1. 서 론

1.1 연구의 배경 및 필요성

지구온난화로 인하여 지난 100년간(1906~2005년) 전 세계 평균기온이 0.74°C 상승하였다. 산업혁명 이후의 화석연료 사용 증가로 인한 온실가스 증가가 지구온난화의 직접적인 원인이라는 견해가 지배적이며 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)는 2007년 보고서를 통해 온실효과의 주요 원인이 인간 활동에 따른 결과라고 최종 결론지었다(Committee on Green Growth, 2009).

1997년 교토의정서 채택으로 선진국의 온실가스 감축 목표치가 규정되었으며, 이후 2007년 발리로드맵을 통해 2009년 말까지 2013년 이후 온실가스 감축 목표가 설정되었다. 이에 전세계 국가들은 선진국을 중심으로 온실가스뿐만 아니라 환경문제 전반에 대한 문제를 해결하기 위한 노력의 방법으로서 녹색성장을 국가적 추진전략으로 채택하게 되었다. Fig. 1은 각 국가별 녹색성장 추진전략을

보여준다. 

우리나라도 녹색성장 추진전략이 국가적 이슈로 대두되고 이에 따라 국토해양부의 목표설정 주요 고려사항 중 다음과 같은 내용이 포함되었다.

기후변화대처기술, 에너지이용 효율성 제고, 신재생에너지 및 자원재활용, 절감기술에 대한 기술수요가 급증함에 따라 친환경 건설재료, 탄소저감형 건설기술, 고효율 및 고성능 첨단재료 기술 등이 주요 고려대상이 되고 있다(MOLIT, 2012). Fig. 2는 국토해양부의 기술연구개발사업 중장기계획을 보여준다.

국토해양부 중장기계획 중 기술니즈인 친환경 건설재료 및 탄소저감형 건설기술을 실현하기 위한 연구의 일환으로서 친환경 및 탄소관련 연구가 최근 활발하게 진행되고 있으며, 국토해양부와 같은 정부기관에서도 관련기준을 제시하고 있다.

국토해양부에서는 2011년 시설물별 탄소배출량 산정가이드라인을 제공하였다. 이것의 목적은 life cycle 단계별로 각각 시설물의 특성을 고려하여 탄소배출량을 산정하는 방법을 제공해 탄소배출량을 산정하고 관리하는데 그 목적이 있다(MOLIT, 2012). 이 가이드라인 내에는 IPCC 배출계수를 이용하여 건설장비의 CO₂ 배출계수도 제시되어 있다.

본 연구는 국토해양부에서 2011년 제시한 토공장비의 CO₂ 배출계수의 문제점을 보완하기 위해 CO₂ 배출량을 연료사용량에 의한 산정이 아닌 농도-유속측정(Concentration-Flow Velocity Measurement : C-FVM)을 이용한 직접측정방식으로 산정하여 국토해양부에서 제시한 배출계수와 비교분석 후 토공장비의 새로운 CO₂ 배출계수를 제시하고자 한다.

1.2 연구의 범위 및 방법

최근 탄소저감 관련연구는 에너지 사용량을 기반으로 하여 IPCC CO₂배출계수를 이용한 연구가 주류를 이루고 있다. 탄소저감을 위한 재료선정연구, CO₂ 배출량 측정방법연구, 에너지사용량 저감연구 등이다.

본 연구의 범위는 탄소저감을 위한 여러 범위 중에서 CO₂ 배출량을 기반으로 하는 배출계수를 대상으로 한다. 건설공사의 기반이 되는 토공사에 사용되는 토공장비 중 도저, 백호, 덤프트럭, 로울러를 대상으로 CO₂ 배출량을 직접측정방식으로 측정하고 측정된 값을 국토해양부에서 제시한 배출계수(MOLIT, 2012)와 비교하는 것으로 한다.

또한 건설장비의 CO₂ 배출계수 산정과 관련한 연구현황을 분석하고 CO₂ 배출량에 영향을 미치는 요소 분석을 연구의 범위로 한정한다.

연구의 방법은 건설장비의 CO₂ 배출계수과 관련한 국내외 기존연구를 고찰하였다. 건설장비의 CO₂배출량 산출방법은 유속 및 CO₂농도를 이용하여 건설장비의 작업 및 운행형태에 따라 배출되는 CO₂량을 실시간으로 측정할 수 있는 방법(Jang and Kim, 2013)을 이용한다. 또한 CO₂ 배출계수의 보정은 직접 측정방식으로 측정된 토공장비의 CO₂ 배출량을 사용하여 국토해양부의 배출계수(2011)를 보정한다.

1.3 기존연구 고찰

건설장비의 CO₂ 배출량 및 배출계수와 관련한 연구는 많지 않으며 국내외 대부분의 연구가 연료사용량을 기반으로 IPCC 탄소배출계수를 활용하였다.

국내연구 조사결과 실제 도로상에서 차량에 이동식 측정장비를 부착하여 CO₂와 대기 오염물질 배출량을 측정하고 현행 배출계수의 예측결과와 비교한 연구(Kim, 2007; Lee, 2010; Ghil, 2010)가 있으나 이 연구는 공사현장과 같은 비도로(Nonroad)에서 다양한 작업조건에 사용되는 건설장비에 적용하기에는 부적합하다. 또한 건설기계의 대기오염물질을 측정하여 배출계수를 산정 제시한 연구(Lim et al., 2009)가 있으나 CO₂는 제외되어 있다.

그 외 고정연소배출원을 대상으로 NOx 및 CO₂배출농도와 관련된 배출 특성을 파악하기 위해 NOx 및 CO₂ 연소시 배출농도와 관련된 인자들 간의 상관계수를 구한 연구(Hong, 2013)가 있으며, 도로시설물에 적용 가능한 에너지절감 시설물의 에너지원별 사용에 따른 CO₂량을 분석하여 경제적 및 환경적 측면에서의 정량적인 평가를 수행한 연구(Kim, 2011)가 있으며, 천연가스 플랜트의 시공단계에서 발생하는 CO₂를 국토해양부 CO₂산정 가이드라인(2011)에서 제시하는 CO₂배출계수를 이용하여 분석하고 시방서에서 허용하는 한계 내에서 재생자재 및 산업부산물을 기존 자재를 대체하는 경우에 저감되는 CO₂ 발생량을 파악하고자 한 연구(Choi and Kim, 2013)가 있다.

국외연구 조사결과 15종류의 공사장비(백호 5종류, 로더 4종류, 그레이더 6종류)에 대하여 Portable Emission Measurement System (PEMS)를 사용하여 연료사용량과 가스배출량을 측정한 연구(Frey et al., 2008), 건설 및 농업 장비 등에 사용되는 엔진들에 대하여 배기가스기준 등급을 등급 1에서 등급 4로 나눈 연구(EPA, 2004) 등이 있다.

따라서 토공장비의 CO₂ 배출계수를 대상으로 한 연구는 대부분 배출계수의 활용에 초점을 맞추고 있으며 배출계수의 조정을 주제로 한 연구는 없다.

2. CO₂배출량 산정방법

CO₂의 배출량을 산정하는 방법에는 간접측정법과 직접측정법이 있다. 간접측정법은 연소되는 연료의 종류와 양, 연소효율 및 배출계수 등을 고려하여 배출량을 이론적으로 추정하는 방법이고 직접측정법은 배출원의 배출구에서 측정기를 이용하여 농도, 유량 등을 직접 측정하여 이를 근거로 산정하는 방법이다.

2.1 간접측정법

간접측정법은 화학식에 의한 산정법과 IPCC 탄소배출계수에 의한 산정법이 있다.

화학식에 의한 산정법은 일반적인 C_xH_y 형태의 탄화수소물 연소반응식은 Eq. (1)과 같이 나타낼 수 있는데(Yu et al., 2012), 여기서 일반적인 경유의 화학식은 x=12, y=23 인 C₁₂H₂₃ 이므로 이를 대입하면 Eq. (2)와 같이 정리할 수 있으며, 경유 1L가 완전연소할 경우 Eq. (3)과 같이 2,630.19 g/L의 CO₂가 배출된다.

 (1)

 (2)

   (3)

경유는 약 300 여종의 탄화수소로 구성되어 있으며, 일반적인 화학식은 C₁₂H₂₃ 이며 C₁₀H₂₀ 에서 C₁₅H₂₈ 까지 분포한다. 경유는 산소와 결합하여 연소반응을 하며, 산소의 공급이 원활한 경우 완전연소가 되어 CO₂ (CO₂)와 물(H₂O)이 발생하게 되지만, 산소가 불충분한 경우 불완전연소가 되어 CO₂(CO₂)와 물(H₂O)뿐만 아니라 그을음(C)과 일산화탄소(CO) 그리고 탄화수소(CH)가 발생한다.

IPCC 탄소배출계수에 의한 산정법은 Table 1에서와 같이 Tier1 (기본적인 방법)에서 Tier3 (가장 상세한 방법)까지 산정방법에 대한 권고사항이 제시되어 있다.

Tier1은 연료종류별 에너지소비량과 탄소배출계수를 이용하는 방식이며, Tier2는 연료종류뿐만 아니라 차종별, 배출제어기술에 따른 배출계수를 추가로 적용하는 방식이며, Tier3는 연료소비 대신 주행거리 등 활동도(Activity) 자료를 기준으로 하여 측정된 배출계수와 차량주행거리와의 곱으로 계산하는 방법이다. 여기에 도로의 종류 및 상태 등의 운전조건이 반영된다.

다음은 IPCC에서 권고하고 있는 배출량 산정방법인 Tier1 이다.

CO₂ 배출량      (4)

= 연료소비량×탄소배출계수×산화율×전환계수(44/12)

위의 식에서 사용되는 배출계수는 IPCC가 제시한 연료별 탄소배출계수를 사용하며 CO₂ 배출량의 경우 산화율과 CO₂와 C의 질량비(44/12)를 보정하여 최종배출량을 산정하게 된다. 연소시 연료가 완전 연소되지 않고 일부는 불완전 연소되어 CO₂로 전환되지 않기 때문에 산화율을 고려한다. Table 2는 각종 Factor를 보여준다.

2.2 직접측정법

직접측정에 의한 CO₂배출량 산정방법은 건설장비의 작업 및 운행형태에 따라 배출되는 CO₂ 량을 실시간으로 측정할 수 있는 방법론이다. 이 방법은 C-FVM과 같이 배기가스의 유속을 측정하여 배기구에서 배출되는 단위시간당 유량을 산정하고, 실험을 통해 측정된 배기가스 CO₂ 농도를 유량과 연산하여 시간당 배출되는 CO₂의 질량을 산정한다.

일반적으로, 건설장비의 운행특성상 장비의 CO₂량을 주행속도별로 측정하는 것 보다는, 작업의 난이도에 따른 RPM변화를 장비 부하량으로 고려하여 CO₂ 배출량을 산정하는 방식이 보다 현실적이다.

CO₂농도를 측정하기 위하여 차량에서 배출되는 가스를 일정한 크기의 포집용기에 포집한 후 CO₂ 센서를 이용하여 포집된 배기가스의 RPM별 CO₂ 농도(ppm)를 측정하며, 측정한 농도 값을 Eq. (4)를 이용하여 단위부피당 CO₂ 질량값(g)으로 환산한다.

CO₂ (g/l)       (4)

x : CO₂ concentration (ppm)

y : temperature (°C)

z : atmosphere (atm)

CO₂ emission (g/s)        (5)

= Flow Rate (m³/s) × CO₂ (g/l) × 1,000

또한 차량의 배기구에 유속센서를 설치하고 유속 및 단면적을 측정한 후 시간당 배출총유량(m³/s)을 산정하며, 엔진부하 대비 유량의 관계를 산정하기 위하여 RPM별 배출되는 유속을 측정한다. 그 후 최종적으로 Eq. (5)에 단위부피당 CO₂ 질량값 및 시간당 유량을 대입하여 엔진부하량이 고려된 단위시간당 CO₂ 배출량을 산정한다.

3. 토공장비의 CO₂ 배출계수

3.1 시설물 CO₂배출량 산정 가이드라인

‘시설물별 탄소배출량 산정 가이드라인’은 국토해양부가 2011년 시설물에 대하여 계획 및 설계, 시공(이하 자재생산을 포함한다), 운용, 해체 및 재활용의 life cycle 단계별로 각각 시설물의 특성을 고려하여 탄소배출량을 산정하는 방법을 제공해 탄소배출량을 산정하고 관리하기 위한 목적으로 만들어졌다.

장비사용에 따른 탄소배출량은 IPCC 가이드라인에 따라 Eq. (6)을 이용해 장비사용에 따른 연료사용량, 에너지원의 순발열량, 온실가스배출계수 그리고 산화율의 곱으로 산정한다.

장비사용에 따른 CO₂ 배출량(tCO₂)    (6)

= 에너지 사용량(unit)×순발열량(kcal/unit)×온실가스 배출계수(tC/kcal)×산화율×44/12(tCO₂/tC)

다음은 가이드라인에서 제시하는 지반개량공사의 CO₂ 배출량 산정의 예를 보여준다.

∘‘지반개량공사’의 에너지 소비량 : 12.54L (사용 에너지원 : 경유)

∘경유의 순발열량 : 8,420kcal/L

∘경유의 온실가스배출계수 : 0.000310kgCO₂/kcal (IPCC, 2006)

∘장비 사용에 따른 탄소배출량 산정 : Eq. (6) 적용0.0327 tCO₂ = 12.54L × 8,420kcal/L × 0.000310kgCO_₂/kcal × 1/1,000

여기서, 경유의 온실가스 배출계순 0.000310kgCO₂/kcal은 온실가스배출계수(tC/kcal), 산화율, 전한계수(44/12)(tCO₂/tC)를 CO₂배출계수로 환산한 값으로 74.1(tCO₂/TJ)×4.1868×10^-9(TJ/kcal)를 적용하여 얻은 값이다. 1kcal = 4.1868J로 한다.

이렇게 얻어진 경유 1L당 CO₂배출량을 바탕으로 각 장비의 시간당 CO₂배출량은 다음과 같이 산정한다. 장비사용에 따른 에너지 소비량은 작업량을 통해 장비 사용시간을 산정하고 연비를 곱하여 에너지 소비량을 산정한다. 장비별 에너지 소비량은 중기기초자료 및 에너지소비율(연비), 표준품셈 등을 바탕으로 산정하며, 기타 평가자가 인정하는 공신력 있는 자료를 사용하여 산정할 수 있다.

Table 3은 가이드라인에서 제시하는 건설장비의 탄소배출계수를 보여준다.

3.2 토공장비의 CO배출량 직접측정결과

본 연구에서는 백호, 덤프트럭, 롤러 및 불도저의 유속에 따른 CO₂량을 측정하기 위하여 먼저, 장비들의 정지 상태에서 rpm 값의 변화에 따른 CO₂농도 측정을 실시하였다. CO₂농도를 측정하기 위하여 일정한 용기에 배기가스를 포집 후 Fig. 3과 같은 COZIR사의 CO₂센서를 이용하여 CO₂농도를 측정한 결과 Back-hoe의 CO₂농도는 평균 2.48% 정도로 나타났으며, 덤프트럭의 CO₂농도는 약 1.7~2.5%로 평균 2.2% 정도되는 것으로 나타났으며, 롤러는 약 1.6~2.5%로 평균 2.08%, 불도저는 약 1.8~3.4%로 평균 2.6%로 나타났다.

다음으로 장비들의 작업형태에 따라 배출되는 배기가스의 유속을 측정하기 위하여 Fig. 4와 같이 Back-hoe의 배기구에 KURZ사의 유속센서를 설치하였으며, 유속센서를 알루미늄 관을 통과시켜 작업 시 주변공기유입과 같은 외부요인으로 인한 배기가스 유속변화를 최소화하였다.

또한 Back-hoe 작업형태에 따른 엔진회전수 변화를 측정하기 위하여 굴삭기의 계기판에 나타나는 RPM 값을 영상기기를 이용하여 촬영을 실시하였으며, 굴착 및 상·하차 작업을 진행하는 동안 유속 및 rpm 그리고 온도의 변화 값을 측정하였다. 또한 측정 데이터를 크게 굴착 및 상차 작업과 공회전으로 구분하여 분석을 실시하였다.

백호의 CO₂ 측정은 굴착 및 상차작업을 기준으로 1회 측정시간 15분∼45분으로 하고 총 8회 측정한 값을 평균하였다. 덤프트럭의 CO₂ 측정은 현장 내 운반작업을 1회 측정시간 10분∼20분으로 하고 총 19회 측정한 값을 평균하였다. 롤러의 CO₂ 측정은 현장 내 다짐작업을 1회 측정시간 5분∼28분으로 하고 총 11회 측정한 값을 평균하였다. 도자의 CO₂ 측정은 현장 내 굴착 및 운반작업을 1회 측정시간 5분∼12분으로 하고 총 23회 측정한 값을 평균하였다.

Table 4~7은 직접측정방식인 C-FVM을 통한 CO₂ 배출량을 산출한 결과를 유속, 유량, 온도, RPM 정보와 함께 보여준다.

건설장비는 작업상태(Work)와 대기상태(Idling)의 연료사용량이 다를 뿐만 아니라 이에 따른 CO₂ 배출량도 다르기 때문에 작업상황을 분석하여 대기상태를 적절한 비율로 적용할 수 있도록 구분하여 표기하였다.

3.3 CO₂배출계수 비교

국토해양부 가이드라인에서 제시한 CO₂ 배출계수와 C-FVM법으로 직접측정한 결과를 비교해 보면 Table 8과 같이 나타난다. 차이율은 최소 45.8%에서 최대 78.6%를 기록하고 있다. 이것은 연료사용량과 IPCC탄소배출계수에 의한 방법이 가지고 있는 문제점이라고 할 수 있다. 여기에 사용된 CO₂배출량은 실험에서 얻은 작업중(Working)일 때의 값이다.

이 문제점은 장비의 노후화에 따른 연소율의 차이, 연료의 문제, 대기압 변화, 대기온도를 비롯한 배기구의 온도영향 등을 반영하지 못하므로 해서 발생하는 차이인 것이라고 판단된다.

그러나 장비의 노후화로 인한 문제는 Table 9에서와 같이 CO₂ 측정대상 장비의 생산년도가 1990년에서부터 2012년까지 다양하게 분포하는 점을 감안하면 크게 영향을 미치지 않는다고 판단된다. 다만, 가장 최신기종인(2012년식) 백호의 경우 차이율이 45.8%로 다른 기종에 비해 상대적으로 적은 차이율을 보이고 있어서, 장비가 노후화 될수록 CO₂ 배출량은 이론식에 비해 적은 것으로 판단된다. 이것은 장비가 노후되면 연소성능이 떨어지면서 불완전연소가 발생하고 불완전 연소가 되면 CO₂ 배출량이 줄어드는 대신 다른 유해가스 배출이 늘어난다는 이론과 부합된다.

그러나 가장 최신기종의 경우에도 45%의 차이율을 보이는 것은 노후화만으로 설명하기 어려우며, 장기적인 관점에서 원인파악을 위한 연구가 추가로 진행되어야 할 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 도자, 롤러, 백호, 덤프트럭과 같은 토공장비를 대상으로 농도-유속측정(C-FVM) 기법을 이용한 직접측정방식으로 CO₂ 배출량을 산정하고, 국토해양부에서 제시한 배출계수와 비교분석 후 토공장비의 새로운 CO₂ 배출계수를 제시하고자 하였다.

연구의 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

첫째, 국토해양부 가이드라인과 직접측정한 결과의 차이율은 최소 45.8%에서 최대 78.6%를 기록하고 있다. 즉, 직접측정한 결과가 가이드라인 값보다 적다.

둘째, 이것은 연료사용량과 IPCC탄소배출계수에 의한 방법이 가지고 있는 문제점이라고 할 수 있다.

셋째, 차이의 원인으로 장비의 노후화로 인한 문제를 제기할 수 있는데 가장 최신기종인(2012년식) 백호의 경우 차이율이 45.8%로 다른 기종에 비해 상대적으로 적은 차이율을 보이고 있어서, 장비가 노후화 될수록 CO₂ 배출량은 이론식에 비해 적은 것으로 판단된다.

넷째, 직접측정결과 대기상태의 CO₂배출량이 작업상태의 배출량에 비해 훨씬 적다.

본 연구에서 측정하여 제시한 결과 값을 CO₂배출계수로 적용하기 위해서는 추가연구가 필요하지만 현재의 가이드라인 배출계수를 그대로 적용하기에는 실측정 값과 워낙 차이가 커서 전면적인 보완이 필요하다고 판단된다.