배기 미세먼지와 비배기 미세먼지 측정법에 대해[이영재 박사의 ‘환경 그리고 자동차’⑲]
배기 미세먼지와 비배기 미세먼지 측정법에 대해[이영재 박사의 ‘환경 그리고 자동차’⑲]
  • 환경부 이영재 친환경자동차기술개발사업단장
  • 승인 2020.01.29 18:24
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[지앤이타임즈 : 환경부 친환경자동차기술개발사업단 이영재 단장]

환경부 친환경자동차기술개발사업단 이영재 단장
환경부 친환경자동차기술개발사업단 이영재 단장

자동차 배기관에서 배출되는 미세먼지인 PM은 오래전부터 규제되어 왔기 때문에 세계적으로 측정법이 잘 확립되어 있다.

실험실의 차대 동력계 위에서 실도로와 유사한 주행모드로 차량을 주행시켜 PM을 측정하는 방식을 사용하여 왔는데, 최근에는 실도로 배출량과의 차이를 줄이기 위해 RDE (Real Driving Emission) 규제가 적용되고 있다.

실제 도로상에서 PEMS (Portable Emission Measurement System)라는 측정장치를 이용해 차량의 미세먼지와 질소산화물을 실시간 계측해서 규제하는 방식이 함께 사용되고 있다.

타이어와 브레이크 등의 비배기 미세먼지에 대해서는 2014년 이래 UNECE (United Nations Economic Commission for Europe) GRPE (Working Party on Pollution and Energy) PMP (Particle Measurement Programme)에서 검토를 계속해 왔지만 자동차 배출가스와는 달리 측정법 마련이 쉽지 않아서 아직 규제되고 있지 않다.

단순히 타이어와 브레이크 자체의 마모량 특히 그중에서 인체에 유해한 미세먼지와 초미세먼지의 배출량을 측정, 규제하는 것은 비교적 쉽지만 자동차 배기 PM 배출량과의 상대 비교 등 규제의 일관성을 갖으려면 자동차 배기와 유사한 측정법이나 시험법을 사용해 1 km를 주행할 때의 배출량(g/km)이나 개수농도(#/km)로 산출되는 것이 바람직한데 쉽지 않기 때문이다.

타이어는 도로와 마찰을 일으키며 주행하게 되는데 이때 타이어 자체의 마모에 따른 미세먼지, 노면의 마모에 따른 미세먼지, 기존에 도로에 깔린 미세먼지가 다시 비산되어 배출된다.

이들 중에서 타이어 마모에 의한 미세먼지만을 분리해 계측해야 하는 문제가 있고, 고속과 급가감속 시에 많이 배출되는 외에 핸들 조작 시에도 많이 배출돼 실험실에서 측정법을 모사하기가 쉽지 않아 PMP에서 검토는 하고 있지만 전혀 진척이 없는 상태이다.

브레이크 PM은 디스크 또는 드럼이 브레이크 패드와 마찰하는 과정에서 발생되며 독립된 브레이크 계에서만 배출되기 때문에 타이어보다는 시험법이나 측정법의 제정이 비교적 쉬워서 2025년으로 예상되는 Euro 7 시점에는 규제가 이루어질 것으로 생각된다.

브레이크 시험모드는 자동차 배출가스 시험모드인 WLTC (Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle)를 일부 수정해 사용하기로 확정되어 있는데, 시험법은 자동차를 차대동력계에서 주행시켜 측정하는 방법과 브레이크 시스템만을 떼 내어 브레이크 동력계를 이용해 측정하는 방법이 검토되고 있다.

이들 두 방법은 각기 장단점이 있는데 차대동력계를 사용하는 방식은 자동차 주행시에 발생하는 브레이크 작동상황과 유사해서 보다 현실성이 있으나 측정시스템이 복잡해지는 단점이 있다.

브레이크 동력계를 사용하는 방식은 실험 시스템은 단순하지만 차량이 실도로에서 감속 및 제동할 때에는 기계식 마찰브레이크(기존의 풋 브레이크) 외에 엔진 브레이크에 의한 감속, 기어 쉬프트다운에 의한 감속이 포함되고 특히 전기자동차나 하이브리드자동차는 모터에 의한 회생제동이 마찰브레이크에 의한 제동보다 기여하는 바가 훨씬 큰데 이들을 반영하기가 쉽지 않다는 문제가 있다.

최근에 브레이크 미세먼지가 자동차 배기 미세먼지보다 2배 배출된다는 보도가 있는데, 이는 브레이크 자체만을 가지고 실험한 것이어서 엔진 브레이크 등 실차 상태의 감속 패턴이 반영되지 않았기 때문에 배출량이 과다 평가된 것으로 보인다.

특히 중량이 무거운 상용차는 마찰 브레이크만으로는 감속과 제동이 어려워서 배기 브레이크, 제이크 브레이크, 리타더 브레이크 등 다양한 보조 제동수단을 사용하기 때문에 단순히 마찰브레이크의 마모만을 평가해서는 마모량이 과다 평가될 가능성이 많다.

환경부 친환경자동차기술개발사업단에서는 저마모 저연비 타이어의 개발을 추진하고 있고 과제의 일환으로 타이어와 브레이크 배출 미세먼지 측정법을 개발하고 있지만 예산 상의 문제와 더불어 위에서 서술한 여러 과제를 해결하기 쉽지가 않다.

한편 브레이크 미세먼지를 줄이기 위해서는 저마모 디스크 또는 드럼, 저마모 브레이크 패드를 개발할 필요가 있으며, 전기자동차나 하이브리드자동차 등 자동차의 전동화는 회생제동에 따라 마찰브레이크의 제동 기여도가 크게 감소하기 때문에 향후 보급 확대에 따라 브레이크에 기인한 미세먼지 배출량은 크게 감소할 것으로 전망된다.

그 외에 자동차 경제운전은 연비나 온실가스 저감에도 기여하지만 경제속도 준수, 급가감속 회피, 엔진 브레이크나 기어 쉬프트다운에 의한 감속 등은 타이어 또는 브레이크의 마모 저감에 기여해 미세먼지의 저감에 크게 기여할 수 있다.