실제 운항 데이터를 기반으로 한 바이오연료의 생애주기 기반 환경‧경제성 평가

국문 초록 (Abstract)

국제해사기구(IMO)의 강화된 온실가스 감축 전략에 따라 해운 부문의 탈탄소화가 시급한 과제로 부상하고 있으며, 이에 따라 저탄소·무탄소 대체연료의 도입 필요성이 증가하고 있다. 바이오연료는 기존 선박 엔진과의 높은 호환성과 온실가스 저감 효과로 인해 유력한 대체연료로 주목받고 있으나, 실질적인 환경성과 경제성에 대한 정량적 검증은 아직 부족한 실정이다. 이에 본 연구는 선박 연료로서 바이오연료의 환경성과 경제성을 통합적으로 평가하는 것을 목적으로 하며, 실제 상선의 운항 데이터를 기반으로 생애주기 평가(Life Cycle Assessment, LCA) 및 생애주기 비용 분석(Life Cycle Cost Analysis, LCCA)을 수행하였다.
환경성 평가는 GREET 프로그램을 활용한 Well-to-Tank(WTT) 분석과, 연료 소비량 및 배출계수를 기반으로 한 Tank-to-Wake(TTW) 평가로 구성하였다. 분석 결과, 혼합비율이 높을수록 온실가스 배출량은 현저히 감소하였으며, 특히 B100은 연간 배출량이 102,031 TonCO2-eq로 HFO 대비 연간 약 71%의 GHG 감축 효과를 가지는 것으로 나타났다. 이는 바이오연료가 생산 단계에서부터 실질적인 온실가스 감축 효과를 달성할 수 있음을 의미한다.
경제성 평가는 과거 연료 가격, 연평균 상승률(CAGR), 그리고 IMO MEPC 83차 회의에서 채택된 GFI 규제를 반영하여 25년간 누적 LCC(Life Cycle Cost)를 산정하였다. 분석에는 GFI 초과에 따른 벌금(RU)과 기준 이하 달성 시 부여되는 인센티브(SU, 톤당 380 USD) 모두를 고려하였다. 분석 결과, HFO는 연료 단가는 낮았지만 지속적인 규제 위반으로 약 27억 USD의 누적 비용을 기록한 반면, B100은 높은 연료비에도 불구하고 인센티브와 규제 회피 효과로 약 10억 USD의 총비용을 기록하며 가장 높은 경제성을 보였다. B30과 B50도 각각 약 23억, 19억 USD로 나타나, 혼합비율이 높을수록 장기 경제성 또한 개선됨을 확인할 수 있었다. 이는 바이오연료는 규제 대응뿐만 아니라 경제적 측면에서도 충분한 경쟁력을 갖춘 연료로 전환될 수 있음을 시사한다.
본 연구는 실선 운항 데이터를 기반으로 바이오연료의 환경적·경제적 타당성을 정량적으로 검증하였으며, 바이오연료가 해운 부문의 탈탄소화 전략에 있어 기술적 대안뿐 아니라 경제적 해법으로도 실효성을 가질 수 있음을 실증적으로 제시하였다. 이는 향후 대체연료 도입 및 정책 설계에 있어 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In response to the International Maritime Organization (IMO)'s enhanced greenhouse gas (GHG) reduction strategy, decarbonization of the maritime sector has emerged as an urgent priority, thereby increasing the need for the adoption of low- and zero-carbon alternative fuels. Biofuels are gaining attention as a promising alternative due to their high compatibility with existing ship engines and their potential for GHG reduction; however, there remains a lack of empirical and quantitative validation regarding their environmental and economic performance. This study aims to comprehensively assess the environmental and economic feasibility of biofuels as marine fuels, utilizing actual operational data from an in-service commercial vessel through Life Cycle Assessment (LCA) and Life Cycle Cost Analysis (LCCA).
The environmental assessment was conducted using the GREET program for Well-to-Tank (WtT) analysis and fuel consumption and emission factors for Tank-to-Wake (TtW) evaluation. Results indicate that higher blending ratios of biodiesel significantly reduce GHG emissions. Specifically, B100 recorded an annual emission of 102,031 TonCO2-eq, achieving approximately 71% reduction compared to Heavy Fuel Oil (HFO). This suggests that biofuels can contribute to substantial GHG mitigation even from the production stage.
For the economic assessment, a 25-year cumulative Life Cycle Cost (LCC) was estimated, incorporating historical fuel prices, Compound Annual Growth Rate (CAGR), and the GHG Fuel Intensity (GFI) regulation adopted at the 83rd MEPC session. The analysis considered both regulatory penalties (RU) for exceeding GFI thresholds and incentives (SU) for surpassing performance targets, with SU valued at USD 380 per TonCO2-eq. The results showed that HFO, despite its low fuel price, accumulated approximately USD 2.7 billion in total cost due to continuous regulatory penalties. In contrast, B100, despite higher initial fuel costs, incurred only about USD 1.0 billion due to its eligibility for incentives and avoidance of penalties. B30 and B50 also showed improved long-term cost performance at approximately USD 2.3 billion and USD 1.9 billion, respectively. These findings demonstrate that higher blending ratios not only enhance environmental performance but also improve long-term economic viability under future regulatory frameworks.
This study quantitatively verifies the environmental and economic feasibility of biofuels based on real-world ship operation data and provides empirical evidence that biofuels can serve as both a technological and economic solution for maritime decarbonization. The findings are expected to offer valuable insights for the development of alternative fuel strategies and policy frameworks in the shipping industry.

목차 (Table of Contents)

• List of Tables iii
• List of Figures iv
• Nomenclature vi
• Abstract viii
• 1. 서론 1
• 1.1 연구배경 1.1 1
• 1.2 연구 동향 및 목표 4
• 2. 이론적 배경 9
• 2.1 IMO의 온실가스 감축 정책 동향 9
• 2.2 바이오연료의 경제성 13
• 2.3 바이오연료 관련 규정 15
• 3. 바이오연료 개요 18
• 3.1 바이오연료의 종류 18
• 3.2 바이오연료의 세대 구분 20
• 3.3 바이오연료의 특성 23
• 3.4 바이오연료 생산 25
• 3.5 바이오연료 벙커링 인프라 30
• 3.6 바이오연료 사용을 위한 선박 엔진 기술 31
• 3.7 바이오연료의 가격 32
• 4. 바이오연료 생애주기 환경 영향 및 비용 평가 34
• 4.1 LCA LCCA및 의 개요 34
• 4.1.1 LCA 개요 34
• 4.1.2 LCCA 개요 35
• 4.2 LCA 및 LCCA 평가 방법 36
• 4.2.1 환경성 평가 37
• 4.2.2 경제성 평가 41
• 5. 운항선 적용을 통한 바이오연료 환경성경제성 평가 45
• 5.1 기준 선박 산정 및 주요 항로 45
• 5.2 바이오연료 혼합비율별 연료 소모량 47
• 5.3 바이오연료 혼합비율별 온실가스 배출량 산정 48
• 5.4 바이오연료 혼합비율별 경제성 평가 49
• 6. 연구 결과 및 고찰 55
• 6.1 바이오연료 혼합비율별 온실가스 배출량 평가 결과 55
• 6.2 바이오연료 혼합비율별 경제성 평가 결과 57
• 6.3 연구의 한계점 및 향후 연구 과제 59
• 7. 결론 60
• 참고문헌 61
• 국문초록 66