반도체 생산용 초순수 제조공정의 농축수 재이용에 따른 온실가스 발생량 평가에 관한 연구 A Study on the Estimation of the GHGs Emissions to the Reuse of De-ionized Water Production Process in Semiconductor Factory원문보기
21세기에 들어서면서 기후변화로 인한 환경변화가 심각해짐에 따라 온실가스 배출에 대한 관심도 높아지고 있다. 우리나라의 기온은 1904년 이후 2000년까지 약 $1.5^{\circ}C$ 상승하였으며, 기후가 아열대 특성을 나타내는 것으로 조사되었다. 이에 따라 홍수 및 가뭄 등의 발생횟수가 증가하여 인간이 활용할 수 있는 용수가 매년 감소하고 있으며, 상수도 사용에 대한 비용은 매년 상승하고 있어 평소 버려지는 폐수의 재이용은 불가피한 상황에 직면해 있다. 본 연구는 반도체 공정에 투입되는 초순수 제조과정에서 발생되는 농축폐수를 재이용시스템을 설치하여 6개월간 운전한 월별 자료를 활용하여 온실가스 발생량 및 절감방안 등에 대하여 조사하였다. 조사결과 상수도 공급량은 월 평균 약 $2,767m^3$의 절감 효과가 있음을 알 수 있었다. 온실가스 발생량은 물재이용시스템의 전기사용량으로 인해 월 평균 약 $1,329.07kg-CO_2$ 추가발생 하였지만, 상수도 사용량 절감에 따른 월 평균 $918.64kg-CO_2$ 감축량을 반영하면, 월 평균 $410.43kg-CO_2$의 온실가스가 증가됨을 알 수 있었다. 물재이용시스템의 일부 공정을 개선한다면 온실가스 발생량은 증가가 아닌 월 평균 $254.41kg-CO_2$로 절감됨을 확인할 수 있었다.
21세기에 들어서면서 기후변화로 인한 환경변화가 심각해짐에 따라 온실가스 배출에 대한 관심도 높아지고 있다. 우리나라의 기온은 1904년 이후 2000년까지 약 $1.5^{\circ}C$ 상승하였으며, 기후가 아열대 특성을 나타내는 것으로 조사되었다. 이에 따라 홍수 및 가뭄 등의 발생횟수가 증가하여 인간이 활용할 수 있는 용수가 매년 감소하고 있으며, 상수도 사용에 대한 비용은 매년 상승하고 있어 평소 버려지는 폐수의 재이용은 불가피한 상황에 직면해 있다. 본 연구는 반도체 공정에 투입되는 초순수 제조과정에서 발생되는 농축폐수를 재이용시스템을 설치하여 6개월간 운전한 월별 자료를 활용하여 온실가스 발생량 및 절감방안 등에 대하여 조사하였다. 조사결과 상수도 공급량은 월 평균 약 $2,767m^3$의 절감 효과가 있음을 알 수 있었다. 온실가스 발생량은 물재이용시스템의 전기사용량으로 인해 월 평균 약 $1,329.07kg-CO_2$ 추가발생 하였지만, 상수도 사용량 절감에 따른 월 평균 $918.64kg-CO_2$ 감축량을 반영하면, 월 평균 $410.43kg-CO_2$의 온실가스가 증가됨을 알 수 있었다. 물재이용시스템의 일부 공정을 개선한다면 온실가스 발생량은 증가가 아닌 월 평균 $254.41kg-CO_2$로 절감됨을 확인할 수 있었다.
In the 21st century, human beings are becoming increasingly concerned about greenhouse gas emissions as the environment changes due to climate change become serious. The temperature of Korea has risen by approximately $1.5^{\circ}C$ from 1904 to 2000, and the climate is changing gradually...
In the 21st century, human beings are becoming increasingly concerned about greenhouse gas emissions as the environment changes due to climate change become serious. The temperature of Korea has risen by approximately $1.5^{\circ}C$ from 1904 to 2000, and the climate is changing gradually to a subtropical climate. As a result, the frequency of floods and droughts increases, so that the water available to humans is decreasing every year, and the cost of using city water is rising every year. The reuse of wastewater that is normally abandoned is inevitable. This study examined the monthly data for 6 months of operation by installing a reuse system of concentrated wastewater (Re R/O System) that is generated during the process of manufacturing de-ionized water (DI-Water System) used in semiconductor processing. As a result of the survey, the city water supply saved approximately $2,767m^3$ per month. The average annual greenhouse gas emissions was $1,329.07kg-CO_2$ per month due to the electricity consumption of the water reuse system. On the other hand, because of the reduction in city water supply, the average monthly average of $918.64kg-CO_2$ was reduced, and the greenhouse gas emissions were increased to $410.43kg-CO_2$ per month. If it improves some processes in the water reuse system, the amount of greenhouse gas emissions can be reduced by an average of $254.41kg-CO_2$ per month.
In the 21st century, human beings are becoming increasingly concerned about greenhouse gas emissions as the environment changes due to climate change become serious. The temperature of Korea has risen by approximately $1.5^{\circ}C$ from 1904 to 2000, and the climate is changing gradually to a subtropical climate. As a result, the frequency of floods and droughts increases, so that the water available to humans is decreasing every year, and the cost of using city water is rising every year. The reuse of wastewater that is normally abandoned is inevitable. This study examined the monthly data for 6 months of operation by installing a reuse system of concentrated wastewater (Re R/O System) that is generated during the process of manufacturing de-ionized water (DI-Water System) used in semiconductor processing. As a result of the survey, the city water supply saved approximately $2,767m^3$ per month. The average annual greenhouse gas emissions was $1,329.07kg-CO_2$ per month due to the electricity consumption of the water reuse system. On the other hand, because of the reduction in city water supply, the average monthly average of $918.64kg-CO_2$ was reduced, and the greenhouse gas emissions were increased to $410.43kg-CO_2$ per month. If it improves some processes in the water reuse system, the amount of greenhouse gas emissions can be reduced by an average of $254.41kg-CO_2$ per month.
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문제 정의
본 연구는 물(폐수) 재이용에 관한 적극적인 대응의 일환으로 반도체 제조공장인 A社의 DI(Deionized)-Water System에 추가로 물 재이용시설인 Re R/O(Revers Osmosis) System을 적용함에 따른 환경적 편익과 경제적 편익 등의 실효성을 알아보고자 하였다. 본 연구대상인 A社는「산업집적활성화 및 공장설립에 관한 법률」제2조 제1호의 공장[9]으로서 1일 폐수배출량이 1천500세제곱미터 미만으로 중수도 의무설치 대상[10]은 아니나, 수자원 보호 및 경제성과 환경성 등의 유익한 장점을 고려하여 설치·운영하고 있었다.
본 연구는 반도체 제조공정에 요구되는 DI Water를 생산하기 위한 DI-Water System에서 폐수로 처리되어지던 R/O 농축수를 Re R/O System을 통해 재이용함으로서 DI Water 생산량, 전력소비량, 온실가스 발생량 및 절감량 등을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이들의 배출계수는 “「환경부고시 제2018-26호 탄소포인트제 운영에 관한 규정」제3장 배출계수 및 기준사용량 산정, 제10조 온실가스 배출계수”[11] 에 명시된 값을 사용함으로서 설명력을 높이고자 하였다.
세 번째로는 전력소비량의 온실가스 발생량의 평균값과 DI Water의 온실가스 감축량 평균값을 상호 비교·분석하였다. 이에 따라 A社의 DI-Water System과 Re R/O System의 추가설치에 따른 온실가스 감축여부 및 향후 감축가능여부를 파악하였다.
제안 방법
DI-Water System에서 Re R/O System을 적용했을 때와 적용하지 않았을 때, 다음의 Case별 온실가스 배출량의 변화를 비교분석하였다.
Re R/O System 적용 전, 후에 사용된 전력소비량에 대한 온실가스 발생량을 ㎏-CO2/kwh로 환산하고, Re R/O System의 추가에 따른 월별 온실가스 발생량을 산정·비교하였다.
Re R/O System 적용 전, 후에 생산된 DI Water 생산량에 대한 온실가스 발생량을 ㎏-CO2/㎥로 환산하고, Re R/O System의 추가에 따른 월별 온실가스 발생량을 산정·비교하였다.
Re R/O System 적용 전의 상하수도 이용에 따른 발생비용과 Re R/O System 적용에 따른 절감비용을 비교하여 최종 발생되는 비용정도를 분석하였다. 비용분석은 「천안시 물의 재이용 촉진 및 지원 조례」제9조[12]에 근거로 계산하였다.
Re R/O System을 적용했을 때와 적용하지 않았을 때의 생산량 비교를 위해 필요한 단계이며, 생산되는 DI Water의 양과, R/O 농축수재이용률, Re R/O 농축수의 양 등을 분석하였다.
Re R/O System의 추가 설치로 인한 장기적인 측면의 효과를 파악하고 추정하기 위하여 연구기간의 자료를 기본으로 회귀직선식을 도출하고, 이를 통해 향후 2년, 5년, 10년 후의 온실가스 변화량에 대한 효과를 분석하였다.
본 Case에서는 첫 번째로 연구기간의 매 월별 소비된 전력소비량과 설계용량 대비 생산량의 온실가스 발생량을 계산한다. 두 번째로는 연구기간의 매월별 Re R/O System에서 추가로 생산된 DI Water 생산량을 설계용량 대비, 생산량의 온실가스 감축량을 산출한다. 세 번째로는 전력소비량의 온실가스 발생량의 평균값과 DI Water의 온실가스 감축량 평균값을 상호 비교·분석하였다.
본 Case에서는 첫 번째로 연구기간의 매 월별 소비된 전력소비량과 설계용량 대비 생산량의 온실가스 발생량을 계산한다. 두 번째로는 연구기간의 매월별 Re R/O System에서 추가로 생산된 DI Water 생산량을 설계용량 대비, 생산량의 온실가스 감축량을 산출한다.
세 번째로는 전력소비량의 온실가스 발생량의 평균값과 DI Water의 온실가스 감축량 평균값을 상호 비교·분석하였다.
이들의 배출계수는 “「환경부고시 제2018-26호 탄소포인트제 운영에 관한 규정」제3장 배출계수 및 기준사용량 산정, 제10조 온실가스 배출계수”[11] 에 명시된 값을 사용함으로서 설명력을 높이고자 하였다. 탄소포인트제에서 제공하는 배출계수를 사용하였기 때문에 온실가스 발생량은 CO2만 계산하였다. 참고로 본 연구 대상지인 A社는 온실가스 목표관리제 및 배출권 거래제 대상기업이 아니므로 IPCC 가이드라인에서 제공하는 온실가스 배출계수를 사용하지 않았다.
대상 데이터
Re R/O System 생산량 분석에 활용되는 자료는 펌프 유량, DI Water 생산량, Re R/O 생산수량, Re R/O 농축 수량 등이며, 본 연구에서는 2017년 9월부터 2018년 2월까지 6개월간 Data를 분석하였다. Fig.
충남 천안시에 위치한 천안 A社의 부지면적 및 연면적은 각각 약 13,945 ㎡, 약 12,963 ㎡이고, 건축면적은 6,572 ㎡이었다. 본 연구 대상인 DI-Water System의 면적은 365 ㎡이며, 이는 건축면적의 5.6%에 해당한다. DI-Water System의 DI Water는 상수도를 유입원수로 하여 전처리 필터를 거쳐 R/O Membrane, EDI Unit, 후처리 필터 등의 흐름으로 생산된다.
본 연구대상인 A社는「산업집적활성화 및 공장설립에 관한 법률」제2조 제1호의 공장[9]으로서 1일 폐수배출량이 1천500세제곱미터 미만으로 중수도 의무설치 대상[10]은 아니나, 수자원 보호 및 경제성과 환경성 등의 유익한 장점을 고려하여 설치·운영하고 있었다.
연구대상인 A社는 기기별로 적산전력계가 부착되어 있지 않고, DI-Water System과 Re R/O System 단위, 각각 적산전력계가 부착되어 통합관리하고 있다. 본 연구에서는 2017년 9월부터 2018년 2월까지 6개월간 DI-Water System과 Re R/O System의 전력소비량을 분석하였다. Table 1.
5㎥/Hr이고, 설계상 전력 소비량 6kwh이다. 산정식은 Tier 1.을 적용하였으며, 수도절감량과 전력소비량은 6개월간의 실측 데이터를 활용하였다.
전력소비량 분석을 위하여 전력검침 자료를 활용할 계획이다. 연구대상인 A社는 기기별로 적산전력계가 부착되어 있지 않고, DI-Water System과 Re R/O System 단위, 각각 적산전력계가 부착되어 통합관리하고 있다. 본 연구에서는 2017년 9월부터 2018년 2월까지 6개월간 DI-Water System과 Re R/O System의 전력소비량을 분석하였다.
이론/모형
Re R/O System 적용 전의 상하수도 이용에 따른 발생비용과 Re R/O System 적용에 따른 절감비용을 비교하여 최종 발생되는 비용정도를 분석하였다. 비용분석은 「천안시 물의 재이용 촉진 및 지원 조례」제9조[12]에 근거로 계산하였다.
성능/효과
3) Re R/O System 전력소비에 의한 온실가스 배출량 1329. 07 ㎏-CO2와 R/O농축수 재이용량에 의한 온실가스 절감량 918.64 ㎏-CO2를 비교한 결과 전력소비에 의한 온실가스 배출량이 월 평균 약 410.43 ㎏-CO2 만큼 더 크게 나타났다. 그러나 콘크리트재질의 저수시설을 FRP 재질로의 변경 등 일부 공정개선을 할 경우 Feed 펌프 1식을 제거할 수 있어 전력소비에 의한 온실가스 배출량을 약 50.
1) Re R/O System을 통해 R/O 농축수를 월 평균 약 84.2%를 재이용이 가능함을 확인하였고, DI-Water System만을 단독으로 운영할 때보다 월 평균 약 2,767㎥의 상수도 공급량을 절약할 수 있었다.
2) Re R/O System 적용으로 종전보다 전력소비량은 월 평균 3,134.6 kwh 증가해 약 8.2% 증가한 결과를 나타내었다.
4) Re R/O System의 2년간 초기 투자·운영비 약 90,000,000원에 대한 손익분기점은 2017년 요금 기준으로 약 12개월로 매우 우수하게 나타났다.
Table 3.은 Re R/O System의 적용 전·후에 따른 DI Water 생산량 및 생산비율을 비교한 것으로써 Re R/O System의 적용하기 전의 DI Water 생산량은 연구기간 평균 약 5,361.67㎥이고, 적용한 후에는 연구기간 평균 약 8,128.67㎥로 약 2,767.00㎥가 증가되었고, 비율로는 Re R/O System 적용 전(연구기간 평균 약 61.96%)에비해 Re R/O System 적용 후(연구기간 평균 약 93.38%)에는 연구기간 평균 약 32.03%정도 증가한 것으로 분석되었다.
Table 8.에 나타낸 바와 같이 이론적 설계용량만을 고려한 온실가스 발생량의 비율로 계산하면 전기소비량(온실가스 발생량)이 생산수량(온실가스 절감량)보다 277.92㎏-CO2로 높게 나타났고, 실제발생량은 연구기간 평균 약 410.43㎏-CO2로 설계용량(발생량) 보다 약 132.50㎏-CO2만큼 높게 나타났다. 하지만 공정을 개선하였을 때는 약 254.
43 ㎏-CO2 만큼 더 크게 나타났다. 그러나 콘크리트재질의 저수시설을 FRP 재질로의 변경 등 일부 공정개선을 할 경우 Feed 펌프 1식을 제거할 수 있어 전력소비에 의한 온실가스 배출량을 약 50.0% 감소시킬 수 있었다. 따라서 공정설계 시 온실가스 감소인자들에 대한 면밀한 검토의 필요성을 재확인할 수 있었다.
이때 R/O 농축수 지하저수시설의 콘크리트 구조물을 FRP 구조물로 재질을 변경한다면 후단의 마이크로필터의 사용의미가 없어지게 되고, 따라서 Feed 펌프의 제거가 가능하다. 이에 따라 DI-Water System의 최종 온실가스 발생량 및 절감량에 대하여 재평가하면 연구기간 평균 약 664.53㎏-CO2의 절감효과가 있을 것으로 판단되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
물의 재이용의 장점은?
물의 재이용은 비용적인 측면뿐만 아니라 폐수를 재이용량만큼 상수원 공급에 소요되는 전력소비량이 감소되므로 온실가스발생량 감축효과도 기대할 수 있다. 특히 기업의 생산 활동이 온실가스의 주요 배출원이라는 점에서 기업은 온실가스 감축 정책이나 규제에 직접적으로 노출될 수밖에 없으며, 이는 기업의 경제활동을 위축시키는 요인으로 작용함으로써[8] 적극적인 대응이 더욱 요구된다.
중수도 시설의 현재 문제점은?
상수 사용량은 계속 증가하고 있으며, 생활하수 및 공장용 폐수 또한 날로 증가하고 있어, 상수 사용량의 절감과 하천수의 오염을 감소하기 위한 중수도 시설의 중요성이 대두되고 있다. 그리고 국내 몇 개의 공공기관과 공동주택 등에서 중수도 시설을 설치하여 운영하고 있지만, 중수도 시설의 설계 자료 등의 부족으로 과다설계, 원수인 배수량 부족 등의 원인으로 중수도 시설의 가동률이 저하되어 정상적으로 운영되지 못하고 있다.[5] 이런 이유들로 인해 국내외 중수도 시설의 설치 및 운영관리에 대한 체계적인 데이터 관리가 필요한 실정이다.
우리나라 기후가 아열대 특성을 나타남에 따라 발생하는 현상은?
5℃ 상승하였으며[2], 기후가 아열대 특성을 나타내는 것으로 조사되었다[3]. 이에 따라 홍수 및 가뭄 등의 발생횟수가 증가하여 인간이 활용할 수 있는 용수가 매년 감소하고 있으며, 상수도사용에 대한 비용은 매년 상승하고 있어 평소 버려지는 폐수의 재이용은 불가피한 상황에 직면해 있다. 전국 기상청 76개 강우측정지점의 1시간 최대 50mm 이상 및 1일 최대 300mm 이상의 집중호우 발생횟수(1900∼2011년)를 보더라도 Fig.
W. T. Kwon, "Current Status and Perspectives of Climate Change Sciences", Asia-Pacific Journal of Atmospheric Sciences, Vol.41, No.2-1, pp.325-335, 2005.
Y. A. Kwon, W. T. Kwon, K. O. Boo, Y. Choi, "Future Projections on Subtropical Climate Regions over South Korea Using SRES A1B data", Journal of the Korean Geographic Society, Vol.42, No.3, pp.355-367, 2007.
Ministry of Environment, Establishment of guideline for the flood respond sewage simulation, pp.20-21, 2011.
T. I., Kim, A Study on Installation & Evaluation of Water-reuse Facilities, Korea National Housing Corporation, pp.1-22, 1995.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Korea's water resources as statistics, pp.365-389, 2016
Korea Environment Corporation, www.keco.or.kr, Sewer policy support, 2016.
S. H. Lee, "Survey on the response of domestic emission trading system to the target companies", The Korean Society of Climate Change Research, pp.141, 2016.
Ministry of Government Legislation, Industrial Cluster Development and Factory Establishment Act., pp.1, 2018.
Ministry of Government Legislation, Act on the reuse of water and support., pp.3, 2018.
Ministry of Government Legislation, Carbon regulations on the operation of the points system, pp.3, 2018.
Cheonan-City, Water Reuse Promotion and Support Ordinance in Cheonan-City, 2015.
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