요소수 작동 원리가 무엇인지 궁금하셨나요? 요소수 뜻과 요소수 원리를 살펴본 후 요소수 문제점에 이어 요소수가 지닌 다양한 문제점과 앞으로의 방향성에 대해 자세히 정리해 두었으니 SCR 시스템과 요소수가 만나면 어떤 역할을 하게 되는지 아래의 내용에서 자세히 알아보시기를 바랍니다.
1. 들어가는 글
예전에는 검은색 매연으로 인해 맑은 하늘을 보기 힘들 때도 있었는데 어느 순간부터 맑은 하늘을 쉽게 볼 수 있게 되었습니다. 물론 전기차와 수소차 등의 보급으로 인해 그런 것도 있겠지만 산업 환경에서 많이 사용되는 디젤차의 친환경 기술로 인해 그런 것도 있는데요.
오늘은 디젤차에 없어서는 안 될 요소수(Diesel Exhaust Fluid, DEF)에 대해 알아볼 것입니다. 만약 요소수를 자동차 경고등 종류 중 요소수 경고등이 뜨면 넣는 첨가제 정도로 알고 계셨다면 이번 기회에 요소수 역할은 무엇이며 어떤 원리에 의해 작동하는지 자세히 알아보시기를 바랍니다.
그렇다면 먼저 요소수란 무엇인지 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
2. 요소수 뜻
많은 분이 요소수가 없어서 수돗물이나 정수기 물을 대신 넣는 분들도 있는데 엄연히 생수와 요소수는 다른 것이며 특히 차량에 사용되는 요소수는 엄격한 공정 과정을 거친 화학 제품입니다.
요소수는 차량용 촉매제라고 불리며 국제 표준 규격(ISO 22241)에 따라 높은 순도의 요소 32.5%와 초순수 67.5%를 혼합하여 만든 것입니다.
요소는 석탄이나 천연가스 등에서 추출한 암모니아를 이산화탄소와 반응시켜 만든 하얀색의 결정체로 32.5%라는 요소 농도는 요소수의 어는 점을 -11도로 낮추어 결정화를 방지하는 동시에 촉매 반응 효율을 높일 수 있는 황금 비율입니다.
초순수는 수돗물이나 정수기 물이 아니라 물에 있는 미네랄과 기타 불순물을 모두 제거한 순수한 물을 의미합니다. 만약 초순수가 아니라 다른 불순물이 포함된 물을 사용한다면 자동차의 배기 시스템(SCR)이 고장 날 수 있으니 유의하시기를 바랍니다.
특히 요소수를 애드블루(AdBlue)라고도 부르는데 이는 독일의 한 자동차 공업 협회(VDA)가 품질 기준을 충족하는 제품에 부여하는 상표명을 의미하는 것으로 높은 품질의 요소수를 지칭하는 대명사로 사용되고 있습니다.
그렇다면 물이 아니라 요소수라는 촉매제가 왜 디젤차에 필요한지 그 이유에 대해 아래에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
3. 요소수가 디젤차에 필요한 이유
디젤 엔진 원리상 디젤 엔진은 가솔린 엔진보다 열효율이 높으며 힘이 좋지만 연료를 태우는 과정에서 미세먼지와 질소산화물이 발생합니다. 연료가 불완전 연소할 때 발생하는 검은 매연으로 이를 줄이기 위해서는 어쩔 수 없이 엔진 온도를 높여서 연료의 완전 연소를 추구해야 합니다. 하지만 엔진 온도를 높이면 공기에 있는 질소와 산소가 높은 온도에서 결합하여 질소산화물이라는 맹독성 가스를 만들게 됩니다. 따라서 매연을 줄이기 위해 온도를 높이면 질소산화물이 발생하고 질소산화물을 줄이기 위해 온도를 낮추면 매연이 발생하는 딜레마에 빠지게 됩니다.
예전에는 매연 저감 장치인 DPF 작동 원리에 따라 질소산화물보다 매연을 제거하는 것에 집중하였지만 2015년 이후로 유로 6 기준이 적용되었으며 현재는 그보다 더 강력한 배출가스 규제인 유로 7 등이 적용되어 질소산화물 배출을 0에 가깝게 하도록 요구하고 있습니다.
따라서 기존에 있던 엔진 내부 제어만으로는 이 배출가스 규제를 적용할 수 없게 되자 자동차 제조사들은 엔진에서 나온 배기가스를 밖으로 내보내기 전에 한 번 더 씻어내는 아이디어를 떠올려냈으며 이것이 바로 SCR이라고 불리는 선택적 촉매 환원 시스템이고 여기서 요소수 역할이 배기가스를 한 번 더 씻어내는 것입니다.
그렇다면 이런 요소수가 어떤 원리에 의해 작동하는 것인지 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
4. 요소수 작동 원리
선택적 촉매 환원(SCR) 시스템은 요소수 탱크만 있는 것이 아니라 다양한 부품으로 구성되어 있습니다. 요소수 탱크와 펌프는 요소수를 보관하며 적당한 압력으로 요소수를 발사하는 역할을 합니다. 인젝터는 배기관에 요소수를 안개 형태로 분사하게 됩니다. 믹서는 배기가스와 요소수를 골고루 섞어줍니다. SCR 촉매는 실제로 화학 반응이 일어나는 곳으로 벌집 모양의 세라믹 필터입니다. 질소산화물 필터는 반응 전후의 질소산화물량을 실시간으로 감시합니다.
그렇다면 엔진에서 배기가스가 배출되어 머플러로 가는 0.1초 정도 되는 매우 짧은 순간에 어떤 화학 반응이 일어나는지 자세히 알아보도록 하겠습니다.
첫 번째 단계는 암모니아를 생성하는 단계로 인젝터에서 분사된 요소수가 뜨거운 배기가스를 만나 열분해 및 가수분해를 하면 암모니아와 이산화탄소로 변환합니다. 즉, 질소산화물을 제거하는 것은 요소수 자체가 아니라 요소수에서 분해된 암모니아이니 이 점 참고하시기를 바랍니다.
두 번째 단계는 질소산화물 환원으로 이렇게 생성된 암모니아 가스는 배기가스 안에 있는 질소산화물과 함께 SCR 촉매를 통과하는데 이때 SCR 촉매 표면에서는 암모니아가 질소산화물에 있는 산소를 떼어내는 환원 반응을 일으킵니다.
세 번째 단계는 무해화로 질소산화물 환원 반응으로 인해 질소산화물은 질소와 물로 변하게 되어 이 모두 사람에게 무해한 물질입니다.
따라서 요소수 작동 원리는 요소수에서 암모니아를 생성한 후 SCR 촉매를 통해 질소산화물을 질소와 산소로 분해하는 것입니다.
물론 2025년의 SCR 기술은 여기서 한 단계 더 진화하게 됩니다. 우선 트윈 도징 기술이 있는데 폭스바겐에서 시작한 기술로 요소수를 엔진 가까운 곳과 머플러 쪽에서 총 2번 분사하여 엔진이 차가울 때와 뜨거울 때 모두 99% 이상 질소산화물을 제거할 수 있습니다. 그리고 예전에는 단순히 RPM에 따라 분사량을 조절했는데 요즘에는 정밀 제어 센서를 통해 AI 기반의 ECU가 온도나 습도 등을 분석하여 분사량을 조절하거나 요소수 소모량을 최적화하게 됩니다.
지금까지 요소수 원리에 대해 알아보았는데 그렇다면 요소수 역할은 무엇인지 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
5. 요소수 역할
요소수 역할은 미세먼지 생성을 줄이며 연비와 출력을 높일 수 있고 비싼 부품을 보호할 수 있습니다.
첫 번째 역할인 환경적 역할은 미세먼지 생성을 억제하는 것입니다. 질소산화물은 그 자체로도 독성이 강해서 호흡기 질환을 유발하지만 특히 대기 중에서 태양광과 만나면 초미세먼지를 만드는 원인이 될 수 있습니다. 따라서 만약 요소수가 없다면 디젤차가 내뿜는 대기오염물질은 상당히 많은 것이기 때문에 요소수는 도로 위의 공기청정기 역할을 수행하고 있습니다.
두 번째 역할인 기계적 역할은 연비와 출력을 높이는 것입니다. 앞에서 설명한 디젤의 딜레마에서 SCR 시스템이 있는 차량은 배기가스 정화를 요소수에 맡기고 엔진은 그저 연소 효율을 최대한 높이는 것에 집중할 수 있게 됩니다. 따라서 엔진은 연료를 최대한 많이 태워 연비를 높이는 동시에 배기가스 정화를 요소수가 담당할 수 있습니다.
세 번째 역할인 경제적 역할은 높은 가격의 부품을 보호하는 것입니다. SCR 시스템에서는 백금처럼 비싼 귀금속이 포함된 촉매와 민감한 센서가 들어가 있습니다. 따라서 품질이 뛰어난 정품 요소수를 사용하지 않으면 SCR 장치를 통째로 교체해야 해서 수백만 원의 수리비가 나올 수 있습니다.
물론 이런 요소수도 문제점이 있는데 어떤 문제점을 지니고 있는지 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
6. 요소수 문제점
법적으로 SCR을 장착한 차량에서 요소수가 없으면 더 이상 운행할 수 없게 되어 있습니다. 1차 경고는 약 1,000 ~ 2,000km 정도 더 달릴 수 있을 때 요소수 경고등이 뜨게 됩니다. 그러다 요소수 잔량이 얼마 남지 않으면 ECU가 엔진 출력을 강제로 낮추게 되어 언덕을 올라가기 힘들어지거나 최고 속도가 80km/h로 줄어들 수 있습니다.
그리고 만약 요소수가 하나도 없는 상태에서 자동차 시동을 끄면 다시 시동을 켤 때 더 이상 시동이 안 켜지게 되는데 이는 고장 난 것이 아니라 환경 규제에 따른 사항이기 때문입니다. 물론 주행 중에는 시동이 강제로 꺼지지 않으며 시동을 한 번 끄면 그다음 재시동이 걸리지 않는 것입니다.
그리고 가끔 정품 요소수가 아니라 검증받지 않은 저렴한 요소수를 넣거나 오래된 요소수를 사용하는 경우가 있는데 이 또한 위험할 수 있습니다. 우선 나트륨이나 칼슘 등 금속 이온이 조금이라도 들어가 있으면 SCR 촉매 구멍을 막아버릴 수 있습니다. 그리고 품질이 낮은 요소수는 인젝터 노즐 입구에서 굳어서 막아버리는데 이것이 인젝터를 고장 내는 원인이 될 수 있습니다.
따라서 가급적 요소수는 ISO 22241 인증 마크나 AdBlue 로고가 있는 정품 요소수를 사용하시기를 바랍니다. 또한 요소수를 보관할 땐 직사광선이 들지 않는 서늘한 곳에 보관해야 하며 제조일로부터 2년 이내에 사용해야 하지만 트렁크에 비상용으로 놔둬서 온도가 올라갔다면 제조일로부터 1년 이내에 사용하시기를 바랍니다.
7. 요소수 방향성
요즘에는 전기차나 수소차 또는 하이브리드차와 같이 친환경 연료를 사용한 자동차가 많이 상용화되고 있지만 여전히 산업 현장에서는 디젤차가 아직 사용되고 있어 요소수는 앞으로도 당분간은 계속 사용될 것으로 보입니다.
트럭이나 버스 그리고 건설 기계나 선박처럼 높은 출력이 필요한 운송 수단에서는 디젤 엔진을 사용할 수밖에 없습니다. 물론 나중에는 배터리를 이용한 전기차가 그 자리를 대체할 수 있겠지만 아직은 전기차가 디젤차의 출력을 따라오기 힘들기 때문에 여전히 디젤차가 사용되고 있어 요소수 또한 당분간 계속 사용될 것입니다.
조금 흥미로운 점은 요소수의 원료가 되는 암모니아가 차세대 무탄소 연료 중 하나로 주목받고 있다는 것입니다. 요소수 기술은 앞으로 친환경 암모니아 에너지 또는 수소 에너지로 전환되는 과정에서 중요한 역할로 사용될 것으로 보입니다.
따라서 당분간은 요소수 그 자체로 사용될 것이며 나중에는 요소수 자체로 사용되는 것이 아니라 요소수에서 암모니아로 분리되는 그 기술이 사용될 것으로 보입니다.
8. 나가는 글
지금까지 요소수 작동 원리와 뜻 그리고 역할에 대해 자세히 알아보았습니다. 요소수는 단순한 소모품이 아니라 디젤차를 친환경적으로 바꾸는 데 결정적인 역할을 하는 소중한 역할을 합니다. 물론 요소수를 보충하는 것이 조금 귀찮을 수 있지만 환경을 보호하는 활동으로도 볼 수 있으니 함께 했으면 좋겠습니다.
즉, 요소수는 단순히 물이 아니라 요소와 초순수 물이 합해진 화학 물질이며 SCR 시스템을 통해 질소산화물을 질소와 물로 바꾸게 됩니다. 다만, 정품 요소수를 사용하는 것을 추천해 드리며 정품 요소수라 하더라도 제조일로부터 2년이 경과된 제품은 사용하지 않는 것을 추천해 드립니다.