0. 목차
- 친환경 선박(Eco-Ship)
- 친환경에너지 추진 선박
- 선박의 '대체 소재 개발'
1. 친환경 선박(Eco-Ship)
1-1. 친환경 관련 규제 강화
환경 문제가 심각해짐에 따라, 자동차와 같은 이동 수단으로부터 배출되는 가스 등을 줄이기 위해 '친환경 관련 규제 강화' 및 '친환경 관련 기술 개발'이 이뤄졌다. 선박 또한 일반적으로 화석연료를 사용하여 '미세먼지', '질소산화물', '황산화물', '이산화탄소'가 배출되고, 이러한 공해물질은 '국제 해사 기구(IMO: International Maritime Organization)'에 의해 규제된다. '해양 환경', '해양오염'과 관련하여 '국제적으로 발효된 국제 협약에서 정하는 기준'과 '해양 환경 관리법에서 규정하는 내용'이 다를 때에는 '국제 협약'의 효력을 우선한다. 해양 환경 관리법의 규정 내용이 국제 협약의 기준보다 강화된 기준을 포함하는 때에는 그에 따르므로, 협약의 내용이 우리 국내법과의 관계에서 그 규제의 강도에 따라 효력 순위가 달라진다. '런던협약(LDC 72/96)'과 'MARPOL 73/78'은 모두 우리 해양 환경 관리법에 의해 수용되고 있다.
'국제 해사 기구(IMO)'는 온실가스를 내뿜는 선박의 운항을 제한하여 '황산화물', '이산화탄소' 배출량 감축을 목표로 하는 국제 해양오염 방지 협약 MARPOL 73/78을 개정하였다. 2020년부터 선박 연료유 내 황 함유량 기준을 35%에서 0.5%로 강화하고, 선박 질소산화물 배출 기준을 15% 줄이고자 한다. '유럽연합(EU)', '미국' 등 주요국들은 IMO 규제에 맞춰 각종 배출 규제 해역 지정 등 선박 관련 환경오염 규제를 강화하고 있다. 국내에서도 황산화물 배출 규제 해역을 지정하여, 황 함유량 기준을 0.1%로 강화하는 등 단계적으로 대상을 확대해 나갈 전망이다.
1-2. '친환경 선박'의 개발
이에 따라 선박으로부터 배출되는 온실가스를 절감하기 위해 청정·대체 에너지를 이용하거나, 뛰어난 연비를 갖는 '친환경 선박'이 개발되고 있다. '친환경 에너지 선박'에 일반적으로 사용되는 연료로는 '액화천연가스(LNG: Liquefied Natural Gas))', '압축천연가스(CNG: Compressed Natural Gas)', '액화석유가스(LPG: Liquefied Petroleum Gas)', '메탄올(Methanol)', '암모니아(NH3)', '수소(H2)' 등이 존재한다. 이 외 전기 에너지를 동력원으로 사용하는 '전기 추진 선박', 기존 연료에 '무탄소 연료(수소, 암모니아, 바이오 연료 등)'를 같이 조합해 사용하는 '혼합연료 선박'도 있다. 마지막으로 '수소', '암모니아' 등을 사용해 발생된 전기에너지를 동력원으로 사용하는 방법도 있다.
한편, '액화천연가스(LNG)' 연료의 경우, 선박용 연료로서 기반을 확보해가고 있으나, 온실가스 배출량 절감에는 큰 효과를 기대하기 어렵다. 이에 연료 '배터리' 및 '전지', '무탄소 연료'와 같은 친환경 대체연료들이 부각되고 있으며, 추가적으로 수소나 암모니아와 섞어서 연소시키는 방법으로도 변경되는 추세다. 이때 선박의 운항 비용과 선박 건조 측면에서 물류비가 급격히 증가하지 않고, 경제성을 확보하도록 기술적 대안을 마련하는 것이 중요하다.
해양수산부에서 2020년 12월에 발표한 '2030 한국형 친환경 선박 추진 전략'에 따르면, 전 세계 '상선(상업상의 목적에 사용되는 선박)' 중 약 5.6%인 5753척만이 'LNG 추진장치', '황산화물 저감장치' 등의 친환경 기술이 적용된 것으로 파악된다. 친환경 선박으로 전환되고 있는 상선 5753척 중 약 78%는 저감 장치가 장착되어 있고, 16%는 LNG 추진 선박, 6%는 대체연료 선박이다. 대부분의 현존선은 2020년 황산화물 규제의 대응으로, 별도의 친환경 기술 없이 저유황유 사용을 채택 중이나, 중장기적 환경규제 강화 계획에 따라 '수소(H2)'나 '암모니아(NH3)'를 비롯한 무탄소 선박 등 친환경 선박 기술 확보를 위한 연구들이 진행 중이다.
2. 친환경에너지 추진 선박
2-1. 수소연료전지 추진 선박
'국제 해사 기구(IMO)'의 규제에 따라 대기 오염 절감을 위해 대체연료를 사용한 개발이 주를 이루고 있다. 그중 수소는 온실가스 배출량이 매우 적거나 0에 가깝기 때문에 환경친화적이고 발전 효율이 가솔린 및 디젤 엔진에 비해 높아 운항 시 연료 비용 절감 효과가 크다. 대형 선박의 경우 하루 연료 비용이 막대하므로 이는 경제적 이익으로 이어진다. 이와 같은 장점으로 '수소연료전지 선박'에 관한 기술개발과 연구가 증가하고 있다.
'수소연료전지 추진 선박'은 수소를 '연료전지(Fuel Cell)'에 공급해 생산된 전기로 모터를 구동시켜 추진되는 선박을 말한다. 이는 크게 선박용 '수소연료 저장 및 공급 시스템(Hydrogen Fuel Storage & Supply System)'과 '수소연료전지-ESS 시스템(Hydrogen Fuel Cell-ESS System)', '추진 및 제어 시스템'으로 분류 가능하다.
- 수소연료 저장 및 공급 시스템(Hydrogen Fuel Storage & Supply System): '수소연료 저장 및 공급 시스템'은 '고압저장탱크'와 '액화 저장탱크'로 구분되는 '연료탱크'와 '연료 공급 시스템'이 있다. '고압 저장탱크'는 상온에서 기체 수소를 30~70MPa 가압하여 저장하는 방식이며, '액화 저장탱크'는 0.5~1MPa 가압하여 수소를 영하 250도 이하로 액화시킨 후 저장하는 방식이다. 따라서 '고압 저장탱크'는 주로 연료 소모가 적은 소형 선박에 쓰이고, '액화 저장탱크'는 연료 소모가 큰 중대형 선박에 주로 쓰인다. '연료 공급 시스템'의 경우 '수소 공급장치', '열교환기', '수소 기화기' 등으로 구성되어 수소를 연료전지에 공급하기 위한 장치다. 이때 일정한 온도와 압력으로 수소를 공급하는 기술이 필요하다.
- 수소연료전지-ESS 시스템(Hydrogen Fuel Cell-ESS System): '수소연료전지-ESS 시스템'은 '수소연료전지'와 '에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage System)'로 구성된다. '연료전지'는 화학에너지 수소연료를 전기에너지로 변환해 주는 방전 장치이다. 사용온도나 작동온도에 따라 중소형 선박은 '고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)', 대형 선박에는 '고온형 연료전지 용융탄산염(MCFC)' 및 '고체산화물(SOFC: Solid Oxid Fuel Cell)' 등이 주로 적용된다. 이와 같은 방식으로 변환된 전기에너지를 저장했다가 전력이 필요할 때 공급하는 장치가 필요하며, 이를 '에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage System)'라고 한다.
- 추진 및 제어 시스템: 추진 및 제어 시스템
'수소(H2)'는 'LNG(액화천연가스)'와 '메탄올(Methanol, CH3OH)', '암모니아(NH3)'에 비해 낮은 체적 에너지 밀도를 갖고 있으며, 저장 온도 또한 낮아 이를 활용하기 위한 기술적 난이도가 높다. 또한 국제항해에 필요한 안전기준 코드 IGF에 수소가 미등록되어 있어, 관련 법과 제도가 미비한 상황이다. 세계적으로 '유럽연합(EU)', '미국', '일본' 등 선진국들의 경우 '수소연료전지 선박'에 많은 시간과 노력을 쏟고 있다. 영국의 경우 2013년 세계 최초로 수소를 활용한 여객선 '하이드로 제너시스호(Hydrogenesis)'를 개발했고, 미국은 'SF-Breeze', 노르웨이는 'Fellow Ship', 독일은 'e4ships' 등 수소연료전지 선박 개발·연구를 진행 중이다.
2-2. 암모니아 연료전지 추진 선박
'암모니아 연료전지(Ammonia Fuel Cell)'는 '지르코니아(ZrO2)' 한 면에 설치된 연료 극에 암모니아 가스를 공급하면 반대 측 공기 극에 공기를 공급해서 양극 사이 전력을 발생시킨다. 수소 연료전지의 경우, 고순도의 수소를 얻는 정제 등의 과정에서 많은 에너지 투입이 필요한 한계점이 존재하나, 암모니아의 경우 생산 비용이 비교적 낮고 장거리 운송 역시 용이한 장점이 있다. 또한 기존의 일반적인 '고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxid Fuel Cell)'는 공급되는 가스로부터 수소를 얻기 위해 전단에 온실 가스를 야기하는 '가스 개질기(Gas Reformer)'가 필요했으나, 암모니아를 채택할 시 별도의 개질기가 필요치 않아 일본 등 주요국들 중심으로 암모니아 연료전지 관련 연구개발이 진행되고 있다. '개질(Reforming)'이란 열이나 촉매의 작용에 의하여 탄화수소의 구조를 변화시켜 가솔린의 품질을 높이는 조작을 말한다.
'수소(H2)'와 '질소(N2)'를 합성하여 제조가 가능한 '암모니아(NH3)'는 '수소' 기반으로 생산이 가능하여 수소의 다른 형태로 취급받는다. 상대적으로 탱크 크기가 큰 수소에 비해 우수한 저장 특성을 가지며 저장·이송에 있어 장점이 있으나 '유독성', '부식성' 등의 단점이 존재한다. 한편 '암모니아'의 '저 인화점 발화 특성(발화점과 점화 에너지는 높으나 화염속도는 낮은 특성)'으로 인해 다른 연료와 혼합해 대형 엔진에 적용이 가능하다. 국내 대형 조선소들은 글로벌 엔진 제조사와 암모니아 연료를 사용한 추진선에 대한 선급 기본 인증인 AIP를 획득했다.
'암모니아 연료전지'의 사용 방식에는 개질을 통한 '수소 사용 방식'과 '직접 사용 방식'이 있으며, 유럽에서는 암모니아 연료전지 선박에 대한 프로젝트를 진행 중이다. 하지만 국제항해에 필요한 안전기준 코드에 미등록 되어 있으며, 국내 암모니아 연료 선박 규정을 부정하는 등 암모니아에 대한 현행법 제도는 미비한 상태이다.
2-3. 바이오 연료 추진 선박
'바이오 연료(Biofule)'는 전장과 운반 측면에서 우수한 장점을 가진 탄소중립 연료이다. 에너지 효율 및 밀도는 기존 화석연료와 거의 동일한 성질을 가지며, 이러한 유사성으로 연료 계통 장치와 연료탱크를 변경하지 않고 기존의 선박에 그대로 사용할 수 있다. 비슷한 성질로는 '메탄 가스(Methane Gas)'로 이루어져 있는 바이오 가스도 LNG 추진 선박에 바로 사용할 수 있다.
'바이오 디젤(Bio-Diesel)'과 '바이오 가스(Biogas)'는 바이오매스(Biomass)'를 원료로 얻을 수 있다. 하지만 이러한 연료는 공장부지가 큰 대규모 설비가 필요로 되며, 사용량이 지나치면 식량과의 경합이 유발된다. 또한 '축산분뇨', '음식물 쓰레기', '농수산 쓰레기' 같은 1세대 원료는 2세대 원료로 사용할 수 있지만, 타 산업에서 발생하는 폐기물로써 원료 생산량을 증대시키기가 어려운 상황이다.
1세대 바이오매스는 '곡물류'였으며, 2세대 바이오매스는 '목질계'였고, 3세대 바이오매스는 '미세조류(Microalgae)'로 인식된다. 3세대인 '미세조류(Microalgae)'는 이산화탄소를 생물학적으로 회수하는 특징이 있어, 바이오매스로 효율적 전환이 가능하며 미세조류로 만든 바이오 연료는 '녹색 금'으로 불린다. 이러한 미세조류 기반의 바이오 연료가 에너지 수요를 만족하는 가능성을 보이나, 고지질을 함유한 고효율의 미세조류에 관한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 보인다.
2-4. 혼합연료 추진 선박
'혼합연료(Blending Fuel)'는 MFO(Marine Fuel Oil)'나 'LNG' 등 기존 연료에 '수소', '암모니아', '바이오 연료(Biofule)' 등 무탄소 연료를 혼합해 만든다. 무탄소 연료 혼합 비율에 따라서 '이산화탄소(CO2)'가 감축 가능하고, 향후에 '브리지(Bridge)' 기술 역할을 할 것으로 기대된다. 유럽이나 일본 등의 주요 국가들은 'HFO(Heavy Fuel Oil)' 및 '바이오 중유(Bio Heavy Oil)'의 '혼합연료'를 사용하고 있다.
2-5. 순수 전기 추진선
국내에서 '순수 전기 추진선'과 '전기 추진 차도선'이 개발되고 있다. '마스터볼트 코리아(Mastervolt Korea)'는 환경친화적 전기추진선을 개발하기 위해 '전기추진 시스템'과 '배터리 및 충전 시스템' 시운전을 진행하였고, 드디어 2020년에 국내 최초의 순수 전기추진선을 선보였다. 선체의 소재는 친환경 알루미늄으로 구성되어 있어 재활용이 가능하다. '마스터볼트 코리아'의 김승옥 대표는 '바다의 테슬라를 꿈꾸는 전기추진선박의 선도 기업으로 성장해 가겠다'고 밝혔다.
여객선의 한 종류로서 여객과 적재 구역에 차량 등 화물 수송도 가능한 선박인 '차도선'도 100% 순수 전기 연료만 사용하는 연구가 진행되고 있다. 이때 충전 시 세계 최초로 이동 및 교체식 전원 공급 시스템을 적용하여, 항구에 고전압 시설을 설치하지 않고 전기 충전이 가능하다.
3. 선박의 '대체 소재 개발'
선박으로부터 배출되는 온실가스도 환경오염의 주범이 되지만, '섬유 강화 플라스틱(FRP: Fiber Reinforced Plastics)' 또한 환경오염을 야기한다. 2019년 말 해수부 어선 등록통계에 따라 확인된 FRP 어선 비율은 96%로 증가했다. FRP 선박은 적절한 강도를 가지고 있으며, 제작이 쉽고 제조비용이 저렴하다는 장점이 있다. 그러나 '섬유 강화 플라스틱(FRP)' 소재는 재활용이 어려우며, 화재에 취약해 유독가스를 일으킨다. 또한 건조부터 폐기까지의 과정에서 환경오염을 유발하는 문제점이 있다. 특히 선박 폐기 과정'은 '중간 파쇄 처리', '최종 소각', '매립 처리' 과정을 거치는데, '열경화성 소재'로 인해 일반 소각기로 소각되지 않아 전문 업체가 필요하여 많은 비용이 소모된다.
이에 따른 대안으로 '친환경 알루미늄 선박'이 주목받고 있으며, 대체 소재 개발에 대한 연구 지원이 확대되고 있다. 알루미늄 소재는 재활용이 가능한 친환경성 소재이며, 다음과 같은 장점이 있다. 우선 알루미늄은 외부 충격에 강해 변형이 쉽게 일어나지 않고, 화재 등에 강해 안전성 확보가 가능하다. '알루미늄'은 약 30~40% 정도 가벼워 연비 효율이 높으며, '섬유 강화 플라스틱(FRP)'와 달리 수분을 흡수하지 않아 선체 중량 증가 위험성도 낮다. FRP의 경우 적층 된 층간 균열이 발생할 때 수분을 흡수하면서 선체 중량이 증가하지만, 알루미늄은 수분을 흡수하지 않아 선박 수명 단축의 문제를 해결할 수 있다.
| 구분 | FRP 선박 | 알루미늄 선박 |
| 금액 | - 톤당 약 1200~1800만원 - 몰드 제작으로 초기 투자비가 발생하나 여러 척 제작 시 금액 하락 |
- FRP 대비 130~150% 높은 금액 - 수리·유지·보수·재활용 등 총비용 감안 시 금액 하락 |
| 내구성 | - 외부 충격에 약함 (화재·침몰 취약) - 자외선 장시간 노출 시 변형 |
- FRP 대비 내구성 높음 - 외부 충격에 강함 |
| 편안함 | - 진동·소음 적음 | - 진동·소음 다소 많음 |
| 연료비 | - 적층 간 수분 흡수 시 선체 무게 가중으로 연료비 증가 | - FRP 대비 약 35% 연료 절감 효과 |
| 수리 | - 선주 보수·수리 가능 | - 용접 및 판금 수리 - 불법 증축·개축 어려움 |
| 외관 | - 외관 작업 용이 | - 미적 향상을 위한 작업 공법 개발 중 |
| 주문 제작 | - 하나의 몰드에서 한 가지 선형으로 여러 척 제작 가능 | - 한 척씩 주문 제작 가능 - 선주 요구에 따라 다양한 변형 가능 |
| 폐선 처리 | - 폐선 처리 고비용 발생 | - 재활용 가능(톤당 약 200만원) |