배출계수 개발 및 배출량 산정 체계 고도화를 통한 건설기계의 연식, 출력 및 기종별 대기오염물질 배출량 산정 An Estimation of Age-, Power-, and Type-Specific Emission Inventories for Construction Equipments Using Improved Methodologies and Emission Factors원문보기
The construction equipment is one of the major sources for hazardous air pollutants in Korea, and the its management has been of great concern recently. The objective of this study was to estimate each contribution of emission of construction equipments according to their production year, electric p...
The construction equipment is one of the major sources for hazardous air pollutants in Korea, and the its management has been of great concern recently. The objective of this study was to estimate each contribution of emission of construction equipments according to their production year, electric power consumption and type. To achieve this goal, we developed pollutant emission factors for the machineries manufactured after 2009, which are excluded from the present framework of Korean air pollutants inventory, CAPSS. More than 800 data obtained from emission investigations were utilized for the estimation. Compared with the previous estimation, the scheme used this study was modified to incorporate new emission factors as well as to include the corresponding activity data. Such improvement allow us to gain more detailed emission informations which are better characterized by specifications of construction equipments. The total amount of pollutants emitted from construction equipments in 2011 were estimated as 126.8, 7.0, 58.3, and 17.0 kton for $NO_x$, PM, CO, and VOC, respectively. The estimation results indicate that the increase in the emission of equipments is significantly related to their age and power consumption. The emissions of the older ones manufactured from 1992~1996 were estimated to be the contribution ranged from 23.7% to 26.8%, whereas the newer ones (2009~2011) showed the attributions of 11.3~21.5%. In addition, the results show that the emission of each equipment was increased with the increase in the electric power consumption of engine, probably due to their average output power. Among the nine types of machinery compared, excavators and forklifts were investigated to contribute relatively higher emissions in the level of 39.8~44.0% and 32.0~34.2%, respectively.
The construction equipment is one of the major sources for hazardous air pollutants in Korea, and the its management has been of great concern recently. The objective of this study was to estimate each contribution of emission of construction equipments according to their production year, electric power consumption and type. To achieve this goal, we developed pollutant emission factors for the machineries manufactured after 2009, which are excluded from the present framework of Korean air pollutants inventory, CAPSS. More than 800 data obtained from emission investigations were utilized for the estimation. Compared with the previous estimation, the scheme used this study was modified to incorporate new emission factors as well as to include the corresponding activity data. Such improvement allow us to gain more detailed emission informations which are better characterized by specifications of construction equipments. The total amount of pollutants emitted from construction equipments in 2011 were estimated as 126.8, 7.0, 58.3, and 17.0 kton for $NO_x$, PM, CO, and VOC, respectively. The estimation results indicate that the increase in the emission of equipments is significantly related to their age and power consumption. The emissions of the older ones manufactured from 1992~1996 were estimated to be the contribution ranged from 23.7% to 26.8%, whereas the newer ones (2009~2011) showed the attributions of 11.3~21.5%. In addition, the results show that the emission of each equipment was increased with the increase in the electric power consumption of engine, probably due to their average output power. Among the nine types of machinery compared, excavators and forklifts were investigated to contribute relatively higher emissions in the level of 39.8~44.0% and 32.0~34.2%, respectively.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구의 목표는 건설기계의 대기오염물질 배출량 분석을 통해 건설기계 연식별, 출력별, 기종별 기여율을 파악하는 것이다. 목표 달성을 위해서는 현행 CAPSS 배출량 산정체계에 대한 고찰 및 고도화 개선이 선행되어야 하는 바, 현행 배출량 산정체계 분석 및 개선과 배출계수 개발을 함께 진행하였다.
본 연구는 건설기계 대기오염물질의 연식별, 출력별, 기종별 기여율을 파악하는 것이며, 이를 위해 현행 CAPSS 배출량 산정체계에 대한 고도화 개선을 함께 진행하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구의 목표는 건설기계의 대기오염물질 배출량 분석을 통해 건설기계 연식별, 출력별, 기종별 기여율을 파악하는 것이다. 목표 달성을 위해서는 현행 CAPSS 배출량 산정체계에 대한 고찰 및 고도화 개선이 선행되어야 하는 바, 현행 배출량 산정체계 분석 및 개선과 배출계수 개발을 함께 진행하였다.
제안 방법
(1) 874건의 건설기계 엔진 배출가스 시험결과를 바탕으로 Tier-3급 건설기계의 대기오염물질 배출계수를 개발하였다. 아울러, 기존 Tier-1, -2 계수의 출력 구간을 세분화하고, 과다한 기종별 편차를 해소하였다.
(2) 연식별 및 출력별로 세분화된 배출계수 데이터 베이스 시스템을 구축하였다. 또한, 이들이 각각의 열화계수 및 활동도와 연계되어 배출량 산정에 반영될 수 있도록 시스템을 정비하였다.
저평가되어 큰 편차를 보이는 Tier-2 로울러와 불도저의 계수는 로우더 수준으로 조정하였다. Tier-1 계수는 개발 당시 8대의 측정결과를 모두 평균하여 기종별 편차를 해소한 후, 출력별 배출허용기준 비율을 적용하여 세분화하였다.
연식별 및 출력별로 세분화된 배출계수 데이터베이스 시스템을 구축하고, 이들이 해당 활동도와 연계 되어 배출량 산정에 반영될 수 있도록 시스템을 정비하였다. 기종별, 출력구간별 평균 출력은 국토교통부의 협조를 얻어 확보한 건설기계 등록대장을 참고 하였으며, 등록대수, 평균부하율 및 평균사용시간은 현행 CAPSS 입력자료를 활용하였다(NIER, 2013b). 열화계수는 배출가스 보증기간d을 초과하는 1년째부터 20년간 매년 1.
(2) 연식별 및 출력별로 세분화된 배출계수 데이터 베이스 시스템을 구축하였다. 또한, 이들이 각각의 열화계수 및 활동도와 연계되어 배출량 산정에 반영될 수 있도록 시스템을 정비하였다. 이와 같은 개선을 통해 현행 CAPSS 배출량 대비 33.
9%)는 기종별 배출계수를 각각 산출하였다. 로우더(172대, 19.7%), 불도저(47대, 5.4%) 및 로울러(40대, 4.6 %)는 운전특성 및 장비구조가 유사하고 엔진 공용화 비율도 높기 때문에, 계수를 통합하여 개발하였다. 해외계수를 적용하던 콘크리트 펌프, 공기압축기, 천공기 등 3개 기종에 대해 엔진 공유현황과 작업특성 등을 고려하여 국내계수를 선정하였다.
해외계수를 적용하던 콘크리트 펌프, 공기압축기, 천공기 등 3개 기종에 대해 엔진 공유현황과 작업특성 등을 고려하여 국내계수를 선정하였다. 먼저 공기압 축기와 천공기는 대부분 굴삭기 엔진을 공유하고 있어, 굴삭기 계수를 적용하였다. 콘크리트 펌프 트럭은 트럭 구동용 엔진에서 동력을 뽑아내어 펌프를 가동 하는 동력인출장치(Power Take-Off, PTO)를 이용하기 때문에, 생산시점의 차량용 엔진 배출허용기준을 적용하였다.
연식별 및 출력별로 세분화된 배출계수 데이터베이스 시스템을 구축하고, 이들이 해당 활동도와 연계 되어 배출량 산정에 반영될 수 있도록 시스템을 정비하였다. 기종별, 출력구간별 평균 출력은 국토교통부의 협조를 얻어 확보한 건설기계 등록대장을 참고 하였으며, 등록대수, 평균부하율 및 평균사용시간은 현행 CAPSS 입력자료를 활용하였다(NIER, 2013b).
기종별, 출력구간별 평균 출력은 국토교통부의 협조를 얻어 확보한 건설기계 등록대장을 참고 하였으며, 등록대수, 평균부하율 및 평균사용시간은 현행 CAPSS 입력자료를 활용하였다(NIER, 2013b). 열화계수는 배출가스 보증기간d을 초과하는 1년째부터 20년간 매년 1.5% (CO, VOC) 또는 3% (PM)씩 배출량이 증가되도록 설정하였으며, NOx에는 적용하지 않았다. 이는 유럽 방법을 준용한 것으로(EEA, 2013), 현재 CAPSS 자동차 부문 및 국내 대형엔진 환경인증시의 열화계수 적용 체계와 같은 방법이다.
건설기계의 배출특성이 배출허용기준에 맞춰 개발되었음과 해외 유사사례를 감안할 때, 이는 타당한 대안으로 판단된다. 저평가되어 큰 편차를 보이는 Tier-2 로울러와 불도저의 계수는 로우더 수준으로 조정하였다. Tier-1 계수는 개발 당시 8대의 측정결과를 모두 평균하여 기종별 편차를 해소한 후, 출력별 배출허용기준 비율을 적용하여 세분화하였다.
콘크리트 펌프 트럭은 트럭 구동용 엔진에서 동력을 뽑아내어 펌프를 가동 하는 동력인출장치(Power Take-Off, PTO)를 이용하기 때문에, 생산시점의 차량용 엔진 배출허용기준을 적용하였다. 즉, Tier-1, -2, 및 -3에 대해 각각 2002년 7월 이후, 2006년 1월 이후 및 2009년 9월 이후의 대형차량용 배출허용기준을 배출계수로 적용하였다.
Tier-1, -2급 건설기계 계수의 수정 목적은 출력구간 구분 및 기종별 편차 과다 해소이다. 출력구분이 필요한 Tier-2 계수의 130 kW 미만 구간과 Tier-1 계수 전체에 대해 배출허용기준의 출력구간별 상대비율을 활용하여 구간별 계수를 산출하였다. 건설기계의 배출특성이 배출허용기준에 맞춰 개발되었음과 해외 유사사례를 감안할 때, 이는 타당한 대안으로 판단된다.
먼저 공기압 축기와 천공기는 대부분 굴삭기 엔진을 공유하고 있어, 굴삭기 계수를 적용하였다. 콘크리트 펌프 트럭은 트럭 구동용 엔진에서 동력을 뽑아내어 펌프를 가동 하는 동력인출장치(Power Take-Off, PTO)를 이용하기 때문에, 생산시점의 차량용 엔진 배출허용기준을 적용하였다. 즉, Tier-1, -2, 및 -3에 대해 각각 2002년 7월 이후, 2006년 1월 이후 및 2009년 9월 이후의 대형차량용 배출허용기준을 배출계수로 적용하였다.
이는 유럽 방법을 준용한 것으로(EEA, 2013), 현재 CAPSS 자동차 부문 및 국내 대형엔진 환경인증시의 열화계수 적용 체계와 같은 방법이다. 현행 CAPSS와 본 연구의 주요 산정방법을 표 4에 요약하여 비교하였다.
대상 데이터
현재 누락되어 있는 Tier-3급 건설기계의 배출계수를 새롭게 산정하였다. 국립환경과학원 교통환경연구소에 구축되어 있는 건설기계 인증시험 데이터베이스 중 Tier-3 기준 엔진 시험결과 874건을 활용하였다. 대상 오염물질은 NOx, PM, CO 및 VOC이고, VOC 계수는 비메탄탄화수소(NMHC)의 인증시험 결과를 사용하였다.
인증항목이 아닌 SOx와 NH3는 제외하였다. 대상 건설기계 기종은 CAPSS 관리기종 9종으로 선정하였다.
국립환경과학원 교통환경연구소에 구축되어 있는 건설기계 인증시험 데이터베이스 중 Tier-3 기준 엔진 시험결과 874건을 활용하였다. 대상 오염물질은 NOx, PM, CO 및 VOC이고, VOC 계수는 비메탄탄화수소(NMHC)의 인증시험 결과를 사용하였다. 인증항목이 아닌 SOx와 NH3는 제외하였다.
건설기계 배출량은 굴삭기, 지게차, 로우더, 불도저, 로울러, 기중기, 공기압축기, 콘크리트 펌프 및 천공기의 9개 기종에 대해 기종별 배출계수와 활동도를 곱하여 식 (1)~(3)과 같이 산정한다(NIER, 2013b). 대상 오염물질은 NOx, PM, CO, VOC, SOx, NH3이다.
6 %)는 운전특성 및 장비구조가 유사하고 엔진 공용화 비율도 높기 때문에, 계수를 통합하여 개발하였다. 해외계수를 적용하던 콘크리트 펌프, 공기압축기, 천공기 등 3개 기종에 대해 엔진 공유현황과 작업특성 등을 고려하여 국내계수를 선정하였다. 먼저 공기압 축기와 천공기는 대부분 굴삭기 엔진을 공유하고 있어, 굴삭기 계수를 적용하였다.
데이터처리
개발된 Tier-3 계수와 수정 보완된 Tier-1, -2 계수를 정리하고(표 5), 이 중 주요 기종인 37~75 kW급 굴삭기 배출계수를 해외계수 결과와 비교하였다(그림 2). NOx 계수는 허용기준 강화 효과를 잘 반영하며, 국가별 경향도 유사하게 나타났다.
성능/효과
(3) 누락 배출량의 상당 부분은 CAPSS가 2006년 이전 연식의 구형 건설기계 배출량을 과소평가하기 때문에 발생되는 것으로 조사되었다. 이는 전체 연식에 대해 단일 배출계수를 적용함으로서 초래된 결과이며, 결국 최근 연식의 건설기계 배출량을 과대평가 하는 효과도 가져오는 것으로 확인되었다.
반면 Tier-2 계수는 규제 도입 이후에 개발된 것인 바, 배출허용기준의 영향을 반영하고 있다. 결과적으로 NOx 계수는 Tier-2 강화단계에서 Tier-1의 54.7%로 크게 저감되고, 이로 인해 PM이 증가하여 PM 계수는 이전 대비 약간 증가한 값을 갖게 된 것으로 판단된다. 한편 미국 Tier-3 계수는 두드러지게 높은 값을 갖는데, 이는 허용기준을 그대로 계수로 설정한 후 여기에 이전 대비 다소 큰 PM 과도기운 전 보정계수(1.
2 kW) 대비 20% 이상 낮다. 결과적으로 본 연구의 건설기계 NOx, PM 배출량 산정결과는 CAPSS 대비 각각 31,750톤(33.4%), 2,087 톤(42.8%) 많다. 이는 CAPSS가 그동안 파악하지 못하고 있던 누락 배출량으로 간주할 수 있을 것으로 판단된다.
이는 2005년 부터 단계적으로 적용되기 시작한 Tier-2, -3 배출계수가 배출허용기준 강화 효과를 반영하기 때문으로 판단할 수 있다. 결과적으로, 건설기계 배출량 중 최근 5년간 보급된 신형 건설기계의 배출량 기여율을 CAPSS가 32.6%로 과대평가한 반면, 본 연구는 11.3 ~21.5%로 예측하고 있다. 그림 3에서 1992년식 배출량이 1991년식에 비해 급격히 감소한 것은 건설기계 등록대수가 1991년 34,911 대에서 1992년 7,023 대로 줄어든 영향이라 할 수 있다.
결과적으로, 시험결과가 적은 기종에서 기종별 계수가 큰 편차를 보이는 사례가 확인되었다. 예를 들어, Tier-2 로울러와 불도저의 CO, PM 계수는 다른 기종의 70% 수준으로 과소평가되었음이 보고된 바 있고, 이 원인으로서 부족한 시험결과(각각 10대 및 19대)가 지적된 바 있다(NIER, 2007).
국내 계수가 시험결과에 기초한 것이고, 또한 인증제도 도입 초기의 국내 여건을 감안한다면 이 정도의 국가별 계수 차이는 설명 가능한 정도라 할 수 있다. 따라서 본 연구에서 제안한 국내 계수는 타당한 수준으로 개발된 것으로 판단된다.
재산정된 Tier-1급 장비중, 굴삭기의 NOx 및 PM 계수는 ±10% 이내로 유지되었고, 지게차의 NOx, PM 계수는 2%, 16% 각각 하향 조정되어 변화폭이 크지 않았다. 반면 저평가되어있던 로우더 PM 계수는 2배 이상 대폭 상향 조정되었으며, 기중기 NOx 계수(+87 %), 불도저 CO 계수(+56%) 등도 다소 큰 폭으로 조정되었다.
그림 1에 Tier-3 인증시험 결과와 배출허용기준을 출력구간별로 비교하였다. 사전 분석을 통해 NOx+ NMHC의 98.3%를 NOx가, 나머지 1.7%는 NMHC가 차지함을 확인하고 이를 그림의 허용기준으로 표시 하였다. 경유엔진의 두 중요 오염물질 중 NOx가 허용기준에 거의 근접한 반면, PM은 기준 대비 45~63%인, 다소 여유있는 수준을 보인다.
수정 보완된 Tier-2급 로울러와 불도저의 PM 계수는 19~37 kW 구간에서 기존 계수 대비 95~106% 높은 값으로 재산정되었으며, 나머지 출력구간에서는 6~39% 하향 조정되었다. CO 계수는 로울러 63~ 94% 상향, 불도저 1~14% 하향 조정되었다.
(3) 누락 배출량의 상당 부분은 CAPSS가 2006년 이전 연식의 구형 건설기계 배출량을 과소평가하기 때문에 발생되는 것으로 조사되었다. 이는 전체 연식에 대해 단일 배출계수를 적용함으로서 초래된 결과이며, 결국 최근 연식의 건설기계 배출량을 과대평가 하는 효과도 가져오는 것으로 확인되었다.
재산정된 Tier-1급 장비중, 굴삭기의 NOx 및 PM 계수는 ±10% 이내로 유지되었고, 지게차의 NOx, PM 계수는 2%, 16% 각각 하향 조정되어 변화폭이 크지 않았다.
후속연구
(5) 향후 건설기계의 시공간 특성을 반영한 평균부하율과 가동시간에 대한 추가 조사가 이루어진다면 건설기계 배출량 정확도는 더욱 높아질 것으로 판단 된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
건설기계 배출량 산정에 적용되는 9개 기종은 무엇인가?
건설기계 배출량은 굴삭기, 지게차, 로우더, 불도저, 로울러, 기중기, 공기압축기, 콘크리트 펌프 및 천공기의 9개 기종에 대해 기종별 배출계수와 활동도를 곱하여 식 (1)~(3)과 같이 산정한다(NIER, 2013b). 대상 오염물질은 NOx, PM, CO, VOC, SOx, NH3이다.
건설기계에서 배출되는 대기오염물질은 국가 총 배출량 중 어느정도의 비중을 차지하는가?
이 중 특히 주목을 끄는 대목은 노후 건설기계 5만대의 저공해화를 위한 매연저감장치(Diesel Particulate Filter, DPF) 부착, 엔진교체 또는 조기폐차 계획이다. 건설기계는 국가 총 배출량 중 질소산화물 (NOx) 9.0%, 입자상물질 (PM) 3.7% 및 일산화탄소 (CO) 6.1%를 배출하는 중요한 대기오염물질 배출원이다(NIER, 2013a). 2013년 기준으로 전국의 건설기 계는 414,658대로서, 자동차 등록대수(1.
대기정책 지원시스템의 건설기계 부문의 한계점은 무엇인가?
하지만 우리나라 배출량 산정시스템인 ‘대기정책 지원시스템’ (Clean Air Policy Support System, CAPSS) 의 건설기계 부문은 이런 정책목표에 부응하기에는 다소 단순한 구조에 머무르고 있다. 한 예로서 현행 CAPSS는 건설기계 연식과 관계없이 전 건설기계에 단일 배출계수를 적용하고 있고, 오염물질 배출 특성에 많은 영향을 미치는 건설기계의 출력 역시 동일한 출력을 획일적으로 적용하고 있다(NIER, 2013b). 실질적인 건설기계 저공해화 정책 지원을 위해서는 현행 CAPSS의 단순성을 개선한 고도화 추진이 필요하다고 할 수 있다.
참고문헌 (22)
Ahn, C.R. and S. Lee (2012) Importance of operational efficiency to achieve energy efficiency and exhaust emission reduction of construction operations, J. Constr. Eng. M. ASCE., 139(4), 404-413.
Bar-Ilan, A., J.R. Johnson, A. DenBleyker, L.M. Chan, G. Yarwood, D. Hitchcock, and J.P. Pinto (2010) Potential ozone impacts of excess $NO_2$ emissions from diesel particulate filters for on-and off-road diesel engines, J. Air Waste Manage. Assoc., 60(8), 977-992.
Chung, I., M. Eom, J. Yoo, and C. Lim (1999) A study on the estimation of exhaust emission by nonroad construction equipments, J. Korean Soc. Atmos. Environ., 15(3), 317-325. (in Korean with English abstract)
Dou, D. (2012) Application of diesel oxidation catalyst and diesel particulate filter for diesel engine powered nonroad machines, Platinum Metals Review, 56(3), 144-154.
Frey, H.C., W. Rasdorf, and P. Lewis (2010) Comprehensive field study of fuel use and emissions of nonroad diesel construction equipment, Transp. Res. Rec., 2158(1), 69-76.
KAMA (Korean Automobile Manufacturer's Association) (2014) Monthly report for vehicle registration of January 2014. (in Korean)
Kasprak, A., G. Schattanek, and J. Kenny (2012) Massachusetts Department of Transportation diesel retrofit program for nonroad construction equipment, Transportation Research Board 91st Annual Meeting (No. 12-1734), Washington D.C. United States, January 2012.
KMLIT (Korean Minister of Land, Infrastructure and Transport) (2014) Status report of construction equipments in Korea, Available at http://stat.mltm.go.kr/portal/cate/statView.do건설기계현황통계 (2013.12.31기준).hwp. (in Korean)
Lee, D.W., J. Zietsman, M. Farzaneh, J. Johnson, T. Ramani, A. Protopapas, and J. Overman (2009) Characterization of in-use emissions from TxDOT's nonroad equipment fleet: Phase 1 report (No. FHWA/TX-09/0-5955-1), Report prepared for Texas Department of Transportation, by Texas Transportation Institute.
Lewis, P., M. Leming, H.C. Frey, and W. Rasdorf (2011) Assessing effects of operational efficiency on pollutant emissions of nonroad diesel construction equipment, Transp. Res. Rec., 2233(1), 11-18.
Lim, J., S. Jung, T. Lee, J. Kim, C. Seo, J. Ryu, J. Hwang, S. Kim, and M. Eom (2009) A study on calculation of air pollutants emission factors for construction equipment, J. Korean Soc. Atmos. Environ., 25(3), 188-195. (in Korean with English abstract)
Millstein, D.E. and R.A. Harley (2009) Revised estimates of construction activity and emissions: effects on ozone and elemental carbon concentrations in southern California, Atmos. Environ., 43(40), 6328-6335.
NIER (National Institute of Environmental Research) (2007) A study on the calculation of pollutant emission factors for vehicles (V), NIER No. 2007-39-895, Publication No. 11-1480523-000251-01. (in Korean with English abstract)
NIER (National Institute of Environmental Research) (2013a) National Air Pollutants Emission 2011, NIER-GP-2013-362, Publication No. 11-1480523-001770-01. (in Korean)
NIER (National Institute of Environmental Research) (2013b) Methodology for Korean national emission inventories (III), NIER-GP2013-097, Publication No. 11-1480523-001501-01. (in Korean)
Raman, R. (2007) Results of implementing aggressive PM reduction on nonroad construction equipment at two lower Manhattan project sites, Transportation Land Use, Planning, and Air Quality Congress 2007 (pp. 319-327), Orlando, FL. United States, July 2007.
Schattanek, G. and D. Weaver (2005) Implementation of retrofit program for diesel equipment during the construction phase the I-95 New Haven Harbor Crossing improvement program in Southern Connecticut, Air & Waste Management Association's 98th Annual Conference and Exhibition (No. 999), Minneapolis, MN. United States, June 2005.
Strum, M., D. Mintz, L. Driver, C. Harvey, H. Michaels, and R. Mason (2007) Estimating the monthly variation in California's nonroad equipment emissions for the 2002 emissions and air quality modeling platform, International Emission Inventory Conference, Raleigh, NC. United States, May 2007.
U.S. EPA (2010) Exhaust and crankcase emission factors for nonroad engine modeling - compression ignition, EPA report 420-R-10-018.
Xinqun, G., D. Dou, and R. Winsor (2010) Non-road diesel engine emissions and technology options for meeting them, 2010 Agricultural Equipment Technology Conference, Orlando, FL. United States, January 2010.
Yin, B., T. Guan, J. He, and Y. Xu (2011) Design of mechanical and combustion system for small nonroad diesel engine to meet the EPA IV emission regulations, Appl. Mech. Mater., 43, 476-479.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.