Korean Chemical Engineering Research

총 설

청정 생산을 위한 생태산업단지 구축과 주요기술

유창규^†·허순기·유동준·이승준·신지나*·박용준**·윤학모**·전희동***·문정기***·이인범 포항공과대학교화학공학과, 환경공학부

794-754 경북포항시남구효자동산31

*고려대학교환경생태공학부

136-709 서울시성북구안암동 5가 1

**(주)포스코환경에너지부

790-704 경북포항시남구괴동동 1

***포항산업과학연구원환경연구실

790-330 경북포항시남구효자동산32 (2005년 10월 10일접수, 2005년 10월 21일채택)

Eco-Industrial Park (EIP) Development and Key Technologies for Clean Production ChangKyoo Yoo

, Soon-Ki Heo, Dong Joon Yoo, SeungJun Lee, Ji Na Shin*, Yong Joon Park**,

Hack Mo Yoon**, Hee Dong Chun***, Jeong Ki Moon*** and In-Beum Lee

Department Chemical Engineering and School of Environmental Engineering, POSTECH, San 31, Hyoja-dong, Nam-gu, Pohang 790-784, Korea

*Department of Environmental Ecological Engineering, Korea Univ., 1, 5-ka, Anam-dong, Sungbuk-gu, Seoul 136-709, Korea

**Environment & Energy team, POSCO. Ltd, 1, Geodong-dong, Nam-gu, Pohang 790-704, Korea

***Environmental Research Lab., Research Institute of Industrial Science & Technology, San 32, Hyoja-dong, Nam-gu, Pohang 790-330, Korea

요 약

최근에환경오염과자원고갈에의해서인류활동의생태적영향을최소화하는지속가능한산업개발(sustainable

industrial development)이많은관심을받고있다. 이를위해서는기존에있던산업단지를환경친화적으로변화시

키거나새로운산업단지를건설하여개별공장내뿐만아니라한산업단지내의각기업들이물질및에너지를최 대한효율적으로이용하는생태산업단지로의전환이전세계적으로활발하게이루어지고있다. 생태산업단지(eco- industrial park, EIP)는산업단지내의각기업들이물질, 용수및에너지를최대한폐기물, 에너지, 물질, 용수등을서 로효율적으로재이용함으로써경제, 환경, 사회적이익을얻는것을목표로한다. 본총설에서는국내외생태산업 단지의사례연구와생태산업단지개발의중요한기술들(에너지교환, 물질재이용, 용수재이용, 환경영향평가)에 대하여소개한다.

Abstract −Sustainable industrial development which can minimize an ecological effect by the mankind exertion is recently interested due to an environmental contamination and a resource exhaustion problem. An eco-industrial park (EIP) is a community of manufacturing and service businesses seeking enhanced environmental and economic perfor- mance through collaboration in managing environmental and resource issues, including energy, water, and materials. EIP developments which improve a production plant within an eco-friendly greenfield and design a new industrial ecosys- tem are accomplished recently, which can efficiently re-use the waste and resources from each company within EIP. In this review, the outside and domestic case studies of EIP and cornerstone technologies to develop the EIP, such as energy integration, waste reuse, mass flow analysis, water pinch, and life cycle assessment, are summarized.

Key words: Eco-Industrial Park (EIP), Heat Pinch, Energy Integration, Life Cycle Assessment (LCA), Mass Flow Anal- ysis (MFA), Mathematical Optimization, Network Design, Reuse Network, Waste Minimization, Water Pinch

†To whom correspondence should be addressed.

E-mail: [email protected]

1. 서 론

1-1. 생태산업단지정의

생태산업단지(eco-industrial park, EIP)는 산업생태학(industrial

ecology)을도입한개념으로, 청정생산공정을기본으로하여설계,

개발, 운영되는제조/서비스업의집단이다. 이용어를처음사용한

indigo development는생태산업단지를 ‘에너지, 용수, 물질등을포 괄하는환경및자원문제를다루는데있어협력을통해발전한환 경적/경제적성과를추구하는제조업및서비스업체들의공동체’라 정의하였다[1-5]. 산업단지내의기업들은생태학적으로연결되어 있어, 물질및에너지의사용과오염물발생을최소화하는유기적 관계가된다. 이러한기업간협력은개별적으로환경개선활동을하 는것보다몇배의효과와생산성을부수적으로얻을수있으며, 국 가에서도기업에대한개별지원보다많은성과를거둘수있다.

생태산업단지의목표는참여기업들의환경에대한영향은최소 화하고경제적성과는증진시키는것이다. 이목표는공단구조의녹 색설계, 청정생산, 오염방지, 에너지효율, 기업간협동과같은 요소를사용하여달성할수있다. 또한, 생태산업단지는이웃하는

집단의이익을위함으로써개발이긍정적인결과를낳도록한다. Fig. 1

은기존의산업단지와생태산업단지의개념도와차이점을나타낸다

[3, 5]. 기존의산업단지는원료와제품위주로연계되는데에비해

생태산업단지는기존의산업단지에서고려하지않은부산물이나폐 기물의연계를통해네트워크가구성되는점이가장큰차이점이다.

일반적으로생태산업프로젝트는아래와같이세가지기본적인 범주로구분할수있다.

(1) 생태산업단지(EIP)−산업단지내에서에너지, 물, 물질을포함 한자원의재활용을통해강화된환경과경제활동을추구하는제 조및서비스업집단이다.

(2) 부산물교환(BPX)−에너지, 용수, 물질과같은부산물들을폐

기물로배출하지않고서로유효자원으로취급하는기업들의재활 용을말한다. 참여기업들은오염을감소시키고생산비용을절감하 며새로운이익을얻기위해서, 사용한자원을폐기물로배출하지 않는다. 예를들어, 중국남부의한설탕공장은부산물교환을위 해제지공장, 알코올정제소, 콘크리트공장등을세웠다.

(3) 생태산업망(EIN)−지역내의환경, 사회, 경제적성과를증진 시키기위한기업들의연결망을말한다. 생태산업망은부산물교환 의범위를넘어서환경과사업성과를개선하기위한도구로넓은 영역에까지확장되고있다. 이네트워크는생태산업단지를포함할

수도있고, 독립적인기업일수도있다. 예를들어, 필리핀의 PRIME

프로젝트에서는다섯개의산업단지가협력하여지역적인부산물 교환을이루어내고, 자원재생체계와네트워크구성을가능케하 였다[1, 3].

1-2. 기대효과

기존의산업단지에서는산업과환경분야의정책이개별적으로 적용되어서, 산업시설에환경기초시설을갖추는방향으로환경문제 를해결하려했다. 그러나이런식의접근은분명한약점이있다.

공장에환경오염처리시설을설치하는것은폐기물의발생을암묵 적으로허용하고, 오염이발생한이후에처리하겠다는의미이다. 사 후처리방식으로는환경오염에대해총체적으로접근하고예방하기 가어려우며, 경제적으로도매우비효율적이다. 또한, 처리시설의설 치에만치중하다보면심각한자원고갈의문제도해결하기가어렵 다. 생태산업단지(EIP)는이러한약점을보완하여환경문제에종합 적으로접근하는방식으로크게산업적측면, 환경적측면그리고 사회적측면에서다음과같은세가지효과를기대할수있다[1].

산업적측면−EIP는참여기업들이물질과에너지의효율성을높

Fig. 1. The basic concept of eco-industrial park[3].

이고, 폐기물재활용을늘리며, 규제에의한처벌을피할기회를 제공하여생산비용을절감할수있게해준다. 또한, 생태산업단지 내의기업에게는폐기물처리나교육, 물품구매, 비상사태관리, 환 경정보시스템같은공동의서비스가제공된다. 산업비용의분담을 통해기업들은경제적효율을향상시킬수있다. 생태산업단지는산 업시설이과잉상태인지역에특히중요한산업적이득을제공한다.

환경적측면−EIP는자연자원사용량이나오염/폐기물을발생시 키는요인들은감소시키고, 청정생산에혁신적으로접근하여환경 부담을덜어준다. 오염방지, 에너지효율화, 용수관리, 자원재생,

그외의환경관리체계와기술등이청정생산공정이다. EIP는개

발업자들과경영자들에게환경과사회의기준은높게충족시키면서 기업이익은어떻게증진시킬수있는지제시해주는모형이된다.

사회적측면−참여기업들의경제적성과가향상되면생태산업단 지는새로운경제발전모형으로나타날수있고개발된산업단지 는첨단기술을가진기업들을유치하고, 지역의벤처기업에게 사업영역을개방하여결과적으로고용을창출하는효과가있다. EIP 내폐기물재순환으로인한오염감소로더깨끗한자연환경을 제공하게된다[1, 3].

2. 생태산업단지 사례 연구

생태산업단지는미국을비롯하여유럽, 아시아, 남아프리카, 남미 등전세계에서계획이활발하게추진되고있어산업단지개발의한 방식으로잡아가고있다. 그중덴마크 Kalundborg, 중국의 Guigang

생태산업도시, 국내 P 철강공장의부생가스의최적재이용망구축 에관한사례연구를예를들어소개한다.

2-1. 덴마크 Kalundborg의 산업공생(industrial symbiosis)

생태산업단지중에서가장역사가오래된산업단지는덴마크의

코펜하겐인근에있는 Kalundborg 산업단지이다. 인구가약 2만명

가량되는덴마크의 Kalundborg라는곳에는환경적공생관계를추

구하는기업들의클러스터가있다. 엄밀하게말하면 Kalundborg는 생태산업단지라기보다는부산물과에너지교환에집중한산업공생 체이다. 산업공생체가생태산업단지로발전하려면좀더종합적인 접근이필요하지만, Kalundborg의경우는매우성공적인사례로평 가받는다. 산업단지와기업간그리고인근지역과의물질및에너 지교환망을잘형성하고있기때문이다. 공장들은다른공장의폐 기물을원료로사용하여원료, 에너지, 용수, 폐기물등에서효과적 인공생관계를형성한다. 공생관계를이루는다섯개의큰주체를 살펴보면화력발전소, 대규모정유회사, 석고보드생산업체, 제약 업체그리고 Kalundborg시이다[1, 3].

이미 1970년대초반에이들간에는원자재의교환이이루어졌으

며 1980년대와 1990년대를걸쳐그공생관계가더두터워졌다. 약

30년의역사가있는이곳의산업공생은 1972년 Statoil 정유소에서

나오는 butane gas를 Gyproc 석고보드공장이이용하면서부터시작

되었다. 그후에는제약공장과석고보드공장에서나오는질소및인 을함유한대량의슬러지를주변의농장에비료로사용하기시작하 고, 화력발전소에서부산물인석탄재를 Kalundborg 산업단지외부 에있는시멘트공장에공급하기시작했다. 1981-1982년부터 Asnaes

화력발전소는공정에서발생한증기를정유소와제약공장, 도시에 공급했다. 이렇듯 10년동안에는종합적인공생은이루어지지않았

고, 2-3개의개별적인계약들이만들어졌을뿐이었다. 이렇게시작

된산업공생은그후 10년동안공생범위를더욱더넓혀나가기시 작했다[1, 3, 5]. Fig. 2는 Kalundborg 산업공생체의물질, 용수및

에너지교환망을나타낸다. Kalundborg 단지에서진행되어온과제

중용수재순환망는 9개, 에너지교환망은 6개, 폐기물재순환망은

7개로서전체적으로공생체내부재활용의경우가더많은것으로 보고되어있다[3].

Kalundborg 산업공생체는시간이지날수록 기업들의공생관계

가점점더복잡해지고재생되는자원의양도많아졌다. 이들간 의공생관계로부터얻어지는경제적혜택은 1997년기준으로봤 을 때 연간 3만 톤의석탄사용 절감, 60만 톤의물 사용절감, 13만톤의이산화탄소배출감소, 3700톤의황산가스 배출절감 등을들수있다. 이들을모두합한경제적절감효과는연간 6천만 달러에이르며 1천만 달러의예산을감축시키고있다. 요컨대,

Kalundborg의공생관계는경제적, 환경적인큰혜택을발생시키

고 있는것이다[2-4].

Kalundborg 산업단지에서는정부나제3자에의해서강제적으로

교환망이이루어지지않고, 기업사이에경제적인인센티브가존 재해서자발적인에너지와물질교환이이루어졌다. 그러므로파 트너들은서로위험요소를최소화하기위해최선의노력을했으며,

거래내용에대해서기업들이직접측정했다. 또한, Kalundborg 내

의주요기업이아닌경우에대해서는산업공생이큰효과를나타

내지못했다[3]. Kalundborg의생태산업단지구축의경험으로부터

부산물교환이성공적으로이루어지기위한조건을생각해볼수 있다. 첫째, 산업단지내의산업분야는서로어느정도달라야하 고, 동시에잘맞아야한다. 산업분야가같으면경쟁관계가형성되 어효율성을저하하기때문이다. 둘째, 교환망에서기업들의배열 이상업적으로이득이되도록이루어져야한다. 공생관계에서경

Fig. 2. Industrial Symbiosis at Kalundborg city (www.symbiosis.dk).

제적이득이없다면기업들의자발적참여의지가적어지기때문 이다. 셋째, 규제기관과긴밀한협력관계를맺어야하고개발은 자발적이어야한다. 넷째, 공장간거리가짧아야한다. 거리가짧 을수록효율이높아지고운송비용도적게들어, 생산비용을절감 할수있기때문이다. 마지막으로단지내기업경영자들과회사들 은서로믿음을가지고 EIP구축에협조적인관계를유지하여야한 다[3-9].

2-2. 중국의 Guitang Group과 Guigang 생태산업도시 중국에있는 539개의설탕공장에서는매년 1,500만톤의설탕을 생산해왔는데지난몇년동안중국의설탕산업은심각한재정난에 시달렸다. 국제시장에서중국설탕의낮은가격은다른국가들의

설탕산업에도재정난을일으켰다. Guigang 지역은중국설탕생산

량의 40％이상을생산하는곳으로설탕공장들의규모도작으며 대부분부산물교환에도실패했다. 이런경제적어려움은환경오염 물질을더많이배출하게하여서설탕산업은많은오염물질을배출 하는오염산업으로알려져왔다[1, 3]. Guitang 그룹은이지역에있

는 1954년생성된중국최대규모의국유설탕기업으로사탕수수

재배를위한 14,700 ha의농지와, 3,800명이넘는직원을보유하고

있다. Guitang 그룹의설탕공장을통하여많은양의오염물질이배

출되는데, Guitang Group은 Guigang 지역의여러기업을통합하여 부산물교환망을형성함으로써오염물질배출량을줄이도록하는생 태산업단지를건설하였다. 통합된산업단지에는알코올공장, 제지 공장, 휴지공장, 탄산칼슘공장, 시멘트공장, 발전소등이포함되어 있고최종목표는부산물의재이용을활발히하여환경오염과오염 처리비용을줄이는것이다. Fig. 3에는 Guigang 시의생태산업단지 의물질교환망을나타낸다. 이에따라설탕공장의부산물을 Guitang

시의생태산업단지에보내어부산물이용효율을늘리고, 사탕수수 경작지를통합하여공생을이루고정부와기업의간부들은산업생태

학의원리를습득하여청정생산의범위를더욱확대하고있다[1, 3].

2-3. 철강공장의각공장단위 부생가스의최적재이용망 구축

P 철강공장은국내유일의일관제철소로서철강제품생산이주요 한목표이고, 철강제품이외에부수적으로발생하는다양한종류의

부산물과사용후남은잉여생산물의재활용이상당히높은편이 다. 제철소에서부산물로생성되는타르, 중질타르, 조경유, 황, 산 소, 질소, 아르곤등의잉여가스그리고제철생산의에너지부산 물인부생가스등이있다. 기존연구에서제철소와기업들사이의

부산물교환망이보고되고있고 Fig. 4에정리되어있다[9].

본총설에서는 P 철강공장의각공장단위부생가스의에너지재 활용에관한예를소개하고자한다. P 철강공장내의많은공장에 서는제철생산시부산물인여러가지부생가스가발생한다. 우선,

석탄을건류하여코크스로만드는과정에서 COG(coke oven gas),

코크스와철광석을고로에장입하여쇳물을만드는과정에서

BOG(blast furnace oven gas), 쇳물의함유조성을조절하고이를가 공가능하도록하는제강공정에서 LDG(linze donawitz gas) 그리

고앞으로고로를대체할신제선공정에서발생하는 COG(corex

oven gas) 등이있다. 이들부생가스는모두유독성가스이기때문

에그냥배출할수있는것이아니고연소시켜서배출해야한다. 다 행히이때발생하는열량이연료로쓰기에가치가충분히있기때 문에각각탱크에저장해서연료가필요한다른공장에서사용할 수있도록한다. 이것은한부분에서는폐기물처럼여겨지지만다 른곳에가면주요연료로사용된다는의미가된다(산업공생). 부생 가스를사용하는공장으로는제철제품생산과정에열이있어야 하는단위공장들도있지만, 가장많이사용하는곳은제철소내의 발전소로지속적으로발생하는부생가스를방산하지않고(환경적 측면) 동시에남은양을최대한소비할수있는방안(재활용측면)

이필요하다.

다음은제철공장의발전소운용현황에맞추어부생가스를가장 효율적으로소비하도록최적분배를결정하는사례이다. 주어진데 이터로는각부생가스의발생량, 각부생가스의발열량, 발전소의 연료사용가능범위, 발전소효율및발전용량그리고제철소내 의전력부하, 스팀요구량등이있다. 목적함수는부생가스의열량 을이용하지못하고연소시켜방산하는열량의최소화이다.

Efflu = (1)

Efflu는부생가스의방산열량을나타낸다. 여기서 R은부생가스,

P는발전소, T는시간이고 Heat(R)는부생가스 R의발열량을나타

낸다. Gas(R,T)는사용해야할부생가스의양이고, X(P,R,T)는발전 소에서사용한부생가스양이며, P_R은부생가스 R을사용하는발전 소 P를나타낸다. 여기서결정해야할변수는부생가스의발전소분

Gas R T( , ) X P R T( , , )

P P∑∈ _R

⎝ – ⎠

⎛ ⎞

∑R

∑T ×Heat R( )

Fig. 3. Ecological cycle of Guitang Group[1]. Fig. 4. Waste reuse networking of the steel company among indus- tries[9].

배, 발전소의발전량및스팀발생량등이다. 그러나공정상황이항 상일정한것은아니고수시로변하게된다. 각공장의가동은공장 별설비의수리계획에따르게되는데수리시에는부생가스를발생 시키거나사용하지못하게되므로이점을고려해야한다. 수리계 획정보를반영하기위해서는먼저제철소내의공장중에서부생 가스를발생하거나사용하는공장이단위시간당얼마만큼양의부 생가스를배출하고사용하는지에대한정보를알아야하고그것을 바탕으로해당공장의수리계획이있을경우이점을반영하여결 과적으로발전소에서소비해야할부생가스의양이어떻게되는지 를계산해야한다. 이러한최적조업을결정하기위해서수학적모 델을이용해야하는데위와 같은문제는혼합정수선형계획법

(MILP: mixed integer linear programming)을이용할수있다.

부생가스의발생및사용공장들의앞으로 2주간수리계획에따 라발전소에할당된부생가스의데이터와발전소운용데이터가주 어졌을때 2주간부생가스의방산을최소로하는부생가스의최적 분배와각발전소의운용계획을앞서제시한혼합정수선형계획법

으로해결한결과가보고되어있다[11]. 이러한방법은각공장단위

부생가스분배망구축시발전소와생산공정에서최적으로재활용 할수있는최적부생가스분배망구축에사용되었고유틸리티수 배급최적화를통해부생가스발생및소비하는공정의밸런스예 측및최적조건도출, 저압증기발생및소비공정의수배급모사 등에사용되고있다.

지금까지소개한생태산업단지외에도세계여러나라에서생태산 업단지개발을계획중이거나실제조성중이다. 예를들어일본의가 와사카에코타운외 6개단지, 북미의볼티모어페어필드산업단지외

11개지역캐나다의 3개지역, 영국의험버사이드외 8개단지, 유럽 독일의하이델베르크와오스트리아의스티리아재순환단지외 20여 단지등이생태산업단지의개발사례로알려져왔다[3, 5-10].

3. 생태산업단지 개발에 필요한 주요 요소 기술

Lowe[1]과많은연구자는기존생태산업단지의경험을바탕으로

생태산업단지를개발할때중요한전략으로자연적인시스템의 교환망구축, 에너지교환, 물질재이용, 지속가능한설계와건설,

지역사회로의통합으로정리하였다. 본절에서는이러한생태산업 단지개발의주요전략들을달성하기위한중요한요소기술들(에 너지교환, 물질재이용, 용수재이용, 환경영향평가)에대하여소개 한다.

3-1. 에너지교환망구축을위한열통합기술

화학및원유정제공정같은많은에너지소비공정의규모가커 지면서많은설비가복잡하게얽혀있어서많은에너지를소모하게 되어생산비용의증가를가져왔다. 특히에너지비용이점차증가 하면서이와같은에너지의낭비를줄이고, 투입된에너지를최대 한활용하기위한방편으로에너지를회수하여재사용하는에너지 교환망또는열교환망(energy/heat exchange network, HEN)을합성 하게되었다. 즉에너지교환망은냉각을시켜야하는공정흐름과 가열을시켜야하는공정흐름을서로연결하여에너지회수의효 과를보면서유틸리티비용을절감하는것이다. 이러한에너지교 환망의합성은공정합성문제에서합성구조가가장확실하며실제

화학공정에도입이되어약 20-30％의에너지절감을가져올수

있기때문에많은연구가진행되어왔다. 에너지교환망의연구분

야에서가장주목을받고있는기술은핀치(heat pinch) 기술이다. 이

는 Linhoff[12]에의해처음으로도입이되었고이때부터일반적인

열교환망의연구, 선형계획법을통한공정의분석, 수학적접근방 식을통한열교환망의합성에관한연구도계속되고있다[12-20].

3-1-1. 열교환망이론

열교환망합성을위해서는우선각공정흐름의정보를이용하여 시스템을분석해야한다. 즉두유체간의열전달이일어나기위해 서는두유체간온도차이가최소접근온도차이상이어야하고이 를이용하여시스템에첨가하여야할최소가열량과제어하여야할 최소냉각량및핀치점을계산한다. 에너지목표치들은공정의열 자료로부터정의된다. Fig. 5는 composite선도또는 T-Q 선도라 불리는이 그림은열교환망에서온류들과냉류들을각각 T-H (temperature-enthalpy) 선으로나타내고, 온류는온류끼리더하여하

나의연속선인초온류를냉류는냉류끼리더하여초냉류를 T-H 좌

표상에도시한것이다[14, 16, 17]. 두선을같은그래프에중첩하여

그리면두선사이의면적이최대가능열회수량이된다. 여기서수

직으로연속선사이를그었을때가장가까운점이핀치점(pinch

point)에해당한다. Fig. 5를보면∆T_min이생기는데이것을최소접 근온도차라하며∆T_min이클수록에너지요구량이많아에너지비 용이많이들고또한, 보다큰열전달의구동력을가지므로투자비 는낮아진다. 이런∆Tmin이생기는점을열회수핀치라하고그핀 치를중심으로핀치점보다높은온도영역(above the pinch zone, AP)

과핀치점보다낮은온도영역(below the pinch zone, BP)으로나누 어진다. 이러한두영역에서각흐름의엔탈피수지를세울수있다.

3-1-2. 핀치를이용한망구조설계법

열교환망합성은간단한것처럼보이나미리공정구조가결정되 어있지않아종래의최적화기법을적용하지못하며또주어진흐 름끼리를열교환시킬수있는방법이너무많아문제해결에어려 움이있다. 이를위해시스템에첨가되어야할최소가열량과제거 하여야할최소냉각량및핀치점을계산한다. 이상에서구한최소

Fig. 5. Composite curve which contains super hot stream and super cold stream[16].

냉각가열량과핀치점을가지고여러가지전략을고안하여최적

열교환망의합성의해를얻어낸다[16].

핀치기술은열역학적원리를기초로한열회수공정설계법으로 간략히정의할수있는기법인만큼, 논리적전개나그결과의우수 성은보장받고있으나한계점을안고있다. 즉기존의에너지통합 공정설계를최소의비용으로최대한에너지를회수할수있는에 너지통합공정의개보수(retrofit)에는아직방법론이정확하게정립 되어있지않은실정이다. 그래서최근에너지통합기법을이용한

에너지회수설비[16], 특히열교환망의설계상태의재점검[17], 새

로운에너지회수설비의설계[18], 기존설계의최적개보수기법

[16] 그리고몇개의공장사이에서에너지재활용의방법[18-20] 등

이활발히연구되고있다[16-20]. 이러한국내외적연구결과들과

연구경험들을집적시켜생태산업단지의다양한설비에적합한에 너지통합사례, 진단및개보수에우수한방법을도출하여생태산 업단지내대부분의기업이안고있는에너지과잉소모를줄일수 있고앞으로도래할에너지고갈과환경오염에대응하여야할것이다. 3-2.물질 재활용망 구축을 위한 물질흐름분석(mass flow analysis)

3-2-1. MFA의목표 : 환경과경제의지속성추구

지구라는계(system)는에너지와물질의흐름으로해석될수있

다. 태양계라는관점에서비록그영향이크지않다하더라도이미

지구는외부의에너지가유입되고유출되는열린계(open system)

로볼수있으나, 물질흐름의측면에서볼때지구는외부와특정 한물질교환을하지않는닫힌계(closed system)로해석할수있다.

이러한관점에서닫힌계인지구내부의물질순환을조사하고연 구하는일은자원고갈과파괴의심각성이드러나는환경문제와더 불어자원의효율성을강조하는경제적문제, 이두가지측면의지 속성에 대해 미래 지향적인 지표를 제공한다고 할 수 있다. MFA(material flow analysis)는물질흐름수지에서얻은정보를통 해물질사용의효율성을평가하는방법이다[22].

3-2-2. MFA의역사적배경및이론

Adriaanse 등[21]이연구한자원흐름(Resource Flows) 보고서로

부터정치적인논쟁과앞으로 MFA 연구방향이구체적으로이슈화

되기시작했다[23]. 이들의보고서에서는 1970년대부터 1990년대까

지세계주요경제국가(EU 국가를포함하여일본, 미국)들의자원별 흐름데이터를기초로분석하여국가별로유입, 유출되는자원흐름의 경향및 GDP 대비 TMR(total material requirement)[24] 및 DMI(direct

material input)의변화추이등을보여주었다. 이러한자료를바탕

으로각국가는자원의경제적효율성을높이고환경친화적인방 향으로정책수립을할수있는지표를마련한셈이다.

지속가능한환경의측면에서산업대사(industrial metabolism)의

물질유출(output)에관한 MFA의전략목표는크게두가지로나

눌수있는데[24], 초기환경오염이심각했던시기의물질중심의

독성및오염제거(detoxification and pollution reduction)에대한전 략에서그이후비물질화및재구조화(dematerialization and eco- restructuring)로전략이변화되어왔다. 하지만, 이두가지전략은 상충적이라기보다상보적으로함께추구되어야할전략이라고할

수있겠다. MFA는환경및경제에대한중요한지표(indicator)가

될수있는데이터베이스를제공하는데, MFA 연구에서주로사용

되는지표를살펴보면다음과같다[25].

Input indicators

•DMI(direct material inputs) 국내원료(domestic extraction)+수입

•TMR(total material requirements) 국내사용된원료+수입+사 용되지않은원료(unused extractions)

Output indicators

•DPO(domestic processed output) 산업현장이나가정등에서배출되 는모든배출물의합

•TDO(total domestic output) DPO +사용되지않은 국내원료

(unused domestic extractions) Consumption indicators

•DMC(domestic material consumption) DMI –수출

•TMC(total material consumption) TMR– (수출+간접적인수출 흐름)

•NAS(net additions to stock) 경제의외형적인성장률

Fig. 6은 EU 내의주요한몇나라와그외나라들의 MFA의결과

를나타낸것이다. Fig. 6으로부터각나라의자원에따른 TMR과,

GDP 대비 DMI, 국가별유출물경향그리고국가별 NAS 지수등

을살펴볼수있고이로부터여러가지유용한정책을제시할수있 다. 즉, 국가별 GDP와 TMR, DMI 등의경향을분석하여어떤특 정한국가가자원의효율성, 환경, 성장의측면에서어떠한정책을

수립해야할지제안할수있을것이다[22].

3-2-3. MFA의사례

기존의국가단위의 MFA 분석에서최근지역단위의 MFA 분석 이증가하는추세이다. 그중최근 2001년 11월부터영국 York 지 역의주민들이필요로하는음식과물질의양을데이터화하고이 와관련된생태범위를측정함으로써 York 지역의지속가능성및 전지구적환경에미치는영향을분석하는연구가스톡홀름환경 연구소(Stockholm environment institute at York)에의해시행되었

다 [26]. 이연구에서는 York 주민들의생활에필요한다음과같은

사항들의양이데이터로수집되었다.

- 48개의서로다른식음료제품

- 지역의고체폐기물의분해

- 재활용에의한에너지절약

- 교통, 전기전자제품

- 도로및건축, 하우징등

이러한여러가지사항들을유지하는데필요한원료의양이톤

(ton) 단위로데이터화되었다. 결론적으로 York 시민이생활을유

지하기위해서는 1인당연간 19톤의원료물질이필요하고이를위 해서는그들이차지하는지역면적보다약 70％더많은생태영역 이있어야하는것으로나타났다. 따라서, 지속가능한환경과경제

의유지를위해서는 York시에자원의효율적이용과배출물질에대

한절제를유도할수있는특정한정책이필요하다고볼수있다.

2010년을목표로하여유효성과충족성을바탕으로몇가지시나리

오가제시되었으며다음과같다.

(1) 에너지시나리오

- lighting efficiency scenario: CFLs(compact fluorescent lights)가

GLS(incandescent)보다 5배높은효율을가진다는사실에근거하여

GLS를 CFLs로대체. CFL을 50％정도비율로사용할경우 2010년

까지약 1,793 ha의생태영역감소효과를볼수있다.

- space heating and water heating sufficiency scenario: 80％의

York 가정에서이중창과같은장치와 50％이상의가정이 84％효

율이상의보일러를설치한다면 7,200 ha, 즉 30％정도의생태영역 감소효과를볼수있다.

(2) 쓰레기처리시나리오

쓰레기처리시나리오에서는재활용을통한유효성과쓰레기배 출량의최소화를통해충족하면서동시에만족시킴으로써쓰레기 매립에필요한생태영역을최소화할수있다.

- curb-side collection recycling scenario: 이재활용시나리오로

인해비록 2010년까지 4,787 생태영역이증가하는경향을보이지만,

기존의쓰레기처리에따른생태영역증가량보다약 63,000 ha 정 도낮은생태영역의증가추세를보인다.

- 유효성과충족성을혼합한폐기물처리시나리오: 효율적인재

활용과합성그리고쓰레기양의최소화를통해 2010년까지약 10％의 생태영역감소효과가있을것이다. 이러한효과를통해이미캐나

다의 Ontario에서는 1년만에매립지로버려지는쓰레기의약 42％

를감소시키는결과를가져왔다. 3-2-4. MFA를통한 EIP 구축가능성

생태산업단지의기본목적달성을위해물질과에너지흐름을분 석하고최적화하는것은경제적인측면과환경적인측면에서매우

중요한일이기때문에기존의거시적인 MFA 분석방법을토대로

이를 EIP에적용한다면효율적이고친환경적인 EIP를구축하는데

큰도움이될것이다[27]. 생태산업단지는그규모에따라작은산

업단지가될수도있고큰도시전체, 나아가서는한국가의산업을 효율적인물질흐름으로연결할가능성도있다. 따라서, 기존 MFA

에서사용했던지표들역시 EIP 분석에서도상황에따라변형하여

적용할수있을것이다. 특히, 최근에는국가단위가아닌소규모집 단단위로 MFA에관한연구가진행되고있어서 EIP에의적용에대

한가능성을높이고있다. York시의 MFA 분석사례에서도보았듯이

EIP 구역내의물질흐름을여러가지물질에관해데이터로수집하 여현재그구역내에서경제적그리고환경측면에있어서재활용 이가능한지분석하고지속가능한발전이불가능하다면문제가되 는자원활용분야를분석하여시나리오를작성하고이를정책적으

로활용할수있다. 물론 MFA 연구특성상데이터수집의어려움

과긴시간의소요라는단점이있지만이는앞으로지속할 MFA 사

례연구를통해조금씩극복해나갈수있을것이다. 아울러앞으로

지속할 EIP 및 MFA의개발에서데이터를분석하고시나리오를작

성하여이를정책적으로집행해나가는데있어서기준이될수있 는생태효율성(eco-efficiency)에대한지표를수립하는것이중요한

사항이될것이다[26-30].

3-3. 용수교환망 구축을위한 water pinch

최근에배출수를고도처리하여재이용하는기존의방법에서벗 어나공정내에서용수를절약함과동시에생산공정의과학적이고 체계적인분석을통하여용수의이용률을극대화한후최종방류함 으로써물이용의효율성을높이고자하는용수재이용기술이많은 관심을받고있다. 워터핀치기술(water pinch technology)은공정수

Fig. 6. MFA indicators of the EU compared with selected member states and other countries[22].

의내부재순환을최적화하여유입되는공업용수를줄이는동시에 재이용수의사용으로전체용수사용량을줄이고폐수의방류량을 줄이면서전생산공정을대상으로최적의공정용수재이용라인을

구축할수있는것으로알려졌다[31, 32].

3-3-1. 워터핀치이론

용수재이용을위한출발점은모든공정들은원수로채워진용수 재이용네트워크를이용하는것이다. 흔히있는일이지만, 분리공 정으로부터의모든유출흐름은유출흐름처리장치에서동시에모이 고처리된다. 만약도시와공장의배출용수를즉각적으로처리하는 폐수처리시설에서사용된다면처리장은현장에사용되거나하수시 스템으로의유출이가능하다. 이러한공정에서발생하는용수및폐수 를이용하는방식은재이용(reuse), 재생후재이용(regeneration), 재생 후순환재이용(regeneration recycle) 등으로구분된다[31, 32, 43].

워터핀치방법의기본적인개념은 source와 sink 사이의하나또

는주요대상이되는오염물을선정하여공정흐름도를작성하는 것이다. Source와 sink 사이의전체적인분석을통해서 pinch point

를찾아내고여기서성립되는제한조건에의해용수의재이용량과 그대상공정을효과적으로찾아낼수있는방법이다. Fig. 7에서보

면용수의 source는청정도가높은수치를나타내는용수흐름도로

오염물에의한오염이거의없는상태를말한다. 그러나공정이운 전되면서용수가각각의공정을지날때마다오염물의이동현상에 의해서공정수의청정도는점점낮은수치를나타내게된다. 이것

은공정수의흐름에서 source와 sink의관계를정리하는것으로오

염물의이동에의해서용수의오염도는증가하게되는것을말한다.

이관계에서각각공정의오염농도는공정의제한유입농도를설정 할수있는자료로써활용될수있다[31, 34-36, 43, 44].

합성은전체공정을워터핀치분석에적용할수있도록농도에

따른공정들사이의용수재이용을합성(process integration) 하는

것이다. 공정합성은공정간오염물의농도나종류에따라서합성 을하여간략한블록모식도로표시할수있도록하는합성과정이다.

먼저핀치분석을통해공정수의오염물과종류를파악한후에그

려지는 composite curve를통해서오염물의흐름을알수있다. 오

염물의이동현황에대해서파악하면공정간에이동되는오염물에 따라서공정합성을수행하는것이다. 비록이러한접근법이간단하

지만, 워터핀치는많은흐름과다양한오염물질에의해매우복잡 해질수있다. 이과정은한번에하나의오염물에대한각각의최 적화를요구한다. 각각의분석결과는전체최적해를구하기위하 여종합되어야한다[43].

앞에서기술한워터핀치방법은근본적으로경험에의한것이고 여러가지오염물질은다루기가어렵다. 이에따라용수재이용네 트워크를분석, 합성, 개선, 설계를위한수학적최적화기반접근 법이제안되었다[45-49]. 수학적으로구축된모델은재생공정, 유량 제한, 다성분오염물질을포함하는비선형모델로구성할수있고 비선형프로그래밍(nonlinear programming)에의해해를구함으로 써재이용망이설계될수있다. 비선형문제에서는전역최적해를 보장할수없으므로초기치를잘선택하여좋은결과를얻어야한 다.이러한워터핀치와수학적최적화방법은서로단점을보완하고 장점을강화할수있다. 엔지니어나사용자는위의두가지방법을 용수망을설계하는동안계속해서서로전환할수있다. 다성분이 고많은수의공정을가진커다란문제는수학적모델로먼저시작 하여모델을만들고그후에단순화된해에대해워터핀치방법을 사용하여시각화할수있다. 즉두가지방법은공학적이해와시각 화를개선하는워터핀치방법과복잡한문제를다루는것이가능한

수학적방법의상호보완이가능하다[43, 46-49](워터핀치의기술동

향과용수재이용네트워크설계의자세한이론은참고문헌[49]을 참조).

3-3-2. 워터핀치를통한 EIP 구축가능성

워터핀치기술은생태단지내용수재이용망구축이체계적으로진 행할수있도록이론의정립, 경제성평가와실제적용시보완해야 할사항등을제시할수있을것으로예상하고있다. 그러나산업 단지내용수재이용망을설계시기존의단일공장의워터핀치방법

이직접적용할때문제점이나타날것으로예상이된다[49]. 예를들

어산업단지내기업간용수재이용망구축의경우목적함수내에 너무많은대상공정및폐수처리장이존재하여비선형최적화문제나

기업간그리고단위공장내용수및정보의불활실성(uncertainty) 증

가, 생태산업단지내기업별의이해관계나서로 trade off 및환경성 경제성평가같은문제가발생한다. 이를극복하기위해각단위공 정뿐만아니라공장별/기업별용수재이용을위한체계적워터핀치

방법론에대한연구와기술개발이필요하다[49].

3-4. 재활용망의환경영향평가(life cycle assessment, LCA) 3-4-1. LCA의개요

LCA는제품의라이프사이클(life cycle)인원료의채굴/수송/가공 및제품의생산/유통/사용/폐기/재활용등에수반되는자원소비및 환경부하와이에따르는환경영향을정량적으로평가하고연구의 목적에맞춰결과를해석하는기술로서다음과같이여러경제주 체들의활동을친환경적으로유도할수있다. 우선기업은제품(또 는서비스)의라이프사이클동안환경부하를평가하고제품생산공 정을개선함으로써환경부하가적은회사로탈바꿈하고친환경기업 이란이미지로브랜드가치를높일수있다. 또한, 소비자들은제품 이환경에미치는영향에대한정량적/정성적정보를받음으로써친 환경상품의선택에참고할수있다[50-60]. 생태산업단지내폐기물,

물질, 에너지재이용망구축시재이용에따른환경영향과환경부하 를정량적으로평가할때그리고제안된여러대안에대한환경부 하절감효과를측정할수있게되어 ‘지속가능한발전’의실현을위

Fig. 7. Source and sink composite curves of water pinch[31, 43].

한생태산업단지의전략수립에활용할수있다.

LCA 개념은미국의코카콜라사가용기의환경성을평가한데서유 래하며, 1980년대에미국과유럽에서 SETAC(society of environmental

toxicology and chemistry)이설립되면서본격적인연구활동이이루

어졌다. 유럽에서는스웨덴, 스위스, 네덜란드, 독일, 프랑스등에서

연구가활기를띠었고, 특히네덜란드 Leiden University에본부를

둔유럽 SETAC의활동이두드러졌다[50, 51]. 이런활동들을배경

으로 1993년에 ISO/TC207(환경관리)에따라 LCA의표준화작업 이시작되었고, 1997년에 ISO14040이제정되었다. 우리나라에서는

LCA 활성화의하나로환경부장관이인정하는전문인증기관의검증 을받아환경마크를제품의포장, 용기등에부착하여사용토록하 는환경성적표지제도(ISO/TR14025 기반, Type III)를 2001년 2월부 터시행하고있다[51, 54].

3-4-2. LCA 수행절차

LCA는크게목적및조사범위설정(goal and scope definition),

목록분석(inventory analysis), 영향평가(impact assessment), 결과해 석(interpretation) 등의주요단계로구성되며, 이후에보고, 검토, 응

용단계가뒤따를수있다(Fig. 8). 네가지주요단계에대한세부

절차는다음과같다[51, 52].

3-4-2-1. 목적및조사범위설정

LCA의출발점은연구를수행하는목적, 조사범위, 기능단위

(functional unit) 및결과물의형식을정하고, 필요한가정들을도입 하는것이다. 결과물의형식은연구의목적과이유에부합하도록정 해야하며, 조사범위설정시고려대상을지나치게단순화하여범 위를줄일경우총체적분석을통한의미있는결과를도출하기어 렵고, 반대로범위를지나치게세분화할경우필요한데이터를얻 지못하게되거나연구에걸리는시간및비용이한계를초과할수 있으므로적절한가정을도입하여조사범위를조정하는것이필요 하다. 기능단위는같은 ‘기능’을하는서로다른시스템(제품, 서비스,

공정등)의환경성을쉽게비교하기위한것으로보편적이며직관

적인단위(예를들면, 발전소는전력생산 1 MWh 당, 화학공장은

제품 1 ton 당)를정해서사용한다[50, 51].

3-4-2-2 목록분석

이단계에서는 LCA의대상제품(또는시스템)의라이프싸이클에 걸쳐각공정에투입되는물질과에너지, 생산되는제품과부산물,

그리고대기, 수질, 및토양으로배출되는물질과에너지에대한데

이터를수집하고, 목록항목(inventory data)에관한입출력명세표를

작성한다. 단, 제품의제조, 사용, 폐기등과관련된데이터(foreground

data)는일반적으로 LCA 수행자가직접수집하지만, 원료및에너

지자원의채굴및운송, 전력생산등과관련된데이터(background

data)는기존 LCA 사례또는문헌을참조하여계산한다. 여기서수

집된데이터는목적및조사범위와부합돼야하며, 동일공정에서 복수의제품(또는부산물)이나올경우전체환경부하를이들에게

어떻게나눌것인가도고려해야한다[51].

3-4-2-3. 영향평가

여기서는목록분석의결과를사용하여환경영향의중요도를평가

한다. 각각의영향범주(impact category)가영향받을수있는단수

또는복수의목록항목을선정하고, 각연결관계마다특성화계수

(equivalency factor) 산출해서여러목록항목의영향이각각의영향

범주별로공통단위로환산되어합산될수있게한다. 나아가서영

향범주별로가중치(weighting factor)를부여하면종합적인환경영

향을평가하는하나의지표를계산할수있다. 전형적인영향범주 로는오존층파괴, 지구온난화, 인간독성, 생태독성, 광화학산화물생 성, 스모그생성, 자원고갈, 산성비, 부영양화등이있다[51-56].

3-4-2-4. 결과해석

설정된 LCA의목적과조사범위에맞춰목록분석과영향평가의결 과로부터결론을이끌어내고권장/개선방안을제시하는단계이다.

3-4-3. EIP에서환경영향평가

LCA는국내외에서제지산업[52-54], 합성수지[55], 원자력및화 력발전시스템[56], 재활용[58-60] 등많은적용사례가있다. 지금까

지의 LCA 적용사례에비추어볼때, 제품의라이프사이클에서환

경부하는제품의생산및사용뿐만아니라원료의채취, 수송, 그리고 폐기물의처리과정에서상당량발생함을알수있었다. 따라서, 제 품생산에수반되는물질및에너지의입출력을서로교환할수있 는산업끼리클러스터를이루어협력한다면원료의채취, 수송, 및 폐기물의처리에수반되는환경부하를대폭줄일수있을것이다. 그

러나닫힌계(closed-loop system)내의연속된재활용은전과정평가

시재활용물질및에너지의흐름뿐만아니라물질및에너지의질 을고려하여야하므로재활용에따른환경부하를고려한전과정평

가가필요하다[58]. 한편, 이러한자원순환형클러스터에서폐기물이

나용수의재생처리장비를사용했을경우공정에서배출된높은오 염물질은폐기시스템으로직접버릴수없기때문에특별한마지막 처리가필요하다. 여기서최종배출물의특별한재생기술을재활용 망에포함하는경우만약처리비용이더높다면재활용되는물질의 양이제한되거나너무비싼기술일경우에는재생처리를하지못할 것이며이러한재활용/교환망의경우경제성및 LCA를기초로하여 최적의재활용방안이결정되어야한다[58-60].

4. EIP 구축시 미래 기술 개발적 측면

생태산업단지는기존산업단지가안고있는여러환경문제를체 계적으로해결하면서지역사회와공존할수있는지속가능한자원 순환형산업단지이다. 국내에서 1년동안의시범사업에이어 2005

년 11월부터본격적으로 15년동안의생태산업단지구축사업이추 진되고있다. 생태산업단지개발에응용되는주요한기술들이앞에 서기술한요인들외에도단지내기업간폐기물및에너지관련 정보공유, 통합환경경영체계구축, 구축기업들의적극적인참여, 지 역사회와의융화같은업무가추가로추진되어야한다[3]. 한편, EIP

구축시기존의공정최적화의목적함수와다른점은단지내개별 기업마다각항목의가중치를가지고각각의기업을다시종합하는

Fig. 8. LCA frameworks[50].

다기준목적함수(muticriteria objective function)를가져서단지전 체를고려시다기준결정구조(multicriteria decision making)를나타

내게된다. 따라서 EIP 개발에서생태산업교환망을통하여흐르는

부산물과에너지의공급량변화같은외부변화에민감도가낮은

강건한교환망구축방안[7], 닫힌계내에서의재활용되는공정에

대한환경영향평가방법론개발[58, 61], 단일기업뿐만아니라전 체단지내기업들을통합하여기준이될수있는생태효율성(eco-

efficiency)에대한지표수립그리고생태산업단지전체의다기준

결정구조문제를공학적으로해결하는방법론개발[61] 등이앞으

로 EIP 구축의기술개발에중요한연구사항이될것이다.

5. 결 언

세계적으로환경오염의심각성을인식하고지속가능한개발을 이루기위해노력하고있는최근에산업생태학과생태산업단지개 발의중요성이최근강조되고있다. 본총설에서는생태산업단지의 기본개념과몇가지국내외사례를살펴보았고동시에생태산업단 지개발의중요한기술들(에너지교환, 물질재이용, 용수재이용,

환경영향평가)에대하여소개하였다. 본본문이화학공학분야에서 생태산업단지를연구하거나 2005년 11월부터본사업에들어가는 국내생태산업단지구축에기술적인분야에서유용한글이되기를 바라며화학공학분야에서도 EIP 개발연구에도움이되기를바란다.

감 사

본연구는산자부국가청정생산지원센터의청정생산이전확산사업

인 water pinch 기법을이용한철강산업단지내용수재이용최적화

시스템구축의과제지원으로수행되었으며이에감사드립니다.

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