디젤 배출가스 해법 '선택적 환원촉매(SCR)'에 있다. SCR이란 무엇인가?

도시 미세먼지 오염의 주요 원인인 경유차의 오염물질 배출량을 줄이려던 환경부 정책이 업계의 요구에 밀려 후퇴했다. 국내 자동차 제작사들이 이미 인증을 받아 생산 중인 모델(경유자동차)의 ‘국제표준배출가스시험방법(WLTP)’ 적용시기가 1년간 유예된다.

WLTP는 유엔(UN)의 ‘자동차 규제 국제표준화 포럼(WP29)‘에서 우리나라를 비롯해 유럽, 미국, 일본 등의 주행패턴을 반영해 2014년 3월 국제기술규정으로 발표한 시험방법이며 세계에서 처음으로 국내와 유럽연합에서 도입될 예정였다.

환경부의 입법예고안에 대해 신규 인증하는 차량에 대해서는 이견이 없었지만 일부 제작사와 협력업체는 이미 인증 받은 차량에 대해 시행시기 유예와 단계적 시행을 요구해왔다.

국내 제작사의 경우 현대, 기아, 한국지엠은 WLTP 도입에 대응이 가능하지만 쌍용과 르노삼성은 기존 차량에 대해 2018년 9월1일까지 규제를 만족하는 차량 개발이 불가능해 생산 중단이 불가피하고 이로 인해 수백 개의 협력업체까지 막대한 피해가 발생한다는 이유에서다.

이번 유예로 자동차제작사는 전년도 출고량의 30% 범위 내에서 2018년 9월1일부터 2019년 8월31일까지 기존 시험방법을 적용한 차량을 출고할 수 있다. 

반면, 환경부는 이번 최종 합의안에 따라 경유차의 질소산화물 배출량이 당초 예상(3,120톤)보다 약 377톤 증가할 것으로 예상된다고 밝혔다. 디젤 차량의 질소산화물 배출량이 증가할 것으로 예상되는 가운데, 디젤을 연료로 사용하는 자동차의 질소산화물 배출량을 줄이는 방법에 대한 고민이 깊어졌다. 

현재 디젤차의 질소산화물을 줄일 수 있는 방법에는 희박 질소산화물 트랩 (LNT, Lean NOx Trap)방식과 선택적 환원촉매 (SCR, Selective Catalytic Reduction)이 있는데, 이 중에서 요소수를 통한 질소산화물을 줄이는 SCR방식이 최선이라고 평가받고 있다. 

SCR기술은 요소수(Urea)를 이용하여 디젤 엔진에서 배출되는 NOx를 선택적으로 저감시키는 Urea-based SCR 기술이며, 이 기술은 산업체에서 이미 적용한 것으로 유럽을 중심 4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O 4NH3 + 2NO + 2NO2 → 4N2 + 6H2O 촉매제 NOx으로 경유자동차에도 적용하여 사용하고 있다. Urea-SCR은 Urea가 가수분해 반응을 일으켜 암모니아(NH3)와 이산 화탄소(CO2)로 변환된 후, SCR 촉매에서 NOx가 질소화 수 증기로 변환되어 NOx가 저감되는 원리이며 요소수가 필요하다. 
 
Urea는 상온에서 액체상이며, 약 150℃ 이상의 온도에 서 열분해되어 암모니아(NH3)를 발생시키고, 이 암모니아는 제올라이트의 촉매를 사용하여 질소산화물을 환원시킨다. Urea를 이용하는 SCR 기술의 장점으로는 다른 배출가스 저감장치인 후처리 기술에 비해 촉매반응을 일으키는 넓은 온도 대역과 내구성이 우수하며 약 60% 이상의 높은 NOx 정화효율이 있다.
 

한편 단점으로는 액체상의 Urea를 공급하기 위한 시스템을 갖추어야 한다. 또한 액체 상태인 Urea를 저장하기 위한 용기 및 분사 장치 등의 부수적 시스템이 있어야 하므로 추가적인 비용이 들어가기 때문에 경제적으로는 불리한 측면이 있다. 기존의 액체 Urea 시스템은 액체를 분사하고 배기가스에서 나오는 열에 의하여 Urea를 기화시켜야 하기 때문에 배출가스 온도가 200℃ 이하의 조건에서 분사하는 경우 Urea가 기화되지 않고 고체 암모늄으로 생성되는 문제점도 있다.

질소산화물을 줄일 수 있는 최선의 방법인 SCR시스템이 도입되지 못 하는 가장 큰 이유는 비용적인 부분이다. 비용적인 문제로 차 값 인상이 불가피해 현대·기아차는 현재 상용차에만 SCR 방식을 사용할 뿐, 승용차는 희박질소촉매(LNT) 방식을 적용하고 있다. 현재 유일하게 자동차 브랜드 중에서는 푸조와 시트로엥이 전 모델에 적용하고 있으며, 메르세데스-벤츠와 같은 프리미엄 브랜드가 일부 적용하고 있는 상황이다.

특히, 자동차 가격이 200만원 이상 상승이 불가피하여, 소형 디젤차에는 적용이 어렵다는 게 업계주장이다. 하지만, 푸조 308 1.6의 경우에는 SCR시스템의 순수 부품가격만 380만원에 달하지만 적용하고 있다. 동급 세그먼트의 i30 1.6 VGT 모델에 SCR 도입시 약 20%에 가까운 가격 인상이 불가피하다. 

PSA는 기업 이윤이 줄고, 가격경쟁력이 떨어지는 SCR시스템을 소형자동차에까지 적용한 이유는 무엇이고, 어떻게 가능했을까?



PSA그룹은 디젤분야에 대한 리딩브랜드로서의 자부심이 컸다. 특히, 2000년 혁신적이며 기술의 비약적인 진보로 일컬어지는 DPF(Diesel Particulate Filter, 미립자 필터)를 최초로 세상에 공개하며, DPF를 통해 디젤의 매연을 해결할 수 있는 방법을 세상에 제시했다.(현재 전세계 약 1,500만대의 PSA 그룹 차량에 장착되어 있다.)

2013년에는 SCR 기술을 모든 차량에 적용한다는 전략을 발표했다. 산화촉매와 SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택환원촉매) 그리고 DPF의 결합에 의한 BlueHDi 기술은 유럽의 새로운 배기가스 규제인 유로6 도입(국내 2015년 11월 도입)에 앞서 2013년 9월부터 PSA 그룹의 차량 전반에 적용되기 시작했다. 



푸조 SCR 작동원리는 무엇일까?

① SCR의 배기가스 온도가 약 180°C ~ 190°C 수준에 도달하게 되면, 인젝터를 통해 요소수가 분사된다. 요소수는 배기가스 속에서 화학 반응을 통해 기화를 거쳐 암모니아로 전환된다. 

② SCR 촉매를 통과하는 동안 화학반응을 통하여, 매우 실효적인 환원제인 암모니아는 NO와 NO₂를 질소와 물로 전환 시킨다. 

③ PSA 의 SCR 시스템은 DPF 상부(엔진측)에 장착하는 방식을 채택하고 있다. PSA의 DPF는 경쟁사의 DPF 시스템(600°C)에 비해 100°C 낮은 온도(500°C)에서 입자의 크기에 상관없이 매연을 99.9% 제거할 수 있어, 배출가스를 걸러주는 최적의 시스템이라 할 수 있다. DPF의 낮은 재생 온도는 SCR이 NOx/ CO₂를 가장 효과적으로 제거할 수 있는 최적의 환경을 제공한다.

SCR시스템을 효과적으로 작동시키기 위하여 탄화수소와(HC)와 일산화탄소(CO)를 처리하기 위해 산화촉매를 터빈 배기부에 장착했다. 또한, SCR을 DPF의 상부(엔진 측)에 설치하였으며, 요소수 탱크는(AdBlue^® tank, 최대용량17L) 연료탱크 곁에 위치시켰다. 

AdBlue^®(요소수)는SCR 옆에 위치한 인젝터로 공급하고, 다양한 센서들로 시스템 제어(온도, 압력, 질소)하여 효과적으로 컨트롤한다. SCR 바로 뒤에는 DPF가 붙어 있는데, DPF를 통과하는 매연의 99.9%가 제거된다.

PSA는 디젤 관련 선도기술의 자신감과 우수성, 친환경 기술의 중요성을 알고, 경제적인 가치를 뛰어넘는 투자를 하고 있는 것이다. 타 브랜드에서는 이런 경제적인 부담과 부정적인 시선보다는 다른 장치(전기차)에 대한 투자 확대로 이 시련을 극복하려하고 있다. 

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​특히, 많은 사람들이 대단하다고 생각하는 볼보의 경우에는 디젤 기술이 타 브랜드를 따라갈 수 없는 상황과 글로벌 판매대수가 모험을 걸 수 있는 특수한 상황이 2019년부터 전기차만 판매하겠다는 발표가 가능한 이유이다. 앞으로의 디젤자동차는 사라지기에는 장점이 명확한 부분이라 극복할 가능성도 있다고 생각한다. 그 전까지 디젤 배출가스를 위한 최선의 방법은 누가 뭐라해도 SCR이 될 것이다.