온실가스 저감 기술 수준 변화를 반영한 전망적 전과정평가 = Prospective life cycle assessment(P-LCA) reflecting changing level of greenhouse gas mitigation technology

국문 초록 (Abstract)

기후 위기와 함께 환경에 대한 인식이 높아지면서 해운 분야에 친환경을 위한 노력이 활발히 이루어지고 있다. 국제해사기구(International Maritime Organization, 국제해사기구)는 선박으로부터 오염 방지를 위한 국제협약인 MARPOL(International Convention for the Prevention of Marine Pollution from Ships)을 통해 선박의 배기가스를 더욱 엄격하게 규제하기 시작하였다. 이에 따라 운항 효율 최적화, 저속운항, 에너지 절약과 회수 장치 설치 및 대체연료 사용 등과 같은 온실가스(Green House Gas, GHG) 저감 기술이 권고되었고, 도입되기 시작하였다. 이와 더불어 기술 및 시스템의 전체적인 환경 영향을 평가하는 전과정평가(Life Cycle Assessment, LCA)가 해운 분야에도 적용되어 관련 연구가 증가하고 있다.
그러나, 현재 선박으로부터 온실가스 저감을 위한 기술 및 시스템의 환경 영향을 평가 도구인 기존 전과정평가는 과거 데이터에 과도하게 의존한 결과를 도출하게 된다. 이는 기술 및 시스템의 지속적인 개발에 따른 발전 또는 성숙도 향상을 반영하지 못한다는 한계를 포함한다. 본 논문에서는 이러한 기존 전과정평가 한계를 극복하기 위해 기술 및 시스템 수준을 나타낼 수 있는 변수 식별과 신뢰성 있는 예측 모델을 통해 합리적인 예측을 수행하고 이를 기반으로 시나리오 분석이라는 차별성을 가진 전망적 전과정평가(Prospective Life Cycle Assessment, P-LCA)방법론을 제안하였다. 이 방법론을 액화천연가스 운반선의 화물창 단열 기술, 육상전력 공급시스템 및 선박 저속운항 조치에 폭넓게 적용하여 선박 운항 및 선박 기기(운용) 효율성 측면에서 실질적인 온실가스 저감 가능성을 확인하고자 하였다.
그 결과, 액화천연가스 운반선의 화물창 단열 기술과 관련하여 화물창 단열도가 증가할수록 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 감소하여 지구온난화지수, 산성화지수 및 부영양화지수와 같은 대표적 환경 영향범주 지수가 3~11% 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 감소 경향성은 선박 추진기관의 종류와 출력에 관계없이 일정한 것으로 나타났다. 또한, 선박이 항구 접안 시, 육상전력 시스템 사용으로 인한 환경영향평가 결과는 현재 시점으로 가정된 2023년까지는 온실가스 배출량 면에서 선내 발전기를 사용하는 것보다 유리하게 나타났다. 하지만, 미래로 갈수록 메탄올(MeOH), 액화암모니아(LNH3) 및 액화수소(LH2)와 같은 연료들의 그린 생산방식이 가능해져 이를 이용한 선내 발전기 사용이 환경적으로 더 유리한 것으로 나타났다. 마지막으로 선박 저속운항 기술 관련 결과는 환경성만을 고려할 경우, 선속이 낮아질수록 친환경적인 결과를 나타내었지만, 경제성을 동시에 고려할 경우, 2050년 예상 선속인 13노트보다 2030년 예상 선속인 14노트가 더 유리한 선속 구간으로 나타났다.
상기 결과는 전망적 전과정평가 방법론이 기술성숙도를 기반한 예측과 그에 따른 시나리오 분석을 가능하게 함으로써 장래 기술 및 시스템이 적용될 미래의 환경 영향 수준을 확인하는 데 효과적이며, 친환경성 유지를 위한 실제적인 목표 및 전략을 수립하는 데 유용한 정보를 제공할 수 있음을 보여주었다.
아울러 본 연구 결과는 기존 전과정평가가 갖는 미래 기술에 대한 환경평가 한계를 보완하고 해결할 수 있음에 학문적으로 기여한다. 또한, 해양 부문 탈탄소화 실현을 위한 기술 또는 시스템 적용 시와 미래 변화 대응을 위한 규칙 및 정책 입안 시 필요한 통찰력을 제공하며, 정보에 입각한 지속 가능한 의사결정을 지원할 수 있다는 점에 의미가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The shipping industry is actively adopting greener practices in response to the climate crisis and increased environmental awareness. The International Maritime Organization(IMO) has intensified ship emission regulations via the International Convention for the Prevention of Marine Pollution from Ships(MARPOL). Consequently, several technologies aimed at reducing greenhouse gas(GHG) emissions—including optimizing operational efficiency, implementing slow steaming, installing energy-saving and recovery devices, and utilizing alternative fuels—have been recommended and are starting to be implemented. Moreover, the application of life cycle assessment(LCA), which evaluates the overall environmental impact of technologies and systems, is on the rise in the shipping sector.
However, the conventional LCA tool, which assesses the environmental impacts of technologies and systems designed to reduce GHG emissions from ships, relies excessively on historical data. This reliance limits its capacity to accurately reflect the advancements or maturation of these technologies and systems. To address these limitations, this paper proposes a prospective life cycle assessment(P-LCA) methodology. This methodology distinguishes itself by identifying variables that indicate technology and system levels, conducting reliable predictions, and performing scenario analyses based on these predictions. Moreover, this methodology has been extensively applied to evaluate the actual GHG reduction potential of Liquefied natural gas(LNG) cargo hold insulation technology, slow steaming operations, and shore power systems(Cold-ironing system), focusing on ship operation and equipment efficiency.
The findings demonstrate that improving cargo hold insulation in LNG ships reduces boil-off gas(BOG), leading to a 3 to 11% reduction in key environmental impact categories, including global warming potential(GWP), acidification potential(AP), and eutrophication potential(EP). Furthermore, the environmental impact assessment of utilizing shore power systems at port berths is favorable in terms of reducing GHG emissions until 2023, which is considered the current time horizon. Nevertheless, as time advances and the green production of fuels like methanol(MeOH), liquefied ammonia(LNH3), and liquefied hydrogen(LH2) becomes viable, using the ship's generators is projected to be more environmentally advantageous. Lastly, Slow steaming operation shows that lower speeds yield greater environmental benefits. However, when evaluating both economic and environmental aspects, a projected speed of 14 knots in 2030 is found to be more advantageous than 13 knots in 2050.
These findings illustrate that the P-LCA methodology proficiently forecasts the future environmental impacts of emergent technologies and systems through technology maturity-based projections and subsequent scenario analyses. This approach yields critical information for establishing pragmatic objectives and strategies to uphold environmental sustainability. The study significantly enriches existing literature by overcoming the limitations inherent in traditional LCA methods used for evaluating future technologies and provides valuable insights into the implementation of technologies or systems aimed at decarbonizing the maritime sector. Moreover, this methodology facilitates the development of adaptive rules and policies responsive to future changes, thereby promoting informed and sustainable decision-making processes.

목차 (Table of Contents)

• 제 장 서 론1 1
• 연구 배경1.1 1
• 전과정평가1.2 12
• 전과정평가 역사1.2.1 12
• 국제표준화기구의 표준 전과정평가 프로세스1.2.2 17
• 전과정평가 적용 분야 및 현황1.2.3 18
• 전과정평가 한계1.2.4 19
• 연구 목적1.3 20
• 연구 내용 및 구성1.4 21
• 제 장 선행연구2 23
• 해운 분야에 적용된 전과정평가2.1 23
• 연구 대상 관련 선행연구 2.2 29
• 액화천연가스 선박 화물창 단열 기술 개선2.2.1 29
• 항구 내 육상전력 공급시스템 적용2.2.2 32
• 저속운항2.2.3 35
• 제 장 연구 방법론 3 38
• 연구 방법론 개요3.1 38
• 전망적 전과정평가3.2 38
• 환경영향평가 수행3.3 42
• 단계 목표와 범위 정의3.3.1 1 42
• 단계 전과정 목록분석 및 시나리오 분석3.3.2 2 43
• 단계 전과정 영향평가3.3.3 3 48
• 단계 해석3.3.4 4 49
• 기존 전과정평가와 전망적 전과정평가 비교3.4 50
• 제 장 4 액화천연가스 선박의 화물창 단열 개선에 따른 전망
• 적 전과정평가 52
• 목표 및 범위 정의4.1 52
• 전과정목록분석 시나리오 분석 및 전과정영향평가4.2 , 54
• 전과정목록분석4.2.1 54
• 시나리오 생성4.2.2 59
• 전과정영향평가 4.2.3 62
• 결과4.3 62
• 지구온난화지수 4.3.1 62
• 산성화지수4.3.2 69
• 부영양화지수4.3.3 75
• 소결론4.4 81
• 제 장 5 육상전력 공급시스템의 전망적 전과정평가 85
• 목표 및 범위5.1 85
• 전과정목록분석 시나리오 분석 및 전과정영향평가5.2 , 87
• 전과정목록분석5.2.1 87
• 시나리오 생성5.2.2 94
• 전과정영향평가5.2.3 97
• 결과5.3 98
• 지구온난화지수5.3.1 98
• 산성화지수5.3.2 101
• 부영양화지수5.3.3 103
• 소결론5.4 105
• 제 장 6 선속 감소에 따른 전망적 전과정평가 110
• 목표 및 범위6.1 110
• 전과정목록분석 및 시나리오 분석6.2 113
• 선속 감소에 따른 전주기 지속가능성 평가 방법 6.2.1 113
• 선대 규모 결정6.2.2 117
• 전과정영향평가 6.3 119
• 전주기비용6.3.1 119
• 환경영향비용6.3.2 121
• 전주기지속가능성비용6.3.3 128
• 결과6.4 129
• 전주기비용6.4.1 129
• 환경영향비용6.4.2 132
• 전주기지속가능성비용6.4.3 138
• 민감도 분석6.4.4 141
• 소결론6.5 144
• 제 장 결 론7 148
• 참고문헌 151
• 국문초록 171