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[오토저널] 유럽의 환경 규제와 자동차 기술 동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2017-09-29 13:46:03

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최근 환경규제에 대한 관심과 기대 속에 하이브리드 자동차와 전기 자동차 또는 대체연료에 대한 개발과 공급이 지속적으로 증가되고 있다. 그럼에도 불구하고 현재 95%의 높은 화석연료에 대한 의존도를 고려할 때, 자동차연료로써 기존 화석연료 사용을 획기적으로 저감하기 위해서는 어느 정도의 시간이 소요될 것으로 추정된다. 그렇다면 높아가는 환경에 대한 관심, 자동차 배출가스 규제와 세계적인 도시화에 따른 대도시 대기 환경 개선을 위해 유럽 연합과 자동차 공급 업체들이 어떤 노력을 하고 있는지에 관하여 논의하고자 한다.

 

<그림 1>은 2015년에 보고된 자동차 형태별 연료 소비율을 보여준다. 본 연료 소비율은 전세계에 보급된 자동차별 수량과 자동차 형태별 평균 운행거리에 차량별 평균 연료 소비량을 고려하여 산출한 수치이다.

 

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Ricardo의 보고에 따르면, 2015년 당시 10억 3천대의 승용차, 1억 8천대의 트럭과 4억 8천대의 오토바이가 전 세계적으로 운영되었고 전체 운송을 위한 연료 소비중 90%의 연료는 승용차와 트럭 사용에 따른 소비임을 보여줌으로써 승용차와 트럭에 대한 정책과 규제가 화석연료 사용에 중대한 영향을 끼침을 알 수 있다.

 

 

대도시들의 환경규제와 지구온난화 정책

 

엄격한 환경 규제에도 불구하고 대도시(서울, 베이징, 상하이, 델리, 파리, 런던 등)의 대기 오염 문제는 좀처럼 개선되어지지 않고 각 정부들은 이를 위한 논의와 대책들을 차츰 내놓고 있다. 특히 런던의 경우, 2018년부터 하이브리드 또는 Zero emission 이층 버스의 사용만을 허가한다는 결정을 필두로 개선에 나섰고 파리는 ‘Crit'Air’로 불리는 규정을 통해 차츰 디젤 승용차의 파리 진입을 통제하여 2025년부터는 모든 디젤차의 파리시내 운행을 금지하겠다는 계획과 함께 2017년 4월부터 ‘EZ10’으로 불리는 전기버스의 부분적 운행을 시작한다.

 

뿐만 아니라 세계는 지구 온난화에 따른 이산화탄소 배출 규제에 대한 심각성을 인식하고 이에 대한 노력을 하고 있다. <그림 2>는 유럽 소형 자동차의 이산화탄소 규제에 대한 시나리오를 보여준다. 이 규제 수치는 파리기후협약(2050년까지 최대 섭씨 2도 이하의 기온 상승 제한을 위해 모든 노력을 취함)에 근거한 것으로서 2050년부터 소형차량으로부터의 이산화탄소 배출량을 30g/km까지 줄이겠다는 의지를 포함하고 있다.

 

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유럽 소형 디젤 자동차 배출가스 규제 강화

 

폴크스바겐 디젤게이트 사건 이후 유럽의 배출가스 규제는 한층 더 강화되어지고 있다. 2014년말에 유럽연합은 기존 Euro 5d에서 Euro 6b로의 변화에서 질소산화물의 배출 한계를 180mg/kg에서 80mg/kg으로 대폭 감소한 바 있다. 이후 <그림 3>에서 보듯이, 이 규제는 더욱 더 강화되어 지고 있고 기존의 연비 측정방식인 NEDC(New European Driving Cycle)의 맹점을 보완하기 위해 WLTC(Worldwide Harmonized Light-Duty Vehicles Test Cycle)이 적용되어진다. 뿐만 아니라, 실제 도로주행 상황인 RDE(Real Driving Emission) 측정을 점차 적용하여 실험실에서 측정한 질소산 화물과 실제 도로에서 측정한 값의 차이(CFNOX)를 점차적 으로 줄여가는 노력을 진행하고 있다(1단계 : 2.1배, 2단계 : 1.5배, 3단계 : 1.0배).

 

RDE 측정방식에 대한 논의도 계속되어지고 있으며 현재 결정된 부분을 정리하면,
 
• 이산화탄소, 일산화탄소, 질소산화물과 입자상물질 수량(PN)을 측정하지만 우선, 질소산화물과 입자상물질을 규제
• 실제 도로에서 주행 측정
• 34% 시내 주행 모드(60km/h 이하), 33% 시외 주행 모드(60~90km/h), 고속 주행 모드(90km/h 이상) – 최대 제한 속력은 145km/h
• 주행 중 가·감속의 정도는 규정에 만족되야 함
• 측정 주행 중 에어컨 작동
• 저온 출발 모드 (cold start; 섭씨 0도~30도, 최대 고도 700m)를 5분간 측정

<그림 4>는 실제 도로 주행 모드에 대한 정보를 보여주는 RDE 로고이다.

 


새로운 유럽 환경 규제에 대한 반응

 

유럽의 점차 강화되고 있는 환경 규제는 실질적으로 디젤 승용차의 수요를 위축되게 하는 것이 사실이다. 현재 해마다 2천 백만대 가량의 승용차량이 유럽에 공급되고 있는데, 디젤차량이 차지하는 비율은 46% 정도이다(53%의 하이브리드를 포함한 가솔린 차량과 1%의 전기 또는 천연가스 차량). 이 수치는 점점 줄어 2025년까지 약 10% 정도의 디젤 차량 수요가 감소할 것으로 예측되고 있다. 그럼에도 불구하고, 높은 열효율을 자랑하는 디젤 엔진을 유럽이 쉽게 포기하지 않을 것으로 보여진다.

 

유럽의 주요 자동차 공급업체들은 질소산화물과 미세먼지 문제는 후처리 장치를 통해 어느 정도 해결할 수 있을 것으로 보고 있다. 특히, 질소산화물은 SCR(선택적 촉매환원장치)을 통해, 미세먼지는 DPF(디젤 입자상물질 필터)를 이용해 유해 배기가스 배출을 EU 위원회가 요구하는 수준(Euro 6d temp in 2017)으로 맞출 수 있을 것으로 보고 있다. 하지만 계속 강화되는 RDE 측정치 값과 한층 더 강화될 Euro 7(유럽의 많은 자동차 업체들은 질소산화물 배출한계를 40mg/km 정도 예상)에 대한 대책으로 후처리 친환경 장치만으로 해결하려 할 경우, 차량 가격의 상승이 불가피해 이는 자동차 제조사의 숙제로 남게 될 것이다.

 

미래 규제에 대한 대책과 기술적 논의장기적인 측면에서 환경과 지구 온난화 문제를 위해 승용차 및 대중교통의 전기자동차화와 트럭 및 대형차량의 천연가스 사용이 일반적인 개선책으로 보이지만 기술적인 부분과 가격적인 개선과 해결이 계속적으로 요구되는 상황이다. 그렇다면 단기적인 측면에서 강화되고 있는 환경 규제와 온실 효과 문제를 위해 어떤 기술들이 논의되고 있는지 정리를 하면 다음과 같다.

 

● 트럭 및 상용 기관 개발 기술 동향
1960년에서 1990년에 이르기까지 트럭 및 상용차량의 경우 자연흡식 방식에서 터보차져 시스템과 인터쿨러 시스템의 도입으로 획기적인 연비 개선(대략 30%)을 이루었다. 1990년대 이후부터는 배출가스 규제가 강화되면서 연비보다는 배출가스 개선에 초점을 맞추어 기술이 개발되었으며, 현재는 다시 연비와 배출가스를 동시에 고려하고 있는 상황이라 정리할 수 있다.

 

이미 거론 했듯이, 대도시의 환경 개선을 위해 시내버스(BYD 전기 시내버스, Siemens ELFA 전기버스, BAE 하이브리드 버스 등)와 시내 특수 운송 차량(FUSO Canter E-cell, Scania 하이브리드 운송 트럭, Volvo 하이브리드 청소 차량, Mercedes Benz 도시 E-트럭 등)은 점차 전기자동차화가 진행될 것으로 보인다. 하지만 일반 트럭과 상용차량은 특성상, 단·장거리에 운송과 운반을 위해 주로 사용되어지므로(차량의 높은 에너지 요구와 장거리 운행을 감안할때), 기존 차량을 전기자동차로 대체하는 것은 제한적이라고 볼 수 있다. 이런 제약 속에서, 상용차량의 현재 개발 상황은 기존의 압축착화방식에 연비와 배출가스를(주로 후처리 장치를 통한) 개선하는 방안에 주안점을 두고 있다. 주요 연비개선 기술로써는 연료 분사 장치 개선(Rate-shaping, Dual injectors, Water injection 등), 터보챠징 시스템 개선(Multi stage TC, Parallel/series TC 등), 배기열 순환 시스템 개선(Exhaust heat recovery, Chemical waste recovery 등), 가변 밸브 제어 장치 개선(Picked miller 사이클, Atkinson 사이클, Split 사이클 등) 등의 엔진 개발 부분과 윤활, 공기저항과 트랜스미션 등의 주변 장치들의 기술 개선을 통한 연비향상을 계속적으로 이루고 있다.

 

● 승용차 개발 기술 동향
승용차량의 경우는 기존의 내연기관에 전기 배터리를 접목시킨 하이브리드 차량에 대한 연구와 기존 방식의 차량에 연비와 배출가스를 개선하는 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.  하이브리드 차량의 경우, 유럽의 자동차 공급업체들이 점차 많은 종류의 하이브리드 차량을 생산하고 있으며, 이는 구조적 방식(Series, Parallel, Power-split 등)의 차이 뿐만 아니라, 배터리의 의존도(Micro < Mild < Full < Plug-in < Range Extended)에 따라 구분되어진 하이브리드 종류로써, 이는 앞으로도 환경 규제와 차량 가격을 고려하여 차량 모델을 정하는데 중요한 변수가 될 것으로 보인다. <표 1>은 유럽에서 2015년에 생산되었던 하이브리드 차량의 수량을 보여주고 있다.

 

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기존 방식의 차량의 경우, 가솔린 기관은 연비개선에 주안점을 두고 있는데, EGR(배출가스순환시스템)의 사용과 확장 희박 연소가 주요 기술이며, 연료 분사 시스템 개선(고압 분사 시스템, Water injection, Pre-chamber injector 등), 연소실 디자인을 통한 개선(가변 압축비, Down-sizing, Down speeding), Cooled EGR, 흡기 시스템 개선(멀티 스테이지 터보차져, 슈퍼차져, Parallel / series 챠저 등), 가변 밸브 제어 장치(Miller 사이클, Atkinson 사이클, Split 사이클 등) 등이 주로 논의되는 기술들이다. 이밖에도 차량의 소형화와 무게 저감 및 윤활, 공기저항과 트랜스미션 등의 주변 장치들의 기술 개선을 통한 연비향상을 계속적으로 이루어내고 있다.

디젤기관의 경우도 연소실 내에서의 연비 향상을 위한 노력과 함께 엄격해지는 배출가스 환경 규제를 충족시키기 위한 후처리장치기술 개발에 노력이 집중되고 있다. <그림 5>는 유럽 환경 규제에 따른 후처리 장치의 구성 변화의 한 예를 보여준다.

 

유로 5 규제시 질소산화물의 규제는 EGR을 통해서 충족시켜 왔지만 강화된 유로 6 규제와 이산화탄소 저감 요구치를 충족시키기 위해서는 SCR의 사용이 불가피해 보인다. 유럽 6 규제 이후 모델에 사용되는 SCR의 종류도 촉매의 위치에 따라 기존 SCR 장치와 SCRF로 구분되는데 이는 촉매에 효율과 관련이 있다. SCR 장치의 질소산화물 저감 효율 은 암모니아(NH3)의 함유량, 배기 가스 온도, 디젤산화촉매 (DOC)에 따른 이산화질소와 질소산화물의 비율, 촉매의 스페이스 벨로시티(Space velocity)와 촉매 연식(Age of SCR)등으로 결정된다. 이 모든 특성과 함께 초기 저온 운행 시에는 촉매를 얼마나 빠르게 활성화(Light-off)시키는 것이 보다 효과적으로 질소산화물의 배출량을 줄이는 방법이다. SCRF는 이런 면에서 기존의 SCR 촉매보다 더 높은 효율을 보여 유로 6d 이후 규제에도 적합한 기술이다.

 

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질소산화물 저감장치의 보증 기간이 유럽은 8년, 일본은 16년, 미국은 24년을 요구하고 있다. 기간이 긴 만큼 장비의 가격은 비싸지기 나름이다. 자동차 공급업체는 보증기간이 24년인 장비를 탑재하여 판매하면 디젤 차량의 가격 경쟁력이 낮아지므로 대체적으로 SCR 기술을 중대형 고가 차량 모델에만 탑재해 왔고 소형차에는 한계가 있을 수밖에 없음을 이야기한다. 앞으로 자동차 공급업체와 각 정부가 디젤승용차에 대해 어떤 해법들을 제시할 지 주목된다. 

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