GHG

이산화탄소(CO₂)는 가장 대표적인 온실가스이다. 화석 연료의 연소, 산림 벌채, 산업 공정 등 인간 활동에 의해 대기 중 농도가 급격히 증가해 왔으며, 이는 지구 온난화의 주요 원인으로 지목된다. 산업화 이전 대기 중 농도는 약 280 ppm이었으나, 현재는 420 ppm을 넘어섰다[4].

주요 발생원은 다음과 같다.

이산화탄소는 다른 온실가스에 비해 분자당 온실효과 능력(지구온난화지수)은 상대적으로 낮지만, 배출량이 압도적으로 많고 대기 중 체류 기간이 수백 년에 달하여 누적 효과가 매우 크다. 따라서 국제적인 기후 변화 논의와 규제의 핵심 대상이 된다. 감축을 위한 주요 접근법으로는 화석 연료 의존도를 낮추고 재생에너지로 전환하며, 에너지 효율을 높이고, 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술을 활용하는 것이 포함된다.

메탄은 화학식 CH₄로 표현되는 무색, 무취의 가연성 기체입니다. 분자 하나당 이산화탄소에 비해 약 25배[5] 더 강력한 온실효과를 지닌 강력한 온실가스입니다. 대기 중 체류 기간은 약 12년으로, 이산화탄소보다 짧지만 단기간에 더 큰 온난화 영향을 미칩니다.

주요 자연 발생원으로는 습지, 흰개미, 바다 등이 있습니다. 그러나 산업화 이후 대기 중 농도 증가는 주로 인간 활동에 기인합니다. 주요 인위적 발생원은 다음과 같습니다.

메탄은 대기화학 반응을 통해 오존과 같은 2차 오염물질 생성을 촉진하기도 합니다. 또한, 메탄 수화물 형태로 해저나 영구동토층에 대량 저장되어 있어, 기온 상승으로 인한 방출이 추가적인 기후변화 피드백 메커니즘으로 우려됩니다.

아산화질소는 화학식 N₂O로 표현되는 무색, 무취의 기체입니다. 온실가스 중 하나로, 단위 질량당 온실효과 기여도가 이산화탄소보다 훨씬 높다는 특징을 가집니다. 일반적으로 대기 중 체류 기간은 약 114년으로 추정되며, 100년 기준 지구온난화지수는 이산화탄소의 약 273배에 달합니다[6].

주요 발생원은 자연적 과정과 인간 활동 모두에 있습니다. 자연적 발생원에는 토양과 해양에서의 질소 순환 과정이 포함됩니다. 그러나 산업화 이후 그 농도가 급격히 증가한 주된 원인은 인간 활동입니다. 주요 인위적 발생원은 다음과 같습니다.

특히 농업 부문은 전 세계 인위적 아산화질소 배출의 가장 큰 비중을 차지합니다. 토양에 시비된 질소 비료는 탈질 및 질산화 등의 미생물 활동을 통해 아산화질소로 전환되어 대기 중으로 방출됩니다. 배출량을 줄이기 위한 기술로는 정밀농업을 통한 비료 사용 효율화, 질소고정작물 재배, 그리고 질소비료의 개선 등이 연구되고 있습니다.

불소가스(F-가스)는 수소 원자 대신 불소 원자를 포함하는 합성 온실가스의 한 부류이다. 이들은 자연적으로 존재하지 않으며, 주로 산업 공정에서 인위적으로 생산되어 냉장, 공조, 단열재, 반도체 제조 등 다양한 분야에 사용된다. 그 특성상 대기 중 체류 시간이 매우 길고, 단위 질량당 지구온난화지수(GWP)가 다른 온실가스에 비해 극히 높다는 점이 특징이다.

주요 불소가스에는 수소불화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs), 육불화황(SF₆), 그리고 삼불화질소(NF₃)가 포함된다. HFCs는 오존층 파괴 물질인 염화불화탄소(CFCs)를 대체하기 위해 개발되었으나, 강력한 온실가스로 밝혀졌다. PFCs와 SF₆는 주로 반도체 및 알루미늄 제련 공정에서 배출되며, NF₃는 태양전지와 LCD 패널 제조에 사용된다.

이들의 지구온난화지수는 매우 높은 편이다. 예를 들어, SF₆의 GWP는 기준 가스인 이산화탄소(CO₂)의 23,500배에 달하며, 대기 중에서 수천 년 동안 남아 있을 수 있다[7]. 배출량 자체는 CO₂에 비해 절대량이 적지만, 높은 온난화 잠재력 때문에 기후변화에 미치는 영향이 상당하다.

국제적으로는 몬트리올 의정서의 키갈리 개정안을 통해 HFCs의 단계적 감축이 합의되었으며, 유럽 연합을 비롯한 여러 국가에서 F-가스 사용을 규제하는 법안을 시행하고 있다. 이를 통해 누출 방지, 회수 및 재활용 의무화, 그리고 GWP가 낮은 대체 물질로의 전환이 추진되고 있다.

에너지 부문은 GHG 배출의 가장 큰 단일 원인으로, 전 세계 배출량의 약 3분의 2 이상을 차지한다[8]. 이 부문의 배출은 주로 화석 연료의 연소 과정에서 발생하며, 전력 생산, 수송, 산업 활동, 건물 난방 및 냉방 등 광범위한 활동과 연관되어 있다.

주요 배출원은 다음과 같다.

에너지 부문의 GHG 배출 구조는 국가의 에너지 믹스에 크게 의존한다. 석탄 의존도가 높은 국가는 천연가스나 재생에너지 비중이 높은 국가에 비해 훨씬 높은 탄소 집약도를 보인다. 또한, 화석 연료의 채굴, 정제, 수송 과정에서도 메탄(CH₄) 누출과 같은 배출이 추가로 발생한다.

이에 따라 GHG 감축을 위한 국제적 노력의 핵심은 에너지 부문의 탈탄소화에 맞춰져 있다. 재생에너지 전환, 에너지 효율 향상, 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술 도입, 그리고 수송 부문의 전기차 및 수소 연료전지 차량 보급 등이 주요 해결책으로 추진되고 있다.

농업 및 축산 부문은 메탄과 아산화질소와 같은 강력한 온실가스의 주요 인위적 발생원 중 하나이다. 이 부문의 배출은 주로 생물학적 활동과 토지 관리 방식에서 비롯된다.

가축, 특히 반추동물인 소와 양의 장내 발효 과정은 상당량의 메탄을 배출한다. 또한 가축의 분뇨를 관리하는 과정에서도 메탄과 아산화질소가 발생한다. 농업에서는 질소 비료와 퇴비의 사용이 토양에서의 아산화질소 배출을 증가시키는 주요 원인이다. 논과 같은 습지 농법 또한 메탄 배출에 기여한다.

이러한 배출을 완화하기 위한 기술과 관리 방법이 연구되고 적용된다. 반추동물의 사료 첨가제 개발, 분뇨의 혐기성 소화를 통한 바이오가스 회수, 정밀 농업을 통한 효율적인 비료 사용, 그리고 물 관리 개선 등을 통해 농업 및 축산 부문의 온실가스 배출량을 줄일 수 있다.

산업 공정은 제조업 활동에서 화학 반응이나 물리적 변환을 통해 온실가스가 직접 배출되는 주요 원인이다. 이 부문의 배출은 에너지 소비로 인한 간접 배출과 구분되며, 공정 자체에서 필연적으로 발생하는 직접 배출이 특징이다.

주요 배출원은 다음과 같다.

이러한 산업 공정 배출은 기술적 한계로 인해 에너지 효율 향상만으로 제거하기 어렵다. 따라서 원료 대체, 공정 혁신, 부산물 재활용 등 공정 자체의 변화와 함께, 배출된 가스를 포집하는 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술이 중요한 감축 수단으로 주목받고 있다.

폐기물 처리 과정은 메탄과 이산화탄소를 포함한 상당량의 온실가스를 배출하는 주요 원인 중 하나이다. 특히 유기성 폐기물이 산소가 없는 환경에서 분해될 때 발생하는 매립지 가스가 중요한 배출원이다. 이 가스는 약 50-60%의 메탄과 40-50%의 이산화탄소로 구성되며, 메탄은 동일 중량 기준으로 이산화탄소보다 약 25배 강력한 온실효과를 지닌다[10].

폐기물 부문의 온실가스 배출은 주로 다음과 같은 처리 방식에서 발생한다.

감축을 위한 주요 전략은 폐기물 발생 최소화, 재활용 및 재사용 촉진, 그리고 매립지 가스의 회수 및 활용에 있다. 매립지에서 발생하는 메탄을 포집하여 직접 연소시키거나 에너지원으로 사용하는 것은 효과적인 감축 방법이다. 또한 유기성 폐기물을 퇴비화하거나 혐기성 소화 시설을 통해 처리하면 매립을 통한 메탄 배출을 줄이는 동시에 바이오가스를 생산할 수 있다. 폐기물을 에너지로 전환하는 소각 시설도 매립지 면적을 줄이는 데 기여하지만, 연소 과정에서의 이산화탄소 배출은 여전히 과제로 남아 있다.

대기 중 온실가스 농도 관측은 지상 기반 관측소, 항공기, 위성 등 다양한 플랫폼을 통해 이루어진다. 지상 관측소는 특정 지점에서 장기적이고 정밀한 연속 측정을 수행하는 핵심 수단이다. 이러한 관측소는 전 세계에 분포된 네트워크(예: NOAA의 지구 시스템 연구실 관측망, ICOS[12]])를 구성하며, 공기 샘플을 채취해 기체 크로마토그래피나 레이저 분광법 등의 기술로 이산화탄소, 메탄, 아산화질소 등의 농도를 분석한다.

위성 원격 감측 기술은 전 지구적 규모의 공간 분포를 파악하는 데 필수적이다. GOSAT(이부키)나 OCO-2와 같은 위성은 대기 중 온실가스가 특정 파장의 빛을 흡수하는 특성을 이용해 농도를 추정한다. 이 데이터는 지역적 배출 핫스팟을 식별하고, 자연적 흡수원(예: 산림과 해양)의 변동을 모니터링하는 데 활용된다. 최근에는 항공기나 무인항공기(드론)를 이용한 관측도 활발히 이루어지며, 지상과 위성 관측 사이의 공간적 격차를 메우고 검증 자료를 제공한다.

측정 기술의 발전은 정확도와 해상도를 지속적으로 향상시키고 있다. 예를 들어, TCCON(Total Carbon Column Observing Network)은 지상에서 태양광을 분석하여 대기 전체 열에 대한 온실가스 총량을 측정하며, 위성 자료의 정확도를 검증하는 기준 역할을 한다. 이러한 관측 데이터는 기후 모델의 입력값으로 사용되며, 국가별 온실가스 인벤토리의 검증과 국제 협약 이행 상황 모니터링의 과학적 근거를 마련한다.

온실 가스 인벤토리는 특정 지역, 국가 또는 조직이 특정 기간 동안 배출한 온실 가스의 양과 흡수된 양을 체계적으로 정리한 목록이다. 이는 기후 변화 완화 정책의 기초 자료로 활용되며, 배출량 추이를 파악하고 감축 목표 설정 및 이행 평가를 가능하게 한다. 인벤토리 작성은 일반적으로 국제적으로 합의된 방법론, 예를 들어 기후변화에 관한 정부간 협의체(IPCC)가 제공하는 지침을 따르며, 투명성, 일관성, 비교 가능성, 완전성, 정확성의 원칙을 준수해야 한다.

인벤토리 작성 과정은 크게 활동 데이터 수집, 배출계수 적용, 배출량 계산의 단계로 이루어진다. 활동 데이터는 에너지 소비량, 산업 공정량, 농경지 면적, 가축 두수, 폐기물 처리량 등 온실 가스 배출을 유발하는 인간 활동의 규모를 나타내는 자료이다. 이 데이터에 각 활동별로 정해진 배출계수(단위 활동당 배출되는 온실 가스의 양)를 곱하여 최종 배출량을 산정한다. 배출계수는 국가별로 개발하거나 IPCC의 기본값을 사용할 수 있다.

인벤토리는 일반적으로 다음과 같은 주요 부문별로 구분하여 작성된다.

국가 단위의 인벤토리는 유엔 기후 변화 기본 협약(UNFCCC)에 가입한 당사국이 매년 제출해야 하는 의무 사항이다. 기업이나 지자체 수준에서도 자발적 또는 규제에 따라 탄소 배출권 거래제 참여, RE100 가입 등을 위해 인벤토리를 작성하고 검증을 받는다. 정확한 인벤토리 작성을 위해서는 지속적인 데이터 관리 시스템 구축과 방법론 개선이 필요하며, 이는 효과적인 기후 행동의 첫걸음으로 평가된다.

교토의정서는 기후변화에 대응하기 위한 최초의 국제적 법적 구속력을 가진 협약이다. 1997년 12월 일본 교토에서 채택되어 2005년 2월 16일 발효되었다. 이 의정서는 유엔 기후변화 협약(UNFCCC)의 목표를 구체화한 실행 수단으로, 선진국 당사국들에게 온실가스 감축 의무를 부과했다.

의정서의 핵심은 공동이행(JI), 청정개발체제(CDM), 배출권거래제(ET)로 구성된 세 가지 유연성 메커니즘이다. 이 메커니즘들은 당사국들이 국내에서 직접 감축하는 것 외에도, 다른 국가에서 감축 사업을 추진하거나 배출권을 거래함으로써 의무 이행 비용을 절감할 수 있도록 설계되었다. 특히 청정개발체제는 선진국이 개발도상국에서 감축 사업을 수행하고 그 실적을 인정받는 제도였다.

교토의정서는 제1차 공약기간(2008-2012년) 동안 부속서 I 국가(주로 선진국)에 대해 법적 구속력 있는 감축 목표를 설정했다. 주요 의무국의 목표는 1990년 배출량 대비 평균 5.2% 감축이었으며, 국가별로 차등화된 목표를 부여했다[15]. 그러나 세계 최대 배출국이었던 미국은 비준하지 않았고, 캐나다는 2012년에 탈퇴했다.

이 협정은 국제적 기후 체제의 중요한 초석을 마련했지만, 주요 배출국의 참여 부족과 감축 의무가 일부 국가에만 집중되는 한계를 드러냈다. 이러한 경험은 이후 모든 국가가 참여하는 새로운 체제인 파리협정의 필요성으로 이어졌다.

파리협정은 2015년 12월 프랑스 파리에서 열린 유엔 기후변화협약(UNFCCC) 제21차 당사국총회(COP21)에서 채택된 국제 기후 협정이다. 2016년 11월 발효되었으며, 교토의정서를 대체하는 새로운 기후 체제의 근간을 마련했다. 모든 당사국이 참여하는 보편적 협정으로, 산업화 이전 대비 지구 평균 온도 상승을 2°C보다 훨씬 아래로 유지하고, 1.5°C로 제한하기 위한 노력을 추구하는 장기 목표를 설정했다[16].

협정의 핵심 메커니즘은 각 당사국이 자국의 상황에 맞게 설정한 국가결정기여(NDC)를 제출하고 이행하는 것이다. NDC는 5년마다 갱신 및 상향 조정해야 하며, 투명성 체제를 통해 이행 상황을 보고하고 검토받는다. 또한, 선진국은 개발도상국의 기후변화 대응을 지원하기 위한 재정, 기술 이전, 역량 강화를 계속 제공할 의무를 지닌다.

파리협정의 구조는 상향식 접근과 규율의 균형을 특징으로 한다. 당사국들은 자발적 기여를 설정하지만, 보고 및 검토 절차를 통해 이행을 점검받고, 2023년에 시작된 첫 번째 글로벌 이행 점검을 통해 집합적 진전을 평가한다. 이 협정은 기후 위기에 대응하기 위한 국제 사회의 정치적 합의를 상징하며, 장기적인 탈탄소 경제로의 전환을 촉진하는 틀을 제공한다.

재생에너지 전환은 화석 연료를 사용하는 기존의 에너지 시스템을 태양광, 풍력, 수력, 지열, 바이오매스 등 재생 가능한 에너지원으로 대체하는 과정을 의미한다. 이는 GHG 배출의 주요 원인인 화석 연료 연소를 근본적으로 줄여 기후 변화 완화에 기여하는 핵심 전략이다. 에너지 부문은 전 세계 온실가스 배출의 가장 큰 비중을 차지하므로, 이 부문의 탈탄소화는 매우 중요하다.

주요 재생에너지원으로는 다음과 같은 것들이 있다.

재생에너지 전환의 확대는 기술 발전과 규모의 경제로 인해 발전 비용이 지속적으로 하락하면서 가속화되고 있다. 그러나 간헐성 문제(태양광의 야간, 풍력의 무풍 시 등)를 해결하기 위한 에너지 저장 시스템(ESS)의 발전과 스마트 그리드 구축이 병행되어야 한다. 또한, 전환 과정에서 발생하는 일자리 창출, 에너지 안보 강화, 대기 오염 감소 등의 공동 편익도 중요한 장점으로 꼽힌다.

탄소 포집 및 저장은 화석 연료 연소나 산업 공정에서 발생하는 이산화탄소를 대기 중으로 배출되기 전에 포집하여, 장기적으로 지중 또는 해양에 격리 저장하는 기술 체계를 말한다. 이 기술은 기후 변화 완화를 위한 핵심적인 감축 수단 중 하나로 평가받는다. CCS는 크게 포집, 수송, 저장의 세 단계로 구성된다.

포집 단계에서는 주로 발전소, 제철소, 시멘트 공장 등 대규모 점오염원에서 배출 가스를 처리한다. 주요 포집 방식으로는 연소 후 포집, 연소 전 포집, 순산소 연소 방식이 있다. 포집된 고농도의 이산화탄소는 압축하여 액체 상태로 만들어, 파이프라인이나 선박을 통해 저장 장소로 수송된다.

저장은 포집된 이산화탄소를 안전하게 격리하는 최종 단계이다. 가장 일반적인 저장소는 사용이 끝난 유전이나 가스전, 대수층, 염수층 등 깊은 지층이다. 이산화탄소는 지하 800미터 이상의 깊이에서 고압 상태가 되며, 지질 구조에 갇히거나 암석과 반응하여 광물화되는 방식으로 장기간 격리된다. 저장 적합성과 안정성을 평가하기 위해 정밀한 지질 조사와 모니터링이 필수적으로 수행된다[18].

CCS 기술은 산업 부문의 배출을 직접 줄일 수 있다는 장점이 있으나, 높은 비용과 에너지 소비, 저장 장소의 적합성 및 장기적 안전성에 대한 논란도 존재한다. 또한, 탄소 포집 및 활용 기술과 결합하여 포집된 이산화탄소를 화학 원료나 합성 연료로 전환하는 연구도 활발히 진행되고 있다.

에너지 효율 향상은 동일한 서비스나 생산량을 유지하면서 더 적은 에너지를 사용하거나, 동일한 에너지 투입으로 더 많은 산출을 얻는 것을 목표로 한다. 이는 에너지 수요 자체를 줄여 GHG 배출을 감소시키는 직접적인 방법으로, 재생에너지 전환과 함께 저탄소 경제로의 전환을 이루는 핵심 축이다. 에너지 효율 개선은 공급 측면보다 수요 측면에서의 접근이 주를 이루며, 경제적 비용 대비 효과가 높은 편으로 평가받는다.

주요 적용 분야는 건물, 수송, 산업, 가전제품 등 광범위하다. 건물 부문에서는 고성능 단열재와 3중 유리 창호, 고효율 히트펌프 및 조명(LED) 시스템의 보급이 대표적이다. 수송 부문에서는 내연기관 자동차의 연비 기준 강화와 함께 전기차 및 수소차와 같은 친환경 차량으로의 전환이 포함된다. 산업 공정에서는 고효율 모터, 폐열 회수 시스템, 공정 최적화를 통한 에너지 손실 최소화 기술이 활용된다.

에너지 효율 정책은 규제, 재정 인센티브, 정보 제공, 자발적 협약 등 다양한 수단을 통해 추진된다. 많은 국가에서 가전제품과 자동차에 대해 최소 에너지 성능 기준을 의무화하고, 고효율 제품 구매 시 보조금을 지원한다. 또한, 건물에 대한 에너지 성능 인증 제도나 산업체에 대한 에너지 진단 및 관리 시스템 도입 요건이 대표적인 규제적 접근법이다.

에너지 효율 향상의 효과는 이중적이다. 직접적으로는 화석 연료 소비 감소를 통해 온실가스 배출을 줄이고, 간접적으로는 에너지 수입 의존도를 낮추고 에너지 안보를 강화하며, 에너지 비용 절감을 통해 경제적 경쟁력을 높인다. 따라서 파리협정 하에서 각국이 제출하는 국가결정기여에서도 에너지 효율 개선은 필수적인 감축 수단으로 명시되고 있다.