1. 서론
대도시 지역의 대기질은 현재 우리나라의 중요한 환경 이슈 중 하나이다. 이산화질소(NO2)를 예로 들면, 2010년 대기 중 NO2 농도는 서울특별시, 인천광역시 및 경기도 소재 대기환경측정소의 절반 이상에서 24시간 환경기준을 초과하는 것으로 나타났다. 주요 도시대기측정망의 연도별 NO2 오염도의 연간 변화는 농도값의 증가 또는 감소 경향이 뚜렷하게 나타나지 않는 안정화 단계의 경향을 보이고 있다.

글 / 이태우 (국립환경과학원)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 3월호

자동차는 대도시 지역 대기오염의 중요한 요인 중 하나이다. 자동차의 영향이 강하게 나타나는 도로변 대기 측정망의 NO2 농도는 도시대기측정망의 연평균 농도보다 적게는 1.5배에서 많게는 2배에 이를 만큼 높은 농도를 기록하고 있다. 국립환경과학원의 조사 결과에 따르면, 수도권 지역 질소산화물(NOx) 배출량의 60% 이상이 자동차와 같은 이동오염원에 의한 것으로 추정된다.

따라서 현재의 도심 대기질 실태를 분석하고 개선하기 위해서는 자동차의 대기오염물질 배출량과 배출특성에 대한 연구와 관리가 필요하다고 할 수 있다. 제작되는 자동차의 대기오염물질 배출량은 환경부의‘제작차 배출허용기준’에 의해 연차적으로 꾸준히 관리되고 있으며, 그 내용 또한 비교적 널리 소개되어 있다.

반면 자동차가 실제 도로를 주행할 때 배출하는 대기오염물질의 배출량과 배출특성에 대해서는 비교적 최근부터 본격적인 연구가 진행되고 있다고 하겠다. 실도로 배출량 연구를 가능케 한 중요한 요인 중 하나는 이동식 배출가스 측정장비(Portable Emissions Measurement System, 이하 PEMS)의 도입이라고 말할 수 있다. 이전에도 PEMS를 활용한 자동차 연구는 진행된 바 있으나, 정량적으로 의미있는 연구 결과를 얻기는 다소 미흡한 측면이 있었다. 하지만 최근 출시되는 PEMS는 표준 실험실 측정장비에 필적하는 수준의 측정성능을 보유함으로서 자동차 배출가스 인증 등과 같은 행정 목적으로의 활용까지도 가능한 수준에 이르고 있다.

이와 같은 시대 상황과 연구 동향을 감안하여, 본 고에서는 자동차 대기오염물질 관리를 위한 PEMS 활용연구의 개괄적인 동향을 소개하고자 한다. 아울러 실제 운전조건에서의 자동차 오염물질 배출량 분석 연구사례를 통해 독자들의 이해를 돕고자 한다.

2. PEMS의 개요
‘이동식 배출가스 측정장비’라는 뜻의 PEMS는 어떤 특정한 장비를 의미하는 것이 아닌, 자동차에 탑재하여 차량 주행 중 배출되는 오염물질 양을 측정할 수 있을 정도의 부피와 무게를 지니는 측정장비에 대한 총칭이라고 할 수 있다. 이동이 용이한 PEMS의 특징에 힘입어 초기의 PEMS 활용 연구들은 주행 패턴, 교통 상황, 도로의 종류 또는 운전자의 성향 등과 같은 여러가지 운전 조건 변화에 따른 자동차 오염물질 배출특성 분석 분야 등에서 흥미로운 성과들을 얻어내었다. 그러나 초기 PEMS 장비의 측정 결과를 표준 실험실 장비의 측정결과와 정량적으로 동등한 수준으로 보기는 다소 어려웠기 때문에 배출허용기준과의 비교 등과 같은 행정 목적의 연구에는 널리 활용되지 못하였다.

PEMS의 성능 발전에 큰 역할을 한 것은 미국 EPA에서 도입한 대형자동차 배출가스 인증 사후관리 제도(In-Use Compliance Test)이다. 2007년 제작 차량부터 적용되고 있는 이 제도는 PEMS를 이용하여 측정한 실제 운전조건에서의 오염물질 배출량을 NTE(Not-To-Exceed) 개념의 배출허용기준과 비교하여 대상 차량의 배출가스 결함 여부를 확인하는 오염물질 관리 제도이다. 이를 위해서는 배출가스 인증시험용 오염물질 분석기에 필적하는 분석 능력을 갖는 PEMS가 필요하였기 때문에 EPA는 PEMS에 대한 성능 기준(CFR 40 Part 1065)을 마련하고, 다수의 분석기 제작자들은 본격적인 PEMS 개발에 착수하게 되었다.

아울러 이렇게 개발된 여러 PEMS의 성능을 미국의 연방 기준 방법과 비교하는 연구들도 2000년대 중반부터 많이 이루어지게 되었다. 2013년부터는 유럽에서도 PEMS를 이용한 EURO-VI 대형 경유 차량의 배출가스 결함확인 검사가 시행될 예정이므로, PEMS의 측정 성능은 더욱 개선될 것으로 기대된다.

PEMS의 구성품을 기능별로 크게 구분하면 아래와 같이 나눌 수 있다.

(1) 대기오염물질 분석기 (2) 배출가스 부피 유량 측정기 (3) 전원 공급기 (4) 제어기

대기오염물질 분석기는 자동차 배출가스 중에 포함된 가스상물질 및 입자상물질의 농도를 매 1초 주기로 분석하는 역할을 한다. 가스상물질 분석기는 NOx, 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 등의 농도를 분석하며, 대부분 실험실용 표준 분석기와 동등한 수준의 분석 원리를 사용하고 있다. 입자상물질 분석기에 대해서는 현재 뚜렷한 기술적 우위를 점하는 측정 방법을 지목하기 어려운 상황으로서, 많은 기술들이 제안 및 개발되고 있는 실정이다.

배출가스 부피 유량 측정기는 농도 측정결과를 질량 결과로 환산하기 위해 필요한 배출가스 유량을 측정하는 기기이다. 자동차의 배출가스는 온도가 높고 압력 변화가 크게 발생하므로 정확한 유량을 측정하는 것이 다른 유체의 경우에 비해 용이하지 않다. 유량측정의 정확성을 확보하기 위해서는 유량 측정부전단에서 완전 발달 유동을 형성해 줄 수 있는 충분한 직관 부분이 요구되나, 이로 인한 부피 증가는 차량 탑재 시에 부담으로 작용하기도 한다. 실차 실험 시의 전원 공급을 위해서는 주로 배터리를
별도로 탑재하여 사용하고 있으며, 실험실 내부에서의 PEMS 활용도 함께 가능토록 하기 위해 배터리의 직류 12 VDC와 실내의 교류 220 VAC를 모두 사용할 수 있는 전원 공급기를 사용한다. 각 구성품의 동작 제어, 측정결과의 저장 및 분석은 제어기에서 담당한다. <그림 1>에 PEMS의 주요 구성품의 모습을 소개하였다.

3. PEMS를 이용한 자동차 대기오염물질 관련 연구
차대동력계를 이용하던 기존의 실험실 기반 연구와 비교할 때, PEMS의 가장 큰 특징 중 하나는 이동의 용이성이다. <표1>은이와같은PEMS의특징을쉽게이해할수있도록도식화한것으로서,‘ PEMS의육하 원칙’이라 할 수 있다. PEMS를 활용하면서 그동안 상대적으로 접근이 어려웠던‘언제(When)’와‘어디서(Where)’에 대한 연구 테마를 적극적으로 발굴할 수 있는 여건이 조성되었다고 할 수 있다. 이는 기계공학이나 자동차공학 분야의 연구자들은 물론, 대기환경공학, 교통공학 및 도시공학 분야의 연구자들도 관심을 갖고 있는 연구 테마이므로, PEMS로 인해 학제간 융합 연구도 활발히 추진되고 있는 추세이다.

육하 원칙 관점에서 또 하나의 중요한 연구 테마는‘무엇(What)’이다. 대형 트럭, 건설기계, 농기계 및 선박 등과 같이 실험실 실험이 곤란한 이동오염원의 오염물질 연구에도 PEMS는 효과적으로 활용되고 있다.

PEMS를 활용한 최근의 연구 중 많은 관심을 끈 연구는 실제 운전조건에서의 소형 경유차 NOx 배출량 과다 현상을 밝혀낸 연구이다. 2011년부터 진행된 한국형 오토오일 1단계 사업을 통해 수행된 국립환경과학원의 연구를 통해, Euro-5 배출허용기준 대응 경유 소형차에서 배출되는 실제 주행조건에서의 질소산화물 배출량이 배출허용기준 대비 약 2.8배 많으며, 특히 고속도로 주행 조건에서는 배출허용기준 대비 약 3.6배까지 배출되고 있음이 확인된 바 있다. 이 연구는 환경부, 자동차 제작사 및 관련 학계에‘실제 운전조건에서의 배출량’에 대한 관심을 불러일으키는 중요한 계기가 되었으며, 향후 추가적인 제도 개선 및 연구가 필요함을 인식하게 해 준 중요한 연구라 할 수 있다.

유럽의 JRC (Joint Research Centre) 역시 PEMS를 이용한 연구를 통해 유럽지역 소형 경유차의 실제운전조건에서의 과다 배출 사례를 보고한 바 있다. 이와 같은 연구결과에 근거하여 유럽 집행위원회(European Commission, EC)는 경유 소형차의 실제 운전조건에서의 오염물질 관리를 도심지역 대기질 관리의 중요한 과제로 삼아 이에 대한 실제적인 대응수단으로서 PEMS를 이용한 RDE-LDV(Real Driving Emissions - Light Duty Vehicles) 제도를 도입하기로 하고, 그 구체적인 내용을 연구 중에 있다.

4. 실제 운전조건에서의 자동차 오염물질 배출량 분석 사례
도로상에서 벌어지는 <그림 2>와 같은 다양한 상황은 자동차 주행 조건을 변경시키며, 결과적으로 자동차의 오염물질 배출량에 영향을 미치게 된다. 실험실 내에서 이런 효과들의 영향을 현실감있게 재현하는 것은 다소 곤란하나, PEMS를 적절히 활용할 경우 효과적으로 연구를 진행할 수 있다.

본 고에서 소개하려는 연구 사례는 PEMS를 탑재한 자동차로 동일한 주행경로를 10회 반복주행하면서 그 때 배출되는 오염물질을 측정하고, 그 결과를 주행 경로 상에 위치한 각 지점의 입지 여건 및 교통 상황과 연계하여 분석한 연구사례이다.

<그림 3>은 주행 경로상의 지점과 각 지점에서 측정된 10회의 NOx 배출량 분포를 상자-수염그림으로 나타낸 것이다. 배출량은 배출허용기준대비 비율인 Deviation Ratio로 표시하였다. 주행 경로는 Link 1 지점(국립환경과학원)을 출발하여 Link 11 지점(임학사거리)까지 주행 한 후, 회차하여 동일한 경로로 Link 22 지점(국립환경과학원)으로 복귀하는 왕복 22km의 경로이다.

NOx 배출량 분포를 경로의 입지 여건과 함께 살펴보면, 교통량이 많고 체증이 심한 Link 6 지점(공촌사거리)에서는 단위 거리당 배출되는 오염물질량이 많고, 변화 폭 또한 크게 나타나고 있다. 교통량 증가에 따른 배출량 증가의 원인을 분석한 결과, 장기간의 정차와 가다 서다를 반복해야 하는 열악한 주행 패턴이 중요한 영향을 미친 것으로 분석되었다.

Link 8, 14 및 15 지점(징메이고개)은 경사도가 비슷한 오르막길과 내리막길이 있는 지역이다. 오르막길인 Link 8과 14는 서로 비슷한 NOx 배출특성을 보이나, 내리막길인 Link 15에서는 매우 낮은 배출량을 보이고 있다. 이는 오르막길에서는 차량의 부하 증가로 인해 오염물질이 많이 배출되고, 반대로 내리막길에서는 오염물질 배출량이 감소하고 있음을 보이는 결과로서, 주행 경로의 입지 여건이 오염물질 배출량에 어떻게 영향을 미치고 있는지를 잘 보여주고 있다.

본 연구 사례는 실제 도로상의 자동차 오염물질 배출량을 정확히 평가하기 위해서는 자동차 자체의 성능은 물론, 교통 상황 및 주변 여건까지도 함께 분석할 필요가 있으며, PEMS는 이와 같은 연구 목적을 효과적으로 달성할 수 있는 수단의 하나임을 보여준 사례라 할 수 있다.

5. 결론
자동차는 도로를 달리기 위해 만들어진 문명의 산물이다. 이 자동차의 오염물질 배출을 정확히 파악하고자 한다면, 가장 좋은 실험 조건은‘실제 도로에서의 실제 주행조건’일 것이다. PEMS는 실험실을 벗어나 실제 도로를 달리는 자동차의 오염물질을 현실감 있게 분석할 수 있도록 해 주는 유용한 수단이다. 이와 같은 PEMS의 매력은 다양한 분야의 연구자들에게 새로운 시각의 연구 테마를 구상할 수 있는 기술적 가능성을 열어주었으며, 그만큼 다양한 모습으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

대형자동차 배출가스 결함확인 제도와 RDE-LDV 제도 역시 실험실 기반의 인증제도의 울타리를 뛰어넘는 생각의 산물이라 할 수 있다. 향후 이와 같은 연구 경향은 더욱 흥미로운 모습으로 발전될 것으로 기대된다.

PEMS가 실제 운전조건에서의 자동차 오염물질을 측정하는 매력적인 장비인 것은 분명하지만, PEMS만으로 모든 교통환경 문제를 모니터링하고 분석하는 것은 적절하지 않다. 도심지역 교통환경 모니터링이라는 목표 달성을 위해서는 본 특집호에 소개된 RSD(Remote Sensing Device)와 MEL(Mobile Emissions Laboratory)을 PEMS와 함께 연계하여 활용할 필요가 있다고 사료된다. 세 가지 분석 장비는 나름의 원리와 특징을 지니고 있으므로, 서로의 장점을 극대화하고 단점을 보완하는 방향으로 활용할 경우 큰 시너지 효과를 발휘할 수 있을 것으로 기대된다.