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문제 정의
- 본 연구에서는 대표적인 화석연료인 석유계 에너지원에 대한 열량 기준 및 탄소 배출계수를 개발하고자 하였다. 2012년과 2013년 국내에서 생산된 석유계 에너지원을 대상으로 하여 계절별로 시료를 수집하고, 발열량 및 탄소함량을 측정하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 대표적인 화석연료인 석유계 에너지원에 대한 열량 기준 및 탄소 배출계수를 개발하고자 하였다. 2012년과 2013년 국내에서 생산된 석유계 에너지원을 대상으로 하여 계절별로 시료를 수집하고, 발열량 및 탄소함량을 측정하였다. 석유계 에너지원 별로 산출된 순발열량과 탄소배출계수는 2006 IPCC 지침에 나타낸 값들(Kainou, 2005)과 비교하였다.
- 에너지 통계 및 기타 에너지 자료에서 연료의 생산 및 소비량은 에너지 단위로 나타내므로, 연료의 배출계수도 kg/TJ과 같이 단위 에너지 당 질량 형태로 나타낸다. IPCC 지침은 순발열량을 기준으로 탄소배출계수를 제시하고 있으므로, 본 연구에서는 순발열량을 사용하였다.
- 본 연구에서는 2012년과 2013년 국내에서 생산된 석유계 에너지원의 발열량 및 탄소함량을 측정하여 순발열량과 탄소배출계수를 산출하고 계절별 분석을 통해 시간 추세에 따른 변화를 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 부생연료유는 국내에서만 생산 및 소비가 이루어지고 있어 이에 상응하는 비교대상이 없기 때문에 부생연료유에 대한 순발열량 및 탄소배출계수는 2006 IPCC 지침의 기타 석유제품(other petroleum product)과 비교하였다. 등유형 부생연료유는 순발열량과 탄소배출계수 모두 기타 석유제품의 상한과 하한 범위 내의 값을 보인다.
- 5 g의 시료가 측정에 사용되었다. 비휘발성 제품은 시료를 직접 시료 컵에 담아 측정하였으며, 휘발성 제품은 측정 중 시료의 손실을 막기 위해 시료를 젤라틴 캡슐에 넣은 후 이를 시료 컵에 담아 측정하였다. 시료 컵에 담겨진 시료는 3.
- 시계열 분석은 2012년과 2013년 얻어진 결과를 계절별로 구분하고 각 계절에서의 결과를 비교하는 방법을 사용하였다. 각각의 연도에 대해 4개의 계절에 대한 결과가 얻어졌으므로, 총 8개의 지점이 시계열 분석 대상이 되었다.
- 기기에 도입된 시료는 산소 분위기 하의 900℃ 연소로에서 연소되어 탄소는 CO2, 수소는 수증기(H2O)로 전환된 후 가스크로마토그래프(GC)를 통해 탄소 및 수소 함량이 결정되었다. 시료의 수소 함량은 총발열량으로부터 순발열량을 산출하는데 사용하고, 시료의 탄소 함량은 탄소배출계수를 산출하는데 사용하였다.
- 0 MPa의 산소 분위기 하에서 열량계의 봄베 속에서 연소되었고, 연소 전후의 온도 차이로부터 연료의 발열량이 구해졌다. 측정된 시료의 황 함량이 0.1 wt% 이하인 경우는 측정된 값을 시료의 총발열량으로 결정하였고, 황함량이 0.1 wt%를 초과하는 경우는 ASTM D240에 따라 황 함량에 의한 영향을 보정한 값을 총발열량으로 결정하였다.
대상 데이터
- 시계열 분석은 2012년과 2013년 얻어진 결과를 계절별로 구분하고 각 계절에서의 결과를 비교하는 방법을 사용하였다. 각각의 연도에 대해 4개의 계절에 대한 결과가 얻어졌으므로, 총 8개의 지점이 시계열 분석 대상이 되었다. 그림 1에 시간 추세에 따른 석유계 에너지원의 순발열량 변화를 나타내었다.
- 석유계 에너지원의 발열량은 액체 탄화수소 연료의 열량을 측정하는 표준시험방법인 ASTM D240에 따라 측정하였다(ASTM, 2009). 발열량 측정에는 봄베 열량계(6400 Calorimeter, Parr, USA)를 사용하였으며, 0.3~0.5 g의 시료가 측정에 사용되었다. 비휘발성 제품은 시료를 직접 시료 컵에 담아 측정하였으며, 휘발성 제품은 측정 중 시료의 손실을 막기 위해 시료를 젤라틴 캡슐에 넣은 후 이를 시료 컵에 담아 측정하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 생산 및 소비가 이루어지는 석유계 액체 연료 17종을 대상 에너지원으로 선정하였다. 연구에 사용된 시료는 각 제품이 생산되는 정유공장 및 석유화학회사로부터 수집하였으며, 시료는 금속제 캔을 이용하여 채취하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 생산 및 소비가 이루어지는 석유계 액체 연료 17종을 대상 에너지원으로 선정하였다. 연구에 사용된 시료는 각 제품이 생산되는 정유공장 및 석유화학회사로부터 수집하였으며, 시료는 금속제 캔을 이용하여 채취하였다. 시료의 수집은 계절별로 겨울은 1월~2월, 봄은 4월~5월, 여름은 7월~8월, 가을은 10월~11월의 기간 동안 이루어졌다.
- 시료의 황 함량은 석유제품의 황 함량을 측정하는 표준 시험방법인 ISO 8754에 따라 측정하였다(ISO, 2003). 황 함량 측정에는 X-선 형광분석기 (SLFA2800, Horiba, Japan)를 사용하였으며, 5~10 mL의 시료가 측정에 사용되었다. 측정은 시료 당 100초간 진행되었고, 시료의 황 함량은 표준물질을 사용하여 미리 정해놓은 검량선으로부터 구해졌다.
데이터처리
- 2012년과 2013년 국내에서 생산된 석유계 에너지원을 대상으로 하여 계절별로 시료를 수집하고, 발열량 및 탄소함량을 측정하였다. 석유계 에너지원 별로 산출된 순발열량과 탄소배출계수는 2006 IPCC 지침에 나타낸 값들(Kainou, 2005)과 비교하였다.
- 2012년과 2013년 국내 석유계 에너지원에 대해 산출된 순발열량, 탄소함량 및 탄소배출계수를 표 2에 나타내었다. 순발열량과 탄소함량은 각 에너지원별로 해당 연도에 수집된 각각의 시료에 대해 산출된 값들의 평균값을 사용하였다. 예를 들어, 2012년 보통휘발유(regular motor gasoline)의 순발열량 값은 2012년에 수집된 보통휘발유 20개 시료 각각에 대한 순발열량을 산출한 후, 이들을 평균하여 얻어진 결과이다.
이론/모형
- 석유계 에너지원의 발열량은 액체 탄화수소 연료의 열량을 측정하는 표준시험방법인 ASTM D240에 따라 측정하였다(ASTM, 2009). 발열량 측정에는 봄베 열량계(6400 Calorimeter, Parr, USA)를 사용하였으며, 0.
- 순발열량은 ASTM D240에 따라 시료의 총발열량 및 수소함량을 바탕으로 다음과 같이 계산하였다(ASTM, 2009).
- 시료의 수소 및 탄소 함량 측정은 석유제품 및 윤활유의 수소, 탄소 및 질소 함량을 측정하는 표준 시험방법인 ASTM D5291에 따라 수행하였다(ASTM, 2010). 수소 및 탄소 함량 측정에는 유기원소분석기(Flash 2000, Thermo Fisher Scientific, Italy)를 사용하였으며, 1~2 mg의 시료가 측정에 사용되었다.
- 이때, 황산 생성열이 발생하므로, 측정된 발열량 값에서 황산 생성열을 빼주어야 정확한 총발열량 값을 산출할 수 있다. 시료의 황 함량은 석유제품의 황 함량을 측정하는 표준 시험방법인 ISO 8754에 따라 측정하였다(ISO, 2003). 황 함량 측정에는 X-선 형광분석기 (SLFA2800, Horiba, Japan)를 사용하였으며, 5~10 mL의 시료가 측정에 사용되었다.
성능/효과
- 1) 석유계 에너지원의 순발열량과 탄소배출계수는 계절 단위의 시간 추세에 따라 달라지는 경향을 보였지만, 2012년과 2013년의 값들은 서로 비슷한 결과를 보이며 연단위의 순발열량과 탄소배출계수는 대체적으로 일정한 값을 가지는 것으로 분석되었다.
- 2) 휘발성 에너지원과 잔사유가 비휘발성 증류 연료에 비해 순발열량과 탄소배출계수의 변화가 큰 경향을 보였으나, 순발열량의 변화가 컸던 에너지원 중 탄소배출계수의 변화가 작은 결과를 보이는 경우도 있어 순발열량의 변화와 탄소배출계수의 변화가 동일한 경향을 보이지는 않았다.
- 3) 가벼운 에너지원은 높은 순발열량과 낮은 탄소 함량으로 인해 탄소배출계수가 작은 경향을 보였으며, 무거운 에너지원은 낮은 순발열량과 높은 탄소함량으로 인해 탄소배출계수가 큰 경향을 보였다.
- 4) 2012년과 2013년 국내에서 생산된 석유계 에너지원의 순발열량을 2006 IPCC 지침의 기본값과 비교한 결과, 17개 에너지원 중 0.3% C 중유, 0.5% C 중유, 윤활기유를 제외한 14개 에너지원이 IPCC 지침의 상한 및 하한 범위내의 값을 보였으며, 상한 및 하한 범위를 벗어난 3개 에너지원을 포함한 11개 에너지원이 IPCC 순발열량 기본값과 2% 이상 차이를 보였다.
- 5) 석유계 에너지원의 탄소배출계수도 17개 에너지원 중 용제 1호, 용제 2호, 중유형 부생연료유를 제외한 14개 에너지원이 IPCC 지침의 상한 및 하한 범위내의 값을 보였으며, 상한 및 하한 범위를 벗어난 3개 에너지원을 포함한 8개 에너지원이 IPCC 탄소배출계수 기본값과 2% 이상 차이를 보였다.
- 석유화학제품을 생산하는 과정 중에 만들어지는 부생연료유(by-product fuel oil)는 등유형과 중유형의 두 가지로 나뉘는데, 각각 등유 및 중유와 비슷한 순발열량 값을 보였다. 그러나 탄소함량에 있어서 등유형 부생연료유는 등유와 비슷한 값을 보이는데 반해 중유형 부생연료유는 중유보다 높은 탄소함량을 보여 중유보다 큰 탄소배출계수를 가진다는 것을 예측할 수 있었다.
- 그림에서 보여지듯 용제 1호, 용제 2호, 중유형 부생연료유를 제외한 대부분의 에너지원이 2006 IPCC 지침의 상한과 하한 범위 내의 값을 보인다. 상한과 하한 범위를 벗어나는 용제 1호와 용제 2호는 2006 IPCC 지침의 백유 (white spirit) 및 SBP(industrial spirit)와 비교하였는데 용제 1호와 용제 2호의 순발열량이 2006 IPCC 지침의 기본값보다 높아 하한의 범위를 벗어나는 탄소배출계수를 보였다.
- 석유화학제품의 생산과정 중에 얻어지는 부생연료유도 비휘발성 에너지원과 비슷한 경향을 보이며 중 유형 부생연료유가 등유형 부생연료유보다 큰 순발열량의 변화를 보였다. 엔진오일, 유압작동유 등 적용대상에 따라 폭넓은 성상을 가지는 윤활기유도 종류의 다양성으로 인해 비교적 큰 순발열량의 변화를 보였다.
- 순발열량의 변화는 용제, 나프타와 같은 휘발성 에너지원이 경유, 항공유 등의 비휘발성 에너지원에 비해 큰 경향을 보이지만, 비휘발성 에너지원 중에서도 중유, 아스팔트와 같이 증류 잔류물로 구성되는 무거운 잔사유(residual fuel oil)는 비교적 큰 순발열량의 변화를 보였다. 다만, 탈황 공정을 통해 황 함량을 낮춘 0.
- 이상에서 살펴본 바와 같이 2012년과 2013년 국내 석유계 에너지원의 순발열량과 탄소배출계수 대부분이 2006 IPCC 지침의 상한과 하한 범위 내의 값을 보이지만, 국내 휘발유의 순발열량은 IPCC 기본값과 3~4%, 탄소배출계수는 2~4% 정도의 차이를 보이고, 국내 항공유의 순발열량과 탄소배출계수는 IPCC 기본값과 2~3% 정도의 차이를 보이는 등 국내 17개 에너지원 중 11개 에너지원이 순발열량에서 IPCC 기본값과 2% 이상 차이가 나는 결과를 보였고, 8개 에너지원이 탄소배출계수에서 IPCC 기본값과 2% 이상 차이가 나는 결과를 보였다. 이는 이들 기본값이 각 국가로부터 수집된 자료를 토대로 산출된 값으로 국가별 또는 지역별 사용하는 석유계 에너지원의 순발열량 및 탄소함량 차이를 반영하지 못하기 때문이다.
- 단위 무게 당 에너지로 나타내는 순발열량은 밀도가 작을수록 단위 무게 당 부피가 커지므로, 일반적으로 나프타(naphtha)와 같은 가벼운 에너지원이 중유(heavy fuel oil)와 같은 무거운 에너지원보다 큰 값을 보였다. 탄소함량은 순발열량과는 반대로 나프타와 같은 가벼운 에너지원이 중유와 같은 무거운 에너지원보다 작은 값을 보였다.
후속연구
- 본 연구를 통해 산출된 국가 고유의 석유계 에너지원별 순발열량과 탄소배출계수는 에너지 분야에서 우리나라 실정에 맞는 국가 온실가스 인벤토리 구축에 활용되고 계절별, 연도별 시간 추세에 따른 배출 계수 변화 추이 분석을 위한 자료로 활용할 수 있을 것이다.
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