대기오염 해결, 촉매화학 관건

■ 산업 및 시장 동향-국내 동향

1) 시장규모 및 전망

가. 자동차

한국은 전 세계 6위의 완성차 생산국으로 2017년 한 해의 차량 생산량만 약 400만대에 달한다. 국내 1위 완성차 업체인 현대자동차의 2016년 총생산 대수는 약 800만 대로, 전세계 완성차 생산량에서 도요타, 폭스바겐에 이어 3위를 차지했다.

자동차산업은 국가 기간산업으로 2006년 총 GDP 753조 8천억 원 중 2.4%, 2006년 제조업 총생산액 912조 8천 9백 억 중 12.0%, 2007년 3분기 수출 906억달러 중 13.2%의 비중을 차지했다. 2007년 3분기 제조업 고용자 2,572,000명 중 9.5%가 자동차 산업의 고용자였으며, 자동차 관련 사업체는 3,848천개에 달할 만큼 국민 경제에서 차지하는 비중이 높다.

차량과 선박 모두 국내 주력산업으로, 나날이 강화되고 있는 미세먼지·유해가스·연비 관련 규제에 대응하기 위한 배기가스 정화 시스템이 필요하다. 해당 분야의 시장규모는 <표 3-2-1-5>와 같다. 국내 디젤 자동차 수는 2008년 세계경제위기 때 177,000대를 기점으로 증가하기 시작하여 2015년 기준 684,000대로 급격히 증가하고 있는 추세다. 2009년부터는 Euro 5의 기준에 따라 DPF가 장착되었고, 2014년부터는 Euro 6 규제에 따라 DPF+ DeNOx 장치가 적용되고 있다.

국내 노후 운행차의 배출가스 저감장치는 정부의 보급정책에 의해 결정된다. 1기 수도권 대기질 개선사업 시기인 2005년부터 2014년 동안 DOC, pDPF, DPF 등의 저감장치가 총 424,708대 판매되었으며 약 9,062억 원의 비용이 소모되었다. 그러나 NOx 저감 장치에 대한 보급은 이루어지지 않았다. 2기 수도권 대기질 개선 사업은 기존의 DPF 보급을 2019년까지 지속하면서 PM/NOx 동시저감장치와 가솔린용 삼원촉매 장치를 2024년까지 지속적으로 보급할 계획이다. 제2차 기본계획상 3조 332억 원(총 투자계획 4조 5,581억 원의 66.5%)을 DPF 부착 지원사업 등 운행차 저공해화 사업에 투입할 예정이므로 관련 산업의 지속적 확대를 기대할 수 있다.

또한, 노후차 미세먼지 대책과 관련하여 2005년 이전 배출허용기준에 맞춰 제작된 경유차, 덤프트럭, 지게차, 굴삭기 등 도로용 3종 건설기계, 대형 화물차·버스 등 총 13만 8000대에 다양한 정책을 추진할 계획이다. 이중 약 225억 원은 3000대의 노후건설기계 및 대형차에 NOx 저감기술을 적용하는데 투입될 예정이므로 이와 관련된 시장의 확대를 예측할 수 있다.

나. 선박

한국 선박은 전 세계 시장 건조량의 32.4%를 차지하고, 조선기자재산업의 25%에 달한다. 선박용 엔진은 전 세계시장의 69%에 육박하며, 조선 산업 전체는 국내 수출비중의 7.9% 및 전체 제조업의 7.8%를 차지하고 있다. 조선부분의 국내 생산량은 대부분 수출로 연결된다. 내수 규모는 2011년 기준 2.6억 달러이나 생산은 524.9억 달러이니, 생산액의 99%이상이 수출로 이어지고 있는 셈이다. 선박용 후처리장치인 SCR이나 스크러버는 단품으로 납품될 수 있으나 대부분 선박에 장착되어 함께 판매되기 때문에 조선 산업과 밀접한 관련이 있다.

국내의 경우 아직 배출규제해역(emission control are, ECA)으로 지정되지 않아 저감장치 장착은 모두 ECA를 운항하는 대형 외항선 위주로 시장이 형성되어 있다. 암모니아를 환원제로 사용한다는 점은 동일하나 선박에 사용되는 탈질용 SCR은 화력발전소 등 고정원 SCR과 유사하다. 해당 장치에 사용되는 대부분의 촉매의 경우 과거에는 외국기업인 Topose나 Hitachi사 등에서 공급했으며, 현재는 국내 기업인 ㈜나노나 대영 C&E 제품의 적용이 증가하고 있는 추세다. 해당 분야의 시장규모는 2007년 기준으로 21만 달러 수준이다.

신규 촉매 원천기술 확보 상용화 가속

저온 배기환경 적합한 기술 확보 필수

■ 산업 및 시장 동향-해외 동향

1) 시장규모 및 전망

가. 자동차

자동차 배출가스 저감 산업은 배출규제 및 이동원 생산대수와 밀접하게 연관되어 있다. 현재 전세계 자동차 연간 생산량은 2016년 기준으로 약9.5천만대에 이르고 있으며 지속적인 증가세를 보인다. 따라서 친환경 자동차 산업 또한 선진 각국의 산업구조를 선도하는 주력산업으로서 지속적 성장이 예상된다. 친환경 자동차 산업은 지구온난화 규제, 대기환경 개선 및 에너지 문제를 해결하여 나가는 신환경산업의 핵심이며, 환경 관련 기술력에 따라 시장재편이 예상되는 산업 분야이다. 기존 순수 내연기관 차량이 사라지고 친환경차로 대체될 것으로 예상되고 있으나, 순수 전기동력차(전기차·연료전지)의 예상 도입 비율은 약 20∼30%로 예상된다. 여전히 내연기관이 필수적인 하이브리드, CNG, 디젤차 등이 미래 친환경자동차 시대의 주역이 될 것이다. 따라서 내연기관에서 배출되는 미세먼지 및 유해가스 저감을 위한 정화시스템 산업이 지속적으로 각광 받을 것이며, 규제 강화에 따른 차세대 기술이 신성장동력으로서 시장을 주도할 것으로 보인다.

내연기관으로부터 배출되는 미세먼지 및 유해가스 저감을 위한 주요한 저감장치는 촉매컨버터로, 세계 배기가스·미세먼지 정화 촉매 시장은 2016년에 약 100억 달러 규모의 시장을 형성하고 있다. 더불어 연평균 11.3%의 증가세를 보이고 있으므로 2019년에는 약 140억 달러 규모로 확대될 것으로 예상된다. 이 시장의 약 80% 이상이 자동차용 촉매 시장이다. 현재 세계 환경촉매 시장은 Johnson Matthey, BASF, Umicore Group 3개의 회사가 약 70%를 독점하고 있다.

나. 선박

전 세계 선박 생산은 한국, 중국, 일본 3국이 90% 이상을 차지하고 있다. 총 선박 수주량은 2014년 기준 40.9%를 차지한 중국에 이어 한국이 33%로 세계 2위지만, 저가선박보다 기술력이 필요한 LNG선이나 초대형 컨테이너선 등 고부가가치 선박 수주는 한국 생산량이 41%로 세계 1위이다.

Tier III 규제에 의해 ECA가 설정된 구역을 운항하는 선박은 질소산화물 또는 황산화물 배출 허용치를 충족시켜야한다. 선박 배출 질소산화물은 주로 SCR을 통하여 황화합물은 스크러버(scrubber)를 이용하여 저감되고, 1차 미세먼지(PM)는 DPF 등을 이용하여 저감할 수 있다.

대기환경보호를 위하여 세계적으로 배출규제가 점차 강화되고 있는 추세이며, 고유황 연료 사용에 의한 PM 다량 배출 및 인체 유해성 연관 문제로 인해 선박용 디젤엔진 및 보일러에 대한 규제 도입에 대한 논의도 활발히 진행 중이다. <표3-2-1-7>은 NOx 저감을 위한 선박용 SCR 기술 시장의 현황을 보여준다.

2014년 IMO MEPC 66차에서 미국과 캐나다가 북미대륙에 대해 2016년부터 Tier III를 적용하여 배출규제를 단행하기로 결정함에 따라 선박 배기가스·미세먼지 저감 시스템에 대한 시장은 지속적으로 확대될 것으로 보인다.

■ 미래의 연구방향 및 정책 제언

현재 국내에서는 이동배출원 저감기술의 핵심인 촉매 및 흡착소재 등에 대한 원천기술이 부족하며, 원천소재에 대한 해외기술 의존도가 높다. 따라서 이를 해결하기 위한 원천/핵심 기술의 확보가 필요하다. 저감기술을 시스템화 할 경우 원천기술의 형태에 따라 종속적인 부품화 및 제어기술 개발이 뒤따르며, 원천 기술 확보 여부에 따라 적용 환경에 따른 변경이 가능하다. 그렇게 되면 지금껏 가격 및 공간의 문제로 적용이 거의 불가능하였던 기술의 사각지대로 –특히 질소 산화물 저감 분야에- 기술 보급이 가능하다.

국내에서는 우수한 부품 및 시스템화 기술을 보유하고 있기 때문에, 신규 촉매 등 원천기술의 확보시 실증을 통한 기술 상용화를 가속화 시킬 수 있다는 강점이 있다. 또한, 타당 기술의 확보시 국내 현안 해결을 위한 정부의 정책 및 국민의 관심으로 인해 보급사업이 활발히 진행될 것이므로, 국내 대기질이 개선되는 것은 물론 연관 산업이 육성되는 것까지도 기대할 수 있다. 뿐만 아니라 신차·신조선에 접목하여 자동차, 선박 등의 국가주력산업을 보호하고 연관 산업의 육성할 수 있을 것이다.

이동원 배출 대기오염물질은 복잡한 배출환경을 보이므로 단일 기술이 아닌 대기오염물 발생 억제 및 직접 저감이 가능한 복합적 형태의 기술개발 접근이 필요하다. 또한, 실질적으로 대기환경을 개선하기 위해 잠재적 미세먼지 생성물질(질소·탄소·황화합물계 유해가스 등) 배출 억제, 고연비 달성을 통한 탄소계 화석연료 사용량 감축, 천연가스 등의 대체연료 활용기술 및 이를 위한 개선된 미세먼지 제거시스템 등의 복합적인 기술을 검토해야 한다. 뿐만 아니라 각종 규제에 대응하기 위한 차세대 고효율 엔진의 경우 저온 배기가스 특성으로 인하여 미세먼지 유발원(NOx, THC 등) 저감, 특히 NOx의 저감이 어렵다. 따라서 고효율 엔진을 만들기 위해서는 저온 배기환경에 적합한 대기오염물 저감을 위한 기술 확보가 필수적이다.

대기오염과 관련하여 우리 앞에 당면한 여러 현안을 해결하기 위해서는 육상 이동원, 산업기계, 선박 및 차세대 이동원 등 다양한 분야에 적용하기 위한 종합적인 후처리 기술들이 필요하다. 이러한 저감기술의 중심에는 촉매의 특성 및 형태를 조정하여 적용기술의 방향을 달리할 수 있는 촉매화학이 있다.

▲ <표 3-2-1-5>국내 미세먼지 저감 장치 보급/시장 규모

▲ <표 3-2-1-6>노후차 저공해화 조치 보급 대수

▲ <그림 3-2-1-20>(친환경)자동차 세계시장 전망

▲ <그림 3-2-1-21>세계 배기가스 정화 촉매 시장 예측

▲ <표 3-2-1-7>선박 SCR 및 DPF 시장 현황(단위 : 천달러)

▲ <표 3-2-1-8>선박 미세먼지 저감시스템 시장 예측(단위 : 천 달러)

▲ <표 3-2-1-9>이동원 배기가스 정화 소재 기술-국내 선도기업

▲ <표 3-2-1-10>이동원 배기가스 정화 소재 기술-해외 선도기업