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대한조선학회 웹진 October, 2020
[해양산업통합클러스터(MAC NET) 컬럼] 선박용 LNG 연료 시스템 기술 동향

<글 : 발맥스기술 이재무 상무 jmlee@valmax.co.kr>

<이 글은 해양산업통합클러스터(www.macnetkorea.com)의 '2019 MacNet 기술정책제언집' 에 발표된 글을 전재한 내용입니다.>

1. 육상 버스 연료와 선박용 연료의 변천

▶ 버스 연료의 변천


우리나라가 대기 환경에 대해 관심을 가지게 된 것은 언제부터일까? 필자가 버스로 통학하던 1980년대 후반은 학생들을 태운 버스가 배기관에서 검은색 매연을 뿜어내는 모습이 당연하게 느껴지던 시절이었다.
한국에서 천연가스 버스를 처음 도입한 해는 1998년으로, 1990년대에 대도시 대기 오염이 사회적 문제로 대두된 이후 2002년 한·일 월드컵 개최를 앞두고 대기 오염의 근본적 해결을 위해 인천과 안산에 총 4대의 천연가스 버스가 보급되었다.
그 이후, 서울에는 2000년에 처음으로 천연가스 버스가 도입되었고, 2017년 기준 서울시에서 운영되는 7,099대의 시내버스 모두 천연가스를 사용하고 있다. 서울시 시내버스 연료가 모두 천연가스로 바뀐 것은 2015년으로, 모든 버스의 연료를 천연가스로 바꾸기까지는 15년이 걸린 셈이다.
 


<서울시 최초의 천연가스 버스 운행>

 

그럼 천연가스가 친환경 버스의 마지막 연료일까? 그렇지 않다. 2016년 제주도에서는 국내 최초로 전기 버스를 도입했고, 2018년에는 서울, 부산, 대전 등 주요 도시에서 전기 버스를 운행을 시작했다. 또한 국내 최초의 수소 연료 시내버스가 2018년 9월부터 서울에서 운행을 시작하여 현재 전국 주요 도시에서 운행 중이다.

▶ 선박용 연료의 변천
선박용 LNG 연료 시스템을 소개하면서 육상 버스 연료의 변천사를 예로 든 이유는 선박 연료의 변천사도 버스와 유사하기 때문이다.
선박 연료의 변천사는 다음 이미지를 통해 쉽게 이해할 수 있다. 선사시대 이후 인류는 1만년 이상 인력이나, 풍력을 통해 선박을 운항해왔다. 산업혁명 부흥기인 18세기에는 증기터빈이 선박 추진 연료로 사용되었고, 1930년대에 오일(석유)이 선박 추진 연료로 사용된 이후, 약 70년이 지난 2000년에 LNG 연료 선박이 처음으로 등장하게 되었다.
이러한 선박 연료의 변천사를 통해 선박 추진 연료가 변경되는 주기가 점점 짧아지는 것을 알 수 있다. 현재는 LNG 연료가 환경 규제와 경제성을 이유로 확대되고 있는 추세지만, 향후 어떤 연료가 새롭게 등장하게 될지 주목해 볼 필요가 있다. 
 


<선박 동력(연료)의 변천사>

 

2. 선박용 LNG 연료 시스템

▶ LNG란?

일반적으로 LNG(Liquefied Natural Gas)는 가스전(田)에서 채취한 천연가스를 정제하고 영하 163℃ 상태에서 약 600배로 압축하여 액화시킨 것으로, 주성분은 메탄이다. LNG는 환경오염 물질이 거의 없고 열량이 높아 주요한 에너지원으로 사용되고 있으며, 그 수요도 점차 증가하는 추세를 보이고 있다.
일반적으로 천연가스에 비해 수송 및 저장 측면에서 효과적인 이점도 있으나 천연가스를 액화하고, 액화된 천연가스를 다시 기화하는 과정이 필요하다.

▶ LNG 연료 공급 시스템이란?
LNG 연료 공급 시스템은 LNG를 선박 추진 연료로 사용하는 것을 말한다. 통상 FGSS(Fuel Gas Supply System)으로 불린다. LNG 연료 공급 시스템의 주요 장비는 LNG를 저장하는 ‘LNG 연료 탱크’, 영하 163도의 극저온의 LNG를 약 25~40도까지 온도를 올려주는 ‘기화기(Vaporizer)’ 그리고 LNG를 충전하는 연결 장비인 ‘LNG 벙커링 스테이션’으로 구성된다. 주요 장비 외에, 엔진이 요구하는 가스 압력을 맞추기 위해 기화기 이전에 펌프나 컴프레셔와 같은 승압을 위한 장비가 추가로 설치되기도 한다. 이러한 주요 장비를 통합하기 위한 제어 시스템(FGSS Control System)이 적용되며, 이 제어 시스템을 통해 전체 FGSS 장비를 운전한다.
 


<LNG연료 운전 및 제어공정>


▶ LNG 연료 탱크
LNG 연료 저장 방법을 위해서는 다음과 같이 다양한 형태의 저장 탱크가 사용된다. 중·소형 선박에는 TYPE-C LNG 연료 탱크가 많이 적용되었다면, 최근의 대형 LNG 연료 선박에는 TYPE-B와 멤브레인 형태 LNG 연료 탱크가 설계되고 있다.
 

 

▶ 가스 승압 장비
LNG를 엔진이 요구하는 압력으로 올려주기 위한 장비로 고압 펌프나 컴프레셔가 사용되는데, 고압 장비는 약 300barg까지, 낮은 압력의 경우에는 16barg까지 승압을 하는 장비가 SKID 형태로 구성된다.
 

   
<고압 승압용 펌프 / <SKID 및 중·저압 승압용 펌프 :  자료 : 발맥스 기술, 니키소 펌프>

                                                                                                                    

▶ LNG 기화 장비
LNG 기화 장비는 극저온의 LNG를 기화시켜 가스 엔진이 요구하는 온도로 올려주는 장치로 기화기(Vaporizer)와 기화기에 열원을 공급하는 글리콜 워터(Glycol Water) 시스템이 SKID 형태로 구성되어 있다.
 


<기화장비 SKID : 자료 삼성중공업>

 

▶ LNG 벙커링 스테이션
LNG 벙커링 스테이션은 LNG를 탱크에 충전하기 위한 연결 장비로서, LNG 탱크로리나 LNG 벙커링 선박에서 LNG를 수급 받기 위한 파이프 커넥션과 밸브류, 안전 장비 등으로 구성되어 있다.
LNG 벙커링 스테이션에는 LNG 충전 배관뿐만 아니라 LNG를 충전하면서 발생하는 증발가스(BOG, Boil Off Gas)를 육상 설비나 LNG 벙커링 선박으로 회수하는 배관도 함께 구성되어 있다.
 


<LNG 벙커링 스테이션 - 자료 발맥스>

 

3. LNG 연료의 친환경 효과 및 경제성

▶ LNG 연료 친환경 효과

최근에 다양한 연료와 배기가스 저감 솔루션이 대두되고 있는데, 다음 그림을 확인하면 LNG연료와 배기가스 저감 장치는 계속해서 강화되는 규제에 대응할 수 있는 최종 대안이 될 수 없다는 것을 알 수 있다.
 

 

그럼에도 LNG가 부각되는 이유는 여러 가지 상황을 고려했을 때, 현재 사용할 수 있는 연료 중 LNG가 가장 현실적인 친환경 연료이기 때문인데, 과연 LNG를 선박 연료로 사용했을 때 기존 디젤 연료 대비 저감 효과는 얼마나 될까? 다음 표는 현재 적용되고 있는 선박용 LNG 엔진 사양을 통해 확인한 배기가스 저감량을 나타낸다. 디젤 엔진에서 발생하는 배기가스를 100으로 기준 삼았을 때 발생되는 비율이다.
 

1) 황산화물, 연료에 포함된 황이 배기가스에 배출, 산성비의 주범
2) 질소산화물, 고온연소에서 발생하여 배기가스에 배출, 미세먼지 발생 주범
3) 이산화탄소, 온실가스의 주범
4) 분진, 연료가 연소하고 난 이후에 발생하는 입자상 물질, 일명 그을음
5) Single Fuel 엔진, LNG만을 연료로 사용하는 엔진
6) Dual Fuel 엔진, 디젤과 LNG를 둘 다 연료로 사용할 수 있는 엔진 


다음 데이터를 기준으로 각 엔진별 배기가스 저감 효과를 도식화해보면 저감율을 더 쉽게 확인할 수 있다. 우측부터 시작하는 빨간색 화살표가 저감 효과를 나타내는 것인데, 기존 디젤연료 엔진에서 발생하는 배기가스를 100으로 가정할 때, LNG 연료를 사용함으로써 SOx는 약 95.0% 이상, NOx는 약 85.0%, CO2는 약 30.0%, PM은 최대 95.0%이상까지 저감할 수 있음을 알 수 있다.
 

 

LNG를 연료로 사용하는 선박은 2000년도에 노르웨이에서 처음으로 등장한 이후, 20년이 지난 현재(2020년 2월 말), 전 세계적으로 약 175척 가량 운항되고 있고, 189척은 건조·제작 중이거나, 계약이 완료된 상태이다. 앞서 본 도표와 같이 LNG가 디젤 연료 대비 배기가스 저감 효과가 뛰어난 연료임에도 불구하고 20년이 지난 지금의 시점에도 크게 확대되지 못하는 이유는 무엇일까?

▶ LNG연료 선박 경제성
LNG 연료 공급 시스템을 선박에 적용하기 위해서는 단순히 연료 공급 시스템만 변경해서 될 일이 아니다. LNG를 연료로 사용하는 엔진을 적용해야 하고, LNG를 저장하는 연료 탱크, LNG를 공급하는 장비, 그리고 가스 누설에 따른 위험을 방지하는 안전(Safety) 시스템이 추가적으로 필요하다. 이러한 이유로 LNG를 연료로 사용하는 선박의 선가 상승은 어쩔 수 없는 결과이고, 이러한 선가 상승에 따른 부담감이 LNG 연료 선박 확대에 걸림돌이 되었다.
그렇다면 LNG 연료 적용에 따른 선가 상승은 어느 정도일까? 소형 선박의 경우에는 약 50% 정도 상승하고, 중·대형 선박인 경우에는 20~30% 상승한다. 다음 표를 확인하면, LNG 연료 선박이 기존 디젤 선박에 비해 선가 상승률이 높은 이유를 쉽게 알아볼 수 있다.
 

 

현재의 LNG 연료 선박은 디젤과 LNG를 겸용으로 사용할 수 있는 이중 연료(Dual Fuel) 시스템을 선호하기 때문에, LNG를 연료로 사용하더라도 기존 디젤 연료 탱크 및 공급 시스템은 그대로 유지하고 가스 연료를 사용하기 위한 엔진 및 공급 장비, 가스 안전 설비들이 추가적으로 설치된다.
그럼 LNG 연료 선박의 경제성은 어떻게 확보할 수 있을까? LNG 연료를 선박에 처음 도입했던 유럽의 경우, LNG 연료 설비 등을 선박에 적용함에 따라 초기 투자 비용이 20~30% 상승하였다. 하지만 상대적으로 저렴한 LNG 연료 비용과 선박건조에 대한 정부보조금 지원 등을 통해 손익분기점을 5년 이하로 낮춤으로써 경제성을 확보할 수 있었다. 따라서 LNG 연료 선박의 확대를 위한 정부 지원 정책이나 LNG 가격 정책에 대해 다양한 논의가 이루어지는 만큼 향후 진행 방향에 대한 지속적인 모니터링이 필요하다.

4. 국내 LNG 연료 선박 현황

▶ 국내 운영 중인 LNG 연료 선박
한국에서 운영 중인 LNG 연료 선박은 2013년에 삼성중공업이 인도한 인천항만공사의 ‘에코누리호’와 2018년 현대미포조선이 건조한 일신해운의 ‘그린 아이리스호’, 그리고 2019년 고려조선에서 건조한 울산지방해양수산청의 ‘청화2호’ 3척이다. 그 중에서도 인천항만공사의 ‘에코누리호’는 항만 순시 및 홍보를 담당하는 선박으로, 2013년 인도될 당시 아시아 최초의 LNG 연료 선박이었으며 현재 7년째 운영되고 있다.
 


<인천항만공사의 ‘에코누리호’>


일신해운의 ‘그린아이리스호’는 2018년 인도되었으며, 세계 최초로 LNG를 연료로 사용하는 벌크선으로 기록되었다. 
 


<일신해운의 ‘그린아이리스호’ : 자료 일신해운>

 

울산지방해양수산청의 ‘청화2호’는 국내 두 번째 LNG 연료 관공선으로, 한국선급(KR)이 가스 연료 선박 지침을 마련한 이후 처음으로 규칙에 맞춰 설계된 관공선이다. LNG를 연료로 사용하는 청소 선박으로는 세계 최초이며, 2019년 7월 인도되어 운영 중이다.  
 


<울산해양지방수산청의 ‘청화2호’ : 자료 : 울산해양지방수산청>


5. 국내 LNG 연료 선박의 미래

​▶ 정부 주도의 LNG 연료 선박 확대 방안
정부 주도로 LNG 연료 선박 확대를 본격적으로 시작한 지점이 지난 2016년에 있었던 해양수산부 주관 ‘LNG 추진 선박 육성 방안’이다. 이 계획의 주된 목적은 그 해 국제해사기구(IMO)에서 발효된 2020년 선박 배출 가스 규제 강화에 대비하는 것이었다.
IMO에서는 2016년 10월, 2020년부터 선박 배출 가스 중 황산화물의 함유량을 기존 3.5%에서 0.5% 이하로 강화하기로 의결하였다. 국제적인 선박 배출 가스 규제가 강화됨에 따라 한국 정부도 발 빠르게 대응을 시작한 것이다.

▶ 민·관 주도의 LNG 연료 선박 발주
인천항만공사는 2011년, 아시아 최초로 LNG 연료 선박(에코누리호)을 발주, 2013년부터 운영을 시작했다. 또한 일신해운은 IMO에서 선박 배출 가스 규제를 강화하기 이전에 이미 50K 벌크선을 발주, 2018년부터 운영을 시작했다. 2019년에는 울산지방해양수산청 LNG 연료 청항선이 운영을 시작했고, 2020년에는 인천과 여수지방해양수산청에서 LNG 연료 청항선을 각각 1척씩을, 인천항만공사에서는 국내 최초로 LNG 연료 예인선 1척, 전남대학교에서는 LNG연료 해양수산조사선 1척, 해양환경공단에서는 LNG연료 예방선 1척, 해양경찰청에서는 LNG연료 유류방제정 1척을 발주하였다.  
이렇듯, 국내에서는 정부 주도의 LNG 연료 선박 확대안이 발표되기 전, 민·관 주도의 LNG 연료 선박 발주가 먼저 시작되었다. 
 


<해양환경공단 LNG 연료 예방선(예인+방제) 조감도 : 자료 해양환경공단>


▶ 한국 내 LNG 연료 적합 선종
현재, 산업통상자원부와 해양수산부에서는 관공선을 중심으로 LNG 연료 전환을 진행 중이다. 주된 이유는 아직까지 초기 투자 비용이 높은 LNG 연료 선박이 민간 주도로 발주하기 어려운 상황이라, 관공선을 우선적으로 LNG 연료 선박으로 교체하고, 이후 정부 보조금이나 세금 혜택, 금융 혜택을 확대하여 민간 선박에 대한 LNG연료 전환을  순차적으로 진행할 예정이다. 이러한 계획의 일환으로 진행된 2018년 LNG 연료 관공선 첫 발주가 울산해양지방수산청의 청항선이었고, 이 선박을 필두로 현재 예인선, 방제정, 어업지도선 등이 LNG 연료 추진 선박으로 발주되고 있다.

▶ 국내 LNG 연료 시스템 기자재 업체의 미래
2000년 세계 최초로 LNG 연료 선박이 등장한 이후, 중소형 선박의 LNG 연료 공급 시스템은 주로 유럽 업체를 통해서 제작·공급되었다. 하지만 대형 LNG 연료 선박이 등장하기 시작한 2014년 이후 한국 기자재 업체를 통해 공급된 LNG 연료 시스템은 약 25.0%의 시장 점유율을 확보했다. 특히 대형 탱커선, 컨테이너선 및 LNG 운반선에서의 국내 기자재 업체의 점유율은 50.0% 이상을 차지하고 있어, LNG 연료 시스템 시장에서 국내 기자재 업체의 미래는 밝다고 할 수 있다.
물론 몇 년 전부터 중국 기자재 업체의 추격이 만만치 않은 것이 사실이나, 전 세계적으로 대형 LNG 연료 선박과 LNG 운반선이 국내 조선소에 발주되고 있는 상황 속에, 지리적으로 유리하고 품질에서 앞서는 국내 기자재 업체의 약진이 기대된다.
 


<현대삼호중공업이 건조한 세계최대 LNG연료추진 컨테이너선 : 자료 현대삼호중공업>  

 

또한 LNG 연료 시스템과 연계된 다양한 기자재 개발이 활발히 진행되고 있고, 글로벌 경쟁력을 확보한 국내 기자재 업체가 세계 시장에 적극적으로 나서고 있는 중이다.
 


<항만 내 설치 가능한 모듈형 LNG 충전 시설 : 자료 발맥스 기술>

 
▶ 글로벌 시장을 확대를 위한 제언
한국에는 전 세계 1, 2, 3위의 조선소가 있고, 상위 20위 안에 7개 이상의 조선소를 보유한 특수한 나라이다. 이런 이유로 한국 조선소와 한국 기자재 업체의 협력 관계는 매우 중요하다. 글로벌 시장에 진출한다는 것 자체가 한국 조선소에 기자재를 공급하는 것과 동일시된다.
특히 LNG 연료 선박이 대형화되고, 발주가 확대되기 시작한 시점이 불과 5~6년 밖에 되지 않는다는 현재 상황을 고려한다면 LNG 연료 시스템과 관련된 기자재의 초기 시장 진입이 가장 중요하다. 그래서 지금이야말로 조선소와 기자재 업체와의 협력을 통해 국내 시장 및 글로벌 시장에서의 LNG 연료 시스템 관련 기자재 시장 확대가 필요한 시점으로 생각된다.