한국선급 김대헌 소장
dhkim@krs.co.kr
전 세계적 환경보호의 중요성은 인류 생존에 가장 중요한 것으로 인식되는 동향이다. 조선해양분야에서도 이러한 환경보호를 위한 여러 가지의 노력은 육상의 친환경 운송수단 기술 발전에 비례하여 다양한 방향의 기술개발이 시도되고 있다. 이러한 노력은 어느덧 코앞에 다가온 Global 0.5% Sulphur 규제와 더불어 특정해역에서 보다 강화된 배출기준을 적용하고 있는 각국1)의 움직임에 따라 보다 시급한 대응이 요구되고 있다.
이러한 대응책은 선박의 연료에 따라 다양한 선택의 옵션이 존재하고 있는데, 조선산업에서는 2020년 Global 0.5% Sulphur 규제와 2050년 선박온실가스 총 배출량을 2008년 대비 50% 감축목표 설정이 그 기준이라고 볼 수 있다.
이에 대한 대응 기술로는 첫째, 현재의 사용하고 있는 연료를 사용하는 방안에는 스크러버 등 배기가스 후처리 설비 활용방안이 있다. 두 번째로는 기존의 연료를 대체하는 LNG, 메탄올, 암모니아, 바이오 연료 등의 활용하는 방안이며, 활발한 기술 개발이 진행되고 있으며, LNG의 경우에는 실선에서 활용되고 있는 기술이다. 세 번째로는 궁극적으로 탈탄소화를 위한 시도로 All Battery 선박, 수소연료전지선박, 수소엔진선박이 있다.
이미 실선에서 적용되고 있는 첫 번째 두 번째 기술과 더불어 최근 국내 산학연에서는 수소를 선박에 연료로 활용하고자하는 기술개발 노력이 시작되고 있지만, 이미 해외에서는 실제 기술개발 및 선박 적용 사례들이 소개되고 있다.
아래 The Maritime Executive 의 기사에서 보면 수소의 생산 및 운송 그리고 선박에 활용에 대한 다양한 프로젝트가 수행중이고 빠르게 실용화되고 있다는 것을 알 수 있다. 해외의 기술개발 동향이 절대적 기술대응방안이 될 수는 없지만, 수소경제시대를 선언한 국내에서 우리 조선해 양산업에 수소를 활용하기 위한 큰 그림을 그리는데 참조할 수 있을 것으로 생각되어 소개한다.
액화수소 벙커링선박의 설계2)
Moss Maritime, Equinor, Wilhelmsen 및 DNV GL은 액화 수소 벙커 선박 설계를 개발했다.
-253 °C의 온도에서 액화 수소는 운송 비용과 관련하여 가압 수소 가스보다 이점을 제공 할 것으로 기대된다. 이 프로젝트는 선박에서 까다로운 연료의 저장 및 처리 방안을 개발하기 위해 Innovation Norway의 지원으로 시작되었다.
9,000m3 규모의 선박은 해상 운송 이외에 상선에 액화 수소 벙커링 서비스를 제공하기 위해 개발되었다. Equinor에서는 배터리가 탈 탄소화가 어렵고, 배터리와 같은 재생 가능 솔루션의 범위를 벗어나는 분야에서는 수소가 매력적인 에너지 대안이라고 생각한다.
Wilhelmsen Ship Management의 유럽 및 미주 담당 부사장인 HåkonLenz는 "우리는 수소를 미래를 위한 가능한 연료로 본다. 그러한 선박의 상업적 타당성은 전반적인 수소 시장 개발에 달려 있다. 시장에서 다량의 액화수소 필요성이 있다는 것을 보여주면 우리와 협력사는 이 디자인을 한 단계 끌어올릴 준비가 돼 있다"고 말했다.
연료로서의 수소
액화되면, 수소는 가스 상태에 비해 부피의 1/800로 감소되어 보다 효율적인 운송을 가능하게 한다. 연료로서 수소는 이산화탄소를 배출하지 않으며 액화수소는 연료 전지 기술을 통해 전기 추진 배터리를 충전하는데 사용될 수 있다.
현재 매년 약 5천 5백만 톤의 수소가 산업 공급 원료로 생산되고 있는데, 주로 정유와 화학약품 생산을 위한 것이다. 산업공급연료의 0.002%인 약 1000톤의 수소가 에너지원으로 사용될 뿐이다. 이 중 대부분은 현재 수소 연료전지 전기 차량에 동력을 공급하고 있다.
수소 추진의 경제성과 배출 프로파일은 연료의 원천에 따라 달라진다. 상업적으로 생산된 거의 모든 수소는 현재 천연 가스나 석탄으로부터 나온다. DNV GL의 최근 검토에 따르면, 정제 공정에 의해 생성된 이산화탄소로 인해, CO2 배출량은 중유 배출량보다 높을 수 있다. 대조적으로, 재생 가능 전기와 물 전기분해로 생산된 수소는 거의 배출되지 않지만, 매우 비쌀 수 있다.
DNV GL은 저탄소 수소가 기후 변화를 완화하기 위한 효과적인 탈 탄소제 역할을 함에 따라 이러한 수치가 장기적으로 상당한 증가를 예측한다. 예를 들어, DNV GL은 에너지만을 위한 수소에 대한 2050년의 요구는 39–161 Mtpa 범위일 수 있다고 추정한다.
기타 관련 프로젝트
작년 말, 노르웨이의 Man Cryo, 선주 Fjord1 그리고 설계사 MultiMarine은 액화수소를 위한 해양 연료 가스 시스템의 개발을 발표했다.
이 시스템은 비교적 짧은 항로에 사용되는 여객선과 같은 선박을 위해 설계되었으며, DNV GL에 의해 AIP 승인을 받았다. 이 시스템은 확장 가능한 설계를 가지고 있으며 갑판 상부 및 하부 모두에 적합하다.
또한 작년, DNV GL은 수소 연료 전지 적용 연구선의 기술적, 규제적, 경제적 타당성을 평가하기 위해 Sandia, Scripps 해양연구소, 설계사인 Glosten과 제휴했다. 이 프로젝트는 14개의 과학 임무를 수행할 수 있는 2,400해리 범위의 10knot 속도 선박 실현 가능하다는 것을 발견했다. 그배는 미국 서해안을 따라 4개의 다른 항구에서 액체수소로 재급유할 수 있다. 멈춰야하는 문제는 DNV GL 또는 미국 해안 경비대에 의해 확인되지 않았다. Zero-V의 타당성과 약 11,000 kg의 수소로 연료를 주입할 수 있는 능력은 화물선과 크루즈 선박과 같은 대형 수소 연료 선박에 긍정적인 영향을 미친다. 이 사업은 미국 해사청의 자금 지원을 받았다.
Ferguson Marine Engineering은 재생 가능한 자원으로부터 완전히 추출한 수소를 사용할 세계 최초의 연료 전지 페리를 건설하고 있다. 이 여객선은 재생 에너지로부터 수소를 대량으로 생산하는 스코틀랜드의 오크니 군도 주변에서 운항할 것이다. 이 선박은 2020년에 인도될 예정이며 올해 10월경에 건조를 시작할 것이다.
미국에서는 연방, 주 및 민간 파트너들로 구성된 컨소시엄이 수소 연료 전지로 구동되는 최초의 새로운 여객선을 건조하기 시작했다. 70피트 높이의 이 디자인은 캘리포니아주 기후 투자 프로그램의 자금으로 GoldenGate Zero Emission Marine의 Bay Ship & Yacht Co. 에서건조하고 있다.
이것은 수소 연료 전지 전기 추진의 가능성을 보여주는 시범 프로젝트로 계획되었다. Bay Area Air Quality Management District 이 이 프로젝트를 관리하고 있으며, 미국 내 여객선 업체인 Red and White Fleet이 선박을 운용할 것이다. 다른 주요 파트너로는 BAE Systems, IncatCrowther, Hexagon Composites, 샌프란시스코 항, Sandia National Laboratories 및 연료 전지 제조업체 인 Hydrogenics가 있습니다. 새 선박은 2019년 샌프란시스코 만에서 3개월간의 시험운행을 시작할 예정이다.
--------------------------------------------------------
1) 배기가스 배출통제구역(ECA : Emission Control Area) : 중국은 2016년에 주강삼각주 등 3곳에 ECA를 설정하였고 단계적 확대 예정, 발트해 및 북해에 SoX ECA 시행중이며 2021년도 NOx에 대해서도 시행 예정, 홍콩 및 대만에서도 2019년부터 0.5% S 규제 조기시행 발표, 한국을 비롯한 일본, 호주, 남아메리카, 싱가포르, 노르웨이 해안, 지중해 등이 ECA 추가 예정이다(출처: 클락슨, 2018).
2) 출처 : The Maritime Executive, 2019. 1. 29)