GREET 강의(2) - 전기

가장 관심받는 배출원 중 하나가 전기겠죠.

들어가며

이번에는 우리나라에서 전기 1kWh를 발전하는 과정의 LCA 배출량 분석과정을 알아보겠습니다.

발전에 사용된 석탄의 에너지가 1000kWh인데, 그로부터 만들어진 전기에너지는 그의 30% 정도인 300kWh이라고 합니다.

그렇다면, 반대로 전기에너지를 1000kWh만큼 생산하고 싶을 때, 필요한 석탄은 1000/0.3 = 3333.33.. kWh 만큼의 에너지가 필요하겠죠?

이 때 필요한 전기에너지량에 0.3(30%)이라는 수치를 나눠주게 되는데, 이를 Energy conversion efficiencies라고 부릅니다.

이는 전기에너지의 LCA 분석에서 주요하게 다뤄지는 용어인데, 이를 통해 발전 원료들 각각의 총량을 구할 수 있습니다. 

휘발유의 LCA 분석 과정에서 보셨다시피, 이렇게 사용된 원료들의 모든 upstream 값들과, 발전소에서 이들을 태울 때 나오는 배출량을 GREET Database에서 참조해서 더해주면 되겠죠?

그럼 본격적으로 GREET을 켜서 실제 계산과정을 뜯어볼까요?

Electric Sheet에서, 225~253열을 봐주세요

한국을 비롯해서 여러 국가들의 전기Mix들이 적용된 배출량 값들이 정리되어 있습니다.

그 중 우리나라의 2017년 배출량을 분석해보겠습니다.

W253항은 한국에서 전기에너지 1mmbtu 생산 시, 이산화탄소의 전 과정 배출량입니다.

W253항의 엑셀 상단 수식 줄을 볼까요?

=(((1000000/Electric!$H$60/(1-W$235))*(Petroleum!$B279*Petroleum!$I$262+Petroleum!$I279)*W$228+(1000000/Electric!$H$64/(1-W$235))*NG!$C101*W$229+(1000000/Electric!$H$69/(1-W$235))*Coal!$B88*W$230)/1000000+(1000000/Electric!$H$72/(1-W$235))*(EtOH!$BU528/Fuel_Specs!$B$86*Inputs!$E$778+EtOH!$CJ528/Fuel_Specs!$B$87*Inputs!$F$778+EtOH!$CZ528/Fuel_Specs!$B$88*Inputs!$G$778+EtOH!$DP528/Fuel_Specs!$B$89*Inputs!$H$778+EtOH!$EN528/Fuel_Specs!$B$91*Inputs!$I$778)*W$231+(1000000/(1-W$235))*Uranium!$B103/(Electric!$B$12*1000*kWh2BTU)*W$232+(Electric!$BD117*W$228+Electric!$BE117*W$229+Electric!$BF117*W$230+Electric!$BG117*W$231)/(1-W$235)*1000000/kWh2BTU)

식이 많이 복잡한데, 휘발유에서와 같이 수식에서 반복되거나 공통적인 구조, 항을 찾아보면 패턴이 보입니다!

빨갛게 표시한 부분을 먼저 볼까요? H60, H64, H69, H72와 같은 값들이 한 번씩 곱해져있고, 뒤에 (1-W235)라는 항들이 나눠지네요?

해당 항들이 어떤 값인지 먼저 알아보겠습니다.

H60 ~ H72는 발전 시 energy conversion efficiency였네요. 시작할 때 다루었듯, 이는 해당 원료의 에너지 투입에 대한 전기에너지 발전량의 비율이니까, 이걸 반대로 나눠준다면 각각 원료들의 필요량이 되겠죠? 앞의 계산식에서, 1,000,000라는 수에 해당 conversion efficiency를 나눠주는 것을 볼 수 있는데, 이를 통해 전기에너지를 1,000,000 발전할 때 필요한 발전연료들의 에너지 투입량들을 구할 수 있겠습니다.

그럼 편의상 밑줄 친 

1000000/Electric!$H$60/(1-W$235))*(Petroleum!$B279*Petroleum!$I$262+Petroleum!$I279)*W$228

이 식을 뜯어보면, 초반에 1,000,000/H60은 전기에너지 1,000,000 발전 시 필요한 Residual oil의 에너지필요량이란걸 쉽게 알 수 있습니다. 그렇다면 그 후에 나눠진 (1-W235)항과, W228~W234항이 의미하는 값은 무엇일까요?

W235항은 한국에서의 T&D loss를 뜻하고, 그 값은 3.4%입니다.

여기서 T&D loss란, 발전한 전기를 송전선을 통해 user site로 보낼 때의 손실률을 뜻합니다.

만약에 T&D loss가 50%라면, 실질적으로 발전소에서 사용자가 필요로 하는 에너지량보다 두 배 더 생산해야하겠죠? 이처럼 (1-W235)를 나눠줌으로써 발전손실을 고려하는 것입니다. 

자 그럼 1000000/Electric!$H$60/(1-W$235))는 1,000,000btu (1mmbtu) 만큼의 전기를 생산지에서 받을 수 있게 하는 Residual oil의 필요량이라는 것 까지 도달했습니다.

그런데 그렇게 계산했을 때 문제점이 있습니다. 전기Mix를 고려하지 않고, 전기를 오로지 Residual oil로만 발전했을 때, Residual oil의 필요량이 계산되게 된다는 것입니다.

해결책은 간단합니다. 발전Mix를 고려해서, 각 발전 원료들의 투입 비율을 적용해주면 되겠죠.

전체 식을 보셨을 때, W228~W231까지의 값들을 각각 곱해서 더해준 것을 알 수 있는데요, 이는 2017년 기준 한국의 발전Mix였네요!

이처럼 전기에너지의 발전 시 총 배출량은 발전Mix에 따라 다르게 계산되므로, 어떤 User site에서 어떤 Mix를 사용하는지 잘 적용해줘야겠죠?

각 발전 원료의 투입량을 계산했으면, 이 투입량을 통해 1. 그 만큼의 원료를 생산할 때 나오는 배출량 2. 그 만큼의 원료를 발전소에서 태울 때 나오는 배출량을 계산해서 더하면 되겠죠?

보시기 편하게 아까의 긴 수식을 다시 가져올게요

=(((1000000/Electric!$H$60/(1-W$235))*(Petroleum!$B279*Petroleum!$I$262+Petroleum!$I279)*W$228+(1000000/Electric!$H$64/(1-W$235))*NG!$C101*W$229+(1000000/Electric!$H$69/(1-W$235))*Coal!$B88*W$230)/1000000+(1000000/Electric!$H$72/(1-W$235))*(EtOH!$BU528/Fuel_Specs!$B$86*Inputs!$E$778+EtOH!$CJ528/Fuel_Specs!$B$87*Inputs!$F$778+EtOH!$CZ528/Fuel_Specs!$B$88*Inputs!$G$778+EtOH!$DP528/Fuel_Specs!$B$89*Inputs!$H$778+EtOH!$EN528/Fuel_Specs!$B$91*Inputs!$I$778)*W$231+(1000000/(1-W$235))*Uranium!$B103/(Electric!$B$12*1000*kWh2BTU)*W$232+(Electric!$BD117*W$228+Electric!$BE117*W$229+Electric!$BF117*W$230+Electric!$BG117*W$231)/(1-W$235)*1000000/kWh2BTU)

다시 새롭게 빨갛게 표시한 부분이, 각 발전 원료들을 생산하는 과정의 배출량 데이터 값입니다.

Natural Gas는 NG Sheet에서, Coal을 Coal Sheet에서 참조하구요, Residual oil은 Petroleum Sheet에서 참조합니다.

Natural gas나 Coal에 비해서, Residual oil이나 biomass, Uranium에 대해서 각각 생산과정의 총 배출량을 참조하는 방식과 계산과정이 조금 다르죠? 이 각각에 대해서 매우 세부적으로 설명을 드릴텐데, 우선은 큰 흐름을 먼저 설명드리고, 가장 마지막 문단에 설명드리도록 하겠습니다. 궁금하시면 밑으로 스크롤을 내려주세요!

지금까지 우리는  전기에너지 1mmbtu 생산 시 송전 손실을 고려해서, 각 발전 원료들이 얼마나 투입되었는지 구했고, 각 발전 원료들의 upstream을 각각 곱해서 배출량을 계산했습니다.

이제 각 발전 원료들을 발전소에서 직접 태웠을 때 발생하는 배출량을 더해주면 되겠죠?

그와 관련된 값은 전체 식 가장 마지막에 있습니다.

(Electric!$BD117*W$228+Electric!$BE117*W$229+Electric!$BF117*W$230+Electric!$BG117*W$231)/(1-W$235)*1000000/kWh2BTU)

Electric Sheet에서 어떤 값들이 사용되었는지 볼까요?

Residual oil, Natural gas, Coal, Biomass 원료들의 배출계수 값이었네요. 

휘발유에서 다루었듯, 연료의 에너지 투입량에 배출계수를 곱하면, 해당 연료를 그만큼 연소시킬 때의 배출량을 구할 수 있습니다. 그런데 위 사진 속 데이터들은 단위가 g/kWh라고 명시되어있네요. 따라서 식 후반에 kWh를 Btu 단위로 바꿔주는 변환계수(kWh2BTU)로 나눠서 단위를 맞춰줍니다.

W228~231은 우리나라의 발전 Mix였죠? 발전 Mix를 고려해서, 발전연료들의 배출량을 계산한 모습입니다.

이와같이 발전소에서 연소를 통해 직접적으로 배출되는 배출량을 더해주면 전기에너지의 LCA 배출량에 대한 계산이 마무리됩니다.

마지막으로 Electric Sheet W253항으로 돌아가서, 우리가 다룬 계산식으로 구한 데이터를 볼까요?

해당하는 배출량 값은 162,496g/mmbtu네요

Mmbtu 단위를, 우리에게 더 친숙한 kWh로 바꿔볼까요?

1mmbtu = 293.08kWh니까 1kWh의 전기에너지 생산 시 약 554g의 이산화탄소가 배출됩니다.

응용해보기

전기Mix는 발전에 사용된 에너지원의 비율이었는데요, 이러한 Mix는 점점 바뀌니, 그때 그때 다른 값을 적용할 수 있어야겠죠?

GREET의 계산에 적용된 Mix는 

Coal 40.0%, Nuclear 30.0%, Natural gas 22.0%, Others 4.0%, Petroleum 3.0%, Hydro 1.0%, Biomass 0.0%입니다.

2020년 기준 Mix인,

Coal 35.59%, Nuclear 29.01%, Natural gas 26.44%, Others 7.44%, Petroleum 0.41%를 적용해볼까요?

Electric Sheet에서 W열의 225~235행으로 가서, 해당 Mix로 데이터를 바꿔줍니다.

그리고 나서 키보드의 F9 키를 눌러주고, W253항에서 새롭게 계산된 값을 보면, 140.987g/mmbtu로 값이 변화한 것을 확인할 수 있습니다. 2017년 Mix에 비해 13.2% 정도로 배출량이 감소하였네요.

이처럼 전기에너지의 LCA 배출량은 전기 Mix에 매우 민감한 경향이 있습니다. 상대적으로 배출량이 많이 발생하는 석탄 발전의 비율이 낮아질 수록 총 배출량이 줄어드는 등 각 에너지원들 별로, 탄소배출 측면에서 특성이 다양하기 때문입니다.

여기다 T&D loss, 각 에너지원의 Energy conversion efficiency, 발전소에서의 배출계수, 발전방식의 비율의 변화를 적용시켜서 각 데이터를 바꿔준다면 더욱 정확한 값을 찾아낼 수 있겠죠?

다루지 않은 Upstream들...

다음은 아까 잠시 건너뛰었던, Residual oil, Biomass fuel, Uranium연료의 upstream 계산입니다.

a. Residual oil

원유를 시추할 때 배출량과, 이후의 Residual oil로 정제하는 과정의 배출량의 합을 Loss factor를 반영하여 계산해야됩니다. 그럼 계산식은 Petroleum!$B279*Petroleum!$I$262+Petroleum!$I279 겠죠?

b. Biomass 연료

EtOH!$BU528/Fuel_Specs!$B$86*Inputs!$E$778+EtOH!$CJ528/Fuel_Specs!$B$87*Inputs!$F$778+EtOH!$CZ528/Fuel_Specs!$B$88*Inputs!$G$778+EtOH!$DP528/Fuel_Specs!$B$89*Inputs!$H$778+EtOH!$EN528/Fuel_Specs!$B$91*Inputs!$I$778

매우 복잡해 보이는 식이었는데, 하나씩 쪼개며 보니 패턴이 보이네요.

EtOH Sheet의 528행의 데이터들에, Fuel_Specs Sheet의 데이터들을 나누고, Inputs Sheet 778행의 데이터들을 곱해서 구했습니다. 그럼 하나하나 찾아가서 확인해볼까요?

이 수식을 통해 계산해야 하는 값은, 발전을 위한 “Biomass 연료” 1mmbtu 생산 시 발생하는 총 이산화탄소 배출량이라는 것을 잊지 말아주세요!

EtOH Sheet에서 어떤 값들을 참조했는지 볼까요?

우선 BU528은 “버드나무”에서 에탄올을 생산하는 전체Pathway의 배출량이었네요. Bu528항은 어떻게 계산되었을까요? BM528 항부터 BT528 항까지 각각의 배출량을 더하고, 추가적으로 요소나 탄산칼슘의 내부 탄소로부터 화학적으로 배출되는 비연소배출량(BN529, BP529)도 더해줘야겠죠?

이처럼 다른 EtOH Sheet에서 참조한 데이터를 살펴보면, 

CJ528은 “포플러 나무”에서 에탄올을 생산한 경우의 총 배출량이었고, 

CZ528은 “Switchgrass”에서 에탄올을 생산한 경우의 총 배출량이었고,

DP528은 “억새”에서 에탄올을 생산한 경우의 총 배출량이었고,

EN528은 “산림 유수”에서 에탄올을 생산한 경우의 총 배출량이었습니다.

에탄올을 어떤 원료로부터 생산하느냐에 따라 배출량이 다르니까, 각각 생산 원료 별 배출량을 이처럼 참조하고, 발전에 사용된 Biomass 연료의 실제 원료 비율을 각각 곱해서 더하는 방식으로 계산하는 것 같네요.

그럼 그 뒤에 곱해진, Fuel_specs, Input Sheet의 두 항들도 찾아보겠습니다. 하나의 Biomass 연료를 구성하는 원료의 비율을 뜻하는게 맞는지 한번 확인해 볼까요?

Inputs Sheet에서 참조한 값들은 다음과 같습니다.

Biomass연료를 구성하는 원료들의 비율이 나와있네요. “Forest Residue”, 즉 산림유수로만 에탄올 연료를 생산하였고, 나머지 값들은 0%가 입력되어 있습니다.

어렵게 찾고 이해한 Willow나 Poplar와 관련된 upstream 배출량 등이 산정식에 반영되지 않음을 뜻하는데, 저희가 뜯어보던 식이 어쩌면 불필요하게 긴 식이 아니었나 하는 생각이 드실 수 있습니다.

하지만 GREET에서, 아까의 긴 배출량 구하는 식과 같이, 연관된 가능한 한 많은 배출량 Database를 서로 맞물리게 설계해 놓았기 때문에, 사용자 입장에서는 이 Input Sheet만을 조작해서 다양한 상황에 적용할 수 있게 됩니다.

다시 Inputs Sheet로 돌아가서, Inputs Sheet에서 참조한 값은 질량비 데이터입니다.

그렇다면 이 질량 비율을, g/mmbtu와 같이 나타내어지는 배출량 값에 바로 곱할 수 없겠죠? 따라서 질량을 mmbtu와 같은 에너지 단위로 바꿔주는 저위발열량(LHV)과 같은 데이터를 나눠주어야 하는데요, 그 값은 Fuel_Specs Sheet에서 참조한 것이겠죠? 참조한 값들은 다음과 같습니다.

따라서 정리해보자면, 

EtOH!$BU528/Fuel_Specs!$B$86*Inputs!$E$778+EtOH!$CJ528/Fuel_Specs!$B$87*Inputs!$F$778+EtOH!$CZ528/Fuel_Specs!$B$88*Inputs!$G$778+EtOH!$DP528/Fuel_Specs!$B$89*Inputs!$H$778+EtOH!$EN528/Fuel_Specs!$B$91*Inputs!$I$778

이 식은, 각 원료 별 에탄올 1mmbtu 생산 시 배출량들을, 각 원료 별 질량비를 에너지 비로 바꾼 비율에 곱해 더한 값이겠네요!

따라서 총 Biomass 연료 1mmbtu를 생산할 때 몇 g의 이산화탄소가 배출되는지 계산할 수 있겠습니다.

c.     Uranium

우라늄을 통한 발전, 즉 원자력발전에 대한 배출량 데이터 계산은 조금 다른 점이 있습니다.

(1000000/(1-W$235))*Uranium!$B103/(Electric!$B$12*1000*kWh2BTU) 식을 보면, Electric!H60과 같은 Energy conversion efficiency를 나눠주지 않았죠?

그 이유는, Electric Sheet의 B12항을 보면 조금 특별한 데이터가 정의되어 있기 때문인데요, 그 데이터는 다음과 같습니다.

Uranium을 LWR(경수로)를 통해 발전원료로 사용할 때, 우라늄 1g 당 전기에너지를 6.93MWh를 발전할 수 있다는 값입니다. 이 값이 Energy conversion efficiency와 같은 역할을 하게 됩니다.

그렇다면 유저가 사용하고 싶은 전기에너지가 만약에 693MWh라면, 몇 gram의 Uranium을 경수로에서 핵분열 시키면 될까요? 693MWh / (6.93MWh/g)와 같이 나누어 계산해서 100g 이라는 결과가 나오겠죠?

따라서 위 식에서 

1000000/(1-W$235)) 항에 Electric!$B$12 항을 나누어 계산한 것입니다. 이를 통해 필요한 우라늄 투입량(g)을 구할 수 있습니다.

 

그럼 나머지 값들은 어떤 값일까요? Uranium Sheet에서 참조한 값이 있네요.

Uranium!B103은, 경수로에 투입되는 우라늄 1g을 생산하는 모든 과정에서의 배출량을 뜻하는 값이었네요.

자 그럼 이제 항 하나가 남아있네요, 이 항은 단위환산에 관한 항인데요!

아까 Electric!B12 항의 단위가 MWh/g이었고, 이를 나누었으니까 실질적으로 g/MWh를 곱한게 되죠? 그런데 btu 기준으로 분석을 하고 있으니 MWh단위를 Btu로 바꿔주어야 합니다. MWh = 1,000kWh니까 1000이 전체 식에서 나눠지고, kWh2BTU라는, GREET 내부의 단위환산계수로 전체 식을 나누면 단위환산이 마무리됩니다.

따라서 앞에 곱한 1,000,000을 고려하면, 구해진 값의 단위는 g/mmbtu가 됩니다.

마치며

지금까지 전기에너지에 대한 LCA 계산을 해보았습니다.

각 발전연료들의 Upstream과, 전기에너지 1mmbtu 생산 시 사용되는 발전 연료들의 Mix와, 발전소에서 연료를 태울 때 배출되는 연소배출량을 계산하는것이 큰 틀이었는데요.

Upstream이나 배출계수 등 계산식에 참조된 값들이 대부분 미국 현지 기준 데이터라는 점이 아쉽게 느껴집니다.

이처럼 LCA 분석에서는, 각 데이터의 현지화가 매우 중요한 이슈라는 점까지 설명드리며 이번 포스트를 마치겠습니다.

다음 포스트에서는 차세대 에너지원인 수소, 그 중에서도 그레이수소의 LCA 분석을 다뤄보겠습니다.

감사합니다.