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J Korean Soc Environ Eng > Volume 45(5); 2023 > Article
친환경 전기 선박의 현황과 전망

Abstract

Recently, there has been an increasing national interest in air pollutants including fine dust due to worsening air quality. As more people become interested in the environment, policies that consider the environment are being implemented in various fields as regulations also change. It can be seen that regulations are being strengthened as the MARPOL standards for air pollutants such as sulfur oxides, nitrogen oxides, carbon dioxide, EEDI are being lowered. According to the United Nations Conference on Trade and Development, 80% of goods trade is transported by ships and the amount of air pollutants emitted by ships cannot be overlooked. Therefore, there is a growing need to transition from traditional fossil fuel-powered mechanical ships to eco-friendly ships. In this review, we analyze one type of eco-friendly ship, the electric ship. We compare the economic viability of electric ships with traditional mechanical ships and investigate the current status and commercialization cases of electric ships. We also provide insights into the future prospects of electric ships.

요약

최근 들어 악화되는 대기질로 인해 미세먼지를 비롯한 대기오염물질에 대한 전 세계적 관심이 증대되고 있는 상황이다. 환경에 관심을 갖는 사람들이 많아지고, 규제들도 변화하면서 여러 분야에서 환경을 고려하는 정책이 시행되고 있다. 마폴(MARPOL)의 기준으로 황산화물, 질소산화물, 이산화탄소, EEDI 등 대기오염물질의 기준치가 낮아짐으로써 규제가 강화되고 있음을 알 수 있다. 유엔 무역 개발회의에 따르면 상품 무역의 80%가 선박으로 운송되며, 선박이 배출하는 대기오염물질의 양은 간과할 수 없다. 따라서 기존의 화석연료를 사용하는 기계식 선박에서 친환경 선박으로의 전환의 필요성이 대두되고 있는 상황이다. 본 기술자료에서는 친환경 선박의 종류 중 하나인 전기선박을 분석하였다. 전기 선박과 기존 기계식 선박과 경제성을 비교하고, 전기선박 현황 및 상용화 사례를 조사했다. 또한 전기 선박의 앞으로의 전망에 대해 시사하였다.

1. 서 론

탄소 제로에 대한 사회적 요구가 급증함에 따라, 환경 에너지 분야에서도 이를 위한 다양한 시도가 이뤄지고 있으며[1-14], 친환경 에너지로 구동되는 이동 수단 개발에 대한 관심이 급증하고 있다. 기후변화에 대한 관심 뿐 만 아니라, 대기질 악화로 인해 미세먼지를 비롯한 대기오염에 대하여 전 국민적 관심이 증가하고 있는 상황이다.
세계적으로 1992년 리우 회의(Rio Summit) 때부터 해운 및 항만분야의 온실가스 배출을 감축하기 위해 다양한 노력이 있었다. 하지만 큰 관심을 끌지 받지 못하다가 최근 들어 정부와 시민단체에서 심각성을 인지하여 해운 및 항만 분야의 온실가스 배출 감축을 위한 규제와 법안을 강화하고 있다.
유엔 무역 개발 회의에 따르면 모든 나라의 상품 무역의 80%가 선박으로 운송되고 있다. 해양 운송은 2022년까지 매년 약 3.8%씩 계속해서 증가할 것이라고 전망되고 있다. 그러나 선박은 미세먼지, 질소산화물, 매연, 황산화물, 이산화탄소와 같은 많은 양의 배기가스를 배출하여 대기 환경을 오염시킨다. IDTechExOne의 조사에 의하면, 대형 선박 1척은 자동차 70,000대 분량의 이산화탄소, 2,000,000대 분량의 질소산화물, 2,500,000대 분량의 미세먼지와 발암물질을 발생시킨다고 한다.
IMO에서 국제 운항 선박 오염물질 배출은 지구 온난화 문제를 주된 중점으로 다루고 있고, 연안 선박 오염물질 배출은 ‘세계 환경 및 인간의 건강’ 측면에서 보다 시급한 문제임을 시사한다. 이에 한국의 대기오염 문제 및 국민 건강 안전을 위한 연안 선박의 대기오염물질 배출 저감기술의 필요성이 대두되고 있다.
선박 배출가스의 절감을 위해, 국제해사기구는 선박에서 배출하는 CO2량을 2025년까지 30%로 감소하는 것을 목표로 설정하였다. 또한 IMO 마폴 73/78 부속서 VI에 따르면 NOx 및 SOx 배출에 대한 규제를 강화하였다.
한국은 2017년 9월 ‘미세먼지 관리 종합대책’ 발표를 통하여 2022년까지 국내의 미세먼지 배출량을 약 30% 이상 감축하고 미세먼지 나쁨 일수를 70%까지 줄이겠다고 공표하였다[1]. 그리고 2019년에는 ‘대기관리권역의 대기환경개선에 관한 특별법’ 및 ‘항만지역 등 대기질 개선에 관한 특별법’과 같은 대기 환경에 관련된 특별법이 제정되었고 2020년부터 시행 중이다[2].
이에 따른 대기오염물질 배출에 대한 환경규제를 충족하기 위한 친환경 선박이 필요하다. 친환경 선박에는 LNG선박, 연료전지 선박, 하이브리드 선박, 전기선박 등이 있으며 현재 기술 개발과 상용화가 활발히 이뤄지고 있다. 이 중 전기 선박은 다른 친환경 선박(LNG선박, 하이브리드 선박)과 비교하여 화석연료를 전혀 사용하지 않고, 오롯이 배터리의 전기를 사용하여 모터를 구동시키는 방식을 말한다. 전기선박은 에너지원을 전기로만 사용하기 때문에 대기오염물질 배출이 없으며, 기계적 선박과 달리 엔진설비가 없어서 선박 무게 절감 및 공간 효율이 상승한다. 디젤과 같은 화석연료보다 비교적 저렴한 전기에너지를 사용하여 연료비용을 절감할 수 있다.
본 기술자료에서는 강화되는 환경규제에 따른 전기선박의 필요성 대두와 전기선박과 기존 선박의 경제성을 비교하여 전기선박의 충분한 경쟁력이 있음을 제시하고, 현황 및 해외의 실사례 등을 소개하며, 앞으로의 선박 시장 및 기술적 전망을 시사하고자 한다.

2. 본 론

2.1. 환경 정책의 변화

2.1.1. 국제해사기구(IMO)의 정책

국제 해사기구(International Maritime Organization, IMO)에서 1973년 제정한 ‘선박으로부터 오염 방지를 위한 국제협약(International Convention for the Prevention of Marine Pollution from ships)’에 관한 의정서 마폴(MARPOL) 부속서 VI는 오존층 파괴물질, 질소산화물, 황산화물, 휘발성 유기화합물, 선박 연료유에 관한 규제를 담고 있다(Table 1).

2.1.1.1. 질소산화물 규제

마폴 부속서 VI 제13조에 따른 규제는 출력 130 kW 이상 디젤기관 선박에 적용되며, Tier I, Tier II, Tier III로 구분된다(Table 2). 전 세계 모든 해역에 2000년부터 Tier I이 적용되었고, 2011년부터 Tier II가 적용되었고 IMO 질소산화물에 관한 3차 환경규제가 2015년 5월에 발효되어 2016년부터 N배출규제지역에서는 Tier III가 적용된다.
NOx 배출 허용량을 만족시키기 위한 방법으로 전기추진선박, 하이브리드 선박, 등의 친환경 선박 기술 및 NOx 저감장치[EGR(Exhaust Gas Recirculation, 배기가스 재순환장치), SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택적 환원촉매장치)] 등이 있으며, 연구·개발이 진행 중에 있다.

2.1.1.2. 황산화물 규제

마폴 부속서 VI에 따라 전 해역에서 2005년 1월 1일부터 황이 4.5% 이하로 함유된 선박 연료유를 사용하도록 했고, 2012년부터는 3.5% 이하로 함유된 선박 연료유를 사용하도록 강화되었고, 2015년부터는 황 배출규제지역에서는 황이 0.1% 이하로 함유된 저유황유를 사용하도록 하고 있으며, 2020년부터는 강화되어 전 해역에서 황 함유량 0.5% 이하 저유황유를 사용해야 한다. 또한 저유황유 대신 스크러버(scrubber)를 사용하여 SOx의 배출량을 기준량 이하로 배출할 수 있다.
마폴 외에도 EU(유럽연합)은 EU의 항만에 대해 2010년부터 황(S)이 0.1% 이하로 함유된 연료유를 사용하도록 하고 있다. 중국은 중국 영해(연안 12해리)에 대해 2019년부터 선박 연료유의 황 함유량이 0.5% 이하로 사용하도록 하고 있으며, 2020년부터 황(S)의 함유량이 0.1% 이하인 연료유를 사용하도록 규제를 하고 있다. 또한 미국의 캘리포니아주는 캘리포니아주 연안에 대해 2014년부터 선박 연료유의 황 함유량 0.1% 이하로 사용하도록 규제를 하는 등 세계 각국의 해양환경규제는 강화·확대되고 있다.
위와 같은 IMO의 마폴 부속서 VI의 배출 허용치를 충족하기 위한 해결책은 0.5% 이하의 저유황유를 이용하는 방법 외에 전기추진선박, 하이브리드 선박 등의 친환경 선박 기술과 스크러버(scrubber)등이 연구·개발되고 있다.

2.1.1.3. 이산화탄소 규제

마폴 부속서 VI에 따라 시행되는 2단계 규제(2020년)는 선박의 종류 및 크기 별 기준 대비 20%의 CO2를 감소해야 하고 3단계(2025년, LNG·LPG 운반선, 컨테이너선은 2022년)에서는 기준 대비 를 30% 저감해야 하며, 국제해사기구 IMO의 온실가스 감축을 위한 로드맵(2022년 채택 예정)에 따라 4단계(2030년 예정)에서는 기준 대비 CO2 40% 저감, 5단계(2050년 예정)에서는 기준 대비 50-70%의 CO2를 저감해야 한다. 위와 같은 CO2 배출 허용치를 충족하기 위한 해결책은 전기 추진선박, 하이브리드 선박 등의 친환경 선박 기술 및 육상 전원 공급설비(AMP), CO2 포집기술, 연료효율 개선 설비, 고효율 선체 선박 개조 등의 연구·개발이 진행 중이다. 국내에서는 친환경 선박법이 제정(18년 12월) 및 시행(20년 1월)되었다. 친환경 선박법의 목적은 친환경 선박의 개발 및 보급을 촉진하기 위한 종합적인 계획 및 시책을 수립 및 추진하여 조선·해운산업의 발전과 청정 해양환경 조성을 위해 노력하여 국가경제에 도움이 되기 위함이다. 친환경 선박법의 주요 내용으로는 기술개발을 지원하고 친환경 연료의 생산과 친환경 선박으로의 전환을 지원하고 관공선의 친환경 의무화 등이 있다.

2.1.2. 국내 연안 대기오염 현황

Fig. 1 국내 대기오염 배출 현황으로 통계청 자료를 기반으로 1999년부터 2017년까지 국내 대기오염물질 총배출량을 보면, 급속한 경제의 발전에 따른 오염물질 발생량은 꾸준히 증가되고 있다. 이는 우리 경제와 국민의 건강에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다[15].
Fig. 2 2015년 통계청 자료를 참고하여 국내 전체 대기 오염 물질 배출량 중 선박에서 배출되는 대기오염량은, CO는 7.6%, SOx는 10.92%, NOx는 13.11%, TSP는 1.17%, VOC는 2.07%, PM10은 3.04%, PM2.5는 6.62%로 오염 양이 결코 적지 않다. 통계자료를 보면 국내 전체 대기오염물질 발생의 상당량이 선박에서 나오고 있음을 알 수 있기 때문에 선박의 대기오염에 대한 경각심을 가져야 한다[15].

2.2. 전기 선박의 경제성

2.2.1. 경제적 효율성

전기 추진 방식은 기계식 구동 방식의 디젤 엔진에 비해 효율성이 20% 이상 떨어진다. 또한, 전기추진은 일반 프로펠러보다 3배나 높은 가격과 운항 능력 저하, 전기변환 과정에서 생기는 약 70%의 전력 손실 등의 단점이 있다. 그럼에도 전기 추진 선박의 한 종류인 러더 프로펠러 추진방식은 기계식 엔진이 전기 모터로 대체되면서 전기추진선에는 직렬로 연결되어 있는 모터가 기존 기계식 엔진 선박에 있던 디젤엔진과 프로펠러를 연결하는 추진축의 필요성을 없애면서 유연한 선박설계를 가능하게 하여 선박에 필요한 용량을 최적화함으로 선박의 무게 최소화 및 비용 절감이 가능해 졌다. 또한 전기추진선박은 부하의 100%를 전기로 이용함으로 전력 관리가 손 쉬운 장점이 있다[16]. 또한 전기추진선박은 부하의 100%를 전기로 이용함으로 전력 관리가 손쉬운 장점이 있다[16].

2.2.2. 경제성 비교

2.2.2.1. 선박 가격 비교[17]

친환경 선박 전환에 따른 선가 비교로 선박 크기에 따라 건조 시 선가 30~100% 증가되나, 신시장 창출, 온실가스와 항만 미세먼지 저감 등에 따른 대기환경을 개선할 수 있을 것으로 예상된다(Table 3).
전기추진기를 탑재한 연안어선 150hp급 가솔린 엔진으로 125 kw 전동기를 100% 출력해 2시간 이동 후 조업 시 발생하는 공회전과 전동 어구(양망기)를 사용했다고 가정할 경우 7년 이상 사용을 했을 때에 화석연료 엔진을 사용할 경우보다 경제적으로 더 이득을 가질 수 있을 것으로 예상된다(Table 4) [15].

2.2.2.2. 기계식 선박과 전기선박의 전력 사용량 비교

Fig. 1. Air pollutant emission statistics by year. LNG선의 전기추진 선박과 디젤 선박의 용량을 비교한 데이터에 따르면, 동일한 크기의 선박을 기준으로 기계식 추진 선박보다 전기식 추진 선박이 약 32% 설치용량 절감이 가능하다. 이는 에너지 효율 향상과 선박의 무게 및 비용 절감이 가능하다는 이점이 있다(Table 5) [18].
12,000 TEU급 화물선의 운항 모드는 선박이 목적지로 이동하는 항해 모드, 적재 및 하역을 위한 적재, 하역 모드로 구분된다. 적재 및 하역 시에는 밸러스트 펌프가 작동하고, 크레인은 화물의 운송을 위해 작동을 한다. 또한, Bow thruster는 선박의 입항을 위해 사용한다(Table 6). 향진 시에는 LNG선과 동일하게, 주전력 및 엔진 Room의 전력을 보조전력으로 사용한다. 컨테이너 선박은 기계식 추진선박에 비해 Azipod를 이용한 전기추진 선박이 약 3% 정도의 고효율을 가지는 것을 분석할 수 있다. 이는 컨테이너 선 및 벌크 선 등은 적재 및 하역 시에 보조전력을 많이 사용하지 않기 때문에 전기추진 방식과 기계식 추진 방식에 큰 차이가 없음을 알 수 있다(Table 6) [18].
Oil tanker 또한, 운항 모드는 적재 및 하역을 위한 적재, 하역 모드, 선박이 목적지로 이동하는 항해 모드로 구분된다(Table 7). 적재 모드 시에는 LNG선과 동일하게, 본선에서는 Ballast 펌프 등의 부하를 사용하고, 하역 모드 시에 연료의 하역을 위한 Cargo 펌프, Stripping, manifolds 등을 사용한다. 보조 부하는 일반 향진 모드에서는 발전기 1기, 탱크 청소 작업 시에는 2기, 포트의 입, 출항 시와 하역작업 시에는 2기가 사용된다. 표 (3)에서 유조선 중에서 2013년 이후 가장 많이 운영되고 있는 VLCC급 크기의 선박을 대상으로 분석하였다. 유조선의 기계식 추진선박은 하역 작업 시에 약 12,000 kW의 많은 부하를 요구하기 때문에 별도 증기터빈을 설치하여 하역 작업에 이용하였으며, 이 때문에 선박 운항 시에 불필요한 무게와 부피가 발생하게 된다. 이를 전기식 추진 선박으로 대체하면, 운항 시에는 선박의 추진전동기로 이용을 하고, 하역 작업 시에는 화물유 펌프를 구동하는데 사용이 가능하다. 이를 통해 유조선은 전기식 추진방식으로 사용할 경우 기계식 추진 선박에 비해 총 설치되는 용량이 25% 절감이 가능하다. 전력 비교를 통해 LNG선의 경우, 기계식 추진 선박에 보다 전기식 추진 선박이 약 32% 전력 설치용량 절감이 가능하고, 유조선의 경우는 25% 절감이 가능하다(Table 7) [18].

2.3. 전기 선박의 현황

2.3.1. Ampere

Ampere는 노르웨이에서 개발된 세계 최초의 전기 페리(first battery electric car ferry)로, 2015년 5월 첫 항해를 시작했으며 노르웨이의 라빅(Lavik)과 오페달(Oppedal) 사이를 하루에 34회 운항한다.
Ampere는 두 개의 선체가 있는 쌍동선으로, 길이 80 m에 폭 21 m의 크기에 최대 120대의 자동차와 360명의 승객을 수용할 수 있다. Ampere의 선체는 페리의 전체 중량을 줄이기 위해 강철이 아닌 알루미늄으로 제작되었다. 또한, 2개의 450 kW 전기 모터와 10t 리튬 이온 배터리가 있으며, 모터의 전체 출력은 1,000 kWh이다. 충전시간은 약 10분 정도 소요된다. Ampere의 운행으로 연간 100만 리터의 디젤 사용량을 줄이고, 이산화탄소 570톤과 질소산화물 15톤을 절감하는 효과가 있다[19].

2.3.2. Yara Birkeland

Yara Birkeland는 Kongsberg와 Yara가 공동으로 개발한 120 TEU급의 자율운항 컨테이너 전기선이다. 제작비용은 $2,500만이며, 2020년에 첫 운항을 시작할 계획이었지만 COVID-19로 인해 연기되었다.
Yara Birkeland는 길이 80미터, 폭 14.8 m, 깊이 12 m 규모로, 드래프트는 6미터이다. 이 선박은 각각 2개의 azimuth pods과 tunnel thrusters를 구동하는 전기 모터에 의해 작동된다. 배터리는 최대 9 MWh 용량이며, 6 kn(11 km/h)의 에너지 최적 속도와 10 kn(19 km/h)의 최대 속도를 낼 수 있다[20].

2.3.3. Zhongtian Dianyun 001

Zhongtian Dianyun 001은 중국에서 개발한 전기 화물선으로 1000t의 적재용량을 가졌다. 이 선박은 리튬 배터리와 배터리 용량이 1458 kWh인 슈퍼 커패시터를 이용해 전력을 공급받는다. 이 배는 2.5 시간의 충전 시간 후에 50 km를 이동할 수 있으며, 20,000t 이상의 디젤을 절약하고, 600t 이상의 질산화물과 200t의 이산화황 배출량을 감소할 것으로 기대된다[8].

2.3.4. e5 tanker

e5 tanker는 일본의 E5 프로젝트의 일환으로 3.5 MWh 배터리로 구동되며, 절반 용량의 배터리로 10시간을 주행할 수 있다. 길이 62 m, 폭 10.3 m, 깊이 4.15 m로 약 10 kn(19 km/h)의 순항 속도를 가진다. 현재 2척의 e5 tanker를 건조 중이며, 첫 번째 선박은 2022년 3월에, 두 번째 선박은 2023년 3월에 완성될 예정이다[21].

2.4. 전기 선박의 전망

2.4.1. 상용화를 위한 계획

2.4.1.1. 국내 상용화를 위한 계획

전기 선박은 배터리 용량은 적지만 충전시간이 긴 점등을 고려할 때 단거리 운항 연안 선박에 적합하며 국제운항선박 등에는 하이브리드 보조동력으로 활용 가능하다. 또한, 국내 전기추진선 건조기술 수준은 높지만, 추진 전동기, 컨버터, 전기 인버터, 전력 제어모듈 등 핵심부품 국산화율이 저조하여 해외수입에 의존하는 문제점이 있다. 이러한 점들을 고려하여 국내 상용화 계획은 크게 연안용 전기·하이브리드선 상용화, 핵심 기자재 국산화, 하이브리드 추진기술 확보, 대용량 추진 기술 확보로 나누어 구별할 수 있다.
연안용 전기·하이브리드선 상용화 계획으로는 정보통신기술 융합 전기추진 스마트선박 개발과 해수부에서 진행하는 전기추진 차도선 개발이 있다. 또한, 핵심 기자재 국산화를 위해 21년부터 24년까지 모터, 인버터, 제어모듈, 동력원 등 국산화 및 기술 고도화를 할 예정이며, 하이브리드 추진기술 확보를 위해 1만톤급 이하 선박용 연료전지 하이브리드 발전시스템 개발 및 하이브리드 추진선박에너지 최적화 통합 모듈 설계 예정이다. 대용량 추진기술 확보을 위해 고전압 대용량 샤프트 제너레이터 모터패키지, 대용량 선회식 전기추진기(POD) 기술개발, 대전력 반도체 변압기 기술 개발 중이다.

2.4.1.2. 해외 국가들의 향후 계획

EU: ‘Horizon 2020’을 통해 선박 관련 기술개발에 많은 투자를 하고 있으며, GHG 감축을 위해 미래형 11개 선박(액화 수소, 연료전지 등)에 대한 기술적인 부분들을 다시금 평가하고 있다.
미국: META, Maritime Environment & Technology Assistance 프로그램을 통해 16년도부터 연구 지원중이며, 내륙수로 LNG 선박, 수소연료전지(4.8 MW급), 전기추진선박 등의 기술개발 지원하고 있으며, 항만 및 선박들에서 발생하는 디젤 배기가스 감축 시 인센티브를 제공 중에 있다. 또한 2017년부터는 해양환경규제의 기준을 상회하는 기술에 대해서는 추가적인 보조금을 지원하고 있다.
일본: ‘J-ocean’ 과‘I-shipping’ 등을 통해 2016년부터 친환경 선박 기술개발을 지원중이며, 새로운 선형 개발 및 최적화된 설계 기술개발, 선박 건조와 운항 생산성 향상을 위한 연구 등 다양한 지원을 하고 있다. 또한 LNG 기자재, 부유식 LNG 벙커링 등 해양산업 기술 개발 지원 해운회사 NYK사는 천억원 규모의 5년 만기 녹색채권을 발행하고, 저금리 녹색대출 등을 통해 자본 조달, LNG선박, 선박평형수, 스크러버 등에 활용하고 있다.
중국: 제조업 활성화를 위해 30년의 장기간 프로젝트인 ‘중국 제조 2025’ 정책을 공표하며, 해양선박 산업을 국가의 10대 핵심산업으로 육성 중이다. 10대 핵심산업에 19년도 기준으로 약 3,000억 달러(한화 338조 원)를 투자하여 노후선 폐선 정책 공표를 하였으며, 신조 또는 친환경 선박으로의 전환을 하는 선박에 한하여 보조금(1,500위안/톤당)을 지원하고 있다[22].

2.4.2. 전기 선박 시장 전망

해운 산업은 수년간 여러 지역에 걸쳐 사업과 무역을 확장하는 데 중요한 역할을 수행하고 있다. 해운은 국가 및 기업들 간의 가장 효과적인 거래 방법이며, 세계 경제에 큰 영향을 미치고 있다. 그러나 화석연료를 이용한 디젤 구동 추진 선박은 환경에 악영향을 미치고 있다. 이는 디젤 연료가 질소산화물(NOx), 일산화탄소 및 이산화탄소, 황산화물(SOx)을 다량 배출하기 때문이다. 따라서 국제해사기구(IMO)에서는 2020년부터 대기오염물질에 대한 규제를 강화하였고, 이 규제에 따라 선주 또는 선박의 운영자는 선박의 대기오염물질 감소를 위한 노력을 해야 한다.
전기 선박 시장은 국제해사기구의 엄격한 규제로 인해 성장하고 있고, 해상 무역 역시 증가하고 있다. 그러나, 전기선박 제조에 걸리는 긴 시간과 제한된 항속거리 및 용량은 시장의 성장을 억제하고 있다.
전 세계 전기 선박 시장은 2019년 51억 9,500만 달러에서 연평균 성장률이 8.3% 증가해 2025년에는 83억 7,000만 달러에 달할 것으로 전망된다. 전기 선박 시장은 종류에 따라 완전 전기 선박, 하이브리드 선박으로 구분된다(Table 8). 완전 전기 선박은 2019년 3억 6,100만 달러에서 연평균 7.6%의 성장률로 증가해, 2025년에는 5억 6,000만 달러에 도달 할 것으로 전망되며 하이브리드 선박은 2019년 48억 3,400만 달러에서 연평균 8.3% 성장률로 증가하여, 2025년에는 78억 1,000만 달러에 이를 것으로 전망된다(Table 8) [23].
유럽은 예측 기간 중 전기 선박시장에서 가장 큰 점유율을 차지할 것으로 예상된다. 이러한 성장은 로테르담과 함부르크와 같은 항구에서 해양 배출물의 영향에 대한 인식이 높아졌기 때문이다. 또한 다양한 정부가 주도적으로 전기 선박의 채택을 촉진할 것이다. 영국은 2019년 6월 청정 해양 계획을 발표했다. 이 계획에 따르면 2025년부터 영국 해역으로 발주되는 모든 신규 선박에는 배터리 시스템과 같은 무공해 기술이 탑재되고 있다. 이 계획은 정부의 장기 maritime 2050 전략의 일부이다. 2050년까지 온실가스 제로 달성을 목표로 하고 있다. 또한 덴마크와 노르웨이 같은 국가에서는 기존 선박을 대체하기 위해 완전 전기 여객 페리선을 적극적으로 도입하고 있다. 따라서 인센티브 및 엄격한 배출규제에 대해서 정부는 지원을 통해 가까운 장래에 유럽에서 이러한 선박에 대한 수요를 증가시킬 것이다.
아시아 태평양 지역은 시장에서 상당한 성장을 보일 것으로 예상되고 있다. IMO에 따르면 중국, 일본, 한국은 전 세계 선박 생산량의 90% 이상을 차지하며 특히 유조선, 화물선 등 대형 상선이 생산되고 있다. Global Sulphur Cap과 같은 규제 개발 및 대형 선박의 전기화를 개선하기 위한 제조업체, 특히 일본과 중국의 자발적 initiative는 이 지역 시장의 성장에 영향을 미칠 것으로 예상되는 요인 중 일부이다.
북미 시장은 무엇보다도 완전 전기 크루즈 선박, 요트 및 페리선에 대한 수요 증가하고 있다. 또한, 함대에서 가장 크고 가장 진보된 스텔스 구축함인 USS Zumwalt와 같은 미 해군의 순수 전기 선박의 채택이 증가함에 따라 향후 몇 년 간 이 지역의 시장 성장을 주도할 것으로 예상된다. 이 외의 세계 시장은 브라질 UAE 및 사우디 아라비아와 같은 국가들이 해군에 투입하는 예산의 증가로 인해 앞으로도 꾸준한 성장을 보일 것으로 예상되며 소형 선박뿐만 아니라 모든 선박 조달에 중점을 둘 것으로 예상된다.

2.4.3. 전기 선박 기술력 전망

2.4.3.1. 엔진 기술 – DC 전기 추진시스템

디젤 발전기로 전원을 공급하는 대형 선박의 경우 주파수 고정 목적으로 정속 운전을 한다. 이러한 운전 방식은 부하율에 따라 효율이 감소하는 단점이 있다. 또한, 변압기 및 분전반의 무게가 증가하게 된다. 이에 비해 직류 배전은 발전기 주파수에 영향을 받지 않아, 가변 속 제어로 부하율에 따른 효율 감소가 적고, 승/감압이 용이하여, 변압기를 사용하지 않거나 고속 스위칭을 통해 그 크기를 소형화할 수 있는 장점이 있다[24].

2.4.3.2. 배터리 기술

현재 전기추진선박의 에너지 저장장치(ESS)로 리튬이온 전지를 가장 많이 사용하고 있지만 폭발 및 화재 등과 같은 치명적인 문제점이 부각됨에 따라 에너지 밀도와 기전력은 낮지만 수계 전해질을 사용하여 화재나 폭발 위험이 없는 바나듐 레독스 흐름 전지가 새로운 대안으로 떠오르고 있다.
VRFB는 스택, 펌프 및 BOP(Balance of Plant), 음극 및 양극 전해질 저장탱크로 구성되어 있다. 전지가 충·방전 되는 동안 양극과 음극 탱크에 저장되어 있는 각 전해질은 펌프를 통하여 스택 내부에 유입되어 산화 환원 반응을 거친 후 다시 저장 탱크로 순환된다.
VRFB를 전기추진선박의 ESS로 사용할 경우 화재 나 폭발의 위험성 낮출 수 있지만, 선박의 운항으로 발생하는 진동 및 흔들림으로 인하여 VRFB 유체 전해질 탱크에서 발생한 슬로싱(Sloshing)은 VRFB의 성능을 매우 감소시킨다. 이러한 단점을 해결하기 위해 전해질 탱크에 슬로싱을 억제하는 내부 구조물을 설치하는 등 연구가 활발히 이루어지고 있다[25].

2.4.3.3. 육상전력공급장치(AMP: Alternative Maritime Power)

선박은 일반적으로 이동을 위한 에너지를 제외하고도 무전기, 냉장고, 조명, 공조 등 전기 수요가 있다. 현재 대다수의 선박은 전기를 공급하기 위해 디젤엔진으로 발전기를 가동하여 필요한 전력을 충당하고 있다[26].
그러나 항만에서 수화물을 하역하는 중 디젤엔진의 자가발전은 항만에서 발생되는 대기오염의 주원인이다. 이에 대한 대책으로 육상전력공급장치의 도입이 활발해지고 있다. 육상 전력공급장치는 선박이 항구에 정박 중일 때 필요한 전력을 육상에서 공급하는 시설로, 화석연료 소비량을 감소시켜 대기 오염물질 배출을 감소시킨다.
영흥 발전본부에 따르면 로즈마리호가 벙커C유로 자가발전할 때 1년 중 부두에 정박하는 동안 황산화물(SOx) 4384 kg, 각종 먼지 503 kg, 질소산화물(NOx) 6439 kg 등의 대기오염 물질을 배출했다. AMP를 설치하고 난 뒤에 배출한 대기오염 물질량은 SOx 46 kg, 먼지 2 kg, NOx 33 kg 이라고 밝혔다. SOx, NOx, 먼지를 위주로 보면 99% 이상의 저감효과가 발생했다. 또한, 육상전력공급장치는 기존 선박의 전기추진선박으로의 전환에 반드시 필요한 인프라로 각광받고 있다[27].

2.4.3.4. 자율주행 선박

전기 선박은 자율운항을 접목하여 개발되고 있다. 자율운항 선박은 운영 및 시스템의 최적화와 효율적인 에너지 관리를 통해 선박을 이용한 운송에 변화를 줄 것으로 예상되며, 자율 운항선박의 시장 규모는 2017년부터 2025년까지 9년 사이 연 평균 약 13%의 성장률을 보일 것으로 예상된다. 최근 지속되고 있는 경기 침체, 과잉 선박 공급은 선박 운영 비용을 증가시키고 안전 문제의 원인이 된다. 특히, 해상사고의 85%가 사람의 실수에 의해 발생하였으며 이러한 점을 보완하기 위한 자율운항선박의 개발이 필요하다. 이에 따른 조선산업 시장의 패러다임에 변화가 생기고 있다.
전체 자율운항선박 시장은 2016년 기준, 567.5억 달러 규모이며 2025년까지 1,550.1억 달러에 이를 것으로 예측된다.
Kongsberg社(노르웨이)는 무인 선박 제어 프로세스를 개발하고 있으며 자동화된 충돌회피와 통합된 센서 기술에 중점을 둔 프로젝트에 참여하고 있다. YARA International과 Kongsberg 社가 함께 노르웨이 연안에서 연간 약 육상 운송 트럭 40,000대 분량의 비료 수송을 선박으로 대체하기 위하여 2018년까지 무인 선박을 건조하여 테스트를 통해 2020년에 정상 운항을 목표로 하고 있다. 이는 100개의 컨테이너를 적재할 수 있는 크기의 컨테이너선으로, 개발비용은 동급의 기계식 컨테이너선보다 3배 높은 2,500만 달러이다. 하지만 연료와 인건비를 감안하면 연간 약 90%의 비용이 절감될 것으로 예상된다. GPS와 카메라, 각종 센서 및 레이더를 통해 다른 선박은 회피하여 사고를 예방하고 항구에 스스로 접안하는 시험운항을 준비하고 있다[28].

3. 결 론

세계적으로 대기오염에 대한 문제가 이슈화 되면서 깨끗한 대기 조성을 위해 모두가 노력해야 한다. 또한 국제해사기구에서 선박에서 배출되고 있는 대기오염물질에 대한 규제가 강화됨에 따라서 친환경 선박의 개발은 불가피하게 되었다. 현재 LNG, 하이브리드, 전기 선박 등의 다양한 친환경 선박 기술들이 개발되고 있는 상황에서 그중 대기오염을 최소화하는 전기 선박을 중점으로 국내 대형 조선 산업이 국가전략 산업으로 육성되면서 국내와 전 세계적으로 관심을 받고 있다. 전기 선박은 매연이 나오지 않기 때문에 배출을 없애고, SOx와 NOx를 줄여 환경에 긍정적인 효과를 줄 수 있다. 전기 선박은 현재 페리선, 화물선 등의 형태로 상용화되고 있지만, 대용량 배터리의 기술 부족으로 인해 아직 큰 효율은 나오지 않고 있다. 따라서 장거리 운항은 불가능하고, 근거리 운항에만 사용되고 있는 상황이다. 하지만 현재까지 나와있는 자료를 통해 경제적 측면을 보았을 때 기존 형식인 디젤엔진에 비해 제조비용이 25% 감소하는 것으로 나타났는데 그 이유는 전기 선박의 전력 관리가 용이함에 따라 필요한 용량의 값을 최적화함으로 선박의 무게 및 비용 절감이 가능해졌기 때문이다. 이 와 같이 세계적으로 점차 디젤 엔진 선박에서 친환경 선박으로 바꾸는 노력을 보이고 있으며 상용화의 가능성을 입증하였다. 세계적 환경문제를 해결하기 위하여 선박의 교체는 불가피 하며 반드시 선행되어야 할 것이다. 향후에도 기후 변화와 환경 문제에 적극적으로 대응하기 위해 각 분야에서 다양한 원천 기술 개발에 대한 과 정책적 지원이 있어야 할 것이다[29-41].

Acknowledgments

이 연구는 대한민국 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업 의 지원으로 수행되었습니다(No. 2021R1A2C1013989). 본 논문 내용은 https://youtu.be/-w78TXViX2A에서도 볼 수 있습니다.

Notes

Declaration of Competing Interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

Fig. 1.
Air pollutant emission statistics by year.
KSEE-2023-45-5-256f1.jpg
Fig. 2.
Ship emissions out of the total air pollution emissions in Korea (%).
KSEE-2023-45-5-256f2.jpg
Table 1.
MARPOL annex main permissible values and enforcement timing of major regulated substances.
Air pollutants Regulatory area implementation year Regulatory contents
NOX Nitrogen emission control area* 2011 -14.4 g/kWh or less, n<130**
2016 -3.4 g/kWh or less, n<130
All regions 2011 -14.4 g/kWh or less, n<130
SOX Sulfur emission control area*** 2015 -0.1% S or less burning oil
All regions 2012 -3.5% S or less burning oil
2020 -0.5% S or less burning oil
CO2 EEDI**** Emission control area / All regions 2015 -step 1: 10% reduction compared to the standard
2020 -step 2: 20% reduction compared to the standard
2025 -step 3: 30% reduction compared to the standard
*LNG, LPG carriers and container ships are scheduled for 2022
due 2030 -step 4: 40% reduction compared to the standard
due 2050 -step 5: 50-70% reduction compared to the standard

* Nitrogen emission control area (ECA: Emission Control Areas) : North American coast・Caribbean coast(16), Baltic・North sea(21)

** If it is less than 130n(rated engine speed, number of rotations per minute of crankshaft) 14.4 g/kWh(1kW*1 hour discharge) or less is the total allowable discharge amount

*** Sulfur emission control area : Baltic·North sea·Caribbean coast, North American coast

**** EEDI(Energy Efficiency Design Index): Measure g/ton-miles based on the determined criteria according to the adenoma and size

Table 2.
MARPOL annex nitrogen oxide regulation.
Tier ShIpbuilding date (after) Allowance for discharge (g/kWh)
n (rpm)<130 130≦n<2000 n≧2000
III 2016.1.1. 3.4 9.0n-0.2 2.0
II 2011.1.1. 14.4 44.0n-0.23 7.7
I 2000.1.1. 17.0 45.0n-0.2 9.8
Table 3.
Comparison of ship prices according to the conversion of eco-friendly ships.
Category Existing ships (diesel engines) eco-friendly ship
<30,000-ton class cargo ship> ◈ ship size: length 190 m X width 30 m x depth 20 m
The difference in ship construction : KRW 7 billion ① Applied technology: diesel engine ① Applied technology: LNG engine
Compared to the previous ship price: 33%↑ ② Ship price: KRW 21 billion ② Ship price: KRW 28 billion (standard shipping price applied)
Support amount: KRW 2.8 billion (10% of ship price) ③ Calculation standard: Clarkson price (2017 year) ③ Calculation criteria: Green Iris (2017)
<A 100-ton port guide ship> ◈ ship size: length 30 m X width 8 m x depth 2 m
The difference in ship construction : KRW billion ① Applied technology: diesel engine ① Applied technology: battery electric propulsion
Compared to the previous ship price :150%↑ ② Ship price: KRW 4 billion ② Ship price: KRW 10 billion (Busan Port Authority)
Support amount: 2 billion (10% of ship price) ③ Calculation standard: Clarkson price (2020 year) ③ Calculation criteria: Start of construction in 2020
Table 4.
Comparison of 150hp internal combustion engine engine and electric propulsion cost.
Category 150hp Outboard motor 150hp electric propulsion Note
Fuel (electricity) consumption rate 52.34275 (l/h) 150 (kw/h) Consumption rate per hour
The cost of moving expenses 74,546 (KRW) 11,120 (KRW) 2 hour travel standard
6 hour fishing operating cost 55,909 (KRW) - 25% load and idling
Using electric fishing gear 168 (KRW) Using 104kw for 3 hours
total cost per day 130,455 (KRW) 11,288 (KRW)
Total cost of fishing operation per year 22,177,309 (KRW) 1,918,960 (KRW) 170 days/year

* 125kw (300kwh 배터리포함)전동기 140,000,000원, 150hp선외기 37,000,000원 기준

Table 5.
Comparison of electricity consumption according to the propulsion method of LNG carriers (based on the size of 150,000 cmb).
propulsion type Mechanical propulsion Electric propulsion
Total installed power 15~20MW 30~40MW
Unloading working load 50~80% of the installed power 25% of the installed power
Propulsion working load 35~45% of the installed power(auxiliary machine) 80% of the installed power
Total capacity 56MW 38MW
Table 6.
Comparison of power consumption according to container ship propulsion method (12000TEU level).
propulsion type Two-stroke (MAN 15K98MC) Electric Propulsion (Application of ABB's CRP Azipod)
Total installed power 18,000 kW 43,440 kW
Loading and Discharging working load 16,667 kW 10,955 kW (Exception Bow Thruster , Using Azipod)
- Service load: 2,000 kW
- Bow thruster: 4,400 kW
- Reefer load: 8,000 kW
Total capacity 103,800 kW 100,640 kW
Table 7.
Comparison of power consumption according to propulsion method of oil tanker (320,000DWT VLCC level).
Propulsion type Two-stroke (MAN 6S90ME-C8) Electric Propulsion (15.3knots)
Total installed power 3×1200 kW, 350 kW (Cargo Pump and Ballast Pump use Steam turbine) 34,000kW
Loading and Discharging working load 12,096kW (Including Steam turbine) 64% of the installed power
- Cargo oil Pump: 3×2680 kW
- Cargo stripping Pump: 1×100 kW
- Ballast Pump: 1×1550 kW
- Auxiliary load: 2400k W
Seagoing working load Auxiliary load: 1200 kW 80% of the installed power
- Propulsion motor: 2×13MW
- Auxiliary load: 1200 kW
Total capacity 45,266 kW 34,000 kW
Table 8.
The driving force behind the global electric ship market.
Division Main contents
Factors to promote growth ∙ Enforcement of regulations on sulfur emissions (2020)
∙ Increasing adoption of hybrid and electric propulsion technologies for ship renovation
∙ Global maritime trade increases
∙ The growth of the marine tourism industry
∙ Development of lithium-ion batteries.
Factors that suppress growth ∙ Long shutdown time that occurs during ship renovation
∙ Limited range and capacity of all electric ships
Market opportunity ∙ Possibility of high-power batteries
∙ The possibility of battery charging through renewable energy sources
∙ Hybrid propulsion technology for large ships
Task to be solved ∙ Lack of charging infrastructure
∙ High initial capital expenditure

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