본 연구의 분석 대상은 울산 수소시범도시 내 공동주택 단지를 대표하는 중층규모의 주거건물로 설정하였다. 총 연면적은 11,923 m²이며, 437세대 규모로 구성되었다. 이는 ｢녹색건축 인증기준(2024)｣의 신축 공동주택 유형을 기준으로 모델링하였다⁴⁾. 본 연구의 기능단위(functional unit)는 ‘울산 수소시범도시 건물부문에서 연간 68.8 ton의 수소(H₂)를 소비하여 전력 및 열을 공급하는 시스템의 1년 운영’으로 정의하였다.

비교 대상은 Table 1과 같이 수소도시의 발전단계 및 청정수소 보급목표를 반영한 4개 시나리오로 구성하였다. 조성기–확장기–고도화기 시나리오는 국가의 단계별 청정수소 보급 목표와 연계되며, 이를 기존의 계통전력 및 도시가스 기반 공동주택(baseline)과 비교하여 청정수소 조성비 변화에 따른 감축효과를 정량적으로 평가하였다^7,8).

본 연구의 시스템 경계는 수소 생산 → 수소 인프라(이송) → 수소 활용(건물)의 세 단계로 구성된다. 각 단계는 자재 제조, 운송, 시공, 운영의 전과정을 포함하였다.

수소 생산 단계의 연간 배출량(𝐸_{𝑝𝑟𝑜𝑑}, t CO₂-eq/yr)은 (식 1)과 같다¹⁾.

여기서, 𝑀_𝐻2은 68,800 kg/yr이고, .𝑠_𝑔, 𝑠_𝑏, 𝑠_𝑔𝑟는 시나리오별 수소 조성비이며, 𝐸𝐹_𝑔, 𝐸𝐹_𝑏, 𝐸𝐹_𝑔𝑟는 각 생산방식의 전과정배출계수이다¹⁾.

수소 인프라(이송) 단계의 연간 배출량(𝐸_{𝑝𝑖𝑝𝑒,} t CO₂-eq/yr)은 (식 2)와 같다⁶⁾.

여기서, 𝐸_𝑘𝑚은 단위 거리(km)당 자재⋅시공 배출량 (t CO₂-eq/km), L은 설계수명(year), 𝐷=11 km는 배관 길이를 나타낸다.

수소 활용(건물) 단계의 총 배출량(𝐸_{𝐻2−𝑏𝑢𝑖𝑙𝑑𝑖𝑛𝑔}, t CO₂-eq/yr)은 (식 3)과 같다^2,4,5).

여기서, 𝐸_𝑚𝑎𝑡​ 은 건물 자재 제조 및 공급에 따른 배출량, 𝐸_𝐹𝐶 는 제조⋅공급에 따른 배출량, 𝐸_{𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡} 는 시공단계 배출량, 𝐸_{𝑝𝑟𝑜𝑑} 는 수소 생산단계 배출량, 𝐸_{𝑝𝑖𝑝𝑒} 는 이송단계 배출량이다.

기존건물의 배출량은 동일한 건설⋅시공 원단위를 적용하되, 운영단계에서 전력 및 도시가스 사용량을 반영하였다. 기존건물의 연간 배출량(𝐸_{𝑏𝑎𝑠𝑒}, t CO₂-eq/yr)은 (식 4)와 같다^3,5).

여기서, 𝐴=11,923 m²는 건물 연면적, 𝐸𝐹_{𝑒𝑙𝑒𝑐}=31.43 kg CO₂-eq/m² yr는 전력 사용 배출계수, 𝐸𝐹_𝑔𝑎𝑠=17.40 kg CO₂-eq/m² yr는 도시가스 사용 배출계수이다⁵⁾.

본 연구에 사용된 데이터는 2011∼2025년의 최신 연구 및 데이터베이스를 기반으로 하였다^1-6). ecoinvent v3.11⁶⁾의 GLO 및 RoW 데이터는 국내 산업공정과의 기술적 등가성을 검토하여 보정하였다. PAFC 제조공정과 배관시공기술은 현재 국내 실증사업 수준(두산퓨얼셀, 한국가스기술공사)을 기준으로 반영하였다^2,6). 단계별 배출 기여율은 선행연구(국토교통부, 2011)³⁾의 건축물 LCA 구조와 일관성을 보였으며, 배관 및 시공단계의 배출 비중이 전체의 5% 미만으로 나타나 국제 건축물 LCA 결과(IEA Annex 72, 2020)와 정합성을 확보하였다.

본 연구에서는 울산 수소시범도시 건물부문의 전과정 온실가스 배출량을 단계별로 산정하고, 청정수소 조성비 변화에 따른 감축효과를 평가하였다.

분석은 연간 수소소비량 68.8 ton H₂를 기준으로 수행하였으며, 시나리오별 수소 조성비 변화(조성기, 확장기, 고도화기)를 반영하였다^1,7).

조성기의 경우 수소조성비 90:0:10(그레이:블루:그린)을 적용하였을 때 가중평균 배출계수는 6.779 kg CO₂-eq/kg H₂로 계산되었으며, 이에 따른 연간 배출량은 약 466.42 t CO₂-eq/yr로 나타났다.

확장기의 경우 65:20:15의 조성비를 적용하였을 때 가중평균 배출계수는 5.513 kg CO₂-eq/kg H₂로 산정되었으며, 연간 배출량은 379.35 t CO₂-eq/yr로 감소하였다.

고도화기의 경우 50:30:20의 조성비를 적용한 결과 가중평균 배출계수는 4.698 kg CO₂-eq/kg H₂로, 연간 배출량은 323.24 t CO₂-eq/yr로 가장 낮게 산정되었다. 이 값은 (식 1)을 이용하여 계산하였다¹⁾.

이 결과는 수소 생산 단계의 청정화가 전체 시스템의 온실가스 저감에 직접적인 영향을 미친다는 점을 보여준다. 그레이 수소의 비중이 높을수록 배출량이 급격히 증가하며, 블루 및 그린 수소의 비중이 커질수록 탄소배출 강도는 선형적으로 감소하였다^1,8).

이때 총 배관 길이당 배출량은 0.63∼0.45 t CO₂-eq/km 범위로 산정되었다⁶⁾.

시공 단계에서는 콘크리트, 폴리에틸렌, 보강철근 등의 투입량을 반영하였으며, 자재별 배출계수는 콘크리트 305.0 kg CO₂-eq/m³, 고밀도 폴리에틸렌 2.83 kg CO₂-eq/kg, 보강철 2.21 kg CO₂-eq/kg 등으로 적용하였다³⁾⁶⁾. 이 결과, 배관 시공 단계의 연간 배출량은 27.6 t CO₂-eq/yr로 산정되었고, 배관 자재 제조 및 공급 단계는 0.39 t CO₂-eq/yr로 도출되었다⁶⁾.

운영 단계에서는 압력차를 이용한 수송 방식을 적용하기 때문에 별도의 에너지 소비가 없는 것으로 가정하였다.

배관 전체의 설계수명을 30년으로 가정하고 연차환산을 수행한 결과, 연간 총배출량은 약 28.0 t CO₂-eq/yr로 산정되었다⁶⁾. 이는 전체 수소건물 시스템 배출량의 약 5% 수준으로, 상대적으로 작은 비중을 차지하지만 도시 규모 확대 시 비선형적으로 증가할 수 있는 부문이다⁷⁾.

수소 활용 단계는 건물 건설과 연료전지 제조·시공·운영을 포함하는 단계로, 건물단위의 수소 이용에 따른 전과정 환경부하를 반영하였다. 평가 결과, 건물단계의 배출량은 자재 및 연료전지 제조 107.73 t CO₂-eq/yr, 시공 0.81 t CO₂-eq/yr, 운영단계(연료전지 운전)는 조성기, 확장기, 고도화기 등 시나리오별로 각각 466.42, 379.35, 323.24 t CO₂-eq/yr로 산정되었다^1,2).

건물 건설 자재는 ｢시설물별 탄소배출량 평가방안 수립 연구(국토교통부, 2011)｣의 원단위를 적용하였다³⁾. 각 공종별 연간 배출량은 토목 0.53, 건축 33.3, 기계 0.49, 전기 0.00, 조경 1.58 t CO₂-eq/yr로 산정되었다. 연료전지 제조는 Baek et al.(2025)의 PAFC 시스템 LCI를 적용하여, PAFC 200 kW 기준 163,248.17 kg CO₂-eq/unit의 값을 출력비례 환산하였다²⁾. 440 kW급 3대(총 1,320 kW) 설치와 수명 15년을 고려한 연차환산 결과, 연간 71.83 t CO₂-eq/yr로 계산되었다. 따라서 건설 자재와 연료전지 제조를 포함한 총 배출량은 107.73 t CO₂-eq/yr로 도출되었다.

운영단계에서는 연간 수소소비량에 조성비별 EF를 곱하여 배출량을 산정하였다¹⁾. 조성기에서는 466.42, 확장기에서는 379.35, 고도화기에서는 323.24 t CO₂-eq/yr로 나타났다. 이는 건물운영단계의 배출량이 수소건물 전체 배출의 70∼80%를 차지함을 의미하며, 청정수소의 공급 확대가 감축효과에 결정적 영향을 미친다는 점을 확인할 수 있었다.

앞서 산정된 각 단계를 종합한 결과, 수소건물의 연간 온실가스 배출량은 Table 3과 같이 정리되었다^1,6).

조성기 시나리오에서는 자재 및 연료전지 제조단계 107.73, 시공단계 0.81, 운영단계 466.42, 이송단계 28.0 t CO₂-eq/yr로 합계 602.96 t CO₂-eq/yr이 도출되었다. 확장기 시나리오에서는 각각 107.73, 0.81, 379.35, 28.0으로 합계 515.89 t CO₂-eq/yr이 산정되었으며, 고도화기 시나리오에서는 107.73, 0.81, 323.24, 28.0으로 합계 459.78 t CO₂-eq/yr로 나타났다.

수소건물의 단계별 기여율은 조성기 기준으로 운영단계가 전체의 약 77%, 건설단계가 18%, 이송단계가 5%를 차지하였다. 확장기와 고도화기에서도 유사한 경향을 보였으며, 청정수소 확대에 따라 운영단계 배출의 비중이 점진적으로 감소하였다.

비교 대상으로 설정된 기존건물은 동일한 시스템경계(건설 자재 제조 및 공급, 건설 시공, 건물 운영)를 적용하였다.

Table 4와 같이 자재 및 시공단계의 배출량은 각각 34.10, 0.77 t CO₂-eq/yr로 산정되었으며, 운영단계는 계통전력과 도시가스 사용에 따른 배출량으로 582.20 t CO₂-eq/yr이 도출되었다. 따라서 기존건물의 총배출량은 617.07 t CO₂-eq/yr로 산정되었다.

운영단계의 비중은 전체의 94%로, 국가 전력계통의 높은 배출계수(0.466 kg CO₂/kWh)와 LNG 연소에 따른 직접배출이 주요 원인으로 분석되었다. 이는 수소건물과의 비교 시 감축효과의 판단기준이 되는 절대값으로 활용된다.

수소건물과 기존건물을 비교한 결과, Fig. 1과 같이 나타났다. 조성기 시나리오에서는 602.96 t CO₂-eq/yr로 기존건물(617.07 t CO₂-eq/yr) 대비 약 2.3%의 감축효과가 나타났다. 확장기 시나리오에서는 515.89 t CO₂-eq/yr로 감축률이 16.4%로 상승하였으며, 고도화기 시나리오에서는 459.78 t CO₂-eq/yr로 감축률이 25.5%에 달하였다.

Fig. 1. 
Comparative analysis of hydrogen buildings and conventional buildings

이는 수소의 청정조성비가 50% 이상으로 확대될 경우, 수소건물이 기존 도시가스·전력 기반 건물 대비 약 4분의 1 수준의 배출량 감축이 가능함을 의미한다. 특히 조성기 단계에서 이미 기존건물 대비 감축이 발생한다는 점은, 수소건물이 초기 구축 단계에서도 환경적 우위를 갖는다는 사실을 시사한다.