실제 선박 운항조건에서 배출되는 대기오염물질의 실시간 측정을 통한 선박 배출계수 산정 방법론 개발

Abstract

선박 배출가스는 해안 지역의 대기 질 악화와 전 지구적 온실가스 배출에 크게 기여하며 황산화물(SOX), 질소산화물(NOX), 미세입자(PM), 탄화수소(HC)가 포함된다. 선박을 통한 국제 무역량의 증가로 인해 선박 배출가스는 사회적인 문제로 인식되고 있으며, 지난 50년 동안 이산화질소(NO2)와 이산화탄소(CO2)의 선박기인 배출량은 5.4에서 21.4 Tg, 187에서 813 Tg으로 크게 증가하였다. 최근연구에 따르면, 선박 배출가스는 초미세먼지(PM2.5)의 증가에도 기여하며 항만지역 주변의 거주민들의 심폐질환 및 폐암으로 인한 조기 사망을 유발한다. 현재 국제무역의 90% 이상이 선박 운송이며, 한국은 지리적인 특성 때문에 99.7% 이상의 국제물류가 선박에 의존하고 있다. 선박 배기가스 배출량 정량을 위해서는 정확한 배출계수의 산정이 요구된다. 현재 국내에서 제공하는 배출계수 부분에서 선박부분은 다른 부분(차량, 연료연소, 산업)에 비해 세분화 되어 있지 않으며 유럽의 EMEP/CORINAIR 배출계수를 기반으로 하여 외항선과 내항선의 배출계수만 제공하고 있다. 일반적인 선박 배출가스를 측정하는 방법으로는 크게 세 가지가 있으며 해안지역의 고정정점에서 풍향에 따른 선박 배출가스 측정, 선박 엔진 연소실험, 실 주행 선박에 관측 장비를 장착하여 직접 측정하는 방법이 있다. 하지만 고정정점 측정은 지역적 배출에 의한 영향과 받을 수 있고, 선박엔진 연소실험은 선박의 실 주행 조건배출을 고려할 수 없다는 단점이 있다. 본 연구에서는 2019년 4월부터 2021년 3월까지 실시된 총 9회의 연구선 운항(이어도호, 온누리호, 이사부호)에 대기 관측 장비를 선박에 장착하여 실시간 측정을 실시하였다. 관측장비 및 관측항목은 HR-ToF-AMS(PM1.0내 화학조성), SMPS(입자수농도), Aethalometer(블랙카본), Dusttrak(PM10, PM2.5 농도), SIFT-MS(VOCs), CRDS(CO2, CH4, H2O), AQMS(NO, NO2, SO2, O3, CO) 등이다. 기상관측장비의 상대풍향자료와 연료연소의 추적자인 CO2 농도를 기반으로 선박배기가스와 해양대기 자료를 분리하였다. 배출계수는 차량과 선박에서 많이 사용되고 있는 연료연소 기반 탄소수지법(carbon balance)으로 산정하였다. 일반적으로 연구선을 이용한 해양대기 연구에서는 선박배기가스 자료는 오염된 자료로 분류되어 분석에서 제외되지만, 본 연구에서는 이 자료를 이용하여 실 주행조건 선박의 배출가스 특성과 배출계수 산정 방법을 개발하였다. NOX, SO2, CO, ∑VOCs의 배출계수는 각각 20.4±5.25, 1.00±0.46, 6.14±2.36, 1.16±0.30 g·(kg·fuel)-1이며, 입자의 경우 네 가지 모드(Nucleation, Aitken, Accumulation, Coarse)로 구분하여 각각의 배출계수를 산정하였고 Aitken모드에서 2.09E+15±1.56E+15 #·(kg·fuel)-1로 가장 높은 배출을 나타냈다.