1. 서 론

최근 지구 환경문제에 대한 논의가 활발해지면서 국제 운 송의 큰 부분을 차지하는 해상운송에서도 오염물질 배출규 제 정책이 시행되고 있다.

국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)에서 는 보다 강도 높은 해상 환경 보호를 위해 MARPOL 73/78 부 속서 VI에서 배출규제지역(ECA, Emission Control Area)을 지 정하였다(IMO, 2018). 이에 따라 미국은 북미 동·서안 200해 리 해역 및 미국령의 카리브 해역을 ECA로 지정하고 MARPOL 부속서 VI의 14.4 규칙에 의거하여, 미국 ECA로 운 항하는 선박들에게는 연료의 황 함유량이 0.1 % m/m 이하가 되도록 강화하였다(Lee et al., 2016). 유럽연합(EU, European Union)은 2020년까지 국제 해운업계의 이산화탄소 배출량 목 표를 2005년 대비 20 %를 삭감하는 내용의 이산화탄소 배출 량 상한을 제안하였고, 2018년 1월 1일부터 EU 항만에 입출 항하는 5,000 GT 이상의 모든 선박의 이산화탄소 배출량 및 운항 데이터에 대한 모니터링, 보고, 검증의 강제화를 위한 EU MRV(Monitoring, Reporting, Verification) 법안을 2015년 7월 발효하였다(Lee et al., 2016). 중국 정부 또한 선박에서 나오 는 배출물질을 제한하는 계획을 발표하고 중국 ECA 지역 내에서 운항, 접안 및 작업하는 선박에 사용되는 선박용 연 료유의 황 함유량을 규제하여 선박으로부터 배출되는 황산 화물을 2020년까지 65 % 줄이는 것을 목표로 하고 있다. 이 규정에 따라 중국 ECA 지역 내 핵심 항만에 정박하는 모든 선박은 2017년 1월 1일부터 0.5 %의 황 함유량을 만족하는 연료유를 사용해야 하고 이 규정은 매년 단계별로 규제 조 건이 강화된다(Lee et al., 2016).

우리나라의 2015년 국가 대기오염물질 배출량 중 선박에 의한 배출물질이 전체 배출물질 중 NOx, SOx, PM2.5가 각각 13.1 %, 10.9 %, 6.6 %인 것으로 나타났다(Ahn and Lee, 2019). 이는 항만운용과 선박운항이 전체 대기오염에 상당한 영향 을 미치고 있음을 보여준다. 특히, 부산이나 인천과 같이 다 수 선박이 기항하는 대규모 항만도시들은 선박으로 인한 대 기오염 피해가 더욱 크다고 할 수 있다.

국내 항만도시의 선박 배출물질 산정과 관련하여 부산항 을 대상으로 Lee and Lee(2016)와 Park et al.(2011)의 연구가 실행되었다. Lee and Lee(2016)은 2011년과 2012년 부산항에 정박 중인 선박을 대상으로 보조엔진으로부터 배출되는 배 기가스 및 환경비용을 산출하였다. Park et al.(2011)은 2009년 부산항에 입·출항하는 선박을 대상으로 각 운항 모드에 따 라 개별 선박배출량 산출법을 이용하여 총 배출량을 계산하 였다. 선속 제한으로 인한 배출량 감소 효과에 대한 연구로 는 인천항을 대상으로 한 Chang et al.(2014)의 연구 및 카오 슝항을 대상으로 한 Chang and Jhang(2016)의 연구가 있다. 두 연구 모두 12노트의 한가지 선속으로 제한했을 경우에만 감 소효과를 비교하고 있다.

이 연구에서는 국내 최대 무역항인 부산북항을 대상으로 2017년 1년간의 입·출항 선박 기록을 이용하여 선종별 배출 물질을 정성적으로 비교하고, 오륙도 방파제를 기준으로 20 마일 범위의 선속제한구역(RSZ, Reduced Speed Zone)을 설정 하여 RSZ 내에서 선박의 속도변화에 따른 배출물질의 양을 수치적으로 계산하였다. 배출물질 계산에는 2016년 개정된 유럽환경청(EEA, European Environment Agency) 가이드북의 지침을 활용하였다.

2. 선박 배출물질 계산

선박의 배출물질을 추정하는 방법에는 하향식(top-down)과 상향식(bottom-up)이 있다. 특정 항구에서 판매된 연료의 양 을 기준으로 배출량을 계산하는 방법은 하향식이며, 선박활 동도를 고려하여 개별 선박의 배출량을 산출하는 방법은 상 향식이다(EEA, 2016). 본 연구에서는 식(1)과 같이 주기관 (Main engine) 및 보조기관(Auxiliary engine)의 출력을 토대로 배출량을 추정하는 bottom-up 방식의 계산법을 이용하였고, 이는 특정 지역과 선박의 배출량을 추정하는데 효과적인 방 법이라고 할 수 있다. 이와 같은 EEA 방식을 사용한 연구로 서는 1장에 언급한 Chang et al.(2014)과 Chang and Jhang(2016) 의 연구와, Tzannatos(2010)의 그리스 선박 배출량에 대해 연 구, McArthur and Osland(2013)의 항만도시 대기배출에 대한 경제적 평가 연구, Berechman and Tseng(2012)의 카오슝항 배 출물질의 환경비용 추정 연구 등이 있다.

배출물질 산정에 있어 선박의 입항부터 출항까지 3단계의 운 항 상태, 즉, 항행 모드(cruising mode), 접·이안 모드(manoeuvring mode), 정박 모드(hotelling mode)로 구분하고, 각각의 운항 상 태에서의 배출량을 비교하였다.

여기서,

cruising 모드에서의 항행시간은 식(2)를 이용하여 계산하 였다.

선박 종류에 따른 cruising 모드의 평균 속력과 manoeuvring 및 hotelling 모드에서의 평균 항해시간 및 정박시간은 Table 1과 같다(EEA, 2016).

Kim and Shin(2014)은 선박의 정박시간을 화물선의 양하 및 적하의 경우에는 1.18일, 여객상륙을 위해서는 0.38일, 기 타 목적으로 0.46일 정박한다고 가정하여 부산항에서의 온 실가스 배출량을 추정하였다. 그러나 최근까지도, 1년 이상 의 장기간에 대한 특정 항만의 배출물질 산정에 있어, 선종 별 정박시간과 항만 내 접·이안 시간을 별도로 측정하여 계 산한 국내연구는 거의 없다. 다만, 본 연구와 같이 EEA 지침 을 활용한 동일한 수치계산 방법을 적용하면, 연구의 통일 성이 확보될 수 있고, 항만별 선종별 배출물질의 비교가 가 능하며, 전 세계에 적용할 수 있는 정책 제안에 기초 연구로 활용할 수 있는 장점이 있다.

기관 부하율(LF, Load Factor)은 일반적으로 cruising 모드에 서 주기관의 80 %와 같은 일정 비율을 적용하여 계산하게 된 다. 그러나 본 연구는 Chen et al.(2016)과 같이, 선종별 선속 이 고려된 식(3)에 의한 LF을 적용하여 수치계산을 실시하였 다. 식(3)에서 MS는 Table 1의 선종별 평균항행속력(Average cruising speed)을 적용하고, AS에는 각각 12노트, 10노트, 8노 트를 대입하였으며, 이렇게 도출된 LF에 따라 RSZ 구간에서 의 선속 감소에 따른 배출물질을 산출하였다.

여기서,

Table 2는 선박의 최대상용출력(MCR, Maximum Continuous Rating)에 대한, cruising, manoeuvring, hotelling 모드에서의 주 기관과 보조기관의 출력을 나타낸다(EEA, 2016).

이 연구는 부산 북항을 대상으로 2017년 1월 1일부터 12 월 31일까지의 1년간 데이터를 이용하여 연구되었다. Fig. 1 은 2017년 부산 북항에서의 각 선박별 입항횟수와 총톤수를 보여주고 있다(BPA, 2013).

EEA 가이드북에서는 선박을 ‘liquid bulk ship’, ‘dry bulk carrier’, ‘container ship’, ‘general cargo ship’, ‘RO-RO cargo ship’, ‘passenger ship’, ‘fishing’, ‘other’, ‘tug’의 9종류로 구분하고 있다. 부산항만공사(BPA, Busan Port Authority)의 항만물류 정보시스템에서 수집한 정보는 ‘oil tanker’, ‘product tanker’, ‘chemical tanker’, ‘dry bulk carrier’, ‘cement carrier’, ‘log carrier’, ‘full-container ship’, ‘semi-container ship’, ‘general cargo ship’, ‘car carrier’, ‘passenger ship’, ‘fishing’, ‘LPG/LNG carrier’, ‘refrigerated cargo carrier’, ‘other’의 총 15종류로 구분한다.

Table 3은 BPA에서 수집한 15종류의 선박을 EEA 기준에 맞게 9가지 선박으로 재분류한 것을 나타낸다. BPA에서 제 공되는 입항 선박에서 tug는 기타선에 포함된 것으로 판단되 어 본 연구에서는 ‘other’와 ‘tug’는 제외하였고 ‘LPG/LNG carrier’, ‘refrigerated cargo carrier’도 제외하고 배출량을 계산하 였다.

공간 범위는 부산 북항을 대상으로 하였다. 부산은 거주 인구 약 340만명으로 국내 도시 인구의 2위이자, 국내 최대 국제무역항이 있는 제1의 항구도시이다. 부산 북항은 중구, 동구, 남구, 영도구로 둘러싸여 약 51만명의 인구가 인근 지 역에 거주하고 있으며(Statistics Korea, 1996), 자성대, 우암, 신 감만, 감만, 신선대 5개의 컨테이너 부두와 국제크루즈터미 널을 포함한 7개의 일반 부두로 이루어져 있다. 2020년까지 진행되는 북항재개발사업으로 주변 주거지구와 사업지구가 확장됨에 따라 인근 거주 및 유동인구가 더욱 증가할 것으 로 예상된다(BPA, 2013).

적용된 cruising 모드의 범위는 RSZ을 설정하여 운영하고 있는 Los Angeles/Long Beach 항만과 같이 20마일권역을 채택 하여 수치계산 하였다. RSZ는 오륙도 방파제로부터 외해 방 향의 20마일 범위로 선정하였으며, Fig. 2에 그 범위를 보여 주고 있다. 오륙도 방파제부터 부두 접안까지는 manoeuvring 모드로 운행하였으며, 선종별 평균속력, 평균 접안시간, 평 균 정박시간 등은 Table 1과 같이 EEA 가이드북 내용을 기준 으로 하였다.

식(1), (2), (3)에 따라 각 운항모드별 배출물질을 계산하고, cruising 모드와 manoeuvring 모드에서는 입항과 출항을 모두 고려하여야 하므로 결과값에 2배를 하여 최종 계산하였다.

3. 운항모드별 선박 배출물질 비교

Table 3에서 재정렬한 7가지 선박에 대해 cruising, manoeuvring, hotelling 상태일 때의 대기오염물질 배출량을 계산하였다. 연료에 포함된 황 함유율은 3.5 %를 기준으로 하였다.

Fig. 3, Fig. 4. Fig. 5는 선박 종류에 따른 cruising, manoeuvring, hotelling 모드일 때의 대기오염물질 배출량을 나타내고 있다.

전체 배출물질 중 cruising 모드일 때는 컨테이너선, 여객 선, 일반화물선 순으로 각각 82.2 %, 8.1 %, 5.9 %를 차지하였고 manoeuvring 모드에서는 각각 86.4 %, 6.9 %, 3.9 %를 차지하였 다. hotelling 모드일 경우에는 컨테이너선, 일반화물선, 여객 선 순으로 각각 70.8 %, 8.5 %, 6 %를 차지하였다.

EEA 가이드북에 따라 선박의 주기관과 보조기관의 출력 은 총톤수로 추정될 수 있다. 모든 운항 상태에서 컨테이너 선의 배출물질이 가장 높은 것으로 계산되었는데 이는 Fig. 1과 같이 부산 북항의 입출항 선박 중 컨테이너선의 총톤수 가 가장 크고 이로 인해 주기관 및 보조기관의 출력 값이 가 장 높기 때문에 배출량 총량도 가장 크게 계산된 것으로 추 정된다.

모든 운항 상태에서 컨테이너선의 배출물질 비율이 가장 높았지만 cruising 모드 82.2 %와 manoeuvring 모드 86.4 %일 때 와 비교하여 hotelling 모드일 때 70.8 %로 배출량 비중이 낮아 졌음을 알 수 있다. 일반화물선의 경우 cruising과 manoeuvring 모드일 때는 각각 5.9 %, 3.9 %로 배출물질 3위였지만 hotelling 모드일 때는 8.5 %로 여객선의 6 %보다 배출량이 더 많았다. Fig. 6은 cruising, manoeuvring, hotelling 모드일 때 모든 선박의 배출물질 총량을 나타낸 그래프이다.

선박의 배출물질 총합은 cruising, hotelling, manoeuvring 모 드의 순으로 많았다. 전체 배출물질은 NOx, SOx, PM, VOC의 순으로 각각 49.4 %, 45 %, 4 % 1.6 %로 계산되었다. NOx와 SOx의 배출 비중이 전체 94.4 %로 현저히 높고, hotelling 모 드일 때는 NOx 48.1 %, SOx 47.4 %로 둘의 차이가 0.7 %에 불 과하지만 cruising 모드에서는 NOx 50.5 %, SOx 43 %로 둘의 차이가 7.5 %, manoeuvring 모드에서는 NOx 49.7 %, SOx 44.4 % 로 둘의 차이가 5.3 %로 hotelling 모드일 때보다 cruising과 manoeuvring 모드에서 NOx와 SOx의 배출비율 차이가 더 큰 것을 알 수 있다. PM은 cruising, manoeuvring, hotelling 모드에 서 각각 4.8 %, 4.2 %, 3 %이며 hotelling일 때 배출비율이 다소 낮아졌다. VOC는 cruising, hotelling, manoeuvring 모드에서 각각 1.8 %, 1.7 %, 1.5 %로 배출비율의 변화가 상대적으로 적었다.

Fig. 7은 각 선종별 배출물질 비율을 나타낸 그래프이다. 부산 북항에서 가장 많은 배출물질을 발생시키는 선박은 컨 테이너선 76.1 %, 일반화물선 7.2 %, 여객선 6.8 % 순이다.

4. 선속제한에 의한 배출물질 감소 효과

Fig. 8은 속도제한이 없는 경우와 RSZ를 설정하여 각각 12 노트, 10노트, 8노트로 속도를 제한했을 때, cruising 모드에서 의 배출물질을 NOx, VOC, PM, SOx 순으로 나타낸 것이다.

Fig. 9는 속도 제한에 따른 배출물질 감소율을 나타낸 그 래프이다. NOx는 RSZ 내에서 선박의 속도를 12노트, 10노트, 8노트로 제한했을 때 각각 61 %, 48.2 %, 38.4 %로 감소한다. 동일한 속도 제한에서 VOC는 각각 59.7 %, 46.3 %, 35.8 %로 감소하고 PM은 58.2 %, 44.1 %, 32.7 %로 감소한다. SOx는 각 각 62.1 %, 50.1 %, 41.1 %로 감소한다. 항만입구로부터 20마일 의 속도제한구역을 설정했을 경우, 현재와 비교하여 12노트 속도제한 시 선박 배출물질은 약 40 % 정도 감축되고, 10노 트 제한 시 약 50 %, 8노트 제한 시 약 60 %의 감축효과가 있 는 것으로 추정할 수 있다.

RSZ에서 선속을 감소시키면 식(2)에 의해서 선박의 운항 시간은 증가하지만 식(3)에서의 LF 값이 작아지는 효과가 더 크게 작용하기 때문에 전체 배출량은 감소하는 현상이 나타 난다고 보여진다.

5. 결 론

2017년 부산 북항에 가장 많이 기항하는 선박은 기타선박 을 제외하고는 액체화물선, 컨테이너선, 여객선, 일반화물선 순으로 10803, 8762, 3759, 3706척이었다. 총톤수를 기준으로 는 컨테이너선, 산적화물선, 여객선, 일반화물선 순으로 각 각 117.4 MGT, 30.7 MGT, 25.7 MGT, 20.0 MGT이었다.

본 연구에서는 부산 북항을 대상으로 선박 운항모드를 ‘cruising’, ‘manoeuvring’, ‘hotelling’ 모드로 구분하여 2017년 1 년간의 선박배출물질 현황에 대하여 조사·분석하였다. 오륙 도 방파제를 기준으로 외해쪽 20마일권역의 RSZ을 설정하 여 cruising 모드를 적용하였으며, RSZ에서 선속 제한이 없을 경우와 선속을 12노트, 10노트, 8노트로 제한했을 경우, 각각 의 선속에서 선종별 배출물질을 계산하였다.

선속 제한이 없을 경우, 선박 배출물질은 cruising 모드일 때 컨테이너선, 여객선, 일반화물선 순으로 각각 82.2 %, 8.1 %, 5.9 %이었고, manoeuvring 모드일 때 동일한 순서로 각각 86.4 %, 6.9 %, 3.9 %였다. Hotelling 모드일 때는 컨테이너선, 일반화 물선, 여객선 순으로 각각 70.8 %, 8.5 %, 6 %이었다. Cruising, manoeuvring 모드일 때는 일반화물선이 여객선보다 배출물질 이 적었지만 hotelling 모드일 때는 여객선보다 많다. 컨테이 너선은 hotelling 모드일 때 배출물질 비중이 70.8 %로 cruising 82.2 %와 manoeuvring 86.4 %와 비교하여 배출율이 낮았다. Cruising, manoeuvring, hotelling 모든 항해 상태에서 가장 많은 배출물질을 발생시키는 선박은 컨테이너선 76.1 %, 일반화물 선 7.2 %, 여객선 6.8 %이었다.

전체 선박의 배출물질 중 각 배출물질이 차지하는 비율은 NOx, SOx, PM, VOC의 순으로 각각 49.4 %, 45 %, 4 % 1.6 %이 었다. PM은 cruising, manoeuvring, hotelling 모드에서 각각 4.8 %, 4.2 %, 3 %로 hotelling일 때 배출율이 다소 낮아졌다.

선박의 속도 제한이 없는 경우와 각각 12노트, 10노트, 8노 트로 제한하였을 때의 배출물질 총량을 비교하면 선속 제한 이 12노트일 경우 NOx 39 %, VOC 40 %, PM 42 %, SOx 38 % 의 감소효과가 있었다. 선박 속도를 10노트로 제한하면 NOx 52 %, VOC 54 %, PM 56 %, SOx 50 %의 감소효과가 있었다. 선박의 속도를 8노트로 제한하면 NOx 62 %, VOC 64 %, PM 67 %, SOx 59 %의 감소효과가 있었다. 이와 같이 항행 모드 (cruising mode)에서 제한속도로 인한 선박 배출물질 감소 효 과가 매우 크게 나타나고 있는 것을 확인할 수 있다.

향후, 항만 근처에서의 선박 배출물질을 감소시키기 위해 서는 선박의 속도를 규제하는 방안에 대해 적극적으로 고려 할 필요가 있으며, 선박 배출물질에 의한 환경비용 및 운항 비용과의 상호 연관성 등에 관한 연구도 지속되어야 할 것 으로 판단된다. 또한 본 연구에서는, 먼저 연구된 선종별 선 박 속도와 정박시간의 보편적인 평균 수치를 적용하였으나, 앞으로는 이러한 한계를 보완하기 위해, 실제 항만의 선박 활동도를 조사·적용하여 보다 정량적인 배출물질 양을 산정 하는 연구를 수행할 필요가 있다.