자동차의 미세먼지 배출(엔진이 전부가 아니다.)

1. 서론

오늘은 흥미로운 뉴스가 있어서 좀 더 알아보려고 합니다.

얼마전에 전기차의 미세먼지 배출량이 디젤차보다 많다는 뉴스였습니다.

https://newsis.com/view/?id=NISX20221006_0002039336&cID=10807&pID=10800

전기차의 배신?…디젤차보다 미세먼지 많이 배출

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 엔진연소와 타이어나 브레이크 마모 등 차량서 발생하는 미세먼지를 세계서 처음으로 통합측정하는데 성공했다

www.newsis.com

흔히, 전기자동차는 친환경차라는 인식과 함께 나라의 정책에도 우대를 받고 있는 상황입니다.

이런 상황에서 제목부터 의하한 기사가 있어서 읽어 보았고 좀 더 알고 싶어서 연구자께서 투고하신 논문을 살펴보고 정리해 보았습니다. 논문 링크는 아래와 같습니다.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004896972204058X

Comparison of total PM emissions emitted from electric and internal combustion engine vehicles: An experimental analysis

Electric vehicles (EVs) are regarded as zero emission vehicles due to the absence of exhaust emissions. However, they still contribute non-exhaust par…

www.sciencedirect.com

2. 논문 내용

2.1. 소개

199년대 초에는 미세먼지(Particulate Matter, PM)의 80~90%가 차량 배기가스에서 배출됨.
지속적인 배기가스 규제로 인하여 미세먼지 배출이 감소함. 이로인해, 비배기 배출(타이어 마모, 브레이크 마모등) 비율이 증가함.
전기차(EV)는 차체로써는 친환경적 요소가 많아서 국제적으로 증가 추세에 있음.
그러나, 비배기 배출 요소는 전기자동차에 해당하기 때문에 점점 비배기 배출요소가 총 미세먼지 중 차지하는 비율이 증가하고 있음.
또한, 전기차는 내연기관 차량에 비해 평균 20%정도 무겁기 때문에, 브레이크 마모, 타이어 마모에 의한 비배기 배출량이 더 많음.
관련 연구에서 유로6를 만족하는 디젤차량보다 전기차의 미세먼지 배출 총량이 약 7~12% 많음. 이때, 전기차 차량 중량을 3.5% 감소시키고 회생제동을 할 경우 디젤차량과 유사한 미세먼지 배출함.
현재 진행된 연구에서는 간단한 가정을 기반으로 했기 때문에 여러 연구에서 각각의 EF(배출 계수, Emission Factor)가 정확하게 결정되지 않았음
본 연구에서는 동일한 차체를 공유하는 가솔린 엔진, 디젤 엔진 및 전기차량의 배기 및 비배기 배출을 종합적으로 평가

2.2. 시험방법

테스트 차량 : 동일 차체(코나)의 가솔린, 디젤 엔진 및 전기차 차량 (아래 사양)

배출 테스트
- 테스트 규격 :CFR 40 Part 1065 – Engine Testing Procedure
- 시험 프로파일 : The World-wide harmonized Light-duty Test Cycle (WLTC)

비배기 배출 - 브레이크 마모 배출
- 브레이크 마모 입자(BWP, Brake Wear Particle)은 브레이크 패드와 디스크 사이의 기계적 마찰에 의해 발생하므로 동작 조건 및 패드의 종류에 따라 양상이 달라짐.
- BWP 측정 시험 프로파일 : WLTP-brake

비배기 배출 - 타이어 마모 배출
- 타이어 마모 입자(TWP, Tire Wear Particle)은 타이어와 도로의 기계적 전단력에 의해 발생
- 타이어 트레드와 노면 사이의 힘. TWP의 물리적 특성은 운전 습관, 타이어 재질, 도로에 따라 다름.
- 타이어 마모 시뮬레이터로 TWP 특성 평가 (트레드웨어 : 500, 16인치 타이어)
- 50km/h - 3시간, 80km/h - 2시간, 110km/h - 2시간동안 주행하며 평가

비배기 배출 - 노면 마모 배출
- 도로 마모 입자(RWP, Road Wear Particle)는 타이어와의 상호 작용으로 인한 도로 포장 표면의 파편 및 파손에 의해 발생
- 도로 마모 입자는 도로 교통으로 인한 대기 중 미세먼지 배출의 주요 원인이지만 일반 도로 먼지 배출과 도로 마모 배출을 분리하기 어렵기 때문에 정량화하기 어려움.

비배기 배출 - 재부유 도로 먼지 배출
- 재부유 도로 먼지(Resuspended road dust) : 교통이나 바람에 날리는 부유물을 통해 공기 중에 부유할 수 있는 도로 표면에 분포된 모든 형태의 고체 입자에 대한 총칭
- 미국 환경 보호국(EPA)의 문서 AP-42, 대기 오염 배출 계수 편집에 통합되었으며 도로에서 발생하는 PM10의 비율을 추정하는 데 널리 사용
- Fig. 6은 플럭스 타워를 이용하여 측정된 PM 플럭스의 개략도
  - 측정 동안 차량 속도는 80km/h로 고정되었고 차량은 플럭스 타워에서 4m 떨어진 지점을 통과.
  - 내연기관 및 전기차에 대한 수평 PM10 플럭스는 플럭스 타워 데이터로부터 계산
  - 플럭스 타워는 수평 PM10 플럭스만 측정할 수 있으므로 타워 옆에 APS(aerodynamic particle sizer)를 설치하여 수평 PM2.5 플럭스를 계산

2.3. 시험결과 - 배기가스 EF

콜드 스타트 조건에서 실온에서 12시간 이상 가솔린과 디젤 내연기관차에서 배출되는 PM2.5 배기 가스의 EF.
가솔린 내연기관에는 3원 촉매가, 디젤 내연기관에는 DPF 및 LNT가 장착되어 있기 때문에 배기가스에서 측정된 내연기관 1차 PM2.5 EF는 매우 낮음→ 0.4‒1.2 mg/V·km
내연기관 2차 PM EF는 6.0‒24.3 mg/V·km로 1차 PM2.5의 EF보다 훨씬 높음
가솔린 내연기관의 경우
- 총배기 PM2.5의 EF는 암모니아에서 형성되는 상당한 양의 2차 PM으로 인해 도시 지역에서 가장 높음.
- NH3에서 생성된 2차 PM은 가솔린 내연기관에서 배출되는 총 배기가스 PM2.5의 50% 이상을 차지
- 후처리 장치의 변환 효율이 좋지 않아 배기가스가 상대적으로 많이 발생하는 콜드 스타트(cold start)가 도시 지역에서 발생
디젤 내연기관의 경우
- NOx에서 생성된 2차 PM이 2차 PM2.5 형성에 가장 큰 영향을 줌. 총 배기가스 PM2.5 의 EF의 ~80%를 차지
- 디젤 내연기관의 총배기 PM의 EF는 도시 지역의 콜드 스타트 시 뿐만 아니라 고속도로의 고 속 주행 조건에서도 NOx 배출 농도가 높음.
- 디젤 ICEV에는 NOx를 줄이기 위한 후처리 장치로 LNT가 장착되어 있음. 그러나 LNT에 비해 선택적 촉매 제거제(SCR)의 우수한 NOx 제거 효율을 감안할 때 후처리장치를 SCR로 교체하면 NOx 배출이 크게 줄어들고 결과적으로 총 배기 PM 배출이 감소
총배기량 PM2.5 의 EF 는 WLTC 기준으로 가솔린과 디젤 내연기관 모두 15.2 mg/V·km
- 두 차량 모두 총 배기 가스 PM2.5 에 대한 1차 배기가스 PM2.5 의 비율 은 매우 낮음(각각 6% 및 3%)

2.4. 시험결과 - 비배기가스 EF

브레이크 마모로 인한 PM 배출
- Fig 8 : 내연 기관 차량의 패드 유형, 전기차의 회생 제동 레벨에 따른 브레이크 마모 PM의 EF. (5회 반복 평균)
  - NAO 패드의 브레이크 마모 PM10 및 PM2.5의 EF는 내연기관용 WLTC를 기준으로 각각 3.4 및 2.3 mg/V·km
  - LM 패드는 LM 패드의 강철 섬유로 인해 NAO 패드보다 PM10 EF 가 5.1배 , PM2.5 EF가 2.8배 높았슴.
  - 전기차의 경우 회생제동 레벨을 높이게 되면 제동을 위한 브레이크 사용율이 감소하면서 PM EF가 낮아짐.
- Table 4 : 도로 유형에 따른 브레이크 마모 PM EF(평균값, 표준편차)
  - NAO 패드의 경우 브레이크 마모 PM의 EF가 도시 지역보다 시골 도로와 고속도로에서 약 2배 높음(도시 << 시골, 고속도로) → 제동빈도가 가장 낮은 고속도로에서 높은 초기속도와 제동저항으로 인해 제동마모 PM 배출량이 가장 높음.
  - LM 패드의 경우 시골 도로에서는 도시 지역보다 EF가 낮았고 고속도로에서는 도시 지역보다 2배 더 높았
    (고속도로 << 시골 < 도시)
  - 보통은 브레이크를 많이 사용하는 PM EF가 도시 > 시골 > 고속도로.
  - (참고) EV의 관성모멘트가 내연기관보다 20% 높기 때문에 배터리로 인해 회생제동이 없는 EV의 브레이크 마모 PM EF가 ICEV보다 20% 높음.
    → 본 논문에서는 50% 및 90% 회생제동에서 EV의 브레이크 마모 PM의 EF는 ICEV에 비해 11~60% 수준

타이어/노면 마찰로 인한 PM 배출
- Table 5 : 도로형태에 따른 타이어 마모 PM의 타이어 트레드 마모율과 EF("Total"은 총 타이어 트레드 손실과 총 차량 주행 거리의 비율)
  - 전기차는 더 무거운 무게로 인해 내연기관 차량보다 타이어 트레드 마모율은 20% 높음.
  - 디젤 내연기관 차량은 약간(~2%) 더 무거운 무게와 더 강한(~20%) 엔진 토크로 인해 가솔린 내연기관 차량보다 타이어 마모율이 5% 더 높았음.
  - 고속 주행 시 발생하는 심한 마모로 인해 도시 지역보다 농촌 도로와 고속도로에서 각각 타이어 트레드 마모율이 각 10%, 50% 높았음.
  - 일반적으로 타이어 트레드 마모율은 차량 중량 및 파워트레인의 최대 토크와 높은 상관관계가 있음.
    - 가솔린 내연기관, 디젤 내연기관, 전기차의 최대 토크 : 각각 265, 320, 395N·m
    - 하지만, 테스트를 일정한 속도로 실시했기 때문에 타이어 마모에 미치는 영향은 미미함.
    - 따라서, 차종에 따른 타이어 마모 PM EF의 차이는 차량 중량의 차이에 기인

재부유 먼지로 인한 PM 배출
- 그림 10 : 재부유된 도로 먼지 PM의 EF( AP-42 및 플럭스 측정, 30회 반복한 후 평균)
  - 플럭스 타워 : PM10 농도만 측정
  - APS : APS에서 측정된 질량 농도 분포를 계산하여 PM10과 PM25의 비율 산출 → PM25 간접적 산출
  - 영종도 농촌도로의 PM2.5/PM10 비율은 0.42로 AP-42 문서에 명시된 0.24보다 높았다.
  - EV의 도로 먼지 PM10 EF는 가솔린 또는 디젤 ICEV의 해당 EF보다 각각 25% 및 20% 더 높음.
    → 재부유 먼지량은 차량 중량에 비례

총 PM EF
- Fig. 12 : 1차 배기가스만을 고려했을 때 차종, 브레이크 패드 종류, 회생제동강도에 따른 총 PM10과 PM2.5의 EF
- 전기차의 무거운 무게로 인해 차량에 비해 비배기 PM이 높음.
  - NAO 패드 차량은 브레이크 마모 PM10 배출이 비배기 배출에서 상대적으로 작은 비율.
    - 회생 제동 강도가 90%라고 하더라도 전기차의 총 PM10 EF는 내연기관 차량보다 10%이상 더 높음.
    - 브레이크 마모 PM 배출량의 상대적 비율은 PM2.5 비율에서 더 높기 때문에 회생제동이 브레이크 마모 PM을 크게 감소시킨다는 점을 감안할 때 전기차의 총 PM2.5 EF는 내연기관의 EF와 유사.
  - LM 패드의 경우 비배기 배출 요소 중 브레이크 마모 비중이 훨씬 높아 전기차량의 총 PM EF가 크게 감소
    - 전기차의 총 PM10는 약 13% 미세먼지 감소, 90% 회생제동하에서는 내연기관의 약 절반이하의 PM2.5 EF
- Fig. 13 : 1, 2차 배기 PM을 모두 고려하여 차종, 브레이크 패드 타입, 회생제동강도에 따른 총 PM10과 PM2.5 EF
  - 전반적으로 가솔린 및 디젤 내연기관 차량의 총 PM EF는 브레이크 패드 유형에 관계없이 전기차량의 총 PM EF와 비슷하거나 높았음.
  - NAO 패드의 경우 배기 PM이 PM 2.5 크기 비율을 설명하기 때문에 총 PM10에서 배기 PM의 비율은 26%에 불과한 반면 총 PM2.5에서는 53%
    - 전기차가 회생제동 90%일 경우 내연기관 차량보다 총 PM2.5 및 총 PM10 EF는 각각 16% 및 52% 낮음.
  - LM 패드를 적용할 경우 전기차와 내연기관 차량의 차이는 더 커짐
    - 전기차의 경우 회생제동으로 인해 브레이크 마모로 인한 총 PM의 증가는 상대적으로 미미
    - EV의 회생제동강도 90%에서 총 PM10 과 PM25 EF는 내연기관 차량의 70%, 43%에 해당

2.5. 결론

동일한 차체를 공유하는 가솔린 ICEV, 디젤 ICEV, EV의 배기 및 비배기 배출량을 종합적으로 평가
브레이크 마모, 타이어 마모, 노면 마모, 도로 부유 먼지로 인한 비배기 배출 특성을 개별적으로 분석
내연기관 차량 및 전기차 모두 총 PM 배출에 대한 EF는 내연기관 차량의 2차 배기 미립자 물질(PM) 포함, 브레이크 패드 유형 및 EV의 회생 제동 강도에 크게 의존.
NAO 브레이크 패드가 장착된 차량에서 1차 배기 PM 배출량만 고려했을 때 전기차의 총 PM10 EF는 내연기관 차량보다 10% 높음.
LM 브레이크 패드가 장착된 차량에서는 브레이크 마모로 인한 PM 배출량이 크게 증가했지만 회생제동은 효과적으로 브레이크 마모 PM을 감소시켜 EV의 총 PM EF가 내연기관 차량보다 비슷하거나 낮았음.
2차 PM 배출을 포함할 때, EF는 항상 EV의 경우 ICEV보다 상당히 낮았음.
전기차의 총 PM EF가 2차 배기 PM이 측정 대상에 포함되었을 때 내연기관 차량에 비해 현저히 낮음

3. 읽고난 소감

전기차량 엔진에 해당하는 모터에서는 미세먼지가 발생하지는 않지만, 부수적인 요인에 의한 미세먼지는 상당량 발생함.
전기차는 PM2.5는 내연기관의 약 절반정도 미세먼지가 배출되지만, PM10은 82~87% 수준으로 배출함.
전기차는 상대적으로 높은 중량 및 모터의 높은 초기 토크등으로 미세먼지 발생 측면에서 불리함.
전기차가 내연기관 차량보다 친환경적이기는 하지만, 현재 운용중인 타이어, 도로, 브레이크 시스템을 그대로 운용한다면 미세먼지 배출 감소에 한계가 있을것
부수적인 미세먼지 발생 요인으로 인해 발생하는 미세먼지를 줄여야 명실상부 "친환경 탈것"으로 인정받을 수 있겠음.
(추가 궁금증) 하이브리드 차량, 전기차 중 누가 더 친환경적인가?

기계연구원에서 연구하신 논문을 통해 몰랐던 사실을 많이 알게되었습니다.

아들에게 많은 내용을 설명해줄 수 있을 것 같습니다.

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.

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