해양 미세먼지 대책-전기추진 선박 산업의 미래
13기 양찬미, 15기 김성중, 15기 박정우, 16기 김미림, 16기 전예지
최근 심각한 환경문제 중 하나인 미세먼지. 이를 해결하고자 화력발전소 감축하기, 차량5부제 등 육지에서는 다양한 방안이 시행되고 있다. 하지만 내륙 못지않게 해양지역에서도 상당한 미세먼지가 발생되며, 그 대표적인 요인은 선박 산업이다.
정박중인 선박은 무전기, 냉장고, 조명, 공조 등 기본적인 전기설비의 가동을 위해 디젤엔진으로 자가 발전하여 필요한 전력을 충당한다. 이 자가발전으로 인한 오염물질이 우리나라 최대의 항만도시인 부산의 대기 중 황산화물, 초미세먼지 배출량의 각각 73%, 51%를 차지하는 주범이다.
[그림 1. 선박에서 배출된 대기오염물질 비중]
출처 : 국립환경과학원
이렇듯 미세먼지 해결은 육지뿐만 아니라 해양지역에도 필수적이다. 따라서 이를 해결할 방안인 전기추진 선박에 대해 알아보고 그 미래를 파악하고자 한다.
전기추진 선박의 정의 및 기술
전기추진 선박이란 과거의 기계식 추진방식이 아닌 모터를 사용하여 선박을 추진하는 것이다. 따로 내연기관이 없어 환경오염이 없다는 큰 장점 때문에 전기자동차(EV)와 같이 미래형 운송수단이라고 할 수 있다. 하지만 전기와 물이 상극인 만큼 안전성에 대한 고민과 60마력이 넘는 고출력 전기 추진체를 만들기 위해선 전압이 많이 필요하다는 기술적 한계극복이 필수적이다.
전기차의 발전과정처럼 한 번에 큰 배를 추진할 수 있는 출력을 만드는 것은 어렵기 때문에 아직도 대부분의 선박은 디젤엔진을 사용하며 하이브리드 선박이 일부 사용되고 있다. 하이브리드 선박이란 디젤 엔진 및 발전기에서 생산된 출력과 배터리에 충전된 에너지를 직·병렬로 이용하여 추진전동기를 구동하는 것이다. 이 방식은 기계적인 배치가 유연하여 효율적인 선박 구조 설계가 가능하며, 연료 소모량과 배기가스 배출이 저감된다.
전기추진 선박의 국외 동향
국재해사기구(IMO)는 모든 선박에 대한 온실가스의 배출을 2008년 대비 2030년까지 40%를 감축한다는 강력한 국제 규제를 예고했다. 이로 인해 전 세계적으로 친환경적인 에너지를 사용하는 전기추진 선박에 대한 관심이 커지게 되었다. 유럽의 연안해역에는 노르웨이를 중심으로 순수 전기 100%로 운항하는 친환경 카페리선들이 운항되고 있으며, 중국에서도 세계 최초 전기추진 화물선을 발명하는 등 많은 국가가 전기선박 개발에 힘을 쏟고 있다. 영국 조선·해운 분석기관 클락슨에 따르면 2017-2029년의 전기추진 선박의 예상 척수는 2,369척이고 전체 선박에서 차지하는 비중인 4.5%가 될 것이라고 분석하였다. 특히 100% 전기추진선박은 현재 11개의 프로젝트가 진행되고 있는데, 노르웨이 5건, 프랑스와 스웨덴, EU, 네덜란드, 캐나다가 각각 1건씩, 그리고 중국이 1건을 진행하고 있다.
중국의 경우 2017년 11월에 2,000톤 급 전기추진 화물선을 제작하고 시험운항 중인데, 이 선박은 배터리를 2시간 동안 충전하는 것으로 최고 24노트로 최대 80km를 운항할 수 있다. 또한 목적지에서 화물을 내리는 동안 완전 충전이 가능하다는 점에서 매우 유리하다. 이는 홍콩 북쪽 지역을 운항하는 단거리 석탄운송에 투입될 예정이다.
유럽에서도 다양한 프로젝트가 진행 중인데, 우선 EU가 추진중인 ‘E-페리’ 프로젝트는 전기로만 운행되는 여객선으로 탄소배출 제로를 목표로 한다. 이 프로젝트는 2020년까지 유럽지역에 10척 이상의 E-페리선을 도입하고, 2030년까지는 100척 이상의 도입을 계획하고 있다. 이를 통해 2020년까지 연간 온실가스의 배출량을 3만 톤 절감하고, 2030년까지는 30만 톤을 절감할 것으로 전망했다. 그뿐만 아니라 기존 전통 디젤 여객선에 비해 선박 운영비를 낮추며, 여객의 운송시간을 단축할 수 있다.
특히 노르웨이는 선박의 탄소배출량을 줄이는 데 가장 앞장서고 있는데, 2015년 세계 첫 하이브리드 페리선 운항을 시작으로 2018년 완전 전기 페리선이 투입되었다. 이에 더해 노르웨이는 ‘바다의 테슬라’라는 별명의 자율운항 전기 컨테이너 화물선을 개발하고 있는데, 2017년 개발 프로젝트를 시작하여 2018년에는 유인 전기 컨테이너선, 2019년에는 원격 조정, 2020년에는 완전 자율 운항이 가능한 화물선을 선보일 예정이다. 아직까지는 배터리 등의 문제로 단거리 노선에만 운항할 수 있지만 EU의 E-페리 프로젝트와 함께 최장 20NM 이상의 항해를 이뤄낼 수 있다는 분석이다.
캐나다의 경우 100% 전기추진 페리선 2척을 제작했고 이를 통해 연간 740만kg의 온실가스 배출 절감을 예정했다. 이 페리선들은 배터리 재충전을 위해 육상전력 시스템과 자동으로 연결된다. 또한 미국의 경우 유람선 운영사인 ‘더 메이드 오브 미스트 코프’ 에서 전기 추진의 배출가스 제로 선박을 발주해 위스콘신 주 조선소에서 건조 중이라고 밝혔다. 이는 미국과 캐나다 사이에 위치에 있는 나이아가라 폭포의 유람선에 적용될 예정인데, 이를 통해 온실가스 저감은 물론이고 나이아가라 폭포의 수중 생태계 보존에도 크게 기여할 것으로 전망된다.
전기추진 선박의 국내 동향
2000년대 초까지 국내 전기추진 선박 사업은 해외 선진기업들에 비해 세계적으로 뒤처지는 편이었다. 2009년 진해 국방과학연구소를 중심으로 선박의 시스템 설계에 관심이 고조되었으나 전기선박의 구체적인 전력시스템 설계 및 운용기술에 대한 연구는 아직 관심과 기술이 미흡한 실정이었다.
최근 선박과 해양 산업에 대한 환경 규제가 엄격해지면서 국내에서도 현대중공업, 두산중공업, 효성중공업, 그리고 새롭게 떠오르는 기업 LGM 기업을 중심으로 전기추진 선박과 선박에 필요한 기술들이 발전 중이다.
현재 우리나라를 대표하는 전기추진 선박 선진 기업은 LGM 기업이다. LGM의 전기추진 선박용 전기 엔진은 2018년 12월에 유럽 CE 인증(전기선외기에 대한 유럽통합규격인증)을 획득하면서 곧이어 2019년 2월 해양수산부로부터 ‘교체형 배터리를 적용한 전기추진 선외기 제작 핵심기술’을 기반으로 신기술(NET) 인증을 획득하였다. NET 인증은 해양수산과학기술 육성법에 근거하여 국내 최초로 개발하거나 기존 기술을 혁신적으로 개량·개선한 해양수산 분야 과학기술에 대해 인증을 부여하는 제도이다. 2019년 현재까지는 일본과 중국 시장 수출을 성공적으로 진행 중이며 2019년 5월 9일 진행된 경기 국제 보트쇼에서 선박용 친환경 전기선외기로 ‘BEST of KIBS’ 선정되며 국제적으로 위상을 알렸다.
또 앞으로 2년 후인 2021년 4월 중에 부산항에서 국내 최초로 전기추진 선박이 운항 될 예정이다. 부산항만공사는 벙커C유를 쓰는 기존 항만 안내선을 미세먼지가 발생하지 않는 전기추진 선박으로 대체하기로 하고 현재 개념설계를 하고 있다고 2019년 5월 17일 밝혔다. 실제로 11월에 선박의 실제 건조에 들어간다고 예상 중이다. 국내에서의 전기추진 선박 사업은 현재부터 미래까지 밝게 진행되어가는 중이다.
또다른 해양 미세먼지 대책, AMP
AMP란 선박이 부두에 접안할 때 무전기, 냉장고, 조명, 공조 등을 가동하는데 필요한 전기의 공급을 위해 연료를 사용해 자가발전하는 대신 고압(6.6kV 3.3kV)의 육상전기 공급으로 선박 내 발전기로부터 대기오염물질 발생을 방지하는 것을 말한다.
[그림 2. 육상전원공급장치 AMP(Alternative Maritime Power)]
출처: LS전선 News
AMP의 국내외 현황은 다음과 같다.
미국: 미국 LA항은 30개 선석에 AMP를 설치 운영하고 있으며, 2017년 LA/LB(Long beach)항에 입항하는 선박의 70%에 AMP 사용을 의무화했고, 2020년까지 80%로 확대할 계획함.
중국: “대기오염방지법”에서 신규부두계획, 설계 및 건설 시 AMP 시스템을 갖추어야 하고, 이미 개발된 부두는 점차적으로 AMP 시스템의 개조를 진행해야 하며, 입항한 선박은 우선적으로 AMP를 사용하도록 규정함.
유럽: 2014년 4월 AMP설치 의무화 규정인 EU Directive를 제정했고, 2025년까지 AMP 설치를 의무화함.
한국: 2018년 한국남동발전 영흥발전본부 석탄하역 부두에 18만 톤급 석탄 운반선인 로즈마리호(Rose Mary)에 국내 최초 고압 AMP 도입, 당진화력본부 내 석탄하역 부두 3곳에 고압 AMP 도입 예정함.
[사진 1. 국내 최초 AMP (영흥 발전 본부 석탄하역부두)]
출처: 연합뉴스
이처럼 AMP는 항만도시에서 정박해 있는 대형선박으로 인한 미세먼지 저감에 좋은 방안이 될 수 있다. 하지만 AMP는 항만도시를 위한 일시적인 대책이 될 수는 있지만, 미세먼지와 대기오염의 근본적인 대책이 되지는 못한다. 전 세계 물류의 90%가 선박에 의존하고 있고 이 선박 1대당 배출되는 매연물질이 버스 200대에서 나오는 대기오염물질의 양과 동일하기 때문에 더욱더 근본적인 대책이 필요하다. 그래서 해양에서 미세먼지 저감을 위한 근본적인 대책으로 전기 추진 선박을 제시할 수 있다.
전기추진 선박의 미래
바다의 전기차인 전기추진 선박. 육지에서 대기오염 등 환경문제에 따라 전기차로 전환하는 현재에, 선박 또한 전기추진 방식으로 바꾸는 것은 당연한 현상일 것이다. 또한 선박운행의 효율 향상뿐만 아니라 탄소배출량을 줄일 수 있는 대체 시스템에 대한 수요가 증가하고 있는 추세이다. 이런 전반적인 상황을 볼 때, 전기추진 선박의 미래는 매우 밝을 것이라 예상된다.
비록 현 기술은 기존 연료 기반의 선박보다 장거리 운항이 불가하다. 그러나 현재 많은 나라가 이 문제에 대한 심각성을 인지하고 있으며 기술개발에 높은 투자를 하고 있다. 이러한 노력들이 모인다면 더 나은, 지속가능한 미래를 그릴 수 있을 것이다.
<참고문헌>
1. 온실가스 저감 대응기술(전기추진), 한국선급 기술본부 연구소, 미래기술연구팀, 2018.6.14
2. 선박 운전 환경에 따른 하이브리드 전기추진선박의 운전모드별 출력 특성에 관한 연구, 김종수, 2017.8
3. 노르웨이 전기추진이용 자율운항선
http://www.shippingnewsnet.com/news/articleView.html?idxno=23204
http://www.energy.or.kr/web/kem_home_new/energy_issue/mail_vol64/pdf/issue_167_01_02.pdf
4. 탄소제로 전기선박 시대 초읽기
http://www.monthlymaritimekorea.com/news/articleView.html?idxno=22759
5. 온실가스 저감 대응기술(전기추진)
http://www.shipowners.or.kr/admin/bbs/down.php?code=busan_office&idx=13275&no=2
6. 전기추진선박의 최근 동향
https://safety4sea.com/cm-electric-vessels-are-making-waves/
7. 김수남, 박영호 (2018). DC 전기추진선 기술동향. 전기의세계, 67(6), 25-31
8. 구대현 (2009). 전기 추진 선박 기술 동향. 전기의세계, 58(5), 36-43
9. 부산항 첫 전기추진선박 운항
https://www.catch.co.kr/Comp/CompNewsView/042199/257868
10. LGM 기업 뉴스 카테고리
http://www.lgmarines.com/bbs/board.php?bo_table=news
11. AMP 설치 수요조사 및 추진과제 연구, 한국해양수산 개발원, 이언경 외 3명, 2017
12. 공공기관 협업 통해 국내 최초 고압 육상전원공급시설 설치 완료, 인천항만공사, 2018.04
13. AMP(육상전원공급설비)와 전기추진 선박, 인천항만공사, 2018.02
14. AMP 설비 보급으로 항만, 발전소 주변 환경오염 개선 효과 기대, 중기뉴스타임, 2018.11.06
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