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디젤자동차 아킬레스건 질소산화물, 왜 저감 어려운가?
이영재 박사의 ‘환경 그리고 자동차’⑪
이영재 환경부 친환경자동차기술개발사업단장  |  yjl@kier.re.kr
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승인 2018.03.13  10:05:14
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▲ 이영재 환경부 친환경자동차기술개발사업단장

[지앤이타임즈]이영재 박사의 ‘환경 그리고 자동차’⑪

디젤차에서 환경과 관련해 가장 큰 문제로 지적되어 왔던 것이 미세먼지였다.

그러나 DPF (Diesel Particulate Filter)라는 매연여과장치를 배기관에 장착해 미세먼지를 강제로 포집, 제거할 수 있게 되면서 환경 성능은 크게 개선된 것이 사실이다.

실제로 최근에 양산되는 디젤차에서는 미세먼지 배출량이 크게 줄어 들어 가솔린차와 유사한 수준의 미세먼지만 배출되고 있다.

특히 실험실 인증은 물론이고 실제 도로 주행과정에서도 유사한 수준으로 배출된다.

강화된 가장 최근의 환경기준인 유로(Euro) 6를 충족하는 디젤승용차는 미세먼지 전구물질인 질소산화물을 저감시키기 위해 EGR (Exhaust Gas Recirculation, 배기가스재순환)이라는 엔진기술과 배기 후처리기술을 동시에 사용하고 있다.

디젤엔진 강국인 독일의 폭스바겐, BMW, 벤츠, 보쉬가 설립한 EUGT(유럽 수송분야 환경보건연구그룹)가 Euro 6 디젤 승용차의 질소산화물이 유해한 수준이 아니라는 것을 입증하겠다며 원숭이와 사람을 이용한 생체실험을 주도할 정도로 디젤자동차의 환경오염 개선 여부는 내연기관자동차 시장의 지배력을 좌우할 수 있는 절박한 이슈가 되어 있다.

이처럼 질소산화물을 저감시키는 두 가지 첨단 기술이 적용되는데도 디젤차의 환경 성능은 왜 도마 위에 오르고 있는 걸까 ?

질소산화물 저감이 쉽지 않고 후처리장치를 장착하는 과정에서 자연스럽게 엔진 가격이 크게 상승하는 영향이 크기 때문으로 해석된다.

EGR은 연소된 배기가스를 흡입공기에 일부 혼합해 연소온도를 낮춰 질소산화물을 줄이는 기술이다.

미세먼지 전구물질인 질소산화물을 저감시킬 수 있지만 문제는 엔진 성능이나 내구성이 나빠져 자동차 회사에서는 가능한 최소한의 운전 영역에서 사용하고 싶어 한다.

실험실 인증 과정에서는 배출가스 허용 기준을 만족시켰지만 실제 도로 운행 과정에서는 인증 기준 보다 수십배 많게 배출되도록 저감장치를 조작한 것이 바로 폭스바겐 스캔들이 아닌가.

디젤자동차는 휘발유차에 비해 질소산화물 저감 등과 관련한 후처리장치가 더 필요하고 환원제를 투입해야 하면서 비용 상승 요인이 크다.

‘후처리장치’는 촉매를 사용해 자동차에서 배출되는 질소산화물을 줄이는 것으로 산소를 떼어내 질소(N2)로 환원하는 역할을 한다.

◇ 질소산화물 저감 위한 촉매 장치 종류 늘어만 가고

삼원촉매를 사용하는 가솔린엔진은 이론 공연비로 제어 운전하기 때문에 배기가스에 산소(O2)가 적어서 NOx를 N2로 환원하는 것이 비교적 쉽고 저감율이 높다. 배기가스에 포함된 CO가 환원제로 사용되므로 별도의 환원제도 필요하지 않다.

그러나 디젤엔진은 근본적으로 초희박 상태로 운전되며 이와 같이 공기가 많은 조건에서 NOx에서 O2를 떼어내기가 쉽지가 않아 배기관에 LNT(흡장형 트랩, Lean NOx Trap)나 SCR(선택환원촉매, Selective Catalytic Reduction)과 같은 전용 후처리 촉매장치를 장착해야 하고 환원제도 추가로 사용해야 한다. LNT는 연료를 환원제로 사용하는 과정에서 연비가 나빠지는 단점이 있고, SCR은 우레아(요소수)를 환원제로 사용하면서 우레아 구입에 따른 추가 경비가 소비된다.

예전에 희박 연소 가솔린엔진이 잠깐 양산되었다 중단된 이유가 규제 강화에 따른 NOx 배출허용기준을 맞추기 어려웠기 때문이었다. 희박 연소 가솔린엔진은 지금까지도 출시되고 있지 않은데, 이론공연비 가솔린엔진보다 효율은 높지만 질소산화물 저감이 어렵고 가격도 크게 높아지기 때문이다.

지난 해 9월부터 SUV 등을 포함한 디젤승용차의 실제 도로 NOx 배출량이 추가로 규제(RDE 규제)되면서 자동차회사는 대책 마련에 크게 고심하고 있고 심지어 디젤차의 양산을 축소하려는 움직임도 있다.

초기의 Euro 6 디젤승용차는 LNT 또는 SCR 촉매를 하나만 장착했는데 최근의 디젤승용차는 RDE 규제에 대응하기 위해 두 가지 장치를 모두 장착해 낮은 엔진부하에서는 LNT, 높은 엔진부하에서는 SCR 촉매를 사용하는 것이 일반적이다.

최근에 출시된 현재자동차의 제네시스 G70 디젤승용차는 LNT와 SCR 외에 SDPF (SCR coated DPF)도 장착하고 있다. G70은 NOx 저감을 위한 촉매장치를 3가지나 사용하고 있는 것이다.

가솔린차가 하나 또는 두개의 삼원촉매를 사용하는 것과 달리 디젤차는 DOC, DPF 외에 NOx 저감과 관련된 촉매장치를 2, 3개 더 사용해야 하기 때문에 본래 비싼 엔진 본체 가격 외에 후처리장치 가격이 크게 증가하면서 디젤차의 고연비 메리트가 점차 줄어들고 있다.

디젤 엔진 이외의 대안 마련이 어려운 트럭 등 상용차는 어쩔 수 없겠지만 승용차 시장에서 디젤차가 살아남기 위해서는 질소산화물 저감기술의 성능과 가격 개선은 물론 질소산화물을 원천적으로 적게 발생하는 저온 연소와 같은 새로운 연소기술을 개발 적용하는 등 각고의 노력이 필요한 이유다.

 

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