미세먼지 해결해조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 비 배출 미세먼지 저감을 위한 화물차 미세먼지 집진장치 고안

영문 : A design of fine dust collecting device for trucks to reduce road re-scattering dust

과제 팀명

미세먼지 해결해조

지도교수

박승부 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 윤**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 유**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 국내 미세먼지의 주요 발생원인으로 여겨지는 차량의 배기가스는 규제 강화를 통하여 크게 줄어들 것으로 예상이 되나 관리의 사각지대에 놓인 비 배출 미세먼지의 상대적인 기여도는 오히려 점점 높아질 것으로 예측이 된다. 따라서 이를 관리할 수 있는 대책이 필수적이다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 2013년 WHO(국제 보건기구)는 미세먼지를 담배, 방사선, 라돈과 같이 1군 발암물질로 지정하여 그 심각성을 전 세계에 알렸다. 미세먼지 배출원 중에서 44%를 차지하는 비산 먼지, 그 중 15%를 차지하는 도로 재비산 먼지는 자동차 배기가스, 타이어 마모, 브레이크 패드 마모 등에 의해 도로 위에 침적된 먼지가 차량의 이동에 의해 대기 중으로 재비산되는 입자상 물질로서, 자연적 성분 외에 유해한 성분을 포함하고 있어 일반 먼지에 비해서 해롭다. 또한, 타이어 마모 등으로 인해 배출된 미세먼지는 해양에서 미세 플라스틱으로 작용하며 대기 오염뿐만 아니라 해양 생태계까지 영향을 미칠 수 있다. 

◇ 2018년 결산 기준으로 미세먼지 감축량과 투입 재원을 비교해보면, 친환경 차량 보급 지원 사업은 2018년에 5,139억원이 투입되었으며, 미세먼지 감축량은 102톤이다. 따라서 미세먼지 1톤 감축을 위해 투입된 비용은 50억원으로 나타난다.

개발 과제의 목표와 내용

◇‘도로 발생 분진의 방음벽 충돌 CFD분석‘에 따르면 차량 후면부 0.3-1.0m에서 가장 높은 미세먼지 농도가 나타났다. 또한 차량 운전에 따라 차량 뒤편에 발생 분진이 필터로 유입되기 위한 충분한 기류가 발생하기에 이 점을 고려하여 비 배출 미세먼지 및 도로 재비산 먼지(이하 “도로 미세먼지”라 한다)를 저감할 수 있는 장치를 개발하고자 한다. 이를 통해 미세먼지 저감 목표 달성을 위한 새로운 방향을 제시할 수 있을 것이라 생각되며 발생원에서도 관리를 용이하게 하고 언제나 생태계의 피해를 최소화 할 수 있을 것이다.  

◇ 국회 예산정책서에서 발간한 ‘미세먼지 대응 사업 분석’ 에 따르면 전체 도로 재비산먼지 중 수도권의 도로 재비산먼지는 38.6%의 비중을 차지함에 비해 전체 도로 청소차량 중 수도권의 보유율은 64.3%로 대부분의 도로 청소차량이 수도권에 집중되어 있음을 알 수 있다. 비포장 도로가 많은 지방의 특성에 비해 한정된 지방 자치단체의 예산으로 인해 지역 간 불평등 문제가 발생할 수 있다. 재정 지원이 힘든 지방 중소도시를 보호하고 지원하기 위한 대책으로 개발 과제를 이용한다면 분진흡입청소차를 소유하지 않은 지역에서도 도로 청소 역할을 수행할 수 있어 이러한 불균형 해소에 도움을 줄 수 있을 것이다.

◇ 본 과제를 통해 우리는 미세먼지를 제어하기 위해 도로 미세먼지를 경제적이고 효과적인 방법으로 저감할 수 있는 방법을 고안하고자 한다.

관련 기술의 현황

State of art

1) 전 세계적인 기술현황

- 태국
태국 방콕 및 인근 수도권 지역의 미세먼지를 해결하기 위해 매일 오후 6시 ~ 오전 6시 도로 주변 고 수압 스프레이 분사, 도로청소 시행, 드론을 활용한 인공강우 조성 등의 방법을 이용하고 있다.  

- 핀란드
REDUST 프로젝트, 진공청소, 진공청소 + 물청소, 고압살수청소의 세 가지 방식으로 도로 청소의 효과를 조사한 결과 고압 살수 방식이 가장 효과적이었다.  

- EU
CMA+ 프로젝트에서 먼지 억제제 살포를 통한 도로 먼지 저감을 테스트한 결과 이를 사용하는 것이 고농도 PM-10 발생을 완화하고 일 평균 농도를 줄이는데 효과적인 것으로 나타났다.  

- 대만
 타이페이시의 경우 5개의 권역으로 나누어 도로청소를 수행하고 있다. 모든 도로청소 차량에는 GPS 시스템이 장착되어 효율적으로 도로청소 차량을 관리하고 있으며 진공청소차와 물살 수차를 함께 이용한다.

2) 국내 기술현황

서울시의 도로청소는 자치구가 담당하며 청소 장비는 노면청소차, 분진흡입청소차, 물청소차로 구분이 되며 도로 사정, 기상 상황에 따라 탄력적으로 운영하고 있다. 또한 용수를 이용하여 도로에 물을 분사하는 고정식 자동 살수 시스템인 클린로드 시스템이 새로운 대안으로 여러 도시에서 이용되고 있다.

기술 로드맵

특허조사 및 특허전략

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

마케팅 전략

◇ 초기 투자비용이 필요하지만, 한 번 차량에 부착하면 필터 교체 비용을 제외하고는 추가적인 투자가 불필요하고, 기존의 청소 차량을 대체함으로써 인건비 및 운영비를 절감할 수 있으므로 장기적인 관점에서 보면 경제적이다.

◇ 우리의 기술과 관련된 유사 특허는 다수 존재하지만, 소형화된 집진장치를 탑재한 차량은 아직 존재하지 않으므로 경쟁력을 키운다면 좋은 전략이 될 것이다.

◇ 도로 주행 중 다른 이물질이나 기상 조건에 의한 제품 손상이 우려되나 유입부 방지망 설치를 통해 보완한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 기상여건에 상관없이 도로비산미세먼지를 제거하여 국민 만족도 향상

◇ 집진장치 소형화를 통해 화물차에서 나아가 일반 승용차로 확대 가능

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 필터의 교체 주기로 인하여 지속적인 교체 수요 발생 예정, 정수기 렌트 사업을 모델로 하여 정비소 혹은 주유소에 교체소를 설치하거나 자동차 검사 시 검사하는 것으로 의무화하여 교체용 필터로 적정주기마다 필터 교체 및 탈착 처리를 거쳐 재사용 예정으로 지속적인 수익모델을 만들어 낼 수 있다.

◇ 현재 서초구에서 시행중인 마을버스 부착 미세먼지 저감장치의 경우 한 대당 2.7kg/yr 의 미세먼  지 저감 효과, 반면 화물차에 부착하는 경우 버스보다 총 주행거리가 길 것으로 예상되어 더 많은 먼지  를 포집할 수 있을 것이라 생각된다.

◇ 정부는 발전산업, 생활, 수송으로 부문을 분리하여 다양한 정책을 펴고 있다. 그 중 수송부분을 2018년 결산 기준으로 미세먼지 감축량과 투입 재원을 비교해보면, 친환경 차량 보급 지원 사업은 2018년에 5,139억원이 투입되었으며, 미세먼지 감축량은 102톤이다. 따라서 미세먼지 1톤 감축을 위해 투입된 비용은 50억원으로 나타난다. 같은 방법으로 재생에너지 발전 비중 확대는 5억원/톤, 노선버스 CNG 교체 0.74 억원/톤, 이륜차 관리 강화 및 전기이륜차 보급 확대 63 억원/톤에 해당한다. 다른 사업에 비해 친환경 차량 보급 지원 사업과 전기이륜차 보급 확대 사업은 미세먼지 배출량 감축 비용이 높게 나타나는 것을 알 수 있다.

구성원 및 추진체계

◇ 윤태현 : 아이디어, 캐드, 시제품 제작관련 업체 컨택, 보고서작성, 시제품 제작
◇ 이승준 : 경쟁제품 및 시장분석, ppt제작, 보고서작성, 시제품 제작, SWOT분석
◇ 김왕영 : 사업비 총무, 특허조사 및 출원 준비, 포스터, ppt제작, 보고서작성, 시제품 제작
◇ 유지혜 : 배경조사, 장치효율계산, 실험계획 수립 및 실험, ppt제작, 보고서작성, 시제품제작

설계

설계사양

가. 제품 요구사항

본 설계를 통해 개발하고자 하는 제품의 요구사항으로 반드시 고려할 사항은 D, 상황에 맞추어 고려할 사항은 W로 표기하였다.

나. 평가 항목 및 방법

1. 장치효율 (20%)
본 설계 제품의 효율을 타사 경쟁제품인 마을버스 미세먼지 흡착 필터 및 분진흡입청소차와 비교해 평가하도록 한다. 서초구 청정 마을버스의 경우 필터  당 연간 2721.6g의 저감 효과를 갖추고 있으며 분진 흡입 청소차의 경우 1대당 연간 미세먼지 10ton, 초미세먼지 0.03ton을 수거할 수 있다. 따라서 본 설계에서는 두 경쟁제품 보다 총 먼지 수거량을 높이는 것을 목표로 한다. 

2. 효과성 (30%)
본 설계 제품을 화물차에 직접 부착하였을 때의 먼지 제거의 효과성을 평가하도록 한다. 우선, 전국 분진흡입청소차가 연간 수거하는 미세먼지의 양을 구한다. 이를 현재 전국적으로 운행하는 화물차의 대수 및 운행량 자료를 구해 제품을 부착한 1대의 목표 미세먼지 제거량을 설정한다. 설정한 목표량 이상의 먼지제거가 제거됨을 입증한다면, 기존 분진흡입청소차보다 효과적이라는 결론이 도출될 것이다. 

3. 필터 교체 주기 (10%)
고효율의 미세먼지 제거를 위한 가장 중요한 부분은 여과 필터이며 여과필터의 먼지부하가 커지게 되면 제거 효율이 감소하게 된다. 따라서 여과 필터의 효율적이고 지속적인 먼지 제거를 위해서는 먼지 부하에 내구성이 있는 여과 필터를 설정할 수 있도록 하여야 한다. 내구성은 여과 필터 내의 탈진 주기와 필터 교체 주기의 계산을 통해 교체 주기를 평가한다. 

4. 사용성 (10%) 
본 설계 제품은 화물차 사용자 또는 대리점 직원이 장치 점검, 필터교체 등의 관리를 실시할 때 쉽게 조작하고 사용할 수 있어야 한다. 설계에 있어서 장치가 직관적인지, 교체 주기의 판단이 쉬운지, 교체가 용이한 편인지 등을 판단한다. 사용하는 사람에 따라서 평가는 주관적일 수 있으나 설문조사 등과 같은 최대한 합리적인 평가방법을 사용해 사용성을 평가 가능하다. 

5. 경제성 (30%)   
본 설계 제품은 정부의 도움과 함께 미세먼지 관리 대책 사업을 위해 판매가 되어야 하는 제품이다. 본 제품이 경제성을 얻기 위해서는 현재 운행중인 마을버스 미세먼지 흡착필터 및 분진흡입청소차의 운영비용과 구매비용, 환경 경제적인 이익에 대한 우위를 가질 수 있어야한다. 

다. 목적 계통도

개념설계안

먼지 포집기의 크기와 설치 방식은 현대 포터2 차량의 순정 공구함에 맞춰져 있다. 선정 이유는 포터2가 화물차 중 제일 많은 비율을 차지하고 있고, 순정 크기 및 구조가 설치, 차량 안정성에 용이하기 때문이다. 또, 완전히 트럭 하부에 위치하고 있기 때문에 비로 인한 피해가 적을 것으로 예상된다.

가) 구조
하단에서 흡입되어 상단으로 배출되는 구조를 선정하였다. 하단은 빗물이 튈 우려가 있으므로 팬과 내부 필터를 보호하기 위해 관로를 설치한다. 흡입팬에서 도로 재비산먼지를 흡입한다. 흡입팬에 유입부에는 격자모양의 거름망이 있어 직경이 큰 불순물 (자갈 돌)과 같은 입자의 유입을 방지하고 전단 흡입팬을 거친 후 공기는 필터를 통과하여 먼지를 포집한다. 필터 전 후단에 있는 매쉬망은 필터를 보호하는역할을 한다. 후단 배기팬은 필터의 압력손실을 방지하고 유체 흐름을 원활히 하기 위해 장착된다.

나) 흡입, 배기팬 
미세먼지는 브라운운동을 하는 작은 입자이기 때문에 흡입팬 없이는 원하는대로 입자가 움직이지 않는다. 추가적으로 차량이 달리고 있을 경우 차량 하부에는 난류가 발생하여 입자의 운동을 예측하기 더욱 힘든데 흡입팬을 사용하여 먼지를 좀 더 효과적으로 포집할 수 있게 한다. 차량용 배터리에 연결하여 사용할 예정이므로 DC 24V형을 사용한다. 포집 면적과 적정 풍속을 고려하여 용량을 선정한다. 그로 인해 공구함 판의 두께보다 팬의 두께가 커질 우려가 있다. 

다) 필터 
PM-10이상의 먼지에 대해 포집능력이 우수한 필터를 사용할 예정이다. 소재는 폴리에스터로 이루어져있다. 폴리에스터는 내마모성에 강하고, 집진시스템에 다양한 용도로 가장 광범위하게 사용되며, 비용 면에서도 저렴하기 때문이다. 도로 재비산먼지에 적용하기 때문에 내열성이나 내화학성보다는 내마모성과 비용 측면에서 보았을 때 폴리에스터가 가장 적합하다. PM-10 입자에 대해 90%의 저감 효율을 갖고 있어 1개 층으로 구성하여 90%의 저감효율을 갖도록 배치한다. 

◇ 부착위치 
뒷바퀴 뒤쪽, 적재함 아래에 비산먼지가 많이 발생되고 물, 자갈 등 오염물질의 영향이 적은 곳에 설치한다. 

이론적 계산 및 시뮬레이션

조립도

부품도

제어부 및 회로설계

화물차의 경우 차량 배터리를 12V를 2개 직렬연결 하여 24V 형태로 사용하고 있다. 왼쪽에 그림에있는 흡입팬의 경우 24V 슬리브 형태로 차량 배터리에 연결 하여 사용 예정이다.

사업모델 설계

- 본 연구에서는 소프트웨어 설계가 따로 없어 사업모델 설계로 대체 하였다.

◇ 정부가 미세먼지 저감 대책을 목표로 해당 과제를 지원하고 주유소, 정비소와 고객이 참여하는 플랫폼을 형성하는 것을 사업 모델로 한다. 

지원 금액의 분배는 향후 운영 단계 수립 시 결정하도록 한다. 필터 교체 필요 유무는 주유하는 동안 쉽게 확인 가능하며 주유소에서 필요 유무를 확인하고 고객에게 권유한다. 교체된 필터는 수집되어 역세척을 위한 설비로 전달되어 역세척 및 건조 후 다시 각 주유소로 납품된다. 이러한 정부의 지원을 얻기 위해서는 기존의 미세먼지 해결책보다 개선된 안을 내세워야 할 것이다. 기존 미세먼지 흡입차량과 차별화된 점은 다음과 같다.

추후 연구 개발에서 필터 박스 바깥쪽에 필터의 수명을 나타낼 수 있는 화면부를 만든다.

이는 다음과 같은 표시를 통해 수명을 나타낸다. 마지막 단계의 화살표가 깜박거리는 것은 필터 교체시기를 의미한다. 필터 교체 후 start 버튼을 길게 누르면 다시 처음 상태로 돌아간다. 이 표시는 차량 주행 거리를 시간으로 환산하여 (평균값, 중간값 활용, 현재 미 개발) 차량 주행 시간에 따라 표시하는 것을 목표로 개발한다.

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

특허출원번호 통지서

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

가). 장치효율 (20%)
장치에 부착된 필터는 1m/s의 유속에서 PM10입자에 대해 90%의 제거 효율을 갖는다. 본 장치는 설계 인자로 내부 유속을 고려하여 흡입 배기팬을 선정하였기에 1m/s을 만족하는 팬을 선정하였기에 제거 효율을 충족할 것으로 예상된다. 하지만 주행 도로의 포장 상태, 공사현장 등 흙먼지가 많이 날리거나 노면이 울퉁불퉁 한 부분이 존재 할 것을 고려하여 90점으로 평가하였다. 

나) 효과성 (30%)
본 설계 제품을 화물차에 직접 부착하였을 때의 먼지 제거의 효과성을 평가하도록 한다. 우선 분진 흡입 청소차의 경우 전체 차량이 PM10에 대해 연간 미세먼지 273ton을 수거할 수 있다. 본 제품을 사용하여 같은 제거량을 보인다면 필요한 제거량은  이지만 실제 추정 결과 로 나타나 81배의 효과를 보인다.

다) 필터 교체 주기 (10%)
고효율의 미세먼지 제거를 위한 가장 중요한 부분은 여과 필터이며 여과필터의 먼지부하가 커지게 되면 제거 효율이 감소하게 된다. 따라서 여과 필터의 효율적이고 지속적인 먼지 제거를 위해서필터 교체주기가 긴 필터를 선택해야 한다. 본 제품에 선택된 필터는 개당 약 60g의 미세먼지를 포집할 수 있으며 주행거리를 고려할 때 이는 약 1년 정도 기간을 주행해야 채울 수 있을 것으로 생각된다.

라) 사용성 (10%) 
본 설계 제품은 화물차 사용자 또는 대리점 직원이 장치 점검, 필터교체 등의 관리를 실시할 때 쉽게 조작하고 사용할 수 있어야 한다. 설계에 있어서 장치가 직관적인지, 교체 주기의 판단이 쉬운지, 교체가 용이한 편인지, 등을 판단한다. 본 제품은 교체주기 판단은 현재로써 불가능하기에 감점하였다.

마) 경제성 (30%)   
제품의 원가, 기업이윤, 협력사 제휴비를 포함하여 전체 1톤이하 화물차 60%에 장착한다면 2600억원이 필요하다. 미세먼지 1톤을 제거하는데 50억원이 들었다고 하니 50ton을 제거하는 것을 목표로 목표량을 산정하였다. 본 기기를 활용하여 미세먼지 50ton을 제거하는 데 필요한 제거량은  이다. 본 기기를 사용할 때 거리당 제거량이  이고, 연간 대당 화물차 평균 주행거리가 18,000km이니 미세먼지 제거에 경제적임을 알 수 있다.

향후평가

◇ 본 설계를 통해 이루고자 하는 목표는 ‘화물차에 부착하는 소형 집진 장치의 공학적인 설계를 통한 비 배출 미세먼지 저감’이다. 이러한 목표를 달성하기 위해 충분한 유량을 가진 흡입팬과 적절한 효율을 가진 집진장치들을 이용해 모델을 개발하였다. 자체적인 평가를 통해 실제적 적용 가능성을 판단한 결과, 총 100점 만점에 96점으로 평가되어 실제 적용 시에도 만족할 만한 기능을 수행할 수 있을 것으로 예상된다. 

◇ 해당 과제를 적용하는데 있어 소요되는 비용은 개당 15만원으로 이 중 원가는 약 7만 5천원이다. 제작 비용을 제외한 7만 5천원은 운영비용 및 보조금 지급에 사용될 예정이다. 정비소, 주유소와 같은 협력사와 참여 시민에게 보조금을 통해 참여를 독려하고 차량 구조를 바꿀 필요가 없고, 차량을 이용함으로 보조금을 지급받을 수 있으며 미세먼지 대책에 참여할 수 있다는 점을 강조하여 홍보한다면 높은 참여율을 얻을 수 있을 것이다. 이러한 방법을 통해 기존 분진흡입청소차량은 정부차원에서 이루어졌으나 본 제안은 시민차원의 참여를 이끌어낼 수 있으며 미세먼지에 대한 경각심을 일깨우고 환경에 대한 관심을 유도할 수 있다는 이점도 가지고 있다.

◇ 한정된 재원의 효율적 사용을 위해서는 효율성이 낮은 부문에 집중하기 보다는 여러 측면을 종합적으로 고려하여 대책을 선정해야 한다. 그러한 면에서 해당 과제를 이용하였을 때 재비산 먼지 발생시 즉각적, 지속적으로 제거가 가능하다는 점, 분진흡입청소차 보유의 지역별 불균형을 해결할 수 있다는 점, 추가적인 인력이나 운행을 위한 연료 소모가 없다는 점 등의 장점을 가지고 있기 때문에 충분한 경쟁력을 가질 수 있을 것이라 생각한다.

◇ 본 장치를 1톤 이하 화물차에 별도의 변경 없이 적용할 수 있고, 구조가 단순하여 개량이 용이하기에 다양한 차종에 적용가능한 모델을 제작하는 것도 가능할 것으로 보인다. 운행되는 자동차 중 장치를 부착한 차량이 많아질수록 도로 재비산먼지로 인한 미세먼지 문제는 감소될 것이다. 이를 위해서는 법제화 및 제도적 개선과 정부, 지자체들의 지원 등 많은 노력이 수반되어야 하나 다른 미세먼지 대책들과 비교하였을 때 충분한 경쟁력을 가지고 있어 활용하는 방안을 고려 할 만 하다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

1. 미세먼지 저감 위한 도로청소 개선방안, 2019, 서울연구원, 최유진 외 1인

2. 서울연구원, 최유진, 김영은, 미세먼지 저감 위한 도로 청소 개선방안

3. 미세먼지 기술개발 로드맵, 국가과학기술자문회의 심의회의 운영위원회

4. 기후환경본부 생활환경과, 서울시 ‘분진흡입차량으로 미세먼지 잡는다’ 보도자료

5. 환경부 수도권대기환경청, 수도권지역 도로청소 매뉴얼 설명회 자료

6. [미세먼지의 공격] 年 피해 10조원 넘어...소비영향 감안하면 경제에 큰 타격, 2017-03-23, 연합뉴스

7. CAPSS 전국 비산먼지 발생량, 국립환경과학원

8. 미세먼지 대응사업 분석, 국회 예산정책처

9. 통계청 2017년 자동차 등록대수 현황, 통계청                    

10. 도로 재비산먼지 관리시스템,   https://www.cleanroad.or.kr/open/list.do

11. 미세먼지 대응 사업 분석. 국회예산정책처 (2019)