Introduction
전세계적인 환경문제의 대두에 따라 미국은 2013년, 유럽은 2014년부터 Tier 4 기준을 도입하였으며, 지속적으로 배기가스 규제를 강화하고 있다(Kwon, 2020). 우리나라는 대기환경보전법에 따라 2015년부터 농업기계 및 건설기계에 대해서 미국 배기가스 규제인 Tier 4 기준 규제를 적용하고 있다(MoE, 2018). 대기오염의 연료연소 배출원 대분류에서 이동오염원은 도로이동오염원(승용차, 버스), 비도로이동오염원(농업기계, 건설기계, 선박 등)으로 구분되며 미세먼지(particulate matter, PM)는 도로이동오염원이 전체 이동오염원의 36.9% 수준인 것에 비해 비도로이동오염원은 63.1%로 매우 높은 비율을 차지하고 있어 배기가스 감소가 필요한 실정이다(NAIR, 2019). 국내에서는 농업기계 배기가스의 배출량을 각각의 배기가스에 대한 배출계수(g/kWh), 보유대수, 정격출력, 엔진 부하율, 가동시간을 이용하여 산출하고 있다. 이때, 엔진 부하율은 1998년 환경부에서 시행한 엔진동력계를 이용하여 측정된 0.48을 농업기계 기종과 농작업 종류에 관계없이 동일하게 사용되고 있으며(NIER, 1999), 실제 농작업에 따른 배기가스 배출량 측정이 필요한 실정이다. 농업용 트랙터의 경우 작업 부하의 변동 폭이 매우 큰 특성을 가지고 있으며(Moon et al., 2022), 부하율은 농업기계 기종, 출력, 작업 조건에 따라 다르게 나타난다(Lee et al., 2022). 실제 작업 데이터를 이용하여 부하율을 산출한 결과, 기존 부하율 0.48 대비 1.31배인 0.63으로 나타난 연구 결과가 있다(Baek et al., 2022a).
최근 건설기계 및 자동차 분야에서는 실제 작업 시 배출되는 배기가스에 대한 고도화 연구가 활발히 수행중이다. Jin 등(2014)은 건설기계의 대기오염물질 배출량 분석을 통해 건설기계 연식별, 출력별, 기종별 기여율을 파악하기 위해 현행 배출량 산정체계를 분석하고 배기가스 시험결과를 기반으로 배출계수를 개발하였다. Kim (2021)은 이동식 배기가스 측정장비를 이용하여 국내 주요 건설기계 3종(굴착기, 로더, 지게차)에 대해 실제 작업조건에서의 엔진 운전특성 및 대기오염 배출 특성을 분석하였다. Lim 등(2009)은 미국, 유럽 등 선진국에서 연구되고 있는 배출계수 산정기법과 국내외 활동도 자료 등을 분석하였으며, 건설기계 엔진 시험을 통해 측정된 배기가스 결과를 이용하여 배출계수를 산출하였다. Lee 등(2012)은 소형 경유 운행차의 실제 도로상에서의 오염물질 배출 특성을 분석하였으며, 220 km 실제 도로를 주행하면서 이동식 배기가스 측정 시스템(portable emissions measurement Systems, PEMS)를 이용하여 배출량을 측정하였다. Kim 등(2016)은 중형 디젤 차량을 대상으로 기존 차대동력계와 PEMS를 사용했을 시 측정 특성을 비교하였고, PEMS를 이용하여 실제 도로에서 다양한 주행조건에 따른 배기가스 배출량을 측정하였다. 그러나 농업기계 분야에서는 배기가스 대체를 위한 전동화 연구(Baek et al., 2022b) 혹은 CAN (controller area network) 통신을 이용한 배출가스 측정 방법 등에 대한 연구(Baek et al., 2020)들만 수행되었으며, 실작업에서 배기가스 측정 시스템을 사용한 배기가스 배출량에 대한 연구는 수행된 사례가 아직까지 없는 실정이다. 국내 농기계 중 트랙터는 대기환경보전법에 따라 주요 배기가스 규제 대상으로 분류되고 있다.
트랙터는 대기환경보전법에 따라 미국의 Tier-4 규제를 받고 있으며, Tier-4는 미국 환경청(EPA)에서 시행하고 있는 배출가스 규제 제도이다. 비도로 장비의 대한 규제는 1990년대 이후 지속적으로 강화되고 있으며, 매 주기마다 50% 이상의 PM 또는 NOx의 저감이 요구되고 있다. 현재 시행되고 있는 배기가스 규제는 일산화탄소(carbon monoxide, CO), 총 탄화수소(total hydrocarbons, THC), 질소산화물(nitrogen oxide, NOx), 미세먼지(particulate matter, PM)에 대하여 시행되고 있으며, Tier-4 배기가스 규제 기준은 Table 1과 같다.
일산화탄소는 산소가 부족하여 불완전 연소가 진행될 때 발생하는 가스이며, 색이 없고 피부에도 자극적이지 않아 쉽게 파악하지 못하며 인체에 유해하고 위험한 가스항목이다. 질소산화물은 사업장에서 주로 연료를 태울 때 배출되거나 자동차에 포함된 대기오염물질로, 오존층을 파괴하고 산성비의 주요 원인이다. 총 탄화수소는 광화학 활성이 높은 탄화수소를 총칭하는 단어이며, 광화학 반응을 통해 오존 등의 2차 오염물질을 생성하는 오염물질이다. 미세먼지는 공기 중 고체상태와 액체상태의 입자의 혼합물로 배출되며 연료 연소 및 과정 중에 발생되는 오염물질이다. 미세먼지는 천식과 같은 호흡계 질병을 유발하며, 폐 기능 저하를 유발한다(NIER, 2022).
Table 1
EPA Tier 4 emission regulation (CO, THC, NOx, PM) for non-road diesel engine based on engine power.
따라서 본 연구는 농업기계의 배기가스 배출량 산정을 위한 기초연구로써, 농업기계 기종 중 가장 시장 규모가 큰 트랙터를 대상으로 주요 작업인 플라우 작업 시 배기가스 배출량을 측정하고, 국내에서 시행 중인 Tier 4 환경규제 기준과 트랙터 플라우 작업 시 배기가스 배출량을 분석하였다.
Materials and Methods
트랙터 및 플라우
배기가스 측정을 위하여 국내 농기계 보유대수 중 높은 비중을 차지하는 중형 트랙터를 측정대상으로 선정하였다. 트랙터는 농작업 기계화의 핵심 장비로써 다양한 종류의 농작업이 가능하며, 농작업에 대응하는 부속 작업기를 원활하게 활용할 수 있도록 동력을 제공해 준다(Cho et al., 2022) 트랙터는 Fig. 1과 같이 크기 4,020 mm (L) × 2,270 mm (W) × 2,790 mm (H), 무게 4,000 kg의 67 kW 트랙터(LUXEN 800, Kukje Co., Ltd., Korea)를 선정하였다. 엔진은 Tier-4 디젤 엔진(D34P, Doosan Infracore Co., Ltd., Korea)을 탑재하고 있으며, 미세먼지(PM) 를 저감하는 DOC (diesel oxidation catalyst), 질소산화물인 NOx를 저감하는 SCR (selective catalyst reduction) 저감장치가 부착되어 있다. 트랙터 변속기는 전·후진은 파워셔틀(power shuttle)로 구성되어 있으며, 주변속은 4단의 동기물림기어식, 부변속은 상시물림식의 4단으로 총 전진 16단, 후진 16단의 변속 단수를 갖는다.
플라우 작업기는 Fig. 2와 같이 크기 2,800 mm (L) × 2,150 mm (W) × 1,250 mm (H), 중량은 790 kg이며, 90 - 120 마력에 적용 가능한 웅진기계社 WJSP-8 모델(Woongjin Machinery Co., Ltd., Korea)을 사용하였다.
이동식 배기가스 측정 시스템
높이조절부는 본체 하단에 상하 높이조절이 가능한 전동 리프트를 장착하여 작업자 신체에 맞게 팔 받침대의 높이를 조절할 수 있도록 제작하였다. 리프트의 최대 높이는 680 mm로써 선별 작업이 끝난 후 작업자가 허리 구부림을 최소화하여 정과 및 흠과 박스를 트럭 적재함으로 적재할 수 있도록 설계하였다.사과 선별 알고리즘 구현
트랙터 플라우 작업 시 배기가스 측정은 Fig. 3와 같은 이동식 배기가스 측정 시스템(PEMS)을 사용하였다.
PEMS는 Tier-4 배기가스 규제 수준에 적합하도록 인증을 받은 이동형 배기가스 측정장비로, 본 연구에서 사용한 PEMS (OBS-ONE, Horiba, Japan)는 Table 2와 같이 CO, THC, NOx, PM 측정이 가능하다. 본 연구에서 사용된 장비의 경우 최대 5 Hz 범위까지 데이터 샘플링 설정이 가능하며, 1초당 발생하는 배출량되는 배출량을 측정하기 위해 1 Hz로 설정하여 데이터 계측을 진행하였다.
트랙터 운행 조건
트랙터 작업은 주요 농작업 중 많은 비중을 차지하며 높은 수준의 견인력을 요구하는 플라우 경운작업을 선정하였으며(Jeon et al., 2023), 트랙터 작업단수는 사용자 설문조사에 따라 가장 빈번하게 사용되는 플라우 M2 (5.95 km/h) 및 M3 (7.60 km/h) 단수를 시험 단수로 선정하였다. 배기가스는 엔진의 온도에 따른 냉간 및 열간 상태에 따라 엔진의 연료 사용량 및 저감장치 작동여부가 달라지며, 배출량이 다르게 나타나므로 본 시험에서는 작업 전 공회전을 통해 열간 상태에서 시험을 진행하였다. 트랙터 농작업은 농민들이 주로 사용하는 농작업 패턴에 따라 공회전, 플라우 작업, 선회, 정지 순으로 진행하였으며 구간 각각의 배출량을 측정하였다.
필드시험 계획
트랙터 필드시험은 충청남도 당진시 송산면 금암리에 위치한 실제 농가를 수급하여 진행하였으며, 시험 장소 및 크기는 Fig. 4와 같다. 트랙터 시험은 가로 50 m, 세로 100 m 면적의 논에서 수행하였다. 필드시험은 데이터의 신뢰성을 위해 같은 조건에서 3회 반복 수행하였으며 이 중 유효한 데이터를 선별하여 분석하였다.
또한 필드시험 결과는 시험토에 따라 작업 부하가 달라지므로 토양 분석을 수행하였다. 토양 분석은 토양 수분함량, 원추지수 및 토양 입자종류에 대해 수행하였으며, 수분함량은 35.7%, 원추지수는 최대 3,069 kPa, 양질토로 나타났다.
논 작업면적에 따른 배출량 산출 방법
국내 마지기당 면적은 지역에 따라 260, 330, 400 m2 등 다양하나, 논의 한 마지기당 면적은 200평(660 m2)이 일반적이다. 플라우 작업시 싸이클은 Fig. 5와 같이 엔진 공회전, 플라우, 선회 구간으로 구성되며, 단위면적 당 엔진을 공회전 한 후에, 100 m의 직진 플라우 작업, 선회 작업을 한 후에 다시 플라우 작업과 선회 작업을 각각 반복하여 총 3번의 플라우 작업과 선회 작업을 수행하게 된다. 그러므로 트랙터를 이용하여 플라우 폭인 2.15 m와 작업 구간과의 간격을 고려하여 2.2 m씩 총 3번, 6.6 m를 기준으로 배출량을 산출하였다. 트랙터의 공회전, 100 m 플라우 작업 및 선회 구간을 고려하여 우리나라 200평 기준 배출량을 산출하기 위해 200평 (660 m2) 및 작업기 폭 2.15 m를 고려하여 200평 당 공회전 구간 60초, 플라우 작업구간 60초 및 선회구간 5초로 설정하여 배기가스 데이터를 분석하였다.
여기서 “Sum of emission in 660 m2area”는 200평 기준 배기가스 전체 배출량(g)을 나타내며, “Emission for plow tillage”는 플라우 작업구간에서 배출량 합(g), “Emission for turning”은 선회구간에서 배출량 합(g), “Emission for engine idling”은 공회전구간에서 배출량 합(g)을 의미한다.
Results and Discussion
배기가스 배출량 측정 결과
트랙터 공회전, 플라우 작업 및 선회 구간에서 측정한 배기가스 배출량을 각각 구간에 대하여 Table 3와 같이 초당 최대, 최소, 평균 배출량으로 나타냈다.
Table 3
Result of exhaust emission for engine idling, plow tillage, turning operation measured by PEMS equipment.
트랙터 공회전, 플라우 작업 및 선회 구간에서 계측한 CO 배기가스 배출량은 Fig. 6과 같이 나타났으며, 공회전 구간에서 최대, 최소, 평균 배출량은 6.82×10-3, 5.13×10-3, 5.89×10-3 g/s으로 나타났으며, 플라우 작업구간에서는 1.83×10-2, 1.30×10-2, 1.13×10-2 g/s, 선회 구간에서는 1.58×10-2, 7.05×10-3, 1.59×10-2 g/s으로 나타났다. 각각 구간에서의 평균 배출량을 비교한 결과, CO 배출량은 플라우 작업 구간에서 가장 많이 발생하는 것으로 나타났다. 공회전 구간에서 CO 배출량은 시작 후 일정한 배출량을 보였으며, 플라우 작업이 진행됨에 따라 배출량이 증가하였으며, 이후 선회구간에서 감소하였다. 작업 시작 후 트랙터의 엔진 출력이 상승하여 CO 배출량이 증가하는 것으로 판단되며, 이후 선회구간에서 엔진 출력이 감소함에 따라 배출량도 동시에 감소하는 것으로 판단된다.
THC 배기가스 배출량을 Fig. 7과 같이 나타났으며, 공회전 구간에서 최대, 최소, 평균 배출량은 1.83×10-4, 1.59× 10-4, 1.70×10-4 g/s, 플라우 작업구간에서는 1.90×10-4, 1.22×10-4, 1.45×10-4 g/s, 선회 구간에서는 1.16×10-4, 1.70× 10-4, 8.89×10-5 g/s으로 나타났다. 각각 구간에서의 평균 배출량을 비교한 결과, THC 배출량은 공회전 구간에서 가장 많이 발생하는 것으로 나타났다. THC의 경우 연료의 불완전 연소로 생성되는 물질이며, 트랙터의 공회전 작업을 통해 엔진 내부온도가 높아져 완전 연소되는 물질의 비율이 높아진다. 플라우 구간의 경우 공회전 구간보다 더 높은 엔진 온도에서 작업을 수행하므로 플라우 구간에서의 배출량이 공회전 구간에서의 배출량보다 낮게 나타나는 것으로 판단된다. 이는 차속이 증가함에 따라 배출량이 감소한다는 연구 결과와 유사한 것으로 판단된다(Lee et al., 2012).
NOx 배기가스 배출량을 Fig. 8과 같이 나타났으며, 공회전 구간에서 NOx 배출량의 최대, 최소, 평균은 1.82×10-2, 1.40×10-2, 1.51×10-2 g/s으로 나타났으며, 플라우 작업구간에서는 1.19×10-2, 1.26×10-4, 4.06×10-3 g/s, 선회 구간에서는 6.98×10-5, 1.51×10-5, 4.63×10-5 g/s으로 나타났다. 각각 구간에서의 평균 배출량을 비교한 결과, NOx 배출량은 공회전 구간에서 가장 많이 발생하는 것으로 나타났다. 공회전 구간에서 NOx 배출량은 시작 후 일정한 배출량을 보였으며, 플라우 작업 및 선회는 공회전 배출량에 비해 매우 적은 배출량을 보이는 것으로 나타났다. 본 연구에서 사용된 트랙터의 경우 질소산화물 저감을 위한 SCR을 장착하고 있기 때문에 배기가스 온도가 증가함에 따라 저감장치의 작동이 안정화되면서 플라우 구간에서 배출량이 적게 나타나는 것으로 판단된다.
PM 배기가스 배출량을 Fig. 9과 같이 나타났으며, 공회전 구간에서 PM 배출량의 최대, 최소, 평균 은 5.91×10-7, 5.05×10-7, 5.41×10-7 g/s으로 나타났으며, 플라우 작업구간에서는 6.05×10-6, 4.80×10-6, 1.14×10-6 g/s, 선회 구간에서는 1.61×10-6, 1.14×10-6, 1.48×10-6 g/s으로 나타났다. 각각 구간에서의 평균 배출량을 비교한 결과, PM 배출량은 플라우 작업 구간에서 가장 많이 발생하는 것으로 나타났다. 공회전 구간에서 PM 배출량은 시작 후 일정한 배출량을 보였으며, THC 및 NOx 배기가스와 달리 플라우 작업 및 선회 구간에서 공회전 구간보다 높은 배출량을 나타냈다. 공회전 후 플라우 작업이 시작됨에 따라 엔진 동력이 증가하고 이에 따라 미세먼지 배출량이 증가하는 것으로 판단된다.
단위면적당 배기가스 배출량 산출 결과
플라우 경운작업에 따른 CO, THC, NOx, PM에 대한 배출량 데이터를 이용하여 단위면적당 배기가스 배출량을 산출하였으며, 67 kW급 트랙터를 이용하여 660 m2의 논 포장을 플라우 작업을 수행하면 CO, THC, NOx, PM은 각각 7.71, 0.02, 0.04, 0.0008 g이 배출되는 것으로 나타났다. 배기가스 배출량은 CO, NOx, THC, PM 순으로 나타났으며, CO의 경우 작업에 따른 엔진 출력에 따라 증가 하나 NOx, THC, PM의 경우 트랙터 엔진에 설치된 배기가스 저감장치에 영향을 받아 CO의 비해 낮은 배출량을 나타내는 것으로 분석된다.
Conclusion
본 연구는 농업기계의 배출량 산출에 관한 연구로써, 배기가스 측정 센서를 이용하여 트랙터 플라우 작업 시 CO, THC, NOx, PM의 배출량을 측정하였다. 배출량은 이동식 배기가스 측정 시스템인 PEMS를 이용하여 논 660 m2 기준 작업면적를 고려한 공회전, 플라우 작업 및 선회구간에 대하여 측정하였다. 우리나라 논 한 마지기 표준 면적인 660 m2에서 플라우 작업 시 발생하는 배기가스 배출량은 CO 2.62, THC 3.76×10-2, NOx 1.63, PM 2.59×10-4 g으로 나타났다.
본 연구에서 산출된 660 m2당 발생하는 CO, NOx, THC, PM 배출량을 Tier 4 환경 규제 기준과 Fig. 10과 같이 비교∙ 분석하였다. 이를 위하여 각각의 배출량을 출력당 배출량(g/kWh)으로 환산하였으며, 이때 출력은 트랙터의 정격 출력인 67 kW를 적용하였다. 분석결과, CO, THC, NOx, PM의 출력당 배출량은 Fig. 11과 같이 각각 3.31, 0.018, 0.01, 0.0003 g/kWh로 Tier 4 환경규제의 기준치인 5, 0.19, 0.4, 0.015 g/kWh 보다 모두 낮아 규제를 만족하는 것으로 나타났다. 그러나, 본 연구에서는 정격 출력을 이용하여 계산하였으므로 정확한 분석을 위해서는 배출량과 동시에 소요동력 측정도 필요할 것으로 판단된다. 또한, 트랙터는 다양한 농작업을 수행하고 있으므로 정확한 트랙터의 배기가스 배출량과 소요동력 측정을 위해서는 다양한 농작업과 작업단수, 토양 조건 등을 고려한 시험이 필요할 것으로 판단된다.
Acknowledgements
본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 친환경동력원적용농기계기술개발 (322046-2)과 첨단농기계산업화기술개발사업(320080-3)의 지원을 받아 연구되었음.
Authors Information
Jun-Ho Lee, https://orcid.org/0000-0002-4131-9718
Hyeon-Ho Jeon, https://orcid.org/0000-0003-0998-3819
Seung-Min Baek, https://orcid.org/0000-0002-4627-191X
Seung-Yun Baek, https://orcid.org/0000-0001-7330-6949
Wan-Soo Kim, https://orcid.org/0000-0001-9669-4761
Yong-Joo Kim, https://orcid.org/0000-0002-1212-9018
Ryu-Gap Lim, https://orcid.org/0000-0001-7825-7293
