 산정되며 각 운항상태에서는 운항시간, 출력 등을 고려하여 식 (2)와 같은 방법으로 온실가스 배출량이 계산된다.

$\[ \begin{array}{c}{E}_{Trip}=E_{Hotelling}+E_{Maneuvering}+E_{Cruising}\\ E_{Trip,i,j,m}={\sum _P\left[T_P\sum _e\left(P_e\times L{F}_e\times E{F}_{e,i,j,m,p}\right)\right]}^{,}\end{array} \]$

(2)

여기서, E_Trip는 Tier 3 방법론에 따른 온실가스 총배출량을 나타낸다. E_Trip,i,j,m은 각 운항 상태에서의 대상 온실가스 i와 엔진 종류 j 그리고 유종 m에 해당하는 온실가스 배출량이며 T_P는 운항시간, P_e는 MCR 상태의 엔진 출력, LF_e는 운항 상태에 해당하는 엔진 부하, EF_e,i,j,m,p는 온실가스 배출계수이다.

본 연구에서는 Rumesh et al. [8]의 논문에 따라 선박 운항 상태에 해당하는 운항시간 및 엔진 부하를 온실가스 배출량 계산에 적용하였으며, Table 5는 본 연구에 사용된 운항시간 및 엔진 부하를 정리하여 나타낸 것이다. Hotelling mode에서 주기관은 운전되지 않기 때문에 계산에서 제외하였고 보일러의 경우는 운전 부하에 관한 자료가 나타나 있지 않아 보일러 운전에 사용된 총연료량에 배출계수를 곱하여 온실가스 배출량을 산정하였다.

Table 5:

Time and Load according to ship operation mode

Figure 2는 Tier 3 방법론에 따른 이산화탄소(CO₂) 배출량 계산 모델을 나타내고 있다. ①블록은 계산 조건으로써 각 운항 상태에 따른 운항시간을 나타내며 ②블록은 주기관과 발전기의 출력 및 MCR 상태의 SFOC 그리고 ③블록은 유종에 따른 온실가스 배출계수를 나타낸다. 먼저 출력 및 MCR 상태의 SFOC 값은 ④블록으로 들어가 J. P. Jalkanen et al. [12]의 연구에 따른 식 (3)과 같은 방법으로 0에서 1범위의 주기관 부하(Load)에 따른 변동 SFOC 값으로 추산된다. 이와 같은 계산을 적용하는 이유는 엔진 부하 변동에 따른 SFOC 변화율을 반영하여 온실가스 배출량 계산의 정확성을 높이기 위함이다.

Figure 2:

Calculation of GHG emissions by Tier 3 methodology

$\[ SFOC\left(load\right)=SFO{C}_{MCR}\times \left(0.455\times loa{d}^2-0.71\times load+1.28\right) \]$

(3)

추산된 변동 SFOC 값을 사용하여 ⑤블록에서 운항 상태에 따른 주기관의 온실가스 배출량이 계산되고, 동시에 ⑥블록과 ⑦블록에서 각각 계산된 운항 상태에 따른 발전기와 보일러의 배출량이 합산되어 Tier 3 방법론에 따른 이산화탄소(CO₂) 총배출량이 계산된다.

3. 계산 결과

3.1 Tier 1과 Tier 3에 따른 온실가스 배출량

본 연구에서는 Tier 1과 Tier 3 두 가지 방법론을 동일한 하나의 선박에 적용하여 온실가스 배출량을 산정하였으며 Table 6은 계산 결과를 정리하여 나타낸 것이다. Tier 1 방법론은 단순히 소모된 연료량에 배출계수를 곱하여 배출량을 산정하고 Tier 3 방법론은 선박의 상세 운항자료를 기반으로 연료소모량을 추정하여 해당하는 배출계수를 고려하여 배출량을 산정한다. 그 결과, Tier 1 방법론에 의한 온실가스 배출량은 총 70,195 tonCO_2e이며 그 중 이산화탄소(CO₂) 배출량이 69,070 tonCO_2e으로 총배출량의 약 98%를 차지한다. Tier 3 방법론에 의한 온실가스 배출량은 총 90,399 tonCO_2e으로 Tier 1 방법론에 의한 결과보다 약 25%가량 높게 나타났다. Tier 1과 Tier 3 두 가지 방법론에 의한 결과의 가장 큰 차이는 이산화탄소(CO₂) 배출량에 있으며 메탄(CH₄)과 아산화질소(N₂O)는 이산화탄소(CO₂)와 비교하면 상대적으로 배출량이 적어 온실가스 총배출량에 큰 영향을 미치지 못함을 알 수 있다.

Table 6:

Emissions of GHGs by Tier 1 & 3 [tonCO2e]

Figure 3과 Figure 4는 각각 Tier 1과 Tier 3 방법론에 따른 이산화탄소(CO₂) 총배출량을 세부적으로 보여준다. Tier 1 방법론은 선박의 운항 특성을 고려하지 않고 단지 기기 운전에 소모되는 연료량을 바탕으로 온실가스 배출량을 산정하며, 그 결과 현 분석대상의 범위에서는 주기관 운전에 따른 이산화탄소(CO₂) 배출량이 온실가스 총배출량에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. Figure 4를 통해 Tier 3 방법론에 따른 온실가스 배출량을 세부적으로 살펴보면 주기관의 경우 Cruising mode에서 이산화탄소(CO₂) 배출량이 가장 크게 나타났으며 발전기는 Cruising mode와 Hotelling mode에서 비슷한 양의 이산화탄소(CO₂)가 배출되는 것을 알 수 있다. 이는 Cruising mode 운항시간이 12,894시간으로 Hotelling mode 8,481시간에 비해 65%가량 길다는 점과 Hotelling mode에서 주기관이 운전되지 않는다는 점을 고려하면, 선박 정지상태에서 발전기로부터 배출되는 온실가스양이 상당히 많다는 것을 의미한다.

Figure 3:

CO2 emissions by Tier 1 methodology

Figure 4:

CO2 emissions by Tier 3 methodology

3.2 주기관 부하 변동에 따른 온실가스 배출량

Figure 5는 Cruising mode에서 주기관의 부하 변동에 따른 Tier 1과 Tier 3 방법론에 의한 이산화탄소(CO₂) 총배출량을 나타낸 것이다. Tier 1 방법론은 주기관의 부하 변동을 고려하지 않기 때문에 배출량이 일정하며 Tier 3 방법론은 주기관 부하 변동에 따라 산정되는 온실가스양이 달라지기 때문에 부하가 높아질수록 이산화탄소(CO₂) 배출량이 증가하는 것을 알 수 있다. Figure 6은 Maneuvering mode에서 주기관의 부하 변동에 따른 이산화탄소(CO₂) 배출량을 나타낸 것으로 Figure 5와 비교하면 그 차이가 미미하다는 것을 알 수 있다. 다만, 이와 같은 결과 분석에 있어 중요하게 고려되어야 할 점은 선박 운항 상태에 따라 주기관이 항상 일정한 부하로 운전되지 않는다는 것이다. 실제 선박은 기상상태와 기관의 성능 등 다양한 조건에 따라 부하를 가감한다. 본 연구에서는 이러한 모든 조건을 고려하여 온실가스 배출량을 계산할 수 없으므로 운항 상태에 따른 고정 부하로서 배출량을 산정하였다.

Figure 5:

CO2 emissions of main engine in cruising mode

Figure 6:

CO2 emissions of main engine in maneuvering mode

Cruising mode에서 주기관 부하 변동이 온실가스 배출량에 많은 영향을 미치는 이유는 Cruising mode 운항시간이 다른 운항 상태와 비교하여 상대적으로 길고 주기관의 정격출력 자체가 다른 기기보다 크기 때문이다. 따라서, Tier 3 방법론에 따른 온실가스 배출량을 산정할 때 주기관의 부하 변동이 막대한 영향을 미치므로 이에 관한 정확한 자료 조사가 선행되어야 할 것으로 판단된다.

3.3 발전기 부하 변동에 따른 온실가스 배출량

Figure 7은 Tier 1과 Tier 3 방법론에 의한 선박의 각 운항상태에서 발전기 부하 증가에 따라 선박으로부터 발생하는 이산화탄소(CO₂) 총배출량을 나타낸 것이다. 그 결과로 Cruising mode와 Hotelling mode에서 발전기의 운전 부하가 높아질수록 온실가스 배출량이 다소 증가하는 것을 알 수 있다. 그러나 Maneuvering mode에서는 발전기의 부하 변동에 따른 영향이 크지 않음을 보인다. 이러한 결과는 각 운항상태의 운항시간과 밀접한 관계가 있는 것으로 판단된다. 운항시간이 가장 긴 Cruising mode에서 발전기의 부하가 높아질수록 온실가스 배출량이 증가하고 Hotelling mode와 Maneuvering mode 순으로 배출량의 증가 폭이 감소한다.

Figure 7:

CO2 emissions according to the change of generator engine load in each ship operation mode

발전기의 정격출력은 주기관과 비교하여 약 10% 정도로 작으므로 발전기 부하 변동이 온실가스 총배출량에 미치는 영향은 미미하다. 또한, 앞서 언급한 주기관 부하 변동에 따른 결과 분석에서와같이 선박 운항상태에 따라 발전기 역시 항상 일정한 부하로 운전되지 않는다는 사실을 고려해야 한다. 하지만 온실가스 배출량 산정에 있어 기기 성능 및 운항 조건에 따라 상시 변동하는 발전기 운전 부하를 모두 고려할 수 없으므로 본 계산에서는 운항상태에 따른 고정 부하를 적용하였다.

4. 결 론

본 연구는 동일한 하나의 선박을 대상으로 Tier 1과 Tier 3 방법론에 따른 선박 부문의 온실가스 배출량을 산정하기 위해 Matlab/Simulink (v.2016a) 프로그램을 활용하여 모델링을 구성하였으며, 이를 통해 Tier 3 방법론의 구성 요인 중, 주기관과 발전기의 부하율 변화에 따른 온실가스 배출량 결과를 비교·분석하였다. 그 결과, 본 해석대상과 계산 조건 및 범위 내에서 아래와 같은 결론을 얻었다.

• (1) 선박의 상세 운항자료를 기반으로 배출량을 산정하는 Tier 3 방법론에 따른 온실가스 배출량이 90,399 tonCO_2e으로써 단순히 소모된 연료량과 배출계수만을 바탕으로 산정하는 Tier 1 방법론에 의한 결과인 70,195 tonCO_2e 보다 약 25% 높게 나타났다. 이러한 차이의 가장 큰 요인은 Tier 3 방법론에 따른 계산 시 적용된 Cruising mode의 주기관 부하인 것으로 확인되었다.
• (2) Tier 3 방법론에 따른 각 운항상태에서의 이산화탄소(CO₂) 총배출량을 분석한 결과, 선박이 정지상태인 Hotelling mode에서 발전기 운전으로 인한 온실가스가 항해 중인 Cruising mode에서 발생하는 온실가스 못지않게 배출되는 것으로 확인되었다. 따라서 선박 부문 온실가스 저감을 위해 항만에 계류중인 선박의 발전기로부터 발생하는 온실가스 배출량 관리가 필요할 것으로 판단된다.
• (3) Tier 3 방법론에 의한 온실가스 배출량 산정에서 주기관 및 발전기 부하 변동에 따른 이산화탄소(CO₂) 총배출량을 분석한 결과, 주기관 부하 변동이 총배출량에 많은 영향을 미쳤으며, 상대적으로 발전기 부하의 영향은 미미한 것으로 확인되었다.

본 연구에서는 온실가스 배출량 산정 시 운항상태에 따라 주기관과 발전기의 고정 부하를 계산에 적용하였지만, 실제 선박 운항에서 운항상태에 따라 주기관과 발전기가 항상 일정한 부하로 운전되지 않는다는 사실을 고려하면, 좀 더 정확한 온실가스 배출량 산정을 위해 주기관 부하 변동에 관한 정확한 자료가 확보되도록 체계적인 시스템이 구축될 필요성이 있다고 생각된다.

(4) 선박은 자동차와는 달리 정지한 상태에서도 전기를 생산하기 위해 발전기를 운전하며 온실가스를 배출하게 된다. 이처럼 선박 고유의 여러 운항 특성을 기반으로 선박 부문의 정확한 온실가스 배출량 산정방법이 필요하다. 본 연구는 하나의 선박을 대상으로 Tier 1과 Tier 3 방법론에 따라 산정된 온실가스 배출량을 분석하였지만, 좀 더 정확한 계산을 위해서는 다양한 선종 및 크기에 따른 충분한 자료를 바탕으로 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Acknowledgments

References

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