온실가스 배출량 산정에 대한 국제적 지침인 “IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories”에 따른 온실가스 배출량 산정식은 (1)과 같다.

즉, 온실가스 배출의 원인이 되는 활동자료 (AD, Activity Data)에 각 활동자료의 단위 온실가스 배출량 (EF, Emission Factor)을 반영하여 온실가스 배출량을 산정하는 것이다.

따라서, 각 인자에 적용되는 값의 정확도에 따라 배출 총량의 정확도가 결정된다고 할 수 있다. IPCC 지침에서는 각 인자를 Tier1부터 Tier3까지 구분하고 있으며, 적용 Tier가 높을수록 정확도가 높은 것으로 평가하고 있다. 예를들면 Tier1은 IEA 및 IPCC 등과 같은 국제기구에서 제공하는 값을 적용하고, 해당국가의 평균값을 적용하는 경우를 Tier2로 해당 사업장의 고유값을 적용하는 방식을 Tier3로 정하고 있다. 아울러, IPCC 지침에서는 데이터 수집 및 배출계수 산정과정에서의 품질관리 (QA/QC) 필요성 및 배출량 산정결과에 대한 불확도 (Uncertainty) 평가로 참값 (Real Emission)과의 차이를 분석하도록 하고 있다. 이러한 개념에 따라 IPCC 2006 지침에서 제시하고 있는 폐기물 소각시설 CO₂ 배출량 산정식은 아래 (2)와 같다.

여기서,

CO₂ 배출량 = 연간 CO₂ 배출량, Gg/yr
MSW = 소각되는 고형폐기물 총량, Gg/yr
WF_j = MSW 내 구성 성분 j의 폐기물 유형/물질의 비율 (∑WF_j=1)
dm_j = 소각되는 MSW의 구성 성분 j 중 건조 물질 함량, (비율)
CF_j = 구성 성분 j의 건조 물질 (예: 탄소 함량) 내 탄소 분율
FCF_j = 구성 성분 j의 탄소 총량 중 화석 탄소 분율
OF_j = 산화계수, (비율)
44/12 = 탄소에 대한 이산화탄소 변환 계수

위 식에서 보듯이 폐기물 소각시설의 경우 다양한 폐기물 성상 (j)들이 연소과정에서 CO₂가 배출되고 동 배출되는 CO₂의 양 중에서 화석탄소에 기인하는 CO₂를 분류하여야 한다. 따라서, 계산식의 경우 폐기물의 각 성상별 비율 (WF_j), 건조무게 (dm_j), 탄소함량 (CF_j) 그리고 화석탄소함량 분율 (FCF_j)과 같은 다양한 인자의 도출이 필요하다. 결과적으로 단일연료 및 원료에 대한 CO₂ 배출량 산정과정과 비교 매우 복잡하고 높은 불확실성을 갖는다.

이러한 이유로 IPCC 2006 지침에서는 폐기물 소각시설의 경우 연속측정 (CEMS, Continuous Emission Monitoring System)을 통한 배출량 산정을 권고하고 있다. 특히, 온실가스 배출권 탄소시장과 연계되어 있는 배출권거래제의 경우 배출량이 화폐와 거래되므로 정확도를 높여야 하기 때문에 연속측정 적용의 필요성을 강조하고 있다. 다만 배출 가스량을 직접 측정하는 경우 대상가스의 농도와 유량으로 배출량이 산정되므로 배출가스의 배출속도 (flow rate), 압력, 온도, 수분량 (water vapour content) 등이 측정에 포함되어야 하고, 정기적인 정도검사를 위한 QA/QC가 필요하다고 IPCC 지침에서는 규정하고 있다.

현재, 국내 폐기물 소각시설의 온실가스 배출량은 계산법에 의해 산정되고 있다. 이 경우 소각되는 폐기물의 성상분석, 성상별 건조무게, 성상별 탄소함량 등을 고려하여 CO₂ 배출량을 산정하고 있다. 하지만 산정과정에서 적용되는 인자 (Emission Factor)의 대부분은 IPCC에서 제공하는 기본값 (Default Factor)을 이용하므로 정확도가 낮고 높은 불확도를 갖고 있다.

한편, 국내 온실가스 배출권거래제에 참여하고 있는 폐기물 소각시설의 경우 매년 폐기물 소각에 의한 배출량을 산정하여 제 3자의 검증을 거친후 관할 감독기구에 제출하도록 하고 있다. 산정지침으로는 국제적 기준인 IPCC 지침과 동일하게 바이오매스 폐기물 (음식물, 목재 등)의 소각으로 인한 CO₂ 배출은 생물학적 배출량이므로 제외하도록 하고 있으며 화석연료에 기인한 폐기물 (플라스틱, 합성 섬유, 폐유 등)의 소각으로 인한 CO₂만 배출량에 포함하도록 규정하고 있다. 또한, Tier4 방식도 가능하며 국내 배출권거래제 지침에 구체적인 산정방법을 제시하고는 있으나 이를 적용하여 산정하는 업체는 전무한 실정이다. 아래 식 (3)은 국내 배출권거래제에서 폐기물 소각시설에서의 Tier4 산정식이고 CO₂ 측정기기의 설치방법 및 성능 등과 같은 시험기준은 환경오염공정시험기준 TMS 기능에 따르도록 하고 있다.

여기서,
E_CO2 : CO₂배출량 (g CO₂/30분)
C_CO2d : 30분 CO₂ 평균농도 % (건 가스 (dry basis)기준, 부피농도)
Qsd : 30분 적산 유량 (Sm³) (건 가스 기준)
K : 변환계수 (1.964 × 10, 표준상태에서 1kmol이 갖는 공기부피와 CO₂ 분자량 사이의 변환계수)

또한, 국내 법률에 의거한 환경오염공정시험기준에 따른 TMS의 CO₂ 측정기기의 교정오차는 5% 이하, 상대정확도는 10% 이하, 영점 및 교정편차 (2시간)은 0.4% 이하로 규정하고 있다.

해외 경우에도 선진국을 중심으로 CO₂ 연속측정에 대한 규정 및 프로그램을 마련하여 시행하고 있다. 특히 CO₂ 배출권이나 대기오염물질을 거래하는 시장이 형성되어 있는 미국 및 유럽을 중심으로 폐기물 소각시설의 연속측정이 활발하게 이루어지고 있다

미국의 경우 “CFR Title 40 Part 98”의 온실가스 배출량 산정 부분에서 정하고 있으며, 사업장 중 250mmBtu/day 이상 또는 MSW 600tons/day 이상의 고체 화석연료 및 연간 1,000시간 이상 운영시 연속측정 허가 대상 사업장으로 정하고 있다. 방법론으로는 온실가스 보고 프로그램인 e-GGRT (Electronic Greenhouse Gas Reporting Tool)을 통해 보고하고 있다. 보고 내용은 각 시설별 규모 및 CO₂ 배출량 산정결과와 배출된 CO₂ 양을 바이오 및 비바이오 배출량으로 구분하여 보고토록 하고 있다. 또한, 유럽의 경우도 온실가스 연속측정 관련법은 배출권거래제와 연계하여 2003년 제정된 “Directive 2003/87/EC of the European Parliament and of the Council of 13 October 2003”에 근거하여 Commission Regulation (EU) No 601과 Commission Regulation (EU) No 600에 규정이 마련되어 있다. 유럽 온실가스 배출권거래제에 참여하는 배출시설 (Installation)의 CO₂ 배출량 산정방법으로 계산방식 및 연속측정 방식 모두 인정하고 있으며, 연속측정 방식의 경우 CO₂ 배출량은 시간평균 농도 및 시간평균 유량의 측정을 통해 단위 시간별로 산정된 후 보고년도의 모든 단위 시간별 배출량을 합산하여 연간 총배출량으로 산정하는 것으로 제시하고 있다. 아울러 해당시설에서 배출되는 CO₂ 중 바이오매스 함량의 연속측정이 불가능하므로 측정하여 결정된 CO₂ 총배출량으로부터 생물학적 기원 CO₂를 제외한 근사치로 계산한다고 규정하고 있다. 또한, 유럽의 연소측정 방식에서는 계산법과 유사한 수준의 불확도를 증명하여야 함을 명시하고 있다.

온실가스 배출량 산정방식의 국제적 지침인 IPCC 지침에서는 CO₂ 배출량을 연속측정 하는 경우 측정기에 대한 성능 및 유지·관리 규정을 제도적으로 갖추고 시행하여야 함을 명시하고 있다. 따라서 이미 CO₂ 연속측정을 도입·시행하고 있는 미국 및 유럽의 경우 이와 관련된 규정을 제도적으로 시행하고 있으며, 국내의 경우도 TMS 측정기의 성능 및 유지·관리를 위하여 관련법률 및 공정시험법 등의 고시를 통하여 제도적으로 관리하고 있는 상황이다. 아래 Table 1은 연속 측정기의 성능 및 유지·관리를 위한 항목과 각 항목별 국내, 미국 및 유럽의 관련규정을 비교한 것으로 국가별 측정기의 성능 및 품질관리를 위하여 규정하고 있는 제도가 상호 부합 하는지를 평가한 것이다. Table 1에서 알 수 있듯이 국내 및 해외사례의 경우 관련 법령에 근거하여 연속측정에 대한 측정기의 성능 및 설치 기준, 운영 기준 등이 마련되어 있고 매우 유사한 체계를 갖추고 있다. 특히 국내의 경우 대기오염물질과 관련하여 굴뚝 원격감시체제 시스템인 TMS로 기본부과금 부과자료와 배출허용기준 초과 여부를 판단하여 각종 행정처분 자료로 활용함에 따라 국내의 경우도 CO₂ 연속측정을 위한 측정기기의 성능 및 유지·관리를 위한 제도적 체계는 이미 갖추어져 있다고 볼 수가 있다.

폐기물 소각시설의 CO₂ 배출량은 소각되는 폐기물의 성상 비중과 각 성상별 건조무게, 탄소함량 및 화석탄소함량 비율에 따라 결정된다. 따라서 본 연구기간 동안 선정된 폐기물 소각시설에서 측정된 주요 인자들을 IPCC 지침에서 제공하고 있는 기본값과 건조무게 및 탄소함량 값을 비교하였으며 생활폐기물 소각시설인 M-B의 결과는 아래 Table 3과 같다

측정된 건조무게의 값은 종이류 22.3%, 플라스틱류 17.5%, 기타류 12.4% 순으로 IPCC 기본값 보다 적은 값을 보였다. 이는 국내 생활폐기물의 경우 현재 IPCC 지침의 Tier1 방식을 적용하여 산정한 CO₂ 배출량 값이 측정된 값 보다 과다하게 산정될 가능성을 내포하고 있다. 탄소함량의 경우는 기타류 34.3%, 섬유류 6.2% 등으로 측정된 값이 IPCC 기본값 보다 큰 것으로 측정됨에 따라 배출 CO₂ 배출량 결과가 축소 될 가능성이 내포되어 있었다.

사업장폐기물 소각시설인 I-B의 건조무게 및 탄소함량 측정결과 결과는 Table 4와 같다. CO₂ 배출량의 기여도가 높은 석유제품류의 건조무게는 IPCC 기본값 보다 낮았지만 탄소함량은 높은 것으로 나타났고, 건설폐기물의 경우는 건조무게 및 탄소함량 모두 IPCC 기본값 보다는 낮은 것으로 평가되어 반입되는 폐기물 성상별 비중에 따라 CO₂ 배출량 산정결과는 측정값과 IPCC 기본값 간의 차이 (Gap)가 발생할 가능성이 매우 높은 것으로 판단되었다.

폐기물 소각시설 CO₂ 배출량 산정결과의 또 다른 주요 인자인 화석탄소함량 비율의 경우는 IPCC 지침에서는 각 성상별 기본 값을 제시하고 있으나 금번 연구는 Tier4의 실효성을 평가하기 위한 것으로 시설별 폐기물을 합성한 고형물 샘플과 소각후 배출가스 샘플을 월별로 채취하여 전문기관에 화석탄소함량 값의 분석을 의뢰하였으며 주요결과는 Fig. 1 및 Fig. 2와 같다. 생활폐기물 고형물 샘플 화석탄소함량 값은 57.1%, 배출가스 샘플의 값은 41.6% 수준이었다.

Fig. 1. 
The FCF 3 years average value of M-B. (unit : %)

Fig. 2. 
The FCF 3 years average value of I-B. (unit : %)

사업장폐기물 소각시설의 경우에도 고형물 샘플 화석탄소함량 값이 95.4%, 가스형 샘플의 58.2% 보다 높게 나타났으며 이는 소각효율과 연계되어 발생된 차이 (Gap)라 볼 수 있다.

또한, 생활폐기물 소각시설에서는 가스형 샘플의 월별 측정값이 그리고 사업장폐기물 시설에서는 고형물 샘플 값이 월별로 안정적인 것으로 나타났다. 이는 생활폐기물의 성상이 사업장폐기물과 비교 다양하여 샘플링 과정에서 한계⁴⁾.가 있었던 것으로 판단되며, 사업장폐기물의 경우는 월별 화석탄소 함량이 높은 폐기물의 성상 비중 편차가 높았던 것으로 분석된다.

생활폐기물 M-B시설의 폐기물 성상별 건조무게 및 탄소함량 측정값의 경우 플라스틱류, 폐지류, 섬유류 등의 순으로 6개 폐기물 성상이 CO₂ 배출량에서 차지하는 비중이 95%를 초과하는 것으로 평가되었고, Table 5 나타나듯이 IPCC 지침 적용시 폐기물 성상 순서는 같았지만 기타 폐기물류를 제외한 5개의 폐기물 성상이 95% 수준에 도달하였다. 이는 금번 측정값과 IPCC 지침에서 제시하고 있는 기본값의 차이는 있으나 순서는 동일한 것으로 평가되었다.

사업장폐기물 I-B시설 측정값의 경우 Table 6과 같이 석유제품류, 기타사업장 폐기물류, 건설폐기물류 등의 순으로 4개의 폐기물 성상으로부터 배출되는 CO₂ 배출량이 전체 배출량의 95%를 초과하는 것으로 평가되었다. 반면 IPCC 지침에 따른 폐기물 성상별 건조무게 및 탄소함량을 적용⁵⁾하는 경우 CO₂ 배출량에 기여하는 폐기물의 성상은 석유제품류, 폐수 슬러지류, 건설폐기물류 순으로 측정값과 비교 순서가 바뀌었다. 이는 사업장폐기물의 경우 성상이 특정되지 않은 기타 폐기물의 탄소함량 값이 많은 차이가 있기 때문인 것으로 판단된다.

IPCC 기본값을 적용한 Tier1, 3년간 측정 평균값을 적용한 Tier3 (3 Years Average), 3차 연도 단년도 월별 평균을 적용한 Tier3 (Year Average)와 화석탄소함량 단년도 평균값을 적용한 Tier4 (Year Average)와 3년 평균값을 적용한 Tier4 (3 Years Average)로 구분하여 산정하였다. 이와 같이 방식별로 산정한 M-B 소각시설의 3차 연도 배출량 산정결과는 아래 Fig. 3과 같다.

Fig. 3. 
The CO₂ Emission trends of M-B Incineration in 3^rd year. (unit : tCO₂)

Tier1과 Tier3 (3 Years Average)로 산정한 배출량이 매월 동일수준으로 가장 많았고 Tier3 (Years Average) 및 Tier4 방식 순으로 배출량이 적었다. 한편 Tier4 방식의 경우 3차연도 단년도 평균값 적용이나 3년간의 평균값 적용 때나 거의 동일한 수준인 것으로 나타났다. 이는 생활폐기물 소각시설의 경우 배출량 산정 방식별 값의 차이는 있었으나 일정비율이 유지되었고 연속측정의 경우 방법별로 거의 동일한 값이 나타남에 따라 신뢰성이 높은 것으로 평가되었다.

사업장폐기물 소각시설인 I-B 소각시설의 3차 연도 배출량 산정결과는 아래 Fig. 4와 같다. Tier3 (3 Years Average)가 가장 많았고 Tier3 (Years Average), Tier1 및 Tier4 순으로 배출량이 적었다. 한편 Tier4 방식의 경우 생활폐기물과 비교하여 3차연도 단년도 평균값 적용이나 3년간의 평균값 적용시의 월별 약간의 차이 (5% 이내)는 발생하였으나 월별 평균은 유사한 수준인 것으로 나타났다. 이는 사업장 폐기물 소각시설의 경우 생활폐기물 소각시설과 비교 특정 폐기물 (석유제품류)의 탄소함량 값이 높고 연차별 동류의 소각량의 변화에 따른 화석탄소함량의 차이로 평가되나, 타 방식과 비교 CO₂ 배출량의 차이가 가장 작은 것으로 평가된다.

Fig. 4. 
The CO₂ Emission trends of I-B Incineration in 3^rd year. (unit : tCO₂)

각 방식별 불확도의 경우 Tier1 상대불확도는 생활폐기물 시설인 M-B 시설에서는 21.11%에서 74.29%까지로 나타났으며, 사업장폐기물 시설인 I-B 시설에서는 78.05%에서 430.21%까지로 생활폐기물 결과보다 높게 나타났다. Tier3 방식에 따른 상대불확도는 생활폐기물 시설인 M-B 시설에서는 9.22%에서 38.48%까지로 나타났으며, 사업장폐기물 시설인 I-B 시설에서는 22.05%에서 76.72%까지 나타났다. Tier4의 경우에는 본 연구기간 정도검사 과정에서 수행된 생활폐기물 M-B 시설의 CO₂ 농도 표준불확도는 평균 0.022405 수준이었고, 유량기의 표준불확도는 평균 0.034427 수준인 것으로 조사되었으며, 사업장폐기물 I-B 시설의 CO₂ 농도 표준불확도는 0.027225 그리고 유량기의 표준불확도는 0.102041 수준인 것으로 조사되었다. 이에 화석탄소함량 측정기관이 제시한 오차범위 (pMC) 0.24%를 반영한 M-B 시설의 상대불확도는 4.118% 수준이었고, I-B 시설의 상대불확도는 10.564% 수준이었다.