세척 방식에 따른 다회용 텀블러의 환경적 손익분기점 분석: 일회용 종이컵 및 PET 컵과의 전과정 온실가스 배출량 비교

본 연구는 ISO 14040 및 ISO 14044에서 제시하는 전과정평가(life cycle assessment, LCA)의 기본 원칙과 절차에 따라 수행하였다. 전과정 목록 구축에는 국내 통계 및 제품별 공개자료와 함께 ecoinvent database version 3.12의 Allocation, cut-off by classification 시스템 모델을 활용하였다[7]. 기후변화 영향은 IPCC AR6의 100년 기준 지구온난화지수(GWP100)를 적용하여 CO₂-equivalent로 평가하였다.

국내 전력 및 연료 공급에 따른 온실가스 배출계수는 한국의 에너지 공급 특성을 반영한 Korean GREET 기반 자료를 활용하였다. GREET(greenhouse gases, regulated emissions, and energy use in technologies)는 미국 Argonne National Laboratory에서 개발한 전과정 에너지 및 온실가스 분석 모델이며, Korean GREET는 이를 국내 연료 수입, 수송 및 에너지 공급 구조에 맞게 수정·확장한 모델이다. Choi and Song은 국내로 수입되는 천연가스의 생산, 액화, 해상운송, 저장 및 기화 등의 공급경로를 반영하여 천연가스의 well-to-wheel(WTW) 온실가스 배출량과 에너지 사용량을 분석하였다[8]. Jang and Song은 이러한 국내 WTW 분석 체계를 휘발유와 경유 등 석유계 연료로 확장하여 국내 연료 공급경로에 따른 온실가스 배출량과 에너지 사용량을 분석하였다[9]. Choi and Song은 이후 해상운송을 통해 연료를 수입하는 국내 에너지 공급 특성과 전력생산 구조를 반영하여 전기자동차의 WTW 온실가스 배출량을 평가하였다[10]. Choi et al.은 국내 에너지 정책 및 전력·연료 공급구조를 반영하여 기존 및 대체 차량의 온실가스 배출량을 분석함으로써 Korean GREET 기반 국내 WTW 분석체계를 확장하였다[11].

본 연구에서는 Microsoft Excel 기반의 Korean GREET 모델을 계산에 활용하였다. 전력의 경우 2024년 한국전력통계의 발전원별 발전량과 Korean GREET에 구축된 발전연료 공급단계 배출계수를 적용하였다[12]. 천연가스 배출계수는 LNG 생산, 액화, 해상운송, 저장 및 기화 등 국내 공급경로를 직접적으로 분석한 Choi and Song의 연구를 기반으로 적용하였다[8].

본 연구의 목적은 12온스(약 355 mL) 일회용 종이컵, PET 컵 및 스테인리스 텀블러의 전과정 온실가스 배출량을 비교하고, 텀블러의 반복 사용 및 세척 조건에 따른 환경적 손익분기점을 분석하는 데 있다. 기능단위는 약 355 mL의 음료를 1회 제공하기 위한 컵의 사용으로 정의하였다. 모든 제품은 원료 생산, 제조, 운송 및 사용 후 처리를 포함하는 cradle-to-grave 범위로 평가하였으며, 텀블러는 반복 세척에 따른 사용 단계 부하를 추가로 고려하였다(Fig. 1). 모든 제품은 서울에서 최종 사용되는 것으로 가정하였다.

Fig. 1. Life cycle system boundaries of the paper cup, PET cup, and reusable tumbler systems.

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본 연구에서 환경적 손익분기 사용 횟수(environmental break-even number of uses)는 텀블러의 누적 온실가스 배출량이 동일한 횟수만큼 사용한 일회용 컵의 누적 온실가스 배출량보다 낮아지는 최소 사용 횟수로 정의하였다. 텀블러의 누적 배출량은 제품 생산, 운송 및 사용 후 처리에서 발생하는 제품 단위 고정 배출량과 매회 발생하는 세척 배출량의 합으로 산정하였다.

텀블러의 누적 사용 횟수를 N, 텀블러 생산, 운송 및 폐기 배출량을 E_t, 세척 1회 배출량을 E_w, 일회용 컵의 1회 사용 배출량을 E_d라 할 때, E_t + NE_w < NE_d 를 처음으로 만족하는 최소 정수 N으로 산정하였다. 세척 1회 배출량이 일회용 컵 1회 사용 배출량 이상이면 사용 횟수와 관계없이 손익분기점이 형성되지 않는 것으로 판단하였다.

12온스 컵 1회 사용을 기준으로 전과정 온실가스 배출량을 산정한 결과, 종이컵은 42.8 g-CO₂-eq., PET 컵은 77.8 g-CO₂-eq.로 나타났다(Fig. 2). PET 컵의 배출량은 종이컵보다 약 81.8% 높았다.

Fig. 2. Greenhouse gas emissions of paper and PET cups by life-cycle stage.

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두 제품 모두 원료 생산 단계가 가장 큰 비중을 차지하였으며, 사용 후 처리(end-of-life, EoL) 단계도 전체 배출량에서 상당한 비중을 나타냈다. PET 컵은 신재 PET 70%와 재생 PET 30%의 혼합 시나리오를 적용하였음에도 PET 소재 생산의 환경부하가 높아 종이컵보다 높은 전과정 배출량을 나타냈다. 종이컵의 소각 단계에서는 종이 섬유의 생물 기원 CO₂를 제외하고, PE 코팅층 및 PP 뚜껑 등의 화석 기원 배출을 반영하였다.

제조 및 운송 단계의 기여도는 상대적으로 작게 나타났으며, 두 제품의 배출량 차이는 주로 원료 생산과 사용 후 처리 단계에서 발생하였다. 따라서 일회용 컵의 환경성은 재질 자체뿐 아니라 생산 및 폐기 조건을 함께 고려한 전과정 관점에서 평가할 필요가 있다.

제품별 생산, 운송 및 사용 후 처리에 따른 온실가스 배출량은 Stanley 텀블러가 988.4 g-CO₂-eq./개, Thermos 텀블러가 858.4 g-CO₂-eq./개로 산정되었으며, 평균은 923.4 g-CO₂-eq./개였다. Stanley 텀블러는 재생 스테인리스강을 사용하였으나 본체 질량이 더 커 Thermos보다 높은 배출량을 나타냈다. 공정별로는 스테인리스강 소재 생산과 본체 성형의 기여도가 가장 컸으며, 뚜껑·실링재 생산, 운송 및 사용 후 처리의 기여도는 상대적으로 작았다(Fig. 3).

Fig. 3. Greenhouse gas emissions of reusable tumblers by life-cycle stage.

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텀블러 1회 세척의 온실가스 배출량은 세척 방식에 따라 크게 달랐다(Fig. 4). 수동 냉수 세척(3 L)은 7.3 g-CO₂-eq./회로 가장 낮았으며, 발포 세정제 세척은 17.4 g-CO₂-eq./회, 수동 온수 세척은 31.9 g-CO₂-eq./회, 가정용 식기세척기는 39.4 g-CO₂-eq./회로 산정되었다. 텀블러 전용 세척기의 배출량은 111.7 g-CO₂-eq./회로 가장 높게 나타났다.

Fig. 4. Greenhouse gas emissions per washing cycle for different reusable tumbler washing methods.

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수동 온수 및 장비 세척은 물 가열 또는 전력 소비로 인해 냉수 세척보다 높은 배출량을 나타냈다. 특히 텀블러 전용 세척기는 1회 세척 배출량이 종이컵과 PET 컵의 1회 사용 배출량보다 높았다. 다만 해당 결과는 본 연구에서 적용한 전용 세척기의 물 및 전력 사용조건에 따른 결과이므로 실제 운전조건에 따라 달라질 수 있다.

수동 세척 시 물 사용량이 텀블러의 환경부하에 미치는 영향을 평가하기 위해 물 사용량을 1, 3 및 5 L/회로 변화시켜 민감도 분석을 수행하였다. Fig. 5와 같이 냉수 세척에서는 물 사용량 증가에 따른 온실가스 배출량 변화가 제한적이었으나, 온수 세척에서는 물 가열에 필요한 에너지로 인해 배출량이 크게 증가하였다.

Fig. 5. Sensitivity of greenhouse gas emissions to water use in manual tumbler washing.

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수동 냉수 세척의 온실가스 배출량은 물 사용량 1, 3 및 5 L에서 각각 5.7, 7.3 및 9.0 g-CO₂-eq./회로 산정되었다. 냉수 세척에서는 물 가열 에너지가 사용되지 않아 물 사용량 증가에 따라 상수도 공급과 하수 처리 부하만 증가하므로 배출량 변화가 상대적으로 적게 나타났다.

수동 온수 세척에서는 동일한 물 사용량 조건에서 각각 13.9, 31.9 및 50.0 g-CO₂-eq./회로 증가하였다. 이는 물 사용량 증가에 따라 상수도 및 하수 처리뿐 아니라 15°C에서 40°C까지의 물 가열에 필요한 에너지 소비가 함께 증가하기 때문이다.

이러한 결과는 기후변화 영향범주에서 세척수 사용량 자체보다 물의 가열 여부가 세척에 따른 온실가스 배출량에 더 큰 영향을 미침을 보여준다. 다만 냉수 세척에서 배출량 변화가 적다는 결과가 물 사용에 따른 환경영향 자체가 낮음을 의미하지는 않는다. 물 사용 관련 영향범주를 적용할 경우 시나리오 간 차이가 달라질 수 있으므로, 세척 방식의 환경성을 평가할 때는 가열 에너지와 세척수 사용량을 함께 고려할 필요가 있다.

종이컵과 PET 컵의 평균 배출량인 60.3 g-CO₂-eq./회를 대표 일회용 컵의 비교 기준으로 적용하였다. Fig. 6과 같이 수동 냉수 세척에서는 물 사용량 1, 3 및 5 L/회 조건에서 각각 17, 18 및 19회 사용 후 환경적 손익분기점에 도달하였다. 냉수 세척에서는 물 사용량에 따른 세척 배출량 차이가 작아 손익분기점의 변화도 제한적으로 나타났다.

Fig. 6. Environmental break-even number of uses for reusable tumblers under different washing methods.

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수동 온수 세척에서는 물 사용량 1, 3 및 5 L/회에서 각각 20, 33 및 90회로 손익분기 사용 횟수가 증가하였다. 이는 물 사용량 증가에 따라 물 가열에 필요한 에너지 소비가 증가하기 때문이다. 발포 세정제 세척에서는 22회, 가정용 식기세척기에서는 45회 사용 후 손익분기점이 형성되었다.

반면 텀블러 전용 세척기는 1회 세척 배출량이 111.7 g-CO₂-eq.로 대표 일회용 컵의 60.3 g-CO₂-eq./회보다 높아, 분석 조건에서는 사용 횟수와 관계없이 환경적 손익분기점이 형성되지 않았다. 전용 세척기의 물 사용량에 대한 공개자료가 제한적인 점을 고려하여, 물 사용량을 1 및 3 L/회로 변화시켜 추가적인 민감도 분석을 수행하였다. 그 결과 세척 1회당 온실가스 배출량은 두 조건 모두 약 111.66 g-CO₂-eq./회로 나타났으며, 조건 간 차이는 0.002 g-CO₂-eq./회 미만이었다. 이는 본 연구의 기후변화 영향범주에서는 전용 세척기의 물 사용량보다 전력 소비에 따른 온실가스 배출의 기여가 지배적이기 때문이다. 다만 이러한 결과는 물 사용에 따른 환경영향 자체가 중요하지 않음을 의미하지 않으며, 본 연구에서 수자원 소비 또는 물 부족과 관련된 영향범주를 평가하지 않았다는 점을 고려할 필요가 있다.

이에 전용 세척기의 환경적 손익분기점 형성 여부에 영향을 미치는 전력 소비의 임계값을 추가로 산정하였다. 물 사용량 등 다른 세척조건과 4분의 운전시간을 동일하게 유지할 경우, 전용 세척기의 소비전력이 약 1.39 kW 미만일 때 세척 1회당 온실가스 배출량이 대표 일회용 컵의 평균 배출량인 60.3 g-CO₂-eq./회보다 낮아져 환경적 손익분기점이 형성될 수 있는 것으로 나타났다. 이는 본 연구에서 적용한 소비전력 2.95 kW 대비 약 53% 낮은 수준이다. 따라서 전용 세척기의 손익분기점 미형성 결과는 모든 전용 세척기에 일반화하기보다, 본 연구에서 적용한 장비의 전력 소비조건에 따른 결과로 해석할 필요가 있다.

전체적으로 세척 방식에 따라 손익분기점은 17회에서 90회까지 크게 변화하였으며, 특히 온수 사용량과 장비 전력 소비가 증가할수록 텀블러의 환경적 이점을 확보하기 위해 더 많은 반복 사용이 필요한 것으로 나타났다.

본 연구에서 PET 컵과 종이컵 모두 원료 생산 단계의 기여도가 가장 크게 나타났으며, 사용 후 처리(EoL) 단계 역시 다음으로 높은 비중을 차지하였다. 이는 일회용 컵의 환경영향이 원료 생산뿐 아니라 EoL 조건에도 크게 영향을 받을 수 있음을 의미한다. Häkkinen and Vares는 carton-based cup과 PET cup을 대상으로 한 LCA에서 소재 선택과 EoL 시나리오가 환경영향 결과에 중요한 영향을 미침을 보고하였으며 [36], 본 연구 결과도 이러한 경향과 부합하였다.

다회용 컵의 환경성은 재사용 횟수와 세척 조건에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 본 연구의 환경적 손익분기점은 세척 조건에 따라 17–90회로 변화하였으며, 이는 세척 및 폐기조건에 따라 다회용 컵의 손익분기점이 달라질 수 있다고 보고한 Cottafava et al.의 결과와 일치한다[4]. 국내 연구에서도 다회용 컵과 텀블러의 재사용률과 세척 과정이 환경영향의 주요 변수로 제시된 바 있다[5]. 또한 Anand et al.은 paper cup을 기준으로 reusable PP 및 steel cup의 기후변화 영향 손익분기점이 약 54회라고 보고하였으며, 식기세척기 사용 시 환경영향이 증가하고 냉수 손세척 시 감소하는 것으로 나타났다[37]. 이러한 결과는 본 연구에서 세척 방식에 따라 손익분기점이 17–90회로 크게 달라진 결과와 유사하며, 특히 기존 연구의 54회가 본 연구의 산정 범위 내에 위치한다는 점에서 재사용 횟수뿐 아니라 세척 조건이 다회용 컵의 환경성을 결정하는 중요한 요인임을 보여준다. 다만 연구 간 손익분기 횟수의 차이는 제품 소재와 질량, 세척조건, 전력믹스 및 EoL 처리조건 등의 차이에서 기인할 수 있으므로 직접적인 수치 비교에는 주의가 필요하다.

이러한 결과는 다회용 컵의 환경적 이점을 확보하기 위해 단순한 보급 확대뿐 아니라 충분한 반복 사용과 저에너지 세척 방식이 함께 고려되어야 함을 시사한다. 특히 본 연구에서는 냉수 세척보다 온수 및 장비 세척에서 에너지 소비 증가에 따라 손익분기점이 크게 증가하였으며, 전용 세척기의 경우에도 회당 전력 소비가 손익분기점 형성 여부를 결정하는 중요한 요인으로 나타났다. 따라서 다회용 컵 관련 정책 및 소비자 이용지침에서는 보급률이나 회수율뿐 아니라 실제 재사용 횟수와 세척 과정의 물·에너지 소비를 함께 고려할 필요가 있다.