LCA에 기반한 전기차의 발전원별 환경효과 분석 = Analysis on environmental effects of electric vehicles for Korea electricity mix based on LCA

국문 초록 (Abstract)

2017년 9월, 정부는 「미세먼지관리 종합대책」을 발표하고 2022년까지 친환경자동차(이하, 친환경차) 누적 200만 대 보급을 목표로 설정하였다. 그중 국내 전기자동차(이하, 전기차) 시장은 2017년 6월 기준 1만 5,247대가 보급되어 아직 초기단계로 볼 수 있다. 내연기관차 판매를 억제하고 친환경차 보급을 활성화하는 세계적인 흐름에 발맞추어 우리나라에서도 전기차 시장을 활성화하기 위해 보조금 지원, 충전인프라 구축 등의 정책을 펼치고 있다. 이러한 흐름 속에서 전기차 보급이 증가할 것으로 전망됨에 따라 전원믹스 변화의 중요성이 높아지고 있다.
현재 우리나라에서는 석탄화력발전과 원자력발전(이하, 원전) 위주로 발전이 이루어지고 있으나, 『제8차 전력수급기본계획』에 의하면 2030년에는 원전과 석탄화력발전의 비중을 줄이고 신재생에너지의 비중을 20%까지 늘릴 예정이다. 이에 전원믹스 변화에 따른 전기차의 환경영향 분석이 필요하다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 전기차 보급 전망과 전원믹스 변화에 따른 환경영향 특성화 단계의 전과정평가(LCA: Life Cycle Assessment)를 원료 추출부터 운행(WTW: Well to Wheel, 이하, WTW) 관점에서 시행하였다. 또한 내연기관차 대비 전기차의 환경영향을 분석하고, 미래 전기차 보급에 따른 환경효과를 전망하였다. 이때 비교 대상 내연기관차는 국내 보급률이 가장 높은 휘발유차로 하되, 국내 전기차와 유사한 경차 및 중소형차로 설정하였다.
국내 전기차에 대한 선행연구에 따르면, 국내에 보급된 전기차의 90%가 순수 전기차이고 나머지는 플러그인 하이브리드 차량(PHEV)으로 나타났다. 전기차의 연비를 조사한 결과 순수 전기차의 공식 연비는 5.57km/kWh, PHEV의 공식연비는 5.43km/kWh였으며, 체감 연비는 이보다 조금 높은 것으로 나타났다. 전과정평가의 선행연구 결과에 따르면, 대부분의 전기차가 휘발유차보다 환경성이 뛰어났으나 전원믹스에 따라 큰 차이를 보였다. 석탄화력발전, 석유발전 등 화석연료 발전비중이 높을수록 전기차의 오염물질 배출량은 전과정에 걸쳐 휘발유차와 비슷한 수준으로 나타났다.
본 연구에서는 전기차의 전과정평가를 수행하기 위해 환경성적표지제도 전용 LCA 소프트웨어인 TOTAL 5.0을 사용하였다. 차량연료 및 발전원별 인벤토리에는 국가 Life Cycle Inventory(LCI) 데이터베이스를 활용하였다. 또한 전기차와 내연기관차의 환경효과를 비교하기 위해 휘발유차의 전과정평가를 수행하였으며, 이를 위해 국가 LCI 데이터베이스의 휘발유 생산 인벤토리를 사용하였다. 휘발유차의 주행단계에서 발생하는 오염물질 배출량을 산정에는 환경성적표지와 「자동차 총 오염물질 배출량 산정방법에 관한 규정」의 배출계수를 사용하였다. 그리고 주행 시 타이어 마모 등에 의해 배출되는 미세먼지(PM: Particulate Matter, PM 10, PM 2.5 등, 이하, PM)의 배출계수로는 GREET의 자료를 활용하였다. 환경영향범주는 산업통상자원부에서 제공하는 8가지 범주를 대상으로 하였으며 그중 지구온난화, 자원고갈, 산성화에 중점을 두었다.
분석 결과 지구온난화 범주에서는 유연탄화력발전 전기차의 환경영향이 가장 컸으며, 휘발유차, 2017년 전원믹스(이하, 2017 전원믹스) 순으로 나타났다. 유연탄화력발전의 환경영향이 가장 크게 나타난 원인은 전기생산단계에서 대기 중으로 배출되는 CO₂ 때문인 것으로 보이며, 휘발유차의 경우에는 연료생산 단계 보다는 차량주행 단계에서 배출하는 배기가스가 원인인 것으로 분석된다.
자원고갈에 대한 평가 결과는 휘발유차가 가장 높게 나타났는데 연료생산 단계에서의 원유 채취가 원인인 것으로 판단된다. 산성화의 경우에는 유연탄화력발전의 환경영향이 가장 컸으며 2017 전원믹스와 2030 전원믹스의 순으로 나타났다. 유연탄화력발전의 환경영향이 가장 크게 나온 데는 발전 시 대기 중으로 배출되는 SOx와 NOx가 영향을 미친 것으로 보이며, 유연탄화력발전량이 전원믹스에서 큰 비중을 차지하는 만큼 2017 전원믹스와 2030 전원믹스의 결과도 크게 나타난 것으로 보인다. 차량주행단계에서 발생하는 PM은 전기생산단계에서 발생하는 양에 비해 매우 적은 것으로 나타났다.
8가지 환경영향범주의 특성화 결과를 종합적으로 평가한 결과, 전원믹스 변화에 따라 2030년에는 2017년에 비해 환경영향이 감소하는 것으로 나타났다. 이처럼 많은 환경영향 범주에서 유연탄화력발전의 영향이 가장 크게 나타난 것을 볼 때, 앞으로 석탄화력발전 비중을 줄이고 신재생에너지 발전량을 늘릴 필요가 있다.
8가지 환경영향범주의 가중화를 평가한 결과, 2017 전원믹스로 전기를 생산했을 때 전기차의 환경영향은 가중화 결과는 1.43E-05 포인트로 휘발유차 가중화 결과인 2.06E-05 포인트의 약 70% 수준으로 나타났다. 2017 전원믹스로 전기생산 시 전기차의 가중화 결과에서 가장 영향력이 큰 것은 지구온난화 영향으로 가중화 결과의 41%를 차지하는 것으로 나타났으며, 자원고갈 영향은 9.3%를 차지하는 것으로 나타났다. 한편 환경영향범주별 분석에서 산성화 영향은 전기차가 휘발유차를 상회하는 것으로 나타났으나, 전기차 전체 가중화 영향의 1% 정도에 그치는 것으로 분석되었다. 따라서 전기차의 전체 환경영향을 개선하기 위해서는 전기차 환경영향에 큰 비중을 차지하는 지구온난화 등에 영향을 미치는 주요 요인을 먼저 개선해 나갈 필요가 있다. 가중화 관점에서도 화석연료 등을 활용한 화력발전 등은 점진적으로 줄이고 신재생에너지로 전환할 필요가 있다.
본 연구의 데이터를 기반으로 휘발유차와 전기차에서 발생하는 미세먼지의 환경영향을 분석한 결과(표 1 참조), 휘발유차는 전체 미세먼지 배출량 3.181g/km 중에서 3.167g/km(99.6%)를 연료생산단계에서 배출하였다. 발전원별 전기차의 미세먼지 배출량을 산정한 결과, 총 미세먼지 배출량은 유연탄화력발전으로 전기를 생산하였을 때 0.13g/km로 가장 크게 나타났으며 전기생산단계에서 전체의 89%(0.115g/km를 배출하였다. 2017 전원믹스의 경우 미세먼지 배출량은 총 0.117g/km로 휘발유차의 3.7%의 수준으로 나타났다.
본 연구 결과를 바탕으로 전기차의 보급 증가로 인한 환경영향을 분석하기 위해 전기차 보급 및 휘발유차의 대체효과(상쇄효과)로 인한 온실가스 배출량 변화를 산정하였다. 차량제조 및 폐기 단계에서 전기차는 휘발유차보다 온실가스를 3.16g/km 더 배출하였고, 전기차 보급 증가로 발전량의 0.003%가 증가할 때 이로 인해 온실가스를 0.0029g/km 더 배출하는 것으로 나타났다. 그러나 전기차 보급으로 인해 휘발유차가 전기차로 대체되면서 저감되는 온실가스 양은 61.7g/km이었다. 결과적으로, 전기차 보급 증가로 인해 총 58.54g/km의 온실가스가 저감되는 것으로 나타났으며, 1대당 12만 km 주행을 기준으로 2030년 전기차 100만 대 보급 목표를 적용하면 전기차 보급으로 인해 저감되는 온실가스양은 7,024천 톤으로 나타났다.
발전 원단위 온실가스에 대한 결과를 선행연구와 비교한 결과(표 3 참조), 본 연구에서 사용한 인벤토리는 국내 발전시설의 자료를 반영하므로 일부 차이를 보이나 국외 사례(GREET: The Greenhouse Gases, Regulated Emissions, and Energy Use in Transportation Model, 미국)와 유사한 수준으로 보인다. 본 연구의 원전과 태양광 발전의 온실가스 배출량이 선행연구와 차이가 나는 이유는 발전시설 건설 영향을 반영하였기 때문이다. GREET와 산업통상자원부 사례에서는 건설부문의 영향을 포함하지 않은 반면, 본 연구에서는 발전시설의 건설 영향까지 모두 포함하였다.
전기차의 온실가스에 관한 선행연구(일본 사례)와 비교한 결과(표 4 참조), 본 연구의 발전원별 원단위가 발전시설 건설 단계 영향까지 포함함에도 불구하고 전기차 1km 주행 시 온실가스 배출량이 일본 사례보다 작은 것으로 분석되었다.
『제8차 전력수급기본계획』에서는 2030년 전원믹스의 석탄화력발전량 비중을 36.1%로 줄이는 것을 목표로 설정하였다. 이는 현재 화력발전비중 45.3%에 비하면 큰 폭으로 줄어든 것이나, 발전량에서는 여전히 가장 높은 비중을 차지하므로 친환경적인 전원믹스로 전환하려는 노력이 더욱더 필요하다. 또한 관계부처 합동 『미세먼지관리 종합대책』에 따르면 간접배출에 의한 미세먼지가 전체의 72%를 차지하는 만큼, 차량 주행단계에서 배출되는 미세먼지뿐만 아니라 발전단계에서의 미세먼지 간접배출의 원인인 NOx 및 SOx 배출량에 대한 저감대책 또한 필요하다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In September 2017, the Korean government announced its New Comprehensive Plan on Fine Dust, which set the goal of seeing an accumulated two million eco-friendly vehicles on the road by 2022. Korea’s domestic market for electric cars is still in its infancy, with 15,247 units distributed so far as of June 2017. In keeping with the global trend of suppressing the sales of internal combustion vehicles and promoting the use of eco-friendly cars, Korea has also been implementing policies for strengthening its electric car market through subsidies and building necessary infrastructure such as electric car charging stations. Furthermore, as it is expected that electric vehicles will become more common in the future, more attention is being given to the changes in the electricity mix.
In Korea, coal-fired power generation and nuclear power generation are the primary sources of power. However, according to the country’s 8th Basic Plan for Electricity Supply and Demand, by 2030, Korea will be reducing its dependency on nuclear and coal-fired power plants to increase the ratio of new renewable energy to 20%. This goal to change the electricity mix makes it necessary to assess how such changes will affect the environmental impact of electric vehicles, which are expected to increase in number. This study, therefore, conducts the life cycle assessment of the environmental impact of electric vehicles from the viewpoint of Well to Wheel (WTW) based on the forecasts on electric car supply and the changes in the electricity mix. Also, we analyzed environmental impact of electronic vehicle compared with gasoline vehicle. Then we were confined to small gasoline cars as a comparison.
According to the previous studies on Korea’s domestic electric vehicles, 90% of the electric cars distributed so far were pure-electric vehicles, and the rest were plug-in hybrid vehicles (PHEV). The official fuel efficiency of pure-electric vehicles is 5.57km/kWh while that of PHEV is 5.43km/kWh, although the perceived fuel efficiencies are slightly higher. According to the life cycle assessments in existing literature, most electric vehicles are more environmentally friendly than internal combustion vehicles, but their specific environmental assessments differed greatly depending on the electricity mix. When the proportion of fossil fuel-based power generation such as coal-fired and petroleum power generation is higher, the level of pollutants emitted by electric vehicles during their life cycle was found to become similar to that of internal combustion vehicles.
In this study, TOTAL 5.0, the life cycle assessment software specifically designed for the environmental product declaration system, was used to evaluate the life cycle of electric vehicles. The inventories of fuels used by the vehicles and the energy sources were taken from on the national LCI database. Also, for comparison, the life cycle of gasoline vehicles were assessed using the petroleum production inventory of the national LCI database, and the amount of pollutants emitted while driving was estimated using the emission coefficient of the environmental product declaration and the Regulation on the Method for Calculating the Total Pollutant Emissions of Vehicles. The emission coefficient for calculating the particulate matter (PM 10, PM 2.5, etc., hereafter PM) produced by tire wear during driving was based on the GREET data. The environmental impact categories reviewed in this study covered the eight categories provided by the Ministry of Trade, Industry and Energy (MOTIE), with a focus on global warming, resource depletion, and acidification.
Analysis results showed that in the global warming category, electronic vehicles of bituminous coal-fired thermal power generation had the largest environmental impact, followed by gasoline vehicles and the electricity mix in 2017 (hereafter 2017 electricity mix). The large environmental impact of bituminous coal-fired thermal power generation was attributed to the CO₂ emitted to the atmosphere during the electricity production stage. On the other hand, the cause of the high environmental impact of gasoline vehicles was found in the exhaust gas emitted from the vehicles during driving rather than the fuel production stage.
The impact on resource depletion was found to be the highest for internal combustion vehicles, which can be attributed to the extraction of crude oil during the fuel production stage. In the case of acidification, the environmental impact of bituminous coal-fired thermal power generation was again the largest, followed by the 2017 electricity mix and the 2030 electricity mix. Here, the significant environmental impact of bituminous coal-fired power generation seems to be caused by the emission of SOx and NOx into the atmosphere during the power generation stage, and it was the high dependency on bituminous coal-fired thermal power generation that led to be high environmental impacts of the 2017 and 2030 electricity mixes. Another notable finding was that the amount of PM generated during driving was very small compared to the amount created during the power generation stage.
Assessment of the weighted impact of the eight environmental impact categories showed that the changes in the electricity mix would reduce the environmental impact in 2030 compared to 2017. Considering that bituminous coal-fired thermal power generation is the critical cause of degradation in many environmental impact categories, it is vital to reduce the proportion of coal-fired power generation and increase the amount of new renewable energy generation in the future.
The results of the analysis on the environmental impact of the PM produced from internal combustion and electric vehicles based on our data (Table 1) revealed a gasoline vehicle creates a total of 3.181 g/km of PM, among which 3..181 g/km of PM, among which 3.167 g/km (99.6%) is emitted during the fuel production stage. Meanwhile, the amount of PM produced by the electricity production stage was found to be greatest when the energy source used is 100% bituminous coal-fired thermal power, in which case 0.13 g/km of PM is produced in total, and 89% (0.115 g/km) of the PM is emitted during the power generation stage. When the energy source is the 2017 electricity mix, the total PM produced by an electric vehicle is 0.117 g/km, which is only 3.7% of that by an internal combustion engine.
The environmental impact caused by increasing of electronic cars and replacing gasoline cars with electric vehicles, using the changes in greenhouse gas (GHG) emissions as the indicator. Electric vehicles were found to emit 3.18 g/km of GHGs more than gasoline vehicles during the vehicle manufacturing and disposal stages. Also, assuming that the increase in electric vehicles will necessitate a 0.003% increase in electric power generation, this additional power generation will produce 0.0029 g/km of GHGs. When taken together, it became possible to predict a 61.7 g reduction in GHG emissions. This translates to a decrease of 7,024,452 tons of GHG emissions if one million electric vehicles are distributed and put into use by 2030, assuming 120,000 km of driving per each electric vehicle.
The measurements of greenhouse gas (GHG) emissions by energy source conducted in this study were compared to the results of previous studies (Table 3). There are some discrepancies between the results as the inventory used in this study reflects the data of domestic power generation facilities while those of previous studies are based on foreign cases (GREET, The Greenhouse Gases, Regulated Emissions, and Energy Use in Transportation Model of the United States), however, the levels of GHG emissions were largely similar. The GHG emissions of nuclear power plants and solar power generation measured in this study differ from those of previous studies because the present study takes into account the environmental impact during the construction of power generation facilities, while the GREET and MOTIE studies do not include the impact of the construction factor.
The GHG emissions of electric vehicles by energy source calculated by this study was compared with the findings of a previous study on Japan’s case (Table 4). The comparison showed that despite this study’s inclusion of the impacts during the facility construction stage, the GHG emissions from a 1km-drive were found to be lower than the case of Japan.
The 8th Basic Plan for Electricity Supply and Demand aims to reduce the share of coal-fired power generation in the electricity mix by 2030 to 36.1%. This is a significant decrease compared to the current share of thermal power generation (45.3%), but the 2030 target still places the highest dependency on thermal power generation. Thus, greater efforts are required to make the shift to a more environmentally-friendly electricity mix. Also, since the PM from indirect emission accounts for 72% of the total amount of PM generated, additional measures should be implemented to reduce the environmental impact of acidification at the power generation stage.