전과정평가(LCA)에 기초한 유우 시스템의 지구온난화 영향 산정, 기준 흐름 정의 및 불확실성 분석
Life Cycle Assessment of the dairy cow system focused on the global warming impact, reference flow definition and uncertainty analysis
- 주제(키워드) LCA (life cycle assessment) , Global Warming Impact , Reference Flow Definition , Uncertainty Analysis , dairy cow systeme
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 이 건 모
- 발행년도 2012
- 학위수여년월 2012. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 환경공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000012964
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
2050년 전세계 온실가스 배출량은 현재 (2011년) 에 비해 50 % 가량 증가될 것으로 예상되고 있다(OECD, 2011). 특히 축산업 및 농업분야에서 배출되는 아산화질소(N2O), 메탄(CH4)은 전세계 온실가스 배출량의 10~14 %으로 보고되고 있다. 이에 이 논문은 유우(dairy cow)의 장내발효(enteric fermentation)와 분뇨처리(manure management) 단계에서 발생되는 N2O 및 CH4 에 의한 지구온난화 영향뿐만 아니라 유우 시스템의 전과정 단계에서 발생되는 지구온난화 영향을 LCA (Life Cycle Assessment)에 기초하여 정량적으로 산정할 수 있는 방법을 제안하는 것을 목적으로 설정하였다. 이를 위하여 기준 흐름(reference flow) 정의, 지구온난화 영향 산정 및 산정 결과의 불확실성 분석 등 세 가지 주제를 선정하여 연구를 수행하였다. 첫째, 평가 대상인 유우의 특성이 반영된 기준 흐름 정의 접근법(approach)으로써 main-reference flow and sub-reference flow 접근법은 다음의 근거를 토대로 제안하였다. 1) 유우의 장내발효 및 분뇨처리로 기인하는 지구온난화 영향 산정을 위해서는 사육 두수(head) 기준으로 산정되어야 하지만 일반적으로 유우의 전과정평가 수행 시 사용되는 기준 흐름은 목장(farm) 이다. 2) 유우를 대상으로 기능 단위(functional unit)를 원유 1 kg으로 정의하고 기준 흐름을 유우 한 마리와 목장으로 각각 정의하여, 3곳의 목장에 적용하여 지구온난화 영향을 비교한 결과, 두 기준 흐름의 차이가 0.8 % ~ 9.1 %으로 나타났다. 둘째, 유우의 전과정을 고려한 지구온난화 영향 산정을 위한 산정식 및 산정도구를 제안하였다. 유우의 지구온난화 영향을 산정하는 방법은 크게 둘로 구분 된다. 전과정평가을 활용한 전과정의 지구온난화 영향 산정과 IPCC의 산정식을 통한 장내발효와 분뇨처리로 기인하는 지구온난화 영향 산정이다. 이 논문은 서로 다른 두 방법을 활용하여 유우의 전과정을 고려한 지구온난화 영향 산정 방법을 제안하였다. 제안한 방법과 기존 전과정평가를 통하여 산정 방법과의 차이점은 두 가지이다. 1) 유우 사료원 생산 단계의 지구온난화 영향 및 총 에너지를 정량화하기 위하여 성장단계별 사료(feed)를 구성하는 사료원(feedstuff)의 비율을 반영할 수 있는 Eq. (10), (11)를 제안하였다. 성장단계의 급여(feeding)에 의한 지구온난화 영향을 정량화 할 수 있는 Eq. (13)을 제안하였다. Eq. (10), (11) 및 (13) 을 이용하여 상위흐름인 사료생산 단계와 성장단계를 연계시키는 matrix를 제안하였다. 2) IPCC에서 제안한 장내발효로 인한 지구온난화 영향 산정에는 총 8 개의 Eq. 을 통하여 총 에너지(gross energy)를 산정하여야 하는데, 이 논문에서는 총에너지를 Eq. (11)와 Eq. (15)을 이용하여 산정하였다. 이를 IPCC의 변형된 Eq. (14)에 대입하여 장내발효에 의한 지구온난화 영향 산정 절차를 간소화 하였다. 또한 제안한 방법을 구현하는 도구인 “Greenhouse gas accounting tool”을 “Excel”기반과 “PC(personal computer)기반으로 각각 개발하였다. 셋째, 산정된 결과의 불확실성을 분석하기 위하여 분석 대상 모수를 선정하는 방법을 제안하였다. 이 방법은 Maurice(2000)이 제안한 방법을 개선한 방법으로 다음의 두 가지 주요 측면을 내포하고 있다. 1) 전과정평가의 기여도 분석(contribution analysis)을 통한 주요 모수(parameter)를 규명하여, 정성적 데이터 품질평가(data quality assessment) 대상으로 선정하였다. 2) 평가 대상 시스템의 특성 (여기서는 유우시스템)을 반영한 데이터 품질 평가항목의 일대일비교(Pair-wise comparison of attributes)를 통하여 이들 항목의 가중치를 도출하는 방법을 제안하였다. 평가 항목을 열(column)에 주요모수를 행(row)에 배치하여 QFD (Quality Function Deployment) matrix에 기초한 데이터 품질평가 방법을 제안하였다. 이때 평가항목의 가중치를 활용하여 주요 모수 별 상대적 중요도를 계산하여 불확실성이 높은 모수를 규명할 수 있게 하였다. 여기서 도출된 모수가 정량적 불확실성 분석 대상이 된다. 결론적으로, 이 논문에서는 유우 시스템의 지구온난화에 미치는 영향 정량화 시 새로운 기준 흐름 접근 방안(main-reference flow and sub-reference flow approach)을 제안하였다. 또한, 전과정 단계별 지구온난화 영향 산정을 위하여 온실가스 배출원 및 산정식을 규명하여, 상위 흐름 연결 matrix 및 산정 도구(greenhouse gas accounting tool)를 제안하였고, 산정 결과의 불확실성을 분석하기 위한 불확실성 분석 대상 모수 선정 절차를 제안하였다.
more목차
국문요약 ⅰ
List of Tables ⅵ
List of Figures ⅷ
Ⅰ. 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 문제 제기 4
1.3 연구 목적 7
1.4 논문 구성 8
Ⅱ. 문헌 연구 11
2.1 전과정평가의 기능 단위 및 기준 흐름 12
2.1.1 제품군별 기능 단위 및 기준 흐름 15
2.1.2 기능 단위 및 기준 흐름 의미 재해석 17
2.2 유우 시스템의 특성 및 전과정 사고 21
2.2.1 유우 시스템의 전과정 사고(life cycle thinking) 21
2.2.2 축산업의 전과정평가 연구 현황 분석 25
2.2.3 국외 축산업의 GHG tool 분석 28
2.2.4 유우 생산품의 품질을 고려한 기능 단위 30
2.3 전과정평가의 불확실성 유형 32
2.3.1 불확실성의 유형 및 출처 33
2.4. 전과정평가의 불확실성 기법 및 절차 36
2.4.1 불확실성 분석 기법 36
2.4.2 몬테카를로 시뮬레이션을 활용한 불확실성 분석 37
Ⅲ. 기능 단위 및 기준 흐름 분석 45
3.1 기능 단위 및 기준 흐름 차이에 따른 전과정평가 결과 분석 46
3.1.1 기능 단위 및 기준 흐름 정의 별 가정 및 투입 데이터 49
3.2 유우 시스템의 특성을 반영한 기능 단위 및 기준 흐름 정의 근거 및 절차 제안 55
3.2.1 유우 시스템의 특성을 반영한 기능 단위 및 기준 흐름 정의 근거 55
3.2.2 유우 시스템의 특성을 반영한 기능 단위 및 기준 흐름 정의 절차 61
Ⅳ. 유우 시스템의 지구온난화 영향 산정 방법 63
4.1 유우 시스템의 지구온난화 영향 산정 방법 개요 64
4.2 유우 시스템의 온실가스 배출원 및 산정식 규명 66
4.2.1 유우 시스템의 온실가스 배출원 규명 66
4.2.2 기능 단위 및 기준 흐름 67
4.2.3 유우 시스템 경계 정의 67
4.2.4 유우 시스템의 전과정 단계별 산정식의 전제 조건 68
4.2.5 유우 시스템의 전과정을 고려한 지구온난화 영향 산정을 위한 산정식 도출 69
4.2.6 유우 시스템의 전과정 단계별 투입 데이터 분류화 76
4.3 유우 시스템의 지구온난화 영향 산정 도구 개발 77
4.3.1 입력 데이터와 DB 정의 77
4.3.2 excel 기반의 축산업의 지구온난화 영향 산정 도구 개발 78
4.3.3 PC 기반의 유우 시스템의 지구온난화 영향 산정 도구 개발 81
4.4 유우 시스템의 지구온난화 영향 산정 방법에 따른 결과 비교 82
4.4.1 IPCC tier 1 방법과의 비교 82
4.4.2 장내발효로 인한 지구온난화 영향 산정 결과 비교 85
Ⅴ. 전과정평가의 불확실성 분석 방법 87
5.1 전과정평가의 불확실성 분석 방법 개요 88
5.2 전과정평가의 기여도 분석 89
5.2.1 기여도 분석 90
5.3 상대적 중요도를 적용한 데이터 품질 평가 및 분석 대상 투입 데이터 선정 91
5.3.1 데이터 품질 평가 기준 91
5.3.2 투입 데이터의 상대적 중요도 도출 92
5.4 분석 대상 투입 데이터의 확률분포 선정 및 시뮬레이션 95
5.4.1 분석 대상 투입 데이터의 확률분포 선정 95
5.4.2 몬테카를로를 활용한 시뮬레이션 수행 98
Ⅵ. 사례연구 99
6.1 main-reference flow and sub-reference flow 접근법 100
6.1.1 대상 목장의 일반적인 정보 100
6.1.2 main-reference flow and sub-reference flow 접근법 적용 101
6.2 유우의 지구온난화 영향 산정 103
6.2.1 유우의 전과정 규명 및 시스템 경계 정의 103
6.2.2 투입 데이터의 정의 104
6.2.3 유우 목장의 지구온난화 영향 산정 109
6.3 지구온난화 영향 산정 결과의 불확실성 분석 113
6.3.1 기여도 분석 113
6.3.2 데이터 품질 평가 116
6.3.3 확률분포 선택 118
6.3.4 몬테카를로 시뮬레이션 수행 118
Ⅵ. 결론 및 향후 연구 121
Ⅷ. 참고문헌 125
Abstract 135
Appendix 137
