1. 서 론

국제항해선박의 안전과 환경 등 규제를 총괄하는 국제해 사기구(International Maritime Organization, IMO)는 2000년 질소 산화물(NOx) 배출규제를 시작으로 연료유 황함유량 규제, 선 박에너지효율설계지수(Energy Efficiency Degisn Index, EEDI), 선박에너지효율지수(Energy Efficiency eXisting ship Index, EEXI), 선박운항탄소집약도지수(Carbon Intensity indicator) 등 선박의 효율규제를 도입하는 등 지속적으로 규제가 강화되고 있다.

국토교통부 수송실적보고 통계 내 수송수단별 수송량 비 율 현황을 살펴보면, 우리나라는 지리적 특성의 한계로 화 물 수출입 물동량의 99.7%가 선박을 활용한 해상운송을 통 해 이루어지고 있다(MOLIT, 2022).

이로 인해, 선박의 입출항 빈도가 높은 부산, 인천 등 주 요 항만도시의 미세먼지와 같은 대기오염물질의 배출량이 육상 대도시만큼 심각하고 이에 대한 대책 수립이 필요하다 는 문제 제기가 지속되고 있다. 이로 인해, 정부는 ^「항만지 역등 대기질 개선에 관한 특별법_」(이하, 항만대기질법)을 제정하였고, 종합계획을 수립·시행하고 2025년까지 2017년 대비 초미세먼지 60% 감축을 목표로 선박배출 규제해역 및 저속운항해역이 지정되고, 항만하역설비의 친환경화, 선박 연료유 황함유량 제한과 같은 제도가 시행되고 있다.

2021년에 발표된 “항만지역 등 대기질 개선 종합계획”에 따르면, 항만지역에서 발생하는 초미세먼지 중 선박 배출량 이 95%를 차지하는 것으로 확인된다. 즉, 항만지역 대기질 개선을 위해서는 선박에서의 대기오염물질 배출저감 정책 추진과 함께 정확한 배출량 산정을 위한 인벤토리 구축이 선제되어야 할 것이다. 이에 본 연구에서는 선박부문의 배 출량 통계 산정체계를 검토하고 배출량 산정에 필요한 배출 계수를 실측기반으로 도출하여 제시하고자 한다. 도출된 배 출계수는 대기오염물질 배출량 통계산정 기관인 국가미세 먼지 정보센터로부터 활동자료를 제공받아 배출량 모의산 정하고 그 결과를 제시하고자 한다.

2. 선박부문 대기오염물질 배출량 산정방법 현황

2.1 선박부문 대기오염물질 배출량 산정 방법

대기오염물질 배출량 산정방법과 관련하여 유럽환경청의 EMEP/EEA 가이드라인과 미국 환경보호청(US Environmental Protection Agency, US EPA) 가이드라인이 있으며, 우리나라 선박부문의 경우, 유럽환경청의 가이드라인을 준용하고 있 다. 우리나라 통계에 활용되는 산정방법은 ^「국가 대기오염 물질 배출량 산정방법 편람(Ⅵ)(2013.9)_」(이하, 편람)으로 공 개되어 있다. 우리나라 선박부문의 배출량 산정시 유럽환경 청 가이드라인 Tier 1 방법론을 적용하여 대기오염물질을 산 정하고 있으며, 편람에 반영된 산식과 주요인자는 아래 식 (1) 및 Table 1과 같다.

편람에 따르면, 선박은 비도로 이동오염원 카테고리로 분 류하고 있으며, 소분류 항목으로 여객-화물-어선-레저 4가지 의 선종으로 구분하고 있으며, 내용은 아래 Table 2와 같다.

Tier 1 방법론에 따른 연료유 사용량의 경우, 여객선 (Passenger ship)과 어선(Fishing vessel)은 한국해운조합과 수협 중앙회로부터 개별 선박에 공급한 연료유양 정보를 연료유 사용량으로 활용한다. 레저선(Leisure ship)은 해양경찰백서 내 동력수상레저기구 등록대수 현황자료를 활용하여 추정 연료사용량을 계산하여 활용한다. 화물선(Cargo ship)은 선박 별 입출항 현황정보를 기반으로 운행형태에 따라 운항모드- 접안모드-정박모드로 구분하여, 모드별 연료유 사용량을 추 정하여 활용한다.

레저선을 제외한 3개 선종에 적용되는 유종은 경유와 중 유로 유종별 적용되는 배출계수는 3개 선종 모두 동일하다 (레저선의 경우, 가솔린으로 산정). 유종별 배출계수는 Table 3과 같다.

2.2 현행 선박 대기오염물질 배출량 산정체계의 한계

최신 편람 내 선박에 적용되는 유종별 배출계수 출처를 살펴보면, 유럽환경청의 가이드북(EEA, 2013)에서 제시하는 수치를 준용해서 산정하는 것을 확인할 수 있다. 다만, 유럽 환경청 가이드북에서 해당 배출계수의 출처는 아래 Table 4 와 같이 2010년 이전의 문헌자료에서 확인되는 수치를 적용 하고 있는 점을 확인할 수 있었다.

또한, 2000년 이후 질소산화물을 시작으로 황산화물, 이산 화탄소 등 선박에서 배출되는 오염물질의 저감을 위해 다양 한 규제가 시행된 점을 고려하면, 유럽환경청에서 제시한 배출계수를 도출할 당시의 상황과 현재 선박이 운항중인 상 황과는 괴리가 존재한다.

질소산화물 규제는 1997년 MARPOL 외교회의에서 도입이 결정된 이래 선박과 엔진의 건조·제작 시기에 따라 국제항 해 선박 기준 Tier Ⅰ(2001년) 규제를 시작으로 Tier Ⅱ(2011 년), Tier Ⅲ(2016년, 특별해역 한정)으로 점진적으로 강화되 어 왔다. Tier Ⅰ 규제는 연료 분사타이밍을 지연시키거나 연 료분사노즐의 형상 개선을 통해 대응이 가능하였으나, 효율 저하에 따른 연료소비량이 증가하고 매연이 발생하는 부작용 이 발생하였다. Tier Ⅱ 규제는 종전 엔진기술만으로는 대응이 불가능하여 선박엔진 제조사는 전자제어 방식의 도입·개발을 통한 연소성능을 개선으로 규제를 충족하였다. Tier Ⅲ 규제 는 엔진 엔진 제어기술만으로 대응이 불가능하여 SCR이나 EGR과 같은 후처리장치의 적용을 통해 대응하였다.

황산화물 규제는 2016년 MEPC 70차 회의에서 2020년부터 연료유 황함유량을 0.5% 이하로 제한하는 규제도입이 결정 되었다. 이로 인해 RMG380으로 대표되는 HSFO가 일부 스크 러버를 사용하는 선박을 제외하고 VLSFO로 상당부분 대체 되었다. 정유사에서는 신규규제 시행에 따른 VLSFO 생산을 위해 탈황설비 고도화를 통해 대응하거나, 중질유 내 경유 함량을 높임으로써 규제를 충족하는 연료유를 공급하였다. 정유사의 다수는 탈황설비 구축에 따른 소요비용 증가 대비 생산공정의 복잡성으로 기존 중질유 내 경유를 블렌딩하는 방식을 채택하였다.

EEDI와 EEXI와 같은 선박 에너지효율 규제는 선박 효율 개선을 통한 온실가스(이산화탄소) 감축을 위해 도입되었으 며, 동 규제 충족을 위해 선박의 저항 감소와 함께 엔진효율 개선이 이루어졌다.

즉, 유럽환경청 가이드북에서 제시하고 있는 배출계수 개 발당시와 현재를 비교해보면, 다양한 규제로 연료는 종전 대비 경유함량이 증가한 VLSFO 사용량이 증가하였고, 엔진 은 연소성능과 연비가 개선된 상황이다. 이는 선박부문에 적용하는 배출계수가 현재 운항중인 선박의 현황을 반영하 지 못하고 있다는 것을 알수 있다.

3. 실측기반 배출계수 개발 방법론 검토

3.1 선박 배출가스 측정 방법론 및 배출계수 도출방안 검토

선박에서 배출되는 배기가스 측정에 관한 규정은 IMO MARPOL 협약 내 NOx Technical code(CO₂, CO, NOx, O₂) 및 IMO 가이드라인(SOx, BC)에서 제시하고 있으며, 국내 해양 환경관리법에도 반영되어 있다. 이에 운항선박을 대상으로 배기가스를 측정하는 경우, NOx Technical code 등 관련 규정 에서 제시하는 측정물질별 방법론을 준용하여 관련 데이터를 수집하고, 선상에서 실시간으로 데이터 수집이 불가능한 항 목에 대해서는 엔진 시험인증 데이터를 활용하여 추론하는 것으로 연구방향을 설정하였다. 배기가스내 측정물질별 측정 방법, 측정장비 정확도(Accuracy), 측정장비 분해능(Resolution) 에 대한 내역은 아래 Table 5와 같다.

국가 대기오염물질 배출량 통계로 산정되고 있더라도 IMO 등 선박에서 배출되는 측정·시험방안이 부재하거나 (NH3, VOC), 운항중인 선박에서 직접 측정분석이 어려운 물 질(PM_2.5, PM₁₀)은 본 연구에서 측정·분석 대상물질로 제외하 였다. NOx Technical code(2008)에 따라 측정되는 이산화탄소 (CO₂)는 대기오염물질은 아니나 단위연료 사용량당 배출량 을 도출하여 현행 IMO EEDI 계산시 적용되는 환산계수와 비교가 가능하여 함께 분석하는 것으로 결정하였다.

배출계수 도출시 필요한 데이터와 데이터별 수집방법을 정리하면, 아래 Table 6과 같다.

데이터 수집방법은 NOx Technical code에서 제시한 방법 중 직접 계측 및 모니터링 방법(Direct Measurement and Monitoring method)를 적용하였다. 배출가스 농도는 측정하고, 실시간 엔진출력은 데이터로 수집관리되는 선박은 해당데 이터를 활용하되, 그렇지 않은 선박은 엔진출력과 선형관계 를 보이는 엔진소기압(Scav. air press)를 실시간 데이터로 수 집하여 엔진출력을 산정하였다. 연료소모량은 다수의 선박 이 실시간으로 데이터를 수집할 수 있는 유량계를 보유하고 있지 않은 점을 감안하여, 엔진시험데이터를 활용하여 도출 하였다. 이는 NOx Technical code(2008)에서 허용하는 항목에 포함된다. 각 요소를 활용하여 단위 연료사용량당 대기오염 물질 배출계수 도출식과 주요인자는 아래 식(2) 및 Table 7과 같다.

IMO의 질소산화물 규제는 단위 출력당 배출량(g/kWh) 수 치를 기준으로 하나, 편람에서 대기오염물질 배출량 산정시 에는 단위연료 사용량당 배출량(kg/ton-fuel) 기반의 계수를 사용하여 기본 산식에 연료소모량을 나누어주는 것으로 산 식을 재구성하였다. 배기가스 질량유량은 NOx Technical code 에서 제시하는 연료유량 및 탄소비교방법(Fuel flow and Carbon balance method)으로 산출하였으며, 이때 필요한 연료 유 성분(C, H, O, N, S)은 FO Service pump 출구측의 air vent 라인을 통해 엔진에 직접 공급되는 연료를 샘플링하여 전문 분석기관 의뢰를 통해 수집하였다. 이는 연료유 저장탱크에 서의 샘플링시 수분 제거상태확인이 어렵고 실제 다량의 수 분 검출로 분석이 어려운 사례가 발생하여 개선하였다.

4. 배출가스 실측 및 배출계수 도출

4.1 배출가스 실측선박 선정

선박에서의 배기가스 측정을 위해서는 샘플링을 위한 플 랜지가 필수적으로 설치되어 있어야 하며, 질소산화물 샘플 링을 위한 플랜지를 활용할 수 있다. 질소산화물 샘플링용 플랜지의 규격은 아래 Fig 1, Table 8과 같다.

샘플링 플랜지 인근에 측정장비 설치·운용을 위한 공간확 보 및 장비 구동용 전력공급 가능성등을 검토하여 선박을 선정하였다.

화물선의 대상선종 선택은 국가 배출량 산정시 “해운물류 정보시스템(Port-mis)상 입출항현황 정보를 토대로 계산되는 점을 감안하여, 입출항 빈도가 높은 선종을 다수로 선정하 여 측정하였다. 다만, 탱커선의 경우, 입출항빈도는 높았으 나, 화주사 및 선주사로부터 항구내에서의 측정장비 설치를 위한 작업허가 획득이 어려워 실측이 가능한 선박을 선정하 였으며 그 결과 타선종과 유사한 수준으로 지정되었다. 여 객선은 정기노선을 일정하게 운행하는 점을 감안하여 측정 가능한 선박을 대상으로 선정하였다. 선박선정 및 실측은 2020년부터 2024년까지 총 29척의 선박을 대상으로 실측분 석을 진행하였으며, 선종별 측정선박 현황은 Table 9, 10과 같다.

4.2 운행모드별 배출계수 구분

편람에 따르면, 화물선의 운행형태에 따라 운항모드-접안 모드-정박모드로 구분하여 산정하고 있다. 운행모드 구분은 상대적으로 정속운전을 하는 운항모드와 출력이 상대적으 로 낮고 부하변동 빈도가 높은 접안모드와는 엔진 연소상태 가 달라지는 특성을 감안하여 모드별 구분하여 도출하였으 며, 가스 측정장비를 주기관의 배기관에 설치함에 따라, 정 박에 따른 배출계수는 도출하지 않았다. NOx Tier Ⅲ 충족 선박은 배기가스를 후처리장치(SCR) 전단에서 수집·분석하 였다.

운항모드와 접안모드의 구분은 출력변화율을 기준으로 설정하되, 모호한 경우, 출력변화율 10%를 기준으로 화물선 은 30분, 여객선은 10분 이상 유지하는 경우, 운항모드로 지 정하고 그 외는 접안모드로 설정하였다. 모드 구분관련 개 념도와 여객선과 화물선의 모드구분 예시는 아래 Fig 2, Fig 3, Fig 4와 같다.

4.3 배출계수 도출 결과

배출계수 도출을 위해서는 측정장비를 통해 수집되는 데 이터 중 유효데이터를 선별하여 분석하여야 한다. 본 연구 추진중 분석에 활용되지 않은 데이터는 아래와 같다.

1번과 2번의 경우, 실제 배기가스를 측정하지 못하는 상 황인점을 감안하였고, 3번의 경우 외부공기 혼입으로 인한 산소농도 증가로 정상연소 상태인지 여부 확인이 불가하기 때문에 제외하였다. 4번의 경우에는 경유와 중유가 혼재된 연료가 연소하는 상황으로 수집되는 데이터를 임의로 유종 의 유효데이터로 구분하기 어렵기 때문이다. 연료유 전환시, 중유와 경유의 황함유량 차이를 고려하여 황산화물 배출계 수 환산값의 변화가 거의 없어지는 구간을 유효데이터로 설 정하였다. 선박별 유효데이터를 취합하여, 운행모드(운항-접 안) 구분에 따라 배출계수를 산정하고, 이를 산술평균하여 유종별 대기오염물질과 이산화탄소 배출계수를 아래 Table 11, Table 12과 같이 도출하였다.

배기가스 실측·분석 결과, 대기오염물질 4종(CO, NOx, SOx, BC)은 종전 계수 대비 감소하고 이산화탄소(CO₂)는 종 전 계수와 유사하게 도출되었으며, 이는 국내외 환경규제로 인한 선박·엔진기술의 발전 및 선박유 내 경유 함량 증가 등 최신 해운산업 트렌드가 반영된 결과로 분석된다.

세부적으로, IMO의 이산화탄소 배출계수는 연료유의 탄 소함량과 저위발열량을 토대로 환산한 계수로 EEDI, EEXI, CII 등 온실가스 배출량 산정시 활용된다. 이를 실측분석결 과와 비교해보면 경유는 3% 내외, 중유는 1% 내외로 큰 차 이가 없는 수준으로 확인되었다. 이는 엔진 기술의 발전으 로 연료가 완전 연소가 가까워질수록 화학식 기반의 이론 배출계수와 수렴하는 것으로 분석되었다.

질소산화물 배출계수는 경유와 중유 모두 종전 배출계수 대비 낮은 것으로 확인되었다. 일산화탄소와 블랙카본 배출 계수는 경유-운항모드와 벙커유-운항&접안모드가 종전 배출 계수 대비 낮은 수치로 도출되었다. 질소산화물과 일산화탄 소, 블랙카본 배출계수는 IMO의 질소산화물 규제와 선박효 율 규제로 엔진효율과 연소성능의 개선으로 인해 종전 배출 계수 대비 낮게 도출된 것으로 분석된다. 다만, 경유를 사용 할 때의 접안모드의 일산화탄소와 블랙카본 배출계수는 종 전 계수대비 높게 도출되었는데, 이는 중유와 운항데이터에 비해 유효데이터의 수가 상대적으로 적어 특정 선박(0.1k급 여객선)의 데이터가 과다하게 반영된 영향으로 분석되었다. 경유 접안모드의 경우, 추가 실험을 통한 유효데이터가 확 보된다면 수치가 중유와 유사한 경향으로 나타날 것으로 추 정된다.

황산화물 배출계수는 연료유의 황함유량 기반으로 연료 연소시 배출량을 화학식 기반으로 산정된 수치이나, 실측분 석 결과 약 28% 감소한 것으로 확인되었다. 이는 측정선박 이 평균 43%의 부하율로 운전함에 따라, 디젤기관 실린더내 생성된 황산화물이 저온부식 매커니즘으로 대기중에 배출 되지 못했을 것으로 추정된다.

블랙카본 배출계수는 도출 방식의 차이 또한 결과에 영향 을 주었을 것으로 판단된다. 종전 블랙카본 배출계수의 출 처 논문(Lack et al., 2009)에 따르면 미세먼지(PM) 중 블랙카 본의 함량을 분석하여 제시한 반면, 본 연구에서 제시한 배 출계수는 선상에서 블랙카본을 측정하는 방식으로 제시된 FSN측정법으로 도출하였기 때문이다.

5. 대기오염물질 배출량 모의산정

본 장에서는 연구에서 도출된 배출계수를 활용하여, 이산 화탄소를 제외한 대기오염물질 배출량을 모의산정하고, 그 차이를 확인해보고자 한다. 우리나라 이산화탄소 배출량 산 정시 활용되는 배출계수는 단위연료 부피기반의 배출계수 로 본 연구에서 도출된 단위연료 질량기반의 배출계수와는 차이가 있으며, 유종별 비중을 활용한 일괄적인 부피변환시 실제와의 오차가 발생할 수 있는 점을 감안하였다. 대기오 염물질 배출량 모의산정을 위해서는 선종별 활동자료가 필 요하며, 연구진은 환경부 국가미세먼지정보센터로부터 2021 년 배출량 통계에 활용되었던 여객선과 화물선의 활동자료 를 제공받아 분석하였다. 여객선은 선박별 공급된 면세유 공급자료를 제공받았으며, 화물선은 항만별 입출항 선박수, 항만 접안거리, 선박별 엔진출력 및 연료소비계수(SFOC) 등 편람에 따라 배출량 산정에 필요한 정보를 제공받았다.

배출량 모의산정시, 여객선은 운항모드(Cruise) 배출계수 를 적용하여 산출하였고, 화물선은 운항모드(Cruise)와 접안 모드(Manuevering) 배출계수를 모두 적용하였다. 화물선 정박 시 적용되는 배출계수는 본 연구수행시 발전기 및 보일러 등을 대상으로 실측분석되지 않음에 따라, 편람에서 제시하 는 종전 배출계수를 적용하였다.

배출량 모의산정결과를 기존 2021년 통계자료(CAPSS)와 비교하면, 아래 Table 13과 같다.

’21년 활동자료 기반 신규 배출계수를 활용하여 배출량 산 정결과 여객선과 화물선의 합산 배출량 기준, CO는 20.4%, NOx 13.3%, SOx 21.0%, BC 34.4% 감소한 것으로 확인되었다.

5. 결 론

본 연구는 운항중인 선박을 대상으로 배기가스를 실측분 석하여 이산화탄소(CO₂)와 대기오염물질 4종(CO, NOx, SOx, BC)에 대한 운항모드별 배출계수를 분석하여 제시하였다. 현행 선박부문 국가 대기오염물질 배출량 통계에서 적용중 인 배출계수의 출처 및 문헌자료 검토결과, 현시점 선박의 운항환경과는 다른점이 식별되었다. 일례로 현행 배출계수 도출 이후, 질소산화물 규제와 선박의 에너지효율규제가 점 진적으로 강화됨에 따라 선박엔진 기술이 발전하였으며, 연 료유 황함유량 규제로 인해 선박에서 사용되는 혼합유 내 경유 함량이 종전대비 높아지는 것이 확인되고 있으나, 이 러한 해운산업 변화를 현재 적용중인 배출계수는 반영하고 있지 못하는 한계가 있었다. 다만, 이산화탄소의 경우, 연료 의 발열량과 탄소함량 기반으로 산출된 요인으로 실측분석 을 통해 도출된 계수와 3% 이내로 큰 차이가 없는 점을 확 인하였다.

온실가스와 대기오염물질 감축목표 달성을 위해서는 정 확한 배출량 산정이 전제되어야 한다는 점에서 실제 운항중 인 선박을 대상으로 데이터를 수집·분석하여 배출계수를 제 시했다는 점에서 그 의의가 있다. 특히 선박의 정속운항시 와 항만구역에서의 접안시를 편람에서 제시하는 모드로 구 분하여 배출계수를 제시한 부분은 긍정적으로 판단된다. 다 만, 운항선박 환경상 공인시험방법으로의 실측분석이 어려 운 입자상물질(PM₁₀, PM_2.5, TSP)과 선상에서 측정할 수 있는 시험기준이 부재한 가스상물질(NH₃, VOCs)를 측정하지 못한 점은 본 연구의 한계이다.

국내 대기오염물질 배출량산정시, 여객선과 어선의 경우 에는 한국해운조합이나 수협중앙회를 통해 개별 선박에 공 급된 연료데이터를 수집할 수 있어, 현행 기존 Tier 1 방법론 인 연료기준 계수(kg/ton-fuel)를 적용하더라도 크게 무방할 것으로 판단된다. 다만, 화물선의 경우, 국내 해역 운항선박 에 대한 정확한 연료유 사용량 데이터를 수집할 수 없다는 점에서 현행 Tier 1 방법론은 한계가 존재한다. 즉, 화물선의 경우 연료유 공급량 정보 확보 가능성을 고려하여 Tier 3 방 법론 적용을 위해 에너지기준 배출계수(g/kWh) 개발이 필요 할 것으로 판단된다.

향후, 해운분야의 강화되는 규제로 메탄올, LNG, 암모니 아와 같은 새로운 연료를 에너지원으로 사용하는 친환경선 박이 점진적으로 확대되고 있지만, 해당연료를 사용함으로 써 배출되는 온실가스와 대기오염물질의 산정하기 위한 배 출계수에 대한 논의는 상대적으로 부족한 실정이다. 특히 대기오염물질의 경우, 경유, 벙커유, 휘발유와 같은 석유류 외의 연료에 대한 배출계수에 대한 연구자료가 부족한 실정 인 점을 감안하여 새로운 연료 기반의 배출계수 도출 연구 가 동반되어야 한다. 이러한 연구가 지속적으로 이어질 경 우, 친환경선박의 확산과 국가간 녹색해운항로 구축·운영을 통한 국가 온실가스 감축목표(NDC) 및 미세먼지 저감 등 정 부의 감축목표 달성여부 판단에 중요한 자료로 활용될 수 있을 것이다.