GREET 강의(1) - 휘발유
가장 익숙한 연료인 휘발유부터 시작해봅시다.
들어가며
첫 주제로 모두가 익숙한 휘발유의 LCA 탄소 배출량을 계산해볼까요?
위 링크를 통해 GREET 2021을 준비하고, 아래에 Petroleum Sheet에서 데이터들을 찾아보겠습니다.
전 과정 탄소배출량은 크게 “Feedstock”과 “Fuel” 과정의 배출량의 합으로 구할 수 있습니다.
Feedstock은 Crude oil을 채굴 후 정유 공장까지 T&D하는 데 나오는 과정을 뜻하고,
Fuel은 정유 공정 및 수요처까지의 T&D의 과정을 뜻합니다.
B~C열의 279행을 보면, Feedstock의 CO2 배출량을 찾을 수 있습니다.
B열과 C열의 차이는 Crude oil을 미국 유정에서 채굴하는지, Central America (CA)에서 채굴하는지의 차이이고, 둘 중 사용자에게 적합한 데이터를 선택하면 됩니다.
이번에는D~S열의 279행을 보면, Fuel 과정의 CO2 배출량을 찾을 수 있습니다. 우리는 Crude oil을 Gasoline으로 정유했을 때의 배출량이 궁금하니까, F열의 Gasoline을 봐야겠죠?
F열을 따라가면, 정유 공장에 도착한 Crude oil을 정유 후 수요처로의 분배까지의 배출량이 14,490g/mmbtu이라는 값과, Feedstock과정부터 Fuel과정 사이의 Loss factor 0.806(262행)을 찾을 수 있습니다.
따라서, 미국 유정에서 Crude oil 채굴 후 Gasoline으로 정유하고 각 T&D 과정에서 나온 총 배출량은
B279*F262 + F279 = 6983.935511g/mmbtu 와 같이 계산할 수 있습니다.
(Loss factor는 GREET 모델링에서 매우 중요한 변수인데 자세한 개념은 추후 GREET Terminology 포스트에 한 번에 정리해서 링크걸겠습니다.)
Feedstock
그렇다면, B279항, 즉 Crude oil의 Feedstock 배출량은 어떤 변수들로 어떻게 계산이 된 것일까요?
B279항을 클릭하면, 엑셀 상단 수식 줄에,
=$B$16*(($B141*$C$84+$C141)*$E$84+$E141)
+$G$16*(($AH141*$AI$84+$AI141)*$AJ$84+$AJ141)
+$H$16*(($AK141*$AL$84+$AL141)*$AM$84+$AM141)
+$C$16*(SUM($F141:$J141)*$K$84*$L$84+$K141+$L141)*$B$24+$D$16*(SUM($M141:$Q141)*$R$84*$S$84+$R141+$S141)
+$E$16*(SUM($T141:$X141)*$Y$84*$Z$84+$Y141+$Z141)*$B$24
+$F$16*(SUM($AA141:$AE141)*$AF$84*$AG$84+$AF141+$AG141)
+($C$16+$E$16)*$C$24*Y279
와 같은 식을 통해 계산한 값임을 알 수 있습니다.(처음에만 복잡하고 익숙해지면 별거 아닙니다;;)
저 식을 하나하나 뜯어보면, 공통점을 찾을 수 있는데요, B16항, G16항과 같은 16행의 값들이 한 번씩 곱해진 묶음들을 모두 더한 것임을 알 수 있습니다.
그럼 16행이 어떤 데이터인지 올라가서 볼까요?
“Share of Crude Feedstocks to U.S. Refinery”가 16행의 데이터였네요.
Crude oil의 종류에 따라 채굴 시 배출량이 달라지므로, 여러 Crude oil 종류의 비율을 반영해서 총 Crude oil 채굴 배출량을 구했다는 것을 알 수 있습니다.
그러니까, 위 식의 밑줄 부분에, B16항에 곱해지는 (($B141*$C$84+$C141)*$E$84+$E141은, Crude oil 종류 중, B16항에 해당하는 Conventional Crude oil을 채굴할 때의 배출량을 뜻하는 것이겠죠?
그럼 그 뒤에 곱해진 B,C,E열의 141항으로 가서 확인해볼까요?
B141과 C141, E141항은 각각 Crude oil을 채굴하고, 운반하고, 저장하는 과정에서 발생하는 배출량이었고, 84열은 Loss factor들이었네요. 이들을 (($B141*$C$84+$C141)*$E$84+$E141와 같이 곱하고 더해서, 채굴과 관련된 과정의 배출량을 구합니다.
한번만 더 깊이 들어가볼까요? 141행 각각의 항에 소개되어있는 배출량이 어떻게 계산이 되었는지 알아봅시다.
B141항을 클릭하면, 엑셀 상단 수식 줄에,
=(B$106*(EF!$X16+B141+B143)
+B$107*(B$60*EF!$N16+$B279*$I$262+$I279)
+B$108*(B$62*EF!$R16+B$63*EF!$S16+B$64*EF!$T16+B$65*EF!$Q105+$B279*$J$262+$J279)
+B$109*(B$76*EF!$V16+B$77*EF!$Q91+$B279*$D$262+$D279)
+B$110*(B$67*EF!$G16+B$68*EF!$D16+B$69*EF!$B16+B$70*EF!$C16+B$71*EF!$Q77+NG!$B101)
+B$113*(Electric!$B220+Electric!$C220)
+B$122*EF!H16)/1000000+IF(Inputs!$E$109="Yes",OilGasCoalInfra!$J192,0)+B143
와 같은 식을 통해 계산된 값임을 알 수 있습니다.
아까 Feedstock 배출량 식을 바라봤던 것처럼, 괄호 별로 뜯어보면, 패턴 하나를 찾을 수 있어요, B106항, B107항과 같은 B열의 값들이 곱해진, 묶음들의 합으로 구한다는 것이 보이시나요?
조금 스크롤을 올려서 106~122행을 확인해보면, 각 공정에 사용된 Process fuel들의 Energy input량이 나와있죠? 단위에 조심해야 하는데, 1mmbtu만큼의 Crude oil을 캐는 데에 몇 btu의 에너지가 필요한지에 대한 값이라는 의미입니다.
이들 Energy input은 Energy efficiency를 통해 계산하게 됩니다.
GREET에서 정의하는 효율의 의미와, 그를 통해 Process fuel Energy input을 구하는 과정은 매우 중요하니, 위 Terminology 링크를 통해, 계산식을 한번쯤은 보시면 감사하겠습니다!
그렇다면 B141항의 수식 중에, Crude oil recovery 과정에서 사용된 Natural gas에 의한 배출량 계산식을 볼까요? Natural gas의 투입량은 B110이니까, 우리가 원하는 부분은 다음 식이겠네요.
B$110*(B$67*EF!$G16+B$68*EF!$D16+B$69*EF!$B16+B$70*EF!$C16+B$71*EF!$Q77+NG!$B101)
그럼 자연히 B110항 뒤에 곱해진 묶음은 Natural gas 1btu를 태웠을 때 나오는 배출량과, Natural gas 1btu를 만들 때 나오는 배출량의 합이겠죠?
밑줄 친 부분이 Natural gas 1btu를 직접 태웠을 때, 그 자리에서 나오는 배출량이고, 뒤 초록 글씨로 표현된 항 하나가 Natural gas 1btu를 만들고 운송하는 모든 과정에서 나오는 배출량입니다.
밑줄 친 부분에서, “EF”라고 하는 다른 Sheet의 값들을 참조하는데요, 해당 Sheet는 “배출계수”들에 대한 데이터들이 있습니다.
이러한 배출계수들은 Natural gas를 어떻게 태우느냐, 즉 연소 방식에 따라 배출량이 다르게 정의가 되는데요, 자연스럽게 위 식에서 EF와 곱해지는 B67~B71 항들은, Crude oil recovery 중 사용되는 Natural gas 연소 방식들의 비율이겠죠?
이렇게 연료별로, 연소 방식 별 비율 값들이 정의되어 있습니다.
그리고 초록 글씨의 항은 NG라는 Sheet의 값을 참조하는데요, 해당 Sheet는 NG를 생산하는 데 필요한 배출량에 대한 Sheet에요, 마치 우리가 휘발유를 생산하는 데 필요한 배출량을 계산하는 것과 같은 방식의 계산들로 이루어져 있습니다.
NG Sheet에 가서 잠깐 확인해볼까요?
“Natural gas as Stationary Fuels”라는 데이터였네요. 그러니까, Stationary fuel로써 사용되는 Natural gas를 생산하고 수요처로 분배하기까지의 모든 과정의 총 배출량이 6,115g/mmbtu라는 뜻입니다.
그런데 혹시 기억하시나요? 지금 우리가 보고 있는 항은 Natural gas 1mmbtu를 태울 때 몇 gram의 CO2가 나오는지에 대한 값들이고, 거슬러 올라가면 이 배출량 값은 B110항과 곱해집니다.
B110항은 Natural gas가 몇 btu 사용되었는지에 대한 항이었으니까, 여기에 1mmbtu 태울 때 배출되는 배출량을 바로 곱해버리면 안되겠죠? 1mmbtu는 1btu의 1,000,000배니까요!
그래서 좀 전에 보여드린 B141 식에서, 1,000,000만큼을 나눠주었던 겁니다
그런데 B141 항의 계산식을 살펴보면, 전기에너지 사용량을 의미하는 B113항 뒤에, 배출계수항이 없다는 게 보이시나요?
전기에너지는 기계장치를 구동하는 등의 상황에 사용되고 다른 화석연료와 같이 연소를 통해 에너지를 사용가능한 형태로 바꾸지 않기 때문이에요. 쉽게 말해 전기에너지를 태워서 쓰지 않기 때문에, 배출계수 없이 “Electricity” Sheet에 반영된 전기에너지 1mmbtu 생산 시 배출량 값만 곱해서 계산하는 것입니다.
마지막으로, B141항의 계산식 마지막에 B143항이 추가되어 있습니다. 이는 gas flaring, venting과 관련된 비 연소배출량(Non-Combustion emission)인데요, 이러한 비 연소배출량은 연소에 의해 발생하는 연소배출량이 아닌, 원료나 연료에 포함되어있는 탄소와 관련된 화학반응에 의해 발생하는 배출량입니다. 실제로 B143항을 클릭 후 수식을 찾아보면, 계산 식 없이 상수 값만 있는데요, 이는 비 연소배출량이 공정에 따라, 상황에 따라서 정의되는 배출량임을 뜻합니다.
Fuel
이번에는 F279항, 그러니까 Crude oil을 Gasoline연료로 정제하고 분배하는 Fuel 과정의 배출량이 어떻게 계산되나 살펴보겠습니다.
F279항을 클릭해보면, 상단 수식 줄에
IF($C$10=1,(SUM(AN141:AP141)*$AQ$84+AQ141)*(1-J$158)+C245*J$158,IF($C$10=2,(SUM(AN141:AP141)*$AQ$84+AQ141)*(1-J$159)+D245*J$159,IF($C$10=3,(SUM(AN141:AP141)*$AQ$84+AQ141)*(1-J$160)+E245*J$160,IF($C$10=4,(SUM(AN141:AP141)*$AQ$84+AQ141)*(1-J$161)+(EtOH!$BV563*EtOH!$BW$546+EtOH!$BW563)*J$161,(SUM(AN141:AP141)*$AQ$84+AQ141)))))+AS141+AT141
와 같은 식으로 계산되었음을 알 수 있습니다.
이번에는 엑셀의 IF문이 사용되었네요? IF문이 사용된 부분을 우선 확인해볼까요?
가솔린 연료에 들어가는 첨가물에 따라 배출량이 달라지니까, 1-MTBE부터 5-No additive까지 사용자가 선택해서 데이터가 계산되게 되어있네요! 이처럼 GREET에서는 여러 변수들을 다루다 보니 종종 IF 문이 등장합니다.
그 중에서 MTBE라는 첨가물이 들어간 경우의, 다음과 같은 배출량 계산식을 따라가보겠습니다.
SUM(AN141:AP141)*$AQ$84+AQ141)*(1-J$158)+C245*J$158 과 같은 식을 계산한 값이 곧 F279항에 나와있는 휘발유 정유와 관련된 총 배출량이겠죠?
먼저 눈에 띄는게 있네요! 어떤 항에 J158을 곱한 것과, 어떤 항 묶음에 (1-J158)을 곱한 것을 더해서 구했습니다. J158이 무언가 비율을 나타낼 것 같네요. 스크롤을 내려서 확인해보겠습니다.
J158항을 찾아보면, “The amount of additives required”에 대한 데이터이고, 그 중에서 MTBE의 비율, 16.6%를 나타낸 것이었습니다. 따라서 위 식의 계산방식은, 총 가솔린 생산량 중에 MTBE로 인한 배출량과 MTBE를 제외한 배출량의 합을 통해 구함을 알 수 있습니다.
자연스럽게 C245는 MTBE 생산 시 배출되는 배출량이겠죠?
그렇다면 (1-J158)에 곱해진 앞 부분은, 순수한 가솔린 정유와 관련된 배출량이겠네요. AN~AP 행의 141열을 찾아보면 다음과 같습니다.
AN141부터 AQ141까지, Gasoline 연료를 정유하고 운송하는 데 발생하는 배출량들을 84열의 loss factor들로 연결하여 더했다는 것을 알 수 있습니다.
여기서 Gasoline blendstock refining 과정의 배출량, 즉 AN141항이 어떻게 이루어져 있을지 예상이 되시나요?
Feedstock 배출량을 고려했던 것과 같습니다. 해당 과정에 사용된 연료들의 투입량에, 그 연료들을 태울 때 발생하는 배출량과 연료를 만들 때 발생하는 배출량의 총 합을 곱해주면 되겠죠?
스크롤을 조금 올려보면 106~122행에 에너지 사용량 값들이 나와있습니다. 이 각각에 사용량에, EF Sheet에서 참조한 발열계수와, 각 연료별 Sheet에서 참조한, 생산 과정에서의 배출량을 곱하는 것으로 141행들의 배출량들이 계산됩니다.
그런데 스크롤을 조금 더 올려보면, 82행의 Energy efficiency와 87~103행의 Shares of process fuels가 있죠?
이 energy efficiency를 통해 1mmbtu 가솔린을 정제하기 위한 에너지 총 필요량을 구하고, 이 총량에 Share들을 적용하여 각각의 process fuel energy input을 구한 것입니다.
결과 값 이해하기
다시 초반으로 돌아가서, CO2 배출량이 6983.935g/mmbtu로 계산되었던 것을 살펴보도록 하겠습니다.
g/mmbtu라는 단위의 의미는, Gasoline 연료를 1mmbtu만큼 생산 시 6983.935g의 이산화탄소가 배출된다는 의미입니다.
이 때 mmbtu라는 생소한 에너지 단위를 좀 더 쓸만 한 것으로 바꿔볼까요?
Gasoline 연료가 1mmbtu라는 에너지를 만들기 위해 몇 Liter의 Gasoline을 만들어야 할까요?
이 때 저위발열량이라는 화학적 성질을 활용합니다.
Fuel_Spec Sheet에 각종 연료들의 저위발열량(LHV) 값들을 비롯한 물리량들이 소개되어있는데요,
해당 B16을 보면 112,194Btu/gal이 Gasoline 연료의 LHV임을 알 수 있습니다.
Gasoline 1 gallon이 112,194Btu 만큼의 발열량을 지닌다는 뜻인데, 이를 통해 mmbtu 단위를 gallon 단위로 치환할 수 있습니다.
따라서 계산식은,
총 CO2 배출량 = 6983.935g/mmbtu * 112,194Btu/gal * mmbtu/10^6btu = 783.556g/gal이 됩니다.
1 gal = 4.54609 L이므로 총 배출량은 172.358g/L와 같이 표현할 수도 있습니다.
따라서 Gasoline 1 L를 생산하고 수요처에 도착하는 모든 과정에서 이산화탄소 배출량은 172.358g 이라는 계산이 나옵니다.
지금까지 Gasoline 연료에 대한 LCA 계산을 이해해봤는데요, 다음 포스트에선 또 다른 친숙한 에너지원인 전기에너지에 대한 LCA 계산식을 분해해보겠습니다.
감사합니다.
