전과정평가법을 활용한 고구마 및 풋옥수수의 탄소배출량 산정

1. 서론

산업화 이후 화석연료 사용이 많아짐에 따라 대기 온실가스 농도가 높아지고, 지구 평균온도가 상승하는 온난화 현상이 나타나고 있다. 지구온난화가 가속화되면서 기후변화가 발생하기 시작하였으며, 전 세계 각국은 이러한 기후변화에 대응하기 위해 수많은 노력을 하고 있다. 우리나라도 기후변화 방지를 위한 노력에 동참하기 위해 1993년 유엔 기후변화협약(UNFCCC, United Nations Framework Convention on Climate Change)에 가입하였다. 이러한 흐름 속에 2020년 정부는 2050년까지 온실가스 배출량을 줄이고, 흡수 및 저장량을 증대시켜 순온실가스 배출량을 ‘0’으로 만든다는 탄소중립을 선언하였다(KLIC, 2022). 2021년 현 정부는 원전과 재생에너지를 사용하여 온실가스 감축하고 지역 주도 탄소중립 이행체계를 구축하는 등 저탄소 산업구조 및 순환경제로 전환하는 전략을 세웠다(MOTIE, 2022). 2022년 탄소중립이 본격적으로 시행되었고 이와 같은 움직임은 국외 사례를 통해서도 알 수 있는데, EU의 ‘유럽 그린딜(European Green Deal)’이 그것이다. 유럽 그린딜은 2050년까지 유럽연합 내 탄소중립을 달성하고 더 나아가 오염물질 배출 감소, 친환경재배를 통한 생태계 보존 및 생태계다양성 확보와 같은 지속 가능한 농업 정책을 말한다(Lee, 2020). 뿐만 아니라 EU는 온실가스 감축 목표 달성을 위해 2021년 7월에 ‘탄소국경조정제도(CBAM, Carbon Border Adjustment Mechanism)’의 입법초안을 공개하였다(Lee and Kim, 2021). 탄소국경조정제도 중 탄소국경세(CBT, Carbon Border Tax)는 온실가스 배출규제가 약한 나라에서 강한 나라로 수출할 때 적용되는 관세를 말하며 수출국에서 제품을 수출할 때 온실가스 배출량이 많을수록 높은 세율을 지불해야 한다(Kim and Son, 2021). 우리나라 수출 비중이 높은 일부 품목들은 탄소국경세 대상 품목에 포함되기 때문에 수출 경쟁에서 뒤떨어질 가능성이 있다. 이러한 유럽 그린딜의 온실가스 감축 및 탄소국경세를 적용하기 위한 온실가스 평가는 전과정평가(LCA, Life Cycle Assessment) 방법을 통해 이루어진다. 전과정평가는 제품의 전과정(원료 채취, 생산, 사용, 폐기)에서 투입·배출되는 물질과 관련된 환경영향을 평가하고 정량화하기 위한 방법론이다(Ryu et al., 2011; Lee, 1998). 전과정평가를 실행하기 위해 환경부와 산업통상자원부에서 2019년도까지 약 400건 이상의 데이터베이스를 개발하였다(Son et al., 2019).

2012년부터 농림축산식품부도 전과정평가를 통해 관행 재배 대비 온실가스를 감축한 농산물에 대해 저탄소 농축산물 인증 마크를 부여하는 ‘저탄소 농축산물 인증제’를 운영하고 있다. ‘저탄소 농축산물 인증제’는 저탄소 농업기술을 활용하여 원료채취, 농자재 제조, 재배까지 제품의 전과정에서 온실가스 배출을 줄인 농축산물에 부여하는 제도이다. 현재 환경에 대한 소비자들의 인식이 개선됨에 따라 인증을 획득한 농가수 뿐만 아니라 농산물 품목 수도 증가하고 있다. 그러나 농가들의 재배기술 및 관련 통계가 변화하고 있음에도 불구하고, 저탄소 농축산물 인증의 베이스라인이 되는 주요 농산물 표준 탄소배출량(2010년 ∼ 2015년)은 산정된 이후 갱신이 이뤄지지 않고 있다. 따라서 과거 시점의 데이터를 기반으로 산정한 탄소배출량은 현재 통계를 기준으로 했을 때 정확도를 신뢰할 수 없어, 최신의 재배현황을 반영한 농산물별 표준 탄소배출량의 재산정이 필요하다.

그러므로 본 연구는 최근 재배 형태를 반영한 농산물별 표준 탄소배출량의 산정을 위해 수행되었으며, 농작물 중 인증면적이 가장 넓은 고구마와 간식용 옥수수인 풋옥수수를 대상으로 하였다. 2021년 저탄소 농축산물 인증통계에 따르면 식량작물 중 고구마는 31 ha, 풋옥수수는 23.6 ha로 벼 1,565.2 ha 다음으로 인증면적 비중이 가장 큰 작물이다(Smart Green Food, 2022). 인증면적 비중이 가장 큰 벼는 2020년에 표준 탄소배출량이 이미 갱신되었으므로 이번 연구에서는 제외하였다.

2. 재료 및 방법

2.2. 목적 및 범위정의

목적은 과거의 저탄소 인증기준을 최신 데이터베이스(DB, Data Base)와 국가 통계를 활용하여 갱신하고 적용하는 것으로 설정하였다. 국내 통계법 시행령 제9조에 의한 일반통계에 의거하여, 농산물 재배면적을 고려하고 농산물별 목표 오차를 정하여 전국표본 수를 결정하였다. 농산물별로 도별 재배면적과 소득의 표준편차를 고려하여 전국자료의 표본오차를 최소화할 수 있게 도별 표본을 선정하였다. 선정된 표본을 기준으로 국가 승인 통계자료인 농촌진흥청 농산물소득자료집의 2014년부터 2018년도 자료를 활용하였다(Nongsaro, 2014 ∼ 2018). 일부 전국적 생산 데이터가 미비한 경우 지역 단위의 데이터를 수집하였으며, 복수의 지역 데이터 활용 시에는 지역 데이터 간 가중치 부여를 위해 지역별 재배면적 비율에 따른 가중평균값을 활용하였다.

JRC technical report는 최소 3년의 평가 기간을 사용하여 기후, 병해충 등 수년간의 재배 조건 변동과 관련된 농작물 수확량 차이를 평준화해야 한다고 제시하고 있다(Fazio et al., 2020). 그러나 본 연구에서는 평균 대비 이상치를 보정하고, 고품질 결과값을 확보하기 위해 5년간(2014 ∼ 2018)의 자료를 활용하였다. 전과정평가 대상 작물인 고구마와 풋옥수수의 기능은 식품 원료의 농산물 생산이며 기능단위는 농산물 생산량 1 kg으로 설정하였다. 그러나 농촌진흥청 농산물소득자료집의 1000 m²(10a) 당 투입량을 고려하여 기준흐름을 10a로 판단하였다. 이러한 판단의 이유는 실제 농업 현장에서는 농산물 생산(kg) 단위가 아닌, 면적(10a) 단위 기준으로 영농활동 및 생산이 이뤄지고 있기 때문이다. 따라서 기능단위는 기준흐름에 따라 ‘생산량(kg)/재배면적(10a)’을 곱하여 적용하였다. 또한 전과정평가 결과값의 신뢰도를 얻기 위해 데이터 품질 요건을 Table 1에 제시하였다(Nongsaro, 2014 ∼ 2018).

Table 1.

Data quality requirement of sweet potato and corn production systems

2.3. 시스템경계

고구마와 풋옥수수의 원료물질로 투입되는 비료, 작물보호제, 기타자재의 생산공정, 투입되는 에너지의 생산공정 및 제조 단계에 포함되는 기타자재의 폐기공정과 두 작물의 재배공정을 시스템경계에 포함하였다. 고구마와 풋옥수수에 대한 시스템경계를 Fig. 1에 나타내었다. 정확한 결과 도출을 위해 국가 LCI DB (Life Cycle Inventory DataBase) 개발 기준(95%) 및 국제 표준(80%)보다 높은 누적질량 97% 이상의 제외기준(Fazio et al., 2020)에 따라 제품의 생산과정에서 사용되는 원부자재(비료, 작물보호제, 기타자재) 전체 값에 대해 정의된 질량기준으로 누적에 기여하는 모든 투입물 데이터를 포함하는 것을 원칙으로 하였다. 단, 작물보호제 경우 환경적 기여도를 고려하여 데이터 산정에 포함하였다.

Fig. 1.

ISO 14040 Phases of Life Cycle Assessment

2.4. 전과정 목록분석

‘저탄소 농축산물 인증제’에서 사용되고 있는 「농산물 온실가스 배출량 산정을 위한 개별지침」에 기재된 전과정 단계를 근거로 데이터 수집의 용이성, 공정 특성, 부산물의 발생 여부 등을 고려하여 단위공정 결정을 위해 Fig. 2와 같이 공정흐름도를 작성하였다.

Fig. 2.

Process flow diagram for sweet potato and corn production systems

전과정 목록분석을 위한 데이터 수집 및 계산은 농촌진흥청의 연간 전국 농산물소득자료집 통계데이터(2014 ∼ 2018년)를 활용하였다. 데이터 수집이 어려울 경우 논리적인 계산 및 추정을 통하여 데이터를 수집/보완하였다. 국가 평균 데이터베이스의 사용은 원료물질, 보조물질, 에너지 등의 상위흐름 및 하위흐름 연결을 위한 데이터베이스를 활용하였고 환경부와 산업통상자원부, 농촌진흥청에서 개발한 LCI DB를 활용하였다.

2.4.1. 데이터 계산

전과정 목록분석을 할 때 사용한 데이터베이스는 원료물질에 대한 상·하위흐름 자료에 대해서 최신 LCI DB를 사용하는 것을 원칙으로 하였다. 데이터베이스의 선택은 우선적으로 ①과거 농산물 탄소발자국(Carbon Footprint)을 산정했을 때 활용된 데이터베이스, ②동일한 공정의 국가 LCI DB, ③동일한 공정의 해외 LCI DB, ④유사한 공정의 국가 LCI DB, ⑤유사한 공정의 해외 LCI DB 순으로 활용하였다. 데이터 계산은 기능단위를 기준으로 한 데이터 전환 및 합산은 일반원칙을 따라 수행되었다. 전국이 아닌 지역 통계데이터 합산 시 재배 실정을 반영하기 위해 농산물별 지역 재배면적을 기준으로 가중 평균하였다. 투입되는 에너지(경유, 등유, 휘발유 등)의 연소에 의한 대기배출물의 직접배출량은 IPCC 2006의 배출계수 및 식 (1)과 같은 계산식을 적용하여 산정하였다(IPCC, 2006).

$\[ •\begin{array}{l}\mathrm{경}\mathrm{유}\mathrm{사}\mathrm{용}\mathrm{에} \mathrm{따}\mathrm{른} \mathrm{대}\mathrm{기}\mathrm{배}\mathrm{출}\mathrm{량}\left({\mathrm{C}\mathrm{O}}_2, {\mathrm{C}\mathrm{H}}_4, {\mathrm{N}}_2\mathrm{O}\right) \hfill \\ =\mathrm{경}\mathrm{유}\mathrm{사}\mathrm{용}\mathrm{량}\left(\mathrm{L}\right)\times \mathrm{발}\mathrm{열}\mathrm{량}\left(\mathrm{M}\mathrm{J}/\mathrm{L}\right)\times \mathrm{배}\mathrm{출}\mathrm{계}\mathrm{수}\left(\mathrm{k}\mathrm{g}/\mathrm{M}\mathrm{J}\right)\hfill \end{array} \]$

투입되는 비료에 의한 대기배출물(N₂O)의 직접배출량은 ‘저탄소 농축산물 인증제도’에서 활용하는 산정방법을 사용하여 식 (2)와 같이 산정하였다. 수계배출물(PO₄^3-)의 직접배출량은 JRC Technical Report를 활용하여 식 (3)으로 산정하였다(Fazio et al., 2020; Luca and Rana, 2019).

$\[ •\begin{array}{l}\mathrm{비}\mathrm{료}\mathrm{사}\mathrm{용}\mathrm{에} \mathrm{의}\mathrm{한} \mathrm{직}\mathrm{접}\mathrm{배}\mathrm{출}\mathrm{산}\mathrm{정}\left({\mathrm{N}}_2\mathrm{O}\right)\hfill \\ =\mathrm{비}\mathrm{료}\mathrm{사}\mathrm{용}\mathrm{량}\left(\mathrm{k}\mathrm{g}\right)\times \mathrm{비}\mathrm{료}\mathrm{의} \mathrm{유}\mathrm{효}\mathrm{성}\mathrm{분}\mathrm{질}\mathrm{소}\mathrm{함}\mathrm{유}\mathrm{율}\left(\mathrm{\%}\right)\hfill \\ \times \mathrm{비}\mathrm{료}\mathrm{의} \mathrm{건}\mathrm{조}\mathrm{중}\mathrm{량}\mathrm{율}\left(\mathrm{\%}\right)\hfill \\ \times \mathrm{비}\mathrm{료} 1\mathrm{k}\mathrm{g} \mathrm{당} {\mathrm{N}}_2\mathrm{의} \mathrm{토}\mathrm{양}\mathrm{배}\mathrm{출}\mathrm{계}\mathrm{수}\left(\mathrm{k}\mathrm{g}{\mathrm{N}}_2/\mathrm{k}\mathrm{g}\mathrm{N}\right)\times \frac{44}{28}\hfill \\ \mathrm{*}44/28=\mathrm{아}\mathrm{산}\mathrm{화}\mathrm{질}\mathrm{소} \mathrm{환}\mathrm{산}\mathrm{계}\mathrm{수}\left(\mathrm{k}\mathrm{g}{\mathrm{N}}_2\mathrm{O}/\mathrm{k}\mathrm{g}{\mathrm{N}}_2\right)\hfill \end{array} \]$

$\[ •\begin{array}{l}\mathrm{비}\mathrm{료}\mathrm{사}\mathrm{용}\mathrm{에} \mathrm{의}\mathrm{한} \mathrm{직}\mathrm{접}\mathrm{배}\mathrm{출}\mathrm{산}\mathrm{정}\left({\mathrm{P}\mathrm{O}}_4^{3-}\right)\hfill \\ =\mathrm{비}\mathrm{료}\mathrm{사}\mathrm{용}\mathrm{량}\left(\mathrm{k}\mathrm{g}\right)\times \mathrm{인}\mathrm{함}\mathrm{유}\mathrm{율}\left(\mathrm{\%}\right)\times \mathrm{수}\mathrm{계}\mathrm{손}\mathrm{실}\mathrm{율}\left(\mathrm{\%}\right)\hfill \\ \times \frac{95}{31}\hfill \\ \mathrm{*}95/31=\mathrm{인}\mathrm{산}\mathrm{염} \mathrm{환}\mathrm{산}\mathrm{계}\mathrm{수}\left(\mathrm{k}\mathrm{g}{\mathrm{P}\mathrm{O}}_4^{3-}/\mathrm{k}\mathrm{g}\mathrm{P}\right)\hfill \end{array} \]$

2.4.2. 이산화탄소 환산(CO₂-equivalent) 방법

탄소성적의 산출방법은 전과정 목록분석을 진행하여 산출된 온실가스 배출량에, 교토의정서에서 정한 6대 온실가스(CO₂, CH₄, N₂O, HFCs, PFCs, SF₆)의 지구온난화지수(GWP, Global Warming Potential)를 각각 곱하여 나타내었다. 지구온난화지수(GWP₁₀₀)는 온실가스가 배출되어 100년 동안 대기에 머무르면서 직접적으로 온실효과에 영향을 미치는 경우, 이산화탄소(CO₂)가 1의 영향을 미칠 때의 환산된 값을 말한다. 지구온난화지수는 IPCC 제5차 평가보고서에 명시된 메탄(CH₄) 28, 아산화질소(N₂O) 265, 수소불화탄소(HFCs) 4 ∼ 12,400, 과불화탄소(PFCs) 6,630 ∼ 11,100, 육불화황(SF₆) 23,500의 값을 적용하였다(IPCC, 2014).

3. 결과 및 고찰

3.1. 결과

3.1.1. 전과정 목록분석

고구마 생산에 따른 투입된 물질량과 배출량을 Table 2에 나타내었고 전과정 목록분석 결과 및 주요 원인 공정을 Table 3에 나타내었다. 1 kg 생산 당 투입된 비료와 전기 사용량이 가장 높았다. 비료 중 유기질 비료(가축분퇴비, 유박, 액비)의 투입률은 53.9%로 2.49E − 01 kg/kg이었고, 무기질 비료(복합비료, 농용석회, 황산칼리)의 투입률은 9.9%로 4.57E − 02 kg/kg이었다. 이외 투입률은 전기 28.5%로 1.32E − 01 kWh/kg 투입하였고 화석연료 4.8%, 농자재 2%, 작물보호제는 0.9% 차지하였다. 전과정 목록분석 결과 투입물에서는 비료생산에 의한 원유(Crude Oil)가 7.56E − 02 kg/kg으로 가장 높았다. 배출물에서는 직접배출로 인한 이산화탄소(CO₂)가 2.05E – 01 kg/kg으로 가장 높았다. 직접 대기로 배출된 온실가스(CO₂, CH₄, N₂O)는 2.06E – 01 kg/kg이 배출되었다. 탄소성적은 고구마의 생산단계까지 배출되는 온실가스를 이산화탄소 당량(CO₂-eq.)으로 환산하여 Fig. 3에 나타냈다. 탄소성적은 2.70E − 01 kg CO₂-eq./kg이며 이산화탄소가 2.05E − 01 kg CO₂-eq./kg으로 가장 많이 배출되었고 다음으로 아산화질소가 5.77E − 02 kg CO₂-eq./kg 배출이 많았다.

Table 2.

Data of input and output of sweet potato production system

Table 3.

Results of life cycle inventory about main parameters for sweet potato

Fig. 3.

Carbon footprint compute of sweet potato production system

풋옥수수의 투입된 물질량과 배출량을 Table 4에 나타내었고 전과정 목록분석 결과 및 주요 원인 공정을 Table 5에 나타내었다. 풋옥수수 생산에 따른 투입된 비료량이 가장 많았으며 다음으로 화석연료의 투입량이 많았다. 비료 중 유기질 비료(가축분퇴비, 유박)의 투입률은 96%로 8.92E − 01 kg/kg이 투입되었으며 무기질 비료(복합비료)의 투입률은 2.6%로 2.39E − 02 kg/kg이 투입되었다. 이외 투입률은 화석연료 0.6%, 전기 0.4%, 작물보호제 0.3% 차지하였다. 전과정 목록분석 결과 투입물에서는 고구마와 마찬가지로 원유(Crude Oil)가 3.48E − 02 kg/kg, 배출물에서는 이산화탄소(CO₂)가 5.27E − 02 kg/kg으로 가장 높게 산출되었다. 풋옥수수는 모든 파라미터의 주요 원인은 비료이며 이는 비료의 투입량이 매우 높기 때문이라고 판단된다. 풋옥수수를 재배하면서 직접 배출된 온실가스(CO₂, CH₄, N₂O)의 배출량은 5.44E − 02 kg/kg이었다. 탄소성적은 풋옥수수 재배단계까지 배출되는 온실가스를 이산화탄소 당량(CO₂-eq.)으로 환산하여 Fig. 4에 나타내었다. 탄소성적은 1.98E − 01 kg CO₂-eq./kg이며 아산화질소가 1.40E − 01 kg CO₂-eq./kg 가장 많이 배출되었고, 뒤를 이어 이산화탄소가 5.37E − 02 kg CO₂-eq./kg으로 배출되었다.

Table 4.

Data of input and output of corn production system

Table 5.

Results of life cycle inventory about main parameters for corn

Fig. 4.

Carbon footprint compute of corn production system

3.1.2. 전과정 영향평가

고구마와 풋옥수수의 전과정 영향평가는 전과정 목록평가의 결과를 토대로 각각 공정별로 나누어 영향범주에 맞는 기여도를 적용하여 산정하였고 그 결과를 Table 6에 나타내었다. 각 영향범주에서 지구온난화와 광화학적산화물생성(POCP)은 포장에서 배출되는 이산화탄소, 메탄, 아산화질소와 직접적인 관련이 있기 때문에 이 두 영향범주를 주로 알아보았다(So et al., 2010; Son et al., 2019). 고구마와 풋옥수수의 생산체계에서 지구온난화 특성화 값은 각각 2.70E - 01 kg CO₂-eq./kg, 1.98E - 01 kg CO₂-eq./kg으로 가장 높게 나타났다. 고구마 생산에서 광화학적산화물생성(POCP)는 1.14E - 04 kg C₂H₄-eq./kg, 풋옥수수 생산에서는 4.29E - 05 kg C₂H₄-eq./kg으로 나타났다. 고구마와 풋옥수수의 생산체계에서 지구온난화 기여도는 직접배출이 각각 45.4%, 79.3%로 가장 높았고 다음으로 고구마 생산체계에서 에너지가 25.1%를, 풋옥수수 생산체계에서 비료가 13.8%로 보였다. 광화학적산화물생성의 기여도는 고구마 생산체계에서 기타자재 생산이 56.0%, 비료가 36.9%이며, 풋옥수수의 생산체계에서는 비료가 55.2%, 작물보호제가 43.0%로 보였다.

Table 6.

The results of the characterization value of the life cycle impact assessment for sweet potato and corn production system

Acknowledgments

본 연구는 농촌진흥청 국립농업과학원 농업과학기술 연구개발사업(PJ01479702)의 지원에 의해 이루어졌습니다.

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