본 연구에서는 ICEV, HEV, BEV, FCEV를 대상으로 승용차량 전과정 관점에서 온실가스 배출량을 정량화하였다. ICEV, HEV는 연료로 가솔린을 사용하는 경우를 분석하였다. 온실가스로는 CO₂, CH₄, N₂O를 고려하였으며 각 과정에서 발생하는 온실가스 배출량에 CO₂를 기준으로 지구온난화에 기여하는 정도를 나타내는 global warming potential (GWP)을 곱한 g-CO₂-eq로 나타내었다. GWP로는 Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) AR6 기준에 따라 CO₂, CH₄, N₂O에 대해서 1, 29.8, 273을 사용하였다⁷⁾. 본 연구에서는 승용차량 한 대의 1 km 운행 시 온실가스 배출량을 분석하므로 기능 단위는 1 km이다. 이때 생애 주행거리 계산을 위해 승용차량의 평균 폐차 주기를 15년⁸⁾, 사업용/비사업용 승용차량의 1일 평균 주행거리 33.1 km/대⁹⁾로 가정하여 생애 주행거리는 193,304 km로 설정하였다.

전과정 분석에는 Argonne National Laboratory (Lemont, IL, USA)에서 개발한 GREET 2024 프로그램을 사용하였다¹⁰⁾. 또한 한국에서 사용되는 연료의 값을 적용하기 위해 저자들의 선행 연구들에서 한국 상황에 맞게 값과 구조를 수정 및 확장한 GREET 프로그램을 사용하였다³⁾.

차량의 전과정은 차량 연료의 생산, 차량 원료 추출, 차량의 원재료 생산, 차량 생산 및 운송, 차량 운행, 차량 폐기 및 재활용 단계로 이루어진다.

이때 연료 관련 단계는 연료 주기로, 차량 자체와 관련된 단계는 차량 주기로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 같은 차급에서 차종별 비교를 위해 ICEV, HEV, BEV로 모두 출시되는 소형 SUV인 KONA (Hyundai Motor Company, Seoul, Korea)에 대해 분석을 수행하였다. 다만 FCEV의 경우 현재 유일하게 판매되는 중형 SUV인 The all new NEXO (Hyundai Motor Company)에 대해서 분석하였다. 각 차량의 연비 및 전비는 Table 1에 제시되어 있다^11-14). 분석 대상 차량의 주요 제원 정보는 Table 2와 같다^11-14).

2.2.1 연료 주기

연료 주기는 차량에 사용되는 연료의 추출, 생산 및 차량의 운행(연료의 사용) 과정을 의미한다. 연료를 추출하고 생산하여 차량에 주입하는 well-to-pump (WtP)와 차량을 운행하는 pump-to-wheel로 나뉜다. ICEV, HEV의 경우 가솔린, BEV는 전기, FCEV는 수소를 차량 연료로 사용한다.

WtP 과정은 연료의 원료를 추출하는 업스트림(upstream) 단계와 연료 생산(전력 발전) 단계로 구분하여 분석한다. 가솔린의 경우 원유를 추출한 후 국내로 수입하여 정유 공장에서 가솔린을 생산하고 이를 전국 주유소로 분배 및 공급하여 주유하는 과정을 WtP 단계로 정의한다. 전기는 발전에 필요한 원료를 채굴, 생산, 수송하여 발전소로 공급한 뒤 전력을 생산하고 송/배전망을 통해 충전소로 운송하여 차량에 충전하는 과정을 WtP 단계로 정의한다. 수소 또한 원료 생산 후 국내로 운송하여 수소를 생산하고 이를 각 충전소에 분배 및 공급하여 차량에 충전하는 과정을 WtP 과정으로 정의한다¹⁵⁾.

이와 같은 연료 생산 과정, 차량의 운행 과정을 연료 주기로 정의하고 연료의 차이에 따른 온실가스 배출량 분석을 시행하였다. 이때 연료 값은 Korean GREET의 값을 사용하였다. 연료 1 GJ당 발생하는 전 과정적 온실가스 배출량은 Table 3과 같다³⁾.

Table 3. 
Life cycle GHG emissions of fuel in South Korea

	Upstream (g-CO2-eq/GJ)	Fuel use (g-CO2-eq/GJ)
Gasoline	12,592	77,772
Diesel	11,569	75,171

전기와 수소의 전과정적 온실가스 배출량은 생산 경로에 따라 상이하다. 전력 생산 연료원을 석탄, 우라늄, 천연가스, 석유, 신재생에너지로 구분하고 각 연료에 적용 가능한 발전 기술로 증기 터빈(steam turbine, ST), 통합 가스화 복합 발전(integrated gasification combined cycle, IGCC), 복합 발전(combined cycle, CC), 연료전지(fuel cell, FC), 내연기관(internal combustion engine, ICE)을 고려하였다. 원료와 기술 조합별 전기의 전과정적 온실가스 배출량은 Fig. 1과 같다¹⁶⁾. Fig. 1에 따르면 신재생에너지 범주 중에서는 부산물가스가 가장 큰 배출량을 보였으며 전체 연료를 비교하면 석탄, 석유, 천연가스, 우라늄 순으로 배출량이 높았다.

Fig. 1. 
Life cycle GHG emissions of electricity according to production technology

발전 방식에 따라 전기의 전과정적 온실가스 배출량이 달라지기 때문에 전기의 전과정적 온실가스 배출량은 전기 발전 믹스에 큰 영향을 받는다. 따라서 본 연구에서는 2023년의 전기 발전 믹스를 적용하여 대한민국 전기의 전과정적 온실가스 배출량을 계산하였다. Fig. 2에서 알 수 있듯이 대한민국의 2023년 전기 발전 믹스는 우라늄(원자력), 천연가스, 석탄, 신재생에너지, 석유의 순으로 높은 비중을 보였다¹⁷⁾.

Fig. 2. 
Electricity generation mix (2023)

수소 역시 전기와 마찬가지로 생산 경로에 따라 전과정적 온실가스 배출량이 달라진다. 수소 생산 기술은 나프타 분해(naphtha cracking, NCC), 천연가스 개질(steam methane reforming, SMR), 전기분해(electrolysis)의 세 범주로 구분하였으며 각 생산 방식별 온실가스 배출량이 Fig. 3에 나타나 있다¹³⁾. Fig. 3에 따르면 그리드 전기를 사용하는 전기분해가 가장 높은 배출량을 보였고 그 다음으로 SMR, NCC 순으로 배출량이 큰 것으로 나타났다.

Fig. 3. 
Life cycle GHG emissions of hydrogen according to production technology

본 연구에서는 추적 가능한 최신 자료인 2017년 대한민국 수소 생산 믹스를 사용하여 계산하였다³⁾. Fig. 4에서 확인할 수 있듯이 2017년 대한민국 수소 생산 믹스는 나프타 부생 수소가 약 97%를 차지하였으며 이에 따라 대한민국의 평균 수소 온실가스 배출량은 상대적으로 낮은 수준으로 평가된다.

Fig. 4. 
Hydrogen production mix (2017)

본 연구에서는 FCEV의 전과정적 온실가스 배출량을 산정함에 있어 대한민국 2017년 수소 생산 혼합 비율 기반 온실가스 배출량뿐만 아니라 주요 수소 생산 방식별 온실가스 배출량을 개별적으로 계산하였다.

본 연구의 연료 주기 배출량 산정은 원료 생산 단계, 연료 생산 단계, 차량 운행 단계를 모두 포함하는 범위로 정의하였다. ICEV와 HEV의 경우 각각 가솔린의 원료 생산, 가솔린 생산, 차량 주행 시 가솔린 연소로 인한 배출을 모두 고려하였다. BEV와 FCEV의 경우 또한 전기와 수소의 원료 및 생산, 주행 단계의 배출을 고려하였다. 차량별 연료 주기 온실가스 배출량은 Fig. 5와 같다.

Fig. 5. 
The GHG emissions from fuel cycle

ICEV의 경우 206 g-CO₂-eq./km, HEV의 경우 136 g-CO₂-eq./km, BEV의 경우 90 g-CO₂-eq./km의 값을 보였다. 대한민국의 2017년 수소 생산 믹스를 사용한 FCEV의 경우 44 g-CO₂-eq./km, NCC 수소를 100% 사용한 FCEV의 경우 42 g-CO₂-eq./km, SMR 수소를 100% 사용한 FCEV의 경우 146 g-CO₂-eq./km의 값을 보였다. 마지막으로 그리드 믹스를 이용한 전기분해 기술을 사용한 FCEV의 경우 254 g-CO₂-eq./km로 가장 큰 값을 보였다.

ICEV, HEV의 경우 화석 연료 기반 연료인 가솔린을 연료로 사용하기 때문에 차량 운행 과정에서 상대적으로 큰 온실가스 배출량을 보였다. 또한 BEV, FCEV의 경우 차량 운행 과정에서 온실가스가 배출되지 않아 ICEV, HEV보다 낮은 온실가스 배출량을 보였다. 단 그리드 믹스를 이용한 전기분해 기술을 사용한 FCEV의 경우 유일하게 ICEV보다 높은 연료 주기 온실가스 배출량을 보였다.

2017년 대한민국의 경우 수소 생산 시에 청정한 수소 믹스를 사용하고 있기에 상대적으로 WtP 과정에서의 온실가스 배출량이 적다. 그러나 수소 생산 방식에 따라 약 60-200 g-CO₂-eq./km의 차이가 날 수 있음을 확인하였다. 이는 수소의 생산 방식에 따라 온실가스 배출량이 크게 달라질 수 있음을 시사한다. 따라서 FCEV는 수소의 생산 방식이 청정해짐에 따라 온실가스 배출량이 절감될 가능성이 있다.

차량 주기 온실가스 배출량의 경우 차량을 구성하는 각 부품에 포함된 소재별 질량과 해당 소재의 전과정적 온실가스 배출량을 곱하여 합산하였으며 배터리와 유체도 동일한 원칙으로 계산하였다. 차량별 차량 주기의 온실가스 배출량은 Fig. 6과 같다.

Fig. 6. 
The GHG emissions from vehicle cycle

ICEV의 경우 25 g-CO₂-eq./km, HEV의 경우 29 g-CO₂-eq./km, BEV의 경우 46 g-CO₂-eq./km, FCEV의 경우 수소 생산 방식에 관계없이 40 g-CO₂-eq./km의 값을 보였다.

연료 주기에서는 ICEV와 HEV가 차량 운행에 따른 온실가스 배출량이 주요 요인으로 상대적으로 높은 배출량을 보였다. 반면에 차량 주기에서는 BEV의 리튬 이온 배터리와 FCEV의 수소 연료전지에서 발생하는 온실가스 배출량이 크게 기여하여 BEV, FCEV가 ICEV, HEV보다 더 높은 온실가스 배출량을 나타내었다.

연료 주기와 차량 주기의 온실가스 배출량을 모두 고려한 전과정적 온실가스 배출량은 Fig. 7과 같다.

Fig. 7. 
Life cycle of GHG emissions of passener cars

연료 주기만 고려하였을 때 ICEV 대비 HEV, BEV, FCEV 2017 수소 생산 믹스, NCC, SMR는 각각 71, 116, 162, 165, 60 g-CO₂-eq./km의 낮은 온실가스 배출량을 보였다. 단 그리드 믹스를 이용한 전기분해 기술을 사용한 FCEV의 경우 45 g-CO₂-eq./km의 큰 온실가스 배출량을 보였다.

그러나 차량 주기까지 고려한 전과정적 온실가스 배출량 분석 결과 ICEV 대비 HEV, BEV, FCEV 2017, NCC, SMR는 각각 69, 95, 153, 156, 52 g-CO₂-eq./km로 낮은 온실가스 배출량을 보였다. 그리드 믹스를 이용한 전기분해 기술을 사용한 FCEV 경우 56 g-CO₂-eq./km의 큰 온실가스 배출량을 보였다.

특히 HEV와 BEV의 경우 연료 주기만 고려하였을 때 BEV가 HEV보다 45.7 g-CO₂-eq/km 낮았던 반면 차량 주기까지 포함할 경우 그 차이가 25.7 g-CO₂-eq/km로 줄어들었다.

분석 결과 연료 주기가 전과정적 온실가스 배출량의 주요 요인으로 작용하지만 차량 주기 온실가스 배출량을 포함할 시 ICEV와 BEV, FCEV 간의 온실가스 배출량 격차가 완화되는 것으로 확인되었다. 따라서 차량의 온실가스 배출량을 정확하게 분석하기 위해서는 연료 주기와 차량 주기의 온실가스 배출량까지 고려해야 함을 확인하였다.

본 연구 결과를 통해 BEV 보조금 산정에서 주행 배출만이 아니라 연료 주기와 차량 주기를 함께 고려한 전과정적 온실가스 배출량 기준을 적용하는 것이 타당함을 시사한다. 또한 차량 주기 배출의 주요 원인 중 하나가 배터리 제조에 있으므로 제조 전력의 탈탄소화, 공정 효율 개선, 재활용 소재 확대 등 배터리 생산 단계에서의 온실가스 감축 기술 개발이 필요하다. 아울러 FCEV의 경우 배출량이 수소 생산 방식에 크게 좌우되므로 재생전력 연계 수전해 등 저탄소 수소의 조달 비중 확대를 병행할 필요가 있다.