2.1 FuelEU Maritime
FuelEU Maritime은 해상교통에서의 재생가능 및 저탄소 연료사용을 규제하는 것을 목표로 하는 제도이다 (Kim, 2022).
FuelEU Maritime (European Parliament and Council, 2023)은 선박의 등록된 기국에 관계없이 EU에 운항하는 총톤수 5,000 이상의 모든 선박의 (1) 유럽경제지역(EEA, European Economic Area) 관할 기항지(port of call)에서 머무르는 동안 사용된 에너지의 100%, (2) EEA 관할 기항지에서 EEA 관할 기항지까지의 운항에서 사용된 에너지의 100%, (3) EEA 관할 최외곽 지역(outermost region)에 위치한 기항지로 도착 또는 기항지에서 출발한 운항에서 사용된 에너지의 50% 그리고 (4) EEA 관할 기항지에서 출발하여 제3국의 관할 기항지로 도착 또는 제3국의 관할 기항지에서 출발하여 EEA 관할 기항지로 도착하는 운항에서 사용된 에너지의 50%에 대해 적용된다. 여기서 기항지의 정의는 화물의 선하역 또는 승객의 승하선을 위한 정박을 의미하며, 재급유, 보급품 수령 등을 위한 정박 및 제2조(2)에 따른 인근컨테이너환적항(neighbouring container transhipment)에 대한 컨테이너선의 정박은 해당하지 않는다.
온실가스는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4) 및 아산화질소(N2O)를 포함한다. 온실가스 집약도(GHG intensity)는 선박에서 사용된 에너지 당 WtW 기반의 온실가스 배출량(gCO2eq/MJ)으로 표현되며, 식 (1)과 같이 FuelEU Maritime의 Annex I에 명시된 계산 방법론에 따라 식 (2)에 따른 WtT 및 식 (3)에 따른 TtW에 대한 계산 결과의 합계에 풍력추진에 대한 보상계수(fwind)를 적용하여 계산된다. 이와 함께, 온실가스 집약도 계산에서 2033년까지 소위 e-fuel로 표현되는 비생물학적 기원의 재생에너지 연료(RFNBO, Renewable Fuels of Non-Biological Origin)를 사용한 선박은 RFNBO 연료의 사용량을 2배로 산정해주는 보상계수 2(RWD)가 적용된다. 2034년부터는 선박에서 사용하는 연간 평균 에너지량의 최소 2%를 RFNBO 연료로 의무적으로 사용해야 한다.
GHGintensity =fwind ×WtT+TtW | (1)
|
WtT=∑in fuel Mi×CO2eqWtT,i×LCVi∑in fuel Mi×LCVi×RWDi+∑kcEk+∑kcEk×CO2eqelectricity,k∑in fuel Mi×LCVi×RWDi+∑kcEk | (2)
|
TtW=∑in fuel ∑jm engine Mi,j∑infuelMi×LCVi×RWDi+∑kcEk×1-1100Cslip j×CO2eq, TtW,i,j∑in fuel Mi×LCVi×RWDi+∑kcEk+1100Cslip j×CO2eqTtW, slip,i,j∑in fuelMi×LCVi×RWDi+∑kcEk | (3)
|
여기서, i는 연료 종류, j는 연료 소모원, k는 육상전력공급시설 연결점, n은 연료 종류의 총개수, c는 육상전력공급시설 연결점의 총개수, m은 연료 소모원의 총개수, M은 연료소모량(gFuel), E는 육상전력공급시설의 전력공급량(MJ), CO2eq WtT는 WtT 온실가스 배출계수(gCO2eq/MJ), CO2eq electricity는 육상전력공급시설의 전력공급량에 대한 WtT 온실가스 배출계수(gCO2eq/MJ), LCV는 저위발열량(MJ/gFuel), Cslip은 비산과 슬립 배출량에 의한 연료 손실 계수(%), CO2eq,TtW는 식 (4)에 따라 계산되는 TtW 온실가스 배출계수(gCO2eq/gFuel) 그리고 CO2eq,TtW,slip은 식 (5)에 따라 계산되는 슬립 연료에 대한 TtW 온실가스 배출계수(gCO2eq/gFuel)를 의미한다. 식 (1)에서 분자항의 Ek×CO2eq electricity,k에 대해서는 0을 적용한다.
CO2eq,TtW,i,j=CfCO2,j×GWPCO2+CfCH4,j×GWPCH4+CfN2O,j×GWPN2Oi | (4)
|
여기서, CfCO2, CfCH4 및 CfN2O는 TtW 온실가스 배출계수(gGHG/gFuel)을 의미하며, GWPCO2, GWPCH4 및 GWPN2O는 100년 기준의 지구온난화지수(GWP, Global Warming Potential)를 의미한다. 온실가스 배출량은 CO2를 기준 물질로 하여, 특정 물질의 단위 질량이 선택된 시간 동안 누적된 복사 강제력을 측정하는 지표인 지구온난화지수(GWP, Global Warming Potential)에 기반한 가중치를 사용하여 CO2 환산(CO2eq) 배출량으로 정량화된다(IPCC, 2014). FuelEU Maritime은 European Parliament and Council (2018)에 명시된 100년 기준의 지구온난화지수를 사용할 것을 요구하고 있다. 그러나, European Parliament and Council (2018)과 IPCC의 5차 평가보고서 (IPCC, 2014)에서 제시하는 지구온난화지수가 다르다. EU MRV에서는 IPCC의 5차 평가보고서에 따른 지구온난화지수의 적용을 요구 (European Commission, 2020)하고 있으며 European Parliament and Council (2018)도 이를 반영하여 개정될 계획을 고려하여, 본 연구에서는 CO2에 대해 1, CH4에 대해 28 및 N2O에 대해 265를 지구온난화지수로 적용하였다.
CO2eq,TtW,slip,i,j=Cs,fCO2,j×GWPCO2+Cs,fCH4,j×GWPCH4+Cs,fN2O,j×GWPN2Oi | (5)
|
여기서, CsfCO2, CsfCH4 및 CsfN2O는 슬립 연료에 대한 TtW 온실가스 배출계수(gGHG/gFuel)로서 CsfCO2 및 CsfN2O는 0을 적용하며, CsfCH4는 1을 적용한다.
FuelEU Maritime의 Annex II는 WtW 온실가스 집약도를 계산하기 위한 각 연료 종류에 대한 저위발열량(LCV, Lower Calorific Value), WtT 온실가스 배출계수 및 TtW 온실가스 배출계수에 대한 기본계수를 제시하고 있다. 비산과 슬립 배출량에 의한 연료 손실(Cslip)은 기본계수 대신 인증된 시험 값을 적용할 수도 있다.
보고 기간에 선박에서 사용된 에너지의 연간 평균 온실가스 집약도는 Table 1에 제시된 해당연도의 온실가스 집약도 제한치를 초과해서는 안 된다.
Table 1
GHG intensity limit of FuelEU Maritime
Percentage of GHG intensity limit |
Required value
(gCO2eq/MJ) |
Reference value |
91.16 |
-2% from 1 January 2025 |
89.34 |
-6% from 1 January 2030 |
85.69 |
-14.5% from 1 January 2035 |
77.94 |
-31% from 1 January 2040 |
62.90 |
-62% from 1 January 2045 |
34.64 |
-80% from 1 January 2050 |
18.23 |
온실가스 집약도 제한치 및 2034년부터의 RFNBO 연료의 의무사용 규제 달성 정도로 계산되는 의무준수 잔고(CB, compliance balance)는 FuelEU Maritime의 Annex IV A 부분에 따라 식 (6)으로 계산된다.
CBgCO2eq=GHGIEtarget - GHGIEactual×∑in fuel Mi×LCVi+∑kcEk | (6)
|
여기서, GHGIEtarget은 온실가스 집약도 제한치(gCO2eq/MJ)이며, GHGIEactual은 선박의 온실가스 집약도(gCO2eq/MJ)이다.
의무준수 잔고가 양(+)의 값을 가지면, 의무준수 잉여금(compliance surplus)이라고 하며, 음(-)의 값을 가지면, 의무준수 결손금(compliance deficit)이라고 한다. 의무준수 잉여금 및 결손금은 FuelEU Maritime의 Annex IV B 부분에 따라 식 (7)을 적용하여 FuelEU 벌금(penalty)을 계산한다. 해운회사는 의무준수 결손금에 대해 자신에게 정해진 EU 회원국에 벌금으로 납부하거나 다음 보고 기간에 대한 의무준수 잔고에서 1.1을 곱한 사전 의무준수 잉여금을 차입(borrowing)해서 해당 보고 기간에 대한 의무준수 결손금을 대체할 수도 있다. 단, 사전 의무준수 잉여금의 차입 한도는 해당 보고 기간의 온실가스 집약도 제한치에 선박의 에너지사용량을 곱한 값의 2%를 초과할 수 없고, 2년 연속 차입할 수 없다. 보고 기간에 의무준수 잉여금이 발생한 경우, 해운회사는 다음 보고 기간의 의무준수 잔고로 이월(banking)할 수 있다. 이와 함께, 두 척 이상 선박의 의무준수 잔고는 통합(pooling)될 수 있다. 즉, 의무준수 잉여금을 가진 선박이 해당 잉여금을 의무준수 결손금을 가진 선박에 이전하여 해당 결손금을 대체할 수 있다. 단, 의무준수 잉여금을 이전해줄 수 있는 한도는 의무준수 잉여금을 이전해주는 선박의 의무준수 잔고에서 의무준수 결손금이 발생하면 안 된다.
FuelEUPenalty =CBGHGIEactual ×41000×2400 | (7)
|
FuelEU 벌금의 단위는 유로(EUR)이며, 41000은 41000MJ에 대한 VLSFO 1톤을 의미하며, 2400은 VLSFO 1톤에 상응하는 유로(EUR)로 지불되야 하는 금액이다.
2.2 연구방법론
FuelEU Maritime은 해양 연료를 저탄소 대체연료로 전환을 촉진하는 것이 규제의 목표다. 따라서 본 연구는 해양 연료 전환을 통한 FuelEU Maritime 규제 달성에 초점을 맞추어 수행하였다.
본 연구에서는 FuelEU Maritime의 Annex II에서 제시되는 연료 종류 중 해사 산업계에서 관심도를 고려하여 Table 2와 같이 18종을 분석 대상으로 선정하였다. LNG 연료의 경우에는 대표적인 연소방식의 세부 분류를 포함하였다.
Table 2
Factors for fuel types under analysis
Fuel class |
Fuel name |
LCV
(MJ/g) |
CO2eq WtT
(gCO2eq/MJ) |
Cf CO2 TtW
(gCO2/gFuel) |
Cf CH4 TtW
(gCH4/gFuel) |
Cf N2O TtW
(gN2O/gFuel) |
Cslip
(%) |
Fossil fuels |
HFO |
0.0405 |
13.5 |
3.114 |
0.00005 |
0.00018 |
- |
MDO/MGO |
0.041 |
13.2 |
3.151 |
0.00005 |
0.00018 |
- |
LNG Otto
(dual fuel medium speed) |
0.0491 |
18.5 |
2.75 |
0 |
0.00011 |
3.1 |
LNG Otto
(dual fuel slow speed) |
1.7 |
LNG Diesel
(dual fuel) |
0.2 |
Biofuels |
Bio-diesel
(waste cooking oil) |
0.037 |
-61.69 |
2.834 |
0.00005 |
0.00018 |
- |
Bio-diesel
(animals fats from rendering) |
-55.79 |
Bio-LNG Otto
(dual fuel medium speed) |
0.05 |
-41.0 |
2.750 |
0 |
0.00011 |
3.1 |
Bio-LNG Otto
(dual fuel slow speed) |
1.7 |
Bio-LNG Diesel
(dual fuel) |
0.2 |
Bio-methanol |
0.02 |
-58.35 |
1.375 |
0.00014 |
0.00005 |
- |
RFNBO |
e-diesel |
0.0427 |
-47.6 |
3.206 |
0.00005 |
0.00018 |
- |
e-methanol |
0.0199 |
-67.1 |
1.375 |
0.00014 |
0.00005 |
- |
e-LNG Otto
(dual fuel medium speed) |
0.0491 |
-26.6 |
2.750 |
0 |
0.00011 |
3.1 |
e-LNG Otto
(dual fuel slow speed) |
1.7 |
e-LNG Diesel
(dual fuel) |
0.2 |
e-H2
(fuel cells) |
0.12 |
3.6 |
0 |
0 |
0 |
- |
e-NH3 |
0.0186 |
0 |
0 |
0 |
0.00037 |
- |
FuelEU Maritime의 Annex II는 온실가스 집약도를 계산하기 위한 기본계수를 제시하고 있으나, 일부 계수의 경우에는 요구되는 다른 관련 규정을 따르거나 직접측정(TBM, To Be Measured) 또는 이용불가(N/A, Not Available)로 명기된 사항이 있으므로, 완전한 분석을 위해서는 이러한 기본계수가 제시되지 않은 계수에 대한 정립이 필요하며, 최종 정립된 결과는 Table 2와 같다.
LNG의 경우, 비산과 슬립 배출량에 의한 연료 손실(Cslip)은 연소방식에 따른 기본계수 대신 인증된 시험 값을 적용할 수도 있으나, 본 연구에서는 기본계수를 적용하였다.
바이오 연료 및 RFNBO 연료의 경우에는 모두 지속가능성 기준을 충족한다고 가정하였다. EU는 온실가스 배출량 절감 기준(greenhouse gas emissions saving criteria)을 바이오 연료에 대해 최소 65% 및 RFNBO 연료에 대해 최소 70%를 달성할 것을 규정한다 (European Parliament and Council, 2018). 온실가스 배출량 절감 기준의 달성 여부를 판단하기 위한 기준 연료는 IMO의 바이오 연료의 사용 임시지침 (IMO, 2023b)에서 제시하는 MGO의 WtW 온실가스 집약도인 94gCO2eq/MJ로 정하였다. 이에 따라 바이오 연료는 32.9gCO2eq/MJ 및 RFNBO 연료는 28.2gCO2eq/MJ로 온실가스 배출량 절감 기준을 설정하였다.
바이오 연료와 관련하여, 저위발열량은 FuelEU Maritime의 요구사항에 따라 European Parliament and Council (2018)의 Annex III에 따라 정하였으며, WtT 온실가스 배출계수(gCO2eq/MJ)는 식 (8)을 적용하여 도출하라고 요구하고 있다.
여기서 E는 액체 바이오 연료에 대해서는 European Parliament and Council (2018)의 Annex V의 Part C 및 바이오 LNG에 대해서는 Annex VI의 Part B에 제시된 방법론에 따라 정해진 값(gCO2eq/MJ)을 의미한다. E에서 TtW CO2 배출계수 및 저위발열량 값의 비율을 빼는 이유는 E는 WtW에 대한 계산 값이지만, FuelEU Maritime에서는 WtW 및 TtW를 분리하여 계산하므로 배출량의 이중계산을 피하기 위함이다.
바이오 디젤의 경우, 가장 감축 효과가 높은 폐식용유(waste cooking oil)와 함께, 폐식용유 기반의 bio-diesel은 높은 가격 및 공급 가능성의 불확실성을 고려하여 현실적인 측면의 바이오 디젤의 감축 효과를 검토하기 위해 온실가스 배출량 절감 기준을 달성하는 바이오 연료 중 가장 높은 온실가스 집약도(온실가스 감축 효과가 낮은)를 가지는 동물지방추출(animals fats from rendering)을 함께 대상 연료로 정하였다. 바이오 LNG의 경우, 바이오 폐기물에서 생산된 바이오 메탄 생산시스템에서 온실가스 배출량 절감 기준을 달성하는 close digestate, off-gas combustion 기술적 옵션을 가진 연료생산 유형을 대상 연료로 선정하였다. 바이오 메탄올의 경우, 펄프 공장과 통합된 black-liquor 가스화를 통한 메탄올을 대상 연료로 선정하였다.
RFNBO 연료의 경우, WtT 온실가스 배출계수(gCO2eq/MJ)에 대해 FuelEU Maritime에서는 European Parliament and Council (2018)에 따라 결정할 것을 요구하고 있다. 이에 대해 FuelEU Maritime이 EU 규정임을 고려하여 EU에서 IMO에 제안한 사항을 토대로 RFNBO 연료의 WtT 배출계수를 적용하였다 (IMO, 2022).
TtW 배출계수와 관련하여, 직접측정(TBM, To Be Measured) 또는 이용불가(N/A, Not Available)로 명기된 사항을 정립하기 위하여, 바이오 연료에 대한 CH4 및 N2O 배출계수 및 e-NH3에 대한 CH4 및 비산과 슬립 배출량에 의한 연료 손실(Cslip) 배출계수는 EU에서 IMO에 제안한 사항을 토대로 정하였다 (IMO, 2022). 바이오 메탄올 및 e-methanol에 대한 CH4 및 N2O 배출계수와 e-NH3에 대한 N2O 배출계수에 대해서는 Lindstad et al. (2021)에서 제시하는 배출계수를 적용하였다.