연료용 유연탄, 원료용 유연탄의 연료분석자료 수집은 한국전력의 5개 발전자회사 소속 9개 석탄화력발전소와 2개 철강업체를 대상으로 실시하였다. 대상시설에서 받은 연료분석자료 항목은 5년간(2010∼2014년) 사용된 연료용, 원료용 유연탄의 입하량 및 발열량, 원소, 공업분석 결과이다.

연료용 유연탄의 입하량은 2010∼2012년까지 증가하다 2014년 감소하였고, 원료용 유연탄 경우 2013년도 일시 감소하였으나, 전반적으로 증가하고 있다.

각 대상시설에서는 석탄의 발열량, 원소, 공업분석을 실시하고 있다. 분석규격은 Table 2에서 보는 바와 같다.

연료용 유연탄 발열량 분석의 경우 B, C, D, E, F, G 화력에서 ASTM D 5865를, A, H, I 화력에서는 KS E 3707 규격을 적용하고 있다. 원소분석 경우, 모든 화력발전에서 ASTM D 5373을 적용하고 있으며, 공업분석은 모든 화력발전소에서 ASTM D 7582를 적용하고 있으나, D 화력은 ASTM D 5142를 적용하고 있다.

원료용 유연탄은 두 제철소 모두 발열량, 원소, 공업 분석규격은 KS E 3709를 적용하고 있다.

본 논문에서는 온실가스·에너지 목표관리제에서 제시한 연료 분석 방법을 이용하여 유연탄의 탄소배출계수를 산정하였다. 석탄의 주요 성분은 탄소(C), 수소(H), 질소(N), 황(S), 수분(Moisture), 재(Ash) 등이며, 이 중 탄소와 수소함량 그리고 수분량은 배출계수를 산정하는데 매우 중요한 요인이다(전의찬, 2006).

발열량, 탄소 그리고 수소 모두 인수식 순발열량 값으로 환산하면 탄소배출계수 산정을 할 수 있다. 식 (1)은 탄소배출계수 산정하는 방법이다.

EF_i,c : 유연탄 i에 대한 탄소 배출계수(kgC/GJ-연료)
C_ar,i : 유연탄(i) 중 탄소의 질량 분율(인수식, 0에서 1사이의 소수)
EC_i : 유연탄(i)의 열량계수(연료 순발열량, MJ/kg-연료)

각 사업장에서 받은 연료분석자료는 기건식 총발열량 기준으로 작성되어 있다. 따라서 배출계수 산정을 위해 기건식 총발열량은 인수식 총발열량으로 환산해야 한다. 인수식 총발열량은 기건식 시료에서 얻은 고유수분(Mar)과 인수식 시료에서 얻은 총수분(Mad)을 통해 환산된다. 식 (2)는 기건식 총발열량을 인수식 총발열량으로 환산하는 방법이다.

환산된 인수식 총발열량은 다시 인수식 순발열량으로 환산해야 한다. 인수식 순발열량은 ASTM 규격에 있는 인수식 순발열량 환산방법에 따라 환산하게 된다. 식 (3)은 인수식 총발열량을 인수식 순발열량으로 환산하는 방법이다.

원소분석을 통해 얻은 건식 탄소, 수소함량 역시 인수식으로 환산해야 한다. 식 (4)는 탄소와 수소를 인수식으로 환산하는 방법이다.

연료용 유연탄의 5개년도(2010∼2014년) 평균 탄소 함량은 70.02%로 분석되었다. 탄소함량의 변화를 살펴보면, 2009∼2010년 사이 2.42% 감소, 2010∼2011년 사이 0.61% 감소, 2011∼2012년 사이 0.78% 감소, 2012∼2013년 사이 1.34% 증가 그리고 2013∼2014년도는 0.46% 증가하는 경향을 보였다. 표준오차와 상대표준편차는 각각 0.5%와 0.7%로 분석되었다.

수소 함량은 같은 기간 4.47%로 분석되었다. 수소함량의 변화를 살펴보면, 2009∼2010년 사이 0.44% 감소, 2010∼2011년 사이 1.79% 감소, 2011∼2012년 사이 3.42% 증가, 2012∼2013년 사이 0.22% 감소 그리고 2013∼2014년도는 0.88% 감소하는 경향을 보였다. 표준오차와 상대표준편차는 각각 0.1%와 1.4%로 분석되었다.

원료용 유연탄의 5개년도 평균 탄소 함량은 80.50%로 분석되었다. 탄소함량의 변화를 살펴보면, 2009∼2010년 사이 0.21 % 감소, 2010∼2011년 사이 0.08% 감소, 2011∼2012년 사이 1.31% 감소, 2012∼2013년 사이 2.89% 감소 그리고 2013∼2014년도는 0.98% 증가하는 경향을 보였다. 표준오차와 상대표준편차는 각각 1.6%와 1.9%로 분석되었다.

수소 함량은 같은 기간 4.70%로 분석되었다. 수소함량의 변화를 살펴보면, 2009∼2010년 사이 7.86% 증가, 2010∼2011년 사이 3.33% 감소, 2011∼2012년 사이 3.23% 증가, 2012∼2013년 사이 2.08% 감소 그리고 2013∼2014년도는 2.13% 감소하는 경향을 보였다. 표준오차와 상대표준편차는 각각 0.1%와 2.0%로 분석되었다.

공업분석 항목은 고유수분량, 고정탄소, 휘발분 그리고 재이다. 연료용, 원료용 유연탄의 총수분량 측정 및 공업분석 결과는 다음에서 보는 바와 같다(Table 4).

연료용 유연탄의 2010∼2014년 평균 총수분량은 12.09%, 고유수분량은 5.07%, 고정탄소는 50.22%, 휘발분은 31.25% 그리고 재는 14.09%로 분석되었다.

원료용 유연탄의 5개년도 평균 총수분량은 9.05%, 고유수분량은 1.24%, 고정탄소는 66.20%, 휘발분은 24.02% 그리고 재는 8.84%로 나타났으며, 연도별 함량변화의 범위가 증감을 반복하고 있다.

연료용 유연탄 5개년 평균 인수식 총발열량은 5,931 kcal/kg으로 2011년 개정·고시된 에너지열량 환산기준 6,160 kcal/kg 보다 약 3.71%(229 kcal/kg) 낮게 나타났다. 표준오차와 상대표준편차는 각각 90 kcal/kg, 1.5%로 분석되었다.

인수식 순발열량의 5개년 평균 발열량은 5,647 kcal/kg으로 2011년 개정·고시된 에너지열량 환산기준 5,890 kcal/kg보다 약 4.12%(243 kcal/kg) 낮게 나타났으며, 기건식, 건식 평균 총발열량은 각각 6,403 kcal/kg, 6,756 kcal/kg으로 나타났다. 표준오차와 상대표준편차는 각각 94 kcal/kg, 1.7%로 분석되었다.

원료용 유연탄 5개년 평균 인수식 총발열량은 6,969 kcal/kg으로 2011년 개정·고시된 에너지열량 환산기준 7,000 kcal/kg보다 약 0.44%(31 kcal/kg) 낮게 나타났다. 표준오차와 상대표준편차는 각각 73 kcal/kg, 1.1%로 분석되었다.

인수식 순발열량의 5개년 평균 발열량은 6,685 kcal/kg으로 2011년 개정·고시된 에너지열량 환산기준 6,740 kcal/kg보다 약 0.81%(55 kcal/kg) 낮게 나타났으며, 표준오차와 상대표준편차는 각각 72 kcal/kg, 1.1%로 분석되었다. 기건식, 건식 평균 총발열량은 각각 7,567 kcal/kg, 7,662 kcal/kg으로 나타났다.

석탄의 대부분은 해외 수입에 의존하고 있어 수입 국가별 산지 특성과 물량비중에 따라 발열량은 큰 폭으로 변동된다. 국내에서 사용하는 연료용 유연탄의 발열량 경우 산지에 따라 큰 차이를 보였다(Table 6).

2010∼2014년도까지 인도네시아의 연료용 유연탄이 5,421 kcal/kg으로 가장 낮은 발열량으로 나타났으며, 콜롬비아의 연료용 유연탄은 6,396 kcal/kg으로 가장 높게 분석되었다. 이는 가장 낮은 인도네시아의 연료용 유연탄 발열량보다 약 18% (975 kcal/kg) 높은 수준이다.

호주는 2010∼2014년도 까지 평균 인수식 총발열량은 6,028 kcal/kg으로 주요 수입산지 7개국 중 콜롬비아, 남아공 다음으로 높은 순이다. 하지만, 연료용 유연탄의 산지별 입하량을 보면 주요 수입산지는 호주로 나타났다(Fig. 1).

Fig. 1. 
Other bituminous coal (country of origin) (2010∼2014).

따라서 연료용 유연탄의 2010∼2014년까지의 발열량 변동 원인은 호주에서 수입되는 연료용 유연탄의 발열량 및 물량비중에 따라 년도별 발열량이 변화되는 것으로 분석되었다.

원료용 유연탄은 철강업체에서 수집한 연료분석 자료에는 원료용 유연탄의 산지 정보가 제공되지 않아 산지별 총발열량은 분석하지 못했다.

본 논문에서 연료용, 원료용 유연탄을 대상으로 산정한 탄소배출계수의 불확도 분석하였다(Fig. 2). 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 산출한 연료용 유연탄의 불확도 분포는 Gamma 분포이며, 평균 탄소배출계수는 25.01 ton C/TJ이며, 하위 2.5 %의 탄소배출계수는 25.73 ton C/TJ, 상위 97.5%의 탄소배출계수는 26.49 ton C/TJ로 산출되었다.

Fig. 2. 
Bituminous coal's uncertainty analysis result (2010∼2014).

원료용 유연탄의 불확도 분포는 Lognormal 분포이며, 평균 탄소배출계수는 25.73 ton C/TJ이며, 하위 2.5%의 탄소배출계수는 25.42 ton C/TJ, 상위 97.5%의 탄소배출계수는 26.04 ton C/TJ로 산출되었다.

산출된 연료용 유연탄의 불확도 범위는 95% 신뢰수준에서 -1.4∼+1.5%로 나타났으며, 원료용 유연탄의 불확도 범위는 95% 신뢰수준에서 -1.2∼+1.2%로 산정되었다. 본 논문을 통해 산출된 불확도 범위는 2006 IPCC 가이드라인에서 제시된 Energy 부문 배출계수의 불확도 범위인 7% 범위보다 낮게 나타났다.