온실가스·GWP·TOE

왜 배우는가: 온실가스와 지구온난화지수(GWP), 석유환산톤(TOE)은 기후변화 대응, 온실가스 배출량 산정, 에너지 원단위 비교의 공통 척도로 쓰인다. 건축기계설비 분야에서는 건물 에너지 소비와 탄소 배출을 같은 단위로 환산해 설계·평가하므로 실무 필수 개념이다. 기술사 시험에서는 용어 정의와 교토의정서 대상 가스가 반복 출제된다.

출제 이력: 제98회 1교시 1번, 제94회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 온실가스는 대기 중에서 지구가 방출하는 적외선(장파복사)을 흡수·재방출해 지표 온도를 높이는 기체를 말한다.

핵심 키워드

• 온실가스(GHG, Greenhouse Gas)
• 지구온난화지수(GWP, Global Warming Potential)
• 이산화탄소 환산량(CO2e)
• 교토의정서(Kyoto Protocol)
• 석유환산톤(TOE, Ton of Oil Equivalent)
• 온실효과(Greenhouse Effect)
• 부속서 A 온실가스(Annex A)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 온실가스는 지구가 내보내는 열을 붙잡아 두는 기체다. 지구 표면은 태양 복사열을 받아 데워지고, 그 열의 일부는 적외선 형태로 우주로 빠져나간다. 온실가스는 이 적외선을 흡수했다가 다시 방출하므로 열이 대기 안에 머문다. 정식으로는 대기 중의 장파복사 흐름을 막아 지구 에너지 수지에 영향을 주는 기체를 온실가스라 한다. 두 가지 이상의 원자로 이루어진 분자 기체가 대체로 이에 해당하며, 일산화탄소(CO)처럼 대기 잔류 수명이 매우 짧아 온실효과에 거의 기여하지 않는 기체는 온실가스로 다루지 않는다.

지구온난화지수(GWP)는 온실가스마다 기여도가 달라서 필요한 척도다. 같은 질량이라도 가스마다 열을 가두는 정도가 다르므로, 이산화탄소를 기준(1)으로 놓고 각 가스가 같은 질량에서 지구온난화에 미치는 영향을 수치로 나타낸다. 이 값으로 가스 배출량을 CO2 톤(CO2e) 단위로 환산해 합산한다. 지구온난화지수는 보통 100년 적분 기간을 기준으로 정한다.

교토의정서(Kyoto Protocol)는 1997년 12월 11일 일본 교토에서 채택되어 2005년 2월 16일 발효된 기후변화협약(UNFCCC)의 수정안이다. 이 의정서는 부속서 A에 규정된 온실가스의 배출 감축 목표를 정한다. 부속서 A 가스는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 수소불화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs), 육불화황(SF6)이며, 이후 삼불화질소(NF3)가 추가되었다.

석유환산톤(TOE)은 에너지의 양을 석유 기준으로 나타내는 단위다. 원유 1톤을 연소할 때 나오는 에너지를 1TOE로 정한다. 석유, 전기, 가스, 열 등 서로 다른 에너지원을 같은 단위로 합산·비교할 때 쓴다. 정의값은 기준에 따라 약간 다르며, 일반적으로 석유 1톤 발열량을 기준으로 본다.

3. 등장 배경과 필요성

산업화 이후 화석연료 사용이 늘면서 대기 중 온실가스 농도가 높아졌고, 이에 따른 지구 평균기온 상승이 국제적 문제가 되었다. 온실효과 자체는 자연 현상이지만, 인위적 배출이 자연 온실효과를 강화하는 것이 문제다. 이를 강화된 온실효과(enhanced greenhouse effect)라고도 부른다.

이에 1992년 기후변화협약(UNFCCC)이 체결되어 대기 중 온실가스 농도를 위험한 인위적 간섭 수준 이하로 안정시키는 목표를 세웠다. 교토의정서는 이 목표를 실행하기 위해 선진국의 감축 의무를 법적 구속력 있는 수치로 정한 것이다. 서로 다른 가스를 같은 기준으로 비교하려면 지구온난화지수가 필요했고, 같은 이유로 에너지를 같은 단위로 비교하려면 석유환산톤이 필요했다.

건축기계설비 분야에서는 냉매 누출, 냉난방 에너지 사용, 건물 운영 에너지가 모두 온실가스 배출로 이어진다. 그래서 설비 설계 단계에서 에너지 사용량을 TOE로 환산하고, 냉매를 GWP 기준으로 선택해 배출량을 줄이는 것이 중요하다.

4. 구성요소·원리·절차

온실가스는 대기 중에서 지표가 내보내는 적외선 복사를 흡수해 지구 표면 온도를 높이는 기체다. 두 개 이상의 서로 다른 원자가 결합한 기체 중 대기 체류 기간이 길어 온실효과에 영향을 주는 기체가 여기에 해당한다. 교토의정서 부속서 A의 대상 가스는 처음에는 여섯 종류였고, 도하 개정으로 삼불화질소(NF3)가 추가되어 현재는 일곱 종류로 본다.

위 표는 가스별 온난화 기여도를 IPCC 제2차 평가보고서 기준 GWP로 정리한 것이다. 온실가스 종류마다 대기 중 체류 기간과 복사 흡수 능력이 달라서 한 가지 기준으로 환산해야 합계를 낼 수 있다.

지구온난화지수(GWP)는 같은 질량의 가스가 일정 기간(보통 100년) 동안 가하는 복사강제력을 이산화탄소에 대한 비율로 나타낸 값이다. 따라서 가스별 배출량에 GWP를 곱한 뒤 더하면 이산화탄소 환산량(CO2eq)이 된다.

$CO_2\,eq = \sum_{i} E_i \times GWP_i$

여기서 E_i는 가스 i의 배출량(t), GWP_i는 가스 i의 지구온난화지수(무차원)다. 예를 들어 메탄 1t은 1 \times 21 = 21t의 CO2eq에 해당한다.

석유환산톤(TOE)은 에너지 양을 석유 기준으로 통일하는 단위다. 석유 1톤이 연소할 때 나오는 에너지를 기준으로 하며, 1TOE는 10^7kcal에 해당한다. 전력, 가스, 연료를 같은 척도로 비교할 때 쓴다.

온실가스 배출량 산정 절차는 다음과 같다.

• 배출원을 연소·공정·탈루 등으로 분류하고 가스 종류를 정한다.
• 연료 사용량, 생산량 같은 활동자료를 수집한다.
• 배출계수를 곱해 가스별 배출량 E_i를 구한다.
• 가스별 GWP를 곱해 CO2eq로 환산하고 모두 합산한다.

5. 관련 법령·기준·표준

온실가스 규제의 국제 기준은 기후변화협약과 교토의정서다. 교토의정서는 1997년 12월 11일 일본 교토에서 채택되었고 2005년 2월 16일 발효되었다. 국내 온실가스 배출량 산정은 가스별 GWP를 적용해 CO2 톤 단위로 환산하는 방식을 따른다.

위 표의 GWP 값은 평가보고서 버전이 바뀌면 재산정된다. 같은 가스라도 적용 버전에 따라 수치가 달라지므로 보고서 기준을 함께 적는다. 교토의정서 대상 가스는 도하 개정으로 NF3가 추가되어 제2차 공약기간부터 적용되었다. 석유환산톤은 국가 에너지 통계와 에너지 수급 자료에서 공통 단위로 쓰인다.

GWP 값은 법령 조문으로 정해지는 값이 아니라 IPCC 평가보고서가 기준이다. 따라서 답안에는 값과 함께 평가보고서 이름을 적는다.

6. 유형과 비교

온실가스·GWP·TOE는 서로 다른 목적의 지표다. 온실가스는 물질의 종류, GWP는 온실가스별 기여도 환산 지수, TOE는 에너지량의 단위다. 세 개념을 섞어 쓰면 배출량 산정에서 단위가 틀어진다.