J Appropr Technol > Volume 9(3); 2023 > Article
화공플랜트의 탄소 배출량 저감 방안: 중동, 동남아시아, 한국의 비교

Abstract

화공플랜트의 시공과 운영과정에서 온실가스 배출을 줄일 수 있는 다양한 방법이 있으나, 적용했을 때의 온실가스 감축 효과, 투자비와 혜택은 검토되지 않았다. 따라서 본 연구는 화공플랜트 프로젝트에 적용할 수 있는 온실가스 감축 방안으로 태양광 발전, 역률 개선, VSD(Variable Speed Drive) 모터, LED 전등과 현장 출장 최소화를 제안한다. 그리고 각 방안에 대한 온실가스 감축 가능량, 예상 투자비와 혜택을 지역별로 계산하였다. 이러한 방안 중에서 역률 개선의 이산화탄소 감축 가능량이 가장 컸으며, 예상 투자비도 27 USD/tCO2로 낮았다. 효과적인 온실가스 감축 방안이다. 또한 초기 투자비가 거의 필요하지 않은 LED 전등과 현장 출장 최소화는 신속하게 적용해야 한다. 본 연구에서 제안한 다섯 가지 방안의 예상 투자비와 혜택, 온실가스 감축 가능량은 신규 화공플랜트에서 온실가스 배출을 대폭 줄이는 전략을 수립하는 데 활용될 수 있다.

There are various methods to reduce greenhouse gas emissions in the construction and operational processes of chemical plants; however, the greenhouse gas reduction effects, investment costs, and benefits of their application have not been evaluated. Therefore, this study proposes greenhouse gas reduction measures that can be applied to chemical plant projects, including photovoltaic power generation, power factor improvement, VSD (Variable Speed Drive) motors, LED (Light Emitting Diode) lighting, and minimizing on-site business trips. Subsequently, the potential greenhouse gas reduction, estimated costs, and expected benefits for each measure were calculated by region. Among these measures, power factor improvement demonstrated the highest CO2 reduction potential, with an estimated investment cost as low as 27 USD/tCO2, making it an effective greenhouse gas reduction strategy. Additionally, LED lighting and minimizing on-site business trips, which require little initial investment, should be implemented promptly. The proposed five measures, considering the potential reduction in greenhouse gas emissions, estimated investment costs, and benefits, can be applied to identify ways to significantly reduce greenhouse gas emissions in new chemical plants.

Introduction

화공플랜트는 오일 & 가스 플랜트, 정유플랜트, 석유화학 플랜트, 수소플랜트 등 화석연료인 석유와 천연가스를 채굴, 정제하거나 소재로 활용하는 플랜트를 말한다. Figure 1과 같이 화공플랜트에서 생산하는 제품들은 LPG, 휘발유, 납사, 등유, 경유, 중유, 벙커C유, 합성수지, 합성고무, 합섬 원료, 기타 화학제품 등 다양하다. 인류의 발전에 이바지한 에너지 자원이었고, 없어서는 안 될 중요한 화학 소재의 원료이다.
하지만 화공플랜트가 화석연료인 석유와 천연가스를 다루기 때문에 지구온난화를 조장하고 있다. 화석연료를 사용하면서 발생하는 온실가스 배출량을 시급히 줄이지 않으면 파리협정의 1.5°C 목표 달성은 불가능하다고 한다(WMO, 2022).
화공플랜트 발주사들은 탄소중립을 위해 많은 투자를 하고 있다. 국내 건설사들도 탄소중립 실현을 위해 재생에너지, 수소, 모듈러, 바이오, 소형원전, 탄소 포집 저장 및 활용, 에너지 저장 장치, 제로에너지 빌딩 등 다양한 기술에 연구 혹은 투자하고 있다.
특히 재생에너지 사용과 탄소 포집 저장 및 활용 기술에 관심이 많다. 전기는 재생에너지를 사용하고 화공플랜트 공정에서 배출되는 이산화탄소를 포집하여 탄소중립을 실현하기 위해서이다. 하지만 재생에너지는 전기 생산이 불규칙하여 안정적이지 않고 탄소 포집 저장 및 활용 기술은 실제 운영 경험이 부족한 초기 수준이고 투자비도 비싸다. 또한 앞에서 언급한 다양하고 새로운 기술들을 화공플랜트 프로젝트에 안정적으로 적용하기까지 많은 시간이 필요할 것이다.
본 연구에서는 화공플랜트에 적용할 수 있는 효과적인 온실가스 감축 방안, 그리고 효율을 높여 에너지 사용을 줄임으로써 탄소 배출량을 줄이는 방안을 제안하고 그 효과를 검토하려 한다. 에너지 효율을 높여 탄소 배출량을 줄이는 방안 검토를 위해 역률 개선, VSD 모터, LED 전등에 대해 다음과 같은 문헌을 검토하였다.
1) 역률 개선(power factor improvement): 유도전동기 토크는 자속과 전류 곱이고 이 자속을 발생시키기 위해 여자전류가 필요한데 여자전류에 해당하는 것이 무효 전력이고, 유도전동기에 필요한 무효 전력 공급을 위해 역률 보상 장치를 사용하면 피상전력을 줄이고 역률을 개선할 수 있다. (Son, 2017) 역률 보상 장치인 전력용 콘덴서의 설치 위치를 크게 3가지로 분류하면 고압측에 설치, 고압측과 부하에 분산 설치, 부하 말단에 분산 설치하는 것이다(Lee et al., 2019).
2) 속도 가변형 드라이브(VSD) 모터: 기존 모터를 VSD 모터로 교체하면 41%의 에너지를 절약할 수 있고 모터 속도를 줄이면 많은 동력 소비가 감소한다(Chang, 2010). 속도와 동력 사이의 모터 상사 법칙에 따라 팬의 속도를 20% 감소시키면 50%의 에너지 절약을 달성할 수 있다(NIDEC, 2023). 모터 용도에 따라 적합한 VSD를 설치하면 에너지 소비를 50%까지 줄일 수 있다(Schneider Electric, 2023).
3) LED 전등: 형광등 36 W의 입력 전력은 42.4 W이고 효율은 85%로 감소하는 반면에 LED의 전력 효율은 일반적으로 90%로 높아서 18 W LED 전등은 20 W의 입력 전력만 필요하다(RINA TECH, 2018). 그리고 LED 등기구는 발열량이 적으며 실내온도 증가율 역시 감소하므로 등기구의 소비전력과 공조 장비의 냉방 전력을 줄일 수 있기 때문에 효율적인 전력 사용에 도움이 될 것이다(Kim et al., 2011).

Materials and Methods

본 연구에서는 화공플랜트 프로젝트에 적용할 수 있는 다섯 가지 온실가스 감축 방안과 그에 따른 탄소 배출량 저감 효과를 검토하고자 한다.
다섯 가지 온실가스 감축 방안은 Figure 2 처럼 태양광 발전, 역률 개선, VSD 모터, LED 전등, 현장 출장 최소화이다.
에너지 절감, 온실가스 감축, 투자비와 혜택 측면에서 지역별(중동지역, 동남아시아 지역, 한국)로 다음과 같은 방법으로 검토한다. 온실가스 감축 효과를 수치화하기 위해, 화공플랜트 EPC(Engineering, Procurement, Construction) 프로젝트의 일반적인 규모인 10-15억 USD를 기준으로 검토한다.
1) 태양광 발전: 화공플랜트 프로젝트에서 현장 근로자를 위한 사무실, 숙소, 식당, 워크숍, 편의시설 등의 가설건물에 디젤 발전기를 사용하여 전기를 공급한다. 태양광 발전으로 전기를 공급하면 경유의 사용을 줄일 수 있어 온실가스 직접 배출(Scope 1)을 줄일 수 있다.
태양광 발전 전기를 공급할 대상은 공사 차량, 근로자 숙소의 전등/냉난방/냉장고/TV, 현장 사무실의 전등/냉난방/사무기기이다. 우선 각 항목에 대한 온실가스 감축 가능량을 경유 사용량과 경유의 탄소배출 계수를 이용하여 지역별로 계산한다.
다음으로 국가와 지역별 태양광 발전 시간 데이터와 태양광 발전 설비 설치 비용과 유지 보수 비용을 이용하여 태양광 발전 예상 투자비를 계산한다. 그리고 국가와 지역별 경유 가격과 전기료 데이터 그리고 IMF 보고서(Fiscal Monitor, 2019)에서 제안한 탄소세를 이용하여 태양광 발전 예상 혜택을 계산한다.
2) 역률 개선: 역률을 개선하면 전력 품질 개선 및 전력 절감 효과를 얻을 수 있다. 실제 공급되는 피상전력(Apparent Power)의 양을 줄일 수 있게 되어 온실가스 간접배출(Scope 2)을 줄일 수 있다. 우선 화공플랜트 5개 프로젝트의 전기 데이터를 이용하여 프로젝트별 역률을 정리한다.
다음으로 개선할 역률 목표를 설정하고 연 가동시간과 전력의 탄소배출 계수를 이용하여 지역별 온실가스 감축 가능량을 계산한다. 그다음으로 역률 개선 콘덴서 설치 위치와 수량을 검토하여 예상 투자비를 계산한다. 그리고 기본 요금 할인과 IMF 보고에서 제안한 탄소세를 이용하여 역률 개선 예상 혜택을 지역별로 계산한다.
3) VSD 모터: VSD는 모터의 회전 속도를 제어하는 장비로 부하 변동이 있는 모터에 사용하면 에너지를 효율적으로 사용할 수 있어 온실가스 간접배출(Scope 2)을 줄일 수 있다.
우선 부하 변동이 있어 VSD 모터를 장착할 수 있는 공조 장비인 AHU(Air Handling Unit)와 CFU(Chemical Filter Unit)의 전력 데이터를 화공플랜트 5개 프로젝트의 전기 데이터에서 찾아 프로젝트별로 정리한다.
다음으로 에너지 절감률, 연 가동시간과 전력의 탄소배출 계수를 이용하여 지역별 온실가스 감축 가능량을 계산한다. 그다음으로 VSD 설치 수량을 검토하여 예상 투자비를 계산한다. 그리고 전기 요금과 IMF 보고서에서 제안한 탄소세를 이용하여 VSD 모터 예상 혜택을 지역별로 계산한다.
4) LED 전등: LED 전등을 사용하면 형광등에 비해 전력 소모가 작아 에너지 절감 효과가 크기 때문에 온실가스 간접배출(Scope 2)을 줄일 수 있다.
우선 화공플랜트 5개 프로젝트의 전기 데이터를 이용하여 프로젝트별 전등 소비전력을 정리한다. 다음으로 에너지 절감률, 연간 전등 켜는 시간과 전력의 탄소배출 계수를 이용하여 지역별 온실가스 감축 가능량을 계산한다. 그리고 전기 요금과 IMF 보고서에서 제안한 탄소세를 이용하여 LED 전등 예상 혜택을 지역별로 계산한다.
5) 현장 파견과 출장 최소화: 현장 출장 횟수와 파견 인원을 줄이면 온실가스 기타 간접배출(Scope 3)을 줄일 수 있다. 클라우드 기반 프로젝트 협업, 실시간 현장 모니터링, 화상회의, 디지털트윈, 증강현실, 현지 대리인 지정, 출장 계획 최적화로 프로젝트의 파견 인원과 출장 횟수를 줄인다.
우선 국가와 지역별 비행 거리, 출장지 차량 이동 거리, 출장 근무 일수, 숙박 일수, 항공 이동 탄소 배출량, 차량 이동 탄소 배출량, 지역별 숙박 탄소 배출량을 이용하여 온실가스 감축 가능량을 계산한다. 다음으로 지역별 항공 비용, 차량 이용 비용, 숙박 비용을 이용하여 현장 파견과 출장 최소화 방안의 예상 혜택을 계산한다. 지역별 항공 이동 거리와 비용은 한국 본사에서의 파견, 출장을 기준으로 검토한 것이다.

Results and Discussion

1. 태양광 발전

1.1. 온실가스 감축 가능량

아래 식을 이용하여 태양광 발전에 의한 온실가스 감축 가능량을 계산하였다.
{Σ(M÷Fm)+Σ(P×Fp)}×(Fh×Ce×44÷12)
M = 차량 이동 거리(km/년),
Fm = 이동 거리당 경유 소모량(11 km/litre),
P = 가설 숙소와 사무실의 사용 전력량(kWh/년),
Fp = 전력량당 경유 소모량(0.2 kg/kWh × 0.85 litre/kg), (Lee, 2016)
Fh = 경유 순 발열량(35.4 × 10-6 TJ/litre), (Ministry of Trade, Industry and Energy, 2022)
Ce = 연료 연소 부문, 경유, 탄소배출 계수(20.09 tC/TJ) (Ministry of Environment, 2021)
태양광 발전에 의한 온실가스 감축 가능량을 계산하여 지역별로 표로 정리하였다.
A. 중동지역(Table 1)
B. 동남아시아지역: 현장 숙소를 운영하지 않는다(Table 2).
C. 한국: 현장 숙소를 운영하지 않고, 디젤 발전기를 사용하지 않는다(Table 3).
Table 1-3에서 사용된 값에 대한 설명은 아래와 같다.
1) 숙소 전등 사용 시간은 주중, 주말 포함해서 평균 하루에 5.2시간, 1년에 300일로, 사무실 전등 사용 시간은 하루 10시간 300일로 계산된 것이다.
2) 전등 소비전력은 숙소 5.7 W/m2, 사무실 6.8 W/m2 적용하였다(ASHRAE, 2019).
3) 냉난방 필요시간은 ASHRAE weather data의 HDD18.3 (Heating Degree Day, 18.3°C 난방 필요 일수)와 CDH23.3 (Cooling Degree Hour, 23.3°C 냉방 필요시간)을 참고하여, (ASHRAE, 2021a) △ 10°C에 대한 시간으로 계산하였다. 중동지역 7개국(UAE, 바레인, 카타르, 이라크, 쿠웨이트, 사우디, 오만) 평균은 5,707 hr/년, 동남아시아지역 7개국(태국, 말레이시아, 인도네시아, 베트남, 미얀마, 방글라데시, 인도) 평균은 4,062 hr/년, 한국은 7,004 hr/년이었다. 연간 냉난방 필요시간의 60%는 현장 숙소에 40%는 현장 사무소에 적용하였다.
4) 냉난방 전력은 외부온도와 실내온도 차이가 10°C이므로, 국내의 기준인 업무시설의 냉방 114 Kcal/m2 hr(난방은 115)을 적용하였다(Ministry of Trade, Industry and Energy, 2018).
냉방 효율은 중동지역 2 W/W(냉방 능력/소비전력), 그 외 지역은 2.5 W/W를 기준으로 계산하였다. 그리고 숙소는 업무시설 냉난방 전력에서 전등 소비전력 차이(1.1 W/m2)와 사무기기 소비전력(8 W/m2) 값을(ASHRAE, 2021b) 뺐다.

1.2. 태양광 발전 예상 투자비

아래 식을 이용하여 태양광 발전 예상 투자비를 계산하였다.
{Σ(M÷Ec)+Σ(P)}÷Y÷Pt×(Ci+Ess×Pi÷2)+n=0Cy(C0÷(1+r)n)
M = 차량 이동 거리(km/년),
Ec = 이동 거리당 전력 소모량(3.5 km/kWh), (Korea Energy Agency, 2023)
P = 가설 숙소와 사무실의 사용 전력량(kWh/년),
Y = 365 day/년,
Pt = 발전 시간(kWh/kWp/day),
Ci = 태양광 발전 설치 비용(중동지역 1 MW 규모: 1,310 천원/kW, 그 외 지역 100 kW 규모: 1,491 천원/kW), (Lee and Lim, 2021)
Ess = 에너지 저장 장치 설치 비용(552,250 원/kWh) (Kim and Song, 2023)
Cy = 태양광 발전 설비의 운영 기간(공사 기간 3.5년, 경제수명 20년),
Co = 태양광 발전 유지 보수 비용(중동지역 1 MW 규모: 22,243 원/kW·년, 그 외 지역 100 kW 규모: 29,360 원/kW·년)(Lee and Lim, 2021) + 에너지 저장 장치의 연간 유지 보수 비용(설치 비용의 2.5%)(Kim and Song, 2023)
r = 사회적 할인율(4.5%)(Ministry of Economy and Finance, 2019)
에너지 저장 장치는 태양광 발전 설비 하루 생산 전력량 절반을 저장할 수 있는 용량을 반영하였다. 발전 시간은 태양광 발전 설비 peak 용량으로 연간 몇 시간 발전할 수 있는지 나타낸다. kWh/kWp/day는 kWh/kWp를 365로 나눈 값으로 지역별 중간값은 중동 4.9, 동남아시아 3.9, 한국은 3.7이었다(Solargis, 2019).
태양광 발전 예상 비용을 계산하여 지역별로 Table 4에 정리하였다(1 USD = 1,300원).

1.3. 태양광 발전 예상 혜택

태양광 발전으로 얻을 수 있는 혜택을 경유와 전기 사용 절감과 탄소세 측면에서 계산하였다.
경유 가격은 중동지역 7개국 평균 0.515 USD/litre, 동남아시아지역 7개국 평균 0.938 USD/litre, 한국 1.145 USD/litre이었고(GlobalPetrolPrices, 2023), 전기료는 중동지역 7개국 평균 0.079 USD/kWh, 동남아시아지역 7개국 평균 0.094 USD/kWh, 한국 0.099 USD/kWh이었다(GlobalPetrolPrices, 2022).
그리고 탄소세는 IMF의 Fiscal Monitor 2019에서 제안한 탄소세 75 USD/tCO2 적용하였다(IMF, 2019).
태양광 발전 예상 혜택을 계산하여 지역별로 Table 5에 정리하였다(3.5년 운용).
공사 기간 3.5년 이후의 태양광 발전 예상 혜택을 계산하여지역별로 Table 6에정리하였다(3.5년이후 20년까지운영).
한국의 경우, REC(Renewable Energy Certificate) 가격이 다른 국가에 비해 비싸다. 탄소세 대신 REC 가격을 반영할 경우, 한국의 연간 태양광 발전 혜택은 조금 더 높아질 수 있다.

2. 역률 개선

2.1. 온실가스 감축 가능량

온실가스 감축 가능량을 계산하기 위해 다음과 같은 식을 사용하였다.
Σ{PkW×(1÷PFc-1÷PFr)×Yh÷1000×Cp}
PkW = 유효전력(kW),
PFc = 개선 전 역률,
PFr = 개선 역률,
Yh = 연 가동시간(16시간/일 × 365일/년, hr/년),
Cp = 전력 배출계수, 소비단, CO2 배출계수(0.4747 tCO2/MWh)(Ministry of Environment, 2021)
역률 개선에 따른 피상전력 절감과 온실가스 감축 가능량의 프로젝트 평균을 Table 7에 정리하였다.

2.2. 역률 개선 예상 투자비

역률 개선 콘덴서의 설치 위치에 따라 초기 설치 비용 및 역률 개선 범위가 다르다. 본 연구에서는 중간 수준인 고압용과 저압용 콘덴서를 분산 설치하는 방법(Lee et al., 2019)에 대한 비용을 검토하였다. 화공플랜트 5개 프로젝트에 필요한 역률 개선 콘덴서의 수량과 용량은 프로젝트마다 달랐다. 대략적인 비용 산출을 위해 고압 콘덴서 용량은 500 kvar, 저압 콘덴서 용량은 250 kvar을 기준으로 수량과 비용을 검토하였다. 자재비는 제작사의 콘덴서 뱅크 견적 금액을 참고하였으며(Samwha Engineering, 2023), 노무비 및 기타비용은 자재비와 같다는 가정하에 공사비용을 산출하였다.
Figure 3은 역률을 92%로 개선하는 데 필요한 콘덴서 뱅크의 수량과 비용, 그리고 프로젝트 평균 수량과 비용을 나타내었다.

2.3. 역률 개선 예상 혜택

한국에서는 역률 90%를 기준으로 1% 초과 혹은 미달 시 기본요금의 0.2%를 추가 혹은 감액하고 있다(60-95% 구간) (KEPCO, 2023a). 과거부터 2015년 3월까지는 역률 1% 초과 혹은 미달 시 기본요금의 1%를 추가 혹은 감액하고 있었다(KEPCO, 2015).
중동과 동남아시아 지역 국가들의 역률 할인 및 할증제도에 대한 파악이 어렵기 때문에, 본 연구에서는 한국의 기본요금을 지역별 전기료에 비례하여 적용하였고, 각 지역의 전력 안정성을 고려하여 역률 1%당 추가 혹은 감액률을 중동은 0.5%, 동남아시아는 1%로 반영하였다. 역률을 개선하여 얻을 수 있는 혜택을 전기 기본요금 감액과 탄소세 측면에서 다음과 같은 식으로 계산하였다.
(Kpc × PkW × Cri × PFi × Rko × Ym) + (Gh × Ct)
Kpc = 한국전력 기본요금, 계약전력 300 kW 이상, 고압 B, 선택 III(6.3 USD/kW·월, 1 USD = 1,300원 기준), (KEPCO, 2023b)
PkW = 유효전력(kW),
Cri = 역률 1%당 기본요금 할인, 할증률,
PFi = 역률 개선율(%),
Rko = 지역별 한국에 대한 전기 요금 비율,
Ym = 12 (월/년),
Gh = 온실가스 감축량(tCO2/년),
Ct = IMF의 Fiscal Monitor 2019, 탄소세(75 USD/tCO2) (IMF, 2019)
지역별 역률 개선 혜택을 Table 8에 정리하였다. 콘덴서 뱅크의 수명은 6년으로 하였고 유지 보수 비용은 공사 예상 비용의 2.5%를 해마다 반영하는 것으로 투자비를 산출하였다. 혜택과 투자비는 사회적 할인율 4.5%를(Ministry of Economy and Finance, 2019) 반영하여 20년을 계산하였다. 온실가스 절감 대비 역률 개선을 위한 투자 비용은 27 USD/tCO2로 낮았다. 매우 효과적인 온실가스 감축 방안이다. 그러나 탄소세 등의 규제 없이 기본요금 할인만으로는 투자비를 회수할 수 없다.

3. VSD 모터

3.1. 온실가스 감축 가능량

기존 모터를 VSD 모터로 바꾸면 40% 이상의 에너지를 절약하게 된다(Chang, 2010; NIDEC, 2023; Schneider Electric, 2023). 상사의 법칙에 따라 회전수가 줄면 동력이 크게 줄어드는 원리이다. 부하 변동이 있는 공조 장비 AHU와 CFU에 VSD 모터를 적용할 경우의 온실가스 감축 가능량을 계산하기 위해 다음과 같은 식을 사용하였다.
Σ{LVkw×Ver×Yh÷1000×Cp}
LVkW = 모터 소비전력(kW),
Ver = 에너지 절감률(0.4),
Yh = 연 가동시간(유지 보수 고려한 하루 20시간 × 365일/년, hr/년),
Cp = 전력 배출계수, 소비단, CO2 배출계수(0.4747 tCO2/MWh)(Ministry of Environment, 2021)
프로젝트별 전력량 절감과 온실가스 감축 가능량을 Table 9에 정리하였다.

3.2. VSD 모터 예상 투자비

본 연구에서 검토한 화공플랜트 5개 프로젝트의 AHU와 CFU 모터의 총 수량은 97개이고, 정격 용량 범위는 1.5-75 kW이었다. 모터 정격 용량의 평균은 30 kW 정도이었다. 따라서 30 kW의 정격 용량 모터에 필요한 VSD를 프로젝트 평균 수량 만큼 설치하는 것으로 공사 비용을 계산하였다.
Figure 4에 프로젝트별 VSD 설치 수량과 비용, 그리고 프로젝트 평균 수량과 비용을 나타내었다.

3.3. VSD 모터 예상 혜택

VSD 모터를 적용하여 얻을 수 있는 혜택을 전기 요금 절감과 탄소세 측면에서 다음과 같은 식으로 계산하였다.
Σ{LVkw×Ver×Yh×Cep}+Gh×Ct
LVkW = 모터 소비전력(kW),
Ver = 에너지 절감률(0.4),
Yh = 연 가동시간(유지 보수 고려한 하루 20시간 × 365일/년, hr/년),
Cep = 지역별 전기 요금(USD/kWh),
Gh = 온실가스 감축량(tCO2/년),
Ct = IMF의 Fiscal Monitor 2019, 탄소세(75 USD/tCO2) (IMF, 2019)
지역별 VSD 모터 적용 혜택과 투자비를 Table 10에 정리하였다. VSD의 수명은 10년으로 하였고 유지 보수 비용은 공사 예상 비용의 2.5%를 해마다 적용하는 것으로 투자비를 산출하였다. 혜택과 투자비는 사회적 할인율 4.5%를(Ministry of Economy and Finance, 2019) 반영하여 20년을 계산하였다. 투자비(110 USD/tCO2)보다 전기 요금 절감 혜택이 컸다. 따라서 부하 변동이 있는 장비에는 VSD 모터를 적용해야 할 것이다.

4. LED 전등

4.1. 온실가스 감축 가능량

형광등의 발광량은 약 55-80 lm/W이다(RINA TECH, 2018). LED 전등의 발광량은 약 80-131 lm/W이며(Heo, 2022) 계속 향상되고 있다. 18 W 고효율 LED 전등과 36 W 고효율 형광등을 비교해 보았다. 우선 LED 전등은 120도 조명이다. 컨버터를 포함하므로 실제 입력 전력은 20 W이다(RINA TECH, 2018). 따라서 전력은 20 W이고, 2,340 lumen (130 lm/W × 18 W)이다.
다음으로 형광등은 360도 조명이다. 흰색 갓을 사용하여 반사한다고 해도 효율은 약 70%에 불과하다. 그리고 안정기(Ballast)를 포함하므로 실제 입력 전력은 42.4 W이다(RINA TECH, 2018). 따라서, 전력은 42.4 W이고, 2,016 lumen(80 lm/W × 36 W × 70%)이다.
검토 결과 18 W LED 전등이 36 W 형광등을 대체할 수 있으며, 전력은 52.8% 정도 절감할 수 있다. 본 연구에서는 고효율 LED 전등으로 형광등을 대체할 경우, 50%의 에너지를 줄일 수 있다는 가정하에 온실가스 감축 가능량을 계산하였다.
Σ{Lkw×Ver×Yhr÷1000×Cp}
LkW = 기존 프로젝트의 전등 소비전력(kW),
Ver = 에너지 절감률(0.5),
Yhr = 연간 전등 켜는 시간(hr/년),
Cp = 전력 배출계수, 소비단, CO2 배출계수(0.4747 tCO2/MWh)(Ministry of Environment, 2021)
연간 전등 켜는 시간은 옥외에 설치된 전등은 일몰 이후에 켜고 일출 이후에 끄는 것으로 하였고, 옥내는 재실자가 있는 건물은 하루 8시간, 재실자가 없는 건물은 하루 1시간 켜는 것으로 계산하였다.
서울, 방콕(동남아시아 7개 국가 중 대략 가운데 있는 태국의 도시), 마나마(중동 7개 국가 중 대략 가운데 있는 바레인의 도시) 3개 도시의 일몰 시각에서 일출 시각까지의 1년 평균 시간을 검토해보니, 한국 11:48:51, 방콕 11:52:11, 마나마 11:50:49이었다(Timeanddate, 2023). 지역별로 전등을 켜는 시간에는 별 차이가 없어서, 옥외에 설치된 전등을켜는 시간은 11.8시간으로 같게 적용하였다.
프로젝트별 LED 전등 적용에 따른 전력량 절감과 온실가스 감축 가능량을 Table 11에 정리하였다.

4.2. LED 전등 예상 혜택

LED 전등을 적용하여 얻을 수 있는 혜택을 전기 요금 절감과 탄소세 측면에서 다음과 같은 식으로 계산하였다.
Σ{Lkw×Ver×Yhr×Cep}+Gh×Ct
LkW = 기존 프로젝트의 전등 소비전력(kW),
Ver = 에너지 절감률(0.5),
Yhr = 연간 전등 켜는 시간(hr/년),
Cep = 지역별 전기 요금(USD/kWh),
Gh = 온실가스 감축량(tCO2/년),
Ct = IMF의 Fiscal Monitor 2019, 탄소세(75 USD/tCO2) (IMF, 2019)
지역별 LED 전등 적용 혜택을 Table 12에 정리하였다. LED 전등은 형광등 대비 개당 가격은 비싸지만, 수량이 줄고 수명도 길어 투자비는 고려하지 않았다. 에너지 절감률이 높은 고효율 LED 전등은 반드시 적용해야 할 것이다.

5. 현장 파견과 출장 최소화

5.1. 온실가스 감축 가능량

본 연구에서는 70명이 평균 20개월씩 현장 파견 근무하고, 한국 본사 근무 인원의 출장은 연평균 56회 가고, 출장당 평균 7일씩 근무하는 것을 기준으로 하여, 그 출장 횟수 및 파견 인원의 절반을 줄일 수 있다는 가정하에 아래와 같은 식을 이용하여 온실가스 감축 가능량을 계산하였다. 출장지 차량 이동 거리와 일일 차량 이동 거리는 현장에 따라 다르지만 본 연구에서는 각각 200 km, 5 km로 일괄 반영하였다.
(Dai × Mt × Ca) + (Dla × Mt + Dld × Wd) × Cl + (Hs × Ch)
Dai = 지역별 평균 비행 거리(km),
Mt = 연간 이동 횟수(회/년), (파견자 3개월마다 1회 휴가 + 출장) × 2(왕복),
Ca = 항공 이동 탄소 배출량(이코노미석, 139.92 × 10-6 tCO2/km), (GOV.UK, 2021)
Dla = 출장지 차량 이동 거리(km/회),
Dld = 일일 차량 이동 거리(km/day),
Wd = 연간 근무 일수(day/년), 출장당 7일, 파견자 휴가와 휴가 사이 65일,
Cl = 차량 이동 탄소 배출량(2.0 이하 디젤 차량, 187.17 × 10-6 tCO2/km), (GOV.UK, 2021)
Hs = 연간 숙박 일수(day/년),
Ch = 지역별 평균 호텔 숙박 탄소 배출량(tCO2/day) (GOV.UK, 2021)
지역별 비행 거리는 중동지역 7개국 평균 7,035 km, 동남아시아 7개국 평균 4,038 km을 적용하였다. 지역별 호텔 숙박 탄소 배출량은 중동지역 0.1186 tCO2e/day, 동남아시아 지역 0.0701 tCO2e/day, 한국 0.0612 tCO2e/day이다(GOV.UK, 2021).
현장 파견과 출장 최소화에 의한 온실가스 감축 가능량을 지역별로 Table 13에 정리하였다.
파견 인원 1명당 온실가스 감축 가능량은 중동 74 tCO2, 동남아시아 44 tCO2, 한국 32 tCO2이고, 출장 1회당 온실가스 감축 가능량은 중동 2.9 tCO2, 동남아시아 1.7 tCO2, 한국 0.5 tCO2으로 계산되었다.

5.2. 현장 파견과 출장 최소화 방안의 예상 혜택

현장 출장을 줄여서 얻을 수 있는 혜택을 출장비 절감 측면에서 다음과 같은 식으로 계산하였다.
(Bti × Cpl) + (Dt × Cca) + (Yd × Cht)
Bti = 출장 횟수(회/년),
Cpl = 왕복 항공권 비용, 중동 1,000 USD, 동남아시아 600 USD 적용,
Dt = 총 차량 이동 거리(km/년),
Cca = 지역별 차량 이용비(USD/km), 2.0 디젤차 감가상각과 경유 가격 반영하여 중동 0.257, 동남아시아 0.285, 한국 0.299 적용,
Yd = 연간 숙박 일수(day/년),
Cht = 지역별 호텔 숙박비(USD/day), 중동 100, 동남아시아 50, 한국 80 적용
지역별 현장 파견과 출장 최소화에 따른 혜택을 Table 14에 정리하였다. 한국의 숙박비 계산 시, 파견자들은 아파트 전세 숙소, 출장자들은 호텔을 이용하는 것으로 하였다. 현장 파견과 출장 최소화 방안은 다른 방안에 비해 온실가스 감축 대비 비용 절감으로 인한 혜택이 가장 컸다.

6. 온실가스 감축 방안 검토 결과 지역별 정리

지금까지 정리한 다섯 가지 온실가스 감축 방안의 지역별 온실가스 감축 가능량, 예상 투자비와 혜택을 공사 기간과 운영 기간으로 구분하였다.
화공플랜트 공사 기간 중의 온실가스 감축 가능량, 투자비와 혜택을 지역별로 집계하여 Table 15에 나타내었다. 현장 파견과 출장 최소화는 온실가스 기타 간접배출(Scope 3)이므로 탄소세는 반영하지 않았다. 혜택과 투자비는 사회적 할인율 4.5%를(Ministry of Economy and Finance, 2019) 반영하여 3.5년을 계산하였다. 중동지역에서의 온실가스 감축 가능량과 예상 비용 절감이 가장 크게 나타났다.
역률 개선에 의한 온실가스 감축 가능량은 태양광 발전, VSD 모터, LED 전등의 소비전력에 영향을 받는다. 다음과 같은 식으로 VSD 모터, LED 전등, 태양광 발전, 역률 개선 방안의 온실가스 감축 가능 총량을 계산할 수 있다.
(Vtc × VkW) + (Ltc × LkW) + (S × 10-3 × Cp) + {Ptc × (TkW - VkW × 2/3 - LkW - S/365/16)}
Vtc = VSD 모터 소비전력 kW당 탄소 배출량, 2.3089 tCO2/year/kW,
VkW = VSD 모터 소비전력(kW),
Ltc = LED 전등 소비전력 kW당 탄소 배출량, 1.5053 tCO2/year/kW,
LkW = LED 전등 소비전력(kW),
S = 태양광 발전 생산 전력(kWh/year),
Cp = 전력 배출계수, 소비단, CO2 배출계수(0.4747 tCO2/MWh), (Ministry of Environment, 2021)
Ptc = 역률 개선(3.4% up) 대상 전력 kW당 탄소 배출량, 0.1156 tCO2/year/kW,
TkW = 총 소비전력(kW)
화공플랜트 운영 기간 중의 온실가스 감축 가능량, 투자비와 혜택을 지역별로 집계하여 Table 16에 나타내었다. 혜택과 투자비는 사회적 할인율 4.5%를(Ministry of Economy and Finance, 2019) 반영하여 20년을 계산하였다.

Conclusion

본 연구에서는 화공플랜트 프로젝트에 적용할 수 있는 다섯 가지 온실가스 감축 방안과 그에 따른 탄소 배출량 저감 효과를 온실가스 감축, 투자비와 혜택 측면에서 지역별로 검토하였다.
첫째, 태양광 발전을 이용하여 공사 현장에 전기를 공급한다면 디젤 발전기의 사용을 줄일 수 있게 되어 온실가스 직접 배출(Scope 1)을 줄일 수 있다. 공사용으로 필요한 전력 일부를 태양광 발전과 에너지 저장 장치로 공급하면 건설사의 온실가스 직접 배출량(Scope 1)을 줄일 수 있고 공사 이후에는 발주사에서 사용하면서 온실가스 간접 배출량(Scope 2)을 줄일 수 있는 좋은 방안이라 생각된다. 본 연구에서는 태양광 발전을 공사 기간과 운영 기간으로 구분하여 온실가스 감축 가능량 그리고 예상 투자비와 혜택을 검토하였다.
냉방 필요시간이 가장 길고 현장 숙소를 운영하는 중동지역의 온실가스 감축 가능량이 가장 컸다. 또한 중동지역은 일 평균 태양광 발전 가능 시간이 가장 길어서 태양광 발전에 유리하지만, 경유 비용과 전기 요금 절감 혜택은 가장 낮았다.
에너지 저장 장치를 포함한 태양광 발전의 예상 투자비는 중동지역 158 USD/tCO2, 동남아시아 지역 199 USD/tCO2, 한국 206 USD/tCO2로 계산되었다.
둘째, 역률 개선 콘덴서를 사용하면 무효 전력(Reactive Power)의 양을 감소시킬 수 있으므로, 실제 공급되는 피상 전력(Apparent Power)의 양을 줄일 수 있게 되어 온실가스 간접배출(Scope 2)을 줄일 수 있다. 프로젝트의 평균 역률 88.6%를 92%까지 개선할 경우, 프로젝트당 평균적으로 이산화탄소 6,935톤을 해마다 감축할 수 있는 것으로 계산되었다. 역률 개선 방안의 온실가스 감축 가능량이 가장 컸고, 예상 투자비도 27 USD/tCO2로 낮았다. 매우 효과적인 온실가스 감축 방안이다. 그러나 역률 개선에 따른 기본요금 할인만으로는 투자비를 회수할 수 없다. 따라서 역률 개선을 위해 탄소세 등의 규제가 필요하다.
셋째, VSD는 모터의 회전 속도를 제어하는 장비로 부하 변동이 있는 모터에 사용하면 전기 에너지를 효율적으로 사용할 수 있어 온실가스 간접배출(Scope 2)을 줄일 수 있다. 프로젝트당 평균적으로 이산화탄소 598톤을 해마다 감축할 수 있는 것으로 계산되었다.
예상 투자비(110 USD/tCO2)보다 전기 요금 절약 혜택이 컸다. 또한 전기 요금은 계속 상승할 것이므로 탄소세와 무관하게 부하 변동이 있는 장비에는 VSD 모터를 반드시 적용해야 할 것이다.
넷째, LED 전등을 적용하면 형광등에 비해 전력 소모가 작아 전기 에너지 절감 효과가 크므로 온실가스 간접배출(Scope 2)을 줄일 수 있다. 프로젝트당 평균적으로 이산화탄소 986톤을 해마다 감축할 수 있는 것으로 계산되었다.
LED 전등은 형광등 대비 개당 가격은 비싸지만, 수량이 줄고 수명도 길어 투자비는 고려하지 않았다. 신규 프로젝트에서는 에너지 절감률이 높은 고효율 LED 전등을 반드시 적용해야 할 것이다.
다섯째, 현장 출장 횟수와 파견 인원을 줄이면 온실가스 기타 간접배출(Scope 3)을 줄일 수 있다. 클라우드 기반 프로젝트 협업, 실시간 현장 모니터링, 화상회의, 디지털트윈, 증강현실, 현지 대리인 지정과 출장 계획 최적화를 통해 현장 출장 횟수와 파견 인원을 줄일 수 있을 것이다. 현장 파견과 출장 최소화 방안은 다른 방안에 비해 온실가스 감축 대비 비용 절감 혜택이 가장 컸다. 파견 인원 1명당 온실가스 감축 가능량은 중동 74 tCO2, 동남아시아 44 tCO2, 한국 32 tCO2이고, 출장 1회당 온실가스 감축 가능량은 중동 2.9 tCO2, 동남아시아 1.7 tCO2, 한국 0.5 tCO2으로 계산되었다.
앞서 검토한 다섯 가지 방안의 예상 투자비와 혜택, 온실가스 감축량은 신규 화공플랜트에서 온실가스 배출을 대폭 줄이는 전략을 수립하는 데 활용될 수 있을 것이다.
본 연구는 프로젝트 수행 인원과 규모를 가정하고 화공플랜트 5개 프로젝트의 전기 데이터를 이용하여 다섯 가지 온실가스 감축 방안에 대해 예상 투자비와 혜택 그리고 온실가스 감축 가능량에 대해 계산한 것이다. 실제 프로젝트에 적용하여 계산된 결과를 검증할 필요가 있다. 그리고 전력 모니터링과 데이터 수집 및 분석하여 에너지 효율을 높이는 방법을 계속해서 연구해야 한다.
본 연구가 화공플랜트의 탄소 배출량을 줄이는 방안 선정에 도움이 되기를 기대한다.

Figure 1.
Classification and outputs of chemical plants.
jat-2023-00451f1.jpg
Figure 2.
Five greenhouse gas reduction measures for chemical plants (Hanwha, 2023; Samwha Engineering, 2023; Siemens, 2023; Wooree Enterprise, 2023).
jat-2023-00451f2.jpg
Figure 3.
Capacitor bank quantity and cost for power factor improvement (92% P.F.).
jat-2023-00451f3.jpg
Figure 4.
VSD installation quantity and cost by project.
jat-2023-00451f4.jpg
Table 1.
Greenhouse gas reduction by solar power in the middle east.
Item Basis tCO2/y
Site vehicles ( 1 ton) 100 ea × 40 km/ea·d × 300 d/y 283.6
Manager’s Lodging Lighting 10 m2/man × 100 man × 5.7 W/m2 × 1560 hr/y 5.4
Worker’s Lodging Lighting 4 m2/man × 5500 man × 5.7 W/m2 × 1560 hr/y 119.7
Manager’s Lodging A/C 10 m2/man × 100 man × 57 W/m2 × 3424 hr/y 119.4
Worker’s Lodging A/C 4 m2/man × 5500 man × 57 W/m2 × 3424 hr/y 2,626.7
Site Lodging fridge (861) 184 kWh/ea·y × (100+550) ea 73.2
Site Lodging TV (42") 264 kWh/ea·y × (100+550) ea 105.0
Site Office Lighting 14 m2/man × 200 man × 6.8 W/m2 × 3000 hr/y 34.9
Site Office A/C 14 m2/man × 200 man × 66 W/m2 × 2283 hr/y 258.1
Site Office Equipment 14 m2/man × 200 man × 8 W/m2 × 3000 hr/y 41.1
Total _ tCO2/year 3,667
Table 2.
Greenhouse gas reduction by solar power in the Southeast Asia.
Item Basis tCO2/y
Site vehicles (≤ 1 ton) 100 ea × 40 km/ea·d × 300 d/y 283.6
Site Office Lighting 14 m2/man × 200 man × 6.8 W/m2 × 3000 hr/y 34.9
Site Office A/C 14 m2/man × 200 man × 53 W/m2 × 1625 hr/y 147.5
Site Office Equipment 14 m2/man × 200 man × 8 W/m2 × 3000 hr/y 41.1
Total _ tCO2/year 507
Table 3.
Greenhouse gas reduction by solar power in South Korea.
Item Basis tCO2/y
Site vehicles (≤ 1 ton) 100 ea × 40 km/ea·d × 300 d/y 283.6
Site Office Lighting 14 m2/man × 200 man × 6.8 W/m2 × 3000 hr/y 27.1
Site Office A/C 14 m2/man × 200 man × 53 W/m2 × 2802 hr/y 197.4
Site Office Equipment 14 m2/man × 200 man × 8 W/m2 × 3000 hr/y 31.9
Total _ tCO2/year 540
Table 4.
Required electricity and power generation costs by region.
Power Required kWh/year Invest. Cost USD (3.5 years) Invest. Cost USD (20 years)
Middle East 5,873,656 7,236,967 8,819,440
SE Asia 708,327 1,068,732 1,335,306
S. Korea 882,994 1,376,511 1,726,782
Table 5.
Estimated solar power benefit by region (up to 3.5 years).
Diesel Cost↓ USD/year Electricity Cost↓ USD/year Carbon Tax USD/year Benefit USD/year GH Gas↓ tCO2/year
Middle East 726,384 275,039 1,001,423 3,667
SE Asia 182,989 38,041 221,030 507
S. Korea 124,909 53,474 40,503 218,886 540
Table 6.
Estimated solar power benefit by region (3.5-20 years).
Diesel Cost↓ USD/year Electricity Cost↓ USD/year Carbon Tax USD/year Benefit USD/year GH Gas↓ tCO2/year
Middle East - 464,019 209,117 673,136 2,788
SE Asia - 66,583 25,218 91,801 336
S. Korea - 87,416 31,437 118,853 419
Table 7.
Reduction of apparent power and greenhouse gas (92% P.F.).
Effective Power kW Power Factor % Apparent Power↓ kVA GH Gas↓ tCO2/year
A Project 89,680 89.95 2,220 6,154
B Project 34,188 87.03 2,120 5,878
C Project 81,426 87.97 4,053 11,237
D Project 59,214 88.29 2,703 7,495
E Project 35,453 88.75 1,411 3,913
MEAN 59,992 88.60 2,502 6,935
Table 8.
Power factor improvement benefit and cost by region (92% P.F.).
Basic Elec. Charge↓ USD/year Carbon Tax USD/year Benefit USD (20 years) Invest. Cost USD (20 years)
Middle East 66,954 520,140 7,636,882 3,767,646
SE Asia 159,334 520,140 8,838,555 3,767,646
S. Korea 33,562 520,140 7,202,515 3,767,646
Table 9.
Greenhouse gas reduction by application of VSD motor.
Project Operating Load kW Effective Power↓ kW Electrical Energy↓ kWh/year GH Gas↓ tCO2/year
A 641 256 1,870,736 888
B 188 75 548,814 261
C 766 306 2,235,552 1,061
D 18 73 530,856 252
E 379 15 1,107,848 526
MEAN 431 172 1,258,761 598
Table 10.
VSD motor benefits and costs by region.
Elec. Charge↓ USD/year Carbon Tax USD/year Benefit USD (20 years) Invest. Cost USD (20 years)
Middle East 9,944 44,815 1,876,488 1,309,675
SE Asia 118,324 44,815 2,122,097 1,309,675
S. Korea 124,617 44,815 2,203,966 1,309,675
Table 11.
Greenhouse gas reduction by applying LED lights.
Project Operating Load kW Effective Power↓ kW Electrical Energy↓ kWh/year GH Gas↓ tCO2/year
A 634 317 1,114,043 529
B 2,901 1,451 4,638,202 2,202
C 949 474 1,620,522 769
D 1,131 566 2,066,065 981
E 934 467 947,266 450
MEAN 1,310 655 2,077,220 986
Table 12.
LED lighting benefit by region.
Electricity Charge↓ USD/year Carbon Tax USD/year Benefit USD/year GH Gas↓ tCO2/year
Middle East 164,100 73,954 238,055 986
SE Asia 195,259 73,954 269,213 986
S. Korea 205,645 73,954 279,599 986
Table 13.
GH gas reduction by minimizing on-site business trips by region.
Air Moving↓ km Land Moving↓ km Hotel Lodging↓ day GH Gas↓ tCO2/year
Middle East 1,336,650 60,755 5,263 821
SE Asia 767,220 60,755 5,263 486
S. Korea - 60,755 5,263 332
Table 14.
Benefit from minimizing on-site business trips.
GH Gas↓ tCO2/year Moving Cost↓ USD/year Lodging Cost↓ USD/year Benefit USD/year
Middle East 821 110,587 526,300 636,887
SE Asia 486 74,300 263,150 337,450
S. Korea 332 18,139 105,424 123,562
Table 15.
GH gas reduction, investment cost and return by region (During construction).
Region Method GH Gas ↓ tCO2/year Benefit USD (3.5 years) Invest. Cost USD (3.5 years)
Middle East 4,488 5,205,853 7,236,967
Photovoltaic power 3,667 3,182,097 7,236,967
Min. on-site biz trips 821 2,023,756 -
SE Asia 993 1,774,613 1,068,732
Photovoltaic power 507 702,339 1,068,732
Min. on-site biz trips 486 1,072,274 -
S. Korea 872 1,089,073 1,376,511
Photovoltaic power 540 696,444 1,376,511
Min. on-site biz trips 33 392,629 -
Table 16.
GH gas reduction, investment cost and return by region (During operation).
Region Method GH Gas ↓ tCO2/year Benefit USD (20 years) Invest. Cost USD (20 years)
Middle East 11,095 22,406,170 13,896,761
Photovoltaic power 2,788 9,796,201 8,819,440
Power factor improvement 6,723 7,636,882 3,767,646
VSD Motor 598 1,876,488 1,309,675
LED Lighting 986 3,096,599 -
SE Asia 8,745 16,066,126 6,412,627
Photovoltaic power 336 1,603,570 1,335,306
Power factor improvement 6,825 8,838,555 3,767,646
VSD Motor 598 2,122,097 1,309,675
LED Lighting 986 3,501,904 -
S. Korea 8,825 14,906,449 6,804,103
Photovoltaic power 419 1,862,962 1,726,782
Power factor improvement 6,822 7,202,515 3,767,646
VSD Motor 598 2,203,966 1,309,675
LED Lighting 986 3,637,006 -

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