LCA 실습
들어가며
이번 시간에는 GREET2021 내부에 다음 사진처럼 새로운 Sheet 하나를 만들고, Feedstock과 Process fuel들의 에너지 input등, 직접 변수를 상정해서 임의의 공정에 대한 배출량을 구해보도록 하겠습니다!
Assumption & Input
우선 Natural gas (intermediate fuel)를 Feedstock으로하는 공정으로 정하겠습니다.
Natural gas를 투입해서, Unknown Product를 Output으로 얻는다고 할까요?
공정에서 사용하는 Equipment는 다음과 같이 골라볼게요.
Natural gas를 연료로하는 "Small industrial boiler",
Natural gas를 연료로하는 "Large gas turbine",
Residual oil을 연료로하는 "Industrial boiler",
Diesel fuel을 연료로하는 "Turbine",
마지막으로 각종 기계장치를 위한 Electricity까지, 총 4종류의 Process fuel이 참여하는 공정입니다.
(Natural gas를 사용하는 시설이 2개가 있는데요, 투입된 공정연로로써 Natural gas의 절반 씩 각각 투입된다고 가정하겠습니다.)
그럼 다음과 같이 Feedstock과 Process fuel의 목록을 정리할 수 있습니다.
Feedstock과 Process fuel들을 정했다면, 각각의 Energy Input을 입력해야겠죠?
입력란을 노란색으로 표시했는데, 이들을 적당한 값들로 채워보겠습니다.
이제 우리가 정한 이 공정에 대해서, 전 과정 이산화탄소 배출량을 계산하기 위한 준비가 끝났습니다.
LCA 수행하기
(Total Emission) = (Feedstock의 Upstream) + (Process fuel의 Upstream) + (Process fuel combustion emission) + (Non - combustion emission) 과 같이 계산합니다.
Non - combustion emission에 대한 값은 GREET에서 다양한 방식으로 정의합니다.
Feed나 Fuel 내부의 탄소원소 함유량을 통해 계산하기도 하고, 계산식 없이 실제 현장 값을 넣기도 합니다.
우리는 현장 값 Input을 임의로 정해서 이 항을 채워볼겁니다.
위 계산식에 따라서, 물질 목록 아래에 여러 항들을 다음과 같이 만들어 봤습니다.
노란색 항들은 우리가 임의로 정한 Input 값들이고,
파란색 항들은 그 Input 값들과, 참조한 GREET 데이터들로 계산되는 값들입니다.
이제 계산식을 하나 하나 채워볼까요?
① 에 들어가야 하는 식은, Feedstock인 Natural gas의 Upstream입니다.
Natural gas 종류 중, 액화 공정을 거친 Intermediate fuel로써의 NG이므로, 해당 Upstream을 NG Sheet에서 참조하고, C2에 입력된 Feedstock energy input을 곱해 계산하면 다음과 같습니다.
= C2*(NG!F101*NG!G84+NG!G101)
② - a 에 들어가야 하는 식은, Process fuel인 Natural gas의 Upstream입니다.
Natural gas 종류 중, 액화 공정을 거치지 않은 Stationary use를 위한 NG라고 가정하고 해당 Upstream을 NG Sheet에서 참조하고, C3에 입력된 Natural gas의 energy input을 곱하고 1,000,000을 나눠 단위를 맞추면 다음과 같습니다.
= C3*NG!B101/1000000
①과 ② - a에서 주의해야 할 점은, 실습에서는 예시로써 아무 수치나 활용했지만 한국 기준으로 계산할 때는 통상 액화 공정을 거친 LNG 형태로 수입해서 재기화시킨 가스를 사용하기 때문에 여러 가지 가스 및 LNG 종류 중에서 적절한 것을 활용하는 것이 매우 중요합니다.
② - b 에 들어가야 하는 식은, Process fuel인 Residual oil의 Upstream입니다.
Petroleum Sheet를 참조해서 Residual oil의 Upstream을 구하는데, 석유 Recovery과정 배출량인 B279항과 Residual oil로 정제하는 과정의 Loss factor와 배출량을 통해 계산하면 됩니다.
그 후에 C4에 입력된 Residual oil의 energy input을 곱해 계산하면 다음과 같습니다.
= C4*(Petroleum!B279*Petroleum!I262+Petroleum!I279)/1000000
② - c 에 들어가야 하는 식은, Process fuel인 Diesel의 Upstream입니다.
Petroleum Sheet를 참조해서 Diesel의 Upstream을 구하는데, Residual oil의 Upstream 계산식과 유사합니다. 대신 I열이 아닌 J열의 Conventional Diesel 데이터를 활용하면 되는데요, C5의 Diesel energy input을 포함한 계산식은 다음과 같습니다.
= C5*(Petroleum!B279*Petroleum!J262+Petroleum!J279)/1000000
② - d 에 들어가야 하는 식은, Process fuel인 Electricity의 Upstream입니다.
Electric Sheet를 참조하여 전기의 Upstream을 구할텐데, 2017년 한국Mix 기준으로 구한 배출량인 Electric!W253항을 쓰겠습니다. C6의 Electric energy input을 곱해 계산하면 다음과 같습니다.
= C6*Electric!W253/1000000
③ - a 에 들어가야 하는 식은, 공정과정에서 Natural gas를 연소시킬 때의 Combustion emission입니다.
아까 Natural gas를 Small industrial boiler, Large turbin로 각각 50%씩 활용한다고 가정했습니다.
연소 방식이 달라지면 배출계수가 달라집니다. 따라서 이들 배출계수를 EF Sheet에서참조해야 하는데요, 두 연소방식의 배출계수 항은 각각 EF!B16, EF!D16입니다. 단위를 맞춰주면 계산식은 다음과 같이 됩니다.
= C3*(0.5*EF!B16+0.5*EF!D16)/1000000
③ - b 에 들어가야 하는 식은, 공정과정에서 Residual oil을 연소시킬 때의 Combustion emission입니다. Residual oil은 Industrial boiler로 연소시킨다고 가정했습니다. EF Sheet에서 참조한 해당 연소방식의 배출계수로 계산하면 계산식은 다음과 같습니다.
= C4*EF!M16/1000000
③ - c 에 들어가야 하는 식은, 공정과정에서 Diesel을 연소시킬 때의 Combustion emission입니다. Diesel은 Turbin으로 연소시키고, 적절한 배출계수를 참조하면 계산식은 다음과 같습니다.
= C5*EF!T16/1000000
전기에너지를 직접 연소시켜서 활용하지 않으므로, 전기에너지의 Combustion emission은 계산하지 않는다는 점을 짚고 넘어가겠습니다!
그렇다면 이제 전체 배출량 ④를 계산해볼까요?
지금까지 구한 모든 항들을 더하면 되겠죠?
= C9+C10+C11+C12+C13+C14+C15+C16 와 같은 식을 입력하면 됩니다.
이렇게 파란색 항에 계산식을 넣으면, 아래와 같이 배출량이 계산됩니다.
전 과정 이산화탄소 배출량은 310,946.85g 입니다.
Energy balance를 가정한다면, Product의 에너지량은 Feedstock Natural gas의 에너지량과 같으므로
19,281g_CO2/mmbtu 처럼 나타낼 수도 있겠습니다.
Allocation을 해볼까요?
이번에는 위와 같이 구한 배출량을 가지고, Allocation을 하는 과정을 직접 보여드리려고 합니다.
공정을 통해 생산한 Product가 단일 Product이거나, 하나를 제외한 나머지를 모두 By product 취급을 한다면 배출량을 할당할 필요가 없겠죠?
따라서, Product가 3종류라고 가정하고 배출량을 할당해보려 합니다. Mass, Energy, Economic value의 세 기준으로 할당해볼까요?
우선, Allocation을 하기 전에 몇 가지 준비가 필요합니다.
Product들의 목록과 각각의 Output 질량, 시장가격을 다음과 같이 정해보겠습니다.
파란색 세 항은 Energy output값을 계산해서 넣어주면 됩니다. 임의로 정한 mass output을 energy 단위로 바꾸면 되는데요, 이 때 저위발열량 값을 사용합니다.
EF Sheet에서 Coking coal, Pet Coke, Hydrogen의 LHV를 참조하여 계산하면, 파란색 항을 다음과 같이 채울 수 있습니다.
그럼 Allocation을 하기 위한 준비가 다 됐습니다!
Allocation
가장 먼저 정의해야 할 것은 Allocation Factor입니다. 할당 방식에 따라, 전체 배출량을 얼마나 할당할지에 대한 변수인데요,
만약 Product 1의 Mass allocation factor를 구한다 하면,
(Mass of Product 1) / (Mass of Product 1 + 2 + 3 ) 과 같이 정의하고, Energy allocation이나 Market value allocation의 경우에서도 동일한 계산방식으로 설정합니다.
이를 통해 Allocation factor를 구해서 정리해보겠습니다.
이제 이 Allocation ratio에 B18항에서 계산한 전체 배출량을 곱하면, 각 할당 방식에 따라 해당 Product에게 할당된 배출량이 계산되겠습니다. 그 결과는 다음과 같습니다.
Mass 기준 할당을 하면 Coking coal이, Energy 기준 할당에서는 Hydrogen이, Market value 기준에서는 Coking coal이 가장 많은 배출량을 할당받게 됩니다.
이번 시간에는 그동안 이론적으로만 다루었던 GREET을 활용해서, 실제로 배출량을 계산하는 과정을 보여드렸습니다.
