신진연구자 컬럼
서론
지속가능한 발전과 기후변화라는 새로운 패러다임의 등장으로 환경오염 물질과 온실가스의 발생을 사전에 예 방하기 위하여 공정시스템이나 제품의 환경성을 향상시 키기 위한 관심과 노력이 증가하고 있다. 이는 공정시스 템이나 제품의 설계 단계에서 환경성을 미리 고려한다면 설치, 운영, 사용, 폐기 단계에서 발생할 수 있는 환경부 하와 온실가스를 효과적으로 저감시킬 수 있기 때문이다.
이와 같은 환경오염 사전예방 활동의 장점을 적극적으로 활용하기 위하여 각국 정부에서는 다양한 형태의 환경정 책이나 환경인증제도를 도입하여 기업의 환경경영 활동 의 일환으로 저탄소 및 친환경 공정시스템이나 제품을 개발하도록 유도하고 있다. 소비자측면에서는 환경에 대 한 인식이 점차 높아짐에 따라 저탄소 및 친환경 제품의 시장 경쟁력이 높아지고 있어 기업에서는 공정시스템이 나 제품에 대한 저탄소 및 친환경 설계를 적극적으로 도 입하고 있다.
많은 선진국에서는 친환경 설계의 성능지표로서 환경 경제효율성(Eco-efficiency)를 이용하거나, 전과정 환경 영향 평가(Life Cycle Assessment: LCA), 생태산업단 지(Industrial Ecology), 에코디자인(Eco-design)와 같 은 개념을 바탕으로 온실가스 발생이 적고 친환경적인 제품, 시스템, 공정, 서비스 등의 개발에 역점을 두고 있 다. 교토의정서는 지구온난화와 관련된 규제 및 방지에 대한 기후변화협약의 구체적 이행 방안으로 온실가스 감 축 목표치를 규정하고 있어 국가별 대책이 강구되고 있 다. 우리나라에서도“저탄소녹색성장기본법”의 제정에 따라 이산화탄소·에너지 목표관리제가 추진되고 있어 국내 산업구조를 친환경 체계로 변환시키기 위한 노력이 정책적으로 예상되기 때문에 공정시스템과 제품의 저탄 소 및 친환경 설계는 우리사회의 지속가능성을 높이기 위해 향후 보다 중요한 연구분야가 될 것으로 예상된다.
저탄소 및 친환경 설계는 공정시스템이나 제품의 전과 정 단계나 공급망 사슬에서 발생되는 여러 환경영향과 온실가스 발생에 대한 가능성을 고려해야 하기 때문에 LCA의 이용은 반드시 필요하다. 공정시스템이나 제품
1995 연세대학교 화학공학과 학사 1997 포항공과대학교 화학공학과 석사 2007 포항공과대학교 화학공학과 박사 2001 삼성엔지니어링(주) 공정설계 대리 2005 (주)삼양사 중앙연구소 책임연구원 2008 Univ. of Minnesota, Twin Cities 박사후연구원 2010 Univ. of California, Davis 박사후연구원 2011 포항공과대학교 연구교수
현 재 강원대학교 환경공학과 전임강사
임 성 린
강원대학교 환경공학과
srlim@kangwon.ac.kr
과 연관해서 발생하는 환경부하는 원료채취, 수송, 제조, 설치, 사용, 운영, 폐기 단계에서 발생하기 때 문에 저탄소 및 친환경 설계는 전과정 관점에서 실 시되어야 한다. 이는 설계 주안점에 따라서 온실가 스의 발생이나 다른 환경부하가 여러 단계 사이에서 서로 전이될 수 있기 때문이다. 그러므로, 이러한 문 제를 해결하기 위해서는 LCA를 저탄소 및 친환경 설계에 적용하여 공정시스템이나 제품의 설계인자 들을 전과정 관점에서 선정하거나 최적화시켜야 한 다. [그림 1]은 LCA 수행 절차와 평가 가능한 환경 영향평가 카테고리를 나타낸 것이다.
본 컬럼은 공정시스템이나 제품의 환경성을 향상 시키기 위해 LCA를 저탄소 및 친환경 설계에 응용 하는 절차와 방법을 제시하기 위한 것으로서, 용수 네트워크 시스템과 전자 제품을 저탄소 및 친환경 설계의 사례로 소개한다. 첫 번째 사례에서는, 공장 에서 공업용수를 사용하면서 폐수 재이용을 함께 활 용하는 용수 네트워크 시스템의 저탄소 및 친환경 설계를 위하여 LCA를 적용하여 온실가스 발생과 환경부하를 정량적으로 평가한 후 주요 원인 인자를 규명하고, 이 주요 인자들의 환경영향을 최소화하기 위하여 LCA를 수학적 최적화 모델에 접목시켜 저
탄소 및 친환경 설계를 실시한다. 두 번째 사례에서 는, 대표적인 전자제품인 휴대폰의 친환경 설계를 위하여 폐휴대폰에 포함되어 있는 중금속이 소각이 나 매립과 같은 폐기단계를 통해 인체나 생태계에 미칠 수 있는 독성 가능성을 LCA를 이용하여 평가 함으로써, 대체 가능한 친환경 재료의 선정이나 연 구개발이 필요한 대상 물질을 규명하는데 필요한 정 보를 제공하도록 한다. 본 컬럼에서 소개된 저탄소 및 친환경 설계의 방법, 절차, 사례들은 다양한 공정 시스템이나 제품에 대한 응용이 가능하여 여러 산업 과 우리 사회의 환경성을 향상시키는데 기여할 수 있을 것이다.
공정시스템의 저탄소 및 친환경 설계:
용수 네트워크 시스템
1) 용수 네트워크 시스템의 개념
용수 네트워크 합성은 폐수 재이용을 실시하여 공 장 내에서 사용되는 공업용수의 유량과 비용을 최소 화하기 위하여 사용되어 왔다. 용수 사용량의 감소 는 용수의 취수, 이송, 처리, 공급, 폐수처리 등과 연 관된 환경적, 경제적 부하를 감소시키는데 기여할 수 있다. 이러한 용수네트워크 합성의 개념은 어떤 그림 1. LCA 수행 절차 및 환경영향평가 카테고리.
임성린
공정에서 발생하는 폐수나 폐수 처리수를 용수가 필 요한 수요 공정에 제공함으로써 공업용수의 사용량 을 저감시켜 용수 공급 시스템을 최적화하는 것이다.
단, 공급되는 폐수의 수질은 반드시 수요 공정의 요 구 수질을 만족시켜야 한다. 용수 네트워크 합성은 깨끗한 용수만을 사용하는 기존의 용수 시스템을 폐 수 재이용을 함께 활용하는 용수 네트워크 시스템으 로 전환하는 것이다.
2) 용수네트워크시스템의저탄소및친환경설계절차 용수 네트워크 시스템의 저탄소 및 친환경 설계를 위해서는 시스템의 각 구성요소가 발생하는 온실가 스와 환경부하를 정량적으로 평가 및 분석하고, 환 경 영향력이 큰 주요 구성요소의 온실가스 발생량과 환경부하를 수식화하여 용수 네트워크를 합성하기 위한 수학적 최적화 모델에 결합시켜야 한다. 기존 의 용수 공급 시스템과 용수 네트워크 시스템을 설 계한 후 LCA를 적용하여 시스템 구성요소의 전과 정에서 발생하는 환경 부하량을 다양한 환경범주별 로 정량적인 평가를 실시한다. 이 결과를 바탕으로 환경부하량이 큰 주요 인자를 규명한다. 주요 인자 들의 환경부하량을 수식화하기 위하여 LCA를 이용 하여 수학적 최적화 모델을 완성함으로써 환경부하 가 가장 낮은 친환경 용수 네트워크 시스템을 최종 적으로 합성할 수 있다.
3) 용수 네트워크 시스템의 온실가스 발생량 평가 용수 네트워크 시스템에 대한 친환경 설계의 예로 서 제철공장내의 폐수 재이용 네트워크를 이용하였 다. [그림 2]은 기존의 용수 공급 시스템이 폐수를 활용하는 용수 네트워크 시스템으로 합성된 결과를 보여준다. 폐수를 재이용함에 따라서 공업용수의 사 용량과 폐수의 발생량이 감소되었다. 그러나, 폐수를 재이용하기 위하여 연결 배관이 필요하고 폐수를 이 송시키기 위해 펌프 가동을 위한 전기가 사용된다.
따라서, 시스템 구성요소의 물리량을 단순히 비교해 서는 환경성이 어떻게 변화되었는지 판단하기 어렵 기 때문에 이를 정량화하기 위해 LCA의 적용이 필 요하다.
[그림 3]는 CML 2001 방법론을 사용하여 [그림 2]의 두 시스템에 대해 LCA를 수행한 결과로서 온 실가스 발생량을 평가하기 위해 환경부하의 한 범주 인 지구온난화영향을 나타낸 것이다. 지구온난화영 향에 대한 환경부하의 대부분은 공업용수, 순수, 전 기의 사용으로부터 발생하였으며, 용수 네트워크 시 스템은 기존의 용수 공급 시스템 보다 환경성이 우 수함을 알 수 있었다. 이러한 경향은 지구온난화영 향 범주뿐만 아니라 다양한 환경영향 범주에서도 유 사하였다.
그림 2. 용수 사용 유량을 최소화시킴으로써 합성한 용수네트워크 시스템의 구조 예 (FW: 용수, OP: 생산공정, TP: 폐수처리시설).
4) 용수 네트워크 시스템의 저탄소 설계
용수 네트워크 시스템의 저탄소 설계를 위해 필요 한 수학적 최적화 모델을 만들기 위해서는 지구온난 화에 대하여 주요 환경영향 인자로 규명된 공업용수, 순수, 전기 사용량을 수식화하여 최적화 모델의 목 적함수에 포함시켜야 하는데, 이를 [그림 4]에 나타 내었다. 용수와 전기 사용과 연관해서 발생하는 온 실가스 발생량을 수식화하기 위하여 LCA 방법론 중에서 CML 2000과 PASS를 사용하였다. 이 수학 적 최적화 모델에는 가능한 모든 방법의 네트워크 구성이 고려될 수 있도록 온구조(Superstructure Model)에 바탕을 둔 물질수지 식과 공장 내의 실제 상황을 고려하기 위한 제한식이 포함된다.
전자제품의 친환경 설계: 휴대폰
1) 폐전자제품에 포함되어 있는 중금속이 환경에 미 치는 경로와 영향을 포함한 모델 개발
폐전자제품에 포함되어 있는 다양한 중금속은 폐 기물 처리시설을 통하여 공기나 물과 같은 매체를 통해 인체의 건강이나 생태계에 영향을 줄 수 있다.
[그림 5]에서는 폐전자제품에 함유되어 있는 중금 속이 인체와 생태계에 미치는 영향을 평가하기 위한 경로에 대한 모델을 보여준다. 소각되는 폐전자제품 에 포함되어 있는 중금속은 각각의 열역학적 특성으 로 인해 특정 비율에 따라 연소가스, 비산재, 바닥재 로 배분되는데, 연소가스에 포함되어 있는 중금속은 대기에 배출되어 공기 중으로 확산된다. 반면, 매립 그림 3. 기존의 용수 공급 시스템(CWS)과 용수 네트워크 시스템(WNS)의 구성 요소로부터 발생한 지구 온난화 영향의
정량 평가.
그림 4. 용수 네트워크 시스템의 저탄소 설계를 위하여 LCA를 이용하여 수학적 최적화 모델을 개발하는 방법론.
임성린
되는 폐전자제품에 들어 있는 중금속은 차수막에 의 해 누출이 차단될 수 있지만, 매립처리의 개념이 자 연이 정화할 수 있는 수준의 오염물질을 몇 백년 이 상의 기간을 통해서 조금씩 주위 환경으로 배출시키 는 것이기 때문에 보수적인 관점에서는 오염물질들 이 지하수와 같은 수계로 결국 배출되는 것을 고려 하여야 한다. 공기나 물과 같은 매체로 배출된 오염 물질들은 성분의 특성에 따라 각각 다른 거동, 분해,
생물축척, 인체 및 생물에 대한 노출, 독성 영향 등 을 나타내기 때문에 오염물질의 환경영향 가능성을 정량적인 평가하기 위하여 LCA의 한 부분인 Life Cycle Impact Assessment (LCIA)를 이용한다(이 연구에서는 폐기물 관리에 초점을 맞추기 위해 전자 제품의 폐기 단계만을 고려하여 환경영향을 평가한 다). LCIA 평가 및 분석 결과는 인체와 생태계에 가장 영향을 많이 주는 중금속 성분을 규명하여 친 환경 대체 재료의 제안이나 개발에 대한 정보를 제 공할 수 있다.
2) 폐휴대폰으로부터 발생 가능한 인체 및 생태계 독성 영향의 정량적 평가
폐전자제품에 포함된 중금속 물질들이 인체와 생 태계에 미치는 영향을 정량적으로 평가하여 전자제 품의 친환경 설계에 필요한 정보를 주는 사례로서 폐휴대폰의 환경영향 평가 결과를 제시하였다. 휴대 폰의 교체 주기는 급속한 정보통신 기술의 발전에 따라 점점 짧아져서 폐휴대폰의 발생량은 급격히 증 가되고 있어 향후 폐휴대폰에 포함되어 있는 중금속 이 미치는 환경부하는 증가될 것으로 예상된다. 따 라서, 휴대폰의 친환경 설계를 위해서는 포함되어 있는 중금속이 인체나 생태계에 미치는 독성 영향의 평가와 분석이 요구된다.
중금속에 대한 LCIA를 위해 미국 EPA의 Tool 그림 5. 폐전자제품에 포함되어 있는 중금속이 환경에 영향을 미치는 경로.
그림 6. 폐휴대폰으로부터의 인체 및 생태계 독성 영향 평가 (A) 대기와 수계를 통한 비발암성 영향, (B) 대기와 수계를 통한 생태계 영향.
(A)
(B)
수은이었다.
LCIA를 이용하여 휴대폰에 포함된 중금속이 인 체와 생태계에 미치는 영향을 평가한 결과는 휴대폰 의 친환경 설계에 도움이 되는 정보를 제공하였다.
예를 들면, 납은 Printed Circuit Board (PCB) 기판 과 전자부품 사이의 전기전도 특성을 유지할 수 있 도록 하는 땜납(Solder)에 사용되고 있기 때문에 납 이 포함되지 않는 땜납(Pb-free Solder)을 사용함으 로써 휴대폰의 환경성을 향상시킬 수 있다. 수은은 몇년 전까지 휴대폰 모니터의 CCFL에 포함되어 사 용되었으나 최근에는 LED의 사용으로 휴대폰에는 더 이상 사용되지 않는다. 따라서, LED의 적용은 에 너지 절감뿐만 아니라 독성 영향을 저감시킬 수 있 는 친환경 설계의 좋은 예라고 할 수 있다. 구리는
결론
LCA를 저탄소 및 친환경 설계에 적용하여 공정 시스템이나 제품의 환경성을 향상시키는 방법을 소 개하기 위해 용수 네트워크 시스템과 전자 제품의 사례를 보여 주었다. 다양한 공정시스템이나 제품에 서 발생하는 온실가스 발생량과 환경부하를 전과정 관점에서 LCA를 이용해 평가 및 분석함으로써 환 경성을 향상시킬 수 있는 방안을 모색하고 이를 설 계에 반영함으로써 저탄소 및 친환경 설계를 구현할 수 있을 것이다. 환경규제가 국제적으로 강화되고 있으며 기업에는 사회적 책임을 다하기 위해 지속가 능성을 높이려는 노력이 보다 증대되고 있어 공정시 스템이나 제품의 저탄소 및 친환경 설계는 향후 기 업의 생존을 위한 필수 요소가 될 것이다.
