[쿠키과학] ‘선박 조건에 따라 친환경 연료 효율적용’… UST-KRISO, 선박연료 평가기준 개

선박의 크기와 운항거리에 따라 친환경 연료를 전기, 수소, 암모니아 중 맞춤형으로 고를 수 있는 평가 기준이 나왔다.

과학기술연합대학원대학교(UST)와 선박해양플랜트연구소(KRISO)는 강희진 UST-KRISO 스쿨 교수와 메이디슨 UST 박사과정이 선박의 설계 조건과 환경성, 경제성을 통합한 친환경 연료 선택체계를 개발했다고 6일 밝혔다.

국제해사기구(IMO)는 2050년까지 국제해운 분야 탄소중립 달성을 위해 선박연료 전환을 추진 중이다.

그동안 친환경 선박 연구는 주로 수소, 메탄올, 암모니아 같은 대체연료가 온실가스를 얼마나 줄이는지 비교했다.

하지만 탄소배출량만으로는 해당 연료를 실제 선박에 사용할 수 있는지 판단하기 어렵다.

같은 연료라도 선박 크기, 운항거리, 내부 공간, 허용 중량에 따라 적용 가능성이 달라진다.

기존 선박을 친환경 선박으로 개조할 때는 엔진이나 연료전지뿐 아니라 연료탱크와 배터리, 배관, 안전설비를 제한된 공간에 넣어야 한다.

설비가 지나치게 크거나 무거우면 화물과 승객을 실을 공간이 줄어들고, 선박의 허용 중량을 초과하면 실제 운항에 적용하기 어렵다.

특히 연료가 탄소를 적게 배출하더라도 생산 과정까지 포함하면 결과가 달라진다.

수소와 암모니아는 선박에서 사용하는 단계뿐 아니라 어떤 에너지원으로 생산했는지가 전체 온실가스 배출량을 좌우한다.

연구팀은 이런 한계를 보완하기 위해 국내 연안을 운항하는 선박을 대상으로 순수 배터리 전기추진, 바이오디젤·배터리 하이브리드, 수소연료전지, 메탄올, 암모니아 추진 방식을 비교했다.

연구팀은 각 추진설비가 실제 선박 내부에 들어갈 수 있는지를 평가하고, 개조 대상 선박의 공간과 중량 제한을 기준으로 연료탱크와 배터리, 추진설비의 탑재 가능성을 분석했다.

이어 연료 생산부터 선박 운항까지 발생하는 온실가스를 전과정평가(LCA) 방식으로 계산했다.

전과정평가는 연료가 선박에서 연소하거나 전기로 바뀌는 단계와 더불어 원료를 채굴 확보하는 과정부터 생산, 운송, 저장, 최종 사용까지 발생하는 온실가스를 모두 계산한다.

때문에 선박 운항 과정에서 이산화탄소를 직접 배출하지 않는 연료도 생산에 화석연료를 많이 사용하면 전과정 배출량이 늘어난다.

반대로 재생에너지로 생산한 수소와 암모니아는 생산 단계의 배출을 줄여 전체 온실가스 감축 효과를 높일 수 있다.

또 연구팀은 경제성 평가에서 장기간 운항 조건을 반영했다.

선박을 20년간 운항하는 세 가지 시나리오를 설정하고 초기 설비 투자비와 연료비, 유지관리비, 탄소규제 비용을 종합했다.

이를 통해 초기 도입비용이 낮더라도 연료비와 탄소비용이 커지는 추진 방식과 초기 투자는 많지만 장기 운항비용을 줄일 수 있는 방식을 같은 기준에서 비교했다.

분석 결과 모든 선박에 공통으로 적용할 수 있는 하나의 최적 연료가 없다는 결론을 도출했다.

순수 전기추진은 운항거리와 충전 기반 등 조건을 충족하는 선박에서 유효한 대안이고, 배터리와 다른 연료를 함께 사용하는 하이브리드 추진도 기존 선박을 단계적으로 전환할 수 있는 현실적인 방식으로 평가했다.

재생에너지로 생산한 수소와 암모니아는 전과정 온실가스 배출량을 매우 낮출수 있고, 특히 재생에너지 기반 암모니아 추진은 연구팀이 설정한 선박과 운항 조건, 미래 연료가격, 탄소규제 시나리오에서 탑재 가능성과 배출 저감, 장기 비용의 균형이 상대적으로 양호했다.

반면 화석연료를 이용해 생산한 일부 대체연료는 생산 단계에서 많은 온실가스를 배출해 기존 선박 연료보다 불리할 수 있는 것으로 분석됐다.

이번 연구결과는 친환경 선박을 새로 건조하거나 기존 선박을 개조할 때 후보 기술을 선별하는 기준으로 활용할 수 있을 전망이다.

메이디슨 박사과정은 “섬이 많고 선박이 국민의 이동과 물류를 담당하는 국가에서는 친환경 연료의 배출량뿐 아니라 항로별 운항 조건과 공급 기반을 함께 살펴야 한다”며 “각 지역의 해상교통 구조에 맞는 추진 방식을 찾는 데 이번 평가체계를 활용할 수 있다”고 말했다.

강 교수는 “친환경 연료의 우열을 한 가지 지표로 결정하면 실제 선박에서 발생하는 공간과 중량 문제, 장기 비용을 놓칠 수 있다”며 “선박의 규모와 운항거리, 연료 생산방식에 따라 전기와 하이브리드, 수소, 메탄올, 암모니아의 역할을 구분하는 것이 핵심”이라고 설명했다.

한편, 이번 연구결과는 국제학술지 ‘저널 오브 클리너 프로덕션(Journal of Cleaner Production)’ 8월호에 게재됐다.

이재형 기자 jh@kukinews.com