[논문]서울의 CNG버스를 전기버스로 대체했을 때 환경 개선 효과 분석

최병주; 나혜중; 최욱돈; 김종해

doi:10.7471/ikeee.2020.24.3.821

서울의 CNG버스를 전기버스로 대체했을 때 환경 개선 효과 분석
An Analysis on the Effect of Environmental Improvement on Replacing CNG Bus in Seoul with Electric Bus 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.24 no.3, 2020년, pp.821 - 827

최병주 (Department of Electrical Engineering, Yeungnam University) , 나혜중 (Institute of industrial Technology, Yeungnam University) , 최욱돈 (School of Electronic and Electrical Engineering, Daegu Catholic University) , 김종해 (School of Electronic and Electrical Engineering, Daegu Catholic University)

초록
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자동차에서 배출되는 배기가스가 대도시의 대기 오염원 중 큰 비중을 차지하고 있다. 특히 디젤이나 CNG버스 등 대중교통의 내연기관 차량은 매일 총 주행거리와 운행시간이 길고 차량 수량이 많기 때문에 배출가스 저감 대책이 시급하다. 본 논문에서는 실제로 전기버스의 도로 주행시험을 통한 연료소모율(km/kWh)을 측정하였다. 측정값을 근거로 버스 한 대당 내연기관과 전기버스에서 발생되는 CO₂배출량을 계산하였다. 전기버스를 시내버스로 대체할 경우 CNG버스 대비 예상되는 이산화탄소 저감 등 환경개선 효과와 더불어 전기버스로 대체가 확대될 경우 부가적인 효과를 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In particular, vehicles with internal combustion engines of public transportation such as diesel and CNG buses are in urgent need of measures to reduce emissions as they have a long daily total mileage, long driving hours and a large number of vehicles. In this paper, the fuel consumption rate (km/kWh) was actually measured through road test of electric buses. Based on the measured values, CO2 emissions from internal combustion engines and electric buses were calculated per bus. In addition to environmental improvement effects such as the expected reduction of carbon dioxide compared to CNG buses when replacing city buses with electric buses, additional effects were analyzed when the replacement of CNG buses is expanded to electric buses.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 2. Block diagram of overall system configuration of Proposed Electric Bus. 그림 2. 제안한 전기 버스의 전체 시스템 구성도
그림 Fig. 1. Specifications of Proposed Electric Bus. 그림 1. 제안한 전기 버스 사양
표 Table 1. Simulation parameters for electric bus. 표 1. 전기버스의 시뮬레이션 파라메타
표 Table 2. Comparison of emissions between diesel and CNG buses[5]. 표 2. 디젤버스와 CNG버스의 배출가스 비교[5]
그림 Fig. 3. Driving Pattern in WHVC Urban Mode. 그림 3. WHVC Urban 모드에서 주행 패턴
그림 Fig. 4. Simulation Results of Fuel Consumption in WHVC Urban Mode. 그림 4. WHVC Urban 모드에서의 연료소모율 시뮬레이션 결과
그림 Fig. 5. Calculating Results of the Driving Pattern and Fuel Consumption rate in Seoul A Line. 그림 5. 서울시내 A노선에서의 주행 패턴과 연료소모율의 계산 결과
그림 Fig. 6. Test Results of the Driving Pattern and Fuel Consumption rate in Seoul A Line. 그림 6. 서울시내 A노선에서의 주행 패턴과 연료소모율의 실험 결과
표 Table 3. Supply Planning of Electrical Buses in Seoul[8]. 표 3. 서울시 전기버스 공급 계획[8]
표 Table 4. Comparison of characteristics of electrical buses and internal combustion engines. 표 4. 내연기관과 전기버스의 특성 비교

AI 본문요약
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문제 정의

이와 함께 배출가스 저감 방안의 하나로 엔진과 전동기를 같이 사용하는 방식의 디젤 하이브리드버스와 CNG하이브리드 버스가 연구^[1][2]되어 왔으나, 최근에는 자동차용 대용량 배터리 기술의 발달로 엔진에 비해 친환경적인 순수전기버스나 연료전지버스로 바뀌고 있는 추세이다^[3] . 따라서 본 논문에서는 상용 자동차의 연비측정의 기준인 WHVC urban 모드로 실제 주행을 통해 측정된 CNG 버스의 배출가스와 전기버스의 연료소모율(km/kWh)을 비교 및 검토한 결과를 나타내었다. 버스 한 대 당 내연기관과 전기 버스에서 발생되는 CO₂ 배출량은 측정된 Data를 토대로 계산하였다.
그러나 내연기관의 배출가스가 대기오염을 유발하고 이를 줄이기 위해 수년간에 걸쳐 디젤버스를 CNG버스로 교체하여왔다. 본 연구에서는 CNG버스의 배출가스 중 이산화탄소량을 분석하였다. CNG버스를 전기버스로 대체할 경우 그 효과를 알아보기 위해 실제로 서울의 전기버스 주행시험에서 연료소모율을 측정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 CNG버스의 배출가스 중 이산화탄소량을 분석하였다. CNG버스를 전기버스로 대체할 경우 그 효과를 알아보기 위해 실제로 서울의 전기버스 주행시험에서 연료소모율을 측정하였다. 전기버스의 주행거리와 연료소모율의 타당성을 검증을 위해 실제노선의 주행을 통해 취득한 주행패턴을 적용한 시뮬레이션과 실제 측정 값을 비교하였으며, 그 결과는 거의 일치함을 보였다.
7[km/kWh]이었다. 따라서 본 논문에서는 주행시험에서 얻은 연료소모율을 기준으로 이산화탄소 배출량을 산출하였다.
따라서 본 논문에서는 상용 자동차의 연비측정의 기준인 WHVC urban 모드로 실제 주행을 통해 측정된 CNG 버스의 배출가스와 전기버스의 연료소모율(km/kWh)을 비교 및 검토한 결과를 나타내었다. 버스 한 대 당 내연기관과 전기 버스에서 발생되는 CO₂ 배출량은 측정된 Data를 토대로 계산하였다. 전기버스를 시내버스로 대체할 경우 CNG버스에 비해 예상되는 이산화탄소 저감 등의 환경 개선 효과와 더불어 CNG버스를 전기 버스로 대체가 확대될 경우 부가적인 효과에 대해서도 분석하였다.
실제로 Urban 모드의 주행 패턴은 대부분 도로에서 주행하는 것이 아니라 실험실내 차체동력계에서 실시하였다. 본 논문에서는 시뮬레이션을 통해 WHVC Urban 모드 주행 패턴과 서울시내 A노선 주행 패턴에서의 연료소모율을 각각 계산하였다. 서울 A노선 경우의 주행시간과 주행거리는 1,440[sec] 및 7.
우선 전기버스와 디젤버스 및 CNG버스에 대해 배출가스의 성분과 각각 배출량(g/km)의 차이를 알아본다. 국가 교통 DB센터의 자료에 의하면 서울 시내버스의 평균 주행속도는 19.
버스 한 대 당 내연기관과 전기 버스에서 발생되는 CO₂ 배출량은 측정된 Data를 토대로 계산하였다. 전기버스를 시내버스로 대체할 경우 CNG버스에 비해 예상되는 이산화탄소 저감 등의 환경 개선 효과와 더불어 CNG버스를 전기 버스로 대체가 확대될 경우 부가적인 효과에 대해서도 분석하였다. 또한 본 논문에서 전기버스의 연료소모율(km/kWh)은 서울시 A노선에서 측정된 주행모드에서 측정된 값과 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
전기버스와 디젤, CNG버스의 배출가스의 성분과 배출량의 차이를 알아본다. 배출량의 단위는 [g/km]이다.

대상 데이터

그림 1은 본 논문에서 제안한 전기버스의 사양을 나태내고 있다. 그림 1에서 알 수 있듯이, 본 논문에서 제안한 전기 버스의 총 좌석 수는 운전자를 포함하여 총 48명, 전기 버스 총 질량은 10,720[kg]이며, 전기 버스에서 사용한 추진 전동기의 최대 전력, 최대 토오크 및 최대 속도는 240[kW], 1,150[Nm] 및 100[km/h]이다.
전기버스의 1회 충전 주행거리는 도로의 경사도, 풍량, 차량의 무게, 배터리 용량, HVAC, 보조 장치 사용유무에 의해 결정된다. 본 논문에서 사용된 전기버스는 경량화 차체의 모델로 연비 향상을 위해 cabin을 탄소섬유와 FRP로 제작한 것으로 기존 버스에 비해 2톤가량 가볍다.^[5]

데이터처리

연료소모율 계산은 “Matlab”에서 표 1의 파라메타를 사용하여 WHVC Urban모드와 서울시 A모드에서 각각 계산하였다.

성능/효과

시험결과 주행거리 당 오염물질 배출 평균값의 경우, CO, NOx, PM, CO₂에서는 경유 대비 CNG 버스 배출값이 (-)값으로, CNG 버스의 배출량이 적고, THC는 경유 대비 CNG 버스 배출값이 (+)값으로, CNG 버스 배출량이 더 많다. 차량 1대 당 연간 총 배출량은 식(1)에 의해 구해진다.
전기버스의 주행거리와 연료소모율의 타당성을 검증을 위해 실제노선의 주행을 통해 취득한 주행패턴을 적용한 시뮬레이션과 실제 측정 값을 비교하였으며, 그 결과는 거의 일치함을 보였다. 시험결과를 근거로 1(kWh)의 전력생산에 발생되는 이산화탄소 발생량과 CNG버스에서 발생하는 값을 비교한 결과 차량 1대당 년 9.91tCO2eq의 CO2와 640kg의 CH4가 저감 되는 것으로 나타났다. 현재 서울시에서 운행중인 전기버스 143대로 계산할 경우 계산하면 CNG 버스에 비해 CO2 배출량은 년간 약 1,417.
CNG버스를 전기버스로 대체할 경우 그 효과를 알아보기 위해 실제로 서울의 전기버스 주행시험에서 연료소모율을 측정하였다. 전기버스의 주행거리와 연료소모율의 타당성을 검증을 위해 실제노선의 주행을 통해 취득한 주행패턴을 적용한 시뮬레이션과 실제 측정 값을 비교하였으며, 그 결과는 거의 일치함을 보였다. 시험결과를 근거로 1(kWh)의 전력생산에 발생되는 이산화탄소 발생량과 CNG버스에서 발생하는 값을 비교한 결과 차량 1대당 년 9.
^[5] 따라서, 이러한 주행 속도 패턴에서의 디젤버스와 CNG버스의 배출가스를 측정한 결과 표 1과 같이 CO₂배출량은 CNG버스의 경우 721[g/km]이고, 경유차는 723[g/km]이다. 질소산화물(NOx)은 경유차가 CNG에 비해 6.652 9[g/km] 적게 발생되는 것으로 나타났다.
1(g/km)을 적용하는 방식이다. 첫 번째 방식의 CO₂배출량은 연간 52.05tCO₂eq이므로 CNG대비 9.91tCO₂eq, 디젤대비 10.08tCO₂eq가 저감된다. CNG버스의 CH₄ 저감량은 연간 0.

후속연구

표 3에서 나타낸바와 같이 2036년까지 서울시는 전기버스를 7,222대까지 도입한다는 계획이다. 따라서 대중교통 수단에 의한 배출가스 저감으로 인한 환경개선효과가 점차 증대할 것으로 기대된다. 표 4는 내연기관과 전기버스의 장단점을 비교한 것으로 전기버스 도입이 확대될 경우 차량의 가격은 비싸지만 반면에 배출가스 저감 뿐만이 아니라 차량의 소음과 진동 등의 감소로 시민들에게 쾌적한 교통 환경을 제공하는 것은 물론 유지비용의 절감도 기대할 수 있다.
뿐만 아니라 전력수요 성수기에 피크부하 분산에도 활용이 가능하다. 전기버스의 보급 확대로 대기 환경 개선뿐만 아니라 청정에너지원으로 태양광발전과 지능형전력망과 지능형 전력망을 연계한 무공해 교통시스템구축^[8]으로 배출가스와 전력문제를 동시에 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디젤이나 CNG버스 등 대중교통의 내연기관 차량에 대한 배출가스 저감 대책이 시급한 이유는 무엇인가?	자동차에서 배출되는 배기가스가 대도시의 대기 오염원 중 큰 비중을 차지하고 있다. 특히 디젤이나 CNG버스 등 대중교통의 내연기관 차량은 매일 총 주행거리와 운행시간이 길고 차량 수량이 많기 때문에 배출가스 저감 대책이 시급하다. 본 논문에서는 실제로 전기버스의 도로 주행시험을 통한 연료소모율(km/kWh)을 측정하였다.
	전기버스의 CO2배출량 산출 근거 두 가지는 무엇인가?	전기버스의 CO2배출량 산출 근거에는 두 가지가 있는데 이들을 고려한 기대효과를 보면 다음과 같다. 하나는 소비전력량당 주행 거리(0.7km/kWh)을 기준으로 계산하는 방식이다. 다른 하나는 참고문헌[7]에서 제시한 2015년 환경부의 “자동차 배출가스의 전 과정 평가(Life Cycle Analysis)”에 의한 방식이다. 순수 전기자동차의 주행 전, 석유채굴과 발전에서 발생하는 CO2(g/km)량 64.
	배출가스 저감 방안 추세가 어떻게 변하고 있는가?	정부에서는 나날이 심각해지고 있는 자동차 배출가스 저감을 위해 지금까지 전국적으로 대중교통 수단인 시내버스를 디젤에서 CNG버스로 교체해왔다. 이와 함께 배출가스 저감 방안의 하나로 엔진과 전동기를 같이 사용하는 방식의 디젤 하이브리드버스와 CNG하이브리드 버스가 연구[1][2]되어 왔으나, 최근에는 자동차용 대용량 배터리 기술의 발달로 엔진에 비해 친환경적인 순수전기버스나 연료전지버스로 바뀌고 있는 추세이다[3] . 따라서 본 논문에서는 상용 자동차의 연비측정의 기준인 WHVC urban 모드로 실제 주행을 통해 측정된 CNG 버스의 배출가스와 전기버스의 연료소모율(km/kWh)을 비교 및 검토한 결과를 나타내었다.

참고문헌 (8)

Stefano Barsali et al, "Techniques to Control the Electricity Generation in a Series Hybrid Electric Vehicle," IEEE Transactions on energy conversion, Vol.17. No.2, pp.260-266, 2002. DOI: 10.1109/TEC.2002.1009478

상세보기
Mehrdad Ehsani et al, "Moden Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles," CRE press, pp.239-276, 2018.
U. D. Choi et al, "Development of the Power Generator for Series Hybrid Electric Vehicle," IFOST, pp.447-450, 2006. DOI: 10.1109/IFOST.2006.312354
I. S. Kang et al, "CNG distribution through environmental and economic evaluation of light and CNG buses Final Report on Policy Feasibility Study," Ministry of Environment, Korea Institute for Environmental Policy Evaluation, pp.57-90, 2012.
U. D. Choi, "Commercial Operation of Ultra Low Floor Electric Bus for Seoul City Route," IEEE-VPPC, 2012. DOI: 10.1109/VPPC.2012.6422619
U. D. Choi et, al, "Development of a Series Hybrid Electric Vehicle as Low-Floor City Transit Bus," World Electric Vehicle Journal, vol.3-ISSN-2032-6653-AVERE, pp.379-386, 2009. DOI: 10.3390/wevj3020379

상세보기
J. H. Go, H, K, Ki, S. M. Jeong, "Recent Trend of Environmentally Friendly Vehicle and Seoul Policy Directions," The Seoul Institute, pp.7-45, 2017.
"Bus Graphic," NEKO Publishing Co. Ltd. Japan, vol.21, 2014.

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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