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[오토저널] 기후변화와 자동차 LCA

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2021-07-08 08:28:32

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기후변화 정부간 협의체 IPCC가 내세운 목표 즉 지구 온도 상승을 1.5도 이내로 유지하기 위해 많은 정부와 기업들이 탄소 중립(Carbon Neutral) 선언을 이어가고 있다. 다가오는 탄소 중립 시대에 대비하며 자동차 Life Cycle Assessment (LCA, 전과정평가)는 현재 어떤 위치에 있으며 탄소 저감에 어떤 역할을 할지, 그리고 그에 따라 어떻게 대비해야 할지 알아 보도록 하자.

자동차 LCA 개요
LCA에서 자동차의 전과정(Life cycle; cradle-to-grave)은 다른 제품들과 마찬가지로 원료 획득, 재료 생산, 부품과 차량 생산, 사용, 폐기 단계로 이루어진다<그림 1>. 그중에서 사용 단계를 Well-to-Wheel(WTW)라고도 하는데 이는 다시 Well-to-Pump(WTP) 즉, 원유, 정유, 주유까지 단계와 Pump-to-Wheels(PTW) 즉, 운행 단계로 나뉜다. 배터리 전기차나 연료전지 전기차는 운행 단계(PTW)에서 에너지는 소비하지만 배출가스가 없다. 그래서 이들의 사용중(WTW) 배출은 보통 연료생산(WTP) 과정에서만 나타난다.

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한편 사용 단계를 제외한 원료 획득부터 폐기까지를 자동차 사이클(Vehicle cycle)이라 부른다. LCA는 이들 모든 단계에서의 물질과 에너지 투입, 그리고 배출물을 종합하여 여러 환경영향 지표들 즉, 지구온난화, 부영양화, 산성화, 미세먼지 영향 등을 산정한다. 미국의 자동차 LCA는 1990년대 중반부터 본격적으로 시작되었다. 1999년에는 포드, GM, 크라이슬러의 공동 연구 협력체인 USAMP에서 재료 공급업체들과 함께 미국 평균적 중형차에 대한 LCA 프로젝트를 완료하면서 정점을 찍었다. 

그 이후의 LCA는 차량의 재료와 부품을 위주로 진행되는데, 특히 2000년대 초반부터 자동차 재료의 가장 큰 공급원인 철강과 알루미늄 업계가 치열한 LCA 경쟁을 벌인다. 알루미늄은 철강을 대체할 경우 부품의 무게를 약 40% 줄여 연비를 향상 시키고 운행 중 탄소 배출을 저감하는 효과가 있지만 원료 획득과 제련 과정에서 철보다 무게 당 4배 이상의 에너지가 소비된다. 철강업체는 이 점을 강조하며 고강도 철강이 알루미늄보다 환경에 도움이 된다는 입장이고 알루미늄 업계는 뛰어난 재활용성, 자동차 연비 향상, 그와 함께 수력 발전과 연계된 북미의 알루미늄 제련 과정이 탄소 배출을 줄여 결국은 자동차 전과정에서 탄소 저감 효과가 있다는 주장이다.

한편 1990년대 중반부터 미국 에너지부(Department of Energy)의 지원을 받아 아르곤 국립 연구소(ANL)는 자동차 사용, 즉 WTW 단계를 기반으로 한 GREET(Greenhous gas Emissions, Regulated Emissions, and Energy use in Technologies) 모델을 개발한다. 2003년부터는 환경부(EPA)에서 이를 공식적으로 재생 에너지 정책에 이용하기 시작한다. 사용 단계 에너지와 배출가스만 산정하던 GREET는 2006년에 이르러 재료와 자동차 제조 과정, 즉 자동차 사이클을 포함하여 온전한 LCA 모델의 형태를 갖춘다. 

GREET는 엑셀을 기반으로 하는 오픈 소스 모델이지만 100가지 이상의 연료에 대한 데이타를 제공한다. 많은 기업들은 이제 많은 시간과 노력이 필요한 자동차 LCA를 직접 수행하기 보다는 GREET 모델을 이용하거나 이를 변형해 사용한다. 유럽에서는 1990년대 중반부터 폭스바겐, 벤츠, BMW 등 독일 자동차 회사들을 중심으로 자사의 자동차와 그 부품들에 대한 LCA를 꾸준해 진행 해오고 있다. 유럽위원회(European Commission, EC) 산하 연구기관인 JRC는 2003년부터 유럽 평균 차량의 사용 단계 WTW 에너지와 탄소 배출 리포트를 발행하고 있으며 최근 버전 5가 나왔다. 최근 EC의 기후변화 대응부(DG-CLIMA)는 기후변화 정책에 LCA를 어떻게 이용할지 평가하기 위해 유럽의 평균적 자동차, 버스, 트럭에 대한 LCA를 수행하고 그 결과 리포트를 제출했다. 이는 EC가 향후 기후변화 규제에 LCA를 고려할 수 있다는 신호이다.

자동차 전과정 온실가스 비교
현재 자동차 LCA의 가장 중요한 지표는 지구 온난화, 즉 전과정 온실가스 배출인데 탄소 발자국(Carbon footprint) 이라고도 한다. 그 동안의 많은 LCA 연구는 내연기관 자동차의 경우 사용 단계에서, 80~90%의 에너지 사용과 온실가스 배출이 이루어진다는 것을 말해주고 있다. 하지만 연료가 다양해지고 전기차 수소차 등이 LCA에 포함되면서 양상은 점점 복잡해져간다. 예를 들어 에탄올의 경우 연료 생산과정, 즉 옥수수나 사탕수수 성장과정에서 탄소를 흡수하고 자동차 운행도중 배출함으로써 같은 에너지 당 전과정 온실가스 배출량이 화석연료보다 줄어든다.

<그림 2>는 GREET 모델을 중심으로 재구성한 미국 중형 세단의 전과정 온실가스 배출량을 나타낸다. 배터리 전기차와 수소 연료전지 전기차가 가장 낮은 킬로미터당 온실가스를 배출하고 85% 에탄올 차와 하이브리드차가 그 뒤를 따른다. 이처럼 전기차의 온실가스 배출량이 적은 이유 중 하나는 에너지 효율이다, 전기차의 근간인 모터의 전자기적 효율은 80~90%에 이르지만 내연기관 엔진의 열역학적 효율은 40% 정도에 머물러 있기 때문이다. 전기차들은 운행(PTW) 중에 에너지는 소비하지만 온실가스 배출은 없다. 대신에 연료생산(WTP) 즉, 전기와 수소의 생산 중에 온실가스가 배출 된다. <그림 2>에서 보듯 미국의 일반적인 전기나 수소 생산 방식을 이용할 경우 전기차들은 휘발유차에 비해 40~50% 온실가스 절감효과가 있으며 태양광이나 풍력 등 재생에너지로 전기와 수소를 생산할 경우 전과정에 걸쳐 80% 이상의 절감효과가 기대된다. 전기차와 수소차가 관심을 끄는 이유도 이런 잠재적인 가능성 때문이다.

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또 한가지 흥미로운 점은 전기차와 수소차의 경우 <그림 2>에서 보듯이 자동차 사이클, 즉 재료와 자동차 제조 과정에서 내연기관 자동차들보다 많은 온실가스를 배출한다는 것이다. 배터리 전기차의 경우 배터리 재료와 생산 과정, 그리고 연료전지 수소차의 경우 수소 저장 탱크에 들어가는 고강도 탄소 복합재료가 그 주된 원인이다. 자동차 업계와 부품 기업들은 이를 개선하기 위해 제조와 생산의 에너지 효율을 높이고 재생에너지를 이용하는 등의 노력을 기울이고 있다.

불확실성과 다양성
지금까지 LCA 연구들은 자동차 전과정의 평균적 영향을 산출하기 위한 많은 노력을 기울였지만 데이터의 불확실성(Uncertainty)은 여전히 곳곳에 존재한다. 자동차 제조 과정은 수만개의 부품과 수백가지의 재료 그리고 수천개의 공급사슬로 완성된다. 원유 외에도 세일석유(Shale oil)와 석유모래(Oil sand)가 대량으로 생산되며 연료의 생산 경로가 다양해졌다. 에탄올을 위주로 한 바이오 연료들은 연료 작물의 생산 방식이나 기후 조건에 따라 환경 영향이 달라진다.

최근 10년간 LCA에서 가장 논란이 되었던 불확실성의 주제는 바이오 연료로 기인한 간접적 토지 이용 변화(Indirect Land Use Change, ILUC)이다. 2008년도에 Searchinger 등이 저널 사이언스에서 미국의 옥수수에서 생산된 에탄올을 자동차 연료로 사용할 경우 화석연료보다 두배 많은 온실가스를 배출한다는 결과를 발표하자 학계와 정책 결정자들은 큰 혼란에 빠졌다.

 논문에 따르면 미국의 옥수수로부터 생산된 에탄올을 연료로 이용하면 식량과 사료용 옥수수 생산과 수출이 줄어 들고 이를 보충하기 위해 새로운 경작지가 조성되며 이는 지구상의 숲과 초원을 파괴하는 결과를 초래한다. 이런 변화는 나무와 식물에 갇혀 있는 탄소를 공기중으로 대량으로 배출해서 결과적으로 재생연료인 에탄올이 화석연료보다 오히려 많은 전과정 온실가스를 배출한다는 이론이다. 지난 10여년간 학계에서는 다양한 경제학 모델을 이용해 이를 검증했고 현재는 <그림 2>에서 보듯이 간접적 토지 이용 변화(ILUC)의 효과는 미미하고 에탄올차는 휘발유차에 비해 온실가스를 저감하는 것으로 결론이 모아지고 있다. 에탄올의 수요가 급격히 증가해서 식량이나 사료 작물 공급 부족이 일시적으로 오더라도 대체 작물들이 충분히 있고 또한 곡물 가격이 오르는 시장의 신호가 오면 토지당 생산량 증대(Intensification)로 이를 대응한다는 것을 농업 경제 시뮬레이션 모델들이 보여 주기 때문이다.

한편 불확실성보다 더욱 주목해야 할 LCA의 특성은 계산 방법과 기술적 환경적 조건의 다양성(Variability) 이다. 배터리 전기차를 예를 들어 보자. <그림 2>에서 보듯이 미국에서 배터리 전기차는 휘발유 차에 비해 전과정에서 평균 50%의 온실가스 저감 효과가 있다. 하지만 지역마다 다른 발전 방식의 배합과 기후에 민감한 전기차의 효율을 고려하면 차량 운행의 지리적 조건에 따라 다양한 결과가 나타난다.

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<그림 3>은 배터리 전기차와 휘발유차의 전과정 온실 가스의 지리적 위치에 따른 다양성을 미국의 행정구역인 카운티 별로 비교한 결과이다. 이 연구에 따르면 75%의 카운티에서 예상대로 배터리 전기차가 승자이지만 무려 10%의 카운티에서는 전기차가 휘발유차보다 많은 양의 전과정 온실가스를 배출한다. 미국서부와 로키산맥을 중심으로 한 지역은 재생에너지 즉, 태양광, 풍력, 수력의 비율이 높고 전기차에 유리한 기후조건이지만 중서부의 많은 카운티들이 석탄 발전에 의존하고 있고 또한 추운 겨울을 가지고 있어 전기차의 효율이 떨어지기 때문이다. 이렇듯 자동차 LCA 결과는 여러가지 조건에 따라 달라지는데 이러한 일반화의 위험성 때문에 정책이나 규제를 만들기가 복잡하고 어려워 진다.

또한 자동차의 재료 재활용에 따른 에너지와 배출 저감 계산 방법은 아직 논쟁중이다. LCA에서는 재활용에 따른 에너지 저감은 재료에 포함된 재활용 재료 비율(Recycled Content)을 기준으로(예를 들어 30%) 하거나, 또는 사용후(End-of-Life) 재활용 가능성을 기준으로(예를 들어 90%) 산정한다. GREET 모델을 중심으로 한 LCA 연구자들은 전자의 계산법을 이용하는 반면 금속 산업계는 후자를 이용해서 재활용의 이익을 높게 산정한다. 현재는 재활용에 따른 품질저하를 고려한 방법론도 이용된다. 이외에도 많은 요인들 예를 들어 자동차 수명 거리, 계산 범위, 데이타베이스 선택에 따라 자동차 LCA 결과는 약간씩 달라진다. 특정 이익을 대변하는 데이타와 접근 방식 또한 결과에 영항을 준다. ISO 14040 시리즈는 LCA의 체계를 규정하지만 이러한 세부 계산 방법에는 아직 합의된 표준이 없다.

규제와 전망
유럽위원회(EC)는 LCA를 바탕으로 한 자동차 탄소 배출 규제에 대해 가장 먼저 논의를 시작했다. EU 평균 승용차의 배출 기준 목표는 2021년 기준 2025년까지 15%, 2030년까지 37.5% 저감인데 제조사는 차의 무게를 고려해서 이를 지켜야한다. 여기에 LCA를 고려한 규제가 추가될지 주목된다. 산업계에서는 자동차 철강 연합체(WorldAutoSteel)가 LCA 규제를 찬성하는데 그 배경에는 알루미늄과 탄소 섬유 등 경량 재료들이 자동차에 점점 많이 이용되는 추세가 있다. 철강업계는 연비뿐만 아니라 재료생산시 영향, 즉 전과정을 고려해야 한다는 입장이다. 하지만 앞에서 말한 데이타와 결과의 다양성과 불확실성 때문에 LCA 규제는 생각만큼 속도를 내지는 못하고 있다. 앞에서 밝힌 바와 같이 최근 EC 산하 기후변화 대응부(DG-CLIMA)에서 자동차 LCA 보고서를 발행했는데 이 연구는 기후변화 대응에 있어 전기차의 역할이 중요하다는 점과 함께 결과의 다양성과 불확실성을 강조하고 있다.

EC는 일단 이러한 LCA 데이타와 방법론의 다양성이 이해 당사자 간에 합의가 가능한 수준인지 2023년까지 평가를 하기로 했다. 이를 바탕으로 어떤 형태의 LCA 규제를 법제화 할지 논의할 예정이다. 규제와 정책의 형식에 또한 다양한 가능성이 있다. 의무적이나 자발적 LCA를 생각할 수 있고, 또는 목표 수치를 의무화할 수 있다. 목표 달성시에는 인센티브를 주거나, 이와 달리 시장과 소비자의 평가에 맡기는 방법 등이 될 수도 있다.

한 가지 간과하지 말아야 할 점은 자동차 전체 LCA에 대한 규제가 어려움에도 불구하고 부품 단위의 LCA 규제는 생각보다 빨리 올 수 있다는 것이다. 현재 EC는 2024년부터 전기차 배터리를 포함한 충전 가능한 배터리의 탄소발자국 (Carbon footprint) 리포팅을 유럽시장에서 의무화하는 방안을 논의중에 있다. LCA 보고서 없이는 시장에서 퇴출당할 수도 있는 것이다. EC는 최근 새로운 성장 전략인 그린딜을 발표하고 2050년까지 탄소 중립을 이루겠다는 야심찬 계획을 밝혔다. LCA는 EC 그린딜의 중요한 실행 도구 중 하나인데 앞으로 어떤 정책들이 선보일지 주목된다.

탄소 중립과 LCA
기후변화에 대처하기 위해 국가 단위 뿐만 아니라 애플과 아마존같이 세계의 유수한 기업들이 탄소 중립을 선언하고 그 일정을 제시하고 있다. 그들은 무엇을 근거로 기업 전체의 온실 가스 배출을 산정하고 저감 계획을 세울까? 여기에 온실가스 프로토콜(Greenhouse Gas Protocol)이 이용된다. 이는 <표 1>에서 보듯이 기업에 연관된 온실가스를 분류하는 방법인데 직접 또는 간접 배출 그리고 제품의 공급사슬과 사용 중 배출을 모두 아울러 근본 접근 방법은 LCA와 같다고 할 수 있다.

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데이터가 준비된 기업들은 CDP(Carbon Disclosure Project)라는 비정부 기관(NGO)에 이 방법으로 자발적으로 자신의 탄소 배출량을 해마다 밝히고 있다. LCA와 다른 점이라면 LCA는 제품의 기능단위 예를 들어 자동차 운행 킬로미터 당 온실가스를 산정하지만, 이 방법에서는 기업 전체의 활동과 제품에 대한 일년 단위의 배출량을 산정한다. 당연히 LCA 데이터가 준비된 기업은 상대적으로 쉽게 대응할 수 있다. 이와 더불어 과학적 목표 전략(SBTI, Science Based Target Initiative) 이라는 CDP를 포함한 여러 민간 기관의 협력체가 기업의 탄소 중립 달성 방법과 로드맵을 제공하는데 여기에서도 LCA, 즉 제품의 전과정을 고려한다. 이렇듯 LCA를 기반으로 한 접근, LCT(Life Cycle Thinking)는 탄소 규제와 정책 전반에 걸쳐 이미 이용되고 있다.

LCA 또한 미래지향적이고 탄소 중립적인 주제로 나가고 있다. 많은 연구 기관에서 교통의 세가지 혁명이라 불리는, 공유, 전기, 자율(Shared, Electrified, Autonomous) 자동차에 대한 LCA를 수행하고 있다. 미래에는 이들 각각의 요소가 탄소 발자국을 줄여 나가면서 또한 함께 시너지 효과를 낼 수 있을 것으로 기대되고 있다.

지금까지 자동차 LCA의 과거, 현재, 미래에 대해 간략히 알아 보았다. 정부와 기업은 어떻게 LCA를 이용하는지도 논의해 보았다. LCA는 에너지와 물질의 흐름을 이해하는 데 매우 유용한 도구이지만 앞에서 보여준 바와 같이 완벽하게 과학적이지도 않고 적지않은 단점들도 지니고 있다. 그래서 탄소 중립 시대를 맞이하여 LCA에 노력을 기울여야 할 필요성이 더욱 더 강조된다. 표면으로 드러나지 않더라도 지속가능한(Sustainable) 사회와 탄소 중립의 로드맵에 LCA는 이미 녹아 들어 있다. 이를 이해하고 대비해야만 미래의 변화와 규제에 앞서 갈수 있다.

글 / 김형철 (포드자동차)
출처 / 오토저널 2021년 5월호 (http://www.ksae.org) 
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