[논문]공정시스템과 제품의 환경성을 향상시키기 위한 전과정평가의 활용

임성린

doi:10.7464/ksct.2014.20.4.339

[국내논문] 공정시스템과 제품의 환경성을 향상시키기 위한 전과정평가의 활용
Application of Life Cycle Assessment to Enhance the Environmental Performance of Process Systems and Products 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.20 no.4, 2014년, pp.339 - 348

초록
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기업에서는 환경오염 문제를 사전예방하기 위해 전과정평가를 이용하여 공정시스템과 제품의 환경성을 향상시키려는 노력이 증가하고 있다. 전과정평가는 공정시스템과 제품의 전과정과 공급사슬에서 발생되는 환경부하를 선제적으로 저감하는 데 활용될 수 있기 때문에 친환경설계를 위한 주요 요소로서 인식되고 있다. 본 리뷰 논문에서는 공정시스템과 제품의 환경성을 향상시키기 위하여 전과정평가를 활용하는 방법론을 제시하고, 전과정평가를 이용한 친환경설계로서 공장내 용수 네트워크시스템과 전자제품의 한 종류인 휴대폰에 대한 사례를 소개하고자 한다. 친환경설계를 수행하기 위해서는 먼저 전과정평가를 이용하여 공정시스템과 제품의 구성요소에서 발생할 수 있는 환경부하를 정량적으로 평가분석하여 환경성에 많은 영향을 끼치는 주요 설계인자를 규명해야 한다. 이러한 주요 설계인자로부터 직접적, 간접적으로 발생하는 환경부하를 저감시키기 위해서는 최적화 기법과 같은 공학적 도구를 이용하거나 다양한 분야의 전문가가 공동으로 협력하여 환경부하의 발생 원인을 제거하고 최소화시키는 방법을 도출하여야 한다. 전과정평가를 이용한 친환경설계 방법론과 사례는 다양한 분야에서 응용될 수 있기 때문에 환경오염을 사전예방하여 우리 사회의 지속가능성을 향상시키는데 기여할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Life cycle assessment (LCA) has become an important tool used to enhance the environmental performance of process systems and products. LCA is an essential element in design for environment (DfE) because LCA can be utilized to evaluate and analyze environmental impacts incurred in the life cycle and supply chain. This review presents methodologies that can be used to integrate LCA into DfE activities and reduce environmental impacts from process systems and products; and introduces case studies for water supply systems and cellular phones. LCA is first used to quantify environmental impacts and identify the principal contributor to high impacts. In the next step, environmental impacts from principal contributors can be reduced by using mathematical optimization tools as an engineering and technological approach and by utilizing the cooperation of professionals from a diverse range of fields. Because the methodologies and case studies can be applied and extended to other fields, this review paper can contribute to helping prevent environmental pollution and enhance the sustainability of our society.

Keyword

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문제 정의

본 리뷰 논문의 목적은 공정시스템과 제품의 환경성을 향상시키기 위하여 전과정평가를 친환경설계에 적용하는 방법론을 제시하고, 용수네트워크시스템과 휴대폰의 친환경설계에 대한 전과정평가의 활용 사례를 소개하는 것이다. 공정시스템에 대한 친환경설계 방법론은 전과정평가를 적용하여 공정 시스템의 환경부하를 정량적으로 평가한 후 환경부하의 주요 인자를 규명하고, 이 주요 인자들의 환경영향을 최소화하기 위해 전과정평가를 수학적 최적화 모델에 접목시키는 것이다.
특히, 선진국에서 후진국으로 수출된 폐전자제품들이 낙후된 재래식 기술로 재활용됨에 따라 작업자와 지역주민의 보건과 주변 생태계에 악영향을 끼치고 있다. 또한, 첨단 기술의 발달로 새로운 기능과 물성을 가진 전자재료의 사용이 점점 증가하여 희토류 금속과 같은 자원이 부족할 수 있는 위험에 처하게 되었다. 전자제품과 관련된 환경문제에는 생산과 사용 단계에서의 에너지 사용과 관련된 환경영향도 고려되어야 한다.
휴대폰의 환경성을 향상시키기 위하여 휴대폰에 포함된 중금속 물질이 인체와 생태계에 미치는 영향을 평가하였다. TTLC를 이용하여 휴대폰에 일반적으로 많이 포함되어 있는 중금속의 질량은 Figure 11과 같다[18].

제안 방법

공정시스템에서 발생하는 환경부하를 계량화하기 위하여 전과정평가를 이용한다. 기존 공정시스템에 대하여 전과정평가를 실시하여 시스템 구성요소에서 발생하는 환경부하량을 다양한 환경범주별로 평가한다. 이 결과를 바탕으로 환경부하를 효과적으로 저감시키기 위하여 고려해야 할 주요 인자의 우선순위를 규명한다.
선정된 주요 인자들의 환경부하량을 수식화하기 위해서는 에너지 및 자원 사용량, 오염물질 배출량 등을 변수로 하고 전과정평가에서 사용되는 특성화인자(즉, 단위 사용량/배출량에 대하여 발생하는 환경영향)를 매개변수로 사용한다[14]. 시스템내의 물질과 에너지에 대한 수지식과 더불어 현장 상황과 제한사항을 수식화하고, 저감하려는 대상 환경부하를 최소화하기 위하여 목적함수를 수식으로 나타내어 공정시스템의 설계를 위한 수학적 최적화 모델을 도출한다. 수학적 최적화 모델의 최적해를 구하기 위하여 GAMS[15] 등과 같은 소프트웨어를 사용할 수 있다.
용수네트워크시스템의 친환경설계를 위해 필요한 수학적 최적화 모델을 개발하기 위한 구체적인 방법과 절차를 Figure 6에 나타내었다. 주요 환경영향 인자로 규명된 공업용수, 순수, 전기 사용량을 수식화하여 수학적 최적화 모델의 목적함수를 도출한다. 본 사례에서는 다양한 환경범주의 부하들을 동일한 단위로 통합하여 나타내기 위하여 EPS 2000 방법[12]을 사용하였다.
전자제품과 관련된 환경문제에는 생산과 사용 단계에서의 에너지 사용과 관련된 환경영향도 고려되어야 한다. 이렇게 전자제품과 관련된 환경영향은 매우 다양하나, 본 논문에서는 전자제품에 포함된 물질이 폐기 후 환경에 배출되어 야기시킬 수 있는 인체와 생태계의 독성 영향에 초점을 맞추었다.
먼저 전자제품에 포함된 유해물질의 함량을 평가하기 위해서는 산용액을 이용하여 전자제품을 용해시킨 다음 기기분석을 실시한다. 예를 들어, 전자제품에 포함된 중금속의 함량을 평가하기 위해 미국 캘리포니아 주의 total threshold limiting concentrations (TTLC)[14]를 이용할 수 있다.
전자폐기물이 처리되는 대표적인 과정을 고려하기 위해서 국가와 지역의 폐기물 관리 현황을 반영하여야 하고 물질의 독성학적 특성을 반영하기 위해서는 전과정평가의 특성화 인자를 사용할 수 있다[14]. 폐전자제품에 포함된 물질의 환경부하는 특성화 인자, 물질 함량, 제품 질량을 이용하여 계산한다[14]. 이렇게 정량적으로 평가된 물질의 환경영향을 서로 비교하면 환경영향이 큰 물질을 규명할 수 있다.
전과정평가를 친환경설계에 적용하여 공정시스템과 제품의 환경성을 향상시키기 위한 방법론을 제시하고, 이에 대한 이해를 돕기 위하여 용수네트워크시스템과 휴대폰의 사례를 보여 주었다. 전과정평가를 이용함으로써 공정시스템과 제품에서 발생하는 환경부하를 전과정과 공급사슬 관점에서 평가 분석하여 환경성을 향상시킬 수 있는 방안을 모색하여 설계에 반영할 수 있다.
전자제품에 포함된 물질이 폐기단계에서 환경에 배출되어 인체와 생태계에 미치는 영향을 평가하기 위하여 전과정평가를 이용한다. 전자제품에 들어 있는 다양한 물질들은 소각이나 매립과 같은 폐기물 처리 공정을 통하여 수계, 대기, 토양 등과 같은 매체를 통하여 환경을 오염시키기 때문에 물질의 이동경로와 독성학적 특성을 고려하여 물질의 독성영향을 평가하는 것이 필요하다[17].

이론/모형

공정시스템의 친환경 설계를 위해서는 시스템의 각 구성요소가 발생시키는 환경부하를 정량적으로 평가분석하고, 환경 영향력이 큰 주요 구성요소의 환경부하를 수식화하여 환경영향을 최소화할 수 있도록 수학적 최적화 모델을 개발하여야 한다. 공정시스템에서 발생하는 환경부하를 계량화하기 위하여 전과정평가를 이용한다. 기존 공정시스템에 대하여 전과정평가를 실시하여 시스템 구성요소에서 발생하는 환경부하량을 다양한 환경범주별로 평가한다.
주요 환경영향 인자로 규명된 공업용수, 순수, 전기 사용량을 수식화하여 수학적 최적화 모델의 목적함수를 도출한다. 본 사례에서는 다양한 환경범주의 부하들을 동일한 단위로 통합하여 나타내기 위하여 EPS 2000 방법[12]을 사용하였다. 이 방법은 환경부하와 같은 외부비용을 화폐 가치로 환산하기 위한 것으로서 환경경제학에 이론적 바탕을 두고 있다.

성능/효과

Figure 4에 나타난 두 시스템의 전과정 지구온난화영향을 평가하기 위하여 CML 2001 방법[11]을 적용한 결과를 Figure 5에 나타내었다. 두 시스템으로부터 발생하는 지구온난화영향의 대부분은 공업용수, 순수, 전기의 사용으로 발생하였으며, 용수네트워크시스템은 기존의 용수공급시스템보다 기후변화 대응 능력이 우수함을 알 수 있다[11]. 이러한 경향은 지구온난화영향 범주뿐만 아니라 다른 환경영향 범주에도 유사하였다[11].
개발된 수학적 최적화 모델의 최적해를 구하여 환경부하가 가장 낮은 용수네트워크시스템을 도출할 수 있다. Figure 7은 용수 사용량과 환경부하량을 각각 최소화할 수 있도록 설계한 용수네트워크시스템이다[12].
환경부하를 최소화한 용수네트워크시스템(environmental impactminimized water network system, EIWNS)은 순수 사용과 폐수 재이용을 위해 직접적, 간접적으로 필요한 전기 사용량을 감소시킴으로써 용수 사용량을 최소화한 시스템(freshwater flowrate-minimized water network system, FFWNS)보다 효과적으로 환경부하를 저감할 수 있었다. 즉, EIWNS에서는 공업용수의 사용량이 FFWNS보다 증가하지만 순수와 전기 사용량을 감소시켜 환경부하의 상충(tradeoff)을 최적화시킴으로써 시스템의 전체 환경부하를 최소화할 수 있었다. 이와 같이 전과정평가를 공학적 최적화 기법에 응용함으로써 공정시스템뿐만 아니라 제품에서도 환경 부하를 효과적으로 저감할 수 있을 것이다.
이 두 시스템에 대하여 주요 인자들의 환경영향지수를 평가 하면 Figure 8과 같다[12]. 환경부하를 최소화한 용수네트워크시스템(environmental impactminimized water network system, EIWNS)은 순수 사용과 폐수 재이용을 위해 직접적, 간접적으로 필요한 전기 사용량을 감소시킴으로써 용수 사용량을 최소화한 시스템(freshwater flowrate-minimized water network system, FFWNS)보다 효과적으로 환경부하를 저감할 수 있었다. 즉, EIWNS에서는 공업용수의 사용량이 FFWNS보다 증가하지만 순수와 전기 사용량을 감소시켜 환경부하의 상충(tradeoff)을 최적화시킴으로써 시스템의 전체 환경부하를 최소화할 수 있었다.

후속연구

제품에 대한 친환경설계 방법론은 제품에 포함되어 있는 물질이 폐기단계를 통해 인체나 생태계에 미칠 수 있는 영향을 전과정평가를 이용하여 평가하고, 독성이 있는 물질의 사용량을 저감시키거나 친환경 물질로 대체할 수 있도록 제품 개발과 관련된 다양한 전문가들이 협력을 하는 것이다. 본 리뷰 논문에서 소개된 친환경설계의 방법론과 사례들은 다양한 분야의 공정시스템과 제품에 응용될 수 있기 때문에 우리 사회의 환경성과 지속가능성을 향상시키는데 기여할 수 있다.
즉, EIWNS에서는 공업용수의 사용량이 FFWNS보다 증가하지만 순수와 전기 사용량을 감소시켜 환경부하의 상충(tradeoff)을 최적화시킴으로써 시스템의 전체 환경부하를 최소화할 수 있었다. 이와 같이 전과정평가를 공학적 최적화 기법에 응용함으로써 공정시스템뿐만 아니라 제품에서도 환경 부하를 효과적으로 저감할 수 있을 것이다.
구리 다음으로는 아연, 납, 니켈, 바륨, 주석 순서대로 많이 포함되어 있었으며, 나머지 중금속의 질량은 무시할 정도이다. 하지만 각 중금속의 독성학적 성질이 달라 구리의 독성이 가장 크다고 할 수 없기 때문에 중금속의 독성학적 특성을 고려한 추가 평가가 필요하다.
전과정평가를 이용함으로써 공정시스템과 제품에서 발생하는 환경부하를 전과정과 공급사슬 관점에서 평가 분석하여 환경성을 향상시킬 수 있는 방안을 모색하여 설계에 반영할 수 있다. 제품과 생산공정을 대상으로 하는 환경규제가 전세계적으로 강화되고 있고 기업에는 사회적 책임을 다하기 위해 지속가능성을 높이려는 노력이 증가되고 있기 때문에 전과정평가를 이용하는 공정시스템과 제품의 친환경 설계는 향후 기업의 생존을 위한 필수 요소가 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	청정생산과 친환경제품의 개발을 통한 환경오염 사전예방은 어떻게 진행되고 있는가?	청정생산과 친환경제품의 개발을 통한 환경오염 사전예방 활동이 전세계적으로 확산되고 있다. 선진국에서는 제품의 설계시 환경경제효율성(eco-efficiency)을 고려하여 경제성과 환경성을 동시에 향상시킬 수 있도록 하였다[4]. 특히, 생태산업단지(eco-industrial Park), 에코디자인(eco-design)과 같은 개념을 바탕으로 친환경적인 제품, 공정시스템, 서비스 등의 개발에 역점을 두고 있다[3,5-8]. 지구온난화 문제를 해결하기 위한 기후변화협약도 산업부문에서 온실가스 발생량을 감축할 수 있도록 요구하고 있다[9]. 한국에서는 “저탄소녹색성장 기본법”을 제정하여 이산화탄소·에너지 목표관리제와 배출권거래제를 추진하여 국내 산업구조를 친환경 체제로 변환시키고자 노력하고 있다[10]. 이와 같이 친환경 공정시스템과 제품을 개발하기 위한 정책적 노력이 증대되고 있기 때문에 친환경설계는 우리사회의 지속가능성을 높이는데 많은 기여를 할 것으로 예상된다.
	친환경설계를 수행하기 위해 선행되어야하는 과정은?	본 리뷰 논문에서는 공정시스템과 제품의 환경성을 향상시키기 위하여 전과정평가를 활용하는 방법론을 제시하고, 전과정평가를 이용한 친환경설계로서 공장내 용수 네트워크시스템과 전자제품의 한 종류인 휴대폰에 대한 사례를 소개하고자 한다. 친환경설계를 수행하기 위해서는 먼저 전과정평가를 이용하여 공정시스템과 제품의 구성요소에서 발생할 수 있는 환경부하를 정량적으로 평가분석하여 환경성에 많은 영향을 끼치는 주요 설계인자를 규명해야 한다. 이러한 주요 설계인자로부터 직접적, 간접적으로 발생하는 환경부하를 저감시키기 위해서는 최적화 기법과 같은 공학적 도구를 이용하거나 다양한 분야의 전문가가 공동으로 협력하여 환경부하의 발생 원인을 제거하고 최소화시키는 방법을 도출하여야 한다.
	전과정평가의 장점은 무엇인가?	환경부하는 설계 방법에 따라 설치, 운영, 폐기 단계들 사이에서 서로 전이되거나 상충될 수 있기 때문에 전과정을 동시에 고려하여 친환경설계를 해야 한다[12]. 전과정평가는 다양한 환경영향(예를 들면, 지구온난화, 자원고갈, 산성비, 광화학스모그 발생, 인체 및 생체 독성 영향 등)을 정량적으로 평가할 수 있기 때문에 공학적, 관리적으로 적용성과 응용성이 우수하다[13]. 전과정평가는 정량적인 특성으로 인해 공정시스템과 제품의 주요 설계인자를 쉽게 규명하는데 이용할 수 있으며 수학적이고 공학적인 응용이 가능하다.

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Dantes, http://www.dantes.info.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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