KR 웹진 201호

1.연구 배경

 

현재 국제해사기구(IMO)는 질소산화물, 황산화물, 이산화탄소와 같은 대기오염물질에 대한 규제를 점차 강화하고 있다. 이와 더불어, MEPC 산하 PPR(Pollution Prevention and Response)에서 입자상물질의 주요 성분 중 Soot와 유사한 특성을 가진 블랙 카본(Black Carbon)에 대한 규제 도입에 대해 논의가 이루어지고 있다. 이에 규제 도입에 대응할 수 있는 블랙 카본 저감기술에 대한 연구개발이 국내·외에서 이루어지고 있고, 특히 이러한 후처리장치가 설치 공간의 제약을 받으므로 여러 대기오염원을 동시에 저감할 수 있는 동시저감

후처리시스템 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

개발된 후처리장치의 저감 성능에 대한 정량화된 성능평가를 위해서는 측정 방식과 측정 장비 요구사항,

시험 방법 등이 포함된 명확한 측정시험 기준이 필요하다. 가령 질소산화물의 경우 NOx Technical Code에

관련 내용이 명시되어 있고, 황산화물 저감 배출가스 세정장치의 요건은 Res. MEPC.259(68)을 통해 관련

기준이 수립되었다. 하지만, 블랙 카본에 대해서는 아직까지 이와 관련된 기술 기준이 마련되어 있지 않기

때문에 성능평가 결과의 신뢰성을 보장하기 위한 별도의 기술 기준 수립이 필요하다. 이에 KR에서는 선박

배출 블랙 카본 저감기술의 성능평가를 위해 측정 방법과 측정 장비 요구사항, 시험 방법 등의 내용을 포함

하는 성능평가 절차 개발에 대한 연구를 수행하였다.

질소산화물의 경우, NOx Technical Code에 측정 방식 및 배출량에 대한 계산 등 배출량을 정량적으로 판단

하기 위한 내용이 명시되어 있다. 이처럼, 블랙 카본의 경우에도 배출량에 대한 정량적 평가를 위해서는 적절한 측정 방식의 선정이 필수적이며, PPR에서 관련 연구 및 논의가 진행되고 있다. 이에 본 연구에서는 아직까지 측정 방식이 확정되지 않음을 고려하여, PPR 5차 회의에서 블랙 카본 측정방식 후보로 제시된 Filter Smoke Number(이하 FSN) 방식과 Photo-Acoustic Spectroscopy(이하 PAS) 방식을 적용한 블랙 카본

저감 후처리시스템 성능 시험 방법 및 절차 수립에 필요한 사항을 파악하였다.

 

 

2.연구 내용 및 시험 방법

FSN, PAS 방식은 모두 입자가 빛을 흡수하는 특성을 이용하여 입자의 질량농도 (단위 : mg/m3)를 측정하는 방식이고, FSN 방식의 경우 측정 장비의 요구사항에 대한 국제 표준(ISO 10054)이 정립 되어있다. 하지만

두 방식 모두 측정을 위한 시험 조건, 설치 및 측정 절차 등 시험에 대한 국제 표준은 정립되지 않았다. 이에 KR에서는 정부 R&D의 일환으로 수행 중인 연구를 통해 후처리시스템(DPF) 적용 전/후에 대한 측정 시험을

수행하고, 그 결과를 토대로 시험 절차를 수립했다.

시험에는 소형 선박용 주/보기로 탑재되는 550 kW(@ 1,800 rpm) 엔진과 부하 및 회전수 제어를 위한 동력계를 활용하였고, 엔진으로부터 배출되는 입자상물질을 저감하기 위해 내연발전엔진용 DPF 시스템을 활용했다. 시험 주기로는 정속도 보기용 시험 주기인 D2 cycle을 적용하였으며, FSN방식과 PAS방식을 활용하여

각 부하조건별 DPF의 블랙 카본 저감 특성을 비교하고, 시험 절차에 반영하여야 할 사항을 식별했다.

 

 

3.연구 결과 및 분석

신뢰도 높은 시험 절차를 수립하기 위해 반복 시험을 통해 데이터를 취득하고, 분석을 통해 측정 시험 절차에 반영할 사항을 도출했다. 먼저, FSN 방식은 실시간 측정이 아닌 측정기기 내부 제어 시스템을 통해 일정한

간격(ex. 6초간 포집 및 측정)으로 5회 반복 측정하여 1개의 평균 데이터를 얻는 방식으로, 반복측정 중

발견되는 평균 데이터 대비 편차가 큰 데이터에 의한 신뢰도 저하가 발생함을 확인하였다. 이를 보완하기

위해 반복측정 횟수를 늘려 평균 데이터를 얻음으로써 유효한 데이터를 취득하도록 절차를 수립하였다.

PAS 방식은 실시간 측정이 가능한 방식으로, 측정을 위해 샘플을 공기와 희석하므로 적절한 희석비 설정이 중요하다. 또한 엔진 운전조건별 안정화 시간 이후에도 균일한 데이터 취득을 위해 측정 시점에서의 충분한 안정화 시간과 일정 시간 동안 측정한 데이터에 대한 평균값을 통한 분석이 필요함을 알 수 있었다. 이처럼 각 측정 방식 별 측정원리와 운용방식 등을 고려하여, 오류를 최소화하기 위한 절차를 고안하여 적용했다.

하지만, 동일한 단위로 측정되는 두 방식의 DPF 전/후단의 블랙 카본 배출농도에 대해 FSN, PAS방식의

측정값을 비교한 결과 오류를 최소화하기 위한 절차를 적용하더라도 그림 1과 같이 다소 차이가 있는 것으로 나타났다. DPF 전단의 측정값을 비교해보면 기울기와 상관계수(R2) 이 1에 가까워 두 장비의 측정값이

선형적으로 유사한 상관관계가 있고, FSN방식 측정값이 PAS 방식에 비해 다소 높은 경향을 보였다. 반면, DPF 후단의 측정 결과 두 방식 간에 선형적인 상관성이 없는 것으로 나타났다. 이러한 측정값 및 상관성의

차이는 두 측정 방식이 측정 원리가 상이한 점, 샘플의 희석 여부, 이에 따른 측정 범위의 차이나 배출가스

샘플의 조성 등 다양한 요인으로 인해 발생할 수 있다. 

 

그림 1. DPF 전/후단의 측정 방식 간 상관성 비교 그래프

 

특히, DPF 후단에서 FSN 방식의 측정값이 하한치 (0.02 mg/m3)에 근접함에 따라 두 측정 장비 간의 선형적 상관성이 떨어지는 것으로 사료된다.

 

 

4.결론

본 연구를 통해 블랙 카본의 측정 방식별로 데이터의 오차를 최소화하기 위한 절차를 고안했음에도, 측정

방식 간의 측정값과 상관성에 차이가 있음을 확인했다. 또한 PPR 8차 회의에 제출된 연구 결과에 따르면

그림 2에 나타난 바와 같이 동일 엔진이라 하더라도 사용 연료에 따라 블랙 카본의 배출 특성 뿐만 아니라

측정 장비 간의 상관성에도 다소 차이가 있는 것으로 나타났다.

 

그림 2. 연료별 FSN/PAS 상관성 비교 그래프

 

 

(Source : PPR 8-5-1 Final results of a Black Carbon measurement campaign with emphasis

on the impact of the fuel oil quality on Black Carbon emissions)

 

따라서 블랙 카본에 대한 규제가 도입되기 이전에 엔진, 연료, 후처리시스템의 적용 등의 다양한 요인이

블랙 카본 측정에 미치는 영향에 대해 폭넓은 연구가 필요하다. 이와 더불어, 탈탄소(Decarbonization)를 위해 다양한 대체연료를 선박에 적용하기 위한 연구가 이루어지고 있으므로 블랙 카본 측정 방식의 선정 및

배출량의 정량적 평가를 위한 측정 프로토콜이 정립되기 위해서는 이러한 대체연료의 사용에 따른 영향 또한 고려되어야 한다. KR에서는 이와 관련하여 IMO의 블랙 카본 규제 도입을 위한 노력에 발맞추어 탈탄소를

위한 다양한 대체연료(LNG, LPG, 암모니아 등)를 사용하는 엔진 및 후처리시스템을 대상으로 하여 블랙 카본 배출량의 정량적 평가 절차 수립을 위해 지속적으로 연구할 예정이다.