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Journal of Korean Society for Atmospheric Environment - Vol. 40 , No. 3

[ 40th Anniversary Special Issue ]
Journal of Korean Society for Atmospheric Environment - Vol. 39, No. 5
Abbreviation: J. Korean Soc. Atmos. Environ
ISSN: 1598-7132 (Print) 2383-5346 (Online)
Print publication date 31 Oct 2023
Received 31 Jul 2023 Revised 04 Sep 2023 Accepted 23 Sep 2023
DOI: https://doi.org/10.5572/KOSAE.2023.39.5.796

항공기 운항 모드별 (LTO, Cruise) 대기오염물질 배출계수 도출 및 2019년~2021년 배출량 비교
조현정 ; 박윤서 ; 박민 ; 김선미1) ; 유철*
국가미세먼지정보센터 배출량조사팀
1)(주)위더인

Extraction of Emission Factors by Flight Mode (LTO, Cruise) of Domestic Aircraft and Comparison of Air Emissions during 2019~2021
Hyeon Jeong Cho ; Yun-seo Park ; Min Park ; Sunmi Kim1) ; Chul Yoo*
Emission Inventory Management Team, National Air Emission Inventory and Research Center, Cheongju, Republic of Korea
1)WITHEIN Co.,Ltd., Gwangmyeong, Republic of Korea
Correspondence to : * Tel : +82-(0)43-279-4550 E-mail : s7424yoo@korea.kr
Contributed by footnote: These two authors contributed equally to this work as co-first authors.


Abstract

Due to the recently increasing international aviation demand, European Environment Agency (EEA) is considering to include air pollutants in the aircraft cruise emissions emstimation list, which only covered greenhouse gases. Furthermore, under the 2019 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories, countries are recommended to submit the emissions of four air pollutants (CO, NOx, NMVOCs, SO2) that act as ozone precursors and contribute to greenhouse gas emissions. According to the National Air Pollutant Emission Inventory (CAPSS) of the Republic of Korea, the annual NOx emissions of the aviation sector have been increasing by approximately 6% each year from 2007 to 2019. Consequently, it would be necessary to additionally estimate and manage aircraft cruise emissions of air pollutants in Korea. In this study, based on domestic flight route information, we developed a method to estimate cruise mode emissions applying Tier 3A emission factors of EEA. The study covers 15 airports, 26 domestic flight routes and 21 aircraft models. We extracted a total of 546 emission factors for 26 domestic flight routes covered by 21 aircraft models. Applying these emission factors, we estimated the aircraft emissions by flight mode during 2019~2021. The results show that the annual cruise emissions were approximately twice as high as the emissions of Landing and Take-Off (LTO) mode for the same period. It should be noted that international flight emissions were excluded from this study due to the limitations of activity data. However, future studies should include international flight emissions in the inventory to understand the domestic flight emissions accurately. And then we should utilize modeling in analyzing the flight emissions’ impacts on climate and atmosphere.


Keywords: CAPSS, Air emissions, Aircraft, LTO, Cruise

1. 서 론

항공기 엔진에서 배출되는 CO2, NOx, HC, CO 등과 같은 오염물질은 공항 주변 지역의 대기질 악화, 건강 위해성 증가, 대기 중 화학반응을 통한 기후변화 등에 영향을 줄 수 있다 (Turgut and Usanmaz, 2017; Masiol and Harrison, 2014). 항공기 엔진에서 배출 되는 오염물질 배출량은 실측의 한계와 순항 (Cruise) 중 연료사용량 추정의 불확도 등으로 인해 상공 3,000 ft 이하에서 이뤄지는 이착륙 과정을 중심으로 연구 가 이루어져왔다 (ICAO, 2020; Turgut and Usanmaz, 2017). 그러나 고도 3,000 ft 이상의 상공에서 순항 중인 항공기 배출량은 온실가스 및 대기오염물질 배출을 통해 기후변화에 직접적으로 영향을 줄 수 있다 (Cui et al., 2022). 따라서 온실가스 측면에서는 항공기 이착륙 모드 (LTO mode)와 함께 순항 모드 (Cruise mode)도 항공 부문의 중요 배출원이며, ‘국가 온실가스 배출량 산정을 위한 2006 IPCC 가이드라인’에서는 국가별 항공기 순항 모드 (Cruise mode)의 온실가스 배출량을 제출하도록 하고 있다 (IPCC, 2006).

최근 들어, 온실가스뿐 아니라 대기오염물질의 항공기 순항 모드 배출량과 관련한 연구가 미국, 유럽 및 중국을 중심으로 추진되고 있다. Barret et al. (2010)은 항공기 엔진에서 순항 (cruise) 시 배출되는 NOx가 오존 전구체로 작용함에 따른 인체 위해성은 무시할 수 없는 수준이며, 이착륙 배출량뿐 아니라 순항 중 NOx 배출량을 관리하기 위한 정책적인 대책이 필요함을 강조하였다. 이 외에도 미국 등 국외에서는 순항 중 PM, NOx, HC 등의 배출량 산출방안, 배출로 인한 대기질 영향 분석, 바이오 연료 사용에 따른 저감효과 분석 등과 같은 관련 연구를 수행하였다 (Cui et al., 2023, 2022; More et al., 2017; Vennam et al., 2017).

이와 더불어, 2019 IPCC 가이드라인에서는 ‘오존 전구체 (Ozone precursors)’로 작용하는 대기오염물질 4종 (CO, NOx, NMVOCs, SO2)을 간접온실가스로 정의하고, 온실가스 배출량 통계에 포함하여 제출할 것을 권고하고 있다 (IPCC, 2019). 그리고 유럽 EMEP/EEA에서는 향후 더 늘어날 항공 수요에 대비하여 대기오염물질의 순항 모드 배출량 산정을 ‘대기오염물질 배출량 인벤토리 가이드북 2019’에서 제시하고 있으며, 유엔기후변화협약 (UNFCCC)에 따라 순항 모드 대기오염물질 배출량을 산정 및 공표한다 (EEA, 2023).

한국에서는 현재 항공기 대기오염물질 배출 현황을 관리하기 위해 환경부 국가미세먼지정보센터에서 매년 전국 공항별 항공기 이착륙 모드 (LTO mode)의 연간 배출량을 산정하여 공표한다.

최근 국내 항공 부문 대기오염물질 배출량은 국민 소득수준 향상 및 항공실적 증가 등으로 인해 지속적으로 증가하고 있다. 한국 환경부의 국가 대기오염물질 배출량 통계 (CAPSS)에 따르면 2007년 대비 2019년에 항공 부문 질소산화물 (NOx) 배출량이 연간 5,751톤에서 11,560톤으로 2배 넘게 증가하였고, 휘발성유기화합물 (VOCs)은 531톤에서 822톤으로 약 55%가 증가하였다 (NAIR, 2019). 특히, NOx 배출량의 국내선 증가폭이 60%인데 반해 국제선의 증가폭은 134%로 매우 크게 나타났으며, 이는 해외여행 및 국외 화물운송 수요의 급격한 증가를 의미한다. 따라서, 국내에서도 저가항공사를 포함하여 급격하게 증가하고 있는 국제노선과 기타 국내 항공수요에 대비하여, 항공 부문 배출량 관리를 강화할 필요가 있다.

본 연구에서는 유럽 EEA에서 제시하는 항공기 순항 모드 (Cruise mode) 배출량 산정방식을 기반으로 국내 영공에서의 항공기 순항 모드 (Cruise mode) 배출량 산정방안을 제안하고자 한다. 다만, 유럽 등 해외 주요국에서 유엔기후변화협약 (UNFCCC)과 같은 기후관련 협약 및 배출량 관리를 위해 순항 배출량을 산정하고 있지만, 그 범위는 국내선으로 한정하고 있는 점을 고려하여 본 연구에서도 국내선을 대상으로 분석하였다. 추가로, 현재 국내 항공기 이착륙 모드 (LTO mode)의 배출계수를 미국 연방항공청 (FAA) 항공기 배출모델 EDMS v5.1 (2008) 기반에서 AEDT-2d (2017) 기반으로 현행화하여 최근 항공기 배출량 현황을 분석하였다.


2. 연구 방법
2. 1 항공기 이착륙 모드 (LTO mode)
2. 1. 1 배출량 산정방법

이착륙 모드 (LTO mode) 배출량은 상공 3,000 ft 이하에서 이뤄지는 항공기 이착륙 단계에서 발생하는 배출량을 의미하며, 5가지 운항 모드 (Taxi out, Take off, Climb out, Approach landing, Taxi in)가 포함된다.

이착륙 (LTO) 배출량은 국가 대기오염물질 배출량 통계 (CAPSS) 작성방식에 근거하여 산정하였으며 (NAIR, 2022), 이는 순항 모드 (Cruise mode) 배출량 산정 결과 분석 시 활용하고자 하였다. 배출량은 한국공항공사 및 인천국제공항공사의 항공기 기종별 이착륙횟수를 이용하여 산정하며, 배출량 산정식은 다음과 같다.

Eij=Aj/2×Eij(1) 
  • Eij= 항공기 기종별 (j), 오염물질별 (i) 이착륙 모드 배출량 (kg/yr)
  • Aj=항공기 기종별 (j) 이착륙횟수
  • EFij= 항공기 기종별 (j), 오염물질별 (i) 배출계수 (kg/LTO)
2. 1. 2 기초자료 구축

항공기 이착륙 배출량을 산정하기 위하여 국내선 및 국제선에 대한 항공기 기종별 이착륙횟수를 조사하였으며, 이는 한국공항공사 및 인천국제공항공사로부터 자료를 제공받았다. 연구 범위는 국내에 위치하고 있는 총 15개 공항이며, 공항명과 IATA 및 ICAO 코드 등 기본 정보는 표 1에 나타냈다. 대상 기간은 2019~2021년이며, 항공기 기종은 국내선 21종 및 국제선 53종을 바탕으로 하였다.

Table 1. 
List of airports in Korea.
Classification Airport IATA code ICAO code Location
International
Terminals (8)
Incheon International Airport ICN RKSI Jung-gu (district), Incheon
Gimpo International Airport GMP RKSS Gangseo-gu, Seoul
Yangyang International Airport YNY RKNY Yangyang-gun (county), Gangwon-do (province)
Muan International Airport MWX RKJB Muan-gun, Jeollanam-do
Jeju International Airport CJU RKPC Jeju-si (city), Jeju-do
Daegu International Airport TAE RKTN Dong-gu, Daegu
Cheongju International Airport CJJ RKTU Cheongju-si, Chungcheongbuk-do
Gimhae International Airport PUS RKPK Gangseo-gu, Busan
Domestic
Terminals (7)
Ulsan Airport USN RKPU Buk-gu, Ulsan
Yeosu Airport RSU RKJY Yeosu-si, Jeollanam-do
Gwangju Airport KWJ RKJJ Gwangsan-gu, Gwangju
Gunsan Airport KUV RKJK Gunsan-si, Jeollabuk-do
Wonju Airport WJU RKNW Hoengseong-gun, Gangwon-do
Pohang Gyeongju Airport KPO RKTH Pohang-si, Gyeongsangbuk-do
Sacheon Airport HIN RKPS Sacheon-si, Gyeongsangnam-do
* Sources: Airportal, https://www.airportal.go.kr/index.jsp (Ministry of Land, Infrastructure and Transport)

2. 1. 3 기종별 배출계수 도출

항공기 이착륙 모드 (LTO mode)의 배출계수는 국가 대기오염물질 배출량 통계 (CAPSS) 산정방식을 준용하되, 항공기 기종별 배출계수를 최신화하여 적용하였다. 국가 대기오염물질 배출량 통계 (CAPSS)에서는 EDMS (FAA, 2008)의 배출계수를 사용하고 있으며, 본 연구에서는 EDMS (FAA, 2008)의 업데이트 버전인 AEDT-2d (FAA, 2017)를 활용하였다. 현재 CAPSS에서 사용 중인 EDMS (Emission and Dispersion Modeling System)는 FAA (Federal Aviation Administration)에서 개발한 항공기 운항에 따른 연료 연소, 오염물질의 배출 및 확산을 모사하는 모델이다. 업데이트 버전인 AEDT (Aviation Environmental Tool)는 기본적으로 주요 기능은 EDMS와 동일하나, 연료 사용량 추정방식이 개선되고, 일부 기종의 엔진정보 수정 및 신규 기종정보가 추가되었다.

우선, 미국 FAA (연방항공청)의 항공기 배출모델 인 AEDT-2d의 기종별 대표 엔진 (World) 정보를 리스 트업하고, 항공기 엔진별 배출계수를 ICAO databank (v.28)를 참고하여 매칭하였다. AEDT에서 제시하는 대표 엔진은 미국, 유럽, World 3가지 유형으로 구분되며, 본 연구에서는 국내 항공사의 기종별 엔진정보 자료 부재로 World 값을 적용하였다. 산정 시 2019~2021 년을 기준으로 국내선·국제선 운항 기종을 모두 포함하였다.

PM 및 VOCs 배출계수는 AEDT-2d에서 제시하는 별도의 산정식을 적용하여 도출하였다. PM은 FOA (First-Order Approximation) 3.0 방법론을 적용한다. FOA 3.0 방법론은 LTO 사이클 동안의 비휘발성 PM과 휘발성 PM 배출의 예측을 독립적으로 산정하는 방법으로, ICAO/CAEP가 2007년 2월 승인하여 전 세계적으로 사용되고 있다. 또한, PM은 항공기 엔진에서 배출되는 입자상 물질의 공기역학적 직경이 0.1 µm 미만으로 보고되었으며 (Eurocotrol, 2018), 이에 따라 TSP, PM10, PM2.5 배출계수는 동일하게 적용하였다. VOCs는 ICAO에 제출된 HC 계수에 전환계수 (CF, Conversion Factor)를 적용하여 VOCs 배출계수를 도출하였다 (US EPA, 2009).

2. 2 항공기 순항 모드 (Cruise mode)
2. 2. 1 배출량 산정방법

순항 모드 (Cruise mode) 배출량은 상공 3,000 ft 이상의 순항 단계에서 발생되는 배출량을 의미하며, 유럽 환경청 (EMMP/EEA) 가이드라인을 기반으로 산정하였다. 산정방법은 크게 (1) 항공기의 이착륙 (LTO) 및 총 (Total) 연료사용량 기반 (Tier 1), (2) 항공기의 기종별 이착륙 (LTO) 및 총 (Total) 연료사용량 기반 (Tier 2), (3) 항공기의 기종별 출발·도착정보 기반 (Tier 3A), (4) 항공기 전체 비행 궤적정보 기반 (Tier 3B) 산정으로 구분된다 (EEA, 2019). EEA (2019)에 따르면 Tier 1 및 Tier 2 방법론은 이착륙 (LTO) 및 총 (Total) 연료사용량을 통해 순항 (Cruise) 중 연료사용량을 추정하여 배출량을 산정하며, Tier 3A 방법론은 항공기 기종 및 노선별 운항정보 확보가 가능할 경우의 산정방법으로 기종별 운항거리에 따른 배출량을 산정한다.

본 연구에서는 항공기 기종 및 노선별 운항정보 수집이 가능하여 Tier 3A 배출계수를 적용하는 배출량 산정방법을 제시하고자 한다. 산정식은 다음과 같다.

Eijk=ΣAjk×EFijk(2) 
  • Eijk= 항공기 기종별 (j), 순항거리별 (k), 오염물질별 (i) 순항 모드 배출량 (kg/yr)
  • Ajk= 항공기 기종별 (j), 순항거리별 (k) 운항횟수
  • EFijk= 항공기 기종별 (j), 순항거리별 (k), 오염물질별 (i) 배출계수 (kg/운항횟수)
2. 2. 2 기초자료 구축

항공기 순항 모드 (Cruise mode) 배출량을 산정하기 위하여 국내선에 대한 항공기 기종별, 노선별 운항횟수를 조사하였으며, 이는 한국공항공사 및 인천국제공항공사로부터 자료를 제공받았다. 운항노선은 총 26개이며, 항공정보포털시스템 (Airportal)을 통해 국내선 노선별 운항거리 자료를 수집하였다. 국내선 노선별 운항거리는 표 2와 같으며 (MOLIT, 2022), 김해 ↔ 광주, 김포 ↔ 무안, 대구 ↔ 양양, 울산 ↔ 김해, 인천 ↔ 울산, 포항경주 ↔ 인천 6개의 노선은 운항거리에 대한 자료 수집이 불가능하여 연구 범위에서 제외하였다. 연구 대상 기간은 2019~2021년이며, 항공기 기종은 국내선 21종을 바탕으로 하였다.

Table 2. 
Distances of domestic air routes.
Routes Distance (km) Routes Distance (km)
 Gimpo ↔ Gwangju 270 Gwangju 182
 Gimpo ↔ Gimhae 327 Gunsan 266
 Gimpo ↔ Daegu 249 Gimhae 291
 Gimpo ↔ Sacheon 298 Daegu 330
 Gimpo ↔ Yangyang 174 Muan 164
 Gimpo ↔ Yeosu 311 Sacheon 227
 Gimpo ↔ Ulsan 317 Yangyang 542
 Gimpo ↔ Jeju 449 Yeosu 180
 Gimpo ↔ Pohang Gyeongju 293 Ulsan 349
 Gimpo ↔ Yangyang 320 Wonju 456
 Gimhae ↔ Incheon 338 Incheon 438
 Yangyang ↔ Gwangju 365 Cheongju 367
 Incheon ↔ Daegu 264 Pohang Gyeongju 383
*Distance: one-way distance

2. 2. 3 기종 및 노선별 배출계수 도출

항공기 순항 모드 (Cruise mode)의 배출계수는 EEA Tier 3A (기종별 운항거리당 배출량) 기종별 배출계수를 적용하였다. EEA Guidebook 2019 부록 (Annex 5)에 기종별 운항거리별 연료연소량 (Fuel burn) 및 오염물질별 배출량이 제시되어 있으며, 이 데이터는 연료사용량을 기반으로 모델링된 추정치이다. 해당 정보를 국내 운항 기종 및 노선정보와 매핑하여 배출계수를 도출하였으며, 항공기 기종은 2019~2021년을 기준으로 국내선 운항 기종을 모두 포함하였다. 배출계수 산출방법은 크게 2단계의 절차로 구성되며, 우선 각 기종별로 운항거리 (x)에 따른 오염물질별 배출량 (y)의 상관식 (선형 추세선)을 작성하였다. EEA Guidebook에서 제시하는 운항거리와 배출량 간의 상관계수 (R)는 최소 0.9373 (HC)~최대 1 (SOx)로 선형 관계를 가짐을 확인하였다. 이에 따라 국내선 노선별 운항거리 (x)에 따른 기종별, 국내선 노선별 배출계수 (kg/운항횟수) 목록을 도출하였다. 노선별 운항거리는 항공정보포털시스템 (Airportal)에 공개되어 있는 운항거리 자료를 활용하였다. 다만 운항거리는 항공통계 작성을 위한 노선별 대권거리 기준이므로 실제 이동거리와는 다소 차이가 있을 수 있다.

이착륙 모드와 마찬가지로 TSP, PM10, PM2.5 배출계수는 동일하게 구축하였다. VOCs 배출계수는 노선 거리에 따른 HC 배출량에 전환계수 (Conversion factor)를 적용하여 추정하였다 (EPA, 2009). 또한, 블랙카본 (BC)은 PM 배출량에 분율 0.48을 적용하였다 (EEA, 2019).


3. 연구 결과
3. 1 운항 모드별 (LTO, Cruise) 배출계수

항공기 이착륙 모드 (LTO mode)의 배출계수 도출 결과는 표 3과 같으며, TSP 및 PM10의 배출계수는 PM2.5와 같다. VOCs의 배출계수는 HC 배출계수에 전환계수 (CF=1.15)를 적용하였다.

Table 3. 
Emission factors of aircraft (LTO mode). (Unit: kg/LTO)
Aircraft CO NOx SOx PM2.5 VOCs
A21N 7.5548 16.7193 1.1195 0.0740 1.6371
A319 9.4860 7.4632 0.8067 0.0575 2.2660
A320 8.2450 11.2820 0.9559 0.0654 1.8915
A321 10.4807 30.9295 2.3603 0.3484 0.1616
A322 8.2450 11.2820 0.9559 0.0654 1.8915
A32S 7.5548 16.7193 1.1195 0.0740 1.6371
A330 13.4830 27.8728 2.3827 0.1472 0.1804
A332 13.4830 27.8728 2.3827 0.1472 0.1804
A333 13.4830 27.8728 2.3827 0.1472 0.1804
A340 7.6527 32.2249 1.9752 0.0906 0.0830
A350 21.1897 35.3218 2.5393 0.1574 2.4251
A359 21.1897 35.3218 2.5393 0.1574 2.4251
A380 25.0254 35.4346 2.1849 0.1441 3.4655
ABF 12.8999 24.1474 1.9925 0.1097 1.2091
AN12F 3.7562 5.4372 0.8355 0.0429 13.1881
B38M 6.8721 13.4385 1.0689 0.0768 0.7751
B731 13.0345 7.1899 0.9176 0.0548 0.9663
B737 8.6481 7.6590 0.8446 0.0550 1.1656
B738 6.8721 13.4385 1.0689 0.0768 0.7751
B739 7.0665 12.2971 1.0319 0.0734 0.8356
B73F 6.8721 13.4385 1.0689 0.0768 0.7751
B744 12.6332 22.2251 1.9440 0.1058 1.1872
B747 12.6332 22.2251 1.9440 0.1058 1.1872
B74F 12.6332 22.2251 1.9440 0.1058 1.1872
B757 12.2515 14.9834 1.5959 0.1587 0.1923
B75F 12.2515 14.9834 1.5959 0.1587 0.1923
B763 14.4675 28.1945 2.0786 0.1063 1.3749
B767 14.4675 28.1945 2.0786 0.1063 1.3749
B76F 14.4675 28.1945 2.0786 0.1063 1.3749
B772 6.3050 27.9227 1.3657 0.0770 0.2611
B773 47.5421 69.7951 3.6200 0.2094 5.9018
B777 6.3050 27.9227 1.3657 0.0770 0.2611
B77F 6.3050 27.9227 1.3657 0.0770 0.2611
B787 10.1261 31.4226 2.1422 0.0932 0.3370
B788 10.4978 25.2467 2.0237 0.0881 0.3736
B789 10.1261 31.4226 2.1422 0.0932 0.3370
C300 8.2450 11.2820 0.9559 0.0654 1.8915
CCX 12.7164 8.3533 1.0496 0.1548 0.5558
CRJ 5.6856 4.2403 0.5589 0.0253 0.0297
CS3 8.2450 11.2820 0.9559 0.0654 1.8915
CS300 8.2450 11.2820 0.9559 0.0654 1.8915
E190 13.5978 5.6804 0.7098 0.0492 1.9728
IL7 91.7297 22.0388 3.2924 1.1656 22.5403
M11 6.0933 12.7239 1.0259 0.0570 0.5526
MD1F 6.0933 12.7239 1.0259 0.0570 0.5526
MD82 8.4877 8.4318 1.1539 0.0690 0.0000
MD83 8.0419 9.2080 1.1744 0.0734 0.0000
RRJ95B 9.2050 5.9015 0.7956 0.1159 0.3138
SU9 9.2050 5.9015 0.7956 0.1159 0.3138
T2F 4.2455 23.2958 1.5389 0.0724 0.3196

항공기 순항 모드 (Cruise mode)의 배출계수 도출 결과는 표 4와 같다. TSP 및 PM10의 배출계수는 PM2.5와 같으며, VOCs의 배출계수는 HC 배출계수에 전환계수 (CF=1.15)를 적용하였다. x는 순항거리 (km)를 의미하며, x에 국내선 노선에 따른 순항거리를 대입하여 계산함으로써 최종적으로 기종별, 순항거리별 (노선별) 배출계수를 얻을 수 있다.

Table 4. 
Emission factors by flight distance (Cruise mode). (Unit: kg/km)
Aircraft CO NOx SOx PM2.5 HC
A220 0.0048x+2.8147 0.0361x+11.376 0.0023x+0.2446 0.0004x+0.0042 0.0011x+0.5486
A21N 0.0040x+1.3379 0.0516x+17.914 0.0028x+0.3456 0.0012x+0.0672 0.0003x+0.0032
A320 0.0048x+2.8147 0.0361x+11.376 0.0023x+0.2446 0.0004x+0.0042 0.0011x+0.5486
A321 0.0040x+1.3379 0.0516x+17.914 0.0028x+0.3456 0.0012x+0.0672 0.0003x+0.0032
A330 0.0049x+10.331 0.0813x+38.030 0.0051x+0.7663 0.0010x+0.0003 0.0001x+1.1078
A332 0.0049x+10.331 0.0813x+38.030 0.0051x+0.7663 0.0010x+0.0003 0.0001x+1.1078
A333 0.0054x+8.4299 0.0741x+37.449 0.0049x+0.7431 0.0009x+0.0277 0.0001x+0.9387
B38M 0.0025x+4.0767 0.0364x+13.194 0.0024x+0.3395 0.0003x+0.0430 0.0006x+0.3915
B737 0.0032x+3.0749 0.0317x+11.993 0.0022x+0.2931 0.0003x+0.0427 0.0005x+0.3169
B738 0.0025x+4.0767 0.0364x+13.194 0.0024x+0.3395 0.0003x+0.0430 0.0006x+0.3915
B739 0.0025x+3.1759 0.0406x+12.437 0.0025x+0.2952 0.0003x+0.0427 0.0006x+0.2923
B744 0.0048x+11.003 0.1384x+23.412 0.0088x+0.4365 0.0011x+0.0916 0.0011x+1.0002
B747 0.0048x+11.003 0.1384x+23.412 0.0088x+0.4365 0.0011x+0.0916 0.0011x+1.0002
B763 0.0066x+12.603 0.0752x+20.966 0.0045x+0.3895 0.0007x-0.0237 0.0009x+3.3094
B767 0.0066x+12.603 0.0752x+20.966 0.0045x+0.3895 0.0007x-0.0237 0.0009x+3.3094
B772 0.0038x+5.6562 0.1503x+21.317 0.0058x-0.0381 0.0010x-0.1414 0.0006x+0.1126
B773 0.0062x+18.722 0.1840x+33.675 0.0077x+0.1600 0.0011x-0.0779 0.0007x+2.1590
B777 0.0038x+5.6562 0.1503x+21.317 0.0058x-0.0381 0.0010x-0.1414 0.0006x+0.1126
B787 0.0060x+2.2936 0.1237x+32.685 0.0048x+0.1492 0.0008x-0.0109 0.000002x+0.0142
C300 0.0048x+2.8147 0.0361x+11.376 0.0023x+0.2446 0.0004x+0.0042 0.0011x+0.5486
CS300 0.0048x+2.8147 0.0361x+11.376 0.0023x+0.2446 0.0004x+0.0042 0.0011x+0.5486

3. 2 배출량 산정 결과
3. 2. 1 이착륙 모드 (LTO mode) 배출량 (국내·국제선)

항공기 이착륙 모드 (LTO mode) 대기오염물질 배출량은 국내선 항공기 21기종, 국제선 53기종에 대해서 2019~2021년을 대상으로 공항별로 산정하였다. 대상항목은 일산화탄소 (CO), 질소산화물 (NOx), 황산화물 (SOx), 휘발성유기화합물 (VOCs), 초미세먼지 (PM2.5) 5종이다 (표 5).

Table 5. 
Emissions from aircraft between 2019 and 2021 (LTO mode). (Unit: tons)
Year Classification No. of LTO CO NOx SOx PM2.5 VOCs
2019 Total 459,471 4,301 8,724 673 57 418
Domestic 195,349 1,609 3,266 255 22 184
International 264,122 2,692 5,458 418 34 234
2020 Total 255,990 2,309 4,888 374 31 226
Domestic 172,383 1,425 2,955 231 21 157
International 83,607 884 1,933 143 10 69
2021 Total 278,415 2,455 5,348 411 35 224
Domestic 212,690 1,721 3,651 288 28 175
International 65,725 733 1,697 123 7 49

먼저 연간 이착륙횟수는 2019년 459,471회, 2020년 255,990회, 2021년 278,415회로 나타났다 (그림 1). 2020년의 이착륙횟수는 COVID-19의 영향으로 인해 2019년 대비 2020년에 국내선이 11.8% (22,966회), 국제선이 68.3% (180,515회) 감소하여 총 44.3% (230,481회) 감소하였다. 반면에, 2021년의 이착륙횟수는 2020년 대비 국내선이 23.4% (40,307회) 증가하고 국제선이 21.4% (17,882회) 감소하여, 총 8.8% (22,425회) 증가하였다. 이는 COVID-19의 장기화로 해외여행 대신 국내여행 수요가 늘어 증가한 것으로 확인되었다 (MOLIT, 2022).


Fig. 1. 
Aircraft Landing and Take-Off (LTO) between 2019 and 2021.

2019~2021년의 오염물질별 배출량 현황은 2020년에 모든 오염물질이 전년 대비 감소하였으며, 2021년의 경우 VOCs를 제외한 모든 오염물질이 전년 대비 증가하였다 (그림 2). 2020년은 국제선 배출량 감소 (최소 65.9% ~최대 79.1% 감소)가 주요 원인으로 나타났으며, 그중 3개 주요 기종의 이착륙횟수 (LTO) 감소 (80.3~85.9%)가 주요 영향을 끼친 것으로 나타났다. 또한, 2021년은 국내선 배출량 증가 (6.3~11.7%)가 주요 원인으로 나타났으며, 그중 2개 주요 기종의 이착륙횟수 (LTO) 증가 (34.8~36.4%)가 영향이 큰 것으로 확인되었다.


Fig. 2. 
Emissions from aircraft between 2019 and 2021 (LTO mode).

3. 2. 2 순항 모드 (Cruise mode) 배출량 (국내선)

항공기 국내선 순항 모드 (Cruise mode) 대기오염물질 배출량은 2019~2021년 항공기 기종별, 노선별 운항횟수 및 노선별 운항거리 자료를 기반으로 산정하였다. 항공기 21종 및 국내선 26개 노선에 대해서 산정하였으며, 결과는 표 6과 같다.

Table 6. 
Emissions from aircraft between 2019 and 2021 (Cruise mode). (Unit: tons)
Year Total flight distance
(km)
Flight operations
(No.)
CO NOx SOx PM2.5 VOCs
2019 72,815,781 198,032 1,026 6,230 262 38 172
2020 63,791,957 172,764 865 5,363 227 35 139
2021 78,206,414 212,615 997 6,466 276 45 144

먼저, 총 운항거리와 운황횟수를 살펴보면 2020년에 전년 대비 감소하였다가, 2021년에 전년 대비 증가하는 경향이 나타났다 (그림 3). 2020년의 총 운항거리는 2019년 대비 12.4% (9,023,824 km), 운항횟수는 12.8% (25,268회) 감소하였으며, 이는 COVID-19의 영향이 주요 원인이었다. 한편, 2021년의 총 운항거리는 2020년 대비 22.6% (14,414,457 km), 운항횟수는 23.2% (39,851회) 증가하였으며, 이는 COVID-19의 장기화로 해외여행 대신 국내여행 수요가 늘어 증가한 것으로 확인되었다 (MOLIT, 2022).


Fig. 3. 
Total flight distance (left) and a number of domestic flight (right) between 2019 and 2021.

국내선 순항 모드 (Cruise mode) 배출량의 경우 2019~2021년 모두 NOx의 배출량이 가장 많게 나타났으며, 이어서 CO, SOx, VOCs, PM2.5 순으로 나타났다 (그림 4). 오염물질별 전년 대비 증감률은 총 운항거리 및 운항횟수의 연도별 변화추이와 마찬가지로 2020년에 감소하였다가 2021년에 증가하는 경향을 보였다. 2020년의 경우 CO 15.7% (161톤), NOx 13.9% (868톤), SOx 13.4% (35톤), PM2.5 7.9% (3톤), VOCs 19.2% (33톤) 감소하였으며, 그중 김포 ↔ 제주, 김해 ↔ 인천, 제주 ↔ 김해 노선의 총 운항거리 및 운항횟수 감소 (13.8~80.9%)가 큰 영향으로 나타났다. 또한, 2021년에는 CO 15.3% (132톤), NOx 20.6% (1,104톤), SOx 21.6% (49톤), PM2.5 28.6% (10톤), VOCs 3.6% (5톤) 증가하였으며, 그중 김포 ↔ 김해, 김포 ↔ 제주, 제주 ↔ 청주 노선의 총 운항거리 및 운항횟수 증가 (15.4~49.3%)가 주요 원인으로 확인되었다.


Fig. 4. 
Emissions from aircraft between 2019 and 2021 (Cruise mode).

3. 2. 3 운항 모드별 (LTO, Cruise) 배출량 비교

항공기 이착륙 모드 (LTO mode) 및 순항 모드 (Cruise mode) 대기오염물질 배출량 산정 결과를 비교해 보면 (표 56), 항공기 엔진에서 발생하는 대기오염물질 배출은 NOx 및 CO가 주요한 항목이며, 특히 순항 모드 (Cruise mode)에서의 NOx 배출이 이착륙 모드 (LTO mode) 대비 약 2배 정도 높은 것을 확인하였다.

이와 같이, 항공기 배출량은 운항 모드 (이착륙·순항)에 따라 배출 수준과 특성이 상이하므로, 이착륙 모드 (LTO mode)와 같이 순항 모드 (Cruise mode)도 별도의 배출량 관리가 필요할 것으로 사료된다.

2020년 항공기 운항 모드별 (이착륙·순항), 기종별 배출량 산정 결과는 표 7표 8에 나타냈다. 이는 모두 국내선에 대한 배출량이고 기종명은 임의로 부여하였다. 이착륙 배출량은 PM2.5를 제외한 나머지 물질의 경우 A9 기종이 가장 많았으며, 그 다음으로 A3, A2 순으로 배출량이 많은 것으로 나타났다. PM2.5도 유사하게 A3, A9 순으로 배출량의 비중이 많았다. 배출량이 큰 2개 기종이 오염물질별로 전체 배출량의 61.7 % (CO)~78.6 % (PM2.5)의 비중을 차지했다. 순항 배출 량 또한 A9, A3 또는 A13 기종 순으로 배출량이 많은 것으로 나타났다. 그리고 각 오염물질별로 배출량 이 가장 큰 2개 기종의 배출량이 전체 배출량의 59.0% (CO)~68.1 % (PM2.5)를 차지했다. 기종별 배출량을 비교한 결과, 운항 모드 (이착륙·순항)와는 관계 없이 운항실적이 많은 기종이 오염물질을 많이 배출하는 것을 확인하였다. 또한, 기종별 이착륙 배출량과 순항배출량의 차이도 약 2배 수준으로 기종별로 균일하게 나타났다.

Table 7. 
Emissions from aircraft domestic 2020 (LTO mode). (Unit: kg)
Aircraft CO SOx Aircraft NOx Aircraft PM2.5 Aircraft VOCs
 A9 561,413 87,322  A9 1,097,847  A3 10,574  A9 63,318
 A3 318,099 71,638  A3 938,742  A9 6,274  A2 36,240
 A2 157,974 18,315  A2 216,163  A2 1,253  A18 28,603
 A18 124,681 14,455  A13 186,648  A18 989  A13 9,102
 A13 95,775 13,761  A18 170,6070  A10 765  A10 8,708
 Etc. 167,014 25,433  Etc. 344,635  Etc. 1,590  Etc. 10,995
 Total 1,424,956 230,924  Total 2,954,642  Total 21,445  Total 156,966

Table 8. 
Emissions from aircraft domestic 2020 (Cruise mode). (Unit: kg)
Aircraft CO Aircraft SOx NOx Aircraft PM2.5 Aircraft VOCs
 A9 407,239  A9 99,686 2,167,500  A9 12,507  A9 57,395
 A13 103,022  A3 42,060 1,125,783  A3 11,486  A13 28,267
 A3 85,728  A2 19,296 448,183  A2 2,617  A2 20,183
 A2 84,699  A13 15,935 362,003  A18 2,073  A18 15,895
 A18 66,675  A18 15,252 353,364  A13 1,921  A10 6,295
 Etc. 117,300  Etc. 34,899 905,773  Etc. 4,629  Etc. 11,167
 Total 864,663  Total 227,128 5,362,606  Total 35,232  Total 139,202

다만, 항공기 이착륙과 순항 배출량은 모두 산정대상 항공기의 엔진제원을 기반으로 배출량을 산정해야하나, 국내 항공사 정보 수집의 한계로 국외 (미국, 유럽) 정보를 적용하였다. 이로 인한 배출량의 불확도가 존재할 수 있어, 향후 국내 항공사 정보의 수집을 통해 더 정확한 배출량 산정이 필요할 것으로 사료된다.


4. 결 론

본 연구에서는 국내 영공에서의 항공기 순항 모드 (Cruise mode) 배출량 산정방안 마련을 위해 연간 운항정보와 EEA 배출계수를 기반으로 국내선 노선별·기종별 순항 모드 (Cruise mode) 배출계수를 도출하였다. 도출된 배출계수를 기반으로 최근 3년간 (2019~2021) 배출량을 산정한 결과, NOx 기준 이착륙 모드 (LTO mode) 배출량의 2배가 넘는 수준으로 확인되었다. COVID-19 영향을 받기 전인 2019년 배출량을 기준으로, 아직 산정하지 못한 국제선 순항 모드 (Cruise mode) 배출량을 포함한다면 연간 항공기 순항 모드의 NOx 배출량은 연간 1.5만 톤을 넘어설 것으로 추정된다. 전 세계적으로 급격하게 증가하는 항공수요와 앞으로의 COVID-19 영향 해소 가능성을 고려하면, 국내 영공에서 배출되는 항공기 대기오염물질 배출량 관리는 장기적으로 필수적인 과제라고 사료된다. 따라서, 우선적으로 국제선의 국내 영공 중 순항 배출량을 추가로 분석하여 항공기 배출 현황을 정확하게 파악해야 한다. 장기적으로 도출된 배출량을 기반으로 대기 모델링 등을 통해 기후 및 대기질에 항공기 배출량이 미치는 영향을 분석한다면, 항공 부문의 기후 대기오염 방지 대책 수립의 과학적 기반으로 활용할 수 있을 것으로 기대한다.


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Authors Information

조현정 (국가미세먼지정보센터 배출량조사팀 전문연구원) (hj9589@korea.kr)

박윤서 (국가미세먼지정보센터 배출량조사팀 환경연구사) (pys1010@korea.kr)

박 민 (국가미세먼지정보센터 배출량조사팀 전문연구원) (parkmin@korea.kr)

김선미 ((주)위더인 선임) (happysun727@naver.com)

유 철 (국가미세먼지정보센터 배출량조사팀 팀장) (s7424yoo@korea.kr)