Vol. 3, No. 4, 2012, pp. 235～243
차량인증모드와 실도로 주행모드별 국내 경유 소형화물 자동차의 온실가스 배출특성 분석
A Study of Greenhouse Gas Emission Rates from LDTs according to Emission Certification Modes and
Real-World Vehicle Driving Cycles in Korea
김지영†․서충열․손지환․박준홍․문태영․이상은․김정수
Kim, Ji Young†, Seo, Chungyoul, Son, Jihwan, Park, Junhong, Moon, Taeyoung, Lee, Sangeun and Kim, Jeongsoo
국립환경과학원 교통환경연구소 Transportation Pollution Research Center, National Institute of Environmental Research, Korea
요 지
자동차 분야는 온실가스 배출량의 상당 부분을 차지하는 주요 배출원으로써, 우리나라는 온실가 스 저감을 위하여 2020년까지 교통부문에서는 BAU 대비 34.3%를 감축하는 것을 목표로 하고 있 다. 이러한 목표달성을 위하여 2012년부터 자동차 온실가스 배출기준을 적용하고 있으며, 차기 온실 가스 배출기준을 마련하는데 있어 소형 화물차량에 대한 대상차종 포함 여부가 검토되고 있다. 이 에 본 연구에서는 경유 소형화물 자동차를 대상으로 주행모드에 따른 온실가스 배출특성을 분석하 였다. 차속모드인 NIER 모드를 이용하여 분석한 결과, 자동차 온실가스 배출량은 차속이 증가할수 록 감소하는 반비례 경향을 나타내었으며, CO2의 경우 일정차속(65.4 km/h) 이상의 고속구간에서는 배출량이 증가하였다. 자동차 주행거리에 따른 온실가스 배출량 증가는 나타나지 않았으며, 각국의 온실가스 배출량 측정모드를 적용한 결과, 유럽에서 적용하고 있는 NEDC 모드에서 가장 높게 나 타났다. 또한, 복합모드 시험 시 CO2 배출이 CVS-75 모드에 비하여 8% NEDC 모드에 비하여 14
% 적게 나타났다.
키워드 : 온실가스, 경유 소형화물 자동차, 복합모드, NIER 모드
ABSTRACT
Mobile sources are one of the most significant contributors to the inventory of greenhouse gas (GHG). The administration in Korea has set a goal of cutting GHG emissions of vehicles by 34.3
†Corresponding author : E-mail: [email protected]
접수일자: 2012. 9. 17 / 수정일자: 2012. 10. 31 / 채택일자: 2012. 11. 1
% compared to Business As Usual (BAU) by 2020. To achieve this goal, GHG emission stan- dards for vehicles have been applied since 2012, and now light-duty trucks are under considera- tion to be included to the vehicle types that will be regulated in the new version of GHG emi- ssion standards. Therefore, this study focuses on analyzing characteristics of exhaust GHGs (CO2, CH4, and N2O) emissions of diesel light-duty trucks according to their various driving modes. GHGs emissions of diesel light-duty trucks reduced in inverse proportion to the speed of the vehicles.
GHGs emissions from the combined mode were 8% and 14% lower than those from the CVS- 75 and NEDC modes, respectively.
Key words : Greenhouse Gas, Diesel Light-Duty Truck, Combined Mode
1. 서론
IEA(International Energy Agency)에서 발표한 전 세계의 2009년도 CO2 배출량은 289억 톤이며 그 중 수송부문의 배출이 23%로 전기 및 열에너 지 생산에 이어 두 번째로 높은 비중을 차지하고 있다. 2009년도 수송부문의 배출량은 2008년에 비하여 1.7% 감소하였으며, 도로이동오염원의 배 출이 가장 많은 것으로 나타났다. 또한, 수송부분 의 세계적인 연료소비는 2035년까지 40% 정도 더 증가할 것이라고 예측되고 있다(OECD/IEA, 2011) (국립환경과학원, 2011).
온실가스 배출의 주요 요인 중 하나인 자동차 부문에 대해 각국은 온실가스 배출 규제를 마련하 여 시행하고 있으며, 이러한 배출기준을 강화하 고 있는 추세이다(강대일, 2011a)(유영숙, 2006).
미국의 2016년 온실가스 배출량 달성목표는 승용 차와 경량트럭을 대상으로 각각 140 g CO2/km 및 185 g CO2/km로 설정하여 평균배출량 목표치 가 155 g CO2/km로 설정되어 있으며(EPA, 2009), 2011년도에는 EPA(Environmental Protection Agen- cy)에서 차기 자동차 온실가스 평균 배출기준을 2017년 이후 연식의 차량에 대해서 96 g/km로 설정하였다(EPA, 2012). 유럽의 경우, 2011년 5 월에 공표된 Regulation No 510/2011을 통해 경 량 상용차(Light-duty vehicles)에 대한 배출규제 를 시작하였으며, 경량 상용차의 온실가스 배출
목표를 2017년 175 g/km, 2020년 147 g/km로 설 정하고 있다(EU, 2011). 자동차 온실가스 배출에 대한 규제를 시행하고 있지 않은 일본의 경우 승 용차의 연비 기준 달성목표를 설정하고 있으며, 2015년까지 16.8 km/l를 목표로 하고 있다. 또한, 2011년 8월에 차기 연비규제안을 발표하였으며, 새로운 연비기준은 휘발유차의 경우 2020년 목표 치를 20.3 km/l로 제안하였다.
우리나라의 경우,「자동차 평균에너지소비효율 기준․온실가스 배출허용기준 및 기준의 적용․
관리 등에 관한 고시」(환경부고시 제2011-89호) 를 통하여 승용자동차 및 승차인원 10인승 이하 의 승합자동차를 대상으로 2015년까지 온실가스 배출량 달성목표를 140 g/km 이하로 설정하였으 며, 2012년부터 배출규제를 적용하고 있다(UN- EP, 2010) (국립환경과학원, 2011). 현재 3.5톤 미만의 화물 및 10인 이상 승합차량까지 대상차 종을 확대하는 방안과 함께 2015년 이후 자동차 온실가스 감축 목표 설정을 준비 중에 있다(강대 일 2011a).
이와 같이 각국의 실정을 반영하여 온실가스 배출규제 목표치를 설정하고 있으며, 온실가스 배출량 측정방법도 다르게 적용하고 있다. 미국 의 경우, 휘발유 자동차의 규제모드인 CVS (Con- stant Volume Sampler)-75 모드와 Highway 모드 (HWFET)를 결합한 복합모드를, 유럽의 경우 NEDC(New European Driving Cycle) 모드, 일본
의 경우 JC08 모드를 적용하고 있다, 따라서 차 기기준 설정에 있어서 대상차종에 대한 적용모드 검토도 중요한 검토사항이라고 볼 수 있다.
차기목표 설정을 위해서는 대상차종에 대한 CO2 배출수준의 파악이 매우 중요하며, 특히 3.5 톤 미만의 소형화물차량의 경우 2011년도 자동차 등록대수 중 13.4%, 화물차량 등록대수 중 76.4
%를 차지하여 해당차종에 대한 온실가스 배출수 준 파악이 중요하다고 할 수 있으며, 미국, 유럽 에서는 이미 관리대상에 포함하고 있는 만큼 소 형 화물차량에 대한 온실가스 규제 마련을 위하 여 CO2 배출실태 파악이 필요한 실정이다.
또한, 미국의 경우 CO2 외에 CH4 및 N2O에 대한 목표기준을 별도로 두고 있으나, 국내의 경 우 CH4 및 N2O에 대한 목표기준은 별도로 설정 하고 있지 않다. 특히 N2O의 경우, NOx와 마찬 가지로 연료연소 과정에서 생성되는 물질로, 2000 년 이후에 적용된 배기가스 재순환장치(EGR: Ex- haust Gas Recirculation)와 전자식 연료 고압분사 기술의 적용으로 배출이 감소되었을 것으로 예상 되나, 차량에서의 배출특성에 관한 국내 연구자 료는 부족한 실정이다(강대일, 2011b).
이에 본 연구에서는 2006년 이후 제작자동차 배출허용기준이 적용된 3.5톤 미만의 소형 경유 화물차량을 대상으로 주행모드에 따른 온실가스 배출특성을 분석하고, 향후 배출기준 설정을 위 하여 주행모드별 CO2 배출량의 변화를 분석하였다.
2. 연구 방법
Vehicle Emission
standard
Displacement (CC)
Curb weight (kg)
Mileage
(km) Fleet
BONGO-3 EURO4 2,902 2,080 11,351～
73,723 3
1 TON PORTER EURO4 2,497 1,950 20,524～
133,018 7
Table 1. Specification of test vehicles
2.1 시험차량
본 연구에서는 국토해양부에서 발표한 2010년 도 자동차등록대수 자료를 이용하여 2006년 이후 제작자동차 배출허용기준을 적용받는 총중량 3.5 톤 미만인 소형 경유화물차량을 대상으로 차종별 등록점유율을 고려하여 시험차량 10대를 선정하 였다. 주행거리는 배출가스 보증기간을 고려하여 80,000 km 미만과 80,000 km 이상으로 각각 구 분하였다. 시험차종 및 대수를 표 1에 나타내었다.
2.2 시험모드
차속별 온실가스 배출특성을 분석하기 위하여 적용한 주행모드는 국립환경과학원에서 자체개발 한 차속모드로서, 서울시내 일정구간을 자동차로 운행하여 얻어진 운행자료를 토대로 만들어진 대 표차속별 주행모드인 NIER(National Institute of Environmental Research) 모드이며, 본 시험에 사 용된 대표차속은 4.7, 10.8, 17.3, 24.6, 34.1, 65.4, 79.6, 97.3, 114.2 km/h의 9개 모드로 무부 하(4.7 km/h), 저속(10.8 km/h, 17.3 km/h), 시내 평균차속(24.6, 34.1 km/h), 연비우수차속(65.4 km/h, 79.6 km/h), 고속차속(97.3 km/h, 114.2 km/h)을 대표하고 있다. 대표차속별 주행패턴을 그림 1에 나타내었다. 또한, 규제모드 적용에 따른 온실가스 배출특성을 분석하기 위하여 미국에서 적용하고 있는 CVS-75 모드와 HWFET(Highway Fuel Economy Test) 모드, 유럽에서 적용하고 있 는 NEDC 모드, 미국 및 국내에서 승용차량의 온
Test mode Average speed (km/h)
Test length (km)
Test duration (sec)
CVS-75 34.1 17.77 1,874
NEDC
(ECE15+EUDC) 33.6 11.007 1,180
Highway
(HWFET) 77.4 16.45 1,545
NIER1 4.7 1.14 873
NIER3 10.8 2.63 878
NIER5 17.3 4.13 861
NIER7 24.6 5.98 875
NIER9 34.1 8.76 926
NIER12 65.4 14.41 840
NIER13 79.6 17.45 849
NIER14 97.3 21.82 917
NIER15 114.2 25.73 917
Combined mode 0.55×CVS-75 mode emission + 0.44×HWFET mode emission Table 2. Specification of each vehicle driving modes
실가스 배출 측정에 사용 중인 복합모드(Com- bined mode)를 적용하여 분석하였으며, 분석 모 드별 주행조건을 표 2에 나타내었다. 규제모드별 특성을 보면, 도시주행모드인 CVS-75 모드의 경 우 도심지 주행상황을 가정하여 구성한 것으로, 차량의 가감속 구간이 많고 정지구간이 다수 존 재한다. NEDC 모드의 경우, 시내 주행모드와 고 속도로 주행모드가 연속으로 구성된 모드로 유럽 에서 연비 및 온실가스 측정에 사용하고 있다.
고속도로 주행 모드인 Highway 모드는 고속도로 주행상황을 가정한 것으로 차량의 가감속 구간이 적고 고속의 항속구간이 길게 존재하는 특성이 있다.
2.3 시료채취 및 분석방법
대상차종의 온실가스 배출특성을 분석하기 위 하여 교통환경연구소에서 보유하고 있는 소형차
차대동력계를 사용하였다. 차대동력계는 정지, 가 속, 정속, 감속 등을 반복하는 과정을 대표화한 자동차의 주행모드를 모사하여 주행할 수 있도록 자동차에 부하를 걸어주는 장치로 자동차에서 배 출되는 온실가스 측정은 시험자동차가 차대동력 계의 롤러 위에서 각 모드별로 주행할 때 배기관 으로 배출되는 가스를 정용량시료채취장치(CVS : Constant volume sampler)에서 일정량의 공기로 희석한 후 시료 채취백에 채취하여 배출가스 분석 기로 분석하였다. 배출가스 측정시스템의 계통도 및 시험장면을 그림 2와 3에 나타내었다. CO2 및 CH4의 경우, 각각 비분산적외선분석법(Non Dis- persive Infra-Red, NDIR) 및 수소염이온화분석법 (Flame Ionization Detection, FID)이 적용된 배출 가스 분석기를 이용하여 실시간 분석하였으며, N2O는 PDHID(Pulsed Discharge helium ioniza- tion detector)가 부착된 GC(Gas Chromatogra-
(a) NIER 1 (b) NIER 7
(c) NIER 12 (d) NIER 15 Fig. 1. NIER modes of light-duty diesel truck.
Fig. 2 Schematic diagram for vehicle exhaust
emission test system. Fig. 3 Overview of chassis dynamometer.
phy)를 이용하여 분석하였다. N2O 분석을 위한 시료채취는 CVS를 통하여 희석된 배기관 가스를 일부 포집하였으며, 채취 용량은 10L로 하였다.
3. 연구 결과
3.1 차속별 온실가스 배출특성
대표차속별 모드인 NIER 모드를 이용하여 차 속변화에 따른 온실가스 배출량 변화를 분석한 결과, 그림 4와 같이 차속이 증가함에 따라 CO2, CH4, N2O 배출이 감소하는 반비례 경향이 나타 났으며, CO2의 경우, 일정차속 이상에는 배출이 다시 증가하였다. 저속에서 온실가스 배출이 높 게 나타나는 현상은 그림 1에서 알 수 있듯이 저 속구간이 고속구간에 비하여 공회전 영역을 많이 포함하고 있기 때문으로 판단되며, 고속구간의 경우 고부하율 영역으로 연비가 감소하면서 CO2
배출이 증가된 것으로 보인다.
기존의 EURO3 수준의 경유 소형화물 차량에 대한 측정 자료를 이용하여 자동차 규제물질의 배출허용기준 강화에 따른 온실가스 배출 저감을 분석한 결과를 그림 5에 나타내었다. 배출허용기 준 강화에 따른 온실가스 저감은 물질별로 차이 를 보였으며, N2O의 경우 EURO4 수준의 기술도 입에 따라 배출량이 43% 감소된 것으로 분석되 었다. 이는 전자식 연료 고압분사 기술의 개발과 전자식 EGR 기술의 도입에 따른 영향으로 보여 진다.
3.2 주행모드 및 주행거리별 CO2 배출 특성 소형 경유화물 차량의 주행모드에 따른 CO2
배출특성을 분석한 결과, 그림 6과 같이 NEDC 모드 적용 시에 가장 높게 나타났으며, Highway 모드 적용 시에 가장 낮게 나타났다. 또한, CVS- 75 모드와 Highway 모드에 가중치를 부여하여 (CVS-75 : Highway = 0.55: 0.45) 우리나라의 승 용차량에 적용하고 있는 Combined 모드의 CO2
(a) CO2
(b) CH4
(c) N2O
Fig. 4. GHG emissions characteristics of GHGs from diesel light duty trucks.
(a) CO2
(b) CH4
(c) N2O
Fig. 5. Comparison of GHGs emissions accord- ing to emission standards.
Fig. 6. Comparison of CO2 emissions according to driving modes.
배출량을 산정한 결과, CVS-75 모드에 비하여 8
%, NEDC 모드에 비하여 14.4% 낮은 수준으로 나타남에 따라 향후 소형 화물차량에 대한 CO2
배출달성목표 설정 시 규제모드에 따른 저감량이 달라질 수 있으므로, 규제모드에 대한 검토도 함 께 이루어져야할 것으로 보인다. 또한, Combined 모드를 소형 화물차량에 적용한 결과, 승용차량 의 목표수준(140 g/km)에 비하여 43 g/km 높게 나타났으며, 승용차량목표와 동일수준의 배출수 준 달성을 위해서는 23%의 배출 저감이 필요한 것으로 분석되었다.
경유소형 화물차량의 배출가스 보증 기간(5년, 80,000 km) 전후 차량에 대한 CO2 배출 특성 분 석 결과, 주행거리가 증가함에 따른 CO2 배출증 가는 나타나지 않았다(그림 7, 8). 따라서 자동차 의 CO2 배출은 주행거리보다는 주행모드와 같은 운전조건의 영향이 크다고 볼 수 있다.
Fig. 7. Emission characteristics of CO2 for die- sel light duty truck by odometer.
Fig. 8 The relationship between CO2 emission and mileage.
3.3 경유소형 화물차량의 CO2 배출량 산정 차속별 배출특성 분석결과를 이용하여 표 3과 같이 경유 소형화물 차량의 온실가스 배출계수를 도출, 2009년도 차량별 등록대수 및 주행거리 자 료를 고려하여 배출량을 산정하였다. CO2의 경우 그림 3에서와 같이 65.4 km/h를 전후하여 차속에 따른 배출특성이 상이하여 배출계수를 65.4 km/h 를 기점으로 구분 산정하였다. 경유소형 화물차량 의 온실가스 배출량을 산정한 결과, 5.9×106 ton CO2 eq./yr로 산정되었으며, 이는 온실가스종합정 보센터에서 발표한 2009년도 수송부문 온실가스 배출량(82.5×106 ton CO2 eq./yr)의 7.1%에 해당 되는 것으로 분석되었다.
4. 결론 및 토의
본 연구에서는 차기 온실가스 규제기준 마련의 대상차종으로 고려되고 있는 경유 소형화물차량 의 운전모드별 온실가스 배출특성을 분석하였다.
GHGs Vehicle speed Emission factors
CO2
≤65.4km/h CO2 (g/km)=932.7×V—0.4626
≥65.4km/h CO2 (g/km)=0.0571V2—7.5785V+399.6
CH4 - CH4 (g/km)=0.0349V—0.6406
N2O - N2O (g/km)=0.0825V—0.9152
Table 3. GHGs emission factors of diesel light duty truck
NIER 모드를 이용하여 차속별 온실가스 배출 특성 분석 결과, 차속이 증가할수록 온실가스 (CO2, CH4, N2O) 배출이 감소하는 반비례 경향 을 나타내었으며, EURO 4 기준 도입에 따라 N2O의 배출이 43% 감소된 것으로 분석되었다.
주행거리 증가에 따른 온실가스 배출 증가는 나 타나지 않았으며, 주행모드별 CO2 배출량 분석 결 과, 현재 우리나라 소형승용차량의 온실가스 배출 기준의 시험방법인 combined 모드 적용시 CVS- 75 모드 및 NEDC 모드 적용 결과에 비하여 CO2
배출이 각각 8% 및 14% 감소되어 나타났다.
차속별 온실가스 배출 특성 분석 결과를 토대 로 주행거리 및 등록대수를 고려하여 경유 소형 화물차량의 CO2 배출량을 분석한 결과, 연간 5.9
×106톤으로 산정되어, 수송부문 온실가스 배출량 의 7.1%를 차지하는 것으로 분석되었다.
참고문헌
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