[논문]수소경제 활성화 로드맵 달성에 따른 교통 부문의 대기오염원 저감 효과 분석

김정화

doi:10.7316/khnes.2020.31.6.522

수소경제 활성화 로드맵 달성에 따른 교통 부문의 대기오염원 저감 효과 분석
Air Pollutant Reduction Effect on Road Mobility in Hydrogen Economy Era 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.6, 2020년, pp.522 - 529

김정화 (경기대학교 창의공과대학 도시.교통공학과)

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This study evaluated the effect of improving the atmospheric environment based on the premise that the supply of hydrogen fuel cell vehicles (HFCV) will be achieved as many as the number of vehicles presented in the hydrogen economy activation roadmap announced by the Korean government in January 2019. The HFCV supply target (2.7 million passenger cars) suggested in the hydrogen economy revitalization roadmap was logically allocated to the five major metropolitan areas in Korea. Air pollution damage costs by region were calculated by reflecting the basic unit of damage cost to the estimated air pollutant emissions. As a result, it was confirmed that the benefits per unit of some cities in Gyeonggi-do were derived more than major cities in the metropolitan area.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1. Number of registered vehicles by region (Feb, 2020)
표 Table 2. Hydrogen electric vehicle distribution result (unit: veh)
그림 Fig. 1. Number of HFCV supplied in study area (based on government plan)
표 Table 3. Unit emissions of automobile air pollutants (unit: kg/pcu/year)
표 Table 4. Pollutant emissions according to study scenario (unit: 1,000 ton/year)
표 Table 5. Air pollutant unit social cost and reduction benefits (unit: won/kg, 100 million won/year)
표 Table 6. Damage weight by item due to air pollution¹⁰⁾ (unit: %)
표 Table 7. Benefits of reducing air pollutant emissions by region (unit: 100 million won/year)
그림 Fig. 2. Benefits of reducing air pollutant emissions by region
그림 Fig. 3. Air pollutant emission reduction effects per unit road area

AI 본문요약
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문제 정의

한정하였다. 또한 수소의 경우 생산방식에 따라 대기오염물질이 발생될 수 있는데(well-to-tank), 이는 고려하지 않고 차량이 수소연료를 사용함으로써(tank-to-wheel) 도로 상에서 발생되는 오염물질의 저감 효과만을 측정하고자 한다.
본 연구에서는 교통시설 예비타당성 조사에 적용되어 편익 산출에 활용되고 있는 도로·철도지침 기준의 원단위에 소비자물가지수 평균 성장률을 적용하여 수소활성화 로드맵 목표인 275만 대의 HFCV 보급시의 대기오염물질 배출 저감 편익을 산출하였다. 여기에 소비자물가지수 평균 성장률 최근 10년간 (2010-2019년)의 평균치인 1.
본 연구에서는 수소경제 활성화 로드맵의 목표치 수준의 HFCV의 보급이 달성된다는 전제를 두고 진행하였다. 현재 수소전기차 등록대수에서 2040년 수소경제 활성화 로드맵의 목표치인 275만 대를 달성하기 위해서는 연평균 증가율이 37.
분석하였다. 본 연구에서는 지금까지 수행된 적 없는 수소경제 시대 도래를 대비하여 지역별 HFCV 보급에 따른 대기환경 영향 및 파급효과를 분석하고자 한다.
인구밀도와 관계없이 대기오염물질 별 단일 값으로 제시되고 있는 도로·철도지침(제5판)을 기준으로 분석을 진행하였으나 이에 인적 피해뿐 아니라 생활환경에 대한 피해를 종합적으로 고려하고자 하였다(Table 6). KAIST¹⁰⁾의 연구와 Lee와 Choi11)의연구를 바탕으로 지역별 토지이용 특성을 반영한 지역별 대기오염 피해 가중치 산출하기 위해 인체피해, 건축물 마모, 농작물 손실, 산림손실과 같이 총 4개의 항목을 고려하였다.
수소경제 활성화 로드맵의 주요 내용으로는 2040년까지 620만 대의 HFCV (내수 275만 대) 생산과 수소 충전소 1, 200개소의 구축이 있다. 최종적인 보급목표치 이외에 세부 전략안에 대해서는 제시되어 있지 않아, 본 연구에서는 수소경제 활성화 로드맵의 HFCV 보급 목표치의 지역별 배분을 하고 장래 기준의 대기오염물질 배출량을 지역기반의 연료별·연식별 차량대수 및 토지이용 현황 등을 반영하여 산출하고자 한다. 또한 추정된 대기오염물질 배출량에 피해비용 원단위를 반영하여 지역별 HFCV 보급에 의한 대기오염 피해비용 저감 효과를 검토한다.

제안 방법

Hardman 등¹⁾은 HFCV 시장 활성화를 위한 전략 수립을 위해 예비 HFCV 구매층 특성을 분석하였다. HFCV 구매자는 친환경적 소비 관점에서 전기차 구매자 특성이 유사할 것으로 가정하였으며, 상대적으로 차량구매비용이 높은 HFCV 특성을 고려하여 유사한 소비층으로 테슬라 이용자를 대상으로 HFCV 구매의향과 시장 확대를 저해하는 장애요인을 분석하였고, 그 결과 HFCV 구매 의향에 영향을 미치는 장애요인으로 충전소 부족, 수소 생산과정의 친환경성, 충전소 접근성(홈 충전 불가), 비용 문제가 있을을 밝혀내었다. Hardman2) 은 캘리포니아 HFCV 시장이 확대됨에 따라 실구매자를 대상으로 전기차 구매자와 인구 사회적 특성을 비교하였으며, HFCV 구매자가 전기차 구매자와 차별화되는 점으로는 주로 주거지와 통행특성을 제시하였으며, 분석 결과 HFCV 구매자는 전기차 구매자대비 공동주택 거주비율이 높고 통근 통행거리가 더 길다는 차이를 확인하였다.
인구밀도와 관계없이 대기오염물질 별 단일 값으로 제시되고 있는 도로·철도지침(제5판)을 기준으로 분석을 진행하였으나 이에 인적 피해뿐 아니라 생활환경에 대한 피해를 종합적으로 고려하고자 하였다(Table 6). KAIST¹⁰⁾의 연구와 Lee와 Choi11)의연구를 바탕으로 지역별 토지이용 특성을 반영한 지역별 대기오염 피해 가중치 산출하기 위해 인체피해, 건축물 마모, 농작물 손실, 산림손실과 같이 총 4개의 항목을 고려하였다. 대기오염 피해에 대한 지역 특성 가중치, _는 지역별 인구밀도, 도로면적 비율, 농경지 비율, 그리고 녹지비율을 통계청에서 발표하는 지적통계의 수치를 적용하여 추정하였다.
KAIST¹⁰⁾의 연구와 Lee와 Choi11)의연구를 바탕으로 지역별 토지이용 특성을 반영한 지역별 대기오염 피해 가중치 산출하기 위해 인체피해, 건축물 마모, 농작물 손실, 산림손실과 같이 총 4개의 항목을 고려하였다. 대기오염 피해에 대한 지역 특성 가중치, _는 지역별 인구밀도, 도로면적 비율, 농경지 비율, 그리고 녹지비율을 통계청에서 발표하는 지적통계의 수치를 적용하여 추정하였다.
최종적인 보급목표치 이외에 세부 전략안에 대해서는 제시되어 있지 않아, 본 연구에서는 수소경제 활성화 로드맵의 HFCV 보급 목표치의 지역별 배분을 하고 장래 기준의 대기오염물질 배출량을 지역기반의 연료별·연식별 차량대수 및 토지이용 현황 등을 반영하여 산출하고자 한다. 또한 추정된 대기오염물질 배출량에 피해비용 원단위를 반영하여 지역별 HFCV 보급에 의한 대기오염 피해비용 저감 효과를 검토한다.
01% 수준의 HFCV 보급률이 진행된다면 5년 단위의 장래 연도별 예상 보급량은 2025년 약 2만 3천 대, 2035년 56만 대로 산출된다. 본 분석에서는 2040년을 기준연도로 전국에 HFCV가 275만 대(내수) 보급되는 상황을 한정하여 각 지역별로 분산되는 비율을 적용하는데, 통계청에서 발표하는 2020년 2월 기준의 자동차 등록대수를 바탕으로 산출한 지역별 분포비율 (Table 1)이 장래에도 동일하다는 전제로 이를 적용하여 대도시권별 HFCV 보급대수를 산출하였다.
본 연구에서 검토한 선행연구들은 주로 HFCV의 시장 구매요소에 대한 연구이거나 HFCV를 제외한 친환경 교통수단 보급으로 인한 대기오염저감 효과를 분석하였다. 본 연구에서는 지금까지 수행된 적 없는 수소경제 시대 도래를 대비하여 지역별 HFCV 보급에 따른 대기환경 영향 및 파급효과를 분석하고자 한다.
본 연구에서는 수소경제 활성화 로드맵의 목표치 수준의 HFCV의 보급이 달성된다는 전제를 두었으며 2040년을 기준연도로 전국에 승용차 기준의 275만대(내수) 보급되는 상황을 바탕으로 분석하였으며 주요 도출 결과는 다음과 같다.
산출된 수소경제 활성화 로드맵 추진에 따라 저감되는 대기오염물질 총 배출량에 오염물질 별 피해 비용 원단위를 적용하여 대기환경 개선 편익을 산정하고 HFCV가 1대 도입될 때 발생되는 사회적 편익을 계산하였다.
앞의 산출 결과를 종합적으로 고려해 수소경제 활성화 로드맵의 보급목표치를 달성 시 2040년 기준의 HFCV 도입에 의한 지역별 대기오염물질 배출량 저감 편익을 다음과 같은 산정식에 의해 도출하였다 (Table 7 및 Fig. 2).

대상 데이터

UTEAS에서 제시하고 있는 대기오염물질별 단위배출량(Table 3)을 기반으로 현재의 차종 구성 비율이 장래에 그대로 유지된다는 시나리오 A (2040년 기준 화석연료 차량 1, 747만 대)와 수소경제 활성화 로드맵에 따라 HFCV의 보급이 이루어진다는 시나리오 B (2040년 기준 화석연료 차량 1, 472만 대, HFCV 275만 대)에 따라 전국 기준의 대기오염물질 배출량을 산출하였다.
본 연구는 대기오염물질로 CO (일산화탄소), NOx (질소산화물), SOx (황산화물), PM (입자상 고형물질) HC (탄화수소)의 주요 5대 오염물질을 분석 대상으로 한정하였다. 또한 수소의 경우 생산방식에 따라 대기오염물질이 발생될 수 있는데(well-to-tank), 이는 고려하지 않고 차량이 수소연료를 사용함으로써(tank-to-wheel) 도로 상에서 발생되는 오염물질의 저감 효과만을 측정하고자 한다.

이론/모형

본 연구는 장래 대기오염물질 온실가스 추정이 가능한 urban transportation emission assessment system (UTEAS)의 등록지 기반 배출평가 모형을 활용하여 분석을 진행하였다. UTEAS는 도로구간의 운행지 및 지역 단위 등록지 기반 자동차 배출평가 모형으로 구성되며 본 연구에서 이를 교통 수요모형의 이동오염원 분석체계에 준용한 이유는 2017년부터 국가 도로· 철도 사업의 타당성 평가에 적용되는 자동차 배출량 평가 방법에 활용되고 있기 때문이다.

성능/효과

1) 수소경제 활성화 로드맵의 HFCV 보급 목표 달성 시 총 2, 686.1억 원/년의 대기오염물질 저감 편익이 발생하며 이는 1대당 약 9.77만 원/년에 해당.
2) 전국 5대 대도시권을 대상으로 대기오염물질저감 효과를 분석한 결과 주요 광역시보다 경기도의 일부 도시의 단위당 편익이 높음(서울특별시와 인접 경기도 주요 시[부천, 수원, 안양, 광명, 군포, 성남시등] 와 부산광역시, 인천광역시 대구광역시 순으로 도출).
3과 같다. 도로면적 당 편익은 지역 기타 대도시권 내 주요 광역시 보다 경기도의 일부 도시의 단위당 편익이 더 크게 도출되는 것으로 나타났으며 서울특별시와 인접 경기도 주요 시 (부천, 수원, 안양, 광명, 군포, 성남시 등)과 부산광역시, 인천광역시, 대구광역시 순으로 높게 산출되었다. 또한 대도시 주변 인접지역에서 보다 높은 단위 편익이 발생되는 것으로 나타났다.
도로면적 당 편익은 지역 기타 대도시권 내 주요 광역시 보다 경기도의 일부 도시의 단위당 편익이 더 크게 도출되는 것으로 나타났으며 서울특별시와 인접 경기도 주요 시 (부천, 수원, 안양, 광명, 군포, 성남시 등)과 부산광역시, 인천광역시, 대구광역시 순으로 높게 산출되었다. 또한 대도시 주변 인접지역에서 보다 높은 단위 편익이 발생되는 것으로 나타났다.
산출결과 인구밀도 및 도로 면적 비율의 영향으로 부천시의 가중치가 3.405로 서울시 3.268보다 높은 것으로 나타났다. 또한 대전광역시는 1.
위의 식을 적용한 2040년의 수소경제시대 5대 대도시광역권의 HFCV 보급대수는 경기도 약 67만 대, 서울시 약 42만 대, 인천시 18만 대, 대구시 15만 대수 준 이 될 것으로 전망되었다. Table 2와 Fig.
이를 통해 수소경제 활성화 로드맵의 HFCV 보급 목표치인 전국기준 275만 대가 달성된다면 2040년의 대기오염물질은 CO 990만 kg, NOX 485만 kg, SOX 1.8만 kg, PM 2.9만 kg, HC, 254만 kg이 저감되는 것으로 확인할 수 있었다.
해당연구에서 전국적으로 HFCV 선택 비율을 조사하였으며 차기 차량으로 HFCV를 선호하는 비율이 2017년 평균 약 0.5%인 반면 2019년도에는 4.5% 로 크게 상승한 것을 확인하였다. 또한 HFCV를 선택한 지역이 2017년에는 서울, 경남, 전북, 전남의 일부 지역에 한정되었으나 2019년도 조사 결과에서는 인천을 제외한 모든 지역에서 HFCV 선택 비율이 높아짐을 밝혀냈다.

후속연구

예를 들어 HFCV 1대 당 보급 효과가 크게 발생되는 지역을 우선적으로 충전소를 구축할 수 있겠으며 이와 함께 사회적 편익이 높게 산출될 수 있는 지역은 HFCV 구매력을 높일 추가적인 정책 지원방안이 함께 추진될 수 있겠다. 또한 HFCV 확대 보급으로 인한 긍정적 파급효과를 누릴 수 있는 서울시 외 수도권 내 지역을 중심으로 관련 정책의 추진력을 제고할 필요가 있다. 향후 추가적인 수소도시 선정에 있어 본 연구 결과가 기초적 자료로서 활용될 수 있으며, 이를 통해 재정 투입 대비 효율성 높은 단계별 교통 에너지 대체 방안수립이 가능할 것이다.
본 연구는 지역별 HFCV 보급대수 산정 시 데이터구득의 문제로 현재 기준의 지역별 차량등록대수 비율을 반영하여 개략적인 결과값을 도출한 것에 다소 한계가 있었던 만큼 향후 연구로 지역별 소득 및 충전 인프라 구축 수준 등을 반영한 지역별 HFCV 보급 대수의 산출과 보급대수에 있어서 장래여건 변화를 가정한 민감도 분석이 추가적으로 진행될 필요가 있다.
수소경제사회로의 전환에 대한 정부의 의지가 확고한 상황에서 본 연구 결과는 향후 증대될 HFCV보급에 따라 발생되는 대기환경의 변화에 대한 사전적 평가를 가능하게 한다. 이러한 사전평가를 통해 수소충전소 보급 계획을 전략적으로 추진할 필요가 있다.
또한 HFCV 확대 보급으로 인한 긍정적 파급효과를 누릴 수 있는 서울시 외 수도권 내 지역을 중심으로 관련 정책의 추진력을 제고할 필요가 있다. 향후 추가적인 수소도시 선정에 있어 본 연구 결과가 기초적 자료로서 활용될 수 있으며, 이를 통해 재정 투입 대비 효율성 높은 단계별 교통 에너지 대체 방안수립이 가능할 것이다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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