압축천연가스(CNG) 버스의 오염물질 배출이 도심 내 미세먼지에 미치는 영향 :Impact of the CNG Bus Emissions on PM2.5 Concentration In the Metropolitan Area

김은비

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김은비 (명지대학교, 명지대학교 대학원)

지도교수: 김민중

발행연도: 2023

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이용수23

이 논문의 연구 히스토리 (4)

2023

압축천연가스(CNG) 버스의 오염물질 배출이 도심 내 미세먼지에 미치는 영향

김은비 환경에너지공학과 2023.01 학위논문

2022

경유 버스에서 압축천연가스(CNG) 버스로의 대체가 서울시 대기질에 미치는 영향

김은비 , 김민중 , 김재진 외 2명 한국대기환경학회 학술대회논문집 2022.10 학술대회자료

버스 배출이 서울시 미세먼지에 미치는 영향: 압축천연가스 버스와 디젤 버스 비교를 중심으로

김은비 , 김민중 , 김재진 외 2명 한국기상학회 학술대회 논문집 2022.04 학술대회자료

2021

압축천연가스(CNG) 버스가 도심 내 미세먼지에 미치는 영향

김은비 , 김민중 한국대기환경학회 학술대회논문집 2021.10 학술대회자료

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서울시는 2002년부터 대기질 개선을 기존 경유 버스에 비해 NOx와 PM의 배출량이 적다고 알려진 CNG 버스로 시내버스를 전면 교체하는 사업을 실시하였다. 서울시는 2012년에 CNG 버스 보급률 100%를 달성하였으며, 이와 맞물려 2010년대 초반까지의 수도권 미세먼지 농도가 가파르게 감소함에 따라 CNG 버스로의 교체 사업은 미세먼지 저감에 큰 기여를 했다고 인정받았다. 그러나, 최신의 연구에 따르면 자동차 배출 규제가 강화에 따라 부착되는 Selective Catalytic Reduction systems (SCRs)이나 Three-Way Catalytic converters systems (TWCs)와 같은 후처리 장비를 통해 CNG 버스에서 다량의 NH3가 배출된다는 것이 알려졌다. 암모니아의 배출은 질소산화물과 결합하여 질산 암모늄(NH4NO3) 같은 미세먼지를 생성할 수 있으며, 최근 겨울철 미세먼지의 가장 다수를 차지하는 것이 질산 암모늄이라는 것을 고려하였을 때 CNG 버스의 교체가 단순히 미세먼지를 감소하는 방향으로만 작용하지 않을 수 있다. 서울시 미세먼지 농도가 낮아진 것은 시내버스의 연료의 변화뿐만 아니라 여러 배출 저감 노력 및 기상 조건 변화나 외부 환경의 변화가 복합적으로 이루어진 것에 대한 결과이다. 따라서 CNG 버스로의 전환이 도심 내 대기질에 어떠한 영향을 미쳤는지 정량적인 연구가 필요하나 관련 연구가 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구는 상세 규모 3차원 전산유체역학-대기화학 결합모형(CFD-Chem)을 이용하여 CNG 버스로의 전환이 도심 내 미세먼지에 미치는 영향을 정량적으로 살펴보았다.
본 연구에서는 CNG 버스로의 교체가 미세먼지에 미친 영향을 정량적으로 살펴보기 위하여 버스의 연료를 3가지(Diesel, Clean Diesel, CNG)로 가정하여 각각에 대해 서울시 중구를 대상으로 CFD 모델링을 수행하였다. 도심 대기 중 화학반응은 여름철, 겨울철에 따라 달라지는 기상조건과 배경농도에 영향을 받기 때문에 모의 진행도 여름철, 겨울철로 나누어 진행하였다. Diesel 모의와 CNG 모의 결과를 비교한 결과, Diesel 버스에서 PM2.5 농도는 여름과 겨울에 각각 0.25%, 0.31% 증가하였다. 하지만 CNG 버스의 NH3의 배출 증가로 인하여 무기 에어로졸의 경우에는 CNG의 버스가 더 높게 나타났으며, 유기에어로졸 및 dust의 경우에는 Diesel 버스의 경우가 높은 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 전반적으로 우리가 기존에 알고 있는 정성적인 결과와 같은 양상을 나타내지만 도메인 전체로 보았을 경우에는 그 크기가 매우 작아 시내버스 연료 교체에 따른 미세먼지 개선 효과 자체는 미미할 것으로 판단된다. Clean Diesel과 CNG를 비교한 경우, PM2.5 농도는 여름철에 0.06% 감소하였으며 겨울철에 0.12% 증가하여 Diesel결과와는 다른 양상을 나타냈다. 이는 Clean Diesel의 후처리 장비들로 인하여 직접 배출되는 에어로졸의 양이 줄어들었기 때문에 나타난 결과이며, 이는 현재의 최신의 Diesel 버스와 비교하였을 때 오염물질 배출면에서 CNG가 강점을 크게 보이지 못한다는 것을 암시한다.

Since 2002, the Seoul Metropolitan Government has pushed to replace conventional diesel buses with compressed natural gas (CNG) buses to improve air quality in the Seoul metropolitan area (SMA) and other Korean cities; a 100% CNG bus penetration rate was finally achieved in 2012. CNG has been historically regarded as a better fuel alternative due to CNG buses producing fewer air pollutants than conventional diesel fuel buses. The introduction of CNG buses to the area has contributed greatly to the improvement of air quality in the SMA, steadily decreasing the particulate matter (PM) concentration in the SMA until the mid-2010s.
Following recent research, it has been discovered that a large amount of NH3 is emitted from CNG buses via post-processing equipment, such as Selective Catalyst Reduction systems (SCRs) and Three-Way Catalyst converters (TWCs), which are installed in order to comply with automobile emission regulations. The emitted ammonia can potentially combine with nitrogen oxide to form ammonium nitrate, a major PM species. During winter, ammonium nitrate accounts for the highest percentage of fine PM, which means that the introduction of CNG buses may not reliably reduce the fine dust concentration. The reduced PM concentration in the SMA is the result of a combination of various emission reduction efforts, changes to climate conditions and the chemical environment, as well as changes to fuel in city buses. Therefore, a quantitative study must be conducted on how the switch to CNG buses affected air quality in the SMA. This study quantitatively examines the effect of the switch to CNG buses on PM concentration in the city using a three-dimensional coupled computational fluid dynamics-atmospheric chemistry model (CFD-Chem).
A computational fluid dynamics (CFD) model was used to examine the effect of the switch to CNG buses on PM concentration in Jung-gu, Seoul while assuming three bus fuel types (Diesel, Clean Diesel, CNG). The simulation was conducted in both summer and winter to account for the differing weather conditions and background chemical environments.
When considering diesel buses, the PM2.5 concentration increased by 0.25% and 0.31% in summer and winter respectively. However, in the case of CNG buses, there was a higher concentration of inorganic aerosols than that of diesel buses due to the increased ammonia emissions. These findings are theoretically consistent. However, the increase in PM concentration throughout the region is negligible. Therefore, it can be inferred that the effect of bus fuel type on PM concentration is insignificant.
In the case of Clean Diesel and CNG buses, the PM2.5 concentration decreased by 0.06% during the summer and increased by 0.12% during the winter, which can be traced back to decreased direct aerosol emissions due to the post-processing equipment installed in Clean Diesel buses. These results suggest that CNG buses do not have a large advantage over current state-of-the-art diesel buses in regard to air pollution control.

#CFD-Chem #시내버스 #NH3 #배출계수 #CNG #Diesel #미세먼지

그림목차 iv
표목차 vi
국문초록 vii
제1장 서 론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구목적 3
제2장 이론적 배경 5
2.1 CNG 버스의 암모니아 배출 5
2.1.1 CNG 버스 도입 배경 및 효과 5
2.1.2 CNG 버스의 후처리 장치 9
2.1.3 후처리 장치의 암모니아 배출 11
2.1.4 CNG 버스의 NH3 배출계수 현황 12
2.2 암모니아와 2차 미세먼지 생성 13
제3장 연구 방법 15
3.1 모델 설명 및 모의 설정 15
3.1.1 CFD(Computational fluid dynamics) model 15
3.1.2 CFD-Chem 모형 17
3.1.3 모의 지역 설정 20
3.1.4 모의 설정 및 배경 22
3.2 배출계수 선정 23
3.2.1 NOx 배출계수 24
3.2.2 CO 배출계수 26
3.2.3 NMVOC 배출계수 27
3.2.4 NH3 배출계수 33
3.2.5 PM 배출계수 35
3.3 교통량 산정 37
3.3.1 시간적 범위 37
3.3.2 공간적 범위 38
3.4 배출량 산정 39
제4장 모의 결과 및 고찰 40
4.1 모델 결과 검증 40
4.1.1 통계분석방법 40
4.1.2 CFD-Chem 모델 모의 환경 검증 41
4.2 전구물질 배경농도 43
4.2.1 NOx 배경농도 43
4.2.2 Dust 45
4.2.3 NH3의 배경농도 46
4.2.4 HNO3의 배경농도 47
4.3 Diesel Case 농도 증감률 49
4.3.1 무기에어로졸 생성의 공간적 분포 증감률 49
4.3.2 미세먼지의 공간적 분포 증감률 73
4.4 Clean Diesel Case 농도 증감률 84
4.4.1 무기에어로졸 생성의 공간적 분포 증감률 84
4.4.2 미세먼지의 공간적 분포 증감률 108
제5장 결 론 119
참고문헌 121
Abstract 131

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