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[오토저널] 에너지 및 배기와 우리

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2022-08-12 15:15:48

본문

화석연료를 이용한 내연기관이 개발되고 발달되면서 그전까지 주로 운송수단으로 사용하던 말과 소 및 마차에 의한 모든 환경 오염, 특히 도시에서의 배설물 등에 의한 환경 오염을 줄일 수 있는 최대의 기술로 각광을 받고 내연기관차량이 출연이 되었다. 이를 시작으로 내연기관이 대세를 이루어 오다가, 산업발전이 가속화되면서 대기환경 문제가 대두되어왔으며, 내연기관의 대기 오염에 대한 관심과 규제가 1972년 미국으로부터 시작이 되었다. 지금까지 화석연료는 내연기관과 전기와 더불어 모든 산업 발전의 원동력이 되어왔고, 그로 인하여 물질적인 풍요로움을 가져다 주었음을 부정할 수 없을 것이다. 초기의 선진국에 국한되었던 산업발전은 자연친화적으로 생활하거나, 미개발국에서 생활하던 모든 사람들까지도, 보다 풍요로운 생활에 대한 욕구를 불사르면서, 모든 국가들이 산업발전에 매진하게되었고, 이로인해 대기오염 문제가 심각하게 되어 왔음을 여러분들도 잘 아는 사실일 것이라고 생각한다.

자동차분야의 배기규제의 시작으로 1975년부터는 가솔린엔진 차량의 탄화수소와 일산화탄소의 배기규제를 만족시키기 위하여 펠렛타입과 하니콤타입의 세라믹 담체에 백금을 위주로한 산화촉매를 사용하는 후처리 기술이 개발되면서 자동차 후처리 시스템으로 적용되었다.

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그 이후로도 배기규제는 강화되어, 특히 1994년부터 배기가스 규제는 보다 강화되어, 대기질 개선에 많은 효과를 보였으며, 기술개발을 위하여 많은 자동차사의 엔진개발, 엔진제어 개발, 후처리 기술 개발, 후처리 제어기술 개발 등 전세계적으로 많은 연구와 개발 노력이 있어왔다. 모든 사람들에게 생활의 윤택해짐과 동시에 자동차의 사용은 크게 늘면서 내연기관의 배기규제는 더욱더 강화되었고, 가솔린차량으로부터 시작하여, 디젤차량에까지 배기규제가 적용, 지속적으로 규제의 강화가 이루어져왔다. 

이제는 전세계적으로 탄소중립 대책을 추진 중이며, 자동차는 수송부문의 주요 감축 대상으로 ‘2050 탄소중립’을 위해서는 2035~2040년에 신차의 탄소중립이 필요하므로 BEV, FCEV(HICEV), e-fuel 기반의 HEV로 전환이 필요하며, 자동차에 대한 실효적인 탄소중립 정책은 온실가스와 대기오염물질 규제 강화에 있다고 본다. 미국, EU는 자동차 온실가스 기준 강화하고 있고, EC는 2035년 CO2 기준 0g/km 제안, 2025년경 Euro 7을 시행 추진중이며, 국내에서는 대기오염물질, 휘발유차는 2025년경 SULEV 평균 기준 적용하고, 경유차는 검토중인 Euro 7 도입 등, 온실가스, 국제적인 동향을 고려하여 기준 강화를 진행 중이다, 예측되는 상황으로 2025년 정도에 현재 내연기관 기술로 달성 가능한 가장 엄격한 대기오염물질 기준 도입 예정이며, 2035~2040년 정도에 탄소중립 기술만 달성 가능한 온실가스 기준 도입으로 Euro 7은 대기오염물질 규제의 전반적인 부문에서 강화될 예정이다. 실제 도로 주행 기반의 배출허용기준 설정 및 허용기준 값 강화와 NH3 등 추가 오염물질 규제 포함, RDE 시험조건 강화, OBM 도입, 브레이크마모 PM 기준 도입 예정으로 모든 자동차 제작사는 Euro 7과 온실가스 기준 강화 를 대비한 기술 전략 수립 및 개발에 많은 고민을 하고 있는 실정이다.

이러는 상황에서 배기제어를 조작한 디젤게이트가 발각되면서, CO2를 줄이는 가장 효과적임을 강조하던 디젤 엔진차량의 사용이 크게 줄기 시작하였고, 모든 자동차사들이 전동화를 선언하게 된다. 이러한 선언도 100% 믿기는 어렵다고 생각하지만, 이러한 변화는 누구도 예상하지 못한 급작스러운 커다란 변화이고, 이러한 변화를 만드는데, 디젤 게이크 사건의 역할이 절대적이었다고 생각한다.

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또한, 전세계적으로 글로벌워밍에 의한 이상기온현상, 자원고갈, 환경오염 등으로 자성에 목소리가 커지는 상황에서, 2015년 파리기후협약에서는 전세계적으로 CO2를 줄이자고 한 목소리를 내었고, 이러한 현실을 반영하고자 많은 국가, 기업들이 배기규제의 강화와 전동화 계획을 쏟아내고 있는 것이 현실이다.

이러한 상황을 조금 더 보면, 석유자원고갈 측면에서, 석유생산량의 피크의 도래, BRICs국가의 급격한 석유소비증가, 2020년까지 중국의 경우 연병균 4.1%의 증가를 보이고 있고, 인도의 경우는 3.8%를 보이고 있다. 또한 꾸준한 유가의 상승도 보이고 있는 것이 현실이다.

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온실가스에 의한 지구의 온난화 현상으로 산업화로 대기중 CO2 농도의 증가, 산업화이전에 280ppm에서 현재 379ppm으로 크게 증가하고 있고, 만약에 CO2의 증가가 2배가 되면 평균온도가 4.5도까지 상승할 수 있다는 보고도 있다. 따라서 COP21, 2015년도 파리기후협약에서는 6대 온실가스인 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 이산화질소(N2O), 수소불화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs), 불화유황(SF6) 저감을 통하여 2℃ 이하로 지구온난화 목표를 설정하였으며, 또한, 2015년 이후 매년 약 5% 이상의 연비규제강화와 무공해차의 의무판매제도 등을 도입하고 있다.

이러한 전세계적 상황에서 우리는 가야할, 해야 할 방향은 어디인가에 대하여 생각이 많아 진다. 우선 전동화 대세인 요즘에 우리가 가야할 분야로는, 전기차와 수소전기차가 있을 수 있다. 전기차분야는 Mild hybrid 자동차에서 Plug in Hybrid 자동차, 순수전기자동차까지 발전하고 있다. 전기차의 발전을 위해서는 관련된 다른 
부분도 중요하지만, 배터리 기술이 가장 중요하다고 생각한다. 궁극적으로 전고체배터리의 기술이 완전이 개발, 상용화가 된다면 전기차가 미래의 수송분야의 동력으로 대세가 될 수도 있다고 조심스럽게 생각한다. 

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전고체배터리의 장점으로 Bipolar구조(직렬구조)가 가능한 것으로, 이 구조를 통해 하나의 셀내에서 직렬로 연결이 가능하며 고전압을 구성할 수 있다, 또한, 고체전해질로 전해액 공유를 피할 수 있는 장점도 있다. 그리고 배터리 팩의 에너지밀도를 향상시킬 수 있고, 다양한 구조의 배터리를 개발할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 고체전해질을 이용한 전고체 전지에서도 리튬 Dendrite 현상과 고체전해질로 활물질과 전해질 간의 계면저항이 크고, 이온전도도가 낮은 단점을 가지고 있어서 아직은 많은 숙제를 앉고 있다. 또한, 리튬이온배터리의 안전성 확보를 위한 여러가지 기술적 보완의 연구가 아직은 필요하다고 생각이 든다.

반면에, 충전의 신속성과 장거리 운전측면에선 수소전기차가 매우 매력적이라고 생각한다. 수소전기차의 대중화는 수소충전의 Infra 구축이 매우 중요하고, 수소를 얼마나 안전하게 다루고 저렴하게 생산 하느냐도 매우 중요하리라 생각한다. 수소는 지역별, 시기별 발생되는 여분의 재생에너지를 대용량으로 자정장고 운송할 수 있으며, 활용단계에서 CO2배출이 없다고 볼 수 있다. 특히, 장거리 운전거리가 필요한 대형부분에는 더욱이 순수배터리 전기차에 비해 경쟁력이 우수함으로 미래의 운송분야에 중요한 기술로 수소연료전지분야라고 생각한다. 수소전기차, 연료전지의 MEA주요부품 개발에서는 촉매의 백금의 사용량 저감, 이오노모 분자구조개선, 전해질막의 화학적/물리적 내구성 확보, 전극용 촉매슬러리 개발, MEA제조기술의 개발이 필요하며, 또한, 다양한 응용분야의 연료전지기술개발로 촉매/전극/전해질막/성능 및 내구기술/평가기술 등의 개발이 필수적이다. 그리고 수소연료전지분야는 많은 산업분야에도 연계됨으로 더 많은 연구·개발이 아직도 많이 필요한 것으로 생각한다.

상기의 전동화와 더불어, 오랜 내연기관의 기술을 계속 활용할 수 있는 분야로, 수소를 이용한 내연기관과 e-fuel 분야를 들 수 있을 것 같다. 

e-fuel(청정합성연료)의 필요성과 전망은 이산화탄소와 청정수소를 합성하여 액체 및 기체 연료를 생산하고 탄소포집축적기술을 활용한 적극적인 탄소 저감 방법으로의 e-Fuel은 액체 및 기체화된 연료로서 현재 엔진에 쉽게 적용할 수 있고 동력밀도, 에너지밀도가 높은 장점이 있다. 이 기술은 전기차, 수소화로의 산업전환 연착륙에 기여할 수 있고, 기술적 수월성, 대형 상용차/항공/선박에 활용에 용이하고, 전기차, 수소차를 중심으로 수송 동력이 전환하는 상황에서, 내연기관 엔진차에 e-fuel을 혼용하여 자동차 산업 전환기에 원활하고 커다란 역할을 할 수 있고 장기적으로 e-fuel을 전용하는 내연기관 엔진차로 지속 가능한 탄소중립기술로 자리 매김을 할 수 있다고 본다.

지금까지 배기규제 변화에 대응해온 히스토리를 돌아보고, 앞으로 닥쳐올 중대한 기술 개발 전망을 보고, 우리가 가야할 기술개발의 방향을 제시하고자 하였다. 에너지 및 배기부문은 우리와는 분리할 수 없는 동력, 환경부문으로 항상 미래와 지속가능한 기술의 개발을 위하여 우리는 에너지 및 배기부문에 기여할 수 있는 많은 분야에 주목하고 노력해야 한다고 생각한다.

글 / 여권구 (에픽)
출처 / 오토저널 2022년 4월호 

<참고문헌>
1. 박준홍, 탄소중립 정책과 자동차 배출가스 규제 동향, 자동차공학회, 에너지 및 배기부문 추계특별세션, 2021.
2. 조윤환, 수소전기차량용 MEA개발 동향, 한국자동차공학회, 에너지 및 배기부문 추계특별세션, 2021.
3. 배충식, 수송부문 탄소중립을 위한 e-Fuel기술동향, 한국자동차공학회, 에너지 및 배기부문 추계특별세션, 2021.​
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