†To whom correspondence should be addressed. E-mail: Introduction
2015년 12월 파리기후협약 이후 전 세계 국가들이 온실가스 감축 대상국이 되며 기후 위기 극복을 위한 계획을 앞다투어 발표하였다. 대한민국 정부 역시 2020년에 탄소중립 선언을 하였고 2021년 10월과 2023년 3월 두 차례에 걸쳐 상향된 2030 국가 온실가스 감축목표(이하 NDC, Nationally Determined Contribution)를 발표하였다. 분야별 감축목표는 조금 다르지만, 두 계획 모두 전체 온실가스 배출을 2018년(약 7.3억tCO2eq., 대한민국 온실가스 배출 기준 연도) 대비 40% 줄이는 것을 목표로 하였다(Presidential Commission on Carbon Neutrality and Green Growth, 2023). 경제 구조상으로 에너지 다소비 사회인 대한민국의 온실가스 40% 절감은 결코 적은 양이 아니며 이를 이행하는 과정은 쉽지 않을 것으로 전망되고 있다(National Assembly Budget Office, 2023). 대한민국 주요 온실가스 배출 부문은 전기생산과 관련된 전환 부문, 그리고 산업, 수송, 건물 부문 등이다. 따라서 탄소중립 전환은 우리 사회 모든 영역에서 달성되어야 하는 과제이다.
반면 대학의 경우는 교육과 연구활동이 건물 내의 시설에서 대부분 이루어지고 있어 대학의 탄소중립은 건물 분야 영역에 속한다고 볼 수 있다. 해외 유수 대학의 경우 탄소중립 캠퍼스를 위한 노력이 활발하지만, 우리나라의 경우는 일부 대학을 제외하고는 대부분의 대학에서 기후 위기 극복을 위한 대학 캠퍼스 탄소중립 전환의 노력이 크게 진전된 것이 없다(Yun, 2019 & SNU Environmental Club Union, 2023). 서울대학교는 2012년 에너지 사용량 집계 시작 이후 10년 연속 서울시 에너지 사용량 1위를 기록하고 있고, 온실가스 배출량 또한 1위(Seoul Metropolitan Government, 2023)를 유지하고 있다. 2008년 ‘지속가능한 서울대학교’ 선언 이후에도 15년간 서울대학교의 에너지 사용 및 온실가스 배출 경향이 꾸준히 증가하고 있어 온실가스 배출 저감에 대한 적극적인 검토와 노력이 필요한 상황이다(Bureau of Construction and Facilities Management, 2015).
탄소중립 전환은 화석연료에 기반한 경제 사회 운영을 비화석연료 기반으로 전환하는 것을 의미하며 에너지 전환과도 긴밀한 관계를 맺는다. 따라서 서울대학교의 에너지 사용 특성에 대한 정확한 파악이 선행되어야 대학이 갖는 교육과 연구 기능의 축소나 위축 없이 구성원들의 수용성을 확보하면서 지속 가능한 사회를 위한 캠퍼스 탄소중립 전환이 가능할 수 있다. 그러나 대학에서 공식적으로 발표되는 에너지와 온실가스 데이터들은 일반 국민들은 물론 관련 연구자들도 전체적인 맥락을 파악하기 어려운 경우가 많아 탄소중립 캠퍼스 정책을 위한 합리적인 소통과 공감대 형성, 이행 대책의 수립이 쉽지 않은 실정이다.
본 연구에서는 서울대학교의 에너지 사용 및 온실가스 배출량 데이터를 중심으로 그 특성을 간략하게 전달하고자 하였으며 대한민국이 2030 NDC를 준수하고 2050 탄소중립을 달성하는 경우 서울대학교 에너지 사용 및 온실가스 배출 특성에 미치는 영향을 분석하고자 하였다.
Materials and Methods
서울대학교 에너지 사용 및 온실가스 배출 특성을 조사하기 위해 서울대학교에서 공식적으로 발표되는 관련된 자료들을 참고하였다. 참고한 자료로는 지속가능발전 보고서, 그린레포트, ESG 보고서(Institute for Sustainable Development, 2024), 서울대학교 온실가스·에너지 종합관리 센터 운영 자료(Total Management Center for Greenhouse gas & Energya), 2024), 인포그래픽 자료(Total Management Center for Greenhouse gas & Energyb), 2024) 등이다. 그 외에 관련 언론 기사를 수집하여 분석 활용하였다.
Table 1은 서울대학교 캠퍼스 건물 현황(a)과 서울대학교 온실가스 배출 영역(b)을 정리해 놓았다. Table 1(a)를 보면 서울대학교는 크게 관악, 연건, 수원, 평창, 시흥 5개의 멀티캠퍼스로 구성되어 있으며, 6,082명의 교원과 28,264명의 학생 등 총 36,000명 정도의 구성원들이 연구와 교육 활동에 종사하고 있다. 관악캠퍼스의 예를 들면 1970년대부터 건설된 총 227개 건물(면적: 139.33 만㎡)과 31,282호실이 있고, 준공 시기 및 건물의 용도에 따라 전산 시스템에 분류되어 있다(Seoul National University, 2024). 서울대학교 온실가스 배출은 분류 방식에 따라 3가지 항목으로 구분된다(Table 1(b)). 직접배출(Scope 1)은 캠퍼스 내 연소 활동으로 발생하는 온실가스를 칭한다. Scope 1에 해당하는 온실가스 배출 시설을 분류하면 고정연소시설로는 보일러, 냉온수기, GHP(Gas Heat Pump) 냉난방기기, 주방(취사), 비상발전기 등이 있고, 배출량이 많지는 않지만 이동연소시설로는 버스, 승합차, 승용차, 이륜차, 특수차 등이 있다. 간접배출(Scope 2)은 캠퍼스 내에서 직접 배출되지 않지만, 캠퍼스에서 사용하는 전기를 외부에서 발전(發電)하는 과정으로부터 발생하는 온실가스 배출을 의미한다. Scope 2에 해당하는 온실가스 배출은 건물 내에서의 전기 사용, EHP(Elctric Heat Pump) 냉난방기기, 생활서비스, 사무기기, 실험장비 등 사용자가 사용하는 전기로 인한 온실가스 배출을 포함한다. 그 외에도 폐기물과 외부 수송으로 인해 발생하는 온실가스를 포함하는 Scope 3가 있다. 이번 연구에서는 Scope 3로부터 발생하는 온실가스 배출량은 제외하였다.
서울대학교의 에너지 사용 분석
서울대학교 에너지 사용은 사용 용도와 공급측면으로 분석할 수 있다. 사용 용도 측면에서 건물은 일반적으로 냉방, 난방, 조명, 환기, 급탕의 5대 사용처를 가지고 있고(International Organization for Standardization (ISO), 2013) 대학 캠퍼스 건물의 경우 일반적인 5대 건물 에너지 이외에 연구 및 교육 등 매우 다양하고 특수한 에너지 사용 용도를 가지는 전원 플러그가 있다. 전원 플러그에 의한 에너지 사용은 각종 분석 장비 및 항온·항습, 공정 장비의 운용을 포함한다. 그 외에도 엘리베이터 또는 펌프, 팬 등의 동력이 있다. 건물 5대 에너지에 대한 정확한 에너지 사용량은 각각의 용도에 따른 에너지 사용 측정 시스템이 구축되어 있지 않아 직접적인 측정을 통한 파악은 가능하지 않다. 이 연구에서는 5대 건물 에너지 사용처 중에서 추정이 가능한 냉난방과 조명에너지 사용량을 조사하였다. 한편, 에너지원 공급 측면에서 대학에서 필요로 하는 에너지는 주로 전기, 가스, 유류 등으로 분류된다(Seoul National Universitya), 2022). 이 중 대학 연구 및 교육 활동에 사용되는 전기는 한국전력공사(이하 한전)에서 대학 캠퍼스로 공급되고 이는 앞에서 언급한 간접 배출(Scope 2)에 해당한다. 가스 사용은 LNG가 대부분이며 보일러, 흡수식 냉온수기, GHP, 주방 등에 사용된다. 유류 사용은 보일러 등유, 경유 및 LPG가 해당되고, 특히 차량에 의한 유류 사용의 경우 휘발유, 경유 사용이 대부분이다(Seoul National Universitya), 2022).
서울대학교 건물 에너지 사용 특성 조사
일반적으로 대학 캠퍼스는 많은 건물로 구성되어 있고, 개별 건물의 에너지 사용 특성을 파악하는 일이 쉽지 않다. 서울대학교 캠퍼스도 예외는 아니다. 이 연구에서는 서울대학교 전체 에너지 사용 특성을 시간대별로 전체 건물(관악캠퍼스 전체)과 특성이 있는 개별 건물인 이공계 건물(500동), 인문·사회계 건물(4동)을 선택하여 비교 조사하였다. 500동과 4동은 서울대학교 건물 중에서 가장 많은 에너지를 사용하는 이공계 건물과 인문·사회계 건물에 속한다. 서울대학교 에너지 사용의 시간대별 특성을 파악하기 위해서 일정 기간(2018년~2022년) 건물 에너지 소비량 전체를 시간대별로 누적하여 일평균으로 나타내었다.
서울대학교 재생에너지 시설
서울대학교는 2016년 이후부터 신축 건물을 짓는 경우 재생에너지 시설을 설치하게 되어 있다(Ministry of Infrastructure and Transport, 2013). 서울대학교 부지는 풍력이나 지열 발전 등이 여의치 않아 태양광 위주의 재생에너지를 설치하고 있다. 2023년부터 신축 건물의 건축 기준으로 녹색건축 인증과 ZEB(제로 에너지 빌딩) 기준 통과가 의무화되었기에 신축 건물 에너지 사용량의 3분의 1 수준의 에너지를 해당 건물에서 태양광에너지로 직접 생산해야 건축이 가능하다(Ministry of Infrastructure and Transport, 2023).
에너지 단위의 사용
Table 2는 서울대학교에서 사용하는 에너지원과 에너지 사용량 단위 간의 관계를 정리해 놓은 것이다. 도시가스와 전기를 에너지원으로 사용할 때 주로 사용하는 에너지 단위는 각각 TOE와 GWh이다. TOE는 1톤의 원유가 갖는 에너지량으로 0.012 GWh 또는 107 kcal와 동등하다. Wh는 초당 1J의 에너지를 한 시간 사용한 에너지양이다. GWH는 주로 전기에너지 사용량을 나타내는 데 사용하며 109 Wh를 나타낸다. 1 GWh는 86TOE 또는 8.6 × 108 kcal와 동등하다. 따라서 1 GWh는 86TOE와 동등하여 서로 연관하여 사용할 수 있다. 도시가스 사용량은 일정 압력의 부피량으로 나타내고 m3로 나타낸다. 예를 들면 Nm 3 는 0℃, 1기압에서의 부피를 나타내고 1,000 Nm3의 가스를 연소하였을 경우 에너지양은 1.0TOE 또는 0.012 GWh가 된다.
온실가스 배출계수 (CO2 전환계수)
Table 3는 대한민국 전환부분에서 온실가스 배출계수를 주요 연도별로 계산하여 정리한 것이다. 전기는 다양한 방법으로 생산된다. 석탄, 석유, 가스 등과 같은 화석연료를 사용하기도 하고 원자력에너지 또는 태양광이나 풍력 등의 재생에너지원이 이용되기도 한다. 이러한 에너지믹스를 이용한 국가 단위의 총 전기생산량과 전력 생산으로부터 발생한 온실가스 배출량을 알면, 이로부터 단위 전력 생산에 따른 온실가스 발생량을 나타내는 온실가스 배출계수(tCO2eq./GWh)를 알 수 있다. 온실가스 배출계수는 에너지믹스의 변화를 반영하여 새롭게 구해진다. 온실가스 배출계수를 서울대학교의 전기 사용량에 곱하면 서울대학교가 사용하는 전기로부터 발생하는 온실가스 배출량을 구할 수 있다. 예를 들면 2018년 온실가스 배출계수는 총 전력생산량인 571 TWh와 전력생산부문의 온실가스 발생량인 2.70억tCO2eq.을 이용하면 473tCO2eq. /GWh (0.473 kgCO2eq. /kWh)으로 계산된다. 2018년 서울대학교가 사용한 전기에너지는 241GWh이므로 배출계수를 곱하면 전기의 사용으로부터 발생하는 온실가스 배출량은 11.4만tCO2eq.이 된다. 2030년의 경우 대한민국 전기에너지 생산량은 2018년 571TWh에서 2030년 622TWh로 증가할 것으로 예상되고, NDC에서 발표한 2030년 전환부문 온실가스 배출량은 1.46억tCO2eq.이다. 따라서 이론적으로 대한민국이 NDC를 이행하였을 때, 전기 사용에 대한 배출계수는 235tCO2eq./GWh로 현재의 절반 정도로 떨어진다(Table 3). 정부의 2050 탄소중립 시니리오 중 2050A 시나리오에 의하면 발전과정의 온실가스 순배출이 0이 되므로 온실가스 배출계수는 0tCO2eq./GWh가 된다. 같은 식으로 2050B 시나리오는 온실가스 배출계수가 17tCO2eq./ GWh가 된다. 반면, 도시가스(LNG, 천연가스) 1 Nm3는 약 2.15 kg의 온실가스를 배출하므로 배출계수는 2.15tCO2eq. /천Nm3이다. 2018년 서울대학교 가스사용량인 10,245천m3에 배출계수를 곱하면 가스사용으로부터 발생하는 온실가스는 2.20만tCO2eq.이 된다(Table 4).
Result and Discussion
서울대학교의 에너지 사용 및 온실가스 배출 특성
Figure 1은 2016년 이후 서울대학교 에너지 사용량과 온실가스 배출량을 비교하였다. Figure 1의 y축의 경우 에너지의 사용량을 TOE와 GWh로 나타내었다. Figure 1에서 볼 수 있듯이 서울대학교의 총 에너지 사용량은 2016년 765 GWh(65,754TOE)에서 2021년 809 GWh(69,600TOE)로 연평균 1.1%씩 증가하였다. 2019~2020년간 서울대학교 내 가스 사용량 감소하고, COVID-19 창궐 등으로 인해 에너지 사용량 및 온실가스 배출량이 잠시 감소하였지만, 방역 조치가 풀린 2021년에 전년 대비 5.9%가 증가하였고 2022년에는 기존 최고 에너지 사용 연도였던 2018년의 에너지 사용량을 갱신하였다. 한편 서울대학교의 총 연간 온실가스 배출량은 2010년 11만tCO2eq.에서 2022년 14.4만tCO2eq.으로 지난 12년 동안 총 30% , 연평균 2.3% 증가했다.
Figure 1에서 흥미로운 사실은 에너지 사용량과 온실가스 배출량은 거의 같은 경향성을 가지고 있다는 점이다. Figure 1과 같이 에너지 사용량과 온실가스 배출량이 긴밀하게 연동되어 있는 것은 Figure 2의 화석연료 사용, 에너지 사용 그리고 이산화탄소 배출 간의 관계로부터 쉽게 이해할 수 있다. 대학 운영에는 에너지(전기, 가스 등)가 필요하고 주로 화석연료의 연소 과정을 통해 에너지가 생산되므로 결과적으로 에너지 사용은 온실가스 배출을 야기한다.
Table 4는 2021년 서울대학교 에너지 사용 및 온실가스 배출량을 주요 캠퍼스별로 나타낸 것이다. 이때 전환손실은 우리나라에서 발표한 에너지법 시행규칙의 에너지열량 환산기준에서 전기(소비기준)와 총발열량의 비율이 2.67 GWh총발열량/GWh전기(소비기준)인 것을 이용하여 구할 수 있다(Ministry of Trade, Industry and Energy, 2017). Table 4를 보면 2021년 기준 서울대학교는 전환손실 부분을 포함하여 809 GWh의 에너지를 사용하였다. 관악캠퍼스가 사용한 에너지 사용량은 약 631 GWh로 약 78% 정도를 차지하였고, 나머지 배출량은 연건캠퍼스(10%, 81 GWh), 평창캠퍼스(6.1%, 54 GWh) 그리고 기타 발생(5.2%, 42 GWh)이 뒤를 이었다. 이러한 경향은 온실가스 배출량에서도 매우 유사하게 볼 수 있다. 서울대학교는 약 14.1만tCO2eq. 의 온실가스를 배출하였다. 관악캠퍼스가 약 11.0만tCO2eq.로 약 79%인 정도를 차지하였고, 나머지 배출량은 연건캠퍼스(11%, 1.47만tCO2eq.), 평창캠퍼스(7.0%, 1.0만tCO2eq.) 그리고 기타 발생(5.3%, 0.76만tCO2eq.) 순이다. 서울대학교 전체 캠퍼스의 온실가스 배출량 약 14.1만tCO2eq. 중에서 전기 사용으로부터 전체 배출량의 81%인 11.4만tCO2eq.이 발생하였고, 가스 사용으로부터 2.2만tCO2eq.이 발생하였다. 서울대학교 전체 캠퍼스의 전기 사용과 가스 사용으로부터 발생하는 약 8:2 온실가스 비율은 개별 캠퍼스에서도 매우 유사한 정도로 유지된다고 볼 수 있다. 서울대학교는 교육 및 연구기관으로 전자기기 및 전기를 사용하는 교육 및 연구용 장비들의 사용이 많아 가스에 비해 전기를 훨씬 많이 사용하기 때문이다.
Figure 3은 캠퍼스 에너지·온실가스 수지 모델로 Table 2~4의 데이터를 활용하여 서울대학교에서 사용하는 에너지와 온실가스 각각의 밸런스와 서로 간의 관계를 나타낸 것이다. Figure 3을 보면 2021년 서울대학교 운영에 사용된 총에너지는 809 GWh(69,600 TOE)이다(Table 4). 809 GWh는 서울대학교가 사용한 전기를 생산하는 데 쓰인 659 GWh, 도시가스 사용 123 GWh, 기타 에너지원의 28GWh 세 가지 에너지 사용량의 합이다(Table 4). 주의해야 할 점은 실제로 서울대학교가 사용한 전기에너지 즉 한전에 전기요금을 낸 전기 사용량은 247 GWh라는 점이다. 서울대학교가 사용한 전기를 생산하는 데 사용된 659 GWh와 요금을 낸 전기 사용량 247 GWh의 차이인 412 GWh는 247 GWh를 생산하는데 발생한 전환손실(63%)에 해당한다. 따라서 전기를 생산하는 발전 과정에서 약 63%의 전환손실이 발생하기 때문에 학교가 공공요금 고지서로부터 얻을 수 있는 에너지 사용량 데이터와 학교에서 발표하는 에너지 총 사용량 사이에는 매우 큰 괴리가 존재하며 일반인들에게 종종 혼동을 일으키기도 한다. 즉 247 GWh라는 서울대학교 전기 사용량은 이만큼의 전기를 생산하기 위해 투입되는 총 에너지양을 고려하지 않고 캠퍼스에서 사용된 에너지 사용량만을 나타낸 것이다. 반면 659 GWh는 서울대학교가 사용한 전기 생산에 들어가는 전환손실을 포함한 에너지양이다. 한편, 화석연료인 도시가스 에너지 사용량은 10,245천m3이고, 앞에서 설명한 바와 같이 이만큼의 도시가스 연소로부터 얻을 수 있는 열량은 123 GWh(HHV 기준)이다(Table 4). 기타 에너지원은 LPG, 디젤, 경유에 해당되는 것으로 석유계 에너지원이다. 이와 같은 에너지 수지와 구별하여 온실가스 수지를 살펴보면 서울대학교가 사용한 247 GWh 전기를 생산하는데 온실가스 11.4만tCO2eq.이 발생하였다. 반면 도시가스 사용으로부터 2.2만tCO2eq. 온실가스가 발생하였고 기타 에너지원의 사용으로부터 0.5만tCO2eq.의 온실가스가 발생하였다(Figure 3). 서울대학교 캠퍼스 공간 안에서 사용된 총 에너지는 399 GWh인데, 이는 서울대학교가 사용한 전기에너지 247 GWh), 가스 사용 에너지(123 GWh), 기타 에너지(28 GWh)와 적은 양이지만 태양광 발전(1.5 GWh)으로부터 얻은 에너지를 포함한 값이다. 서울대학교 캠퍼스 안에서는 태양광에너지가 생산되기 때문에 한전 고지서 상의 소비량은 실제 전체 소비량보다 적게 나타난다. Figure 3의 캠퍼스 에너지 온실가스 모델에서 중요한 점은 서울대학교 운영에 필요한 발전 과정의 총 연료량(총 에너지 사용량)은 온실가스 배출량을 계산하는 데 사용되며, 서울대학교의 전기 및 가스 에너지 사용량 데이터는 서울대학교의 에너지 사용량을 관리하기 위해 사용해야 하는 데이터이므로, 두 수치 모두 구분 지어 파악할 필요가 있다는 점이다. Figure 3에서 보여준 서울대학교 에너지·온실가스 수지 모델은 국내 모든 대학 캠퍼스의 에너지 사용 및 온실가스 배출 특성 분석에 적용할 수 있을 것으로 생각된다.
서울대학교 건물 시간대별 에너지 사용 특성
대학은 많은 건물로 구성되므로 대학 에너지 사용을 효과적으로 관리하기 위해서는 각 건물의 에너지 사용 특성을 파악하는 것이 매우 중요하다. Figure 4는 서울대학교 관악 캠퍼스 전체와 에너지 사용의 경향이 특징적인 이공계 건물(500동), 인문·사회계 건물(4동)을 대상으로 2021년 하루 중 시간대별 평균 전기 에너지 사용 현황 특성을 나타낸 것이다. 이공계 건물 500동과 인문·사회계 건물 4동은 각각의 계열 건물 중에서 에너지 사용량이 가장 많은 건물이다. Figure 4에 최대 에너지 사용 시간을 기준으로 하여 관악캠퍼스 전체, 이공계 건물, 인문·사회계 건물의 최대 전기 에너지 소비량은 1시간에 각각 최대 23.4 MWh, 1.7 MWh, 0.046 MWh이다.
Figure 4에서 볼 수 있는 바와 같이 하루 중 관악 캠퍼스 전체 및 이공계 건물의 시간대별 에너지 사용 특성은 매우 유사한 반면 인문·사회계 건물의 에너지 사용 특성은 크게 다르다. 관악 캠퍼스와 이공계 건물은 심야(22~4시)에 사용하는 전기 사용량과 피크 시간대의 전기 사용량의 차이가 25% 내외로 작지만, 인문·사회계 건물의 경우 그 차이가 65%에 달할 정도로 크게 나타났다. Figure 4 결과를 바탕으로 기저부하율(24시간 최소 요구량/전체 소비량)을 계산하였을 때, 관악 캠퍼스 전체는 87% , 이공계 건물 500동은 92%, 인문·사회계 건물 4동의 경우 55%로 나타났다. 이러한 기저부하율이 24시간 동일하다고 가정하면 이공계 건물 500동은 24시간 전체 에너지 사용량(36.6 MWh)의 91.8%인 33.6 MWh가 기저부하량으로만 소모되며 인문·사회계 건물 4동은 24시간 전체 에너지 사용량(0.76 MWh)의 55.2%인 0.42 MWh 가 기저부하량으로 소모되어 더 차이가 벌어진다. 이공계 건물들의 경우 연구를 위해 24시간 가동되는 장치가 인문·사회계에 비해 월등히 많아 기저부하율(기저부하량)이 높다고 추정할 수 있다. 관악 캠퍼스 전체 에너지 사용량 중 이공계 건물에서 사용하는 에너지 사용 비중이 높기 때문에 관악캠퍼스 전체의 에너지 사용 특성은 이공계 건물의 에너지 사용 특성을 따른다. 그렇지만 심야 시간대의 에너지 소비가 실제 활동에 의한 것인지, 낭비되는 에너지는 없는지에 관해서는 보다 면밀한 현황 조사가 필요하다.
Figure 5는 서울대학교 관악캠퍼스 233개 건물 중에서 에너지 사용 상위 20 건물의 에너지 사용 특성을 건물 개수 비율과 연면적 비율, 에너지 사용 비율로 나타내었다. Table 5는 에너지 사용 상위 20개 개별 건물의 세부적인 에너지 사용 특성을 보여준다. Figure 5에서 볼 수 있듯이 상위 20개 건물의 에너지 사용 비율(46%)이 건물 개수 비율(8.6%)이나 연면적 비율(30%)에 비하여 크게 높은 것을 알 수 있다. Table 5에서 보면 에너지 사용 상위 20개 건물 중 75% 인 15개는 이공계 연구 관련 건물이며 그중 10개 건물이 이공계 건물이고, 5개 건물이(이공계) 연구시설이다. 가장 에너지 소비가 높은 이공계 건물 500동은 한 건물만으로 연 42.79 GWh를 소모하여 관악캠퍼스 에너지 소비량의 1/15을 차지한다.
서울대학교 냉난방 에너지 사용 특성
서울대학교 관악캠퍼스는 2023년 1월 현재 실내기 설치 기준으로 12,999개의 냉난방 장치가 설치되어 있고 이 중 93%는 중앙에서 시간과 온도 제한 등의 운영제어가 가능한 시스템을 구축하고 있다(Jung, 2023). 그러나 중앙 냉난방 시설과 별도로 사무실과 연구실에서 콘센트에 개별 냉난방기기를 연결하여 사용하는 곳이 존재하며, 이로 인한 에너지 사용량이 얼마나 되는지는 파악하지 못하고 있다.
Figure 6는 서울대학교의 7개년(2016~2023)간 관악캠퍼스의 계절별 에너지 사용량을 2016년부터 2023년까지 월 단위로 누적하여 평균을 나타낸 것이다. Figure 6에서 볼 수 있듯이 에너지 사용량은 계절적 특성을 반영하여 W자형 개형을 가지며 겨울과 여름에 크고 봄과 가을에 작다. 겨울에는 난방용 에너지 수요가, 여름에는 냉방용 에너지 수요가 추가되어 이러한 특성을 보여주는 것으로 해석된다. 또한, 이는 봄과 가을에 진행되는 강의 활동이 에너지 소비량에서 차지하는 비중이 그리 높지 않음을 시사한다. Figure 6(b)는 전력전환 손실을 제외한 에너지 사용량을 나타낸 것인데 W자형은 유지되지만, 그 변화폭이 많이 감소한 것을 볼 수 있다.
냉난방 에너지 산정은 냉난방장치에서 사용된 에너지를 직접적으로 측정하지는 않기 때문에 간접적인 방법을 통해 이루어질 수 있다. 에너지 사용량이 최소인 5월을 기준으로 추가되는 냉난방 에너지 사용량만큼의 면적을 구하면 이는 냉난방용 에너지로 해석될 수 있다. 5월의 경우에는 기온이 적당하여 냉난방의 필요가 최소화되는 계절이기도 하다. 이런 방식으로 계산하면 냉난방 에너지는 전체 에너지 사용량의 약 22%가 된다.
Table 6는 서울대학교 조명 시설 설치 현황이다. 서울대학교 조명시설은 총 22만 개 정도로 형광등, 다운라이트, 투광기, LED 조명으로 구성되어 있다. 해당 조명시설의 총 용량은 7.8 MW이다. 이를 통해 조명에 사용된 에너지가 전체 에너지 사용량 중에 차지하는 비율과 일평균 조명 사용 시간을 구할 수 있다. 서울대학교에서는 연간 27 GWh만큼의 조명에너지를 사용한다. 이 값은 교육기관에서 하루에 평균적으로 형광등은 8.4시간, LED 조명은 8.2시간을 사용한다는 것을 바탕으로 계산한 결과이다(Korea Energy Management Corporation, 2014). 이는 관악캠퍼스 전기소비량의 약 9%를 차지한다(Jung, 2023). 5대 건물에너지 사용처 중 냉난방과 조명은 합쳐서 총 에너지 사용량의 31% 정도로 측정되며, 급탕과 취사 부분은 8% 정도로 집계되는데 정확히 구분되지는 않는다(Seoul National Universityb), 2022). 전체 에너지양에서 이 값을 제외하면 플러그, 환기를 합친 나머지 에너지 소비량은 61% 정도이다. 환기에 의한 에너지 사용은 플러그 사용에 의한 에너지 사용에 비해 매우 적은 양으로 예상되기 때문에 61%의 대부분은 연구 및 실험 활동과 관계있을 것으로 추정된다. 기존의 건물들은 부하별 에너지 사용량을 측정할 수 있는 수단이 없지만 향후 신축건물에 대해서는 부하별로 집계를 할 수 있도록 시스템을 구성하고 있으므로 미래에는 용도별 부하량이 더욱 정확해질 것으로 기대한다(Table 7).
서울대학교 재생에너지 시설과 온실가스 감축 역량
Figure 7은 서울대학교 태양광 에너지 설비와 발전량 변 화를 나타낸 것이다. Figure 7에서 볼 수 있듯이 2016년 이후 서울대학교 태양광 설비는 942 kW에서 2,816 kW로 꾸준히 증가하고 있고, 이를 통한 재생에너지 생산량도 2016 년 0.78 GWh에서 2021년 1.50 GWh까지 약 2배 증가하였다. 2016~2021년간 관악캠퍼스에서 총 8.5 GWh의 태양광에너지를 발전하였고, 이를 통한 온실가스 감축량은 약 3,900 tCO2eq. 이다(Bureau of Construction and Facilities Management, 2022). 하지만 이는 2021년 서울대학교 온실가스 배출량의 3% 미만에 해당한다. 또한 서울대학교 총 에너지 사용량 (발전량 포함)이 811 GWh이므로 연간 1.50 GWh의 재생에 너지 발전량은 총 에너지 사용량의 0.2% 미만이며 전체 전력 소비량 247 GWh의 약 0.6% 수준으로 매우 작다. 따라서 현재로서는 태양광 설비 등과 같은 재생에너지 설비 설치와 운용을 통한 캠퍼스 탄소중립은 그 역할이 매우 제한 적이라는 것은 알 수 있다.
서울대학교의 2030년 온실가스 배출량 예측
서울대학교의 온실가스 배출량은 NDC(국가온실가스 감축목표)에서 건물부문에 속하기에 서울대학교에서 발생하는 에너지 사용 및 온실가스 배출 또한 NDC와 무관하지 않다. NDC 수정안(’23.3 발표)에 따르면 대한민국은 건물부문 온실가스 배출량을 2018년 5,210만tCO2eq.에서 2030년 3,500만tCO2eq.로 32.8% 줄이는 것을 목표로 한다. 서울대학교 건물도 같은 정도의 온실가스 감축을 목표로 세운다면 4.6만tCO2eq.정도의 온실가스를 감축해야 한다.
2021년 배출계수(473tCO2eq./GWh, Table 3)와 2030년 배출 계수(235tCO2eq. /GWh, Table 3)를 바탕으로 2030년 온실가스 배출량을 32.8% 줄이기 위해 필요한 전기에너지 및 도시가스(LNG) 사용량을 2개의 시나리오를 가정하여 계산하였다. 국가의 탄소중립 정책과 캠퍼스 탄소중립 노력이 어떻게 결합되어 있는지를 쉽게 전달하기 위해 이러한 시나리오를 가정하였다.
첫 번째 시나리오는 2030 NDC가 목표대로 이행되고, 서울대학교의 가스 사용량을 일정하게 유지한 상태에서 온실가스 배출량을 32.8% 감축하기 위한 전기에너지의 소비량을 계산한 결과이다(Figure 8). 이 경우 2030년 온실가스 배출목표량은 9.5만tCO2eq.이고 가스 사용으로부터 온실가스 배출량을 빼면 전기 사용으로부터 발생한 온실가스 배출량은 6.9만tCO2eq.이다. 따라서 온실가스 배출계수를 이용하여 2030년 전기 에너지 사용량을 계산하면 2021년 247 GWh에서 292 GWh로 18% 증가한다. 즉 2030년 서울대학교 전기 에너지 사용량의 경우 현재로부터 18% 정도 증가시키면서 서울대학교 건물분야 온실가스 감축 목표를 달성할 수 있다. 전기에너지 사용이 증가했음에도 불구하고 온실가스 배출량의 감소가 가능했던 이유는 온실가스 전환계수가 473tCO2eq/GWh에서 235tCO2eq/GWh로 감소했기 때문이다. 서울대학교 사용 총 에너지가 809 GWh에서 747 GWh로 감소한 이유는 전환부분에서 재생에너지 비중이 높아져 전환 손실 에너지가 줄어들었기 때문이다(Figure 8(b)). 즉 같은 양의 전기를 사용하여도 이로부터 발생하는 온실가스 배출량은 반으로 감소한다.
두 번째 시나리오는 NDC가 이행되고, 건물의 전기화 정책에 따라 가스 사용을 전기화한 경우이다. 탄소중립 전환 사회에서 사회경제 시스템의 전기화는 탄소중립 정책의 중요한 방향 중 하나이다. 이 경우 전기에너지 사용량은 292 GWh에서 386 GWh로 증가하고 이로부터 발생하는 온실가스는 9.1만tCO2eq.로 계산된다. 기타 부분 0.4만tCO2eq.을 포함하면 9.5만tCO2eq.의 목표를 달성하게 된다. 이 경우 건물의 전기화라고 하는 탄소중립 로드맵에 따라 정책을 추구하였지만, 시나리오 2030 (a)와 비교하여 전기 부분에서 발생하는 총 온실가스 배출량은 보다 증가하게 된다. 그리고 서울대학교의 총 에너지 사용량은 전기 사용량의 증가에 따른 전환손실 에너지 증가를 고려하면 시나리오 2030 (a)의 747 GWh에서 시나리오 (b)의 816 GWh로 증가한다. 탄소 중립을 위해서는 건물의 에너지 전기화가 촉진될 필요성이 있다. 이때 전기에너지 생산원은 온실가스 배출이 없는 재생에너지가 되어야 한다. 이 경우 건물의 전기화를 어렵게 하는 입법 제도도 검토할 필요가 있다. 현재 법규에 따르면 공공건물의 경우 난방부하의 60% 이상을 GHP로 제한하는 ‘공공기관 에너지 이용 합리화에 의한 법률’ 10조에 따라 가스를 이용한 난방을 일정 비율 이상으로 유지해야 하므로 정책의 일관성에 관한 검토가 필요하다.
2050 A 시나리오의 경우는 화석연료 사용 전환부분이 없으므로 전환계수가 0이 되고 기타부분 온실가스 배출량만이 존재하여 총 온실가스 배출량은 0.4만tCO2eq.이 된다. 이때 사용하는 총 에너지는 전기사용량의 386 GWh와 기타부문 에너지 사용량을 포함하면 414 GWh이다. 2050 B 시나리오의 경우는 전환계수 17tCO2eq/GWh를 고려하면 총 온실가스 배출량은 1.1만tCO2eq.이 된다. 이로부터 총 에너지는 전기 사용량의 386 GWh와 기타부문 에너지 사용량을 포함하면 565 GWh이다.
Conclusion
본 연구에서는 대학캠퍼스 에너지·온실가스 수지 모델을 제안하고 서울대학교 에너지 및 온실가스 발생 특성을 파악하였다. 또한 서울대학교 캠퍼스의 2030 건물분야 NDC 목표와 2050 탄소중립 캠퍼스 달성하기 위한 조건과 특성들을 살펴보았다. 캠퍼스 에너지·온실가스 수지 모델은 전국 대학의 탄소중립 캠퍼스 전환을 위한 준비에 적절하게 활용될 수 있다. 그뿐만 아니라 탄소중립을 위한 대형 건물의 특성을 파악하고 에너지 사용량과 온실가스 발생을 합리적으로 관리할 경우에도 좋은 모델이 될 수 있다.
서울대학교 에너지 및 온실가스 발생과 주요 관련된 특성은 전기에너지와 가스에너지 사용량의 비율이 대략 8:2 정도라는 점이다. 2021년 기준으로 서울대학교 온실가스 발생은 총 14.1만tCO2eq.이며 약 80%에 달하는 11.4만tCO2eq.은 전기 사용으로부터, 2.2만tCO2eq.은 도시가스 사용으로부터 발생한다. 서울대학교 총 에너지 사용량 809 GWh 중 전환 손실을 고려한 전기에너지는 659 GWh인데 서울대학교가 캠퍼스 내에서 실제로 사용하는 에너지 사용량은 전기에너지 249 GWh(재생에너지 발전 포함)와 가스 및 유류 에너지 사용량 150 GWh이다. 태양광 재생에너지 시설은 지속적으로 증가하고 있지만 에너지 생산 비율이 서울대학교 총 에너지 소비량의 0.2%(사용량 기준 0.6%) 수준으로 매우 작다.
서울대학교 사용 에너지의 비중은 이공계 연구실이 높은 편이며, 이공계 연구공간이 전체 에너지의 47%를 소모한다. 따라서 이공계 연구실의 에너지 사용 특성에 대한 이해를 바탕으로 온실가스를 절감하는 것이 매우 중요하다. 건물 및 공간 분류 결과로 건물과 공간 사용 특성에 따라 에너지 소비량의 차이가 극명하다는 것을 확인할 수 있었다. 건물 분류 시 에너지 소비 상위 20개 건물 중 대부분이 이공계 교육과 연구 관련 시설이며, 여기서 전체 에너지의 46%를 소모한다.
2030 NDC가 목표대로 이행되고, 서울대학교의 가스 사용량을 일정하게 유지한 상태에서 온실가스 배출량을 32.8% 감축하기 위한 전기에너지의 양은 현재로부터 18% 정도 증가하며 서울대학교 건물분야 온실가스 감축 목표를 달성할 수 있다. 같은 방식으로 2050년의 경우 매우 이상적이기는 하지만 국가 탄소중립이 이루어지고 서울대학교에서 사용하는 도시가스가 전기화가 이루어지면 서울대학교에서 사용하는 전기에너지가 모두 재생에너지로 전환되고 서울대학교 탄소중립 캠퍼스 전환은 이루어질 수 있다. 즉 서울대학교가 2030 NDC 건물분야 온실가스 감축목표와 2050 캠퍼스 탄소중립을 달성하고자 하는 경우 서울대학교 자체의 에너지 효율화와 전체 에너지 증가량을 잘 관리하는 것도 중요하지만 서울대학교에서 사용하는 전기에너지의 비화석 에너지 의존도를 높이는 것이 매우 중요하다.
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