온실가스

왜 배우는가: 온실가스는 기후변화협약·교토의정서와 냉매 규제(F-gas, HFC 대체)의 출발점이라 냉매·환경 문항의 기본 개념이다. 1교시 용어 문제와 4교시 논술 문제에서 반복해 묻는 만큼 정의, 종류, 배출원을 정확히 구분해 알아야 한다.

출제 이력: 제129회 1교시 4번, 제123회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

온실가스는 대기 중에서 지구가 방출하는 적외선(장파복사)을 흡수·재방출하여 지표 온도를 높이는 기체를 말한다.

• 온실효과(greenhouse effect)
• 복사강제력(radiative forcing)
• 지구온난화지수(GWP, Global Warming Potential)
• 교토의정서(Kyoto Protocol)
• 불화탄소(PFCs)·수소불화탄소(HFCs)
• 육불화황(SF₆)
• 기후변화협약(UNFCCC)

2. 개념 풀이

온실가스는 쉽게 말해 지구를 담요처럼 덮어 열이 우주로 빠져나가지 못하게 하는 기체다. 태양빛은 대기를 대부분 통과해 지표를 데우고, 지표는 그 열을 장파복사로 다시 내보낸다. 이 장파복사를 흡수했다가 다시 방출하는 기체가 온실가스다.

정식으로는 대기 중에서 장파복사를 흡수·재방출하는 기체 성분을 온실가스라 하며, 지구 대기의 온실효과는 이 기체들에 의해 지표 온도가 유지되는 현상이다. 근거에 따르면 지표는 약 4~100μm 파장 대역의 장파복사를 방출하며, 온실가스는 이 대역의 일부를 흡수한다.

복사강제력(radiative forcing)은 온실가스 등 외부 요인으로 생긴 대기 에너지 균형의 변화를 정량화한 값이다. 단위는 W/m²이며, 대류권계면과 성층권 꼭대기의 복사 수지 차이로 계산한다. 양(+)의 복사강제력은 대기가 받는 에너지가 빠져나가는 에너지보다 많아 온난화를 일으킨다는 뜻이다. IPCC는 1750년 대비 2019년의 인간 활동에 의한 복사강제력을 2.72 W/m² 로 요약했다.

지구온난화지수(GWP)는 같은 질량의 온실가스가 일정 기간 동안 나타내는 복사강제력을 이산화탄소 기준으로 상대 비교한 지수다. 온실가스별 수명과 복사 특성이 달라 같은 질량이라도 영향이 크게 다르다. 그래서 배출량은 보통 CO₂ 환산량(tCO₂eq)으로 합산한다.

온실효과 자체는 자연 현상이다. 근거에 따르면 수증기, 이산화탄소, 오존, 메탄, 아산화질소 등 자연 상태의 온실가스가 수십억 년 동안 지구 기온을 생명이 살 수 있는 수준으로 유지해 왔다. 문제는 인간 활동으로 이 기체들의 농도가 늘어나 온실효과가 강화된다는 점이다.

3. 등장 배경과 필요성

산업혁명 이후 화석연료 연소, 삼림 벌채, 토지 이용 변화로 대기 중 이산화탄소 농도가 크게 증가했다. 근거에 따르면 인간 활동으로 대기 중 CO₂ 농도는 산업혁명 이후 약 1/3 가량 늘었다. 온실가스는 대기에 수십 년에서 수백 년 머무르므로 배출을 줄여도 기온 상승이 즉시 멈추지 않는다는 장기적 문제를 낳는다.

이에 국제사회는 1992년 기후변화협약(UNFCCC)을 채택해 온실가스 농도를 위험한 기후 간섭을 막는 수준으로 안정화하기로 합의했다. 이 협약의 실행 수단으로 1997년 교토의정서가 마련됐다. 교토의정서는 CO₂, CH₄, N₂O, HFCs, PFCs, SF₆의 6종을 감축 대상으로 정했고, 이후 NF₃가 추가됐다. 선진국에 법적 구속력 있는 감축 의무를 부과했으며, 기준년도는 1990년이다.

그러나 참여 구도에 한계가 있었다. 미국은 2001년 탈퇴를 선언했고(서명만 하고 비준하지 않은 상태), 캐나다는 2011년 12월 12일 탈퇴를 선언했다. 이후 일본과 러시아가 빠지면서 전체 온실가스의 약 15%만 차지하는 국가들이 참여하는 상태가 됐다. 이런 배경에서 온실가스 감축은 냉매 규제(HFC 등 F-gas 규제)와 에너지 효율 개선으로 이어지는 공조냉동 분야의 핵심 과제가 되었다.

4. 구성요소·원리·절차

온실가스(Greenhouse Gas, GHG)는 지표에서 나온 장파 복사(적외선)를 흡수했다가 다시 방출하는 기체다. 대기 중 비율은 작지만 지구 평균 기온을 일정하게 유지하는 핵심 구성요소다. 교토의정서 원안의 6종은 이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 수소불화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs), 육불화황(SF₆)이다.

온실효과는 대기 중 온실가스가 지표의 장파 복사를 흡수·재방사해 지표 온도를 높이는 현상이다.

표에서 보듯 PFCs·SF₆·HFCs는 배출량은 적어도 GWP가 높아 대기 중 누적 효과가 크다. 냉매를 다루는 공조냉동 분야에서는 HFCs 누설 관리가 직접 관련된다.

복사 평형은 지구가 받는 태양 에너지와 우주로 내보내는 장파 에너지가 같아지는 상태다. 온실가스가 늘면 방출 경로가 막혀 지표에 에너지가 쌓이고, 이 불균형의 크기를 복사강제력(Radiative Forcing)으로 나타낸다. 복사강제력은 W/m²로 표시하며, 양의 값은 온난화, 음의 값은 냉각 효과를 뜻한다. IPCC는 1750년 대비 2019년 인간 활동에 의한 복사강제력을 2.72 W/m²로 평가했다.

원리의 절차는 다음과 같다.

• 태양 단파 복사가 대기를 통과해 지표에 도달한다.
• 지표가 가열되어 장파 복사(적외선)를 방출한다.
• 온실가스가 장파 복사의 특정 파장대를 흡수한다.
• 흡수된 에너지가 대기에서 재방사되어 지표 쪽으로 하향 복사가 늘어난다.
• 지표 온도가 올라가 새로운 복사 평형에 도달한다.

온실가스의 상대적 영향은 지구온난화지수(GWP)로 비교한다. GWP는 같은 질량의 CO₂ 대비 기체의 누적 복사 영향을 적분하여 구하며, 보통 100년 기준을 쓴다.

$\mathrm{GWP}_i=\frac{\int_0^{100} a_i\,c_i(t)\,dt}{\int_0^{100} a_{\mathrm{CO_2}}\,c_{\mathrm{CO_2}}(t)\,dt}$

여기서 a_i는 단위 질량당 복사 효율(W/m²·kg⁻¹), c_i(t)는 배출 후 시간 t에 남아 있는 질량비이며, 분모는 CO₂에 대한 같은 값이다. 따라서 CO₂ 환산량은 배출량(kg)에 GWP를 곱해 구한다. 예를 들어 CH₄ 10kg 배출은 100년 기준 CO₂ 250kg(=10kg × 25)에 해당한다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 온실가스 관리는 기본법과 배출권 제도 법령이 기준이다. 주요 법령은 다음과 같다.

• 「저탄소 녹색성장 기본법」: 온실가스 감축 목표와 관리의 기본 틀을 정한다.
• 「온실가스 배출권의 할당 및 거래에 관한 법률」: 배출권 할당·거래제(배출권거래제)를 규정한다.
• 「기후위기 대응을 위한 탄소중립·녹색성장 기본법」: 탄소중립 목표와 중장기 감축 계획의 근거다.

국제 기준은 UNFCCC(기후변화협약)와 교토의정서다. 교토의정서는 1997년 채택, 2005년 발효되었으며 부속서 I 선진국에 법적 감축 의무를 부과했다. 도하 개정으로 NF₃가 제2공약기간 대상에 추가되었다. 감축 기준값과 GWP 값을 정리하면 다음과 같다.

위 표의 GWP 값은 AR4 기준이다. 후속 평가보고서에서 값이 갱신되었으므로 인벤토리 작성 시 적용 보고서를 함께 표기한다. 교토의정서 감축률과 국내 감축 목표는 협상 결과에 따라 달라지므로 시험에서는 기준 문서 이름과 함께 답한다.