자동차배출가스저감을위한 개발방향과미래의도전 정진우 drchoung@hyundai.com 현대자동차연구개발본부 지난 6월환경부에서는경유차실도로조건의질소산화물과다배출에대한대책을추진한다고보도하였다. 과다배출원인은무엇때문일까? 6/12일자환경부보도자료에따르면, 서울의대기질중 PM 10 과 NO 2 의농도는 2001년에각각대략 70μg/m 3 와 38ppb에서 2013년 45μg/m 3 와 35ppb로변하여 PM 10 은개선되는반면 NOx는답보상태임을나타내고있다. 그러나우리나라의경유차에대한배출가스규제는 2005년유로3 규제가도입된후 2014년유로6로기준이강화됨에따라 NOx 배출허용기준은 0.5g/ km에서 0.08g/km로 6배이상강화된반면실제주행시 NOx 배출량은 40% 저감에그쳐, 도심지역 NOx 농도답보상태의주요원인으로지적하였다. 따라서본글에서는자동차배기가스저감기술개발에영향을주는요인을배출허용기준강화라는관점에서살펴보고미래에는화학공학관점에서무엇을해야하는지알아보고자한다. 먼저자동차산업에대한이해를돕고자간략한자동차산업과자동차의동력원인내연기관의전망에대하여알아보겠다. 흔히내연기관자동차는근시일내상당부분전기차나연료전지차로대체될것이라는우려가존재한다. 과연그럴까? 1. 자동차산업과내연기관의전망국내자동차산업은완성차를생산하는현대 기 아자동차, 한국지엠, 쌍용자동차, 대우버스등과같은제조회사와해당업체에부품을공급하는협력업체로구성되어있으며, 2012년자동차산업통계지표에따르면자동차산업은국내제조업총생산액의 11.6%(175.2조원 ), 부가가치의 11.1%(53.2조원 ), 총업체수의 6.1% (3,869개) 를차지하고있다. 또한전체제조업종사자의 10.9%(32만명 ) 가자동차제조분야에근무하고있으며, 생산 소재생산 판매 정비등연관분야까지합산할경우약 180만명 ( 전체제조업고용인원의 12.0%) 이자동차산업에종사하고있다. 2014년기준대한민국의자동차산업은중국, 미국, 일본, 독일을이어생산량기준약 450대로세계 5위를유지하고있으며 (2014 Production Statistics, OICA) 자동차부품수출액또한 2013년기준 261억달러를기록하여 2000년대비 (21억달러 ) 12.4배이상으로빠른속도로성장하고있다. 그러므로자동차산업은반도체산업과함께국가경제를주도하는국가의기간산업이다. 특히현대 기아자동차는 2009년이후세계자동차시장기준 5위의점유율을유지하고있다. 그럼, 내연기관의미래는어떻게될까? 물론저공해차인전기차와연료전지차등의보급이확대되겠지만자동차내연기관인가솔린및디젤엔진에대한연비향상과천연가스, 바이오에탄올등다양한 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 4, 2015 431
연료를기반으로내연기관자동차체계가가까운미래에도지속될것으로전망하고있다. 아울러향후 2035년까지의전세계 Light Duty Vehicle의점유율전망치를보면하이브리드엔진, 스타트 / 스톱 ( 공회전저감장치, 정차시엔진이꺼지고주행시다시켜짐 ) 등내연기관의연비향상을위한기술개발을통하여내연기관차량이여전히 91% 를차지하고있을것으로기대되고있다 (Transportation Forecast Light Duty Vehicles: Global Market Forecasts 2014-2035, Navigant Research, 2014). 다음은국내배출가스규제동향을살펴보고자한다. 2. 현재와미래의국내배출가스규제동향 1) 현재국내자동차배출가스규제를승용차기준으로살펴보겠다. 배출가스규제는크게가솔린자동차와디젤자동차에대한규제로나뉘어있다. 국내가솔린자동차에대한현배출가스관리는 2009년이후미국의 FAS( 평균배출량제도, Fleet Average System) 제도를도입하여배출가스배출량을제한하고있다. 표 1는배출가스허용기준으로 4단계로나뉘어있다. FAS 제도는일반인들은낯선제도일것이다. 그림 1 는 FAS 계산방식을보여주고있으며, 2015년 14,000 대판매를기준으로계산한적용사례로 2015년 FAS 기준값은 0.022이며, 각기준단계별로생산시계산값이 0.021로나와적합한상태가되는반면만약이 FAS 기준을불만족시과징금과 7년이하의징역을받을수도있다. 경유자동차의경우는가솔린차량에비하여매우단순하다. 현재적용되고있는기준은유로6 기준으로신차는 2014년 9월, 기존차는 2015년 9월부터적용되게된다. 이전의규제는유로 5 규제로유로6로넘어가면서질소산화물의규제가 0.18g/km에서 0.08g/km로대폭강화되었음을표 2에서볼수있다. 2) 미래미래의배출가스기준은가솔린자동차의경우 미국, 경유차의경우유럽과보조를발맞춰나가고있다. 가솔린자동차의경우 2016년부터배출가스허용기준을 4단계에서 7단계로세분화하고이는미국의캘리포니아주에서적용예정인 LEV(Low Emission Vehicle) III 규제를반영한것이다. 표 3은배출가스허용기준상세내역이며, 표 4는연도별지켜야할신규 FAS(Fleet Average System) 기준이다. 계산방식은현재의기준과동일하다. 가장큰변화는개별적용되던 NMOG와 NOx 기준이 NMOG+NOx 합산기준으로바뀌고그규제치가소형승용차기준으로 2016년 0.063g/km에서 2025년 0.019 g/km로약 70% 를저감해야만한다. 다음으론 PN(Particulate Number) 규제이다. 기존 6ⅹ10 12 개에서 6ⅹ10 11 개로 2017년부터강화될예정이다. 또한배출가스보증기간이 10년또는 19.2만km에서 15년또는 24만km으로대폭강화된다. 연비규제관련하여이미미국은 CAFE(Corporate Average Fuel Economy) 기준이있어 Combined Cars & Trucks 기준으로 2017년 35.3mpg에서 2025년 49.6mpg로강화되어 2017년대비약 40% 의연비개선이필요하다. 반면, 경유자동차의경우는 2017년유로6c 규제가적용될예정이다. 유로6c의배출가스규제치는유로6 기준과동일하나최근의주요이슈는차량평가모드가 NEDC(New European Driving Cycle) 에서 WLTC(Worldwide harmonized Light-duty Test Cycle) 로바뀌는것과 RDE(Real Driving Emission) 도입여부이다. 전자는최근의운전패턴을반영한급가 감속을반영한차량인증모드 ( 그림 2) 이고, 후자는일정기준의실제도로를정하여그곳을실제운전하며실제차량에서배출되는배출가스를측정하여기준을만족하느냐를따지는것이다. 이는이동식배출가스측정방비 (PEMS) 의발달로가능해졌다. 하지만 RDE의경우유럽집행위와유럽회원국 ( 총 28 개국 ) 간논의에의해지난 5월도입은원칙적으로승인하였으나유럽집행위와유럽자동차공업협회간의이견으로 17년 9월도입여부와 CF(Conformity 432 NICE, 제 33 권제 4 호, 2015
표 1. 현행국내휘발유ㆍ LPG 차배출가스허용기준 ( 단위 : g/km) 기준보증기간 CO NMOG NOx PM (GDI only) 1 LEV 2 ULEV 8 만 km 2.11 0.047 0.031 19.2 만 km 2.61 0.056 0.044 8 만 km 1.06 0.025 0.031 19.2 만 km 1.31 0.034 0.044 3 SULEV 19.2 만 km 0.625 0.00625 0.0125 4 ZEV 19.2 만 km 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 0.004 14.1( 신차 ) 15.1( 기존차 ) 그림 1. FAS 계산식및 2015 년기준적용예 표 2. 국내경유차배출가스허용기준 ( 단위 : g/km) CO NOx HC+NOx PM PN 차종유로5 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. 개정국내휘발유ㆍLPG차배출가스허용기준 ( 단위 : g/km) 기준 보증기간 CO NMOG+NOx PM LEV 2.61 0.100 0.002 ULEV 1.31 0.078 0.002 ULEV70 1.06 0.044 0.002 ULEV50 24만km 1.06 0.031 0.002 ULEV30 0.625 0.019 0.002 SULEV20 0.625 0.0125 0.002 ZEV 0 0 0 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 4, 2015 433
표 4. 개정국내휘발유ㆍLPG차평균배출허용기준 (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. 경유차배출가스주행모드 : NEDC vs. WLTC Factor) 값이미정이다. 이와더불어 2021 년까지 CO 2 Fleet Average 기준으로 WLTC 모드에서 95g/km CO 2 을만족하여야한다. 3. 배출가스규제와배기가스정화기술의관계 자동차배기가스정화기술의양산개발은자동 차배출가스규제와밀접한관계를가진다. 예를들 면디젤자동차의경우배기가스규제가유로 5 에서 유로 6 로넘어가면서질소산화물 (NOx) 의규제치가 0.18g/km 에서 0.08g/km 으로 56% 강화되면서유로 6 규제대응으로생산되는자동차는엔진에서의배출 가스저감의한계로대부분질소산화물을저감할수 있는 LNT(Lean NOx Trap) 나 SCR (Selective Catalytic Reduction) 이적용되기시작하였다. 반면향후적용 예정인유로 6c 규제의경우가장큰변화인 WLTC 와 RDE 주행모드도입은자동차제작사에배기정화장 치에대한많은고민과변화를요구하게될것이다. 실제로실도로에서의배출가스규제를적용하기위 해유럽집행위와유럽자동차공업협회가 RDE 를도 입하기는지난 5월에결정하고도아직까지적용시점과규제강도를논의중인상황이다. 다시서론으로넘어가서, 왜질소산화물의배출가스규제는유로3에서유로6로감에따라 80% 이상강화되었지만도심지역 NOx 농도는답보상태인것인가? 이는차량의배출가스평가인증모드특수성때문이다. 현재차량평가는차대동력계의정해진주행모드에서에어컨정지, 20~30 의운전온도, 0~120km/h 속도범위에서의일정한가속도운행조건에서평가되므로실제운전조건을 100% 반영하지못하기때문이다. 그럼 왜경유차인가? 이다. 실도로조건에서평가한교통환경연구소의발표자료에따르면휘발유, LPG, 하이브리드차의경우인증기준대비실주행배출가스가상대적으로낮게나와모두배출허용기준을만족하는반면, 유로5 차량의경우질소산화물배출이인증조건대비 1.14 ~ 9.6배과다배출되었고, 유로6 차량의경우인증기준대비 1.25~2.8배초과했기때문이다. 따라서실도로조건을반영한 WLTC와 RDE모드의도입이주요이슈가된것이다. 434 NICE, 제 33 권제 4 호, 2015
가솔린자동차의경우는어떨까? 가솔린자동차의 배출가스규제를들여다보면가장큰변화가예상되 는항목은 PN(Particulate Number) 규제이다. 6ⅹ10 11 개 의규제를만족하기위하여 GPF(Gasoline Particulate Filter) 라는추가장치가필요하게될수도있다. 다음 은 FAS(Fleet Average System) 이다. 가솔린자동차의 경우내년부터 2025 년까지매년 NMOG+NOx 합산규 제치를 0.004~0.007g/km 줄여야하는난제를가지고 있다. 이와더불어경유차와가솔린차모두온실가스 (GHG, Greenhouse Gas) 에대한규제가강화된다는것 이다. 이에따라향후 N 2 O 및 CH 4 에대한대응기술 이필요하게될것이다. 4. 차량연비향상을위한배기정화기술의도전 그동안자동차에서배기정화기술은기존의엔 진기술을보완하기위한관점에서개발이진행 되었다. 즉, 엔진관점에서우선배출가스를줄이 는노력을하고이를보완하기위하여보조적인역 할을수행하였다. 그러나향후 CO 2 및 CAFE 규제 에서보듯이내연기관이살아남기위해서는끊임 없는연비개선노력이필요하다. 대부분의자동 차제작사들은이를위하여가솔린엔진의경우 T-GDI(Turbocharged-) 를이용한엔진 Down sizing, CDA(Cylinder Deactivation), High EGR(Exhaust Gas Recirculation), Atkinson cycle, Lean boost 등의기술 이개발되고있으며, 디젤엔진의경우에는 2-Stage Turbocharger, Dual Loop EGR System, Premixed and Low Temperature Combustion 등이연구되고있다. 그러나궁극적으로이들연비개선을위하여본기 술들이적용되는경우공통적으로배기가스온도 가낮아지는문제가발생한다. 배기가스온도는배 출가스정화장치의성능과밀접하게관계된다. 현 재의배기정화시스템이안정적인운전을위해걸리 는시간은가솔린자동차의경우 TWC(Three Way Catalyst) 가활성화 ( 약 350 이상 ) 되기위하여시동 을켠후수십초이고, 경유차의경우 200여초가지나야 ( 약 180 이상 ) 배기정화장치가제대로정화하기시작한다. 이를반대로생각하면배기가스온도가낮아져시동초기촉매가 Light-off온도에도달하는시간이길어지면그시간동안엔진에서배출되는오염물질들이배기정화장치에서처리가안되고대기로배출된다는것이고이는배출가스규제를불만족시킬수도있다. 그러므로향후에는배출가스규제강화와더불어연비개선엔진기술실현을위하여엔진기술을보완해오던보조장치인배기정화장치의중요성이더욱빛을발하는상황이된다는것이다. 여기에후처리기술이던배기정화기술이개발방향을제시할수있는전처리기술로전환될수있는기회가존재한다. 5. 맺음말현재양산되고있는가솔린및경유자동차의배출가스정화기술은현자동차엔진기술을보완하는위치에서배출가스규제와밀접한관계를가짐을이상의고찰로부터확인할수있다. 또한동일한기능을수행하는여러가지의기술이있는경우예를들면질소산화물을저감하는 LNT와 SCR 기술처럼, 그가격이선택기준이된다. 그러나미래에는자동차배기가스정화기술의확보가자동차의연비를개선할수있는새로눈장을열어줄열쇠가될것이다. 따라서낮아지는배출가스온도에대응하여저온에서활성을보이는촉매및시스템개발즉, 예를들면가솔린의 TWC + active/passive SCR또는디젤의저온산화와흡착촉매등의연구가활발히진행될것이며, 또한배기열관리를통하여배기정화장치를조기활성화시킬수있는에너지효율적인차별화된시스템의개발이필요할것이다. 마지막으로이를위하여촉매, 반응공학, 반응장치및시스템제어에대한기반지식을습득하는화공학도가기여할수있는역할이점차증대될것으로생각한다. NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 4, 2015 435