폐자원에너지화 적용에 따른 온실가스 저감 잠재력 분석 및 정책효과 분석 = Analysis of GHG Reduction Potential and Policy Effects of Energy conversion from Waste Resources in Korea

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Mass landfilling of waste used to be the most widely accepted alternative among global waste management policies. In the face of accelerating global warming caused by the excessive consumption of fossil fuels and emerging need of alternative energy for energy security, however, the global society does no longer consider waste as disposal or treatment material but as one of the most promising renewable energy sources. Amid worsening global environmental problems, Korea enacted the Basic Act on Low Carbon, Green Growth in April 2010 and has been implementing a wide-range of policy measures with a view to mitigating climate change and expanding the use of renewable energy. Among other renewable sources, in particular, waste-to-energy (WtE) is being increasingly recognized across the globe, since WtE facilities treat waste in an environmentally-friendly manner, while, at the same time, producing electricity. In this context, this study evaluated the GHG mitigation effects of WtE methods and examined the possibility of relevant policy measures.

In the study, Korea's greenhouse gas (GHG) emissions from waste generation and treatment were analyzed according to waste type and treatment method. As recommended by IPCC guidelines, it estimated GHG emissions with emissions factors, which explain the correlation between the intensity of the activity and the emission resulting from the activity. Based on the measured GHG emissions, the study investigated the GHG mitigation effects of WtE processes on a scenario basis, reflecting economic feasibility and applicability. After considering the energy conversion possibility of the waste sources generated within the country, the study set up three scenarios. For each scenario, the study measured the amount of power acquired and the amount of GHG emissions reduced and examined economic feasibility and other aspects of the WtE processes on the basis of 2008 statistics, and came to the following conclusion.

First, scenario Ⅰ describes when 75,334 tons of daily wastes, currently subject to simple treatment methods, are converted into energy, the process creates economic values worth 127.7 billion Korean won or the equivalent of 25 million 213 thousand tons of CO2 reduction. In addition, this WtE process is proven economically-reasonable as seen from an approximately 6% of its IRR (Internal Rate of Return) in the fourth year since the establishment of WtE facilities. Thus, the WtE process under scenario Ⅰ will be able to bring green growth into reality by creating economic values, cutting GHG emissions, invigorating local economies, and responding to climate change. Furthermore, if additional social and environmental benefits are taken into consideration, such as decrease of environmental improvement costs and job creation, scenario Ⅰ will be far more effective. Yet, now that the study reviews only the process' profitability as compared to costs for facilities establishment and operation, more specified and closer analysis is required for each WtE project.

Second, unlike the net values of economic gains and mitigation effect, the comparable figures relative to costs rarely rise in proportion to the volume of wastes converted into energy. Scenario Ⅱ, which excludes the wastes for land treatment from the waste sources of scenario Ⅰ, treats a far less volume of wastes, 48,510 tons per day, but its mitigation effect of 48,510 tons per day is similar to that of scenario Ⅰ. This result is attributable to the fact that the treatment on land including mass balanced sewerage treatment and decontamination facilities does not emit much. Furthermore, the WtE process under scenario Ⅱ rather shows a slight increase in the mitigation effect compared to costs from 23.7g CO2/Korean won in scenario Ⅰ to 21.7g CO2/Korean won, while its inter-fuel substitution effect and economic feasibility are lower than those of scenario Ⅰ. That it, the decrease of the total amount of wastes converted into energy lowers the inter-fuel substitution effect, yet has little influence on cutting GHG emissions and saving investment costs. In conclusion, converting the wastes for land treatment into energy does make little economic sense and not lead to further increase in GHG mitigation. On the contrary, it seems a competitive alternative in regard to the GHG mitigation effect compared to costs. Thus, whether to include the waste for land treatment in the WtE process should be determined after a series of reviews and consultations on practical conditions from various angles.

Third, scenario Ⅲ reveals that the conversion of the wastes for incineration reduces a considerable volume of GHG emissions. Under scenario Ⅲ, which converts the waste sources of scenario Ⅱ excluding the wastes for incineration, the WtE process shows a strong mitigation effect of 13 million 353 thousand tons of CO2 reduction, which accounts for about 55% of scenario Ⅱ. This implies a huge amount of GHGs are emitted during the process of incineration, highlighting the urgent need for the conversion of the wastes for incineration. Besides, when it come to economic feasibility, scenario Ⅲ is proven relatively more profitable with a 8% profitability in the fourth year since the start of WtE facilities operation and most cost-effective with a 29.6g CO2/Korean won of mitigation efficiency.

Fourth, this study underlines the necessity for WtE implementation based on the analysis results of the above-mentioned three scenarios. In particular, compared to the energy sector with the mitigation efficiency of 0.44g CO2/Korean won, the WtE mechanism is much more effective in curbing GHG emissions with the mitigation efficiency of 21.7 to 29.6g CO2/Korean won. In order to meet the national goal of expanding renewable energy use and pro-actively responding to climate change, which is the fundamental purpose of WtE processes, scenario Ⅰ with the largest amount of wastes for conversion as well as the strongest mitigation effect may be the answer. Considering practicalities and economic feasibility, however, scenario Ⅲ should be adopted first and gradually expanded to scenario Ⅱ and then to scenario Ⅰ.

Fifth, for the purpose of achieving the national target of curbing 30% of GHG emissions on a BAU basis by 2020, it is essential to measure the mitigation potential of industry, building, transportation and household and, based on the results, specific implementation strategies must be devised. As Korea set the voluntary mitigation target in spite of being a non-Annex country, meeting the target is the national responsibility, which will contribute to enhancing its profile on the global stage. In addition, the Korean government should establish necessary institutions such as carbon trading and relevant policies including economic incentives.

Sixth, considering Korea's industrial structure and energy supply system, the nation should develop WtE facilities for sustainable development. To this end, Korea should lay a legal foundation to build WtE infrastructure and raise the awareness so that waste is considered as an energy source. In addition, the Korean government should raise its investment budget for WtE projects and, at the same time, streamline the relevant procedures regarding financial support, government loans and administrative processes. Moreover, the government should suggest a long-term vision together with action plans, invest in WtE technological development, and, more significantly, continuously communicate with the general public on the importance of renewable energy development.

Lastly, Korea should introduce the carbon trading system as soon as possible to fulfill the national 2020 mid-term target of GHG emissions reduction and to minimize mitigation costs with market mechanism.
In order to better prepare for a new global environment where different carbon trading systems will be integrated, Korea should adopt the cap and trade system and involve not only industry but also various economic players including those from the non-industrial sector. Additionally, the government should facilitate carbon offset projects which will need the active involvement of local governments. Furthermore, it should minimize the carbon offset costs that responsible industrial sites are obligated to bear by allowing non-CO2 reduction credits from forestry, agriculture and waste management to be traded in the authorized carbon market.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 21세기 최대의 지구적 관심사이자 국내의 최대 관심사로 등장한 기후변화문제에 적절히 대응하고 나아가 우리의 후대에게 건강하고 지속가능한 지구를 물려주기 위하여 온실가스를 줄이는 방안에 대해 고찰하되 특히 폐자원 에너지화에 따른 1차 에너지 대체효과 및 온실가스 저감효과를 분석하고 정책 적용에 따른 고려사항 및 시사점을 분석하고자 하였다.
통상 폐기물은 인류 활동의 필수불가결한 요소로서 폐기대상으로 인식되어 왔고 여하히 폐기물을 줄이거나 적정 처리할 것인가에 정책의 초점이 모아져 왔으나, 고유가 시대를 맞이하여 이제는 폐기물을 자원으로 인식하는 등 그 활용방안을 놓고 부심하고 있다.
본 연구에서는 우선 우리나라의 폐기물 에너지화 여건과 현황을 살펴본 바, 우리나라는 좁은 국토에 많은 인구가 밀집한 관계로 단위면적당 폐기물의 발생량이 세계 최고 수준인 점, 세계 에너지가격은 구조적으로 증가할 수밖에 없으나 우리나라는 에너지의 97%를 수입하고 있어 에너지 의존도가 매우 높다는 점, 폐기물의 발생량은 점점 증가하고 있어 이의 효율적 처리방안 강구가 시급한 점 등을 고려할 때, 폐기물의 에너지화 방안은 매우 중요하고 상당한 의미가 있다고 보여진다.

이에 따라 폐기물의 에너지화를 촉진하기 위하여 그 에너지화 추진유형을 파악한 바, 가연성 폐기물의 고형연료화, 유기성폐기물의 바이오가스화, 소각여열의 회수·이용, 매립가스 회수·이용 등의 방법이 주로 활용되고 있어 이에 대한 분석을 주로 하였다.
이와 함께 주요 외국의 온실가스 대책을 살펴본 바, EU, 미국, 일본, 호주, 중국 등 대부분의 나라가 최근 새로운 온실가스 감축정책들을 의욕적으로 내놓고 있어 이 분야에 기술적 우위를 점하는 것이 국가경쟁력 확보에도 크게 기여할 것으로 보인다. 특히 폐기물 에너지화를 포함한 신재생 에너지정책은 거의 모든 나라가 주안점으로 고려하는 사항으로 향후 국제적인 추세를 지속적으로 면밀히 파악하는 것이 필요하다.
그리고 본 연구에서는 폐기물처리 및 에너지화에 따른 온실가스 배출량 산정을 위하여 IPCC 가이드라인에 의거 폐기물 종류별, 성상별 온실가스 배출량 산정방법을 적용하여 산정하였다. 배출량 산정에 있어 가연성 폐기물과 유기성 폐기물의 온실가스 배출량을 각각 산정하였으며, 이러한 가연성 폐기물과 유기성 폐기물을 에너지화 할 경우 삭감되는 온실가스의 잠재량을 산정하였다.
상기의 폐기물 에너지화 가능 잠재량을 바탕으로 폐기물 에너지화 경우의 수를 세 가지로 구분한 바, 시나리오 Ⅰ은 에너지화 가능한 전량을 에너지화하는 경우, 시나리오 Ⅱ는 현실상황을 고려, 시나리오 Ⅰ에서 하수연계처리 및 정화처리 등 육상처리되는 부분을 제외한 것이며, 시나리오 Ⅲ은 최소 폐기물 에너지화로서 매립 및 해양배출량을 대상으로 산정하였다. 그 결과, 세 가지 경우 모두 폐기물 에너지화에 따른 화석연료 대체효과 및 온실가스 감축효과를 나타내었다. 폐기물 절감, 온실가스 감축, 투자비, 에너지 대체 등 직접효과는 에너지화 가능물량에 따라 비례(시나리오Ⅰ > 시나리오Ⅱ > 시나리오Ⅲ)하는 반면, 비용대비 온실가스 감축량 및 경제성은 시나리오 Ⅲ의 경우가 우수한 것으로 조사되었다. 따라서 폐기물 에너지화 방안 적용에 있어서는 정책여건, 예산, 기술수준, 경제성 등 현실적 여건을 고려하여 우선순위를 설정 후 단계적으로 추진하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.
앞으로 2020년까지 온실가스 전망치 대비 30% 감축’이라는 우리나라 온실가스 감축목표를 달성하기 위해서는 산업, 건물, 교통, 가정 등 4대 부문별 감축 잠재량을 분석하고 세부추진전략을 수립, 추진해야 할 것으로 판단된다. 이는 G20 의장국이자 녹색성장을 기치로 내건 우리나라가 국제사회에 약속한 목표이므로 반드시 달성해야만 하는 사명이기 때문이다.

결국 우리나라 산업구조 및 에너지 수급체계를 고려할 때, 폐기물 에너지화는 지속가능한 국가발전을 위한 핵심 키워드이다. 이를 위해 자원으로서 폐기물에 대한 인식전환과 에너지 회수를 법적으로 뒷받침함으로써 환경기초시설로 확고히 자리매김할 필요가 있다. 또한 폐기물 에너지화 사업에 대한 예산투입의 증폭이 필요하며, 재원지원, 융자제도 및 행정절차의 조속한 개선이 필요한 상황이다. 더불어 장기적 비전의 제시 및 실천전략을 마련해야 하며, 폐기물 에너지화를 위한 과감한 투자를 통한 기술개발이야 말로 녹색기술(Green Technology)의 핵심중 하나라고 할 수 있다
본 연구에서는 국내 가용한 폐자원을 에너지화할 때 취득 가능한 에너지의 양과 이를 기반으로 하는 온실가스 저감 잠재량을 산정하였는 바 향후 실제 정책 시행과 각 분야별 시설 설치, 운영과정에서 이를 재평가하고 환류(feedback)시켜 경제적이면서 효율성있는 폐자원 에너지화 정책이 이루어져야 할 것이다.

주요어: 폐기물 에너지화, 고형연료화, 바이오가스, 소각여열,
매립가스, 감축잠재량

목차 (Table of Contents)

• 목 차 ⅰ
• The List of Tables ⅴ
• The List of Figures xi
• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구배경 1
• 제 2 절 연구목적 4
• 제 2 장 이론적 배경 6
• 제 1 절 우리나라 폐기물 에너지화 여건 및 현황 6
• 1. 폐기물 관리 여건 6
• 2. 전국 폐기물 발생 및 처리현황 8
• 2.1 폐기물 발생현황 8
• 2.2 폐기물 처리현황 10
• 2.3 유기성폐기물 발생 및 처리현황 14
• 3. 폐기물 에너지화 추진현황 17
• 3.1 전 세계 폐기물에너지 분야의 시장 산업 동향 17
• 3.2 국내 폐기물 에너지화 유형별 추진 현황 24
• 1) 가연성폐기물의 고형연료화 24
• 2) 유기성폐기물의 바이오가스화 29
• 3) 소각여열 회수·이용 34
• 4) 매립가스 회수·이용 40
• 제 2 절 기후변화와 국제적 대응노력 44
• 1. 대내외적 여건의 변화 44
• 1.1 온실가스 배출경향 44
• 1.2 자원·에너지 시장의 불안정성 증가 49
• 1.3 신재생에너지 및 탄소시장의 성장 52
• 2. 각 국의 온실가스 대응정책과 재생에너지정책 56
• 2.1 EU 57
• 2.2 미국 61
• 2.3 호주 64
• 2.4 일본 66
• 2.5 중국 69
• 제 3 장 연구 및 분석방법 72
• 제 1 절 일반사항 72
• 제 2 절 에너지부문 산정방법 73
• 제 3 절 폐기물부문 산정방법 75
• 1. 화석연료기원 폐기물 처리 및 온실가스 배출량 산정방법 75
• 1.1 화석연료기원 폐기물의 처리 개요 75
• 1.2 온실가스 배출량 산정방법 77
• 2. 생물기원 폐기물 처리 및 온실가스 배출량 산정방법 80
• 2.1 생물기원 폐기물의 처리 개요 80
• 2.2 온실가스 배출량 산정방법 83
• 제 4 절 가축분뇨 처리부문 산정방법 88
• 제 4 장 결과 및 고찰 92
• 제 1 절 폐기물 처리방법에 따른 온실가스 배출량 산정 92
• 1. 가연성폐기물의 온실가스 배출량 92
• 2. 유기성폐기물의 온실가스 배출량 98
• 제 2 절 폐기물 에너지화에 따른 온실가스 저감효과 103
• 1. 폐기물 에너지화 가능 잠재량 산정 103
• 1.1 가연성폐기물 103
• 1.2 유기성폐기물 105
• 1.3 온실가스 저감효과 분석을 위한 시나리오 설정 106
• 2. 시나리오별 온실가스 저감효과 분석 108
• 2.1 시나리오 Ⅰ 108
• 2.2 시나리오 Ⅱ 113
• 2.3 시나리오 Ⅲ 116
• 제 3 절 폐기물 에너지화와 온실가스 저감의 정책적 시사점
• 분석 122
• 1. 국가 온실가스 저감 정책 분석 122
• 1.1 우리나라 온실가스 정책의 변화 배경 122
• 1.2 우리나라 폐기물 에너지화정책의 주요 내용 124
• 2. 정책적 시사점 분석 126
• 2.1 해양배출 금지에 따른 후속조치 필요 127
• 2.2 에너지화 시설 재정지원 비율 상향조정 필요 128
• 2.3 폐기물 에너지화 활성화를 위한 제도개선 129
• 2.4 지역에 맞는 폐자원 에너지화 전용시설의 구축 129
• 2.5 기술적 개선사항 130
• 2.6 수요처의 확보 131
• 2.7 장기적 비젼의 제시 및 실천 전략의 마련 필요 132
• 2.8 국내 배출권 거래제의 활성화 및 폐자원 에너지화의
• 적용 133
• 제 5 장 결 론 135
• 참고문헌 141
• Abstract 147
• Appendix 155