차세대 선박 배기가스 감축 가능한 ‘금속 지지체 스마트 촉매 플랫폼’ 개발

국제해사기구(IMO)가 2050년까지 국제 해운의 온실가스 배출량을 넷제로(Net-zero) 수준으로 줄이기로 하면서, 액화천연가스(LNG)와 암모니아가 친환경 선박 대체연료로 주목받고 있다.

LNG와 암모니아는 탄소 감축에 효과적인 반면 메탄(CH₄), 아산화질소(N₂O ), 독성 암모니아 등 또 다른 유해물질과 온실가스 배출 문제를 안고 있어 고효율 배기가스 정화기술이 중요해지고 있는 상황이다.

한국생산기술연구원(원장 직무대행 김택수, 이하 ‘생기원’)이 기존 배기가스 정화 장치의 단점을 극복한 고효율 배기가스 정화기술을 개발했다.

생기원 울산기술실용화본부 저탄소에너지그룹 임동하 수석연구원 연구팀은 ‘금속 지지체(Metallic substrate) 스마트 촉매 플랫폼’을 구현, 기존 장치의 한계를 극복한 차세대 선박 배기가스 정화기술 개발에 성공했다고 밝혔다.

배기가스 정화 장치에서 촉매는 유해물질을 화학적으로 분해하는 역할을, 지지체는 촉매를 안전하게 붙잡아두는 뼈대 역할을 담당한다. 촉매는 적정 온도에서는 제 기능을 발휘할 수 있지만, 실제 상황에서는 선박 운항 조건에 따라 배기가스의 온도와 조성이 계속 달라져 안정적인 정화 성능을 유지하기 어렵다. 더욱이 기존 세라믹 지지체 기반의 정화 장치는 부피가 크고 무거운 데다 열전달도 느려 신속한 온도 조절에 한계가 따른다.

연구팀은 이를 개선하기 위해 먼저 지지체를 얇은 금속 소재로 바꿨다. 지지체는 배기가스가 지나는 통로의 표면에 촉매를 고정하는 구조물로, 금속을 사용하면 세라믹보다 훨씬 얇게 만들 수 있다. 벽이 얇아지면 같은 크기에서도 촉매의 반응 면적이 넓어지고, 배기가스의 흐름을 방해하는 압력손실이 줄어들며, 촉매까지의 열전달 속도도 빨라진다.

연구팀은 제작된 금속 지지체에 미반응 메탄(LNG 추진 선박 엔진 연소 과정에서 연소되지 않은 메탄)과 암모니아, 질소산화물, 아산화질소 등 배출가스를 정화하는 촉매를 고르게 입혀 촉매모듈을 구현해 냈다.

금속 지지체 촉매 모듈을 1메가와트(MW)급 선박 엔진에 적용한 육상 실증 결과 엔진 출력 75% 조건에서 질소산화물(NOx) 98.8%, 아산화질소 72.1%가 감소하는 우수한 성능이 입증됐다.

1MW급 선박 엔진 운전 조건 하에서의 국내 첫 실증 사례로, 촉매 사용량도 기존 세라믹 지지체 대비 약 55%, 모듈 수 24%, 반응기 부피 30%가 감소해 제작 비용과 설치 공간을 동시에 줄일 수 있다.

연구팀은 금속 지지체 촉매 모듈을 고주파 유도가열로 직접 데우는 벤치 규모의 촉매 반응 시스템을 구축하고, 이를 파일럿 규모로 확대하기 위한 설계기술도 확보했다. 기존 버너 방식은 반응기 외부로부터 열을 공급받기 때문에 이산화탄소가 발생하고, 열 손실과 온도 편차도 심하다.

반면 고주파 유도가열 방식은 촉매가 코팅된 금속 지지체를 직접 데우는 방식이어서 빠르고 균일하게 반응 온도를 얻을 수 있다. 게다가 재생 전력과 연계할 경우 버너 연소에 따른 탄소 배출과 탄소 비용 부담도 줄일 수 있어 친환경 전기식 촉매 공정으로 활용도가 높다.

임동하 수석연구원은 “금속 지지체 코팅 촉매와 고주파 유도가열을 결합해 촉매 반응기는 소형화하고, 전기식 직접 가열 촉매 플랫폼을 구현한 것이 핵심”이라고 설명하며, “확보된 성과를 바탕으로 금속 지지체에 촉매를 입히는 일부 공정을 자동화하고, 촉매의 종류와 반응 조건에 따른 오염물질 저감 성능을 예측할 수 있는 AI 모델을 개발 중”이라고 말했다.

또한 “제조 자동화와 AI 예측·제어기술을 연계해 품질과 운전 효율을 지속적으로 높이는 한편 극지 운항 선박과 반도체·수소·철강 등 탄소중립 전환 산업 분야로 적용을 확대할 계획이라고 밝혔다.