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자동차 배출가스의 국제표준화 동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2015-07-05 22:39:03

본문

1945년 제2차 세계대전 종전 이후 철도 재건의 지체, 항공수송 능력부족 등 대량수송기관의 부족에 직면한 유럽에서는 수송 수단으로 자동차의 생산이 급격히 증가하였다. 세계적으로 UNECE(유엔 유럽경제위원회)가 만들어지고 경제발전과 더불어 인접국가들이 만들어내는 자동차가 다양하게 제작되면서 내수 및 수출을 위해 자동차를 생산하는 국가는 자국의 이익을 위하여 국가간 상호인증에 참여하지 않으면 수출은 물론 수입에 있어서도 어려움을 겪게 되어 있었다. 이를 위해 1958 및 1998 협정 등의 국제협약 규약이 제정되었고 이의 체결을 통해 가입 국가들이 자동차의 수출입시 편리한 유통체계를 만든 것이다.


이 협정의 작업반인 WP29(Working Party)에는 배출가스·에너지(GRPE), 소음(GRB), 충돌안전(GRSP), 등화장치(GPE), 제동·주행(GRRF), 일반안전(GRSG) 등 6개 작업반으로 활동하여 각 협약에서 규정한 자동차 관련 인증법규에 대하여 여러나라에서 참여하여 활발히 논의·법을 제정하고 있다. 기본적인 프레임은 2010년 소개한 적이 있고 이번 호에는 주로 자동차 배출가스에서 일어나는 최근 동향을 소개하고자 한다.


관련규정의 현황


소형차 배출가스 시험방법 표준화(WLTP)와 관련해서는 2010년부터 본격적으로 추진된 1단계 세계표준기술규정(Global Technical Regulation, GTR) 제정은 최초 목표한 일정대로 2014년 3월 WP29 총회에서 관련 기술보고서와 함께 승인되었고 1단계 GTR 제정에서 일부 미흡한 사항들에 대해서는 2015년 말까지 기술적인 논의를 통해 개정안을 마련하고 2016년 6월 WP29 총회의 승인을 받는 일정으로 추진되고 있다.


주요 논의 사항은 전기 및 하이브리드 자동차 시험방법 개선, 저출력 자동차용 주행모드 개선, 도로 주행저항 설정 방법 개선, Round-robin 시험 진행 등이며 이로 인해 다음단계 추진은 최초 계획 대비 2년 지연된 2016년부터 추진 예정이다.

 

입자상물질 측정방법 표준화(PMP)와 관련해서는 가솔린 직접 분사(Gasoline Direct Injection, GDI) 자동차에 대한 입자개수 규제의 실효성을 제고하기 위해 23nm 미만의 극미세 입자까지 규제를 확대하는 방안을 검토하였으나 극미세입자 분포 특성상 시급히 규제할 필요는 없는 것으로 결정되었다. 그러나 미래 신기술과 환경 변화에 대응하기 위해서는 23nm 미만 극미세 입자의 측정방법을 개발하기로 하였고 현행 측정 장비의 기술 수준으로는 약 10nm 수준까지 측정 범위를 확대하는 것은 가능할 것으로 판단하였다.

 

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타이어와 브레이크 마모 및 도로 마모로 인해 배출되는 입자의 특성과 위해성에 대해 수행중인 연구 내용들이 소개되었고 향후 측정방법, 규제 필요성, 관련 기술의 개선 가능성에 대해 보다 면밀한 조사를 추진하기로 하였다.


대형하이브리드차 배출가스 시험방법 표준화와 관련해서는 시뮬레이션을 이용한 HiLS 방법의 GTR 초안이 제안되었으며, 검증시험(Validation Test)과 각국의 의견을 반영하여 시뮬레이션 모델의 개선을 진행할 예정이다.


2014년 6월 GRPE에서 GTR No.4(국제 표준 대형차 배출가스 시험방법) 개정안으로 채택하는 것으로 추진하되어 모델 개선에 추가적인 시간이 소요될 경우에는 기간을 연장할 예정이다. 또한 표준 HiLS 시험방법은 대기오염물질의 평가방법으로만 개발하고, CO2에 대해서는 논의를 배제하기로 하였다. 이륜차 배출가스 시험방법 표준화와 관련해서는 이륜차의 증발가스는 밀폐실(SHED) 시험방법을 적용하고 OBD는 부품의 전기적 결함을 모니터링하는 OBD-1 수준으로 적용하는 방안을 논의하였고 이륜차에 대한 규정을 우선 제정하고 모페드, 삼륜차 등 파생 이륜차에 대해서는 추후에 논의하기로 하였다.


SHED 시험시 캐니스터의 열화 방법, 지정 열화계수, OBD기준 적용 방안 등에 대해 논의를 하여 2014년 4월까지 국제 표준 규정 초안을 제시하였고 이후에는 내구성 시험과 블로우바이 가스 규정에 대해 논의하기로 하였다. 전기차의 환경성(EVE) 평가 방법에 관련해서는 Reference Guide 제정에 대하여 논의하였고 각 국가별 전기차 성능 평가 방법 및 보급정책 관련한 Reference Guide에 대한 초안이 제출되었으며 앞으로 국제 표준으로 제정이 필요한 분야에 대해 의견을 나누었다.


설문조사를 통해 제출된 한국, 미국, 유럽, 일본 등의 전기차 관련 성능 평가 방법 및 보급 정책을 분석하였고 앞으로 GTR 제정이 필요한 분야로서 히터 또는 에어컨 사용시의 전기차 성능, 배터리 충전 상태에 따른 전기차 효율 평가 방법 등이 제안되었다.


일본과 세계자동차제작자협회(OICA)는 제시된 항목들이 WLTP 활동과 중복될 수 있고 관련 기술이 미성숙된 분야까지 포함하고 있다는 우려를 제기함에 따라 향후 EVE 그룹활동의 실효성을 제고하기 위한 방안에 대해 논의하기로 하였다.


국제표준 자동차 실내 공기질 평가방법 (VIAQ-Vehicles Indoor Air Quality) 제안과 관련해서는 자동차의 실내 공기질 평가 방법의 표준화를 위한 전문가 그룹 결성은 타 국제기구의 연구 동향 등을 검토하여 재논의 하기로 2013년 11월 WP29 총회에서 결정되었다. 소형차 배출가스 국제 표준화(WLTP)에 대한 GTR은 일단 기존 일정대로 2014년 3월 WP29에서 승인되지만 일부 미흡한 사항을 개선한 개정안은 2016년 6월에 승인될 예정이므로 실질적으로는 약 2년 정도 지연되는 것으로 예상된다.


내구성 시험방법, OBD 성능 기준 표준화 등을 논의할 예정인 2단계 WLTP도 최초 계획 대비 약 2년 정도 지연되는 것이 불가피하다. 그럼에도 불구하고 EU는 2017년 이후부터 자동차 CO2 규제에 WLTP를 적용하기 위해 1단계 GTR을 유럽 규정으로 도입하는 작업에 착수하는 등 조기 도입을 위한 대책을 추진하고 있으며 이러한 변화된 여건을 반영하여 WLTP도 우리나라에 도입 방안이 요구되었다.


입자상물질 측정방법에 대한 논의는 배기가스 중 23nm 미만의 극미세입자 측정 방법과 타이어, 브레이크, 도로 마모로 인해 발생하는 입자의 평가 방법으로 점차 확대되고 있다. 자동차의 도로 주행 중에 다양한 형태로 발생되는 입자는 대도시 PM2.5의 주요 배출원인 만큼 국내의 PM2.5 관리 방안 개선에 참고할 수 있도록 지속적인 참여와 관심이 필요하다.

 

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앞에 언급을 했지만 WLTP 국제 표준 규정과 제정관련 해서는 GTR에 대한 기술보고서(Technical Report)는 주행모드 개발(Development for Harmonized Cycle, DHC)과 시험방법 개발(Development for Test Procedure)로 구분하여 작성 완료되어 WLTP GTR과 함께 2014년 3월 WP29 총회에 제출되었다.

 

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WLTP Phase 1b 추진 계획으로 1단계 WLTP GTR 제정시에 미합의된 60여가지 사항에 대한 논의를 추가로 진행하여 2015년 말까지 개정안을 마련할 예정이다. 기존의 DHC, DTP의 2가지 분야로 나누었던 그룹을 WLTP로 통합하여 미합의 사항을 논의하되 전기-하이브리드 자동차 관련 사항은 E-Lab. 그룹에서 별도로 논의하기로 하였다.


2015년 10월까지 WLTP 그룹에서 개정안을 마련하고 2016년 1월 72차 GRPE회의에서 최종안을 확정하여 2016년 6월 169차 WP29 총회에서 최종 승인을 목표로 추진하고 있다. 동기간 동안 유럽과 아시아로 구분하여 Round Robin 평가를 진행하기로 하였으며 2단계 WLTP는 최초 계획 대비 2년이 지연되어 2016년부터 진행하기로 하였다.


Round Robin 시험 추진으로는 유럽과 아시아로 구분하여 2015년까지 진행하고 유럽은 유럽 자동차 제작사 협회 (ACEA) 주관으로 휘발유차 1대, 경유차 1대를 지정(Golden vehicle)하여 8개의 시험실을 순회하면서 평가할 예정이다. 아시아는 일본 자동차 제작사 협회(ACEA) 주관으로 진행 예정이며 구체적인 계획은 관련 국간의 협의를 통해 2015년 1월 중에 결정할 에정이다.


1958 협정 관련 부속기준(UN ECE 법규) 회의 결과 입자상물질 측정방법 (PMP) 관련해서는 23nm 미만의 극미세 입자 개수 측정 방법 도입 가능성 연구 결과가 제시되었다. 23nm 미만의 극미세 입자는 Nucleated Iron, 탄화수소, Chain Agglomerate이며, 주로 첨가제 성분으로 추정된다고 하였다. 경유차 40대, 직접분사방식 가솔린차(Gasoline Direct Injection) 10대, 휘발유차 8대, 모페드 12대에 대한 평가 결과 입자개수의 분포 특성은 그림 3과 같이 나타났다.


23nm 미만의 입자는 휘발성이 낮은 물질로 구성되어 있고 Soot와 유사한 특성을 보이지만 특성을 확인하기 위해 서는 추가적인 연구가 필요하다. 23nm 미만의 입자개수는 23nm 이상 입자개수의 60% 미만으로 존재하며 GDI 자동차에서 그 비율이 높았다고 하였다. 현재 인증시험에 적용중인 입자 계수기와 휘발성 입자제거기는 10nm까지의 극미세 입자까지는 측정이 가능하지만, 황성분으로 인한 입자 형성을 방지하기 위해서는 촉매장치의 추가가 필요할 것으로 예상된다.


EU는 당장의 규제 필요성이 없더라도 미래의 신기술 도입에 따른 영향에 대응할 수 있도록 23nm 미만의 극미세 입자개수 측정 방법의 개발이 필요하다는 입장을 제시하였다. 앞으로 23nm미만의 극미세 입자에 대한 규제 필요성에 대해 지속 검토하고 재생, Catalytic Stripper 성능, 교정 절차에 대한 연구를 추진할 계획이다.


타이어와 도로 마모에 따른 입자 배출특성 연구(유럽타이어제작자 협회, ETRMA)와 WBCSD(World Business Council for Sustainable Development) 주관으로 진행 중인 자동차 타이어와 도로 마모에 따른 입자 배출특성 연구 결과에 대해 요약 발표한 것을 요약하면 연구목적은 타이어 재질, 타이어와 도로 마모에 따른 입자, 타이어 재활용 관리와 관련된 장기적인 환경과 건강에 대한 영향을 평가한 것이다. 도로상에서 발생하는 입자는 타이어, 도로, 브레이크와 연소에서 발생하는 입자로 구분할 수 있다.


실제 도로 주행 조건을 반영하기 위해서는 타이어의 마모만을 고려하는 것이 아니라, 타이어와 도로의 마찰로 인해 발생하는 입자를 샘플링하는 것이 필요하며 이를 위한 샘플링 시스템이 이미 개발되었다. 입자 크기 분포 특성을 분석한 결과 아스팔트 도로는 4~350μm이고 평균 105μm, 콘크리트 도로는 1~149μm이고 평균 77μm 수준이었다.


입자 성분 분석결과 타이어와 도로 표면, 먼지로 구성되어 있으며 그 분포 비율은 다음과 같다.

 

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타이어와 브레이크 마모에 따른 입자 배출특성 연구는 유럽공동연구소(EC-JRC)가 주로 실시하고 그동안 100여편 이상의 관련 논문 등 자료를 연구하여 마모 관련 입자의 중요성, 물리 화학적인 특성, 인체 유해성에 대해 검토하였다. 자동차 배기가스 이외의 배출원에서 배출되는 PM10의 비율은 2010년 기준으로 약 50%이지만, 자동차 배기가스의 감소로 향후에는 그 비율이 높아질 것으로 우려된다고 하였다. 타이어 마모로 인한 PM10 입자는 중량 기준으로 0.8~7% 정도를 점유하여 농도로는 0.2~11μg/m3 수준이다.

 

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유럽에서 대기중의 도로 재비산 먼지는 1~10μg/m3를 차지하고 브레이크 마모로 인한 입자의 약 50%는 대기 중에 부유하고, 이들 중 80%는 PM10에 해당하며 나머지는 지표에 가라앉으며 중량 가중 평균지름은 2~6μm 수준이다. 타이어 마모로 발생하는 입자의 0.1~10% 정도는 PM10이며 PM10의 중량 분포는 2~3μm, 5~9μm에서 최대값으로 나타났다. 브레이크 마모로 인한 입자 개수 분포는 2회의 Peak값이 나타나는 특성을 보이는데 1차 Peak는 Ultra-fine 영역에서 나타났고 2차 Peak는 350nm에서 나타났다. 타이어 마모로 인한 입자 개수 분포는 단일 Peak 특성을 보이며, Ultra-fine 영역에서 Peak가 나타났다고 한다. 

글 / 엄명도 (국립환경과학원)
출처 / 오토저널 15년 2월호 (http://www.ksae.org)

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