1. 서론

 

○ 2008년 캘리포니아 주민들은 캘리포니아 고속철도의 설계 및 시공 모든 단계에 대한 채권으로서 거의 100억 달러에 달하는 자금지원을 승인하는 주민투표를 가결하였다. 이 사업이 완공되는 시점에는 고속철도 시스템의 건설은 거의 450억 달러가 소요될 것으로 예상하고 있으며, 이는 거의 50년간에 있어서 캘리포니아 주의 최대의 사업이 될 전망이다.

 

○ 이러한 고속철도에 대한 다양한 공공투자는 캘리포니아가 기후변화 저감대책과 관련된 실행기준을 만족시키기 위한 온실가스 저감전략을 시행하기 시작하는 시점과 일치한다. 캘리포니아 고속철도국(CHSRA)와 캘리포니아 대기자원 위원회(CARB) (2008)는 공히 이러한 제안된 고속철도가 항공교통과 자동차 교통에서 배출하는 온실가스량을 상쇄시켜서 전체 배출량을 감소시킬 것으로 예상하고 있다. CARB 추산으로는 이 고속철도 시스템이 연간 이산화탄소계열의 가스배출(Mt CO2e)을 1.15백만톤 분량으로 감소시킬 것으로 예상하고 있다. CHSRA 는 이보다 더 낙관적인 견해를 가지고 있는데, - 추정 감소량을 2030년 까지 연간 3.08백만 톤의 이산화탄소계열의 가스를 절감할 수 있을 것으로 보고 있다(캘리포니아 고속철도국, 2008). 그러나 이러한 배출가스 저감추정치는 다른 교통수단에 대한 성능과 이용량에 대한 추정치를 기반으로 예측한 것일 뿐만 아니라, 고속철도 기반시설의 건설 시에 발생하는 초기 배출가스량은 반영하지 않은 결과이다.

 

○ 본 연구는 고속철도 노반건설 및 연관 기반시설 건설시 발생되는 온실가스 발생량을 건설공정 기반의 생애주기평가(LCA)를 기반으로 산정하였다. 철도노반의 건설, 기반시설의 전철화, 절토 및 성토공정, 상부 구조물 및 터널공정으로 상세구분 하여 산정하였다. 본 해석은 다른 어떤 기반시설물 보다도 터널 구조에 적용되는 최초의 생애주기 동안의 배출가스량 산정이 될 것이며, 따라서 향후 기본적인 근거자료 및 정보로서의 가치를 가지게 될 것이다. 이러한 LCA 해석결과는 고속철도의 기반시설물 투자에서부터 고속철도 운행으로 인한 여객교통 분야의 배출가스량 변화를 비교분석할 수 있도록 한다.

 

○ 미국의 고속철도 기반시설 개발로 인한 잠재적인 영향에 대해서 분석한 자료는 거의 없는 실정이다. Chester와 Horvath(2010)은 유일하게 캘리포니아 고속철도 사업을 대상으로 고속철도의 건설과 운영을 생애주기 개념으로 분석한 결과를 제시하였다. 이들의 LCA 분석방법은 차량 운행, 차량 비운행, 전력생산 분야 및 기반시설 분야로 분류하고 이들에 대해 건설, 유지관리 및 운용을 하이브리드 LCA 해석방법을 사용하여 분석하였다. 이 하이브리드 LCA 해석방법은 경제적 입력-출력 방법이면서 동시에 절차중심의 해석방법이라고 할 수 있다. 이 해석방법에서 건설부분에는 재료부문과 지상공사, 땅깍기, 쌓기 등을 포함한 부지정리와 관련된 공정과 기반시설물 시공부문 등이 포함되어 있다. 이 연구에서는 터널공정과 이에 따른 재료들은 포함되어 있지 않았다.

 

○ Chester와 Horvath는 캘리포니아 고속철도의 생애주기 동안의 온실가스 배출량을 승객 1인당 단위이동 거리를 기준(PKT)으로 하는 추정치를 제시하였으며, 이때 이용수준별로 100g CO2e/PKT 이하와 700g CO2e/PKT 이상과 같이 분류하여 결과치를 제시하였다. Chester와 Horvath의 연구결과는 고속철도 이용율이 캘리포니아 고속철도 시스템이 실제적으로 항공교통이나 자동차 교통수단에 비해 온실가스 배출량을 얼마나 저감시킬 수 있느냐에 대해 매우 중요한 열쇠를 쥐고 있다고 밝히고 있다.

 

2. 목표와 범위

 

○ 본 연구의 목표는 제안된 캘리포니아 고속철도에 대한 기본적인 기반시설물의 건설로 인한 생애주기 동안의 온실가스 배출량에 대해 초기 추정치를 제시하는데 있다.

 

○ 본 연구의 지정학적 범위는 샌프란시스코 중심가와 애너하임역 사이의 고속철도 기반시설을 포함하며 이는 CHSRA에서 제안한 1단계 건설구간이다. 계획된 노선은 중심 협곡구간에서 대부분 평지로 통과하게 되며, 중심협곡 지역과 Bay Area 및 로스앤젤레스 대도시 사이에는 산지와 구릉지를 통과하고, 대도심 구간에서는 도심지 기반시설물로 계획되게 된다.  노선대의 지형조건이 건설기반시설의 공법을 결정짓게 된다. 전체 고속철도 노선시스템(725Km)에 노반시설 및 기반시설 전철화 작업이 필요하다. 지형조건에 따라서 다음과 같은 형식의 기반시설물 건설이 필요한데, 깍기 및 쌓기구간 (138Km), 교량 공사구간(61Km), 터널구간(49Km), 제방구간(26Km) 및 트랜치공사 구간(11Km)이 각각 필요하게 된다.

 

○ 본 연구의 시스템적 범위는 건설재료의 생산, 건설재료의 현장운반 및 건설기계의 작동 등에서 유발되는 생애주기동안의 온실가스량을 포함하고 있다. <그림 1>에서 나타낸 바와 같이 시스템 범위는 건설장비의 운반, 건설폐기물의 현장반입 및 유츨 등은 제외하고 있는데, 이는 건설공사 작업 시 건설장비가 어떤 곳에서부터 공급되는지에 대한 불확실성과 건설폐기물의 수집 및 처리위치와 연관된 불확실성을 감안한데서 기인한다. 시스템 범위에서 제외된 또 다른 사항에는 건설현장의 가시설물의 생산 및 작업, 건설장비의 제조, 고속철도 기반시설 공사 중 트랜치공사 및 제방공사 등이 제외되었다. 이러한 제외사유는 관련 정보의 불충분으로 기인한다. 이러한 사항들의 제외로 인하여 본 연구결과에 미치는 영향은 거의 발생하지 않는다.

 

< 그림 1. 고속철도 공사 배출가스 모델의 시스템 범위 및 흐름도 >

 

3. 적용 방법

 

○ 건설공사와 연관된 배출가스를 분석하기 위해서, 배출가스 발생모델은 건설재료의 LCAs, 디젤 및 전력의 LCAs 와 건설장비 및 중화물차량의 배출계수들을 포함하고 있다. 본 연구에서는 CO2, CH4 alc N2O 등의 가스 배출이 추적된다. 이들 가스들은 이산화탄소계열 가스들로서 2007년 국제정부간 기후변화회의 (IPCC’s)에서 향후 100년 동안 지구온난화를 일으킬 가능성이 높은 요인으로 선정되었다.

 

3.1 배출목록 모델

 

○ 고속철도 건설에 따르는 배출가스에는 두 가지의 유형이 있는데, 첫째는, 재료의 생산과 운반이고, 둘째는 건설기계의 운용이다. 거의 1,500만 ton 에 달하는 자재가 노선건설에 필요하며, 이들 중 45%는 콘크리트외의 용도에 사용되는 골재이고, 34%는 레미콘, 14%는 프리캐스트 콘크리트, 4%는 강재 및 3%는 콘크리트 제조와 별개로 사용되는 시멘트로 구성되어 있다. 이들에게서 발생되는 생애주기 동안의 배출가스는, 원재료 획득시, 원료의 가공 또는 정제시, 건설재료의 현장반입을 위한 제조 및 운반 행위로 인하여 발생된다. 공종에 기반을 둔 생애주기 목록을 이용하여 건설자제의 제조로 인한 온실가스 발생과 운송으로 인한 연료의 주기적인 배출가스를 정의할 수 있다. <표 1>에 이러한 온실가스 발생원인의 목록을 기술하였다.

 

○ US Commodity Flow Survey에서 나타난 건설재료들의 운송거리는 물품분류별 운송거리에 대한 미국 전체평균치를 제시하고 있다. 이러한 계산수행 시 콘크리트와 같은 혼합재료들은 각 구성 재료별로 분리되어 반영되었다. 고무와 구리선은 상대적으로 사용되는 물량이 미미하고 관련 정보도 부족하기 때문에 운송계산에서는 제외되었다. 운송수단으로는 디젤트럭만이 사용되는 것으로 반영되었는데, 이들의 이산화탄소계열 가스 배출강도는 0.21kg/tonne-Km 로 반영하였다. 트럭운송은 건설재료의 운송방법 중에서 가장 비효율적인 방법이므로 이는 운송관련 온실가스 배출과 관련된 가장 최악의 시나리오라고 할 수 있다.

 

○ 내연기관과 건설장비의 연료사용으로 인한 배출가스는 OFFRAOD 모델을 사용하여 모델링하였다(California Air Resource board, 2006). 본 연구에서 적용한 OFFROAD 배출가스 계수는 2015년 건설장비의 운용으로 인한 온실가스 발생추정치를 적용하였다. 모든 건설장비에 대한 장비형식, 마력 및 사용시간 등은 Chang(2009) 의 연구보고서에서 입수할 수 있다. 온실가스 배출의 연료 주기를 감안하기 위한 OFFROAD 모델에 의한 연료의 사용은 디젤유의 배출가스 생산량과 연관되어 있다.

 

3.2 노반 및 기반시설의 전철화

 

○ 고속철도 시스템은 노반과 전 노선에 대한 전철화가 필요하다. 노반건설에 대한 LCA 분석은 유럽과 아시아에서 시행된 바가 있는 방법이며, Rheda 2000 고속철도 시스템에 적용한 Kiani 등(2008)에 의한 생애주기 목록 해석법에 의해 산출된다. 이 Kiani 등의 연구에는 복선철도 노선에 대한 단위 Km 건설에 필요한 재료와 장비를 포함하고 있다. 이 Kiani 등에서 적용하는 주요한 3가지 장비형식은 현장 슬래브 타설장비, 레일 포설장비 및 노반에 콘크리트를 타설하고 양생하기 위한 콘크리트 열차이다.

 

○ Kiani의 장비 데이터와 건설장비의 연료주기에 따른 배출가스량을 조합하면 단선노선에 대한 노반건설시 1,785kg/Km 의 이산화탄소 계열의 온실가스가 배출되는 것으로 계산된다.

 

○ 기반시설의 전철화에 대한 모델링은 건설재료의 제조 및 운송에 관련된 배출가스만을 고려한다. 고속철도에 필요한 전철화 기반시설에는 케이터너리 폴과 상부 접점와이어가 포함된다. 본 연구에서는 강재의 케이터너리 폴과 상부 접점시설로 평행 구리 알로이 와이어를 사용하는 것으로 가정하였다. Federci 등(2008)은 고속철도의 단위 Km 당 필요한 강재와 구리의 중량을 계산한 자료를 발표하였다. 이러한 물량정보는 <표 1>에 기술된 바와 같이 구리 및 강재 알로이의 생애주기 동안의 배출가스 정보와 연계된다.

 

 

< 표 1. 고속철도 건설 재료의 생산에 수반되는 생애주기 온실가스 배출량 >

 

3.3 절토 및 성토 작업

 

○ 고속철도 시스템은 목표한 이동속도를 확보하기 위하여 종단선형 기울기의 최대치를 3.5% 이내로 제한하고 있다. 가장 노선선형 확보가 어려운 구간에는 터널과 교량구조물이 건설되지만 이러한 종단선형 제한으로 인하여 전체 고속철도 노선에서 138Km의 구간에서 절토 및 성토작업이 필요하게 된다. 절토 및 성토작업은 노선 한 구간에 대하여 토사의 절취가 필요하고 이 토사를 다른 지역에 투기하는 행위를 필요로 한다. 이러한 토사의 유용이 수요를 만족시키지 못하는 지역에서는 외부 지역으로부터 토사의 반입 또는 반출이 필요하게 된다.

 

○ 절토 및 성토행위 시 이동하는 토사량의 계산은 전산 고도(Level)모델과 결합된 노선의 좌표와 연계가 필요하고 이를 통해서 필요한 절토 및 성토 물량을 추정하게 된다. 본 연구에서는 이러한 절토 및 성토물량의 추정을 위해 노선 남측방향의 수평노선 5.1Km를 Haversine 공식을 이용하여 산출하여 평가하였다. 본 방법으로 산출한 추정치는 절토량 4,910만 m3, 성토량 5,070만 m3 으로 산출되었다.

 

○ 이러한 절토 및 성토량의 계산목적은 성토에 필요한 토사를 최대한 그 지역에서 절토한 토사로 충당하려는 것이며, 이를 통해 토사의 외부 유입 또는 반출을 최소화 하자는 것이다. 그러나 절토 성토량의 비교에서 확인할 수 있듯이 필요 성토물량을 확보하기 위해서는 160만 m3 의 토사가 반입되어야만 한다. 배출가스 모델에서는 노선 내부에서 절토된 토사의 운반거리를 1km 로 산정하고 외부에서 유입하는 토사의 운반거리는 10Km 로 산정하였다. Stripple(2001)은 절토 및 성토 작업시 단위 Km 당 단위 토사체적을 이동시키는데 소요되는 시간당 연료소모량 수치를 계산하여 발표하였다. 이러한 연료소모비율은 디젤 생산 및 내연기관 연소를 위한 연료 주기 배출량과 결합되게 된다.

 

3.4 터널

 

○ 고속철도 터널 건설은 캘리포니아의 지난 50년간 최초의 터널사업이었던 Pacifica 도로 1번 노선의 Devil’s Slide Tunnel(DST) 사업의 건설공정을 기반으로 설계되었다. 이 DST는 도로터널이기 때문에 터널의 크기와 형상에 대한 규정이 제안된 고속철도의 터널과 유사하다. 이 DST 사업발주를 위한 입찰설계에 제시된 자재목록에 단위 Km 당 터널 건설에 소요되는 재료의 추정치가 제시되어 있다. 여기에는 터널 공사에 필요한 모든 건설자재 목록이 고려되었다. 그러나 터널 내부의 도로공사에 사용되는 건설자재는 검토대상에서 제외되었는데 그 이유는 이 구간에는 포장대신 노반공사가 수행될 것이기 때문이다. 시멘트, 강재 및 골재 등이 터널공사를 위한 주요 자재이며 이들은 터널 굴착작업 진행시 터널의 벽체를 지지하고 선형을 유지시켜 주게 된다.

 

○ DST 사업의 교대근무일지로 부터 북측 굴착공사 및 남측 굴착공사에 대한 정보를 입수하였다. 이 교대업무일지는 2009년 3월 31일의 24시간을 포함하고 있는데, 이 날은 캘리포니아 교통국의 대리인이 선정한 평균적인 공사 진척상황을 보여주는 가장 대표적인 날로 제시된 것이다. 9m 의 24시간 평균 굴착길이 역시 캘리포니아 교통국 대리인으로부터 제공받았다. 사용된 장비의 종류와 시간이 이 교대근무일지에 제시되어 있다. 교대근무일지에 수록된 각 건설장비의 표준 마력은 OFFROAD 모델의 적정한 배출계수와 결합되어 터널공사에 사용되는 장비의 온실가스 추정에 사용된다(Chang, 2009).

 

○ 터널 굴착공사 시 환기문제는 대단히 중요한 공정인데, 캘리포니아 교통국 및 해당 건설업체에서 현장의 전기사용량 추정치를 제공받을 수 없었기 때문에, 터널공사 시 환기시설로 인한 전기사용량 추정은 본 연구에 포함되지 않았다. 건설현장 및 터널현장의 가시설로 인한 전기사용량 역시 자료부족으로 인하여 제외되었다.

 

3.5 교량구조물

 

○ 교량구조물은 최근 대만에서 수행한 고속철도 사업의 특징을 기반으로 하여 모델링 되었다(Kuhedran, 2005). 이 사업은 비교적 최근에 수행되었으며, 해당 지역이 지진이 빈번히 발생되는 지역이라는 점에서 캘리포니아 고속철도 사업 모델에 적용성이 좋은 것으로 평가되었다. 이 대만 고속철도 사업은 단위길이 당 교량구조물의 콘크리트와 철근의 물량을 제공하였지만 장비와 관련된 배출가스량 이나 현장타설 콘크리트 부재와 프리캐스트 부재를 구분하여 정보를 제공하지는 못하였다. 이 프리캐스트 부재의 생애주기 배출가스량은 레미콘에 비해 거의 2배 정도를 배출하므로 이러한 구분은 대단히 중요한 문제이다. 본 연구에서는 상부구조물은 프리캐스트 부재로, 하부구조물은 현장타설 부재로 가정하였다.

 

○ 프리캐스트 부재가 사용될 때는, 현장 작업은 대부분 부지정지, 하부구조의 콘크리트 타설 및 프리캐스트 부재의 양중 및 거치 작업으로 구성되게 된다. 그러나 이러한 작업에 필요한 장비에 대한 활용할 수 있는 정보는 없는 상황이다. 교량구조물은 터널공사에 수반되는 연속적인 굴착공사에 비해서 장비활용 비율이 작다는 전제하에, 교량공사의 장비활용은 단위 Km 당 터널 공사에 사용되는 장비이용 횟수의 50%를 취하여 모델링 하였다. 이러한 가정은 불확실성을 포함하기 때문에 터널공사 장비활용율에 대하여 0%에서 100% 까지 민감도 분석을 수행하였다.

 

4. 토론

 

○ 각 기반시설물에 대한 재료의 생산, 자재의 운반 및 장착 기여도가 <표 2>에 나타나 있다. 건설자재의 생산으로 인한 온실가스 배출량이 전체의 80%에 달하고, 자재를 현장에 반입하기 위한 운송 배출량은 16%, 그리고 건설장비의 운용으로 인한 배출량은 단지 5%에 불과한 것으로 분석되었다. 터널 및 교량구조물은 전체 노선의 15%에 불과하지만 해당 공사에 의한 배출량은 거의 60%에 달하는 것으로 분석되었다. 민감도 분석결과 교량구조물 공사 시 사용하는 장비의 배출량이 터널공사 장비 배출량의 0%에서 100%를 반영할 때 온실가스 배출량의 변화량은 단지 ±1.2% 에 불과하였다.

 

< 표 2. 기반시설물 종류 및 공정에 따른 이산화탄소계열 가스발생량 요약 >

 

○ 성토 및 절토공사에 의한 배출가스량은 전체 고속철도 건설에 따른 배출량의 2% 미만이었고 이들은 장비사용량에 의해 좌우되었는데 대부분 절토 토사의 운반에 의한 배출가스량 이었다. 평균적인 절토 및 성토를 위한 토사 운반거리를 1km 기준으로 하였을 경우 민감도 분석결과 공사현장의 절토 및 성토 평균 운반거리가 2배로 증가하더라도 이들 공종에 사용되는 장비의 배출가스 증가량은 1% 미만인 것으로 나타났다.

 

○ 건설공사 전반의 배출량을 감안하여, 고속철도가 운행하였을 때 감소되는 배출가스량을 기반으로 동등한 물량의 배출가스량을 감소하는데 필요한 시간을 비교하였다. 이러한 계산에는 고속철도는 다른 형식의 교통수단을 사용하여 이동하였을 경우 보다 CARB 추산치인 연간 115만톤 의 이산화탄소계열의 배출가스량을 저감할 수 있다는 가정을 적용하였다. 이 계산은 단지 교통수단에서 배출하는 직접적인 배출가스만을 감안한 것이며 운영 시 절감되는 양과 이용빈도가 줄어든 다른 교통수단의 기반시설 확장 감소로 인한 저감량 등은 반영하지 않았다. 이러한 가정을 기반으로 단순 회복기간 계산결과 고속철도 운영 개시 후 2년 정도 소요되는 는 것으로 나타났다. 그러나 이러한 간단한 계산은 고속철도 건설로 인한 배출가스로 이한 기후변화 영향을 상쇄시키는 데 필요한 시간을 왜곡시킬 가능성이 있다. 최근의 연구에서는 전체 시스템의 생애주기 동안에 발생시키는 배출가스로 인한 기후변화 영향이 재래적인 탄소량 추정 및 LCA 방법에 비해 저평가하고 있다고 주장하고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 이산화탄소계열의 총 온실가스량을 추정하는 대신 지구 온난화 영향을 기반으로 하는 회복기간을 산정하도록 하였다.

 

○ 이러한 회복기간 접근방법을 위해 지구온난화 영향이 누적방사력(CRF)을 이용하여 모델링 되었다. IPCC 에서는 CRF를 사용하여 광범위하게 적용되는 지구온난화 잠재성을 계산하고 이 CRF를 시간이 지날수록 지구 복사열을 가두어 둘 수 있도록 하는 지구온난화 정도를 측정하는 지수로 활용하고 있다. CRF를 이용하여 계산된 회복기간은 고속철도 건설로 인한 초기 온실가스 배출로 인한 지구온난화 영향이 운영 단계에서 절감된 온실가스 배출로 인하여 발생되는 지구 온난화 저감영향과 상쇄되는 시점을 도출하도록 한다.

 

○ 공사기간은 약 7년으로 추정하고 있다. 본 연구에서 추정하는 공사로 인해 발생되는 온실가스 발생량은 7년 동안 평균치로 계산되어지기 때문에 연간 온실가스 배출량은 공사 개시일부터 완공일 까지 일정하게 배출되는 것으로 모델링 되어 있다. <그림 2>는 시공시 배출되는 온실가스량과 저감되는 온실가스량 및 시간경과에 따른 순 지구온난화 영향이 도시되어 있다.

 

< 그림 2. 건설공사 배출가스로 인한 지구온난화 영향, 배출가스 감소량 및 고속철도로 인한 순 배출량 >

 

○ 착공 7년 후, CRF 수치는 자동차와 항공교통량의 감소로 인하여 비로소 줄어들기 시작하고 있다. 회복기간은 순 CRF 가 “영”이 되는 시점이며, 이는 고속철도 운영 개시 후 6년 후, 다시 말하면 착공 후 13년 만에 발생하는 것으로 분석되었다. 이는 단순계산 결과보다 3배나 긴 추정치를 나타내고 있지만 이는 60년~100년 정도를 예상하고 있는 기반시설물의 수명을 고려할 때 대단히 짧은 기간이라고 할 수 있다. 고속철도 운영 중 저감되는 온실가스량을 추정하는 것에는 많은 불확실성이 수반된다. 회복기간 산정에 있어서 최대기간은 CRF 기법을 이용하여 비선형적으로 발전한다는 가정하였다. 만일 감소되는 온실가스량이 절반 수준인 연간 575,000톤 이라고 가정하더라도 회복기간은 단지 3.3년 증가할 뿐이다. 그러나 만일 절감되는 배출가스량이 CARB 추정치의 1/4이 된다면 회복기간은 거의 20년에 달할 정도로 증가하게 된다. 바로 이러한 CRF 계산의 비선형성으로 인하여 만일 감소된 온실가스량이 CARB 예측치 보다 월등히 작다면 이 회복기간은 수 십 년 동안 발생되지 않을 것이다.