Current Issue

국제사회에서의 탄소중립(carbon neutrality)은 “기후변화”를 넘어 “기후위기”로 전환됨에 따라 심각한 이슈로 확대되고 있다^[1]. 환경 문제의 대응을 위해 2015년 파리기후변화협정이 채택되었으며, 산업화 이전 대비 글로벌 평균 온도 상승을 2^oC 이하로 제한 및 가능하면 1.5^oC로 더욱 제한하는 것을 목표로 하고 있다^[2,3]. 협정에 따라 각 참여국은 자발적으로 국가별 결정 기여(nationally determined contributions 이하 NDCs)를 설정하고, 이를 5년마다 갱신하여 단계적으로 목표를 강화해 나가도록 요구하고 있어, 각 국은 탄소중립을 달성하기 위해 다양한 정책과 법안을 마련하여 대비하고 있다^[3]. 최근 개최된 유엔기후변화협약(UNFCC) 당사국총회(COP26)에서는 65개국이 석탄 발전의 점진적 중단를 발표했으며, 미국이 주도하는 인도･태평양경제프레임워크(IPFE)에서는 12개국과 협력하여 친환경 경제를 핵심 정책 요소 중 하나로 채택하였다^[3,4]. 이러한 정책은 기후변화 속도 저하를 위한 필수 정책이며, 국내 기업들에게도 중요한 과제로 부각되고 있다^[4].

수송 분야에서는 배기가스 등 환경 규제에 대해 효과적으로 대응하기 위한 대안으로 전기자동차의 부품 개발이 적극 추진되고 있다^[5]. 전국 미세먼지 발생 물질은 지역에 따라 10%에서 30%가 내연기관 자동차에서 발생한다^[6]. 환경 규제를 위해 세계 주요국에서는 내연기관 자동차로 인한 극심한 대기오염, 온실가스 배출 문제를 해결하고 친환경자동차 시장 주도를 통한 내연기관 자동차 판매금지^[6]가 선언되었다. 국제에너지기구(international energy agency 이하 IEA)에서는 전세계 전기자동차는 2030년 1억 4500만대 보급을 전망했으며^[7], 국내 환경부에서는 온실가스감축목표에 따라 2030년까지 전기차 420만대 보급을 예상하고 있다^[8,9].

파워트레인(power train)은 차량에서 연료의 화학 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 자동차의 이동을 제어하는 시스템이다. 전기자동차에서 파워트레인의 핵심 부품에는 배터리, 인버터 그리고 모터가 있으며^[10], Fig. 1은 앞서 언급한 전기자동차의 핵심 부품의 개략도를 나타낸다. 핵심 부품 중 인버터는 전기차의 배터리로부터 발생한 직류전력(DC)을 교류전력(AC)으로 변환하여 모터에 공급하는 중요한 역할을 한다^[10,11]. 인버터는 주행 시 모터의 속도 정밀 제어 및 회생제동 시 배터리 전력 변환 역할도 수행하므로 주행거리 향상과 모터 및 배터리 수명에도 큰 영향을 준다^[12].

Fig. 1 
Schematic diagram of electronic vehicles

기술 발전에 따른 인버터의 성능 향상에 따라 발열량 또한 증가하고 있어, 이를 효과적으로 냉각하는 방열모듈의 설계와 재료의 선택이 중요한 이슈로 떠오르고 있다^[13]. 본 연구에서는 전기자동차 인버터 방열판 재료로 알루미늄과 구리를 적용해 탄소배출량을 정량적으로 도출함으로써, 각 재료가 환경적 측면에 미치는 영향을 비교하고자 한다.

기업에서는 흔히 조직 혹은 제품 단위별 전과정평가(life cycle assessment, LCA)^[14] 및 이를 기반으로 한 탄소발자국 산정(ISO14067)^[15] 등의 방법론을 적용하여 온실가스 배출량을 산정하고 있다^[16]. 해당 방법론은 제품 완성 이후 기업의 지속가능경영 보고서 등의 참고자료로 사용되는 대표적인 분석자료이다^[17]. 전과정평가는 제품의 원료 채취부터 사용 후 폐기까지의 전과정을 분석하여 환경 영향을 평가하는 방법이며, 탄소발자국 산정은 조직 수준의 온실가스 배출량 산정 및 보고에 대한 표준방법론이다. 전과정평가 및 탄소발자국 산정 방법론은 완성품을 기준으로 부품별 원료 채취부터 제조, 유통, 사용과 폐기에서 전과정에 걸친 환경 영향을 분석하기에 정책 및 규제 대응에 필수적인 탄소발자국 보고서 작성 및 제출이 가능하다^[18]. 그러나 제품 제작 전과정 범위의 데이터 수집이 필요함에 따라, 완제품 제작 이전 특정 부품의 시제품을 제작하는 단계에서 탄소배출량을 신속하게 예측하기에는 많은 시간이 소요된다. 현실적으로 기업은 제품 양산 이전, 개발 초기 단계에서 부품의 원재료별 달라지는 탄소배출량을 신속하게 예측하여 비교가 가능한 방법론을 사용할 필요가 있다.

본 논문에서는 탄소국경조정제도(carbon border adjustment mechanism 이하 CBAM) 방법론^[19]을 참고하여 탄소배출량을 산정하였다. CBAM이란 유럽연합(EU) 역내로 수입되는 상품에 대하여 EU 온실가스 배출권거래제(EU Emission trading system 이하 ETS) 대상 시설군에서 생산되는 상품에 대해 탄소 비용을 동등하게 부과하여, EU 내에서 생산된 제품과의 공정한 경쟁을 통해 탄소누출(carbon leakage) 문제를 해결하고자 마련된 방법론이다^[19,20]. 2024년 12월 31일까지인 CBAM 배출량 산정방법의 유예기간 동안에는 EU 방식과 범위 및 정확도가 유사한 국내 배출량 산정 방법론이 인정된다^[20]. 따라서 해당 연구에서는 국내 배출량 산정 방법론인 「온실가스 배출권거래제의 배출량 보고 및 인증에 관한 지침」(환경부고시 제2023-221호)의 배출활동별 온실가스 배출량 세부산정방법 및 기준을 참고하였다. 유예기간 이후에도 동일한 방법론에서 원료별로 EU 집행위원회에서 공표하는 기본값을 매개변수로 적용하여 탄소배출량을 산정할 수 있다.

온실가스 배출량 산정 과정에서는 산정 등급(tier system)이 적용되며, 매개 변수별 측정불확도에 따라 Tier 1에서 Tier 4로 구분된다. 이러한 매개 변수별 세부 기준은 각각의 등급은 각 공정에서 적용되는 측정 방법, 데이터 수집 방식, 계수의 정확도 등에 따라 달라진다. Tier 1은 전 세계 공통 IPCC 가이드라인에 따른 가장 기본적인 수준의 산정을 의미하며, Tier 2는 국가 고유 배출계수를 활용하여 산정하는 방법을 의미한다. Tier 3은 사업자가 사업장 및 감축기술단위의 배출계수 등 시험･분석을 통하여 개발하여 산정하며, Tier 4는 굴뚝자동측정기기 등 배출가스의 연속측정방법을 활용하여 산정하는 방법론이다^[21]. 산정 등급이 높을수록 더 정밀한 측정 데이터와 구체적인 매개 변수가 요구되며, 이는 각 제조공정에서 발생하는 배출량을 보다 정확하게 산정하는 데 중요한 역할을 한다.

배출활동별 온실가스 배출량 등의 세부산정방법 및 기준에 의해 전력 사용으로 인해 발생하는 온실가스 배출 산정은 Tier 1과 Tier 2의 방법론을 활용하여 산정하도록 명시되어있다^[22].

온실가스 배출량 산정 방법은 수식 (1)과 같으며, 공정에서 사용한 전력 사용량(Q)과 Tier 산정 등급별 전력 배출계수(EFj) 및 배출 보고대상 기체별 지구온난화지수(GWPj) 값의 곱으로 산출된다. 국내 전력 소비 보고대상 온실가스에는 이산화탄소(CO₂), 아산화질소(N₂O), 메탄(CH₄) 등이 있으며, Tier 1등급은 IPCC 가이드라인에 따른 전 세계 기본 전력 배출계수를 곱하여 배출량을 산정할 수 있다^[22].

E_tCO2e : 전력사용에 따른 온실가스 배출량(tCO₂e/MWh)
Q : 전력 사용량(MWh)
EF_j : Tier 산정 등급별 기체 전력 배출계수(tGHG/MWh)
GWP_j : 기체별 지구온난화지수

본 논문에서는 국내 온실가스종합정보센터에서 전력 사용 보고대상 필요 온실가스 국가 고유 전력배출계수가 제공되었기에 국가 고유 전력배출계수를 매개 변수로 활용한 Tier 2 산정 등급 방법론을 적용하였다. 이는 수식 (1)을 기반으로 전력 사용량(Q)과 온실가스 발생 기체별 국가 고유 전력배출계수 및 지구온난화지수 값의 곱으로 배출량을 산출할 수 있다. Table 1은 이산화탄소, 메탄, 아산화질소 각각의 국가 고유 전력배출계수 값^[22]과 지구온난화지수 값이며^[23], 이를 바탕으로 수식 (1)의 계산을 통해 이산화탄소 환산 톤(tCO₂e)으로 변환하였다.

Fig. 2의 순서도와 같이 각 공정의 정격전력량과 사이클타임으로 전력사용량을 구한 후 기체별 전력배출계수 및 지구온난화지수 값을 활용하여 탄소배출량이 산정된다. 이후 재료의 변경을 통해 재료 변경 전 설비별 전력 배출량(baseline emissions, BE)과 재료 변경 후 설비별 전력 배출량(project emissions, PE)을 산출하여 재료별 배출량의 차이와 감축률을 산정하였다.

Fig. 2 
Methodological sequence for calculating carbon emissions during prototype production

알루미늄은 상용 금속재료 중에서 은과 구리 다음으로 전기 및 열전도도가 우수하고 소재의 경량화에 적합한 장점을 가지므로 전기/전자 산업 등에서 널리 사용되고 있다^[24]. 경제성을 고려한다면 알루미늄에 비해 전도도가 우수한 금속재료는 구리가 유일하며^[24], 산업적 측면에서 경제성과 경량화 두 가지 모두를 고려해보았을 때 두 재료는 방열부품소재로 적합하다고 알려져있다. 이에 앞서 언급한 두 재료를 인버터 방열모듈의 방열판 재료로 선택했을 때 공정을 기반으로 탄소배출량을 예측하고, 이를 비교해보았다. Table 2는 D사의 자동차용 인버터 방열판에 사용된 원재료 정보이며, 동일한 크기의 빌렛에서 중량 235.84 g, 밀도 2.65 g/cm³의 알루미늄과 중량 788.48 g, 밀도 8.96 g/cm³의 구리를 사용하였다.

완성된 방열모듈 시제품의 총중량은 Table 3에 나타낸 바와 같이 알루미늄 소재를 적용했을 때 820.95 g, 구리 소재를 적용했을 때 967.16 g으로 측정되었다. 다른 재료의 중량은 동일하며, 방열판에서의 재료 차이로 인해 알루미늄 재료에 비해 구리 재료를 적용했을 때 146.21 g 더 큰 중량을 가졌고, 총중량에서도 마찬가지로 같은 값만큼의 무게 차이가 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 3은 D사의 인버터용 방열모듈 공정 순서도를 나타낸다. 제품 제작 순서는 방열판 가공, 표면처리, 사출 공정, 조립 및 검사 단계까지 진행되었고, 조립 및 검사를 마지막으로 공정 순서도는 크게 4단계 순서로 분류하였으며, 방열판 가공 단계 (A)에서 알루미늄 재료를 적용한 방열모듈의 공정 시 빌렛 예열, 금형 예열의 공정이 생략됨을 알 수 있다. 그 이유는 알류미늄의 융점이 660^oC임에 반해, 구리의 융점은 1,084^oC로^[25], 알루미늄보다 상대적으로 높은 융점을 가짐에 따라 구리 재료의 적용 시 방열판의 단조 및 가공을 위해서는 예열이 필수적으로 진행되어야 하기 때문이다.

Fig. 3 
Inverter heat sink process flow chart