석고보드 라이너의 전과정 환경영향평가에 관한 연구

본 연구는 openLCA를 활용하여 석고보드 라이너 전과정에서 발생하는 잠재적 환경영향 범주(기후변화, 자원소모, 에너지 사용 등)를 정량화한다. 특히, climate change 범주를 중심으로 process별 환경영향을 분석하여 주요 온실가스 배출 process을 규명한다. 석고보드 라이너 전과정에서 발생하는 climate change 범주의 인벤토리를 CML v4.8 2016 방법론을 통해 정량화한 후, 이를 IPCC에서 정의한 6대 온실가스(CO₂, CH₄, N₂O, HFCs, PFCs, SF₆)로 그룹화하고, 가중화 단계를 통해 Korea ETS와 EU ETS 등 주요 국가 및 지역의 온실가스 배출권 거래 가격을 적용하여 석고보드 라이너 생산의 전과정에서 발생하는 온실가스 배출량에 따른 경제적 환경비용을 정량화한다.

석고보드 라이너의 기능단위(function unit)를 1 kg으로 설정하여 전과정에서 발생하는 온실가스 배출량, 폐기물, 에너지 소비량 등을 정량적으로 평가하고, 비교주장을 위한 기준으로 활용하고자 한다.

또한, 환경성적표지 작성지침의 건축자재(생산재) 부문에서 제시한 cradle-to-gate 시스템경계 설정 기준을 적용하여 분석 범위를 설정하였다. 설정된 시스템경계는 원료 취득부터 제품 제조 완료 시점까지의 과정을 포함하였다. A1 및 A2 단계를 제조전단계로, A3 단계를 제조단계로 구분하였으며, 열린 고리 재활용(open-loop recycling)의 extraction load 방식을 적용하여 주원료인 재활용 자재의 환경영향을 반영하였다. 전체 시스템경계를 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1. System boundary of plasterboard liner.

Download Original Figure

A1 단계는 국내·외 원료물질(폐골판지, 폐지 등), 보조물질(전분, 약품 등)의 생산 및 수급 과정에서 발생하는 자원 소비와 환경 부하가 포함된다. A2 단계는 원료물질 및 보조물질을 제조 공장으로 운송하는 과정에서 발생하는 연료 소모와 대기 배출물(CO₂, NOx 등)이 포함된다.

A3 단계는 석고보드 라이너의 생산 공정을 다루며, 주요 공정은 펄핑, 조성, 건조, 마무리 단계로 구성된다. 이 단계에서는 전력과 열에너지의 사용, 물 소비, 그리고 공정 중 발생하는 폐수 및 고형 폐기물의 처리 과정이 포함된다. 전체 제조 공정의 흐름을 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2. Process diagram for manufacturing process of plasterboard liner.

Download Original Figure

이에 따라, 석고보드 라이너 제조 과정에서 발생하는 환경 부하를 정량적으로 평가하기 위해 ISO 14044 국제 표준과 환경성적표지 작성지침을 참고하여 LCA 모델링 및 해석 조건을 설정하였다[9].

본 연구에서 주로 다루고자 하는 환경영향 평가는 climate change 범주가 포함된, CML v4.8 2016 방법론을 적용하였다.

LCI 데이터는 현시점에서 가장 최신이며, openLCA에서 활용할 수 있는 ecoinvent v3.10 데이터베이스를 적용하였다. 데이터는 1차 데이터와 2차 데이터로 나뉘어 활용하였다. 1차 데이터는 제조업체와 협력업체에서 수집한 현장 데이터로 구성하였다. 직접적인 데이터 확보가 어려운 경우, 2차 데이터로 산업계 평균 전과정 목록 데이터를 활용하였다.

해외 수송 거리는 환경성적표지 작성지침 부속서 B의 권역별 표준 데이터를 적용하였다.

데이터 모델링 과정에서는 제외 기준(cut-off) 원칙을 적용하여, 제품 제조 단계에서 투입되는 물질 중 누적 질량 기준 상위 95% 이상 기여하는 물질에 대해 환경성적을 산정하였다.

또한, 사업장의 총생산량 대비 대상 제품 생산량 비율(64.79 %)에 따라 할당을 진행하였다. 제조 공정에서 발생하는 일부 폐기물의 경우, 사업장 내부 소각로에서의 완전연소를 가정하여 분석을 진행하였다.

목록분석 단계에서는 석고보드 라이너의 전과정에서 사용된 자원과 배출된 물질을 정리 및 정량화하였다. 이에 범위 설정 단계에서 설정한 시스템경계(A1-A3)에 해당하는 데이터를 ecoinvent v3.10 데이터베이스와 연결하였다. 목록화한 투입/산출물과 사용한 ecoinvent 데이터베이스 목록을 Table 1, 2에 나타내었다.

분류화 단계에서는 목록분석 단계에서 도출된 데이터를 환경영향 범주별로 분류하였다. 본 연구에서는 기후변화(climate change) 범주에 중점을 두어 분석하였다. 이에 따라, 분류화를 통해 주요 발생원에서 carbon dioxide(fossil), methane(fossil), dinitrogen monoxide, sulfur hexafluoride가 배출되는 것을 확인하였다. 분류화 결과, 주요 발생원 일부를 Table 3에 나타내었다.

특성화는 분류화 단계에서 도출된 물질 및 배출 항목에 대해 특정 환경영향 범주로의 기여도를 정량적으로 평가하였다. 이를 위해 CML v4.8 2016 방법론의 climate change 범주를 포함한 다양한 환경영향 범주에 대한 특성화 인자를 적용하였다. 이를 통해 도출한 특성화 결과를 Table 4에 나타내었다.

정규화는 특성화 단계를 통해 산출된 환경영향을 설정한 기준으로 범주별 비교가 가능하도록 조정하는 과정이다[10]. 본 연구에서는 CML normalisation factors, World 2000 정규화 인자를 적용하였다[11]. 이를 통해 각 환경영향 범주별 상대적 중요도를 평가하여 정규화 결과를 Table 5에 나타내었으며, 범주별 정규화된 값을 연간 단위 환경 부하(yr/fu.)로 표현하였다. Climate change(2.993%)는 5번째로 높은 기여도를 보이는 것으로 확인되었다.

그룹화 단계에서는 석고보드 라이너의 전과정에서 발생하는 climate change 범주 값을 IPCC에서 지정한 6대 온실가스로 분류하여 그룹화하였다. 이 과정은 전과정의 climate change 범주의 배출 데이터를 기반으로 수행하였으며, 그룹화 결과를 Table 6에 나타내었다.

가중화 단계는 환경비용법 중 오염처리비용법(tellus method)을 적용하였다. 그룹화 단계에서 도출된 6대 온실가스를 기반으로, 각국의 2023년 평균 온실가스 배출권 거래 가격(emission trading scheme, ETS)을 적용하여 석고보드 라이너의 전과정 배출량에 따른 환경비용을 산출하였다. 이를 통한 석고보드 라이너 1 kg당 전과정에서 발생한 6대 온실가스 배출량(6.24E-01 kg CO₂-Eq)의 가중화 결과 일부를 Table 7에 나타내었다.

ETS 기반 환경비용 산정은 국가별 탄소시장 구조와 가격 변동성, 배출권 정책 등에 따라 결과가 달라질 수 있다. 본 연구에서는 제품 단위의 총배출량을 평균 탄소가격으로 환산하여 환경비용을 평가하였으나, 실제 기업의 재무적 탄소관리에서는 scope별 배출 구분, 배출권 할당량 및 부과 기준 등에 따라 큰 차이가 발생할 수 있다. 따라서 향후 연구에서는 배출 범위별 정교한 모델링과 탄소가격의 시계열적 변동성을 고려한 시나리오 분석이 요구된다.

목록분석과 영향평가 결과를 기반으로 전과정 해석을 수행하였다. 특히, climate change 범주에 대한 상세 분석 결과를 중심으로 전과정 해석을 수행하였다. Climate change 범주는 온실가스 배출로 인한 지구온난화의 영향으로 6.24E-01 kg CO₂-Eq로 정량화되었으며, 주요 영향 물질을 Fig. 3에 나타내었다. 석고보드 라이너 1 kg 생산 시 전과정에서 carbon dioxide, fossil가 89.55%로 가장 높은 기여도를 나타냈으며, 그 다음으로 methane, fossil(7.93%) 및 carbon dioxide, from soil or biomass stock(1.25%) 순으로 나타났다.

Fig. 3. Contribution of major impact flow in climate change (2023).

Download Original Figure

Table 8은 6대 온실가스로 그룹화한 climate change 범주의 주요 기여 요인 및 상대적 기여도를 나타내었다.

본 연구에서 정량화한 석고보드 라이너의 환경영향 결과의 신뢰도 검증을 위해 유사 골판지 계열 제지제품 containerboard, linerboard와 제품 유닛에 대한 비교 분석을 수행하였다. 본 연구는 생산단계(A1-A3)까지를 시스템경계를 설정하였다. 이에 따라, 본 연구와 비교 대상 제품에 동일한 조건을 적용하기 위해 생산단계까지의 ecoinvent v3.10 LCI 데이터베이스를 활용하였다. 사용한 데이터는 ‘containerboard production, linerboard, kraftliner | containerboard, linerboard | Cutoff, S – RoW’이다[12]. CML v4.8 2016 평가 방법론을 적용하여 동일한 환경영향 범주 결과를 도출하여 Fig. 4에 나타내었다. 비교 결과 containerboard, linerboard(1 kg)의 climate change는 6.82E-01로 나타났으며, 본 연구 결과 대비 5.74E-02 높은 것으로 나타났다. Climate change를 제외한 환경영향 범주의 평균은 1.12E+02로 본 연구 결과 대비 6.93E+01 낮은 환경영향을 미치는 것으로 나타났다.

Fig. 4. Comparison of containerboard and linerboard (1 kg) and this study.

Download Original Figure

석고보드 라이너의 climate change 범주의 환경영향을 정량적으로 비교하기 위해 독일의 Hamburger Containerboard GmbH사의 SpreeGips Plasterboard Liner(1 ton) The International EPD System 사례를 활용하였다[13]. 이에 따라, 본연구와 비교 대상 제품에 동일한 조건을 적용하기 위해 기능단위를 1 kg으로 환산하였으며, A1-A3 단계의 Climate Change 범주의 환경영향을 비교 분석하였다. Fig. 5는 두 사례의 climate change 범주에 대한 비교 결과를 보여준다. 분석 결과, SpreeGips Plasterboard Liner의 climate change 값은 6.23E-01로, 본 연구 결과 대비 3.20E-02 낮은 환경영향을 나타냈다.

Fig. 5. Comparison of spreeGips plasterboard liner (1 kg) and this study.

Download Original Figure

본문과 해외 EPD 사례 간의 온실가스 배출량 차이 3.20E-02 kg CO₂-Eq는, 본문에서는 CML v4.8 방법론을, 해외 EPD 사례에서는 EF3.1 EN15804+A2 방법론을 적용한 데에서 기인한 차이로 나타났다. 양 사례는 지리적 대표성, 제품범주규칙(product category rules, PCR) 등에서도 차이를 보이므로, 수치 간 직접적인 비교보다는 상대적 경향성과 주요 기여 요인 분석에 중점을 두어 해석하였다. 향후 연구에서는 동일한 평가 방법론, 데이터베이스(DB), PCR 조건을 적용한 정합성 있는 비교 분석이 필요하다.

또한, 현재 국내에서 운영되고 있는 환경성적표지제도에서 7대 환경영향 범주에 대한 환경성 정보를 정량적으로 산정할 때 활용 중인 에코스퀘어 프로젝트를 본 연구와의 비교 분석에 활용하였다. 이를 위해 동일한 시스템경계와 목록분석 범위를 적용하여 석고보드 라이너의 LCA를 수행하고, 그 결과를 비교 분석하였다. 이에 따라, 본 연구에서 도출한 환경영향 결과 중 비교 가능한 범주와 비교 분석을 진행하였으며, Fig. 6에 환경영향 범주별 비교 결과를 나타내었다. 비교 결과, 에코스퀘어 프로젝트의 환경성적의 평균은 1.34E-01로 본 연구 결과 대비 6.84E-03 높은 환경영향을 미치는 것으로 나타났다. 이러한 차이는 적용한 LCI 데이터베이스의 차이에 의한 것으로 사료된다.

Fig. 6. Comparison of ecosquare project (EPD) and this study.

Download Original Figure