요소수

3. 작동 원리 및 화학 반응식

180℃ 이상의 배기 가스에, 요소수가 분사되면 요소수에 포함된 탈이온수가 배기가스의 열에 의해 증발하고, 요소가 암모니아(NH3)와 이소시안산(HNCO)로 열 분해된다^[35]:

:(NH₂)₂CO → NH₃ + HNCO

이소시안산은 수증기와 반응하여 가수분해되어 이산화 탄소와 암모니아를 생성한다.^[13]

:HNCO + H₂O → CO₂ + NH₃

따라서 지금까지의 전체 반응식은 다음과 같다.^[13]

:(NH₂)₂CO + H₂O → 2 NH₃ + CO₂

암모니아는 산소와 촉매가 존재하는 환경에서 두 가지 다른 질소 산화물을 환원시킨다.

:4 NO + 4 NH₃ + O₂ → 4 N₂ + 6 H₂O ("표준 SCR")

:6 NO₂ + 8 NH₃ → 7 N₂ + 12 H₂O ("NO₂ SCR")

:NO + NO₂ + 2 NH₃ → 2 N₂ + 3 H₂O ("고속 SCR")

따라서 요소에 의한 전체적인 NO_x 환원 반응은 다음과 같다.

:2 (NH₂)₂CO + 4 NO + O₂ → 4 N₂ + 4 H₂O + 2 CO₂

:4 (NH₂)₂CO + 6 NO₂ → 7 N₂ + 8 H₂O + 4 CO₂

:(NH₂)₂CO + NO + NO₂ → 2 N₂ + 2 H₂O + CO₂

NO₂와 NO의 비율에 따라 어떤 반응이 일어나고 얼마나 빨리 일어나는지가 결정된다. 특히 200 °C와 350 °C 사이의 온도에서 NO₂와 NO의 양이 같을 때 가장 높은 전환율을 달성한다. NO₂보다 NO가 더 많으면 고속 SCR과 표준 SCR이 순차적으로 일어난다. NO보다 NO₂가 더 많으면 고속 SCR과 NO₂ SCR이 순차적으로 일어나지만, NO₂ SCR은 표준 SCR보다 느리고, 질산암모늄이 생성되어 촉매 변환기를 일시적으로 비활성화시킬 수 있다.^[14]

3. 1. 화학 반응

3. 2. 반응 조건

4. 디젤 차량에서의 사용

요소수는 SCR 시스템이 장착된 디젤 차량에서 질소산화물(NOx) 배출을 줄이기 위해 사용된다.^[7] 배기가스로의 DEF(디젤 배기액) 분사 속도는 디젤 소비량의 2~6% 수준이다. 전자 제어 장치(ECU)는 배기가스의 NOx 수준, 엔진 작동 온도 및 속도와 같은 매개변수에 따라 요소수 주입량을 조절한다.^[12]

일반적으로 요소수가 부족하면 계기판에 신호가 뜨며, 요소수 없이는 시동이 불가능하도록 설계되어 있는 경우가 많다.^[37]

유럽 등에서는 독일자동차 공업협회(VDA) 인증 마크인 애드블루(AdBlue)를 부착한 AUS32를 차량에 사용하도록 권장하고 있으며, 국제적으로는 ISO22241(또는 DIN70070)을 만족하는 인증 마크를 획득하도록 하고 있다. 애드블루(AdBlue) 표준에서는 물속에서 농도가 32.5%에서 어는점이 -11℃(영하 11도) 정도로 가장 낮다고 알려져 이를 권장하고 있다.

SCR은 닛산디젤(Nissan Diesel Corporation)에 의해 자동차에 적용되었으며, 최초의 실용적인 제품인 "닛산디젤 퀀(Nissan Diesel Quon)"이 2004년 10월에 출시되었다.^[8]
유로6 기준유럽 연합(EU)에서 시행하는 유로6 배출가스 기준은 디젤 차량의 질소산화물(NOx) 배출량을 0.46g/kWh, 미세먼지 배출량을 0.01g/kWh로 제한한다. 이 기준을 충족하기 위해 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템과 요소수 사용이 필수적이다.

4. 1. 유로6 기준

5. 안전 및 보관

요소수는 투명하고 무독성이며 취급이 안전하다.^[20] 요소는 알루미늄과 같은 금속에 부식성 영향을 미치므로, DEF(디젤 배기액)는 특수 용기에 보관 및 운송된다.^[21][22] 이러한 용기는 일반적으로 스테인리스 스틸로 만들어진다.^[22] 차량의 선택적 촉매 환원 (SCR) 시스템과 DEF 분배기는 요소의 부식성 영향이 없도록 설계되었다.^[21] DEF는 서늘하고 건조하며 통풍이 잘 되는 직사광선이 없는 곳에 보관하는 것이 좋다. 대량의 DEF는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 가교 폴리에틸렌(XLPE), 섬유강화 플라스틱(FRP) 용기 및 강철 탱크에 보관하는 것이 적합하다. DEF는 보관 및 운송을 위해 대량 중간 용기에서도 자주 취급된다.

DEF는 소량의 반복 사용을 위한 용기부터 대량의 DEF가 필요한 소비자를 위한 대형 운반선까지 다양한 양으로 소비자에게 제공된다. 2013년 현재 많은 트럭 정류장에 DEF 펌프가 추가되었다. 이는 일반적으로 연료 펌프 옆에 있어 운전자가 트럭을 옮기지 않고도 두 탱크를 모두 채울 수 있다.

유럽에서는 점점 더 많은 주유소에서 일회용 플라스틱 용기를 사용하는 기존 방식 대신 디젤 배기액을 펌핑하는 디스펜서를 제공하고 있다.

공항에서는 디젤 지상 서비스 차량에 DEF가 필요한 경우가 있는데, DEF의 라벨링과 보관을 신중하게 관리하여 제트기에 실수로 DEF 대신 연료계통 결빙 방지제를 주입하는 것을 방지해야 한다. 이러한 실수는 여러 차례의 비행 중 엔진 고장 및 지상 정지 사고의 원인으로 지목되어 왔다.^[23][24][25]

6. 겨울철 작동

요소수는 -11°C에서 어는점이 발생한다.^[15][16] 저온 환경에서 SCR 시스템이 작동하려면, 동결된 요소수가 짧은 시간 안에 녹아야 한다. 2010년 EPA 배출 기준은 70분 이내에 요소수 냉각수의 완전한 흐름을 요구한다.^[17][18] 유럽에서는 규정 (EC) No 692/2008^[19]의 부록 XVI 10항에 따르면, -15°C의 중심 온도를 가진 얼어붙은 탱크의 요소수는 -15°C에서 엔진을 시동할 때 20분 이내에 사용 가능해야 한다.

일반적으로 얼어붙은 요소수는 엔진의 열, 예를 들어 요소수 탱크를 통과하는 엔진 냉각수에 의해 해동되며, 온도조절기 냉각수 제어 밸브에 의해 제어된다. 이 방법은 SCR 배기가스 정화 시스템이 완전히 작동하기까지 최대 1시간까지 걸릴 수 있다.^[4] 요소수 해동 및 SCR 작동을 위한 또 다른 방법은 요소수 탱크에 전기 히터를 통합하는 것이다. 이 히터는 PTC 히터를 사용, 온도가 50-60°C를 초과하지 않도록 조절한다.

7. 공급 부족 사태

7. 1. 대한민국

7. 2. 호주

참조

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_[2] 웹사이트 The DPR Future http://www.hino.com/[...] Hino Motors 2014-07-30
_[3] 웹사이트 What is the function of AdBlue? https://eurol.com/en[...] 2020-05-18
_[4] 웹사이트 What is DEF? https://web.archive.[...]
_[5] 웹사이트 ISO 22241-4:2019 Diesel engines — NOx reduction agent AUS 32 https://www.iso.org/[...] ISO (International Organization for Standardization) 2019-07-01
_[6] 웹사이트 Prime Lubes Inc https://primelubeinc[...]
_[7] 웹사이트 How it works https://web.archive.[...] 2012-07-09
_[8] 웹사이트 尿素CSRシステム（FLENDS） https://www.jsae.or.[...] 2021-11-28
_[9] 웹사이트 2010 EPA Emissions Standards And Diesel Exhaust Fluid https://familyrvingm[...] 2021-12-03
_[10] 웹사이트 DEF infrastructure in good shape https://www.fleetown[...] 2021-12-03
_[11] 웹사이트 Exhaust-gas treatment with double-injection technology https://www.bosch-mo[...] 2022-05-08
_[12] 웹사이트 How Does DEF Fluid Work in Diesel Engines and Why Do You Need It https://www.fuellogi[...] 2024-12-16
_[13] 논문 Modeling of Urea Decomposition in Selective Catalytic Reduction (SCR) for Systems of Diesel Exhaust Gases Aftertreatment by Finite Volume Method 2020-07-01
_[14] 논문 Selective catalytic reduction of NO and NO₂ at low temperatures 2002
_[15] 웹사이트 Does AdBlue freeze https://carsneedcare[...] 2023-05-01
_[16] 웹사이트 Frequently Asked Questions http://www.discoverd[...] 2017-12-29
_[17] 웹사이트 DEF Equipment Delivery & Storage https://www.cummins.[...] Cummins Inc 2017-12-29
_[18] 웹사이트 The 5 Facts and Fiction of Diesel Exhaust Fluid https://web.archive.[...] 2017-12-29
_[19] EU규정 2008-07-18
_[20] 웹사이트 3. Hazard Identification https://adbtrasemisa[...] Fertiberia 2008-08-21
_[21] 웹사이트 Urea tanks on diesel trucks -- that's the law in the United States starting in 2010 https://www.eurekale[...] EurekAlert operated by AAAS 2020-07-22
_[22] 웹사이트 Urea – Krampitz storage tanks https://web.archive.[...] 2020-07-22
_[23] 웹사이트 Close Call for Falcon with DEF-contaminated Fuel https://www.ainonlin[...] AIN Online 2018-08-24
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_[26] 뉴스 No immediate end in sight for diesel exhaust fluid shortage in Korea https://www.koreatim[...] 2021-11-09
_[27] 뉴스 Urea shortage threatens South Korea's transport, energy industries https://www.reuters.[...] 2021-11-09
_[28] 뉴스 S.Korea rations urea amid shortage, drivers panic buy https://www.reuters.[...] 2021-11-11
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_[35] 논문 Modeling of Urea Decomposition in Selective Catalytic Reduction (SCR) for Systems of Diesel Exhaust Gases Aftertreatment by Finite Volume Method 2020-07-01
_[36] 특허 Diesel exhaust fluid formulation having a high ammonium content and a low freezing point https://www.google.c[...] 2013-01-30
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