복합재료 소형선박의 지속가능한 설계를 위한 전과정평가 사례 연구
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Abstract
In this study, application study of the life cycle assessment (LCA) is conducted on a composite small craft for sustainable design and production according to ISO 14040-14044 series. Procedure of general LCA is reconstituted to apply to composite small craft, and life cycle inventory (LCI) analysis is conducted on principal structures of composite small craft by developing a process flow diagram for boat building. Also, this study leads LCA results of structures and materials into the environmental impact category such as carbon footprint, water eutrophication, air acidification, and energy consumption. Especially, LCA results about production methodologies that are hand lay-up and vacuum infusion of glass fiber reinforced plastic are quantitatively compared and analyzed.
Keywords:
Sustainable design, Life cycle assessment, Composite small craft, Glass fiber reinforced plastic키워드:
지속가능한 설계, 전과정평가, 복합재료 소형선박, 유리섬유 강화플라스틱1. 서론
1.1 연구 배경
최근 현대 사회는 감소하는 천연자원과 에너지 사용의 고비용, 지구 온난화, 오존층 파괴와 같은 여러 환경문제가 발생함에 따라 환경에 대한 소비자의 관심이 증가하고 이로 인해 친환경 제품의 시장 규모도 증가하고 있다. 또한 제조업에서도 과거와 다르게 친환경적인 노력을 비용적인 관점이 아닌 기회로 인식하여 기업의 평판과 이미지를 위해 중요한 사안으로 받아들이게 되었다.
이에 지속가능한 설계(Sustainable Design)는 환경에 미치는 부정적인 영향을 최소화하기 위한 방안의 일환으로써 중요한 전략적 요소로 활용되고 있으며, 이러한 지속가능성이란 다음 세대가 자신들의 필요를 충족하는 능력을 상실하지 않으면서 현재 세대의 필요를 충족하는 것을 의미한다.
선박에 대한 지속가능성의 경우 대형 상선은 이미 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)에 의한 환경규제에 따라 지속가능한 설계 및 운항을 수행하고 있으나, 레저용 보트, 요트, 어선과 같은 중소형선박의 경우 아직까지 환경규제가 이루어지지 않고 있으며 지속가능성에 대한 연구가 미비한 실정이다.
이에 본 연구에서는 중소형선박의 주된 재료가 복합재료로써 전체시장의 대부분을 차지하고 있으며 지속적으로 수요가 증가하고 있기 때문에 복합재료 소형선박의 지속가능한 설계를 위하여 전과정평가(Life Cycle Assessment, LCA)를 수행하였다.
1.2 연구 동향
복합재료에 대한 전과정평가의 선행연구로는 흔히 복합재료에 사용되는 특정 형상의 표본을 제작하여 원자재와 공법에 따른 환경부하 결과를 비교한 연구가 있으며,1 복합재료 선박의 전과정평가에 대한 연구로는 전과정평가 소프트웨어인 Sima Pro를 사용하여 선박의 상부구조물(Superstructure)에 대하여 전과정평가가 수행되었으며, 강철(Steel) 재료, 발사(Balsa) 복합재료, PVC (Polyvinyl Chloride) 복합재료에 대하여 비교하였다. 그 결과 발사 복합재료와 PVC 복합재료는 환경부하 결과가 거의 비슷하였으며 강철 상부구조물 보다는 낮은 환경부하 결과를 보여주었고, 제조, 운영, 유지보수, 폐기 단계로 나누어 전과정평가를 수행한 결과 운영 단계의 연료사용이 환경부하에 가장 큰 원인인 것을 확인하였다.2
이 뿐 아니라 작업분류체계(Work Breakdown Structure, WBS)를 적용하여 복합재료 소형선박의 공법과 소재 그리고 선박의 구조를 고려한 환경영향평가 소프트웨어 개발에 대한 연구가 수행되었으며,3 복합재료 선박의 창살문(Grating), 난간(Handrail), 갑판(Floor Plate)과 같은 의장품을 대상으로 복합재료와 강철 그리고 알루미늄 제품을 함께 비교한 연구도 수행되었다.4 이와 연관된 연구로써 강철 상부구조물과 복합재료 상부구조물에 대한 전과정평가를 수행하여 비교하였으며, 복합재료 상부구조물이 더 낮은 환경부하 결과를 보여주었다.5
이에 본 연구에서는 복합재료 소형선박의 선체에 대하여 주요 구조 별로 전과정평가를 수행하였으며, 복합재료의 주요 공법인 수적층 공법과 진공성형 공법에 따른 환경부하 결과를 도출하여 비교하였다.
2. 전과정평가의 절차
전과정평가는 일반적인 제품의 원자재 추출 단계에서 제품의 생산, 제품의 사용, 제품의 폐기 단계까지 환경에 미치는 환경부하를 정량적으로 평가하는 기법으로 국제표준화기구(International Standard Organization, ISO)에 의해 ISO 14040-14044 시리즈로 2006년 발행되어 다양한 산업분야에서 사용되고 있다.
Fig. 1에 나타낸 바와 같이 ISO 14040은 전과정평가의 전체적인 체계와 원리를 나타내고 있으며,6 ISO 14041은 목적 및 범위 정의(Goal and Scope Definition)와 전과정 목록 분석(Life Cycle Inventory Analysis)에 대한 내용을 다루고 있다.7 또한, ISO 14042와 ISO 14043은 각각 전과정 영향 평가(Life Cycle Impact Assessment)에 대한 내용과 전과정 해석(Life Cycle Interpretation)에 대한 내용을 다루고 있다.8,9 마지막으로 ISO 14044는 전과정평가를 수행하는데 필요한 지침을 담고 있으며,10 이러한 각각의 단계는 순차적으로 진행되는 것이 아닌 평가 수행 중에 서로 보완 및 수정이 가능하도록 반복 수행할 수 있는 것이 특징이다.
Life cycle assessment framework (ISO14040)
목적 및 범위 정의 단계에서는 연구의 대상 제품을 설정하고, 내부적인 공정 및 원자재의 개선이 목적인지 판매 시장 또는 고객사 대응이 목적인지와 같은 연구 목적을 설정하며, 연구의 수행 방법과 전과정평가의 활용 의도 등을 결정하는 단계이다.
다음으로 전과정 목록 분석 단계에서는 공정흐름도와 전과정 목록을 작성하며 공정흐름도 작성 시 단위공정은 전과정평가 수행에 있어 기본 단위가 되므로 단위공정 설정은 중요한 단계이다. 또한, 데이터를 수집, 검증 및 데이터를 처리하여 데이터베이스를 구축하는 단계이다.
전과정 영향 평가 단계에서는 다시 4가지 단계로 나누어지며, 먼저 전과정 목록 분석 결과로 구축된 데이터베이스가 각각 어느 환경영향범주(Environmental Impact Category)에 속하는지 환경영향범주 별로 분류하는 분류화(Classification) 단계, 다음으로 분류된 데이터에 범주 지표(Category Indicator)를 계산하여 환경부하를 정량화하는 특성화(Characterization) 단계, 지역적 또는 시간적인자 등을 적용하여 환경부하를 계산하는 정규화(Normalization)단계, 마지막으로 전문가의 가치 판단에 따라 사회적, 도덕적 중요도를 가중화하는 가중화(Weighting) 단계를 거쳐 환경영향범주에 따라 환경부하 결과를 도출한다.
마지막으로 전과정 해석 단계에서는 전과정평가 결과를 도출하고, 결과에 대한 분석을 통해 주요 쟁점을 규명하고 타당성 및 정확성을 판단하여 연구 목적에 맞게 활용되었는지 검토한다.
3. 전과정평가의 수행
3.1 목적 및 범위 정의
본 연구의 대상은 8 m급 복합재료 소형선박의 선체에 대하여 전과정평가를 수행하였으며, 대상선박에 대한 일반배치도와 주요 제원을 Fig. 2와 Table 1에 각각 나타내었다.11
General arrangement of a composite small craft
Principal dimensions of a composite small craft
이와 같이 복합재료 소형선박에 널리 사용되는 유리섬유 복합재료(Glass Fiber Composite Materials)는 물성이 다른 두 개 이상의 재료가 혼합되어 구성되는 재료로써, 일반적으로 강화재(Reinforcement)인 섬유(Fiber)에 기지재(Matrix)인 수지(Resin)를 함침시키고 경화시켜 만들어지며, 샌드위치 구조(Sandwich Structure)의 경우 코어재(Core)가 추가된다. Fig. 3에 일반적인 샌드위치 구조의 복합재료 구성을 나타내었다.
Composition of fiber composite materials (www.evonik.com)
본 연구의 전과정평가 목적으로는 국내 복합재료 소형선박을 대상으로 전과정평가를 수행하여 소형선박의 주요 구조 별 환경부하와 원자재의 환경부하를 도출하고 비교함으로써 주요 환경부하요인을 규명하고자 함이며, 특히 수적층 공법과 진공성형 공법 간의 환경부하량을 도출하여 비교하고 그 결과를 검증하는 것이다.
또한, 전과정평가 범위로는 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 일반적인 제품의 전과정을 복합재료 소형선박에 적합하게 원자재 추출, 선박의 건조, 선박의 운항, 선박의 폐기 단계로 재조정하였으며, 본 연구에서는 선박 건조 단계의 원자재를 전과정평가 범위로 제한하여 수행하였다.
Modification of a life cycle
3.2 전과정 목록 분석
복합재료 소형선박을 제작하기 위한 단위공정을 기준으로 하여 공정흐름도를 작성하였으며, 단위공정은 준비 단계, 적층 단계, 상품화 단계로 구분하여 Fig. 5에 나타내었다.
Process flow diagram of boatbuilding
전과정 목록 분석은 제작 업체의 현장에 요청하여 제공받은 원자재 사용량 데이터를 기반으로 추정하여 수행하였다.11
본 연구의 복합재료 소형선박의 주요 원자재로는 크게 수지와 유리섬유 종류인 로빙(Roving)과 매트(Mat) 그리고 코어재로 나누어지며, 코어재는 폴리우드(Poly Wood)가 사용되었다. 또한, Table 2에 나타낸 바와 같이 선체를 구성하는 각각의 구조는 선체 구조에 따라 서로 다른 형상의 구조를 가지고 있으며, 전과정평가 소프트웨어에 사용되는 재료 속성의 경우 수지의 밀도는 1160 kg/m3, 유리섬유는 2770 kg/m3, 코어재는 490 kg/m3가 사용되었다.
Classification of small craft structures
대상 선박의 선각(Hull)과 갑판(Deck)은 단일 패널(Single Panel)로 제작되었으며, 격벽(Bulkhead)이나 트랜섬(Transom)은 샌드위치 패널(Sandwich Panel)로 늑골(Frame)과 종부재(Longitudinal)와 같은 보강재의 경우는 탑햇 구조(Top-Hat Structure)로 제작되었다. 이에 전과정 목록 분석을 선체 구조 별로 원자재에 대해 수행하였으며, Tables 3과 4에 수적층 공법과 진공성형 공법에 따라 각각 나타내었다.
Life cycle inventory data of hand lay-up
Life cycle inventory data of vacuum infusion
전과정 목록 데이터를 분석한 결과 두 가지 공법에 대한 원자재의 사용량 차이가 발생하는 것을 확인하였으며, 특히 수지에 의한 중량의 차이가 수적층 공법이 진공성형 공법에 비해 22%정도 더 많이 사용된 것을 확인하였다.
4. 전과정평가 결과
4.1 선체 구조 별 결과 비교
본 연구의 전과정 영향 평가는 전과정평가 상용 소프트웨어인 GaBi Software의 데이터 베이스를 활용하는 SolidWorks Sustainability를 사용하였으며 분류화, 특성화 단계를 거쳐 수행되었고 주요 환경영향범주인 탄소 발자국, 수질 부영양화, 대기 산성화, 에너지 소비량에 대한 결과를 나타내었다.
전과정평가를 수행한 결과 수적층 공법의 경우 탄소 발자국(3.865E+03kg)과 에너지 소비량(5.8797E+04MJ)의 환경부하가 두드러진 것으로 나타났으며, 이에 비해 수질 부영양화(1.694E+00kg)와 대기 산성화(9.943E+00kg)의 환경부하는 미비한 것으로 나타났다.
또한 선체 구조 별로 환경부하를 비교한 결과 네 가지 환경영향범주에 대하여 대략적으로 선각이 47%, 갑판이 28%를 차지하여 대부분의 환경부하에 영향을 미치고 있었으며, 나머지는 격벽이 8%, 종부재가 6%, 늑골이 6%, 트랜섬이 5% 순으로 환경부하를 차지하였다.
다음으로 진공성형 공법에 전과정평가를 수행한 결과 수적층 공법과 비슷한 경향을 나타냈으며, 탄소 발자국(3.238E+03kg)과 에너지 소비량(4.7797E+04MJ)의 환경부하가 수질 부영양화(1.452E+00kg)와 대기 산성화(8.915E+00kg)보다 두드러진 것으로 나타났다.
선체 구조 별로 환경부하를 비교해보면 마찬가지로 네 가지 환경영향범주에서 선각이 50%, 갑판이 33%로 수적층 공법의 경우와 비슷하게 선체와 갑판부가 환경부하에 대부분을 차지하고 있으며, 격벽이 7%, 늑골이 3%, 트랜섬이 4%, 종부재가 3%로 나머지 환경부하를 차지하였다. 이를 Table 5와 6에 각각 나타내었다.
LCA results of structures on hand lay-up
LCA results of structures on vacuum infusion
공법 별로 환경부하를 비교한 결과를 Fig. 6에 환경영향범주에 따라 각각 그래프로 나타내었다. 탄소 발자국 범주의 경우 진공성형 공법이 수적층 공법에 비해 선각은 11%, 갑판은 2.7%, 격벽이 25%, 늑골은 59.4%, 트랜섬이 32.6%, 종부재가 53.7% 감소하는 것을 확인하였으며, 수질 부영양화 범주의 경우 선각은 8.5%, 갑판은 2.9%, 격벽이 20.7%, 늑골은 51.7%, 트랜섬이 28%, 종부재가 48.6% 감소하였고, 대기 산성화 범주의 경우 선각은 6.3%, 갑판은 0%, 격벽이 16.2%, 늑골은 41.4%, 트랜섬이 23.9%, 종부재가 39.8% 감소하였으며, 마지막으로 에너지 소비량 범주의 경우 선각은 11%, 갑판은 5.7%, 격벽이 33.4%, 늑골은 63%, 트랜섬이 39.6%, 종부재가 58% 감소하는 것을 확인하여 전반적으로 진공성형 공법이 수적층 공법에 비해 환경부하가 적은 것으로 나타났다.
Comparison of LCA results
4.2 원자재 별 결과 비교
원자재 별로 환경부하 결과를 도출하여 Tables 7과 8에 나타내었다. 수적층 공법의 탄소 발자국 범주의 경우 수지가 67%, 유리섬유가 30%, 코어재가 3%를 차지하였으며, 수질 부영양화 범주의 경우에는 수지가 62%, 유리섬유가 33%, 코어재가 5%를 차지하였다. 또한 대기 산성화 범주의 경우 수지가 47%, 유리섬유가 48%, 코어재가 5%를 차지하였고, 에너지 소비량 범주의 경우에는 수지가 78%, 유리섬유가 20%, 코어재가 2%를 차지하였다. 탄소 발자국, 수질 부영양화, 에너지 소비량 범주의 경우 수지가 환경부하에 미치는 영향이 가장 큰 것으로 나타났으며, 대기 산성화 범주의 경우 유리섬유가 수지보다 환경부하에 미치는 영향이 미소하게 더 큰 것으로 나타났다.
LCA results of materials on hand lay-up
LCA results of materials on vacuum infusion
진공성형 공법의 탄소 발자국 범주의 경우에는 수지가 60%, 유리섬유가 37%, 코어재가 3%를 차지하였으며, 수질 부영양화 범주의 경우 수지가 55%, 유리섬유가 38%, 코어재가 7%를 차지하였다. 또한 대기 산성화 범주의 경우에는 수지가 41%, 유리섬유가 54%, 코어재가 5%를 차지하였고, 에너지 소비량 범주의 경우 수지가 73%, 유리섬유가 25%, 코어재가 2%를 차지하였다. 전반적으로 수적층 공법의 경우와 비슷하게 탄소 발자국, 수질 부영양화, 에너지 소비량 범주의 경우 수지가 환경부하에 미치는 영향이 가장 큰 것으로 나타났으며, 대기 산성화 범주의 경우 유리섬유가 수지보다 환경부하에 미치는 영향이 더 큰 것으로 나타났다.
5. 전과정평가 결과 검증
복합재료 전과정평가의 실험적 결과를 도출한 Green Guide to Composites에 따르면 전과정평가 결과는 데이터 그 자체로 사용되기 보다 상대적인 비교를 통해 사용되며, 이를 위해 Fig. 7과 같이 A등급에서 E등급까지 5가지 등급으로 나누고 전과정평가 결과를 원자재 또는 공법에 따라 상대적으로 등급을 부여하여 비교하는 방법을 제안하고 있다.1 이에 본 연구의 결과를 검증하기 위한 대안으로 제안된 방법을 사용하였다.
Green guide environmental rating scale (Green guide to composites)
Table 9는 Green Guide to Composites에서 수행한 결과로써 단일 패널과 샌드위치 패널에 대하여 공법에 따라 등급을 부여하여 나타낸 것이다. 단일 패널의 경우 진공성형 공법은 D등급으로 수적층 공법에 비해 한 등급 낮게 표기 되었으며, 샌드위치 패널의 경우 진공성형 공법은 C등급으로 수적층 공법 보다 두 등급 낮게 표기 된 것을 확인하였다.
Environmental rating of the green guide to composites
이와 마찬가지로 본 연구의 전과정평가 결과에 대하여 등급을 부여하여 Table 10에 나타내었다. 단일 패널의 경우 수적층 공법과 진공성형 공법이 같은 E등급으로 나타났지만 진공성형 공법의 등급은 D등급에 더 가까운 E등급이었으며, 샌드위치 패널의 경우 수적층 공법은 E등급이고 진공성형 공법은 C등급으로 동일한 경향을 확인하였다.
Environmental rating of a composite small craft
결과적으로 본 연구에서 전과정평가 소프트웨어를 활용한 복합재료 소형선박의 공법에 따른 전과정평가 결과는 실험적 결과와 그 경향을 비교하였을 때 거의 동일하게 나타나는 것을 확인하였으며, 이에 본 연구에서 도출된 전과정평가 결과의 구조 별, 공법 별 상대적 비교는 타당한 것으로 사료된다.
6. 결론
본 연구에서는 복합재료 소형선박의 선체를 대상으로 ISO 14040-14044의 절차를 따라 전과정평가를 수행하였다. 선체 주요 구조 별로 전과정 목록을 분석한 결과 수적층 공법이 진공성형공법보다 수지의 사용량이 22% 더 많은 것을 확인하였으며, 전과정 목록에 따라 전과정평가를 수행한 결과 탄소 발자국, 수질 부영양화, 대기 산성화, 에너지 소비량 범주에서 전반적으로 수적층 공법의 환경부하가 진공성형 공법에 비해 더 큰 것으로 확인되었다. 또한 선체 구조 별로 비교해 보면 선각이 약 50%, 갑판이 약 30%로 대부분의 환경부하를 차지하였고, 원자재 별로 비교해 보면 탄소 발자국, 수질 부영양화, 에너지 소비량 범주에서는 수지의 영향이 큰 것으로 확인 되었고, 대기 산성화 범주에서는 유리섬유의 영향이 큰 것으로 확인되었다. 또한 기존 복합재료 전과정평가의 실험적 결과를 본 연구의 결과와 비교하여 그 경향이 동일한 것을 확인함으로써 데이터 검증을 수행하였다.
Acknowledgments
본 연구는 목포해양대학교 산학협력단 학술연구비와 해양수산부 미래해양산업기술개발사업 “글로벌 해양레저시장 진출을 위한 파랑 안정형 고속 레저보트 개발” 과제(과제번호: 20140112) 및 산업통상자원부 산업핵심기술개발사업 “중소형조선소 시뮬레이션기반 생산관리 시스템 개발” 과제(과제번호: 10050495)의 지원으로 수행되었습니다.
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