1. 인용문

지구 온난화 추세가 갈수록 심각해지면서 온실가스 과다 배출이 이슈로 떠오르고 있다.유엔정부간기후변화전문위원회 (IPCC) 의 여러차례 보고는 이산화탄소 (CO), 메탄 (CH₄), 산화아질소 (N O) 등 인류활동이 배출하는 대량의 온실가스가 지구기후시스템을 지속적으로 개변시켜 빙하가 녹고 해수면이 상승하고 극-단 기후사건이 빈발하는 등 일련의 생태위기를 유발하고있다고 경고했다.이런 맥락에서'탄소중립''탄소다봉'목표는 많은 국가와 지역에서 일정에 올라 전 세계 기후변화 대응의 핵심 전략으로 떠오르고 있다.그리고 이러한 목표를 실현하는 전제는 온실가스 배출에 대한 정확한 모니터링, 계량화 분석 및 효과적인 관리 통제이다.온실가스감시측정시스템이 생겨나 선진적인 기술구조와 강대한 기능으로 정확한 탄소감축의 새로운 경로를 잠금해제하는"열쇠"로 되였으며 각 업종의 탄소감축행동에서 역할을 발휘하고있다.

2. 온실가스 모니터링 시스템의 구성과 기술 원리

2.1 시스템 구성

2.1.1 샘플링 모듈

샘플링 모듈은 모니터링 환경에서 가스 샘플을 채취하여 샘플이 대표적인지 확인하는 역할을 합니다.대기환경감시측정에서 흔히 고공표본추출기를 채용하여 전문적인 표본추출펌프를 통해 부동한 고도의 대기층의 기체를 표본추출도관으로 추출하여 후속분석단위로 전송한다.공업오염원을 감측할 때 굴뚝, 배기구 등 배출원에 대해 고온, 부식에 견디는 전용표본추출프로브를 배치하여 배출원 내부에 깊숙이 들어가 정확한 배출가스견본을 획득한다.

2.1.2 분석 모듈

분석 모듈은 가스 샘플의 온실가스별 농도를 정밀하게 측정하기 위한 모니터링 시스템의 핵심이다.현재 주류의 분석 기술은 적외선 스펙트럼 분석, 레이저 스펙트럼 분석 및 기상 크로마토그래피 분석 등을 포함한다.적외선 스펙트럼 분석기의 경우, 서로 다른 온실가스 분자는 특정 파장의 적외선에서 흡수하는 특성을 가지고 있으며, 분석기는 기체의 적외선 흡수 정도를 측정하여 랑버-빌 법칙을 이용하여 CO₂, CH₄ 등 기체의 농도를 정확하게 계산한다.레이저 스펙트럼 분석은 레이저와 가스 분자의 상호작용을 이용하여 온실가스에 대한 높은 민감도, 높은 해상도의 측정을 실현한다.

2.1.3 데이터 처리 및 전송 모듈

이 모듈은 분석 모듈 출력의 원시 데이터를 처리, 저장 및 전송하는 역할을 합니다.데이터 처리 단위는 복잡한 알고리즘을 활용하여 원시 데이터를 교정, 필터링, 이상 값 제거 등의 조작을 진행하여 데이터의 질을 향상시킨다.

2.1.4 보조 모듈

보조 모듈에는 전력 공급 시스템, 온도 제어 시스템, 보호 케이스 등이 포함된다.안정적인 전력공급시스템은 감시측정설비의 지속적인 운행을 확보하며 야외나 편벽한 지역에서는 늘 태양에네르기전력공급시스템에 축전지를 배합하여 에너지자급자족을 실현한다.온도제어시스템은 분석모듈 등 관건부품이 적합한 온도에서 작업하도록 보장하여 측정정밀도와 설비의 안정성을 제고한다.견고하고 내구성이 강한 보호 케이스는 방수, 방진, 부식 방지 기능을 갖추고 있어 모니터링 시스템이 각종 열악한 자연과 공업 환경에 적응할 수 있다.

2.2 기술 원리

2.2.1 적외선 흡수 원리

CO₂, CH₄, N₂O 등 많은 온실가스는 적외선 대역에서 특징적인 흡수봉을 가지고 있다.붉은 외광이 이런 기체가 함유된 견본을 통과할 때 특정한 파장의 적외선은 기체분자에 의해 흡수되여 빛의 강도가 약화된다.빛의 강도 변화와 기체 농도의 정량적 관계, 즉 랑버-빌의 법칙 I = I ₀e ⁻ᵇᶜ (그 중 I 는 투과광강, I ₀ 은 입사광강, k 는 흡수계수, b 는 광정 길이, c 는 기체 농도) 에 따라 빛의 강도 변화를 측정하여 기체 농도를 반전시킬 수 있다.이 원리에 기반한 적외선 스펙트럼 분석기는 구조가 간단하고 응답 속도가 빠르며 측정 정밀도가 높은 등 장점이 있어 온실가스 모니터링에 널리 활용된다.

2.2.2 레이저 스펙트럼 기술

레이저 스펙트럼 기술은 주로 튜닝 가능한 다이오드 레이저 흡수 스펙트럼(TDLAS)과 챔버 강화 흡수 스펙트럼(CEAS) 등을 포함한다.TDLAS 기술은 반도체 레이저를 이용하여 파장을 정확하게 조정할 수 있는 레이저를 발사하여 목표 온실가스의 흡수 스펙트럼 선과 정확하게 일치하게 하며, 레이저 흡수 신호를 감지하여 가스 농도를 측정한다.레이저는 높은 단색성, 높은 방향성, 높은 밝기 등의 특성을 가지고 있기 때문에 TDLAS 기술은 온실 가스에 대한 높은 감도, 높은 해상도 검사를 실현할 수 있으며, 특히 저농도 가스 모니터링에 적합하다.CEAS 기술은 레이저를 고반사율 챔버 안에 여러 번 반사하여 빛과 가스의 상호 작용 광정을 크게 증가시킴으로써 흔적 농도의 온실 가스를 감지할 수 있는 감지 감도를 크게 향상시킵니다.

2.2.3 기상 크로마토그래피의 원리

기상 크로마토그래피 분석은 가스 샘플을 고정상이 장착된 크로마토그래피 기둥에 주입하는 것으로, 서로 다른 온실가스는 고정상과 유동상(가스적재) 간 분배계수가 다르기 때문에 크로마토그래피 기둥에서 분리한 뒤 순차적으로 검출기를 통해 검출된다.흔히 사용하는 검출기로는 화염이온화검출기(FID)가 탄화수소 검출용, 전자포획검출기(ECD)가 전기음성원소를 함유한 온실가스 검출용 등이다.기상 크로마토그래피는 복잡한 혼합 가스 중의 다양한 온실가스를 정확하게 분리하고 정량 분석할 수 있으며, 높은 분리 효능, 높은 선택성 등의 우세를 가지고 있지만, 그 분석 주기는 상대적으로 길기 때문에 일반적으로 실험실의 정확한 분석이나 모니터링 정밀도에 대한 요구가 비교적 높은 장면에 사용된다.

3. 온실가스 모니터링 시스템이 서로 다른 장면에서의 응용

3.1 산업 분야

3.1.1 철강 산업

철강 생산 과정에서 철광석 제련에서 강재 압연에 이르기까지 많은 고에너지 소모, 고배출 단계와 관련되어 온실가스 배출의 중점 업종이다.제철소에서의 온실가스 모니터링 시스템의 응용은 주로 용광로, 회전로, 가열로 등 배출원을 중심으로 한다.굴뚝·배기 배관에 모니터링 장비를 설치해 CO₂, CH₄ 등 가스 배출 농도와 총량을 실시간으로 모니터링한다.

3.1.2 화학공업

화학공업은 생산공정이 복잡하고 여러가지 화학반응과 관련되며 배출되는 온실가스의 종류가 다양하고 성분이 복잡하다.모니터링 시스템은 화학기업에서 흔히 볼 수 있는 CO₂, CH ₄를 모니터링하는 데 사용될 뿐만 아니라 불소 함유 온실가스 등을 효과적으로 모니터링할 수 있다.불소화학기업을 례로 들면 생산작업장, 반응솥배기구의 불소함유온실가스에 대한 실시간 감측을 통해 기업은 제때에 생산과정에서의 루출점을 발견하고 상응한 복구조치를 취하여 강한 온실가스의 배출을 줄일수 있다.이밖에 감시측정시스템은 화학공업과정시뮬레이션소프트웨어와 결부하여 기업이 생산공정매개변수를 최적화하고 에너지소모와 온실가스배출을 낮추도록 도와주었다.

3.1.3 전력 산업

전력업계, 특히 화력발전기업에서는 석탄, 연료 또는 가스발전과정에서 대량의 CO₂배출이 산생된다.온실가스 모니터링 시스템은 한편으로는 발전소 보일러 굴뚝 수출에 설치하여 CO₂배출 농도와 유량을 정확하게 측정하고, 발전소 탄소 배출 채산에 정확한 데이터를 제공하여 탄소 거래 시장 참여를 돕는다.다른 한편으로 부동한 승무원의 운행작업상황하의 배출수치에 대한 장기적인 감시측정과 분석을 통해 발전소는 연소통제책략을 최적화하고 연료배합비율, 공기과잉계수 등 매개변수를 조정하여 연소과정을 더욱 충분하게 하고 CO₂배출강도를 낮출수 있다.

3.2 농업 분야

3.2.1 농경지 온실가스 배출 모니터링

농경지는 CH ₄와 N₂O의 중요한 배출원이다.벼를 재배하는 과정에 물에 잠긴 조건하의 토양의 염산소환경은 메탄균을 생산하는 활동에 유리하여 CH₄가 대량으로 배출된다.농경지의 질소비료의 사용은 미생물의 작용으로 N₂O로 전환되어 대기에 배출된다.농경지에 다중 모니터링 설비를 설치하여 정적 상자-기상 크로마토그래피 또는 레이저 스펙트럼 기술에 기반한 원위치 모니터링 설비를 사용하여 서로 다른 작물의 생장 단계, 서로 다른 시비 관리 조치 하의 CH ₄와 N₂O 배출 통량을 실시간으로 모니터링한다.연구에 따르면 벼 관개 방식을 합리적으로 조정하고 장기 침수 대신 간헐 관개를 채택하면 CH ₄ 배출을 현저하게 줄일 수 있다;완석비료, 정확한 시비기술을 채용하는 등 질소비료사용책략을 최적화하면 N₂O배출을 효과적으로 줄일수 있다.

3.2.2 가금 양식 온실가스 배출 모니터링

가금 양식업이 배출하는 CH₄는 주로 동물의 장 발효 및 분뇨 염산소 분해에서 나온다.규모화 양식장에서는 양식사, 분뇨 저장·처리 시설에 온실가스 모니터링 장비를 설치해 CH ₄와 N₂O 배출 현황을 실시간으로 파악한다.

3.3 도시 환경 분야

3.3.1 도시 공기 품질 모니터링

도시 중 자동차 배기가스 배출, 공업원 무조직 배출 및 주민 생활원 배출 등은 온실가스를 공기 질에 영향을 주는 중요한 요소로 만든다.도시 지역에 격자화된 온실가스 모니터링 사이트를 설치하고 대기환경 모니터링 슈퍼스테이션과 결합해 고정밀 모니터링 장비를 이용해 CO₂, CH₄, N₂O 등 가스를 실시간 모니터링한다.모니터링 데이터는 도시 공기 질 상황을 평가하는 데 사용될 뿐만 아니라 소스 분석 기술을 통해 서로 다른 온실 가스의 배출원 기여도를 식별 할 수 있습니다.

3.3.2 쓰레기 매립장 및 하수처리장 모니터링

쓰레기 매립장과 하수처리장은 도시에서 중요한 CH ₄ 배출원이다.쓰레기 매립장에서는 매립지, 침출액 처리시설에 모니터링 우물과 가스 센서를 설치함으로써 CH ₄ 농도와 배출량을 실시간으로 모니터링한다.감시측정수치를 리용하여 매립작업방식을 합리하게 계획한다. 례를 들면 제때에 매립쓰레기를 피복하고 매립가스수집과 리용시스템을 최적화하며 매립가스를 발전 또는 열공급에 사용함으로써 CH ₄배출을 줄일뿐만아니라 에너지회수리용도 실현한다.오수처리장은 염산소처리단위에 대한 CH ₄감측을 통해 오수처리공정매개변수를 최적화하고 처리효률을 높이며 CH ₄일산을 낮춘다.

4. 온실가스감시측정시스템이 정확한 탄소감소를 조력하는 우세

4.1 탄소 배출원을 정확하게 포지셔닝

온실가스 모니터링 시스템은 서로 다른 공간 척도, 서로 다른 배출 단계에 모니터링 지점을 설치함으로써 온실가스의 배출 원천을 정확하게 식별할 수 있다.공업기업의 복잡한 생산공정에서 원자재가공으로부터 제품성형에 이르는 매 단계마다 감시측정시스템은 실시간으로 배출수치를 포착하고 고배출공정과 설비를 확정할수 있다.

4.2 양적 감축 효과

모니터링 시스템의 장기적이고 연속적인 모니터링 데이터를 빌어 순위 감소의 실제 효과를 정확하게 계량화할 수 있다.기업이나 지역은 에너지 절약 및 배출 감소 조치를 취한 후, 예를 들면 고효율 에너지 절약 설비 교체, 생산 공정 최적화, 청정 에너지 보급 등 조치 실시 전후의 온실가스 배출 데이터를 비교하여 배출 감소 효과를 직관적으로 평가할 수 있다.

4.3 배출 감축 전략 최적화

모니터링 시스템이 제공하는 실시간, 동적 데이터는 탄소 배출 모델을 구축하고 서로 다른 배출 감축 전략에서의 온실가스 배출 추세를 예측하는 데 사용할 수 있다.다양한 감축 방안에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 비교적 우수한 전략 조합을 선별한다.

4.4 규정 준수 보장

전 세계적으로 탄소 배출 감축 규정이 엄격해짐에 따라 기업과 조직은 막대한 규정 준수 압력에 직면해 있다.온실가스 모니터링 시스템이 제공하는 정확하고 신뢰할 수 있는 데이터는 탄소 배출 계산, 보고 및 검증의 요구를 만족시킬 수 있으며, 기업이 탄소 거래 시장, 탄소세 징수 등 정책 환경에서 합법적으로 운영될 수 있도록 보장한다.

5. 온실가스 모니터링 시스템의 발전 추세

5.1 기술 혁신으로 모니터링 정밀도 향상

앞으로 양자급렬레이저(QCL), 광음향 스펙트럼(PAS) 등 신흥기술이 온실가스 모니터링 분야에서 깊이 응용됨에 따라 모니터링 시스템의 정밀도와 민감도는 더욱 높아질 것이다.QCL 기술은 파장 범위가 더 넓고 출력이 더 높은 레이저를 생성할 수 있어 더 많은 종류의 온실가스에 대한 흔적 모니터링을 실현할 수 있다;PAS 기술은 가스가 빛을 흡수한 후 발생하는 음파 신호를 감지함으로써 검출 감도를 대폭 향상시켜 대기 중 극저농도 온실가스에 대한 정확한 측정을 실현할 수 있을 것으로 기대되며, 전 세계 기후변화 연구에 더욱 정확한 데이터를 제공할 수 있을 것이다.

5.2 지능화 및 자동화 심화

인공지능(AI), 머신러닝(ML) 알고리즘으로 온실가스 모니터링 시스템이 지능화된 데이터 처리와 분석을 구현한다.AI 알고리즘은 데이터 이상을 자동으로 식별하고 장비 고장을 예측해 시스템 운행 안정성을 높일 수 있다;ML 알고리즘은 대량의 모니터링 데이터를 심도 있게 발굴하여 더욱 정확한 탄소 배출 모델을 구축하여 온실가스 배출원에 대한 스마트 추적 및 동적 예측을 실현할 수 있다.이와 동시에 자동화감시측정설비는 끊임없이 업그레이드되여 자동교정, 자동표본추출, 자동세척 등 기능을 구비하고 인공간섭을 줄이며 운수원가를 낮추고 감시측정효률을 제고하게 된다.

5.3 다원적 데이터 융합과 협동 모니터링

온실가스 배출 동태를 전면적으로 파악하기 위해 미래 모니터링 시스템은 위성 원격 감지 데이터, 지상 모니터링 데이터, 사물인터넷 감지 데이터 등 다원적 정보를 융합할 것이다.위성원격탐지는 넓은 범위, 거시적인 온실가스농도분포정보를 제공할수 있으며 지면감시측정소는 정확한 지정측량을 실현하고 사물인터넷설비는 도시, 공업단지 등 국부지역에 대해 정밀화감지를 진행한다.다원적 데이터 융합 분석을 통해 더욱 전면적이고 입체적인 온실가스 모니터링 네트워크를 구축하여 전 세계, 지역, 국지의 서로 다른 척도의 탄소 배출에 대한 협동 모니터링과 종합 평가를 실현한다.

5.4 소형화 및 휴대성 발전

마이크로 전기 시스템 (MEMS) 기술이 발전함에 따라 온실가스 모니터링 장비는 소형화, 휴대화 방향으로 나아갈 것이다.소형 휴대용 장치는 더 복잡한 시나리오에 쉽게 배포할 수 있습니다.이와 동시에 과학연구일군들이 야외현지감측을 진행하는데 편리하고 더욱 풍부한 한손의 수치를 획득하여 온실가스감측이 고정사이트에서 다원화, 분포식감측으로 전환되도록 추진하고 감측응용의 폭과 깊이를 넓혀야 한다.

6. 결론

온실가스감시측정시스템은 정확한 탄소감축을 실현하는 관건기술의 버팀목으로서 공업, 농업, 도시환경 등 여러 분야의 탄소배출감시측정과 관리에서 대체할수 없는 역할을 발휘하고있다.탄소 배출원을 정확하게 포지셔닝하고, 배출 감축 성과를 계량화하며, 배출 감축 전략을 최적화하고, 규정 준수를 보장함으로써 전 세계가 기후 변화에 대응하고, 탄소 중립 목표를 실현하기 위해 정확한 탄소 감축의 새로운 경로를 개척했다.기술혁신이 끊임없이 추진됨에 따라 미래 온실가스 모니터링 시스템은 정밀도 향상, 지능화 발전, 다원 데이터 융합 및 소형 휴대화 등 방면에서 지속적으로 돌파하여 온실가스 배출에 대한 모니터링과 관리 통제 능력을 한층 더 향상시켜 지구 생태환경을 수호하고 인류 사회의 지속가능한 발전을 추진하는데 더욱 큰 힘을 이바지할 것이다.