건축물 생애주기 내재탄소를 고려한 건물부문 온실가스 배출량 산정 개선방안 연구

1. 서론

파리협정에서 금세기 말까지 지구 평균 기온 상승을 1.5℃ 아래로 제한하기 위해서는 2050년까지 전 세계 이산화탄소 배출 넷제로를 달성해야한다고 합의한 내용에 따라 탄소중립 달성을 서약한 국가의 수가 증가하고 있다. 우리나라도 2020년 12월 탄소중립 선언으로 2030년의 감축목표 상향과 2050년 탄소중립을 달성하기 위한 시나리오를 작성하였다. 현재 마련된 시나리오의 경우 top-down 방식으로 전환, 산업, 건물, 수송, 폐기물 등의 주요 업종 및 흡수원에 대한 국가 감축목표가 세워졌으며, 이를 이행하기 위해 각 관련 부처 및 기관들이 세부 이행계획을 세워야 하는 것은 필수적인 사항이 되었다.

IPCC 제5차, 제6차 WGⅢ(실무그룹) 평가보고서는(이하 AR5, AR6) 각각 정주지(human settlement), 도시 및 정주지(urban and other settlements)에 대해 기반시설 및 도시형태의 체계적인 전환을 통해 달성할 수 있는 도시의 온실가스 감축 잠재가능성을 언급하기 시작했다. AR5에 따르면, 전세계의 배출량은 도시지역이 증가함에 따라 영향을 받게 되어 있으며, 도시배출량은 각각 전세계 점유율의 약 62%(2015년), 67% ~ 72%(2020년)로 추정되어, 도시에서의 감축 노력에 대한 요구가 더욱 확대될 것으로 보인다. 이에 따라 실질적으로 감축을 이행해야 하는 도시는 구체적인 감축 방안 마련을 위해 도시단위의 온실가스 감축 효과에 대한 분석이 가능해야 하며, 이와 관련된 공간계획, 도시계획의 연관성을 이해하고 정식화하는 과정이 필요하다. 현재 국가 배출량은 1996 IPCC 가이드라인의 산정방법론을 기반으로 산업, 수송, 건물 등의 부문별 연료소비량과 연료별 배출계수를 곱하여 산정하고 있다. 이러한 배출량은 도시 관점에서 도시개발 또는 정비 등의 공간적 변화에 의한 결과이므로, 그에 따른 온실가스 배출 증감효과를 현재 산정방식으로 파악하는 것은 용이하지 않다. 최근(2022년 4월)발표된 AR6에서는 도시의 배출량을 산정하기 위해 전체적인 물질의 흐름을 고려한 탄소발자국과 같은 배출량 회계 프레임워크 개념을 제시하기 시작하였다. 예를 들어 건물의 경우, 건축물의 전과정(Life Cycle)에 해당하는 자재생산, 시공, 유지관리, 폐기단계에서 발생하는 내재탄소배출량(Embodied carbon emissions)을 포함하는 것을 의미한다.

따라서 이 연구는 건축물의 운영단계에서 발생하는 에너지 사용에 따른 배출량 외 내재탄소배출량을 새롭게 반영하고자 했으며, 현재 국가 온실가스 인벤토리 산정방식 외 도시차원에서 실질적인 감축 대응이 가능하도록 온실가스 인벤토리 개선 방안과 향후 연구 방향을 제안하는데 목적이 있다. 도시는 모든 부문의 배출 활동을 포함하고 있으나, 이 연구의 범위는 도시 내 건물부문으로 한정하였다. 도시차원의 건물부문 인벤토리를 개선하기 위해 우선, 도시의 온실가스 배출량 산출을 위한 선행연구들을 조사하여 인벤토리 구성 및 산정방법론을 정리하고, 내재탄소배출량을 반영하기 위해, 건축물 내재탄소에 관한 선행연구자료를 종합적으로 고찰하여 도시차원의 해석을 통해 인벤토리의 반영범위를 설정하였다. 최종적으로 내재탄소배출량을 고려한 도시차원의 건물부문 온실가스 배출량 산정방법을 정의하고 시사점을 도출하였다.

2. 이론 및 선행연구 고찰

2.2. 도시차원의 온실가스 배출량 산정 연구

앞서 국가 및 지자체 온실가스 인벤토리에 대한 내용을 확인한 결과 현재 도시차원의 공간적 해석이 가능한 배출량 산출방식에 대한 공식적인 인벤토리 구축 현황은 미미한 실정이다. 따라서 이 연구의 범위로 선정한 건물부문을 중점으로, 도시개발 및 정비 등의 공간적 해석이 가능한 도시차원의 온실가스 배출량 산출과 관련된 선행연구를 검토하였다. 특히 해외사례의 경우 최근 AR6 보고서 내용에 포함되어 있는 도시의 배출량 산출을 위해 제시한 프레임워크의 개념을 정의하고, 이에 따른 선행연구에 대해서도 살펴보았다.

Jung (2011), Kim et al.(2013), Choi et al.(2017), Lee(2017), Choi (2018) 등과 같은 기존 연구는 건물부문의 온실가스 배출량을 추정하기 위해 IPCC 가이드라인에 따라 건물부문의 활동자료인 에너지 사용량에 배출계수를 곱하여 산정하는 방식이었으나, 일부 연구에서는 도시단위, 도시계획, 도시공간에 따른 온실가스 배출량을 산정하기 위한 인벤토리 개선과 필요성을 언급하였다. 기존 국가 인벤토리 산정방법에 따라 건물 에너지사용량에 배출계수를 곱하는 방식 외 지자체 또는 도시단위 온실가스 배출량 산정을 위해 인벤토리를 개선한 선행연구로 Oh et al.(2011), Kim and Hwang (2015), Yu et al.(2019) 등을 살펴보도록 한다.

Oh et al.(2011)은 지리정보시스템을 활용하여 공간에 따른 탄소배출규모를 확인하였다. 이 연구에서는 토지이용에 따라 온실가스 배출 규모가 결정되기 때문에 탄소배출 인벤토리 구축 시 공간에 대한 정보가 고려되어야 한다고 판단했다. 따라서 지리정보시스템을 활용하여 대상지에 대한 공간정보와 속성정보를 연결하고, 토지이용별 온실가스 배출 원단위를 산정하였다. 공간정보는 건축물대장과 지적도를 기초로 하여 구축하였고, 속성정보의 경우 대상 도시의 에너지 사용량 자료를 IPCC 가이드라인 배출 산정식에 대입하여 배출량을 추정하였다. Kim and Hwang (2015)는 광주광역시를 대상으로 도시계획분야에 적합한 인벤토리 분류체계를 새롭게 설정하고, 이에 따라 산정된 배출량 특성을 분석하였다. 특성 분석을 위해 건축물 용도를 8가지(주거, 상업, 업무, 교통, 문화/복지, 교육, 종교, 기타) 유형으로 구분하고 26개 중분류로 구분하였으며, 건축물 속성정보에 대해서는 에너지 사용량 데이터를 활용하여 도시계획 관점에 상응하는 온실가스 인벤토리를 구축하였다. Yu et al.(2019)은 서울시를 대상으로 공간 빅데이터를 활용하여 건물부문 온실가스 배출량의 공간패턴을 분석하였다. 공간분석을 통한 건물부문 온실가스 배출량을 산정하기 위해, 공간속성을 갖고있는 개별공시지가 데이터와 건물별 에너지사용량 데이터를 활용하여 융합 공간 빅데이터를 구축하고, 이에 따른 필지별 온실가스 배출량을 산정하였다. 이 연구들은 도시단위에 적합한 인벤토리를 구축하기 위해, 총 에너지 사용량에 배출계수를 곱하여 산출하는 비교적 단순한 하향식(top-down) 방식에서 벗어나, 건축물대장의 공간 자료, 즉 지번별 코드를 활용하여 건물단위의 에너지 사용량 자료를 연계시킴으로써 공간적 해석이 가능하도록 상향식(bottom-up) 산출 방식으로 개선하고자 했다.

해외에서도 도시단위의 온실가스 배출량 산정을 위한 연구가 일부 진행되고 있으나, 대부분의 경우 Scope1과 2에 대한 산정 방법 이상의 범위를 반영하고 있지는 못하고 있다. 즉 지자체 개념이 반영될 경우, 에너지 공급원이 다른 지자체에 포함되어 있더라도 수요하는 지자체도 산정되어야 한다는 개념 외, 공간구조 변화를 직접 고려하여 산정하기보다, 범위 내에서 에너지 수요량을 산정하는 것에 그쳤다(Dahal and Niemelä, 2017; Sówka and Bezyk, 2018). 반면 Zhang et al.(2018)의 연구에서는 중국 샤먼(Xiamen) 지역을 대상으로 토지이용유형을 온실가스 인벤토리 배출원과 연계하여 배출량 산정을 가능하게 하고, 도시 규모에 따라 온실가스 배출 집약도와 감축잠재량의 차이를 지구단위(district unit)로 확인할 수 있도록 분석한 후, GIS를 이용해 시각화하여 공간적 해석이 가능하게 했다.

최근 발간된 AR6 보고서에는, 정확한 도시의 탄소 계산을 위하여 탄소 함유 에너지 및 원자재의 이동과 그에 따른 도시지역의 배출과 흡수에 대한 정량적 이해가 필요하다고 언급했다. 또한 화석연료 사용으로 인한 도시의 주요 배출원 외 대부분의 도시는 자체적으로 전력, 유류, 시멘트, 수도, 식량 등을 공급할 수 없기 때문에 도시의 공급망에 대한 내재탄소배출량을 고려해야 할 필요가 있다고 명시했다(IPCC AR6 WGⅢ Chap.8). AR6에서는 도시의 배출량 추정을 위한 그간의 연구들을 정리하여, (1) 영토 회계(Territorial accounting, TA), (2) 커뮤니티 기반 인프라 공급망 발자국(Communitywide infrastructure supply chain footprint, CIF), (3) 모든 소비자에 대해 해당 지역의 최종 소비를 포함하는 접근 방식인 개인 탄소 발자국(Personal carbon footprint, PCF) (4) 지역 탄소 발자국(Areal carbon footprint, ACF)으로 크게 4가지 온실가스 회계(urban emissions accounting) 프레임워크로 분류했다(Table 1 참조). 이와 같은 접근 방식은 근본적으로 도시 경계 내외로 흐르는 물질과 에너지를 추적하는 개념에 뿌리를 두고 있다. 이러한 프레임워크는 모두 도시 온실가스 배출량을 정량화하는 것을 목표로 하고 있으며, 제품 및 서비스의 수출입과 관련된 온실가스 배출량의 구성요소와 배출량 책임이 할당되는 위치에 대한 다양한 관점을 반영하고 있다(IPCC AR6 WGⅢ Chap.8). 첫 번째 프레임워크는 영토 경계 내에서 발생하는 직접배출만을 산정하는 방식이며, 그 외 산정방식은 모두 탄소발자국과 내재탄소를 고려한 산정방식이다. 따라서 이 연구에서 개선하고자 하는 인벤토리는 건물에서 사용하는 화석연료에 의한 온실가스 배출량 외 건축물의 전생애주기에서 발생하는 내재탄소배출을 추가적으로 반영하고자 하는 목적에서, 영토 내 직접 배출량을 산정하는 첫 번째 방법론 외, 타 지역에서 공급받는 전력, 연료, 식량, 수도, 건축자재, 폐기물 처리 등에 대한 도시의 주요 기반시설을 사용하고 활용하는 단계에서 발생하는 배출량을 포함하여 산정하는 개념인 두 번째 산정방법론과 관련이 깊다고 볼 수 있다.

Table 1.

Framework for urban emissions accounting

2.3. 건물의 내재탄소

건축물의 전생애주기에서 발생하는 내재탄소배출 원리는 다음과 같다. 자재 생산단계는 건축물에 투입되는 건축자재를 생산하는 과정, 시공단계는 건축자재의 운송과정과 건축물의 시공과정에서 투입되는 건설기계장비와 운반장비 등의 에너지 사용, 유지보수단계 시 교체하는데 신규로 투입되는 건축자재생산, 건축물의 해체과정에서 투입되는 장비의 유류소비량 등에서 탄소배출이 발생된다.

관련 선행연구인 Jeong and Huh (2011), Ji et al.(2016), Roh and Tae (2017), Peng and Yang (2021) 및 기타 해외 연구보고서 검토를 바탕으로, 건물의 생애주기와 내재탄소배출을 Fig. 1과 같이 정리하였다. 건축물의 전과정(Life Cycle) 중 투입되는 건축자재의 생산, 건축물의 시공, 유지관리, 폐기 과정에서 발생하는 온실가스 배출을 내재탄소배출로 볼 수 있으며, 이때 건축물의 운영단계에서 발생하는 에너지 소비량에 대한 부분은 제외한다. 선행연구를 검토한 결과 건축물의 내재 탄소배출량(EC_Total)은 건축자재의 생산(EC_PD), 건축물의 시공(EC_CS), 건축물의 유지 관리(EC_M), 건축물의 폐기(EC_EL)에 대한 배출량을 의미하는 것으로 Equation 1과 같이 표현할 수 있다.

$\[ {\mathrm{E}\mathrm{C}}_{\mathrm{T}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}\mathrm{ }=\mathrm{ }{\mathrm{E}\mathrm{C}}_{\mathrm{P}\mathrm{D}}\mathrm{ }+\mathrm{ }{\mathrm{E}\mathrm{C}}_{\mathrm{C}\mathrm{S}}\mathrm{ }+\mathrm{ }{\mathrm{E}\mathrm{C}}_{\mathrm{M}\mathrm{T}}\mathrm{ }+\mathrm{ }{\mathrm{E}\mathrm{C}}_{\mathrm{E}\mathrm{L}} \]$

(1)

Fig. 1.

System boundary of embodied carbon at the building level

3. 내재탄소를 고려한 도시차원의 온실가스 배출량 산정

3.1. 내재탄소를 고려한 건물부문 온실가스 인벤토리

내재탄소배출을 고려하고자 하는 이유를 선행연구를 통해 확인해보았다. Jeong (2022)은 건물부문에서의 온실가스 감축은 주로 운영단계의 에너지 사용량 감소 효과에 초점이 맞춰져 왔지만, 자재의 추출, 가공, 운송 및 제작 등 전반적으로 건물을 구현하는데 발생하는 탄소배출량 또한 적지 않게 발생하기 때문에 건물의 운용 시 에너지 사용량 절감만을 고려한 온실가스 감축이 아닌 건물의 전생애주기동안 발생하는 탄소배출량인 내재탄소 측정의 중요성이 대두되고 있다고 하였다. Roh and Tae (2017)의 연구에서도 건물 운영단계의 에너지 소비량 절감만을 고려한 에너지 절약형 건축물의 경우, 건축자재의 생산단계, 시공단계, 유지관리과정, 폐기단계 등에 기인하여 잠재적으로 발생되는 내재탄소배출량을 증가시킬 수 있어, 전생에 주기 관점에서 내재탄소배출량의 비율은 운영단계에서 발생하는 탄소배출량의 비율을 넘어설 가능성이 있다고 했다. 또한 해외사례를 검토한 결과, 건축물 수명기간의 전과정에서 발생하는 내재탄소비율은 건물 에너지 효율에 따라 26% ~ 100%까지 다양하게 나타날 수 있으며(Chastas et al., 2017), 건축물의 에너지 효율 향상과 전력 공급의 탈탄소화가 빠르게 전환되는 지역에서는 내재탄소 온실가스 배출량의 비중이 증가할 것이라는 연구결과(Bionova Ltd, 2018)를 토대로, 탄소중립을 달성하기 위해 건축물의 제로에너지화가 지속적으로 이루어질 경우, 내재탄소 비중이 증가하게 되어 운영단계에서 발생한 온실가스 배출 절감효과가 상쇄될 가능성이 있다(Skillington et al., 2022)는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 이 연구에서는 운영단계의 에너지 소비량에 대해서만 산정하고 있는 현재 국가 인벤토리에 내재탄소배출을 고려하여 건축자재 생산, 시공, 유지(사용), 폐기 등의 과정을 반영한 건물부문 배출량 산정방법을 새롭게 설정하고자 한다.

도시차원의 건물부문 인벤토리를 개선하기 위해 이 연구에서 새롭게 제시하는 인벤토리는 공간적 해석을 위해 건축물대장 데이터를 활용하고, 건물의 운영단계에서 발생하는 에너지 소비와 내재탄소를 추가적으로 고려하여 배출량 산출이 가능하도록 했다. Fig. 2는 도시차원의 건물부문 배출량을 운영단계에서 발생하는 에너지 소비량(OC_EU)에 의한 온실가스 배출량과 자재생산(EC_PD), 시공(EC_CS), 유지관리(EC_M), 폐기단계(EC_EL)에서 발생하는 내재탄소배출량(EC_Total)의 합(TE, Total Emission)으로 산출하는 개선된 인벤토리 범위를 나타낸다.

Fig. 2.

Building Inventory in urban scale considering operational & embodied carbon

운영단계의 에너지 사용량에 대한 배출량 산출은 자치구, 법정동(행정동), 필지 내 건축물 구별이 가능한 건축물대장 공간정보, 건물에너지사용량 데이터, 에너지원별 배출계수를 활용해 융합데이터를 구축하여 산정하도록 한다. 내재탄소배출의 경우 Fig. 2에서 정의한 바와 같이 생애주기별 온실가스를 유발하는 활동자료와 제품기능단위당 탄소배출량 원단위를 도출한 LCI DB(제품기능단위당 원료의 채취, 생산, 수송·유통, 사용, 폐기 등의 전과정에 대하여 투입물과 배출물을 정량화한 데이터)를 이용해 배출량을 산출할 수 있다. 건물부문 내재탄소배출량을 산출하기 위해서는 산정 대상의 건축물에 대한 용도 구분, 특성을 미리 파악하고 대표적인 활동자료와 원단위를 적용하는 것이 매우 중요하다. 자재 생산단계에서는 사용된 주요 건축자재의 물량정보, 시공단계는 건축자재의 운송과정에 대한 운송차량의 유류소비량과 건설과정에 투입되는 장비의 에너지 소비량, 유지관리는 개보수 시 교체되는 주요 건축자재 사용량, 폐기단계는 건축물 해체과정에서 투입되는 장비의 유류소비량, 매립되는 폐건축자재 물량 등의 수량을 파악하는 활동자료 수집단계가 필요하며, 활동자료와 연관된 적절한 원단위(LCI DB)를 활용해 내재탄소배출량을 추정할 수 있다.

4. 결론

이 연구는 기존 국가 온실가스 인벤토리 방식에서 벗어나 건축물에서 발생하는 온실가스 배출량을 도시차원에서 평가할 수 있는 인벤토리를 제안하기 위한 기초적인 연구로서 건물 자체를 운영하는 과정에서 발생하는 온실가스 배출 외 내재탄소배출을 반영한 인벤토리를 새롭게 제시하였다. 연구의 주요결과와 시사점을 요약하면 다음과 같다.

첫째, 도시차원의 건물부문 온실가스 배출량을 산정하기 위해 인벤토리 개선점을 크게 두가지로 보았다. 하나는 공간적 해석이 가능하도록 건축물대장의 자치구, 법정동(행정동), 필지 단위의 공간 정보를 인용하여 배출량을 산정하는 체계를 만들고, 건축물 운영단계에서 발생하는 에너지사용량에 의한 배출 외 건축물 전생애주기에서 발생되는 내재탄소배출을 정량화하여 산출할 수 있도록 배출활동 목록에 대해 정리하여 종합적인 회계 시스템을 구축하는 것이다.

둘째, 건축물의 내재탄소 배출량을 산정하기 위해 전생애주기의 건설자재 생산단계, 시공단계, 유지관리단계, 건물 폐기단계를 포함하였고, 단계별 요구 데이터와 목록 분석을 제시하였다. 각 단계별 배출활동에 대한 원단위는 국내외 적합한 LCI DB를 연계하여 내재탄소배출량 산출의 신뢰성을 확보할 수 있도록 한다.

셋째, 새롭게 제시한 도시차원의 건물부문 인벤토리는 건축물 운영단계에서 발생하는 배출량과 내재탄소를 반영함으로써 기존건물 대비 도시정비 후 건물의 에너지 효율 향상에 따른 저감효과와 전과정에서 발생하는 내재탄소를 고려한 종합적인 배출량 변화를 추정하여 탄소저감에 유리한 건축물에 대한 고찰이 가능하다.

끝으로 이 연구는 도시차원의 건물부문 인벤토리에 대한 예시적인 인벤토리를 제안한 것으로 내재탄소배출량을 반영하여 목록화하였으나, 추후 현재 포함하지 못한 내재탄소 배출원을 세분화하고, 내재탄소배출량의 정확성을 높이기 위해 국내에서 가용할 수 있는 원단위 LCI DB 개선연구도 함께 이루어져 통합적인 배출량 평가가 가능하도록 인벤토리를 확장하는 연구가 필요할 것이다. 또한 공간적 해석이 가능하도록 특정 도시의 자치구를 대상으로 개선된 인벤토리를 적용하여 실제 건축물과 도시계획의 재개발 등 실증적용을 통한 후속 연구가 뒤따라야 할 것이다.

Acknowledgments

이 논문은 2021년 한국연구재단 중견연구자지원사업(NRF-2021R1A2C1012039)과 국토교통과학기술진흥원의 국토교통기술촉진연구사업(22CTAP-C163604-02)의 지원을 받아 수행되었음.

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