지난 6월 환경부에서는 경유차 실도로 조건의 질 소산화물 과다배출에 대한 대책을 추진한다고 보도 하였다. 과다 배출 원인은 무엇 때문일까? 6/12일자 환경부 보도 자료에 따르면, 서울의 대기질 중 PM10
과 NO2의 농도는 2001년에 각각 대략 70μg/m3와 38ppb에서 2013년 45μg/m3와 35ppb로 변하여 PM10은 개선되는 반면 NOx는 답보 상태임을 나타내고 있 다. 그러나 우리 나라의 경유차에 대한 배출가스 규 제는 2005년 유로3 규제가 도입된 후 2014년 유로6로 기준이 강화됨에 따라 NOx 배출 허용 기준은 0.5g/
km에서 0.08g/km로 6배 이상 강화된 반면 실제 주행 시 NOx 배출량은 40% 저감에 그쳐, 도심지역 NOx 농도 답보상태의 주요 원인으로 지적하였다. 따라서 본 글에서는 자동차 배기가스 저감 기술 개발에 영 향을 주는 요인을 배출허용기준 강화라는 관점에서 살펴보고 미래에는 화학공학 관점에서 무엇을 해야 하는지 알아보고자 한다.
먼저 자동차 산업에 대한 이해를 돕고자 간략한 자동차 산업과 자동차의 동력원인 내연기관의 전망 에 대하여 알아보겠다. 흔히 내연기관 자동차는 근 시일 내 상당부분 전기차나 연료전지차로 대체될 것 이라는 우려가 존재한다. 과연 그럴까?
1. 자동차 산업과 내연 기관의 전망
국내 자동차 산업은 완성차를 생산하는 현대·기
아자동차, 한국지엠, 쌍용자동차, 대우버스 등과 같 은 제조회사와 해당 업체에 부품을 공급하는 협력 업체로 구성되어 있으며, 2012년 자동차 산업 통계 지표에 따르면 자동차 산업은 국내 제조업 총 생산 액의 11.6%(175.2조 원), 부가가치의 11.1%(53.2조 원), 총 업체 수의 6.1% (3,869개)를 차지하고 있다.
또한 전체 제조업 종사자의 10.9%(32만 명)가 자동차 제조 분야에 근무하고 있으며, 생산·소재 생산·판 매·정비 등 연관분야까지 합산할 경우 약 180만 명(
전체 제조업 고용인원의 12.0%)이 자동차 산업에 종 사하고 있다.
2014년 기준 대한민국의 자동차 산업은 중국, 미 국, 일본, 독일을 이어 생산량 기준 약 450대로 세 계 5위를 유지하고 있으며(2014 Production Statistics, OICA) 자동차 부품 수출액 또한 2013년 기준 261억 달러를 기록하여 2000년 대비(21억 달러) 12.4배 이 상으로 빠른 속도로 성장하고 있다. 그러므로 자동 차 산업은 반도체 산업과 함께 국가 경제를 주도하 는 국가의 기간산업이다. 특히 현대·기아자동차는 2009년 이후 세계 자동차 시장 기준 5위의 점유율을 유지하고 있다.
그럼, 내연기관의 미래는 어떻게 될까? 물론 저 공해차인 전기차와 연료전지차 등의 보급이 확대되 겠지만 자동차 내연기관인 가솔린 및 디젤엔진에 대 한 연비 향상과 천연가스, 바이오 에탄올 등 다양한
자동차 배출가스 저감을 위한 개발 방향과 미래의 도전
정진우 [email protected] 현대자동차 연구개발본부
연료를 기반으로 내연기관 자동차 체계가 가까운 미 래에도 지속될 것으로 전망하고 있다. 아울러 향후 2035년까지의 전세계 Light Duty Vehicle의 점유율 전 망치를 보면 하이브리드 엔진, 스타트/스톱(공회전 저감 장치, 정차 시 엔진이 꺼지고 주행 시 다시 켜 짐) 등 내연기관의 연비 향상을 위한 기술 개발을 통 하여 내연기관 차량이 여전히 91%를 차지하고 있을 것으로 기대되고 있다(Transportation Forecast Light Duty Vehicles: Global Market Forecasts 2014-2035, Navigant Research, 2014). 다음은 국내 배출가스 규 제 동향을 살펴 보고자 한다.
2. 현재와 미래의 국내 배출가스 규제 동향
1) 현재
국내 자동차 배출가스 규제를 승용차 기준으로 살펴 보겠다. 배출가스 규제는 크게 가솔린 자동차 와 디젤 자동차에 대한 규제로 나뉘어 있다. 국내 가 솔린 자동차에 대한 현 배출가스 관리는 2009년 이후 미국의 FAS(평균 배출량 제도, Fleet Average System) 제도를 도입하여 배출가스 배출량을 제한하고 있다.
표 1는 배출가스허용 기준으로 4단계로 나뉘어 있다.
FAS 제도는 일반인들은 낯선 제도일 것이다. 그림 1 는 FAS 계산 방식을 보여주고 있으며, 2015년 14,000 대 판매를 기준으로 계산한 적용 사례로 2015년 FAS 기준값은 0.022이며, 각 기준 단계 별로 생산 시 계 산값이 0.021로 나와 적합한 상태가 되는 반면 만약 이 FAS 기준을 불만족 시 과징금과 7년 이하의 징역 을 받을 수도 있다. 경유 자동차의 경우는 가솔린 차 량에 비하여 매우 단순하다. 현재 적용되고 있는 기 준은 유로6 기준으로 신차는 2014년 9월, 기존차는 2015년 9월부터 적용되게 된다. 이전의 규제는 유로 5 규제로 유로6로 넘어가면서 질소산화물의 규제가 0.18g/km에서 0.08g/km로 대폭 강화되었음을 표 2에 서 볼 수 있다.
2) 미래
미국, 경유차의 경우 유럽과 보조를 발맞춰 나가고 있다.
가솔린 자동차의 경우 2016년부터 배출가스 허 용 기준을 4단계에서 7단계로 세분화하고 이는 미국 의 캘리포니아주에서 적용 예정인 LEV(Low Emis- sion Vehicle) III 규제를 반영한 것이다. 표 3은 배출 가스 허용 기준 상세 내역이며, 표 4는 연도 별 지켜 야 할 신규 FAS(Fleet Average System) 기준이다. 계 산 방식은 현재의 기준과 동일하다. 가장 큰 변화는 개별 적용되던 NMOG와 NOx 기준이 NMOG+NOx 합산 기준으로 바뀌고 그 규제치가 소형 승용차 기 준으로 2016년 0.063g/km에서 2025년 0.019 g/km로 약 70%를 저감 해야만 한다. 다음으론 PN(Particulate Number) 규제이다. 기존 6ⅹ1012개에서 6ⅹ1011개로 2017년부터 강화될 예정이다. 또한 배출가스 보증기 간이 10년 또는 19.2만km에서 15년 또는 24만km으 로 대폭 강화된다. 연비 규제 관련하여 이미 미국은 CAFE(Corporate Average Fuel Economy) 기준이 있어 Combined Cars & Trucks 기준으로 2017년 35.3mpg에 서 2025년 49.6mpg로 강화되어 2017년 대비 약 40%
의 연비 개선이 필요하다.
반면, 경유자동차의 경우는 2017년 유로6c 규제 가 적용될 예정이다. 유로6c의 배출가스 규제치는 유로6 기준과 동일하나 최근의 주요 이슈는 차량 평 가 모드가 NEDC(New European Driving Cycle)에서 WLTC(Worldwide harmonized Light-duty Test Cycle) 로 바뀌는 것과 RDE(Real Driving Emission) 도입 여 부이다. 전자는 최근의 운전 패턴을 반영한 급가·
감속을 반영한 차량 인증 모드(그림 2)이고, 후자는 일정 기준의 실제 도로를 정하여 그곳을 실제 운전 하며 실제 차량에서 배출되는 배출가스를 측정하여 기준을 만족하느냐를 따지는 것이다. 이는 이동식 배출가스 측정방비(PEMS)의 발달로 가능해 졌다.
하지만 RDE의 경우 유럽집행위와 유럽회원국(총 28 개국) 간 논의에 의해 지난 5월 도입은 원칙적으로 승인하였으나 유럽집행위와 유럽자동차공업협회 간
표 1. 현행 국내 휘발유ㆍLPG차 배출가스 허용기준 (단위 : g/km)
기준 보증기간 CO NMOG NOx PM (GDI only)
1 LEV 8만km 2.11 0.047 0.031
0.004
‘14.1(신차)
‘15.1(기존차)
19.2만km 2.61 0.056 0.044
2 ULEV 8만km 1.06 0.025 0.031
19.2만km 1.31 0.034 0.044
3 SULEV 19.2만km 0.625 0.00625 0.0125
4 ZEV 19.2만km 0 0 0
※ LEV : Low Emission Vehicle, ULEV : Ultra Low Emission Vehicle, SULEV : Super Ultra Low Emission Vehicle, ZEV : Zero Emission Vehicle, GDI : Gasoline Direct Injection
그림 1. FAS 계산식 및 2015년 기준 적용 예
표 2. 국내 경유차 배출가스 허용기준 (단위 : g/km)
차 종 CO NOx HC+NOx PM PN
유로5 유로6 유로5 유로6 유로5 유로6 유로5 유로6 유로5/6
승용차 0.50 0.50 0.18 0.08 0.23 0.17 0.005 0.0045 6×10
11#/km
표 3. 개정 국내 휘발유ㆍLPG차 배출가스 허용기준 (단위 : g/km)
기준 보증기간 CO NMOG+NOx PM
LEV
24만km
2.61 0.100 0.002
ULEV 1.31 0.078 0.002
ULEV70 1.06 0.044 0.002
ULEV50 1.06 0.031 0.002
ULEV30 0.625 0.019 0.002
SULEV20 0.625 0.0125 0.002
ZEV 0 0 0
Factor) 값이 미정이다. 이와 더불어 2021년까지 CO2
Fleet Average 기준으로 WLTC 모드에서 95g/km CO2
을 만족하여야 한다.
3. 배출가스 규제와 배기가스 정화 기술의 관계
자동차 배기가스 정화 기술의 양산개발은 자동 차 배출가스 규제와 밀접한 관계를 가진다. 예를 들 면 디젤 자동차의 경우 배기가스 규제가 유로5에서 유로6로 넘어가면서 질소산화물(NOx)의 규제치가 0.18g/km에서 0.08g/km으로 56% 강화되면서 유로6 규제 대응으로 생산되는 자동차는 엔진에서의 배출 가스 저감의 한계로 대부분 질소산화물을 저감할 수 있는 LNT(Lean NOx Trap)나 SCR (Selective Catalytic Reduction)이 적용되기 시작하였다. 반면 향후 적용 예정인 유로6c 규제의 경우 가장 큰 변화인 WLTC와 RDE 주행모드 도입은 자동차 제작사에 배기정화장 치에 대한 많은 고민과 변화를 요구하게 될 것이다.
실제로 실도로에서의 배출가스 규제를 적용하기 위
입하기는 지난 5월에 결정하고도 아직까지 적용 시 점과 규제 강도를 논의 중인 상황이다.
다시 서론으로 넘어가서, 왜 질소산화물의 배출 가스 규제는 유로3에서 유로6로 감에 따라 80% 이 상 강화되었지만 도심지역 NOx 농도는 답보상태인 것인가? 이는 차량의 배출가스 평가 인증 모드 특수 성 때문이다. 현재 차량 평가는 차대동력계의 정해 진 주행모드에서 에어컨 정지, 20~30℃의 운전 온도, 0~120km/h 속도 범위에서의 일정한 가속도 운행 조 건에서 평가되므로 실제 운전 조건을 100% 반영하 지 못하기 때문이다. 그럼 ‘왜 경유차인가?’이다. 실 도로 조건에서 평가한 교통환경연구소의 발표 자료 에 따르면 휘발유, LPG, 하이브리드차의 경우 인증 기준 대비 실주행배출가스가 상대적으로 낮게 나와 모두 배출허용기준을 만족하는 반면, 유로5 차량의 경우 질소산화물 배출이 인증조건 대비 1.14 ~ 9.6배 과다 배출되었고, 유로6 차량의 경우 인증기준 대비 1.25~2.8배 초과했기 때문이다. 따라서 실도로 조건 을 반영한 WLTC와 RDE모드의 도입이 주요 이슈가
표 4. 개정 국내 휘발유ㆍLPG차 평균배출허용기준 (NMOG+NOx FAS, 단위 : g/km)
구분 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025
소형차 0.063 0.058 0.053 0.049 0.043 0.039 0.034 0.029 0.024 0.019
중형차 0.074 0.068 0.062 0.056 0.050 0.043 0.037 0.031 0.025 0.019
그림 2. 경유차 배출가스 주행 모드 : NEDC vs. WLTC
가솔린 자동차의 경우는 어떨까? 가솔린 자동차의 배출가스 규제를 들여다 보면 가장 큰 변화가 예상되 는 항목은 PN(Particulate Number) 규제이다. 6ⅹ1011개 의 규제를 만족하기 위하여 GPF(Gasoline Particulate Filter)라는 추가 장치가 필요하게 될 수도 있다. 다음 은 FAS(Fleet Average System)이다. 가솔린 자동차의 경우 내년부터 2025년까지 매년 NMOG+NOx 합산 규 제치를 0.004~0.007g/km 줄여야 하는 난제를 가지고 있다. 이와 더불어 경유차와 가솔린차 모두 온실가스 (GHG, Greenhouse Gas)에 대한 규제가 강화된다는 것 이다. 이에 따라 향후 N2O 및 CH4에 대한 대응 기술 이 필요하게 될 것이다.
4. 차량 연비 향상을 위한 배기정화 기술의 도전
그 동안 자동차에서 배기정화 기술은 기존의 엔 진 기술을 보완하기 위한 관점에서 개발이 진행 되었다. 즉, 엔진 관점에서 우선 배출가스를 줄이 는 노력을 하고 이를 보완하기 위하여 보조적인 역 할을 수행하였다. 그러나 향후 CO2 및 CAFE 규제 에서 보듯이 내연기관이 살아 남기 위해서는 끊임 없는 연비 개선 노력이 필요하다. 대부분의 자동 차 제작사들은 이를 위하여 가솔린 엔진의 경우 T-GDI(Turbocharged-)를 이용한 엔진 Down sizing, CDA(Cylinder Deactivation), High EGR(Exhaust Gas Recirculation), Atkinson cycle, Lean boost 등의 기술 이 개발되고 있으며, 디젤 엔진의 경우에는 2-Stage Turbocharger, Dual Loop EGR System, Premixed and Low Temperature Combustion 등이 연구되고 있다.
그러나 궁극적으로 이들 연비 개선을 위하여 본 기 술들이 적용되는 경우 공통적으로 배기가스 온도 가 낮아지는 문제가 발생한다. 배기가스 온도는 배 출가스 정화장치의 성능과 밀접하게 관계된다. 현 재의 배기정화시스템이 안정적인 운전을 위해 걸리 는 시간은 가솔린 자동차의 경우 TWC(Three Way Catalyst)가 활성화(약 350℃ 이상)되기 위하여 시동
을 켠 후 수십 초이고, 경유차의 경우 200여초가 지 나야(약 180℃ 이상) 배기정화장치가 제대로 정화하 기 시작한다. 이를 반대로 생각하면 배기가스 온도 가 낮아져 시동 초기 촉매가 Light-off온도에 도달하 는 시간이 길어지면 그 시간 동안 엔진에서 배출되 는 오염물질들이 배기정화장치에서 처리가 안되고 대기로 배출된다는 것이고 이는 배출가스 규제를 불 만족시킬 수도 있다. 그러므로 향후에는 배출가스 규제 강화와 더불어 연비 개선 엔진 기술 실현을 위 하여 엔진 기술을 보완해 오던 보조 장치인 배기정 화장치의 중요성이 더욱 빛을 발하는 상황이 된다는 것이다. 여기에 후처리 기술이던 배기정화 기술이 개발 방향을 제시할 수 있는 전처리 기술로 전환 될 수 있는 기회가 존재한다.
5. 맺음말
현재 양산되고 있는 가솔린 및 경유 자동차의 배 출가스 정화 기술은 현 자동차 엔진 기술을 보완하 는 위치에서 배출가스 규제와 밀접한 관계를 가짐을 이상의 고찰로부터 확인할 수 있다. 또한 동일한 기 능을 수행하는 여러 가지의 기술이 있는 경우 예를 들면 질소산화물을 저감하는 LNT와 SCR 기술처럼, 그 가격이 선택 기준이 된다. 그러나 미래에는 자동 차 배기가스 정화기술의 확보가 자동차의 연비를 개 선할 수 있는 새로눈 장을 열어줄 열쇠가 될 것이다.
따라서 낮아지는 배출가스 온도에 대응하여 저온에 서 활성을 보이는 촉매 및 시스템 개발 즉, 예를 들 면 가솔린의 TWC + active/passive SCR또는 디젤의 저온 산화와 흡착 촉매 등의 연구가 활발히 진행될 것이며, 또한 배기열 관리를 통하여 배기정화장치를 조기 활성화시킬 수 있는 에너지 효율적인 차별화된 시스템의 개발이 필요할 것이다.
마지막으로 이를 위하여 촉매, 반응공학, 반응장 치 및 시스템 제어에 대한 기반 지식을 습득하는 화 공학도가 기여할 수 있는 역할이 점차 증대될 것으 로 생각한다.
