[논문]C-FVM을 이용한 토공장비의 CO2 배출계수에 관한 연구

김병수

doi:10.12652/ksce.2014.34.3.0999

[국내논문] C-FVM을 이용한 토공장비의 CO2 배출계수에 관한 연구
A Study on CO2 Emission Factor for Earth-Work Equipment Using C-FVM 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.34 no.3, 2014년, pp.999 - 1006

초록
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국토해양부에서 2011년 시설물별 탄소배출량 산정가이드라인을 통해 제시한 토공장비의 $CO_2$ 배출계수는 IPCC 탄소배출계수를 활용하여 연료사용량을 기반으로 만들어졌다. 하지만 이 방식은 현장의 다양한 조건을 반영하지 못한다는 단점이 있다. 따라서 이러한 단점을 보완한 새로운 배출계수가 필요하다. 본 연구에서는 토공장비를 대상으로 농도-유속측정(C-FVM)을 이용한 직접측정방식으로 $CO_2$ 배출량을 산정하고, 국토해양부에서 제시한 배출계수와 비교분석 후 토공장비의 새로운 $CO_2$ 배출계수를 제시하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

$CO_2$ emission factor for earthwork equipment was made based on fuel consumption quantity using IPCC carbon emission factor. This is presented through the carbon emission estimating guideline each facilities by the Ministry of Land, Infrastructure and Transportation in 2011. However, this method has the defect which don't apply the various condition of site. Therefor it needs the new emission factor supplemented these defects. This study will tries to estimate $CO_2$ emission with the direct measurement method using concentration flow velocity measurement (C-FVM) for earth work equipment and present the new $CO_2$ emission factor for earth work equipment after compare with emission factor of the Ministry of Land, Infrastructure and Transportation.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 국토해양부에서 2011년 제시한 토공장비의 CO2 배출계수의 문제점을 보완하기 위해 CO2 배출량을 연료사용량에 의한 산정이 아닌 농도-유속측정(Concentration-Flow Velocity Measurement : C-FVM)을 이용한 직접측정방식으로 산정하여 국토해양부에서 제시한 배출계수와 비교분석 후 토공장비의 새로운 CO2 배출계수를 제시하고자 한다.
국토해양부에서는 2011년 시설물별 탄소배출량 산정가이드라인을 제공하였다. 이것의 목적은 life cycle 단계별로 각각 시설물의 특성을 고려하여 탄소배출량을 산정하는 방법을 제공해 탄소배출량을 산정하고 관리하는데 그 목적이 있다(MOLIT, 2012). 이 가이드라인 내에는 IPCC 배출계수를 이용하여 건설장비의 CO₂ 배출계수도 제시되어 있다.
본 연구에서는 백호, 덤프트럭, 롤러 및 불도저의 유속에 따른 CO₂량을 측정하기 위하여 먼저, 장비들의 정지 상태에서 rpm 값의 변화에 따른 CO₂농도 측정을 실시하였다. CO₂농도를 측정하기 위하여 일정한 용기에 배기가스를 포집 후 Fig.
본 연구에서는 도자, 롤러, 백호, 덤프트럭과 같은 토공장비를 대상으로 농도-유속측정(C-FVM) 기법을 이용한 직접측정방식으로 CO₂ 배출량을 산정하고, 국토해양부에서 제시한 배출계수와 비교분석 후 토공장비의 새로운 CO₂ 배출계수를 제시하고자 하였다.

제안 방법

배출량을 기반으로 하는 배출계수를 대상으로 한다. 건설공사의 기반이 되는 토공사에 사용되는 토공장비 중 도저, 백호, 덤프트럭, 로울러를 대상으로 CO₂ 배출량을 직접측정방식으로 측정하고 측정된 값을 국토해양부에서 제시한 배출계수(MOLIT, 2012)와 비교하는 것으로 한다.
또한 건설장비의 CO₂ 배출계수 산정과 관련한 연구현황을 분석하고 CO₂ 배출량에 영향을 미치는 요소 분석을 연구의 범위로 한정한다.
연구의 방법은 건설장비의 CO₂ 배출계수과 관련한 국내외 기존 연구를 고찰하였다. 건설장비의 CO₂배출량 산출방법은 유속 및 CO₂농도를 이용하여 건설장비의 작업 및 운행형태에 따라 배출되는 CO₂량을 실시간으로 측정할 수 있는 방법(Jang and Kim, 2013)을 이용한다.
량을 실시간으로 측정할 수 있는 방법론이다. 이 방법은 C-FVM과 같이 배기가스의 유속을 측정하여 배기구에서 배출되는 단위시간당 유량을 산정하고, 실험을 통해 측정된 배기가스 CO₂ 농도를 유량과 연산하여 시간당 배출되는 CO₂의 질량을 산정한다.
CO₂농도를 측정하기 위하여 차량에서 배출되는 가스를 일정한 크기의 포집용기에 포집한 후 CO₂ 센서를 이용하여 포집된 배기가스의 RPM별 CO₂ 농도(ppm)를 측정하며, 측정한 농도 값을 Eq. (4)를 이용하여 단위부피당 CO₂ 질량값(g)으로 환산한다.
또한 차량의 배기구에 유속센서를 설치하고 유속 및 단면적을 측정한 후 시간당 배출총유량(m³/s)을 산정하며, 엔진부하 대비 유량의 관계를 산정하기 위하여 RPM별 배출되는 유속을 측정한다. 그 후 최종적으로 Eq.
또한 Back-hoe 작업형태에 따른 엔진회전수 변화를 측정하기 위하여 굴삭기의 계기판에 나타나는 RPM 값을 영상기기를 이용하여 촬영을 실시하였으며, 굴착 및 상·하차 작업을 진행하는 동안 유속 및 rpm 그리고 온도의 변화 값을 측정하였다.
다음으로 장비들의 작업형태에 따라 배출되는 배기가스의 유속을 측정하기 위하여 Fig. 4와 같이 Back-hoe의 배기구에 KURZ사의 유속센서를 설치하였으며, 유속센서를 알루미늄 관을 통과시켜 작업 시 주변공기유입과 같은 외부요인으로 인한 배기가스 유속변화를 최소화하였다.
또한 Back-hoe 작업형태에 따른 엔진회전수 변화를 측정하기 위하여 굴삭기의 계기판에 나타나는 RPM 값을 영상기기를 이용하여 촬영을 실시하였으며, 굴착 및 상·하차 작업을 진행하는 동안 유속 및 rpm 그리고 온도의 변화 값을 측정하였다. 또한 측정 데이터를 크게 굴착 및 상차 작업과 공회전으로 구분하여 분석을 실시하였다.
백호의 CO2 측정은 굴착 및 상차작업을 기준으로 1회 측정시간 15분∼45분으로 하고 총 8회 측정한 값을 평균하였다.
덤프트럭의 CO2 측정은 현장 내 운반작업을 1회 측정시간 10분∼20분으로 하고 총 19회 측정한 값을 평균하였다.
롤러의 CO2 측정은 현장내 다짐작업을 1회 측정시간 5분∼28분으로 하고 총 11회 측정한 값을 평균하였다.
도자의 CO2 측정은 현장 내 굴착 및 운반작업을 1회 측정시간 5분∼12분으로 하고 총 23회 측정한 값을 평균하였다.
배출량을 산출한 결과를 유속, 유량, 온도, RPM 정보와 함께 보여준다. 건설장비는 작업상태(Work)와 대기상태(Idling)의 연료사용량이 다를 뿐만 아니라 이에 따른 CO₂ 배출량도 다르기 때문에 작업상황을 분석하여 대기상태를 적절한 비율로 적용할 수 있도록 구분하여 표기하였다.

대상 데이터

본 연구의 범위는 탄소저감을 위한 여러 범위 중에서 CO₂ 배출량을 기반으로 하는 배출계수를 대상으로 한다. 건설공사의 기반이 되는 토공사에 사용되는 토공장비 중 도저, 백호, 덤프트럭, 로울러를 대상으로 CO₂ 배출량을 직접측정방식으로 측정하고 측정된 값을 국토해양부에서 제시한 배출계수(MOLIT, 2012)와 비교하는 것으로 한다.

이론/모형

배출계수과 관련한 국내외 기존 연구를 고찰하였다. 건설장비의 CO₂배출량 산출방법은 유속 및 CO₂농도를 이용하여 건설장비의 작업 및 운행형태에 따라 배출되는 CO₂량을 실시간으로 측정할 수 있는 방법(Jang and Kim, 2013)을 이용한다. 또한 CO₂ 배출계수의 보정은 직접 측정방식으로 측정된 토공장비의 CO₂ 배출량을 사용하여 국토해양부의 배출계수(2011)를 보정한다.

성능/효과

농도 측정을 실시하였다. CO₂농도를 측정하기 위하여 일정한 용기에 배기가스를 포집 후 Fig. 3과 같은 COZIR 사의 CO₂센서를 이용하여 CO₂농도를 측정한 결과 Back-hoe의 CO₂농도는 평균 2.48% 정도로 나타났으며, 덤프트럭의 CO₂농도는 약 1.7~2.5%로 평균 2.2% 정도되는 것으로 나타났으며, 롤러는 약 1.6~2.5%로 평균 2.08%, 불도저는 약 1.8~3.4%로 평균 2.6%로 나타났다.
첫째, 국토해양부 가이드라인과 직접측정한 결과의 차이율은 최소 45.8%에서 최대 78.6%를 기록하고 있다. 즉, 직접측정한 결과가 가이드라인 값보다 적다.
셋째, 차이의 원인으로 장비의 노후화로 인한 문제를 제기할수 있는데 가장 최신기종인(2012년식) 백호의 경우 차이율이 45.8%로 다른 기종에 비해 상대적으로 적은 차이율을 보이고 있어서, 장비가 노후화 될수록 CO₂ 배출량은 이론식에 비해 적은 것으로 판단된다.
넷째, 직접측정결과 대기상태의 CO₂배출량이 작업상태의 배출량에 비해 훨씬 적다.

후속연구

그러나 가장 최신기종의 경우에도 45%의 차이율을 보이는 것은 노후화만으로 설명하기 어려우며, 장기적인 관점에서 원인파악을 위한 연구가 추가로 진행되어야 할 것으로 판단된다.
본 연구에서 측정하여 제시한 결과 값을 CO₂배출계수로 적용하기 위해서는 추가연구가 필요하지만 현재의 가이드라인 배출계수를 그대로 적용하기에는 실측정 값과 워낙 차이가 커서 전면적인 보완이 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지구온난화의 직접적인 원인으로 지적되는 것은?	74°C 상승하였다. 산업혁명 이후의 화석연료 사용 증가로 인한 온실가스 증가가 지구온난화의 직접적인 원인이라는 견해가 지배적이며 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)는 2007년 보고서를 통해 온실효과의 주요 원인이 인간 활동에 따른 결과라고 최종 결론지었다(Committee on Green Growth, 2009).
	지구온난화로 평균기온은 어떻게 변화했는가?	지구온난화로 인하여 지난 100년간(1906~2005년) 전 세계 평균기온이 0.74°C 상승하였다. 산업혁명 이후의 화석연료 사용 증가로 인한 온실가스 증가가 지구온난화의 직접적인 원인이라는 견해가 지배적이며 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)는 2007년 보고서를 통해 온실효과의 주요 원인이 인간 활동에 따른 결과라고 최종 결론지었다(Committee on Green Growth, 2009).
	우리나라 녹색성장 추진전략에 따른 주요 고려사항 포함내용은?	기후변화대처기술, 에너지이용 효율성 제고, 신재생에너지 및 자원재활용, 절감기술에 대한 기술수요가 급증함에 따라 친환경 건설재료, 탄소저감형 건설기술, 고효율 및 고성능 첨단재료 기술 등이 주요 고려대상이 되고 있다(MOLIT, 2012). Fig.

참고문헌 (15)

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