Science & Technology Policy 과학기술정책 2016 년 11 월호 ( 통권 220 호 ) Well-to-Wheel 과온실가스배출 Well-to-Wheel은에너지원채굴부터이를이용한차량주행까지자동차주행을위한에너지흐름의전과정을의미한다. 내연기관자동차의 W

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1 Research Note 연구노트 전력믹스에따른전기자동차의 CO2 배출량비교분석 글 : 우종률 (jroul86@mit.edu) MIT IDSS 박사후연구원 배경 세계모든국가들은온실가스배출감축을위해노력하고있으며, 이와관련된규제들이지속적으로등장하고있는상황이지만, 가솔린과디젤기관으로대표되는내연기관교통수단들의온실가스배출은여전히심각한문제이다. 95% 이상의자동차가석유를사용하고있으며이는이산화탄소배출량의 50% 이상을차지하고있는실정이다 (Andersen et al., 2009). 국가별수송분야에서차지하는온실가스배출비중은, 미국의경우약 27%, 유럽연합은약 24%, 인도는약 10.5% 로나타났다 (Olivier at al., 2015). 이와같은상황에서온실가스배출량감축을위한국제사회의목소리 ( 리우협약, 교토의정서, 파리협약등 ) 가높아짐에따라자동차산업에변화가일어나기시작했다 (Hoyer, 2008). 내연기관자동차들은많은온실가스를배출하기때문에, 수소, 메탄올, 에탄올, 그리고전기등다양한동력원을가진 자동차들에대한연구가활발히진행되어왔다 (Sierzchula et al., 2012). 그중에서도, 전기를동력으로하는전기자동차와하이브리드자동차는꾸준한 R&D 투자와사회적인관심을통해자동차시장에서영역을확장하고있다 (Skerlos & Winebrake, 2010). 그러나전기자동차를위해사용되는전력은온실가스배출이많은에너지원으로부터생산되는경우가있어친환경적이지않다는주장도있다 (Onat et al., 2015). 그러므로전기차의온실가스감축효과를보다정확히판단하기위해서는분석지역의발전믹스및운행패턴등을고려해야한다. 또한, 전기자동차의환경성을제대로평가하기위하여, Wellto-Wheel 관점에서한국, 중국, 미국을포함한주요국가들의전력믹스에따른온실가스배출량을분석하고이를내연기관자동차와비교할필요가있다. 42

전기자동차의 Well-to-Wheel은 1) 에너지채굴 (Well), 2) 운반, 3) 정유, 4) 수송, 5) 발전, 6) 송전, 7) 충전, 8) 전동기, 9) 바퀴 (Wheel) 와같은 9단계과정을거치게된다.

2 Science & Technology Policy 과학기술정책 2016 년 11 월호 ( 통권 220 호 ) Well-to-Wheel 과온실가스배출 Well-to-Wheel은에너지원채굴부터이를이용한차량주행까지자동차주행을위한에너지흐름의전과정을의미한다. 내연기관자동차의 Wellto-Wheel은 1) 에너지채굴 (Well), 2) 운반, 3) 정유, 4) 수송, 5) 엔진연소, 6) 동력전달계, 7) 바퀴 (Wheel) 와같은 7단계과정을거치게된다. 전기자동차의 Well-to-Wheel은 1) 에너지채굴 (Well), 2) 운반, 3) 정유, 4) 수송, 5) 발전, 6) 송전, 7) 충전, 8) 전동기, 9) 바퀴 (Wheel) 와같은 9단계과정을거치게된다. 내연기관자동차의 Well-to-Wheel은크게에너지채굴, 에너지운송그리고자동차에에너지가저장되는과정인 Well-to-Tank와저장된에너지를이용해자동차를주행하는과정인 Tank-to-Wheel 을포함한다. 이에따라, Well-to-Wheel 관점에서내연기관자동차가주행하면서배출하는 CO 2 량은 Well-to-Tank와 Tank-to-Wheel 과정에서배출하는 CO 2 량의합과같다. 이는식 (1) 과같이계산하여도출할수있다. 그리고 Well-to-Wheel 관점에서전기자동차가 주행하면서배출하는 CO 2 량은 Well-to-Power Plant 와 Power Plant-to-Wheel 에서발생하는 CO 2 량의합과같다. 이는다음식 (2) 와같이도출 할수있다. : 내연기관자동차가발생시키는전체 CO 2 배출량 : Well-to-Tank 과정에서발생하는 CO 2 배출량 : Tank-to-Wheel 과정에서발생하는 CO 2 배출량 : 내연기관자동차의연료효율 : EV 가국가에서발생시키는전체이산화탄소양 : 전력믹스에서발전원의비중 : 발전원가 Well-to-Power Plant 에서발생하는 CO 2 량 : 발전원가 Power Plant-to-Wheel 에서발생하는 CO 2 량 : 전기자동차주행에대한전력소비효율 (1) (2) 그림 1 : Well-to-Wheels 단계 자료 : White Paper on Fuelling EU Transport (EUROPIA, 2011) 43

3 Research Note 연구노트 표 1 : Specifications of Ford Fiesta and Nissan Leaf CO 2 배출량 (g ㆍ CO 2/km) Ford Fiesta Nissan Leaf Powertrain internal combustion engine (1600 cc) electric motor Weight 1192 kg 1521 kg Fuel type Gasoline Diesel Electricity Fuel economy 20 km/l 34 km/l Well-to-Tank Tank-to-Wheel Well-to-Wheel 자료 : vcacarfueldata.org.uk km/kwh ( 최대주행거리 : 117km, 배터리용량 : 24kWh) Detailed data is in Table 2 ( 표 2) 표 2 : 전기자동차의 CO 2 배출량 CO 2 배출량 (g ㆍ CO 2/km) 석탄가스석유원자력태양광 Well-to-Power Plant Power Plant-to-Wheel Well-to-Wheel 1, 자료 : Inderwildi and King (2012), EIA (2015a), European Association for Battery Electric Vehicles (2009) CO 2 배출량분석을위해, Nissan Leaf 와 Ford Fiesta( 가솔린, 디젤 ) 를대상으로선정하였다. 각자동차의정보는 < 표 1> 과같다. Well-to-Power Plant 과정과 Power Plantto-Wheel 과정에서발생하는 CO 2 배출량데이터는 < 표 2> 와같다. 여기서, 태양광은폴리실리콘 잉곳 웨이퍼생산시소요되는전력및송전에따른손실을반영한 CO 2 배출량을의미한다. 주요국가의전력믹스에대한정보는 < 표 3> 과같다. 표 3 : 국가별전력믹스 (2012 년기준 ) 국가 전체전력생산량 ( 십억 kwh) ( 단위 : %) 석탄가스석유원자력기타 중국 4, 미국 4, 독일 프랑스 한국 영국 이탈리아 자료 : IEA (2015), EIA (2015b), KEPCO (2015) 44

4 Science & Technology Policy 과학기술정책 2016 년 11 월호 ( 통권 220 호 ) 단독에너지원으로전력을단독공급한다고가정했을때 Nissan Leaf가주행하면서발생시키는 CO 2 배출량은식 (2) 를통해산출할수있으며, 결과는 < 표 4> 와같다. 전기자동차 Nissan Leaf와비교가능한내연기관자동차인 Ford Fiesta의 Well-to-Wheel CO 2 배출량은가솔린의경우 178 g CO 2 /km, 디젤의경우 118 g CO 2 /km인데(< 표 1> 참조 ), 만약석탄, 가스, 석유로만전력을생산하여 Nissan Leaf를운행한다면, 내연기관자동차인 Ford Fiesta 보다더많은 CO 2 를배출하게되며, 이는전기를생산하는발전원에따라전기자동차가내연기관자동차보다 CO 2 를덜배출할수도더배출할수도있음을보여주는것이다. 그러므로전력믹스에대한고려를하지않는다면, 전기자동차가내연기관자동차보다더친환경적이다 라고말할수있지만, 전력믹스를고려하게되면친환경성에대한판단은상황에따라달라질수있다. 따라서, 국가별전력믹스를반영한현실적인상황에따른 Nissan Leaf의 CO 2 배출량을살펴보고, 이를내연기관자동차 Ford Fiesta의 CO 2 배출량과비 표 4 : 각에너지원으로전력단독공급시 Nissan Leaf CO 2 배출량 Nissan Leaf CO 2 발생량 자료 : 저자작성 ( 단위 : g ㆍ CO 2/km) 석탄가스석유원자력태양광 교할필요가있다. 이에대한결과는 < 표 5> 와같다. 분석을통해전력생산시화석연료비중이 Nissan Leaf 의 CO 2 배출량에크게영향을미치며, 화석연료비중이높은중국, 미국, 독일, 영국에서 Nissan Leaf 의 CO 2 배출량이높은것을알수있 다. 국가별로살펴보면, Nissan Leaf CO 2 배출량은 중국이 169 g CO 2 /km 로가장높으며, 다음으로 영국 (129), 미국 (126), 한국 (124), 독일 (122), 프랑스 (23) 순으로나타났다. 전력믹스에따라 Nissan Leaf 국가별 CO 2 배출량이최대 7 배이상차이가 나는것을알수있는데, 중국, 영국, 미국, 한국은 Nissan Leaf 의 CO 2 배출량이 Ford Fiesta Diesel 이 배출하는 CO 2 배출량보다더높은수준이었다. 특 히중국은 Nissan Leaf 가 Ford Fiesta Gasoline 이 배출하는 CO 2 배출량과거의유사한수준의 CO 2 를 표 5 : 국가별 Nissan Leaf CO 2 배출량 자료 : 저자작성 중국영국미국한국독일프랑스 화석비중 (%) 원자력비중 (%) 기타비중 (%) 전력믹스반영한 Leaf CO 2 배출량 (g ㆍ CO 2 /km)

Research Note 연구노트 배출하는것으로나타났다. 본분석을통해전기자동차의친환경적특성은전기를생산하는발전믹스에따라달라진다는것을확인할수있었다.

최근가솔린및디젤자동차의다운사이징추세와매연저감기술의발달로이산화탄소배출이줄고있으며, 중국과같이높은석탄발전의존도를갖는나라에서는전기자동차가기존내연기관보다더많은대기오염물질을배출할수있기때문에,

이와같은정부의강력한의지가동반될때에전기자동차의친환경적기여는더욱제고될것으로판단된다. 맺음말 본연구결과에서보여주듯이전기자동차가대기오염물질배출을감소시킬수있을것인지는좀더면밀한검토가필요해보인다.

5 Research Note 연구노트 배출하는것으로나타났다. 본분석을통해전기자동차의친환경적특성은전기를생산하는발전믹스에따라달라진다는것을확인할수있었다. 특히, 중국을포함한석탄발전의비중이높은국가들은가솔린이나디젤자동차에비해전기자동차의 CO 2 배출량이비슷한수준이거나더많을수있다는것을알수있었다. 최근가솔린및디젤자동차의다운사이징추세와매연저감기술의발달로이산화탄소배출이줄고있으며, 중국과같이높은석탄발전의존도를갖는나라에서는전기자동차가기존내연기관보다더많은대기오염물질을배출할수있기때문에, 전기자동차가대기오염문제해결에실질적으로기여하기위해서는전력생산을위한석탄발전의존도가더욱낮아져야한다. 유럽은 2014년부터자동차배기가스배출기준을강화한 EU6를시행하며, 중국은 2017년에너지믹스에서석탄비중을 65% 이하로감소하는계획을발표하였다. 이와같은정부의강력한의지가동반될때에전기자동차의친환경적기여는더욱제고될것으로판단된다. 맺음말 본연구결과에서보여주듯이전기자동차가대기오염물질배출을감소시킬수있을것인지는좀더면밀한검토가필요해보인다. 무엇보다전기자동차가대기오염문제해결의큰역할을하기위해서는전력생산을위한석탄발전의존도가더욱낮아져야한다. 또한, 전기자동차에탑재되는배터리제작과정에서다량의 CO 2 가발생되기때문에, 배터리제작시의 CO 2 배출량까지고려한조금더정밀한 Well-to-Wheel 관점의전기자동차친환경성분석이필요할것으로보인다. 또한, 전기자동차의친환경성을제고하고전력생산시발생하는비용을저감하기위하여태양광발전소를이용한전력공급이대안으로떠오르고있다. 태양광발전이석탄등타발전에너지원과달리전력생산시발생되는 CO 2 가발생하지않기때문이지만, 태양광패널제작과정이반도체와유사하기때문에태양광발전소건설시에발생하는 CO 2 배출량도면밀하게검토해야할것으로보인다. 46

6 Science & Technology Policy 과학기술정책 2016 년 11 월호 ( 통권 220 호 ) 참고문헌 Andersen, P. H., Mathews, J. A., and Rask, M. (2009). Intergrating private transport into renewable energy policy: The strategy of creating intelligent recharging grids for electric vehicle. Energy Policy, 37, European Association for Battery Electric Vehicles (2009). Energy consumption, CO2 emissions and other considerations related to Battery Electric Vehicles, Bruxelles, Belgium EUROPIA (2011). White Paper on Fuelling EU Transport EIA (2015a). How much carbon dioxide is produced per kilowatthour when generating electricity with fossil fuels? Energy Information Administration (EIA). Washington DC, USA. (Accessed: September 24, 2015) EIA (2015b) International Energy Statistics. Energy Information Administration (EIA). Washington DC, USA. &eyid=2012&syid=2012&reverseaxes=0&cid=&cid=r1&cid=r 2&cid=r3&cid=r4&cid=r5&cid=r6&cid=r7&cid=ww&pid=alltyp es&aid=12&unit=bkwh&updateb=update (Accessed: September 24, 2015) Hoyer, K. G. (2008). The history of alternative fuels in transportation: The case of electric and hybrid cars. Utility Policy, 16, Olivier JGJ et al. (2015), Trends in global CO2 emissions; 2015 Report, The Hague: PBL Netherlands Environmental Assessment Agency; Ispra: European Commission, Joint Research Centre. Onat, N. C., Kucukvar, M., & Tatari, O. (2015). Conventional, hybrid, plug-in hybrid or electric vehicles? State-based comparative carbon and energy footprint analysis in the United States. Applied Energy, 150, IEA (2015) Electricity Information. International Energy Agency (IEA), Paris, France. Inderwildi, O. R., & King, D. A. (2012).Energy, transport & the environment. Springer, Berlin. Sierzchula, W., Bakker, S., Maat, K., and Van Wee, B. (2012). Technological diversity of emerging ecoinnovations: a case study of the automobile industry. Journal of Cleaner Production, 37, Skerlos, S. J., and Winebrake, J. J. (2010). Targeting plug-in hybrid electric vehicle policies to increase social benefits. Energy Policy, 38, KEPCO (2015). The monthly report on major electric power statistics, KEPCO (Korea Electric Power Corporation). Naju, Korea. 47

에너지경제연구 Korean Energy Economic Review Volume 14, Number 2, September 2015 : pp. 99~126 산유국의재생에너지정책결정요인분석 1) 99

에너지경제연구 Korean Energy Economic Review Volume 14, Number 2, September 2015 : pp. 99~126 산유국의재생에너지정책결정요인분석 1) 99 100 101 102 < 표 1> 산유국의재생에너지정책현황 103 104 105 106 107 108 < 표 2> 재생에너지발전의주요결정요인 109 110 < 표