1. 서 론
2. 터널 내 전과정 평가(LCA)
2.1 전과정 평가(LCA)
2.2 터널의 전과정 평가 범위 설정
3. 터널 시공 단계에서 발생되는 탄소배출량 계산 모델
4. 국내 배출계수를 적용한 NATM 터널 시공 중 CO2 배출량 산정식
4.1 천공 및 발파를 이용한 굴착(Excavation by drilling and blasting method, D&B)
4.2 로드헤더를 이용한 굴착(Excavation with roadheader, RH)
4.3 유압식 브레이커 해머를 이용한 굴착(Excavation with hydraulic break hammer, HBH)
4.4 지보용 재료 생산 단계 관련 CO2 배출량
5. 탄소배출량 산정식의 비교 분석
6. 결 론
1. 서 론
전 세계적으로 기후변화로 인한 자연재해 증가와 산업부문 온실가스 배출 확대가 심각한 문제로 인식되면서, 각국은 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) 보고서를 바탕으로 2050 탄소중립(Net-Zero)을 선언하고 도시, 정주지, 인프라 부문에서도 탄소 감축 전략을 강화하고 있다(IPCC, 2023). 파리협정 이후 국제사회는 건설, 교통, 에너지 등 주요 배출 부분에서의 구조적 전환을 요구하고 있으며, 특히 인프라 프로젝트는 전과정(Life Cycle)에서 높은 탄소발자국을 유발하기 때문에 관리의 필요성이 더욱 강조되고 있다(Jang et al., 2023).
유럽연합(EU)은 “Fit for 55” 패키지를 통해 2030년까지 1990년 대비 온실가스 배출량을 55% 감축하는 목표를 제시하였으며, 이에 따라 건설 분야에서는 EN 15804+A4, ISO 14040/14044 기반으로 환경 영향 범주 및 수명 주기 전 과정 시나리오에 대한 요구사항이 강화되고 있다. 이러한 흐름 속에서 전과정 평가(Life Cycle Assessment, LCA)가 인프라 사업의 탄소배출 저감 효과와 지속가능한 개발을 위한 핵심 도구로 자리 잡고 있다(Firoozi et al., 2025). 영국 또한 인프라 탄소 관리 표준인 PAS 2080:2023을 제정하여, 설계 및 시공 단계에서 탄소배출을 예측, 검증하도록 요구하고 있다(ICE, 2023).
2009년 건축물 및 인프라를 포함한 전 세계 건설 부분의 CO2배출량은 약 57억 톤으로 보고되었으며, 이는 전 세계에서 발생한 총 CO2배출량의 약 23%에 차지하는 수준으로 나타났다(Huang et al., 2018). 미국의 경우, 건설분야는 산업 부문 중 세 번째로 많은 온실가스를 배출하며, 특히 터널 시공이 건설 산업 환경에 상당한 영향을 미친다고 보고되었다(Jarast et al., 2023). 이에 해외에서는 터널 시공 중 발생되는 온실가스를 감축하기 위한 여러 연구가 활발히 이루어지고 있다(Li et al., 2011; Miliutenko et al., 2012; Huang et al., 2013; 2020; Xu et al., 2019; Rodríguez and Pérez, 2021; Rodríguez et al., 2024). Miliutenko et al. (2012)은 당시 스웨덴에서는 거의 사용되지 않던 전과정 평가 기법을 도입하여, 터널 시공 단계에서 발생하는 배출 뿐만 아니라 운영 단계에서의 배출까지 함께 고려하여 온실가스 배출 비중 분석을 수행하였고, Huang et al. (2013)은 전과정 평가 기법을 활용하여, 2050년까지 탄소중립 달성을 목표로 하고 있는 국가인 노르웨이에서 암반터널 1 m 당 운영단계를 포함한 전과정 동안 발생하는 배출량을 정량화 하였다. 또한, Xu et al. (2019)은 강도가 서로 다른 암반에서 천공 발파 공법으로 굴착한 터널과 관련된 CO2배출량을 기술하였다. 이처럼 터널 시공 시 발생되는 탄소배출량 산정과 감축은 현 시점에서 매우 중요한 연구과제이다.
국내에서도 에너지 및 온실가스 감축에 대해 매우 적극적인 입장을 취하고 있다. 온실가스종합정보센터에서 발간한 “2024 국가 온실가스 인벤토리 보고서(GIR, 2025b)”에 따르면, 우리나라는 2021년에 국가 온실가스 감축목표(Nationally Determined Contribution, NDC)를 상향 조정한 NDC 상향안을 유엔기후변화협약(United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)에 제출하였고 ｢기후위기 대응을 위한 탄소중립･녹색성장 기본법(이하 탄소중립기본법)｣과 시행령을 제정하여, 2050년 탄소중립 실현과 2030년까지 2018년 대비 온실가스 배출량을 35% 이상 감축하는 목표로 설정하였으며, 이를 달성하기 위해 다양한 정책 수단과 제도적 기반을 적극적으로 마련하고 있다.
2024 국가 온실가스 인벤토리 보고서 분야별 배출 및 흡수 추이 분석 파트에 따르면 2022년 제조업 및 건설업과 수송이 포함된 에너지 분야의 온실가스 총배출량은 551.9백만 톤으로 이는 국가 총배출량의 76.2% 만큼 큰 비중을 차지하고 있다. 이와 마찬가지로 Jang et al. (2023)은 터널 굴진 시 탄소배출 주요원인이 장비 가동과 수송에 소요되는 전력 및 연료 사용임을 고려하면, 터널 굴착 방식별로 탄소배출량을 산정하고 이를 통해 환경 영향도를 줄이는 방향으로 점차 공법 및 장비 운영 방식이 개선되어야 한다고 주장한다.
앞선 국제적 환경규제 및 국가별 환경정책의 변화에 대응하기 위해, 국내에서도 건축물과 도로, 교량 등 일부 SOC 시설을 대상으로 한 연구가 다수 수행되었으나 터널과 관련된 문헌은 아직 많이 보고되지 않고 있는 실정이다(Lee et al., 2016). 대표적으로 Lee et al. (2018)의 초기 설계 단계에서 주요 공종의 표준 물량을 기반으로 한 NATM 터널의 환경부하 산정 모델 연구와 Jang et al. (2023)의 실제 터널 공사 설계내역서를 기반으로 분석한 TBM 공법과 NATM 공법의 탄소배출량 비교 연구 등이 있지만, 해외 연구와 달리 국내에서는 NATM 터널 시공 중에 발생되는 탄소배출량을 세분화하여 정량화 할 수 있는 산정식 또는 배출계수(전환계수)에 대한 데이터와 이를 정리한 연구는 아직 부족하다. 이에 본 연구에서는 NATM 터널의 시공 단계와 일부 제조 단계에서 발생되는 탄소배출량을 계산할 수 있는 산정식을 정량화하고, 국내에서 적용 가능한 국가 고유 배출계수를 선정 및 구축하여 함께 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 터널 시공 단계에서 발생되는 탄소배출량 계산 모델과 관련된 기존 연구를 분석하였다. 이를 바탕으로 국가 기관의 데이터를 통해 국내 적용 가능한 국가 고유 배출계수를 선정하였으며, 정확하게 명시되지 않은 배출계수의 경우 한국환경산업기술원에서 제공하는 TOTAL Ver. 6.6.2 프로그램을 활용하여 산정하였다. 산정된 배출계수를 활용해 기존 Rodríguez and Pérez (2021)가 제시한 CO2배출량 계산 모델과 내용을 준용하여 온실가스 배출에 직접적인 영향을 미치는 NATM 터널 시공 중에 발생되는 CO2배출량과 사용된 자재로 인해 발생되는 CO2배출량 계산 모델을 제시하였다. 또한 실증 검증이 완료된 기존 연구의 배출계수와 본 논문에서 제시한 국가 고유 배출계수를 비교 분석하여 제시한 산정식의 타당성을 검증하였다. 마지막으로 국내 터널 전 과정에서 발생되는 탄소배출량과 관련된 향후 연구방향과 필요성에 대하여 제언하였다.
2. 터널 내 전과정 평가(LCA)
2.1 전과정 평가(LCA)
LCA는 제품이나 서비스가 원료 채취부터 제조, 유통, 사용, 폐기 및 재활용에 이르기까지 전과정에 걸쳐 환경에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고 평가하는 방법론으로, 온실가스, 에너지 사용, 자원 소비 등 다양한 환경 부하를 수치화 하여 지속가능한 제품 설계와 환경 규제 대응에 활용된다. 건설부문에서 LCA는 터널, 교량, 도로 등 인프라 사업의 전 과정에서 어떤 공법과 자재를 선택하는가에 따라 환경부하가 어떻게 달라지는지를 정량적으로 평가하고 개선방안을 모색하는 중요한 의사결정도구이다.
ISO (International Organization for Standardization) 14040 시리즈에서 제시하고 있는 LCA 수행방법은 (1) 목적 및 범위 설정, (2) 목록분석, (3) 영향평가, (4) 결과해석으로 Fig. 1과 같이 총 4단계로 구성된다. 먼저 목적 및 범위 설정 단계에서는 연구의 목적과 결과 활용 방안을 정의하고, 목록분석 단계에서는 설정된 시스템을 대상으로 자료를 수집하고 기능단위에 맞추어 계산하여, 건설자재와 건설공정의 전과정에서 발생하는 환경부하를 정량적으로 산정한다. 영향평가 단계에서는 이렇게 산정된 환경부하가 환경에 미치는 영향을 정량·정성적으로 평가하여, 시스템의 환경영향 수준을 종합적으로 파악한다. 마지막으로 결과해석 단계에서는 목적 및 범위 설정과의 일관성을 검토하면서 목록분석 및 영향평가 결과를 통합적으로 분석하여, 주요 환경영향을 규명하고 이를 바탕으로 결론과 개선방향을 도출한다(Lee et al., 2016).
LCA 수행을 위해서는 제품의 원료 채취부터 제조, 사용, 폐기, 수송까지 전 과정의 데이터가 필요하지만, 현실적으로 모든 자료를 직접 수집하기 어려우므로 신뢰성 있는 전과정 목록(Life Cycle Inventory, LCI) DB를 활용해야 한다. LCI는 제품 1단위(기능단위)를 생산, 사용, 폐기하는 전 과정에서 투입되는 자원과 환경으로 버려지는 오염물질과 폐기물의 발생량을 목록화 한 데이터이며, 국내에서는 한국환경산업기술원이 ISO 14044 절차에 따라 구축한 약 400여 종의 국가 LCI DB가 널리 사용되고 있다.
2.2 터널의 전과정 평가 범위 설정
일반적으로 터널의 전과정은 기획 및 설계, 자재 생산, 시공, 운영 및 유지관리, 수명 종료 및 해체의 연속된 단계로 이해할 수 있다. Jarast et al. (2023)은 터널 전과정을 Fig. 2와 같이 보다 체계적으로 단계를 구분하여 LCA 분석범위 설정하였다.
1. 제조 단계(Product stage, A1–A3), 제조 단계는 원재료 공급(제품 생산에 사용되는 원재료의 채굴, 취급, 가공), 이러한 재료를 공급자로부터 현장까지 운송하는 과정, 그리고 원재료를 제조하는 데 사용되는 에너지(예를 들어 콘크리트의 경우 콘크리트를 저장, 계량, 혼합, 운반하고 콘크리트 플랜트를 가동하는 데 사용되는 에너지)를 포함한다.
2. 시공 단계(Construction process stage, A4–A5), 이 단계에는 터널 시공에 필요한 모든 활동, 예를 들어 토공, 콘크리트 타설, 자재 운반 등이 포함된다.
3. 사용 단계(Use stage, B1–B7), 이 단계는 터널이 철거될 때까지의 사용, 보수, 관리와 관련된 운영을 포함한다. 예를 들어 터널 내 차도 포장 보수, 조명 및 환기 상태의 유지, 관리 등이 여기에 해당한다.
4. 수명 종료 단계(End of life stage), 터널이 사용 수명의 끝에 도달하면 나타나는 마지막 단계이다. 터널 관리 전략에 따라 터널은 보수, 재활용되거나 철거될 수 있으며, 철거된 자재는 재활용되거나 현장에 방치되어 환경 부담을 증가시킬 수 있다.
본 연구에서는 NATM 터널의 시공단계에서 발생되는 일부 CO2배출량과 사용된 자재로 인해 발생되는 CO2배출량 산정식을 제시하기 위해 터널 시공과 직접적으로 관련이 있는 A4–A5 단계를 연구 범위로 선정하였으며, 일부 배출계수 산정을 위해 A1–A3 단계도 검토하였다.
3. 터널 시공 단계에서 발생되는 탄소배출량 계산 모델
국내와 달리 해외에서는 LCA 구조 기반으로 터널 전과정에서 공법별, 단계별로 발생되는 탄소배출량을 정량화 하기 위한 계산 모델 개발연구가 이미 상당 부분 축적 되어있다.
Rodríguez and Pérez (2021)은 터널 건설이 온실가스(GHG) 배출에서 차지하는 비중이 높은 것을 인식하고 터널 시공 단계에서 재래식 공법(천공 발파, 로드헤더, 유압식 브레이커 해머)으로 굴착할 때 배출되는 CO2를 산정할 수 있는 단순화된 전과정평가 계산 모델을 제안하였다. 이 모델은 터널 굴진, 버력 적재 및 운반, 보조 서비스(환기, 배수 등), 사용된 자재(콘크리트 및 강재), 메탄 배출 등 다섯 가지 주요 배출원별로 소비된 디젤, 전기 에너지, 자재의 양을 추정한 뒤 배출계수(전환계수)를 사용하여 CO2배출량 계산 모델을 제시하였다. 또한 실제 터널 데이터를 활용하여 제시한 모델을 검증하였고, 터널의 총 CO2배출량 중 평균 약 80%가 터널 지보재와 라이닝의 주 재료인 콘크리트와 강재의 제조 및 운송 과정에서 발생된다는 결론을 얻었다.
Jarast et al. (2023)은 터널의 전과정 평가를 제품 생산 단계, 시공 공정 단계, 사용 단계, 수명 종료 단계로 구분하여, 제품 생산 단계와 시공 공정 단계를 연구 범위로 설정하였으며, 설정된 연구 범위에서 터널 시공에 사용되는 콘크리트와 철근 등의 자재와 굴착 장비 운용에 따른 CO2배출량을 산정하는 방법을 제시하였다. 또한 Rodríguez and Pérez (2021)의 연구 결과를 토대로 터널 굴착 공법별(천공 발파, 로드헤더, 유압식 브레이크해머, TBM)로 사용되는 연료 및 전력 소비량에 배출계수(전환계수)를 적용하여 탄소배출량 계산 모델을 제시하였다.
Rodríguez et al. (2024)은 터널 건설 프로젝트의 환경 영향을 평가하는 데 필수적인 CO2배출량 문제를 다루며, 특히 TBM을 사용하여 암반을 굴착하는 터널 시공 단계에 초점을 맞추어 탄소 발자국 분석과 이를 쉽고 빠르게 계산할 수 있는 모델을 제안하였다. 이 연구는 TBM 자체의 전기 에너지 소비, 자재 및 잔해물 운송, 환기 및 배수와 같은 보조 요소, 프리캐스트 세그먼트 라이닝을 포함한 주요 건설 요소를 연구 범위로 설정했다. 실제 터널 데이터를 활용하여 제시한 모델을 검증하였고, 터널 시공 과정에서 주요 CO2배출원이 라이닝 공정이라는 점을 밝혀냈다. 또한 라이닝 공정에 의한 CO2배출 비중은 터널 직경과 규모에 달라지는 점을 파악하였으며, 소구경(4–5 m) 터널에서는 약 50%, 대구경(9–10 m) 터널에서는 약 75%까지 증가하는 것으로 나타났다. 그 외 CO2배출 비중은 부대 구조물이 16%, TBM 자체의 운전이 11.2%를 차지하고 나머지 공정들은 1.3–5.7% 범위에 속하는 것으로 나타났다.
4. 국내 배출계수를 적용한 NATM 터널 시공 중 CO2 배출량 산정식
본 연구에서는 Rodríguez and Pérez (2021)의 배출계수(전환계수)를 활용한 CO2배출량 계산 모델과 산정 내용을 준용하였다. 이 연구모델은 각 국가 및 지역의 특성을 고려하여 터널 시공에 수반되는 탄소배출량을 간소화하여 계산할 수 있도록 제안된 것으로, 국내 현실에 적합한 배출계수만 재설정한다면 충분히 국내 현장에서도 사용 가능할 것으로 판단된다. 이에 본 연구는 해당 모델을 기반으로 CO2배출량 산정을 수행하였다. 앞서 언급하였듯 연구 범위는 터널 시공과 직접적으로 관련이 있는 A4–A5 단계로 선정하였으며, 일부 배출계수 선정을 위해 A1–A3 단계도 검토하였다. 배출계수는 해외 논문 및 공식 문서(Rodríguez and Pérez, 2021; UNFCCC, 2022; Jarast et al., 2023)에서 일반적으로 쓰이는 단위로 선정하였다.
NATM 터널 시공 과정에서 온실가스 배출에 직접적인 영향을 미치는 CO2배출원을 천공 발파, 로드헤더, 유압식 브레이크 해머, 콘크리트와 강재 사용으로 인한 CO2배출로 한정하여 산정하였다.
4.1 천공 및 발파를 이용한 굴착(Excavation by drilling and blasting method, D&B)
본 공정에서 발생되는 CO2배출량은 천공 발파에 사용되는 장비들이 소비하는 에너지와 관련이 있으며 발파공 천공을 위한 점보드릴, 장약 작업, 발파 시에 발생되는 CO2로 구분하였다.
점보드릴은 크게 두 가지 배출원을 가진다. 먼저 매 발파 사이클마다 장비를 터널 안으로 진입시키고 다시 밖으로 이동시키는 과정에서 발생하는 경유 연료 소비이다. 장비의 속도가 5–25 km/h로 가정하였을 때, 점보드릴 경유 소비량 DCj (단위: grams) 산정식은 장비의 무게 Mj (단위: tons)와 장비가 왕복 이동하는 거리 2 × d (여기서 d는 작업면으로부터 터널 입구까지의 거리, 단위:km) 그리고 단위 질량 및 단위 거리당 연료 소비량 Cg (단위: g/t × km)의 곱으로 산정되며, 이를 식 (1)과 같이 제시하였다(Rodríguez and Pérez, 2021).
Cg 산정 방법은 Rodríguez and Pérez (2021) 논문의 부록 A를 통해 알 수 있으며, 기존 논문에서는 그램 단위로 산정된 경유 소비량을 리터 단위로 변환하기 위해 경유의 밀도(833 g/L)를 적용하였으나, 본 연구에서는 국가기술표준원 경유(KS M 2610; KATS, 2023b)에서 보고된 경유의 밀도 범위(815–835 g/L) 중 평균 값인 825 g/L을 적용하였다. 따라서 총 경유 사용으로 발생되는 CO2배출량(DEJ) 산정식은 경유 소비량에 배출계수(rD)을 곱하여 식 (2)와 같이 제시하였다.
경유 원료의 전형적인 배출계수(rD) 값은 Shillaber et al. (2016)이 제시한 3.25 kgCO2/L로 보고되었으며, 스페인 같은 경우 López Martínez and Sánchez Alejo (2008)가 수행한 조사에 따라 rD값을 약 2.63 kgCO2/L로 제시하였다. 이처럼 이 값은 적용 지역과 사용되는 데이터에 따라 달라질 수 있다. 이에 본 연구에서는 “2024 국가 온실가스 인벤토리 보고서(GIR, 2025b)”에 제시된 경유의 국가 고유배출계수인 20.09 t C/TJ을 사용하였으며, “EG-TIPS 에너지온실가스 종합정보의 석유환산톤 및 배출량 계산기 플랫폼(KEA, 2025)”을 활용하여 20.09 t C/TJ을 kgCO2/L 단위로 환산하였다. 최종적으로 rD값을 2.6 kgCO2/L로 산정했으며 이를 식 (2)에 적용하였다. 이후 모든 경유를 사용하는 장비에 대해선 위 계산식과 배출계수를 적용하였다.
점보드릴의 두 번째 배출원은 장비 사용에서 소비되는 전력이다. 점보드릴은 발파공 천공을 위해 전력을 사용하며, 전력 소비량 ECJ (단위: kWh)은 식 (3)과 같이 산정할 수 있다(Rodríguez and Pérez, 2021).
여기서 NP는 정격출력(kW), LF는 부하율(%), t는 작업시간을 의미한다. 점보드릴의 총 전력 사용으로 인한 CO2배출량(EEJ) 산정식은 전력 소비량에 전력배출계수(rE)을 곱하여 식 (4)와 같이 제시하였다.
전력 소비량의 전형적인 전력 배출계수(rE)은 스페인의 에너지 다변화 및 절약연구소(IDAE, 2011)에서 제시한 0.267 kgCO2/kWh로 보고되었으며, 이때 전력이 전기 발전기를 통해 생산되는 경우 배출계수는 0.66 kgCO2/kWh까지 올라 갈 수 있다. 반면에 Shillaber et al. (2016)은 전력배출계수를 0.981 kgCO2로 제시하고 있다(Rodríguez and Pérez, 2021). 이처럼 배출계수는 지역별 전력 생산 특성에 따라 달라질 수 있으며, 연구자들은 각기 서로 다른 배출계수를 제시하고 있다. 이에 본 연구에서는 온실가스종합정보센터의 “2024 승인 국가 온실가스 배출계수: 전력배출계수(GIR, 2025a)”에서 제시된 전력배출계수인 0.4517 kgCO2/kWh을 적용하였다. 이후 모든 전력을 사용하는 장비에 대해선 위 계산식과 배출계수를 적용하였다.
점보드릴로 인한 굴착 중 발생하는 총 배출량(TEJ)은 경유 사용으로 인한 CO2배출량(DEJ)과 전력 사용으로 인한 CO2배출량(EEJ)을 더한 값으로 식 (5)와 같다.
장약작업을 하기위한 장약 플랫폼(장약 작업대, 장비 등)은 매 굴진 사이클마다 터널 안으로 진입하고 다시 밖으로 이동하는 과정에서 경유 연료를 소비하게 된다. 이에 따른 장약작업에서 소비되는 경유 연료(DCPL)와 총 배출량(TEPL)은 식 (1), (2)와 동일한 방식으로 식 (6)과 같이 계산된다.
발파에 발생되는 CO2는 터널 시공 시 사용되는 폭약의 양(mexp)과 해당 폭약물의 배출계수(rex)의 곱으로 식 (7)과 같이 산정하였다.
폭약 사용에 대한 배출계수(rex)는 사용된 폭약 1 kg당 약 0.258 kgCO2로 제시되어 있고, 이는 폭약의 제조과정에서 배출되는 배출량을 고려하지 않고 폭발 과정에서 발생되는 가스 배출만을 고려한 것이다. 만약 폭약 제조 과정에서 발생되는 배출량까지 포함할 경우, 해당 배출계수는 폭약 1 kg 당 2.0 kgCO2로 적용되어야 한다고 보고되었다(Rodríguez and Pérez, 2021). 국내에서는 아직 공식적인 폭약과 관련된 배출계수가 명시되어 있지 않으므로 본 논문에서는 국내 터널의 탄소배출량 산정에 활용된 Jang et al. (2023)의 정밀 폭약 배출계수 2.45 kgCO2/kg을 사용하였다.
최종적으로 천공 발파공법으로 인한 굴착 중 발생하는 총 CO2배출량 산정식은 점보드릴과 장약 작업에 필요한 경유 및 전력 소비로 인한 CO2배출량과 발파 시 폭약으로 인해 발생되는 CO2배출량을 합한 것으로 식 (8)과 같이 제시하였다.
4.2 로드헤더를 이용한 굴착(Excavation with roadheader, RH)
로드헤더 장비는 전기모터를 가동하여 커터헤드를 움직이며, 전기모터 가동을 위해 전력을 사용한다. 이에 전력 소비량 ECRH은 식 (3)과 동일한 방식인 식 (9)를 통해 산정할 수 있다(Rodríguez and Pérez, 2021).
최종적으로 로드헤더의 전력 사용으로 인한 CO2배출량 산정식은 전력 소비량에 전력배출계수(rE)을 곱하여 식 (10)과 같이 제시하였다.
4.3 유압식 브레이커 해머를 이용한 굴착(Excavation with hydraulic break hammer, HBH)
유압식 브레이커 해머는 점보드릴과 마찬가지로 경유 엔진을 동력원으로 사용하여 굴착을 수행한다. 전형적인 사양인 중량 1,500 kg, 출력 18 kW의 해머를 25톤급 굴착기에 적용할 경우, 경유 소비량(DCHBH)은 약 36 L/h로 보고되고 있다(Rodríguez et al., 2017). 이를 바탕으로 경유 소비량에 작업시간(t)과 경유 배출계수(rD)을 곱하여 총 경유 사용으로 발생되는 CO2배출량(DEHBH) 식 (11)과 같이 산정하였다.
4.4 지보용 재료 생산 단계 관련 CO2 배출량
Rodríguez and Pérez (2021)에 의하면 터널 시공 단계에서 발생되는 총 CO2 발생량 중 약 80%가 콘크리트와 강재의 운송 및 제조과정에서 발생된다. 이에 본 논문에서는 Fig. 3과 같이 운송과정을 포함한 제조 과정인 A1–A3 단계를 추가로 고려해 재료 사용으로 인한 이산화탄소배출량 산정식을 제시하였다. 기존연구에서는 터널 시공 단계에서의 재료 운송, 버력 운반 및 처리, 기타 서비스 및 터널 설비에서 발생하는 배출량 역시 고려 대상이었으나, 본 연구에서는 국내 배출계수의 적용이 가능한 범위를 대상으로 하되, 터널 시공단계에서 탄소배출 기여도가 가장 큰 재료인 터널 라이닝과 지보에 사용되는 콘크리트와 강재만을 고려하였다.
강지보재, 록볼트, 숏크리트, 콘크리트 라이닝에 각각에 대한 사용량과 배출계수를 산정하여야 하나 데이터의 한계로 인해 강재 사용량(Mst)은 강지보재(Ms)와 록볼트(Mb), 콘크리트 사용량(Mc)은 숏크리트(Msh)와 콘크리트 라이닝(ML)을 포함하는 것으로 가정하였다. 재료 사용으로 인한 총 CO2배출량(ME)은 강지보재, 록볼트를 포함한 강재 배출계수(rst)와 숏크리트, 콘크리트 라이닝을 포함한 콘크리트 배출계수(rc)를 각각의 사용량에 적용하여 식 (12)와 같이 제시하였다(Rodríguez and Pérez, 2021).
현재 국내에서는 Choi et al. (2016)의 건설현장의 CO2 배출 저감형 콘크리트 조달에 관한 사례분석에서 보고된 국가 LCI DB 콘크리트(25-24-150) CO2배출량인 420 kgCO2/m3를 제외하면, 제조 과정 및 운송을 고려한 콘크리트 및 강재에 대한 배출계수가 명확히 명시되고 있지 않은 실정이다. 이에 본 논문에서는 한국환경산업기술원(KEITI, n.d.)의 TOTAL: Tool for Type III Labeling & LCA (Ver. 6.6.2)를 사용하여 A1–A3단계를 고려하였고, 보다 정밀한 계산을 하기 위해 배출계수를 kgCO2 eq/m3, kg 단위로 선정하였다.
먼저 콘크리트 배출계수 산정을 위해 국토교통부 터널 지보재 시공 표준시방서(KCS 27 30 00; MOLIT, 2023)의 일반숏크리트 강도 기준(21 MPa 이상)을 만족하는 24 MPa의 레디믹스트 콘크리트를 적용하였으며, 국토교통부 일반콘크리트 표준시방서(KCS 14 20 10; MOLIT, 2024)에 따라 보통 콘크리트의 굵은 골재 최대 치수가 25 mm인 레디믹스트 콘크리트(25-24)를 TOTAL Ver. 6.6.2에 반영하였다. 이를 통해 제조 및 운송 단계에서 발생되는 콘크리트 탄소배출량을 계산하고 이를 배출계수 단위로 환산하였다. Fig. 4는 TOTAL Ver. 6.6.2을 활용한 레디믹스트 콘크리트 탄소배출량 산정 과정이다.
계산 과정에서 적용된 레디믹스트 콘크리트는 A1–A3단계가 포함된 값으로 정의되어 있어 별도의 재료 및 수송의 추가는 하지 않았다. 이를 통해 콘크리트에 대한 탄소배출량 산출하였고, 보편적인 콘크리트 밀도인 2,400 kg/m3 값을 이용해 배출계수로 환산하였다. 그 결과는 Table 1에 정리하였다.
Table 1.
Carbon emissions of Ready-mixed concrete
| Environmental impact category | Carbon emission (kgCO2 eq/m3) | Concrete emission factor (kgCO2 eq/kg) |
| Carbon footprint | 241.02 | 0.1004 |
다음으로 강재 배출계수를 산정하기 위해 KCS 27 30 00 (MOLIT, 2023)을 참고하여 강재 제원을 설정하였다. 해당 기준에 따르면 강지보재의 재질은 국가기술표준원 일반 구조용 압연 강재(KS D 3503; KATS, 2023a)에 규정된 SS275를 표준으로 적용하며, 이는 봉강에도 적용 가능한 재질로 명시되어 이형봉강을 표준으로 사용하는 록볼트에서도 적용가능 하다고 판단하였다. 이에 본 논문에서는 강지보재 및 록볼트의 강재 제원을 SS275로 설정하였다. KS D 3503 (KATS, 2023a)에 제시된 SS275의 화학성분은 다음 Table 2에 나타내었다.
Table 2.
Chemical composition of SS275
| Symbol of kind | C (%) | Si (%) | Mn (%) | P (%) | S (%) |
| SS275 | ≤0.25 | ≤0.45 | ≤1.40 | ≤0.050 | ≤0.050 |
SS275 강재의 화학성분 기준을 만족시키기 위해 제강 과정에서 망간 성분 조절이 필요하며, 이때 규소 함량의 과도한 증가를 방지하고 망간 함량을 정밀하게 제어하기 위해 합금철로서 페로망간(Ferro manganese, Fe–Mn)이 일반적으로 사용된다. 이에 본 논문에서는 Choi et al. (2010)이 Fig. 5와 같이 제시한 전기로 기반 철근 생산 공정 프로세스를 TOTAL Ver. 6.6.2에 적용하였으며, 이 과정에서 투입 원료 중 합금철은 Fe–Mn을 사용하는 것으로 가정하였다. Fig. 6은 TOTAL Ver. 6.6.2에 구축된 전기로 제강에 의한 철근 생산 프로세스 중 Fe–Mn이 투입물로 포함된 공정을 활용하여 강재의 탄소배출량을 산정하는 과정이다.
계산 과정에서 적용된 철근 생산 공정은 A1–A3 단계가 포함된 값으로 정의되어 있어 별도의 재료 및 수송의 추가는 하지 않았다. 이를 통해 A1–A3 단계에서 발생되는 강재에 탄소배출량을 토대로 강재 배출계수를 산정하였다. 산정된 값은 Table 3에 정리하였다.
Table 3.
Carbon emissions of steel
| Environmental impact category | Steel emission factor (kgCO2 eq/kg) |
| Carbon footprint | 0.4378 |
최종적으로 콘크리트와 강재 사용량으로 발생되는 CO2배출량 산정식은 식 (13)과 같이 제시하였다.
추가적으로, 재료 사용량과 장비 부하율(LF, %), 점보드릴 천공 작업에 소요되는 시간, 로드헤더 굴착 시 작업시간 등과 같은 세부 입력값의 산정이 필요하며, 이러한 값들은 모두 터널 지층의 RMR을 고려하여 설정되어야 한다. 천공 작업의 경우 일반적으로 RMR이 높을수록(암질이 양호할수록) 천공 속도는 감소하고, RMR이 낮을수록(암질이 불량할수록) 비교적 빠르게 천공할 수 있는 경향이 있다. 로드헤더 굴착의 경우에는 암질이 양호한 구간에서는 굴착 작업이 주가 되어 장비 가동시간이 증가하지만, 암질이 불량한 구간에서는 막장 지보 설치에 소요되는 시간이 커지면서 로드헤더의 순수 가동시간은 상대적으로 감소할 수 있다. 따라서 실제 현장에서 작업시간을 측정한 후, 이를 반영하여 배출량을 평가하는 것이 바람직하다.
5. 탄소배출량 산정식의 비교 분석
Rodríguez and Pérez (2021)가 제안한 탄소배출량 산정 모델은 스페인 북서부에 위치한 실제 터널의 건설 데이터(폭약 사용량, 연료 소비량, 콘크리트 투입량 등)와 비교하여 검증하였으며, 모델의 예측치는 실제 배출량과 높은 수준의 일치도를 보여 신뢰성을 입증하였다. 따라서 신뢰성을 입증한 기존 연구의 산정 모델과 본 논문에서 제시한 산정식을 Table 4와 같이 정리하였다.
Table 4에 따르면 경유, 전력, 폭약, 콘크리트와 강재에 대한 배출계수 값에 차이가 있으며, Table 5에 경유의 밀도 및 배출계수들의 차이를 비교 분석하였다. 이때 전력 배출계수는 0.267–0.660 kgCO2/kWh의 평균 값인 0.4653 kgCO2/kWh으로 비교하였다. 또한 콘크리트 및 강재 배출계수는 kgCO2 eq/kg 단위로 구축하였으나, 비교군 문헌은 kgCO2/kg 단위로 보고되어 단위 정합화에 한계가 있었다. 따라서 본 연구는 해당 비교를 절대값의 등가 비교로 해석하지 않고, 배출계수의 규모가 합리적인 범위 내에 있는지 확인하기 위한 참고 비교 목적으로 분석을 수행하였다.
Table 4.
Comparison between the South Korean CO2 estimation equation and the Rodríguez and Pérez’s equations (2021)
| Category | Task | Fuel (liters) | Electricity (kWh) | Materials (kg) | Explosive (kg) |
| LCA system boundary | A4–A5 | A4–A5 | A1–A5 | A4–A5 | |
|
South Korea | Excavation | ||||
| Jumbo drill | DEJ = (DCj/825) × 2.6 | EEJ = ECJ × 0.4517 | - | - | |
| Platform | TEPL = (DCPL/825) × 2.6 | - | - | - | |
| Explosive | - | - | - | Eexp = mexp × 2.45 | |
| Roadheader | - | EERH = ECRH × 0.4517 | - | - | |
| Break hammer | DEHBH = 36 × t × 2.6 | - | - | - | |
| Materials | |||||
| Concrete | - | - | Mc × 0.1004 | - | |
| Steel | - | - | Mst × 0.4378 | - | |
| Rodríguez and Pérez (2021) | Excavation | ||||
| Jumbo drill | DEJ = (DCj/833) × 2.63 | EEJ = ECJ × (0.267–0.660) | - | - | |
| Platform | TEPL = (DCPL/833) × 2.63 | - | - | - | |
| Explosive | - | - | - | Eexp = mexp × 0.258 | |
| Roadheader | - | EERH = ECRH × (0.267–0.660) | - | - | |
| Break hammer | DEHBH = 36 × t × 2.63 | - | - | - | |
| Materials | |||||
| Concrete | - | - | Mc × 0.159 | - | |
| Steel | - | - | Mst × 0.1.63 | - | |
Table 5.
Comparison between the South Korean emission factor and the Rodríguez and Pérez’s emission factor (2021)
| LCA system boundary | Elements | Symbol | Units | Emission factor |
Difference (%) | |
| South Korea | Rodríguez and Pérez (2021) | |||||
| A4–A5 | Density of diesel | - | g/L | 825 | 833 | 0.96 |
| Diesel engines | rD | kgCO2/L | 2.6 | 2.63 | 1.14 | |
| Electricity | rE | kgCO2/kWh | 0.4517 |
0.267-0.660 (Ave. 0.4635) | 2.54 | |
|
Explosive (energy) | rex | kgCO2/kg | 2.45 | 0.258 | 849.61 | |
| 2 (include A1–A3 Stage) | 22.5 | |||||
| A1–A3 | Concrete manufacturing | rc | kgCO2/kg | 0.1004 | 0.159 | 36.86 |
| Steel manufacturing | rst | kgCO2/kg | 0.4378 | 1.63 | 73.14 | |
국내 적용 가능한 배출계수들과 Rodríguez and Pérez (2021)에서 사용된 계수를 비교한 결과, 밀도, 경유, 전력, 콘크리트 부문에서는 전반적으로 큰 차이가 나타나지 않았다. 반면, 폭약 및 강재 부분에서는 상대적으로 큰 차이가 확인되었다. 폭약의 경우, 기존 비교군이 폭약 제조과정을 포함하지 않은 배출계수였기 때문에 차이가 크게 나타난 것으로 판단된다. 이에 폭약 제조과정까지 포함한 배출계수인 2.0 kgCO2/kg을 비교군으로 재분석한 결과, 차이는 22.5%로 나타나 비교군 대비 크게 벗어나지 않는 수준임을 확인하였다. 강재의 경우, 배출계수의 차이는 약 73.14%가 나타났으며, 이는 국내 배출계수가 전기로(EAF) 기반의 철근 생산 공정을 전제로 산정된 반면, 해외 배출계수는 고로(BF-BOF) 기반 생산을 포함하거나 이를 전제로 했을 가능성이 크기 때문이라고 판단된다. 아울러 강재의 제품 종류(규격, 제원) 및 수송 조건(거리, 운송수단) 차이 역시 배출계수 격차를 확대하는 요인으로 작용했을 가능성이 있다. Choi et al. (2010)은 2004–2006년 기간 동안 국내 제강소를 대상으로 철근 생산의 전 과정에 대한 CO2배출원 단위를 연도별로 산정하였으며, 그 평균값은 0.3416 kgCO2/kg로 보고하였다. 이는 본 논문에서 산정한 강재 배출계수와 큰 차이가 없으므로, 본 배출계수는 국내 적용 측면에서는 합리적인 수준으로 판단된다.
6. 결 론
본 연구에서는 국내 적용 가능한 NATM 터널의 시공단계에서 발생되는 일부 CO2배출량과 사용된 자재로 인해 발생되는 CO2배출량 산정식을 제시하기 위해 국가 고유 배출계수를 2024 국가 온실가스 인벤토리 보고서, 기후에너지환경부의 2024 승인 국가 온실가스 배출계수와 한국환경산업기술원에서 제공하는 TOTAL Ver. 6.6.2을 활용해 배출계수를 구축하였다. 그 결과, 경유 배출계수는 2.6 kgCO2/L, 전력 배출계수는 0.4517 kgCO2/kWh, 콘크리트 배출계수는 0.1004 kgCO2 eq/kg, 강재 배출계수는 0.4378 kgCO2 eq/kg로 국가 고유 배출계수를 선정하였고, 폭약 배출계수는 국내 연구인 Jang et al. (2023)의 2.45 kgCO2/kg을 산정식에 적용하였다. 구축된 CO2배출계수를 기반으로, 터널 시공 단계에서 천공 및 발파를 이용한 굴착, 로드헤더를 이용한 굴착, 유압식 브레이커 해머를 이용한 굴착 시 발생되는 CO2배출량 산정식과 재료 사용으로 인한 CO2배출량 산정식을 제시하였다.
본 연구는 실증 검증이 완료된 Rodríguez and Pérez (2021)의 CO2배출량 계산 모델의 배출계수와 비교 분석을 수행하였으며, 그 결과 강재 외엔 배출계수 값에 큰 차이가 나지 않는 걸로 분석되었다. 이에 본 연구에서 제시한 NATM 터널의 시공단계에서 발생되는 CO2배출량 계산 모델은 국내 터널 현장에서 배출량을 간편하게 산정하기 위한 기초 모델로 활용될 수 있다고 판단하였다.
본 논문은 아직 연구가 많이 수행되지 않은 국내 터널 내 탄소배출 분야와 관련된 기존 해외 연구 사례들을 분석함으로써 관련 연구자들이 참고할 수 있는 기본 개념과 기본식의 틀을 제시하고 있으며 국가 고유 배출계수를 구축하고 이를 정리함에 있어 의의가 있다고 판단하였다.
본 연구에서 제시된 탄소배출량 산정 모델은 아직 국내 현장에 적용되지 않아 신뢰성 확보가 어려운 실정이며, 추가 연구로서 현장 실증 검증에 관한 연구가 필요하다. 또한 본 연구 범위인 A1–A5 단계를 넘어 사용, 유지단계와 폐기 단계까지 고려하는 탄소배출량 산정식을 구축해야 하며, 터널 전과정에 필요한 국가 고유의 탄소배출 원단위를 추가적으로 구축해 터널의 Life Cycle 전과정에 대한 종합적인 관리 방안을 수립해야 할 필요성이 있다고 판단하였다.
