RSD를 이용한 운행차 배출가스 관리

1. 서론
RSD(Remote Sensing Device, 원격측정장치)란 도로 양단에 설치한 계측기를 이용하여 주행 중에 있는 자동차의 배출가스를 비접촉식으로 측정하는 장치를 말한다􀕛. RSD는 차량이 장치 사이를 통과하는 순간의 배출가스 농도를 정차 없이 실시간으로 계측할 수 있어서 하루에 수천대의 차량을 측정할 수 있는 장점이 있다.

RSD는 이미 미국 등지에서 Gross Emitter Identification이라고 해서 오염물질을 과다하게 배출하는 차량을 식별하여 정비 점검 또는 검사를 받게 하거나, Clean Screening이라고 해서 배출가스가 극히 청정한 차량을 식별하여 배출가스 정기검사를 면제함으로써 차량 소유자의 자발적인 정비 점검을 유도하는 데 활용되고 있다􀕜 ~ 􀕠. 또한 Smart Sign이라고 해서 도로상에 설치된 고정식 장비를 자동차가 통과할 때 배출가스
적합 여부를 전면의 모니터에 디스플레이하여 자발적인 정비 점검을 유도하는 데에도 활용되고 있다. 그 밖에 운행차의 배출가스 실태를 모니터링함으로써 배출가스 검사 제도의 효용성을 평가하거나, 자동차 배출 허용기준의 강화에 따른 배출량 저감 효과를 분석하는 등 다양한 용도로 사용되고 있다. 국내에서도 환경부에서 운행차 노상 수시검사의 보완책으로 활용이 추진되고 있다.

2. RSD 개요
2.1 RSD의 구성
RSD는 <그림 1>과 같이 구성되어 도로의 노견 양단에 설치되며, 자동차가 도로를 주행할 때 배기관에서 배출되는 유해가스를 적외선 및 자외선 파장을 이용하여 측정한다. 장치의 주요 제원은 <표 1>과 같고, 보조 측정장치로서 속도 및 가속도 측정기, 자동차 번호판 촬영 비디오 카메라 등이 사용된다.

2.2 RSD의 가스상물질 측정원리
RSD의 가스상물질 측정원리는 다음과 같다. 광원감지기(SDM : Source Detector Module)는 적외선과 자외선을 도로 건너편에 있는 반사거울(CCM : Corner Cube Mirror)로 방사하고, CCM은 그 광선을 다시 SDM 내에 있는 감지기로 반사한다.

SDM의 감지기는 적외선과 자외선 에너지를 전기신호로 바꾸어 파장 분석을 통해 배출가스를 계측한다. RSD에서는 적외선을 이용하여 HC, CO, CO2를 검출하고, 자외선을 이용하여 NO를 검출하며, CO2에 대한 CO, HC, NO의 비율을 측정한 후 연소방정식에 의해 농도로 산출하여 지시한다.

RSD는 최소한의 배출가스 기둥(Plume)이 감지되면 측정이 가능하고, 원리상 배출가스가 바람이나 주변 공기 등에 의해 희석되는 경우에도 그 농도를 측정할 수 있으며, 측정에 소요되는 시간은 0.5초 정도에 불과하다.

2.3 RSD의 매연 측정원리
RSD에서 매연은 현재 정밀검사에 사용하는 Opacimeter와 동일한 원리인 Beer Lambert 법칙을 이용한 광투과 방식을 사용한다. 다만 RSD는 측정부의 길이가 4.5~8.5m이고 Opacimeter(광투과식 매연측정기)는 0.43m인 점, 사용하는 빛의 파장이 RSD는 227nm(자외선)이나 Opacimeter는 567nm(Green LED)인 점, RSD는 희석된 매연을 측정하나 Opacimeter는 직접 매연을 채취하여 분석하는 점, 매연의 지시단위로 Opacimeter는 매연농도(%)를 사용함에 대하여 RSD는 SF(Smoke Factor : 단위연료 100g 중의 매연량(g))를 사용하는 점 등이 다르다.

2.4 유효 데이터의 선별
RSD는 1차선 경사 진입로(램프)에 설치되어 사용되는 것이 일반적이나, 대상차량이 다양한 속도와 가감속도, 출력 등을 가지고 측정부위를 통과하게 되므로 운행상태에 따라 배출농도가 변화한다.

RSD에서는 측정 데이터의 유효성을 높이기 위하여 VSP(Vehicle Specific Power)라는 개념을 도입하고 있다. VSP란 대상차량의 속도, 가속도, 도로경사도를 이용하여 <그림 2>의 정의 및 식에 의해 구해지는 비출력(차량 단위중량당 출력)으로서􀕢, 그 값이 아주 작은 경우는 차량이 정속 또는 감속 주행하여 배출농도가 아주 낮은 상태를 의미하고, 너무 큰 경우는 급가속하여 엔진이 고부하 조건으로 주행하여 배출농도가 높은 상태에 있는 것을 의미한다. 따라서 RSD에서는 VSP가 3~21kW/ton의 범위에 있는 데이터만을 유효한 데이터로서 선별하며, 이 범위 내에서 배출농도는 큰 차이가 없는 것으로 조사되어 있다.

3. 국내외 RSD 활용 현황
RSD의 성능과 정도는 미국 환경성(EPA)이나 캘리포니아주의 BAR(Bureau of Automotive Repair) 등지에서 확인되어 있어서, 캘리포니아, 텍사스, 버지니아, 미주리, 콜로라도 등에서는 Clean Screening(배출가스가 아주 청정한 차량의 정밀검사 면제)이나 Gross Emitter Identification(오염물질 과다배출 차량의 적발)의 용도로 사용하고 있고, 그 밖의 주에서도 배출가스 모니터링 등에 활용하고 있다. 아시아에서는 홍콩과 대만이 Gross Emitter Identification 용도로 사용하고 있고, 캐나다, 영국, 스웨덴, 오스트리아, 멕시코, 브라질, 일본, 북경, 싱가포르, 인도, 호주, 뉴질랜드 등지에서도 검토 또는 활용되고 있다.

우리나라에서는 2004년의 원격측정장치 타당성 연구 이래, 정밀검사와의 상관성 연구, 수차례에 걸친 시범운영 등을 통해 도입 타당성을 검증하여 왔다􀕣. 그 결과 2012년 10월 24일에 대기환경보전법 시행규칙 개정안이 입법 예고되어 2013년 2월 2일부터 시행되게 되었다. 동 개정안에서는 원격측정장치를 사용하여 운행 중인 휘발유(알코올 포함) 자동차와 가스 사용 자동차의 배출가스를 수시점검할 수 있게 하였고, 수시 점검 결과(원격측정에 한함) 배출허용기준을 초과하여 개선명령을 받은 차량은 정비∙점검 및 확인검사를 받도록 하고 있다. 또한 상기 자동차에 대한 원격측정 검사방법에 의한 운행차 수시점검에서의 배출허용 기준(CO, HC, NO)이 차종별, 차량 중량별, 연식별로 상세히 규정되어 있으나, 경유자동차는 아직 대상에 포함되어 있지 않다.

4. 국내 RSD 시범운영 사례
4.1 원격측정시험
환경부 RSD 시범운영사업의 일환으로 2009년도에 저자가 수행한 원격측정사업의 주요결과를 간략히 소개한다. 본 시범운영사업은 환경공단이 주관하여 현재에도 꾸준히 수행되고 있다.

원격측정은 도로요건, 교통량, 주변 환경 등을 고려하여 서울 23개소, 인천 3개소, 경기 1개소 등 수도권을 대상으로 총 27개소를 선정하여 실시하였다. 측정장소는 평지 또는 오르막의 편도 1차선 도로로서 완만한 가속상태의 도로이고, 광로 중에 있는 배출가스가 다른 차량의 것과 겹치지 않으며, 측정장치와 측정차량이 충분히 설치될 수
있는 갓길이 있는 곳이다<그림 4>.

원격측정시험은 2대의 장비를 이용하여 75일 동안 총 104회에 걸쳐 수행되었다. 측정된 유효데이터는 총 177,849건에 155,006대로서 휘발유 자동차가 60,426대, LPG 자동차가 37,525대, 경유자동차가 57,055대 측정되었다<표 2>. 측정건수가 측정대수보다 많은 이유는 동일한 차량이 2회 이상 측정된 경우가 있기 때문이다.

4.2 연식별 배출가스 평균농도
<그림 5>에 27개 원격측정지점에서 측정한 가솔린 및 LPG 자동차의 유효 데이터를 연식별로 정리하여 나타낸다. 가솔린 자동차의 경우에 1985년식 이후부터 대략 2,000건 이상의 유효 데이터가 구해졌고, LPG 자동차의 경우에는 1999년식 이후부터 2,000건 이상의 유효 데이터가 얻어졌다.

연식별로 정리된 이들 데이터에 대하여 CO, HC 및 NO의 농도를 산술평균하여 가솔린 및 LPG 자동차로 구분하여 <그림 6􀅭8>에 나타낸다. 그림에 의하면 노후차량인 경우에 CO, HC, NO의 배출농도가 높고, 연식이 최근에 가까울수록 배출농도가 점차 낮아지는 경향을 나타내어 그동안의 제작차 배출허용기준 강화에 따른 배출가스 개선 효과가 현저함을 확인할 수 있다.

한편, 가솔린 자동차에 비해 LPG 자동차의 연식별 평균농도가 대부분 높고, 특히 CO와 HC의 경우에는 오래된 연식인 경우에 그 값이 크게 높음을 볼 수 있다. 이는 가솔린 자동차의 경우에 오래전부터 삼원촉매 다점분사방식의 엔진이 사용되어 온 반면, LPG 자동차는 제어 정도가 낮은 피드백 믹서방식의 엔진이 사용되어 오다가 2000년대 중반에 들어서야 가스 또는 액상 다점분사방식의 엔진을 사용하였음에 기인하는 것으로 생각된다.

본 시범운영의 경우에 원격측정 데이터 갯수가 그다지 많지 않아서 정량적으로 일부 튀는 구간이 나타나나 연식과 연료별 배출가스 상관성을 확인할 수 있으며, 보다 많은 데이터를 집적되면 뚜렷한 결과가 나타날 것으로 생각된다.

5. 결론
현행 휘발유 및 LPG 운행차의 수시점검방법은 주행 중인 차량을 단속반이 불시에 임의로 정차시켜 가스 분석기를 사용하여 차량 배기관에서 CO, HC 및 공기과잉율을 직접 측정하는 방식이다. 이 방식은 강제정차로 인한 불편 및 불만, 교통흐름 방해, 점검자와 수검자의 안전사고 및 매연 노출, 단속률 저조 등의 많은 문제점이 있었다.

반면, 원격측정방식은 주행 중인 차량의 정차없이 비접촉식으로 CO, HC 및 NO를 순간에 측정하는 방식이므로 점검율이 아주 높고, 상술한 현행 수시점검의 여러 문제점을 크게 해소할 수 있으며, 환경개선 편익도 아주 우수한 것으로 조사되어 있다.

금번 환경부 대기환경보전법 시행규칙의 개정을 통하여 RSD가 운행차 수시점검에 적극 활용되면, 배출가스 과다배출차량을 적발하여 조기 정비 및 점검을 유도함으로써 대기환경 개선 및 국민 건강 증진에 크게 기여할 수 있을 것으로 생각된다. 또한 지속적인 데이터 수집 및 분석을 통하여 운행차 배출특성의 평가, 환경부 배출가스 정책의 타당성 및 효과 입증 등 환경 정책에 기여하는 바가 클 것으로 생각된다.