휘발유 승용차의 주간증발가스 시험을 통한 CAPSS 주간증발가스 산정식 평가 및 개선

2.1 CAPSS 증발가스 산정식

국내에선 대기정책지원시스템(CAPSS)을 이용하여 여러 오염원에서 발생하는 대기오염물질의 배출량을 산정한다.⁵⁾ 본 연구에선 도로이동오염원 중 VOC 배출량을 중점적으로 다룬다. 휘발유 차량의 증발가스배출량을 산정하는 방식은 아래 식 (1)과 같다.

여기서, E_eυa,υoc,j : 연간 증발 배출량(g)
a_j : 차종 j의 휘발유 사용차량 등록대수(대)
e^d : 주간증발배출량(g/day)
S^c+S^fi : Hot soak 배출량(g/day)
R : Runnig loss 배출량(g/day)

CAPSS 증발배출량 산정식은 크게 주간증발배출량, Hot soak 배출량, Running loss 배출량으로 나뉜다. 그 중 Hot soak 배출량은 Fuel injection 방식 및 Carbon canister가 장착된 차량의 경우 거의 배출되지 않아 CAPSS 산정식에선 0의 값으로 계산된다.⁴⁾ 또 다른 구성요소인 Running loss의 경우 실제 배출량이 크지 않으며 CAPSS 산정식에선 주간증발배출량의 10 %수준으로 산정된다.⁶⁾ 따라서 본 연구에선 주간증발배출량을 주로 다루며, CAPSS 주간증발배출량 산정식은 아래 식 (2)와 같다.

여기서, e_d,j : 주간증발배출량(g/day)
RVP : 연료증기압(kPa)
T_a,min : 월중 평균 최저기온(g/day)
T_a,rise : 월중 평균 일교차(g/day)

CAPSS의 주간증발배출량 산정식은 월별 평균 기온값을 이용하며 증기압은 82 kPa로 고정된 값을 사용한다. CAPSS 증발배출량 산정식은 2013년 발간된 ｢국가 대기오염물질 배출량 산정방법 편람 (Ⅲ)｣ 이후로 큰 변화 없이 현재까지 사용되고 있어 꾸준히 강화된 제작차 배출허용기준을 적절히 반영시키지 못하고 있다.

2.2 COPERT5 증발가스 산정방식

국내 CAPSS 중발가스산정식은 유럽 도로운송수단 배출량 계산 프로그램인 COPERT의 세 번째 버전인 COPERT3를 기반으로 제작되었다. 현재 COPERT는 다섯 번째 버전인 COPERT5까지 업데이트 되었다. COPERT5 증발가스 산정식은 확보된 데이터에 따라 Tier1, 2, 3 방식 중 하나를 선택하여 계산이 가능하다. 식 (3)은 COPERT5 Tier3 증발가스 산정식이다.⁷⁾

여기서, E_υoc : 연간 증발 배출량(g)
D_s : 계절별 일수(day)
N_j : 차종 j의 등록대수(g/day)
s : 계절구분
j : 차종구분
HS_j : Hot soak 배출량(g/day)
e_d,j : 주간 증발 배출량(g/day)
RL_j : Runnig loss 배출량(g/day)

식 (3) 중에서 주간증발 배출량(e_d,j)을 산정하는 식은 아래 식 (4)와 같다.

여기서, e_d,j : 주간증발배출량(g/day)
f_k : 주차기간 분포비율
k : 주차기간구분
m_break : 캐니스터 통과 배출량(g)
T_min,k : 주차 중 연료탱크 최저온도(^oC)
T_max,k : 주차 중 연료탱크 최고온도(^oC)
m_rest : Permeation 배출량(g)

COPERT5 방식은 주간증발배출량은 크게 캐니스터를 통과한 배출량인 m_break값과, 연료라인 등에서 발생하는 Permeation 배출량인 m_rest으로 나눠진다. m_break값 계산에는 여러 온도 조건과 차량 세부 제원이 입력인자로 사용되며 m_rest값 계산에는 주차시간과 연료탱크 제원이 사용된다. 자세한 입력인자는 2.3절의 Table 2에 나타내었다.

Table 2

Input factor of CAPSS and COPERT5 diurnal loss emission formula

2.3 주간증발가스 산정 비교

2.1절 및 2.2절에 기술한 CAPSS 및 COPERT5의 주간증발가스 산정식 계산에 필요한 인자를 Table 2에 정리하였다.

CAPSS 산정식은 연식, 차종 등의 차량 제원에 대한 구분이 없이 연료 증기압, 최저기온, 일교차 값만을 이용하여 계산한다. 이에 반해 COPERT5 산정식은 CAPSS에서 사용하는 인자를 포함한 14개의 입력인자를 사용하여 주간증발배출량을 산정한다. COPERT5 산정식의 입력인자는 차량에 적용된 배출가스 규제 종류, 캐니스터 크기 등의 세부 제원과 차량 누적 주행거리, 주차 지속 시간, 연료잔량 등의 Vehicle activity data를 이용하여 계산한다. 고로 배출량 산정에 포괄적인 데이터를 사용하는 CAPSS 산정식보다 차량별 세부 데이터를 이용하는 COPERT5 산정식이 실제 차량 배출량에 보다 가까운 값으로 산정할 것으로 보인다.

3.1 주간증발배출시험

CAPSS 주간증발배출 산정식의 개선 필요성 및 개선방안을 제시하기 위해 산정값과 실제 배출량을 비교하였다. 실제 배출량은 주간증발시험을 통하여 비교데이터를 측정하였다. 시험 진행은 [제작자동차 시험검사 및 절차에 관한 규정(환경부 고시 제 2022-073호)]⁸⁾에 따라 국내 차량인증을 위한 주간증발시험과 동일하게 진행하였으며, 주간증발시험과정의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 시험은 24시간 동안 시간별로 온도를 변화시키는 과정을 2번 진행하여 총 48시간 동안 발생한 주간증발가스를 측정한다. 온도변화과정은 기상청 평균 데이터를 이용하여 국내 기후조건을 CAPSS 산정식 평가에 활용할 수 있도록 선정하였다. 주간증발시험은 국내 차량인증용 온도조건과, 봄-가을 온도조건, 여름온도조건으로 진행되었다. 시간별 온도변화과정은 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 1

Schematic of diurnal loss test

Fig. 2

Temperature change schedule of diurnal loss test

3.2 증발가스 측정장치

Fig. 3에는 주간증발시험을 진행하는 가변온도밀폐실(SHED) 장비와 SHED에 시험차량이 입고되어 시험을 진행하기 전의 사진을 나타내었다. SHED는 밀폐실 온도를 제어하여 Fig. 2에 나타난 그래프와 동일하게 밀폐실 내 온도를 변화시킨다. 온도변화에 따른 내부압력을 보상하기 위하여 Air bag을 이용하며 주간증발시험 중 발생하는 탄화수소를 측정할 분석기는 FID 장치를 사용하였다.

Fig. 3

(a) SHED(Sealed Housing Evaporation Determination) system (b) Test vehicle parking in the SHED

3.3 시험자동차

시험에 사용한 차량은 한국 자동차 산업협회에서 집계된 판매 점유율을 바탕으로⁹⁾ 대표성이 있다고 판단되는 차량을 선정하였다. 선정된 차량의 차량 제원을 Table 3에 나타내었다.

Table 3

Specification of test vehicles

4.1 CAPSS 산정식과 시험값의 비교

시험차량별 CAPSS 증발가스 산정식과 주간증발 시험값을 나타낸 그래프를 Figs. 4~6에 나타내었다. CAP SS 산정식은 계산인자에 차종의 구분이 없어 온도조건이 일치할 시 차종에 관계없이 같은 값으로 산정되었다. 산정식과 주간증발시험을 비교해본 결과 산정식은 최소 4배에서 최대 9배 가량 시험 값보다 높게 산정하였다. 현재까지 제작차 배출허용기준은 지속적으로 강화되고 있으며, 이에 따라 차량의 증발가스 배출제어 기술이 발전하고 있다.

Fig. 4

Compare CAPSS formula and diurnal loss test result (vehicle A)

Fig. 5

Compare CAPSS formula and diurnal loss test result (vehicle B)

Fig. 6

Compare CAPSS formula and diurnal loss test result (vehicle C)

반면 CPASS는 2000년에 발표된 COPERT3를 기반으로 제작되었다. 따라서 현재 판매 및 운행 중인 대부분의 차량의 증발가스 배출특성을 반영할 수 없어 정확한 배출량 산정에 어려움이 있다.

4.2 COPERT5 산정식과 시험값의 비교

시험차량별 COPERT5 증발가스 산정식과 주간증발 시험값을 나타낸 그래프를 Figs. 7~9에 나타내었다.

Fig. 7

Compare COPERT5 formula and diurnal loss test result (vehicle A)

Fig. 8

Compare COPERT5 formula and diurnal loss test result (vehicle B)

Fig. 9

Compare COPERT5 formula and diurnal loss test result (vehicle C)

CAPSS 산정식과 달리 COPERT5 산정식은 차량 세부제원과 Vehicle active data를 활용하여 계산되어 차종 및 온도조건별 다른 계산결과가 나타났다. 시험값과 4배에서 9배 이상의 차이를 보였던 CAPSS 산정식과 달리 COPERT5 산정식은 주간증발시험결과에 비교적 가까운 산정결과를 보였다.¹⁰⁾ 여름온도조건에서의 시험값과 COPERT5 산정값은 매우 비슷한 값을 보였으나, 인증온도조건 및 봄-가을 온도조건에선 COPERT5 산정값이 시험값에 비해 1.5배에서 2배가량 높게 나타났다. COPERT5 주간증발가스 산정식 중 캐니스터를 통과한 배출량을 계산하는 m_break 값은 온도조건의 영향을 받아 3가지 온도조건에서 각각 다른 값을 산출했다. 하지만 Permeation을 계산하는 m_rest 값이 온도조건에 영향을 받지 않게 구성되어있어 3가지 온도조건 모두 같은 값을 산출하였다. 휘발유 차량의 Perme ation 배출량의 특성에 대한 추가 연구를 통해 m_rest 산정식을 온도별 특성을 적용시킨 식으로 보정한다면 여름 온도조건 외에 인증온도조건 및 봄-가을 온도조건에서도 정확한 산정값으로 계산할 것으로 예상되며, 앞으로 CAPSS 산정식을 개선해 나가는데 COEPRT5의 방법론을 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 다양한 연료 증기압 조건 및 차종의 주간증발시험 데이터가 확보된다면 COPERT5의 식을 국내의 상황에 적합하게 보정 및 개선할 수 있을 것으로 판단된다.