Establishment of Basic Carbon Unit and LCI DB on Compound Fertilizers in Korea 389 Introduction 전지구적으로대기중온실가스농도가지속적증가함에따라기후변화로인한질병및고온에따른스트레스발생이많아지고, 가

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이우 심
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1 Korean J. Soil Sci. Fert. Vol.51, No.4, pp , 2018 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Article pissn : eissn : Establishment of Basic Carbon Unit and LCI DB on Compound Fertilizers in Korea Jong-Sik Lee*, Gun-Yeob Kim, Hyun-Cheol Jeong, Eun-Jung Choi, Sun-Il Lee, and Jin-Ho Huh 1 Division of Climate Change & Agroecology, National Institute of Agricultural Sciences, RDA, 166 Nongsaengmyeong-ro, Wanju 55365, Korea 1 Envinus Co. Ltd., 69 Gangnam-daero 34, Seoul 06738, Korea *Corresponding author: jongslee@korea.kr A B S T R A C T Received: August 13, 2018 Revised: October 17, 2018 Accepted: October 17, 2018 To cope with climate change, all industry fields including agriculture endeavor to reduce carbon emissions. For calculating the amounts of carbon emission on agricultural products, establishment of LCI DB (Life Cycle Inventory DataBase) on agro-materials are needed. At this study, LCI DB on several compound fertilizers were established to supply basic informations for conducting sustainable agriculture. Average basic carbon unit for compound fertilizers was 0.86 kg CO 2 -eq kg fertilizer -1, which ranged from to 1.02 kg CO 2 -eq kg fertilizer -1. With type of fertilizer, , and appeared similar value, but the rest showed about 20% higher values. As the result of life cycle impact assessment on fertilizer( ), the value of GWP (Global Warming Potential), MAETP (Marine Aquatic Eco Toxicity Potential) and HTP (Human Toxicity Potential) were kg CO 2 -eq kg -1, and kg 1,4 dichlorobenzene(dcb)-eq kg -1, respectively. Basic carbon unit would be used to calculate the amounts of carbon emitted for production process of agricultural products. Also, environmental impact assessment could be served for improving the weakness in fertilizer industry through clear up the vulnerable factors. Keywords: Basic carbon unit, Climate change, Compound fertilizer, Environmental impact, Life cycle inventory Average basic carbon unit for compound fertilizers was 0.86 kg CO 2 -eq kg fertilizer -1, which ranged from to 1.02 kg CO 2 -eq kg fertilizer -1. With type of fertilizer, , and appeared similar value, but the rest showed higher figure about 20%. C The Korean Society of Soil Science and Fertilizer. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non- Commercial License ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

2 Establishment of Basic Carbon Unit and LCI DB on Compound Fertilizers in Korea 389 Introduction 전지구적으로대기중온실가스농도가지속적증가함에따라기후변화로인한질병및고온에따른스트레스발생이많아지고, 가뭄, 폭우및폭설과같은이상기상으로인한피해가우리생활에이미영향을주고있다. WTO (World Trade Organization) 는기후변화에따른주요영향중하나로농업환경변화로인한영양실조를포함한식량문제를지적하고있으며, 식생활의가장기본이되는농업에서모든작물의생산과정에걸친타격이예상된다고하였다 (WTO-UNEP, 2009). 이에따라국제사회는온실가스로인한기후시스템의변화를방지할수있는수준으로온실가스농도를안정화하기위하여노력하고있다. 우리나라도 2030년배출전망치 (BAU, 온실가스를감축하려는특별한노력을하지않을경우배출될것으로예상되는미래의온실가스양 ) 대비 37% 감축이라는국가온실가스감축목표에따라각산업부문별로감축을추진중에있으며, 농업비에너지부문은 BAU 대비 4.8% 에해당하는약 1백만톤의감축목표가할당되어감축을위한노력을수행해나가야한다 (The Related Government Ministries, 2016). 또한, 소비자들의건강및환경에대한관심과인식이높아짐에따라농식품의안전성및친환경성에대한소비자요구가높아지고있다. 이에대한방안으로영국, 일본등선진국을중심으로탄소성적표지제도가점차활성화되고있으며, 이중에서도식품분야가대거참여하고있다. 이와관련하여국제적으로농식품관련분야 LCI DB 구축은 1990년대부터진행되기시작하여, 현재농식품에대한전과정평가를추진하고있다 (Blengini and Busto, 2009). 농업과관련된 LCA는식품산업과연계되어일본과유럽을중심으로농식품에관한 LCA 방법론이개발되고있다. 특히, 유럽은덴마크와스위스를중심으로농식품에대한 LCI DB를구축하였으며, 지속적인업데이트를통해데이터정확도를높이고있다. 우리나라도환경부에서 2009년부터탄소성적표지를시행하여현재환경성적표지제도로통합운영되고있다. 그러나탄소성적표지제도는 LCI DB (Life Cycle Inventory Database) 부재및온실가스산정의어려움등의이유로 1 차농산물을인증대상에서제외하고있다. 현재저탄소농업정책중하나로추진되고있는저탄소농산물인증제는다양한작물재배과정에서저탄소농업기술을적용하여온실가스배출이적은농산물생산하고인증, 표시함으로써녹색기술확산및보급그리고저탄소농산물소비활동을유도함으로서탄소배출저감을꾀하고있으나, 농산물의탄소배출량산정을위해서는우리나라실정에맞는농자재의 LCI DB 구축이필요하다. 농산물생산과정에서양분공급을위해투입되는비료는필수적인농자재의하나지만, 화학비료의사용은영양공급이라는목적외에토양의염류농도를증가시키고, 질소와인과같은수용성물질들의수계유입을발생시켜환경에부하를주고부영양화를일으키는원인이되고있다 (Park et al, 2018). 뿐만아니라, 비료를생산하는과정에서투입되는에너지소비는자원고갈및지구온난화와같은다양한환경영향을유발시키고있다 (KAERI, 2007). 이러한이유로국내의경우화학비료의탄소원단위및환경성에대한정량적인연구는미흡한실정이다. 본연구에서는원자재및원자재비율이다양한복합비료중국내에서주로사용되는비종에대한탄소원단위를전과정평가를통해산정함으로써우리나라실정에맞는농자재의 LCI DB를제공하고구축된 LCI DB는저탄소농산물인증제도추진을위한기초자료로활용이기대된다. 또한, 부문별환경영향평가를통해비료산업의기후변화취약요인을구명하고환경성개선을위한근거자료를제공하고자수행하였다.

3 390 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Vol. 51, No. 4, 2018 Materials and Methods 탄소원단위는품목별조사대상사업장선정및현장자료수집을수행하고전과정평가를통하여산정하였다. 전과정평가 (LCA; Life Cycle Assessment) 란대상시스템의원료채취부터생산, 사용, 운송및폐기등전과정에걸쳐서소모되는자원과발생되는배출물의양을정량화하고, 이로인한잠재적환경영향을종합적으로평가하는환경성평가방법을말한다. 조사대상품목은국내에서주로사용되는질소- 인산-칼륨 (N-P-K) , 및 등 3종의복합비료와그밖의복합비료를기타로구분하여수행하였다. 평가를위한자료는국내생산량통계자료를토대로조사대상비료의품목별대표성있는사업장을선정하여현장조사를통해관련자료 ( 투입물, 산출물 ) 를수집하였다. 수집된현장데이터를분석하여전과정평가방법론에따라산업통상자원부에서보급하는프로그램인 PASS를활용하여각품목별탄소원단위에해당하는지구온난화영향평가 (GWP; Global Warming Potential) 를실시하였다. 본연구에서의전과정평가대상비료에대한 LCI DB 구축절차및내용은다음과같다. 목적및범위정의연구의목적, 이용분야등 LCA를수행하려는목적과결과를어디에적용할지를정의하며, 전과정평가수행을위한전반적인범위를제시한다. 연구의전체적인방향을설정하는단계로서전체연구결과에큰변화를가져올수있기때문에매우신중하고정확하게수행되어야한다. 대상시스템에대한정의, 기능및기준흐름설정, 시스템경계설정등을수행하였다. 복합비료 LCI DB 구축목적은복합비료의 LCI DB 구축, 복합비료의환경성평가및복합비료의탄소성적산정으로하였다. 이용분야는환경친화적농식품생산및탄소성적표지제도와같은농업환경정책수립을위한참고자료제공으로정의하였다. 연구범위에있어서기능은해당제품이어떤요구조건들을만족하게하는지에대한설명으로본연구의대상품목인복합비료는농산물의생장촉진및영양분공급으로정의하였다. 기능단위는전과정평가연구에있어기준단위로사용하기위한제품시스템의정량화된결과를의미하는것으로농산물의생장촉진및영양분공급을위해사용되는복합비료 1 kg으로하였다. 기능단위설정은제품시스템에의해전달된서비스를정량화하는데그목적이있다. 기준흐름이란기능단위로표현된기능을충족하는데필요한제품시스템공정의산출물을정량 Fig. 1. System boundary of compound fertilizer production.

4 Establishment of Basic Carbon Unit and LCI DB on Compound Fertilizers in Korea 391 화한결과로정의할수있으며, 주로제품의양으로표현된다. 본연구의경우에는복합비료 1 kg에해당한다. 복합비료생산의 LCI 데이터베이스구축을위한시스템경계는 Fig. 1과같이설정하였다. 데이터수집및분석설정된연구대상시스템에대하여통계, 문헌자료등을통해데이터를수집하는 top-down 방식과현장데이터를수집하는 bottom-up 방식으로진행하였다. 데이터수집범주는 Table 1과같이입출력데이터를수집하였다. 입력데이터로는원료물질로요소, 유안, 용성인비, 황산칼리와염화칼리그리고에너지투입량이포함되었다. 원료물질의경우한국비료공업협회에서공개하는비료생산및출하실적데이터를수집 분석하였다. Top-down 방식으로는통계, 문헌자료등을통한데이터수집과비료생산및출하실적등통계자료가포함되었으며, bottom-up 방식으로는생산 / 판매현장방문과설문조사등을통하여자료를수집하였다. Table 1. Data category for LCI DB establishment of compound fertilizer production Classification Input Raw material Energy Output Product Air emission Materials Urea, Ammonium sulfate, Phosphoric acid, Potassium sulfate, Potassium chloride Electricity, LNG, B-C oil Compound fertilizer( , , , the others) CO 2, CH 4, N 2 O, H 2 O 데이터품질에대한고려사항으로는시간적범위, 지리적범위, 기술적범위등이있다. 시간적범위에서는 5년이내의데이터를사용하였는지에대한데이터최신성을고려해야한다. 지리적범위는연구의목적을만족시킬수있게지역특성에맞는데이터의사용여부를명확히해야하며, 기술적범위에서는현기술수준에맞는데이터를사용하였는지를고려해야한다. 복합비료의대상시스템을내부와외부로구분하여국내자료가없을경우국외 LCI DB를활용하여구축에필요한데이터를수집하였다. 데이터계산본단계에서제품시스템의잠재적인환경영향을평가하는과정으로도출된투입물, 산출물을해당영향범주에연결하는과정이며특성화는영향범주내분류된항목들이각각의영향범주에미치는영향을정량화하는과정이다. 제품 / 부산물간할당수행, 연료연소에따른온실가스직접배출량계산, 기능단위별데이터환산, 단위공정간데이터통합 / 계산및상 하위흐름 DB 연결을수행하였다. 할당이란전과정내의공정또는운송에의해발생하는환경부하에대한책임을적절하게분배하는것으로제품과관련된물질및에너지흐름, 환경배출물등을연구대상제품에해당하는양만큼나누어서정량화하는과정이다. 복합비료생산과정에서는부산물이존재하지않기때문에 LCI 구축을위한계산과정에서제품과부산물에대한할당은고려하지않았다. LCA 연구를진행하는과정에서기능단위를설정하거나실제데이터를수집하여전과정목록분석을수행함에있어이론적으로생각하는것과같이완벽한연구를수행하기란불가능하다. 따라서보다단순화하기위한적절한가설의설정은필수적이라하겠다. 그러나실제로연구의복잡성을단순화시키기위해서사용되는가정은연구결과에중대한영향을미칠수있으므로세심한주의가필요하다. 복합비료의경우원료의투입량계산이매우중요한부분을차지한다. 그러나실질적으로업체에서생산하는복합

392 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Vol. 51, No. 4, 2018 비료의종류가많기때문에국내복합비료원료용무기질비료소비비율을비료생산출하실적데이터를통하여계산하였다. 복합비료내유효성분량을바탕으로원료용무기질비료의사용량과유효성분함량을통해복합비료제조에사용된원료물질사용량을계산하여적용하였다.

5 392 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Vol. 51, No. 4, 2018 비료의종류가많기때문에국내복합비료원료용무기질비료소비비율을비료생산출하실적데이터를통하여계산하였다. 복합비료내유효성분량을바탕으로원료용무기질비료의사용량과유효성분함량을통해복합비료제조에사용된원료물질사용량을계산하여적용하였다. 에너지의경우에는비료생산과정에화석연료가투입되므로 B-C유, 경유, LNG로인한직접대기배출물계산을실시하였다. 복합비료제조시투입되는에너지량은실제복합비료생산업체에서사용한에너지량을조사하여적용하였고, 각각의화석연료사용량에 IPCC 배출계수를곱하여산정하였다. LCI DB 구축을위한상 하위흐름 DB 연결및프로그래밍작업으로해당물질에대한국가 DB를우선연결하되국가 DB가없는항목에대해서는스위스 Ecoinvent의 DB를연결하였다. PASS 소프트웨어를통하여최종산출된결과는복합비료를생산하기위한과정에서투입되고산출되는모든항목과양에대해 Fig. 2와같은엑셀시트형태로목록화하였다. Fig. 2. PASS computation of compound fertilizer( ) production. 데이터검증입력데이터, 적용방법론및출력데이터검증을실시하여전과정영향평가결과를체계적으로분석하는단계로환경측면의주요이슈를규명, 민감도와일관성등을평가, 개선전략계획이나정책수립등에활용, 그리고권고사항과보고의결론으로구성된다. 본연구에서도 DB의신뢰도를높이기위한입 출력데이터검증, 상 하위흐름연결 DB의적절성검증, 적용방법론검증을실시하였다. Results and Discussion 복합비료에대한탄소원단위산정복합비료 4개 ( , , , 기타 ) 에대한탄소원단위산정결과값은 Table 2에나타냈다. 복합비료 LCI DB의 output 항목중지구온난화물질 (IPCC, 2007) 을선택하여각각의배출량에온난화지수를곱한값의합으로탄소원단위를산정하였다 (Ryu et al, 2011). 복합비료생산에따른온실가스배출은이산화탄소가가장높았으며, 그다음으로메탄과아산화질소순으로나타났다.

6 Establishment of Basic Carbon Unit and LCI DB on Compound Fertilizers in Korea 393 Table 2. Basic unit of different greenhouse gases caused by the production of compound fertilizer. Compound fertilizer Fertilizer ( ) Fertilizer ( ) Fertilizer ( ) Fertilizer (the others) CO 2 CH 4 N 2 O HFC-134a HFC-152a HFC-23 SF 6 CFC-14 Total 7.66E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-00-1 Fig. 3은탄소원단위를비교한것이다. 산정결과복합비료의탄소원단위범위가 kg CO 2 -eq kg fertilizer 이며, 평균 0.86 kg CO 2 -eq kg -1 fertilizer 로나타났다. 본결과는전과정평가를통해무기질비료인맞춤형비료 16호생산과정에서배출되는탄소량 kg CO 2 -eq kg -1 와유사하며 (Jung et al, 2012), 국내부숙비료의온실가스배출량산정결과 (Yun et al, 2015a) 와비교할때, 계분비료는 kg CO 2 -eq kg -1 와유사한수치이나우분퇴구비 및돈분액비 보다는상대적으로많은탄소가배출되는것으로나타났다. 비종별로복합비료 ( , , ) 는유사한온실가스배출량을나타냈으나, 복합비료기타의경우약 20% 높은배출량을보였는데, 이는 N 성분을나타내는요소및유안의투입량이기타복합비료에서많기때문인것으로분석되었다. Fig. 3. Carbon emission with different greenhouse gases caused by the production of compound fertilizer. 앞에서언급한바와같이복합비료는그구성성분비에따라다양한비종이생산되고있다. 원자재및원자재비율이다양함에따라비료사용으로인한온실가스발생량정량화에어려움이있다. 이러한문제점에따라생산에투입되는원자재구성에따른온실가스배출량을용이하게산정하기위하여무기질비료의 N-P-K 유효성분비만으로탄소배출량을자동으로계산할수있는간편한방법론이개발되어보고되었다 (Yun et al., 2015b).

7 394 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Vol. 51, No. 4, 2018 복합비료 ( ) 에대한전과정영향평가탄소원단위를구축한복합비료중에서복합비료 ( ) 에대하여전과정영향평가를수행하였다. 무생물자원고갈 (ADP; Abiotic Depletion Potential), 지구온난화 (GWP; Global Warming Potential), 오존층고갈 (ODP; Ozone Depletion Potential), 산성화 (AP; Acidification Potential), 부영양화 (EP; Eutrophication Potential), 광화학산화물생성 (POCP; Photo-chemical Oxidant Creation Potential), 인간독성 (HTP; Human Toxicity Potential), 담수생태독성 (FAETP; Fresh Water Aquatic Eco Toxicity Potential), 해수생태독성 (MAETP; Marine Aquatic Eco Toxicity Potential), 토양생태독성 (TETP; Terrestrial Eco Toxicity Potential) 등총 10가지영향범주별환경영향을정량화하였다. 대상비료에대한전과정영향평가결과, Table 3에나타난바와같이범주별로는지구온난화 (GWP) 값이 kg CO 2 -eq kg -1 으로나타났으며, 해수생태독성 (MAETP) 및인체독성 (HTP) 이각각 및 kg 1,4 DCB-eq kg -1 의결과를보였다. 전과정영향평가범주중에서독성평가는생태독성인자인 1,4-dichlorobenzene (DCB)-eq로전환하여평가하고있다. 본조사에서나타난복합비료 ( ) 의영향평가결과는농업분야에서토양개량및작물생육용자재로사용되는포도당의 GWP 값 1.24 kg CO 2 -eq kg -1 보다낮은값이나 MAETP 및 HTP가 0.125와 보다는상대적으로높은값을보여농자재별로미치는환경영향범주가상이함을보였다 (Kim et al, 2016). 이와같이전과정영향평가기법을이용하여환경성개선을위한영농에사용되는농자재들의품목별주요요인을도출함으로써기후변화대응방안모색에기여할수있을것이다. 본연구결과를통해국내비료에대한생산시스템에서의환경성개선을위한연구분야설정에기초자료로활용가능할것으로기대된다. Table 3. Environmental impacts of different influence categories caused by the production of compound fertilizer ( ). ADP GWP ODP AP EP POCP HTP FAETP MAETP TETP l/yr kg CO 2 eq kg CFC11eq kg SO 2 eq kg PO 4 eq kg ethylene eq kg 1,4DCB eq 1.28E E E E E E E E E E-03 ADP (Abiotic Depletion Potential), GWP (Global Warming Potential), ODP (Ozone Depletion Potential), AP (Acidification Potential), EP (Eutrophication Potential), POCP (Photo-chemical Oxidant Creation Potential), HTP (Human Toxicity Potential), FAETP (Fresh Water Aquatic Eco Toxicity Potential), MAETP (Marine Aquatic Eco Toxicity Potential), TETP (Terrestrial Eco Toxicity Potential). Conclusions 기후변화에대응하기위하여농업을포함한전산업분야에서탄소배출을줄이기위한노력이진행되고있다. 농산물의탄소배출량산정을위해서는우리나라실정에맞는농자재의 LCI DB 구축이필요하다. 본연구는농산물의탄소배출량을산정하고부문별환경영향평가를통해비료산업의기후변화취약요인을구명하고환경성개선을위한기초자료를제공하고자국내에서사용되고있는복합비료에대한 LCI DB를구축하였다. 복합비료 4개 ( , , , 기타 ) 에대한탄소원단위산정결과, 탄소원단위범위가 kg CO 2 -eq kg -1 fertilizer 이며, 평균 0.86 kg CO 2 -eq kg -1 fertilizer 로나타났다. 비종별로복합비료 ( , , ) 는유사한온실가스배출량을나타냈으나, 복합비료기타의경우약 20% 높은배출량을보였다. 복합비료 ( ) 에대한전과정영향평가에서는지구온난화 (GWP) 값이 kg CO 2 -eq kg -1 으로나타났으며, 해수생태

8 Establishment of Basic Carbon Unit and LCI DB on Compound Fertilizers in Korea 395 독성 (MAETP) 및인체독성 (HTP) 이각각 및 kg 1,4dichlorobenzene (DCB)-eq kg -1 의결과를보였다. 이러한전과정영향평가결과를이용하여각품목별환경성개선을위한요인을도출하고기후변화대응방안수립에기여할수있을것으로기대된다. Acknowledgement This study was carried out with the support of Cooperative Research Program for Agricultural Science & Technology Development (Project No. PJ012460), Rural Development Administration, Republic of Korea. References Blengini G.A. and M. Busto The Life Cycle of Rice: LCA of Alternative Agri-food Chain Management Systems in Vercelli. J. Environ. Manage. 90: IPCC IPCC Fourth Assessment Reports. IPCC, Switzerland. p.141. Jung, S.C, D.B. Lee, J.W. Jeong, and J.H. Huh Carbon footprint of customized fertilizer, No. 16 and its comparison with single fertilizers. J. Korean Soc. Life Cycle Assess. 13: Kim, Y.H., J.H. Hur, J.S. Lee, and E.J. Choi Study on the life cycle assessment of glucose. J. Korean Soc. Environ. Technol. 17: Korea Atomic Energy Research Institute A Conceptual Study on the Sustainability of Nuclear Power. KAERI/TR-3421/2007. p.5. Park Y.E., T.J. Lim, J.M. Park and S.E. Lee Long-term effects of chemical fertilizer and compost applications on yield of red pepper and soil chemical properties. Korean J. Soil Sci. Fert. 51(2): Ryu, J.H., K.H. Kim1, G.Y. Kim, K.H. So, and K.K. Kang, Application of LCA on lettuce cropping system by bottom-up methodology in protected cultivation. Korean J. Soil Sci. Fert. 44(6): (in Korean). The Related Government Ministries The 1 st Basic Planning for Coping with Climate Change (in Korean). WTO-UNEP Trade and Climate Change WTO-UNEP Report. WTO Publications. pp Yun, S.J., K.H. Kim, D.H. Lee, J.H. Huh, E.J. Choi, J.S. Lee, and H.C. Jeong. 2015a. Estimation of life-cycle greenhouse gas emissions of decomposed manure fertilizer in Korea. J. Korean Soc. Environ. Technol. 16: Yun, S.J., K.H. Kim, D.H. Lee, J.H. Huh, E.J. Choi, J.S. Lee, and H.C. Jeong. 2015b. Greenhouse gas calculating methodology by the ratio of available ingredients in inorganic fertilizer. J. Korean Soc. Environ. Technol. 16:

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03-서연옥.hwp 농업생명과학연구 49(4) pp.31-37 Journal of Agriculture & Life Science 49(4) pp.31-37 Print ISSN 1598-5504 Online ISSN 2383-8272 http://dx.doi.org/10.14397/jals.2015.49.4.31 국가산림자원조사 자료를 적용한 충남지역 사유림경영율 추정 서연옥