[논문]목재펠릿과 석탄의 단위 발열량에 따른 사회적 비용 비교 분석

이영영; 김준순

doi:10.5572/kosae.2017.33.4.403

[국내논문] 목재펠릿과 석탄의 단위 발열량에 따른 사회적 비용 비교 분석
Comparison on Social Cost by Unit Calorific Value between Wood Pellets and Coals 원문보기

한국대기환경학회지 = Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, v.33 no.4, 2017년, pp.403 - 410

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With the growing importance of GHG reduction, wood pellets are considered as a cheaper renewable energy and carbon neutral. On the other hand, there is a concern that the burning wood pellets may release even more air pollutants such as CO and VOCs. In this study, we analyzed the social costs of burning fuels including wood pellets and coals based on the unit calorific value. The social costs were calculated by sum of the import costs of the fuels and the emission costs of the air pollutants. The results showed that wood pellets are inferior to coals in the aspect of the social costs. It is necessary to improve the quality of the wood pellets and pellet boiler facilities for being used eco-friendly energy sources in the future. We suggest that the control facilities of CO and VOCs should be installed, if the control costs are lower than the pollution costs.

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문제 정의

본 연구에서는 온실가스와 국가에서 배출관리를 하고 있는 기타 대기오염물질의 배출까지 포함시켜 목재 펠릿과 석탄의 경제성을 비교 분석하고 목재펠릿의 단위 발열량에 따른 사회적 비용 (원/kcal)을 줄이기 위한 방안을 제시하였다.
본 연구에서는 보일러에 사용하고 있는 신재생에너지 목재펠릿과 석탄의 수입과 온실가스와 기타 대기오염물질의 방지와 배출과정에서 발생하는 비용 (원/kcal)의 합을 도출하고 목재펠릿을 연료로 선택하였을 때의 경제성 여부를 제시하였다. 대기오염물질은 기존의 GHG (CO₂, CH₄, N₂O)뿐 아니라 NO_X(NO, NO₂), SO_X, PM, CO와 VOC 여섯 종류를 포함하였다.
첫째, 목재펠릿과 펠릿보일러의 품질 개선이다. 둘째, CO와 VOC의 처리단가가 오염단가보다 저렴한 방지시설을 개발하고 설치하는 것이다. 셋째, PM과 NO_X의 방지시설 단가를 절감하고 방지효율을 높이는 것이다.

가설 설정

사회적 비용은 내적 비용과 외적 비용을 포함하는데 본 연구에서 연료별 내적 비용은 연료의 구입 비용과 연소 후 배출된 대기오염물질을 방지하는 데 발생하는 직접 비용으로 가정하고, 외적 비용은 방지시설을 거친 후, 대기오염물질이 대기 중에 배출된 오염으로 발생하는 사회적 피해 비용으로 가정하였다. 한국은 화석연료와 목재펠릿을 대부분 수입에 의존하고, 연료의 수입 비용에는 세금과 보조금 등 정책적 수단으로 발생한 비용이 배제되기 때문에 수입 비용을 구입 비용으로 사용하였다.
그러므로 연료별 사회적 비용 (C_f)은 연료의 수입 비용 과 대기오염물질 배출 비용 의 합으로 표현할 수 있고, 를 대기오염물질 방지 비용 과 대기오염물질 오염 비용 의 합으로 표현하면 식 1과 같다. 식 1에서 f의 범위를 목재펠릿과 1, 2, 3종 보일러에서 사용하고 있는 유연탄과 (비민수용) 무연탄으로 가정하였고 각 변수의 단위는 원/kcal로 단위 발열량에 따른 비용을 의미한다. 대기오염물질 방지 비용은 단위 발열량에 따른 대기오염물질 방지시설과 운영비를 포함한 비용을 의미한다.

제안 방법

·Δkix만큼 변하게 되는데, 우선 각 변수의 Cf 최대 절감 가능양으로부터 통제에 유리한 변수를 추정하였다.
본 연구에서는 #, F_fi, k_ix의 최저치, 대표치, 최고치를 각각 적용하여 C_f의 대표치와 가능한 범위 (Min.~Max.), 그리고 각 변수별 C_f의 변화에 미치는 영향을 도출하였다. 도출과정에서 대표치는 일부 적용 방법과 데이터를 명시한 경우를 제외하고 중간치를 적용하는 것을 기준으로 하였다.
석탄의 대기오염물질 배출계수와 목재펠릿 GHG 배출계수는 CAPSS (Clean Air Policy Support System)에서 제시한 2012년 기준 석탄 사용량이 가장 많은 배출원 공공발전일 때를 대표치로 적용하였다. GHG의 배출계수는 “공공부문 온실가스·에너지 목표관리 운영 등에 관한 지침”의 “온실가스 배출량 등의 산정방법”(별표4 제6조 제2항 관련)에 따라 도출하였다.
그러므로 목재펠릿의 수입 비용은 항상 유연탄보다 높고, 배출 비용도 목재펠릿이 적은 경우가 많지 않다. 대기오염물질 배출 비용은 대기오염물질별 배출 비용계수와 연료와 대기오염물질별 배출계수를 이용하여 도출되었다. 대기오염물질 GHG, NO_X, SO_X, PM, CO, VOC의 배출 비용계수는 11.
대기오염물질은 기존의 GHG (CO₂, CH₄, N₂O)뿐 아니라 NO_X(NO, NO₂), SO_X, PM, CO와 VOC 여섯 종류를 포함하였다. 또한, 목재 펠릿의 사회적 비용의 구성과 연료 종류 외의 기타 변수에 의한 비용 범위의 변화 특징을 비교 분석하여 목재펠릿의 사회적 비용 절감에 효과적인 수단을 제시하였다.
연료의 대기오염물질별 방지 비용 (#)은 연료의 대기오염물질별 배출계수 (Ffi) (kg/kcal)에 대기오염물질 및 시설별 방지효율 (Rix)을 곱하여 대기오염물질 방지량 (Ffi·Rix) (kg/kcal)을 도출 후(National Institute of Environmental Research, 2013), 대기오염물질 및 시설별 방지단가 (#)를 곱하여 도출하였다 (식 2).
그중, 목재펠릿은 “온실가스·에너지 목표관리 운영 등에 관한 지침” 제94조에 의하여 바이오에너지로서 탄소중립원칙을 지키기 때문에 최저치, 대표치를 구할 때에는 CO2의 배출량을 0으로 적용하고, 최고치를 구할 때에는 연소하여 배출되는 CO2의 배출량 112,000 kg/TJ을 적용하였다.
데이터를 적용하였다. 대기오염물질별 배출 비용계수의 대표치는 표 2 자료를 참고하여, 석탄을 가장 많이 사용하는 발전 부문에서 주로 사용하는 SNCR, 배연탈황시설, 전기집진기를 방지시설로 사용하였을 때의 방지효율 최저치와 최고치의 평균을 적용하고 시설에 따른 방지단가, 대기오염물질에 따른 오염단가를 적용하여 도출하였다 (Kim et al., 2004). 대기오염물질별 배출 비용계수의 최저치는 표2에서 방지효율의 최고치를 기준으로 효율이 가장 높은 시설을 선택하고, 그중에서 방지단가가 가장 낮은 시설을 사용한 경우를 기준으로 도출하였고 최고치는 최저치와 반대의 경우를 도출하였다.

대상 데이터

도출과정에서 대표치는 일부 적용 방법과 데이터를 명시한 경우를 제외하고 중간치를 적용하는 것을 기준으로 하였다. 비용과 관련된 데이터 #, #, #는 통계청 (kostat.go.kr) 국제통계연감의 GDP 디플레이터와 환율을 적용하여 2015년 기준으로 전환한 데이터를 사용하였고, #, F_fi는 에너지열량 환산기준(Korea Energy Economics Institute, 2015)의 총 발열량을 적용하여 단위를 각각 원/kcal, kg/kcal로 전환한 데이터를 사용하였다. 목재펠릿의 총 발열량은 Korea Forest Service (2016)의 경제적 분석 부분에서 제시한 4500 kcal/kg을 적용하였다.
kr) 국제통계연감의 GDP 디플레이터와 환율을 적용하여 2015년 기준으로 전환한 데이터를 사용하였고, #, F_fi는 에너지열량 환산기준(Korea Energy Economics Institute, 2015)의 총 발열량을 적용하여 단위를 각각 원/kcal, kg/kcal로 전환한 데이터를 사용하였다. 목재펠릿의 총 발열량은 Korea Forest Service (2016)의 경제적 분석 부분에서 제시한 4500 kcal/kg을 적용하였다.
#는 한국무역협회 (www.kita.net)에서 제시한 목재 펠릿의 수입 시작 연도인 2009년부터 2015년까지의 연도별 관세 전 총 수입액에 수입량을 나눈 데이터를 2015년 기준으로 전환한 후, 총 발열량을 적용하여 도출한 연료별 수입단비의 최저, 중간 (대표치), 최고치를 적용하였다.
본 연구에서는 보일러에 사용하고 있는 신재생에너지 목재펠릿과 석탄의 수입과 온실가스와 기타 대기오염물질의 방지와 배출과정에서 발생하는 비용 (원/kcal)의 합을 도출하고 목재펠릿을 연료로 선택하였을 때의 경제성 여부를 제시하였다. 대기오염물질은 기존의 GHG (CO₂, CH₄, N₂O)뿐 아니라 NO_X(NO, NO₂), SO_X, PM, CO와 VOC 여섯 종류를 포함하였다. 또한, 목재 펠릿의 사회적 비용의 구성과 연료 종류 외의 기타 변수에 의한 비용 범위의 변화 특징을 비교 분석하여 목재펠릿의 사회적 비용 절감에 효과적인 수단을 제시하였다.
온실가스 외, 기타 대기오염물질 배출계수 중 석탄은 “대기오염물질 배출계수 - 2012년 대기오염물질 배출량 기준 -” (National Institute of Environmental Research, 2015a)을 참고하였고 목재펠릿은 표 1에 제시한 데이터를 참고하였는데 National Institute of Environmental Research (2014)의 펠릿보일러시설의 배출계수를 대표치로 적용하였다.

이론/모형

GHG의 배출계수는 “공공부문 온실가스·에너지 목표관리 운영 등에 관한 지침”의 “온실가스 배출량 등의 산정방법”(별표4 제6조 제2항 관련)에 따라 도출하였다.
그러므로 GHG, CO, VOC의 방지효율은 0을 적용하였다 (표 2). 는 Ministry of Environment (2001)에서 제시한 방지시설별 대기오염물질을 방지하는 데 필요한 시설의 감가상각비를 포함한 운영비를 이용하여 도출한 단위 대기오염물질을 방지하는 데 드는 비용을 적용하였다. 온실가스의 오염단가 (C^p_GHG)는 한국거래소(www.
184원/kg (Kim, 2016)을 적용하였다. 온실가스 외의 대기오염물질 오염단가는 국내외 상관 연구를 종합한 후, NO_X, SO_X, PM, CO, HC의 사회적 피해 비용을 제시한 Lee and Choi (2012)의 연구결과를 적용하였다 (표 2). VOC의 단가는 Lee and Choi (2012)의 SO_X 사회적 피해 비용 11,452원/kg에 Holland et al.
석탄 배출계수 중의 황 함량은 “국가 대기오염물질 배출량 기초자료구축을 위한 표준 업무 절차서 - 2013년 배출량 기준 -” (National Institute of Environmental Research, 2016)을 참고하였다.

성능/효과

한국의 목재펠릿 공급량과 소비량은 2015년을 제외하고 지속적으로 증가하였는데, 2010년부터 2015년까지 연평균 전년대비 공급 증가율은 129%이고 소비 증가율은 128%였다 (Korea Forest Service, 2016). 그중, 국산과 수입산 모두 공급량과 소비량이 증가했지만, 2014, 2015년을 제외하고 2009년부터 2013년까지 수입산은 공급량이 소비량과 같은 반면, 국산은 공급량이 소비량보다 많았으며 국산의 소비량이 전체 소비량에서 차지하는 비율은 2009년의 34%로부터 4.6%로 떨어졌다.
목재펠릿의 사회적 비용은 대표치 기준으로 석탄보다 높게 나타났으며 무연탄의 2.8배, 유연탄의 7.6배이다 (그림 1). 그러나 목재펠릿의 최저치는 무연탄의 대표치, 유연탄의 최고치보다는 적게 도출되었는데, 이것은 목재펠릿이 더 경제적일 수도 있다는 것을 의미한다.
목재펠릿의 사회적 비용의 구성에서 가장 큰 비율을 차지하는 것은 CO의 배출 비용인데 약 전체의 75%이고, 다음으로 VOC의 배출 비용 13%, 수입 비용 9%, NO_X의 배출 비용 3%, PM의 배출 비용 1%이다 (그림 2). 목재펠릿의 CO와 VOC의 배출 비용은 석탄보다 현저하게 높게 나타났고, NO_X의 배출 비용도 석탄보다 높게 나타났다 (그림 2). 목재펠릿의 수입 비용은 유연탄의 1.
연료별 수입 비용과 대기오염물질별 배출 비용의 변화는 같은 양의 사회적 비용의 변화를 발생시키는데 각 비용의 통제를 통하여 사회적 비용을 절감할 수 있다. 목재펠릿 수입 비용 통제로 절감할 수 있는 사회적 비용은 최대 19원/Mcal로 무연탄과 같고 유연탄보다 많이 나타났다. 목재펠릿 대기오염물질 배출 비용의 통제로 절감할 수 있는 사회적 비용은 최대 348원/Mcal인데 사회적 비용 최대 절감량의 95%이고 목재 펠릿 사회적 비용 최고치의 73%이다.
목재펠릿 수입 비용 통제로 절감할 수 있는 사회적 비용은 최대 19원/Mcal로 무연탄과 같고 유연탄보다 많이 나타났다. 목재펠릿 대기오염물질 배출 비용의 통제로 절감할 수 있는 사회적 비용은 최대 348원/Mcal인데 사회적 비용 최대 절감량의 95%이고 목재 펠릿 사회적 비용 최고치의 73%이다. 목재펠릿 GHG, NO_X, SO_X, PM, CO, VOC 배출 비용의 통제로 절감할 수 있는 사회적 비용은 최대 5, 29, 1, 13, 288, 13원/Mcal이다.
목재펠릿은 석탄보다 사회적 비용 (원/kcal)이 높게 나타났다. 목재펠릿 사회적 비용의 주요 구성은 대기오염물질 배출 비용인데 전체 사회적 비용의 91% (대표치 기준)로 나타났다. 목재펠릿은 신재생에너지로서 수입 비용의 경쟁력도 석탄보다 낮다.
목재펠릿 사회적 비용의 절감은 주로 대기오염물질 배출 비용의 절감으로 실현할 수 있는데 주요 수단은 다음과 같다. 첫째, 목재펠릿과 펠릿보일러의 품질 개선이다. 둘째, CO와 VOC의 처리단가가 오염단가보다 저렴한 방지시설을 개발하고 설치하는 것이다.
둘째, CO와 VOC의 처리단가가 오염단가보다 저렴한 방지시설을 개발하고 설치하는 것이다. 셋째, PM과 NO_X의 방지시설 단가를 절감하고 방지효율을 높이는 것이다.
, 2004). 대기오염물질별 배출 비용계수의 최저치는 표2에서 방지효율의 최고치를 기준으로 효율이 가장 높은 시설을 선택하고, 그중에서 방지단가가 가장 낮은 시설을 사용한 경우를 기준으로 도출하였고 최고치는 최저치와 반대의 경우를 도출하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	신재생에너지의 개발과 사용이 점점 중요시되는 이유는 무엇인가?	화석연료의 사용에 따른 온실가스의 배출이 기후변화에 미치는 부정적 영향으로 신재생에너지의 개발과 사용이 점점 중요시되고 있다. 한국에서는 2015년의 신기후체제를 계기로 자체적으로 2030년까지 온실가스의 감축 목표를 개선 조치가 시행되지 않았을 경우 대비 37%로 결정하였다.
	신재생에너지공급의무화제도는 무엇을 의미하는가?	“제4차 신·재생에너지 기본계획”에서도 2035년까지 1차 에너지에서 신재생에너지의 비율을 11%까지 높일 것이라고 제시하였다 (Ministry of Trade Industry and Energy, 2014). 또한, 일정 규모 이상의 발전설비를 보유한 발전사업자에게 총 발전량의 일정 비율 이상을 신·재생에너지로 이용하여 공급하도록 의무화한 “신재생에너지공급의무화제도 (Renewable Portfolio Standard)”가 추진 중이다.
	바이오에너지 중 하나인 목재펠릿의 정의는 무엇인가?	28. 일부 개정)에서는 목재펠릿은 “유해물질에 오염되지 않은 목재”를 압축 성형하여 생산하는 작은 원통 모양의 표준화된 목질계 고체바이오연료라고 정의하였다. 신재생에너지인 태양열 및 지열과 비교하였을 때, 단가가 저렴할 뿐만 아니라, 발전용, 산업용, 농업용 등으로도 널리 사용가능하다 (Korea Environment Institute, 2015).

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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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