선박 대체 연료와 연료 저장 장치 기술 이야기

선박 대체 연료 전망과 연료 선택

지금까지는 화석 연료를 기반으로 한 한 가지 선박 연료가 독점적으로 사용되었던 시대였다. 하지만 2000년대 중반부터 각 연료의 고유한 장단점과 기술 및 상업적 성숙도의 차이 그리고 선박 종류별 특수성 등을 이유로 점차 다양한 연료를 사용하는 시대로 전환되고 있다.

현재 논의되는 미래의 대체 연료는 LNG, LPG, 메탄올, 암모니아, 에탄, 수소, 배터리, 소형 원자로 등 매우 다양하다. 지난 10년 동안 주목받았던 대체 연료 중에 LNG 연료의 사용 비중이 증가하고 있으며, 메탄올 연료 사용도 점차 늘어나고 있다. 그러나 메탄올은 주로 특정 선종인 컨테이너선 등의 연료로 선택되고 있다. 한편 암모니아, 수소, 소형 원자로 연료는 기술적 문제와 독성 문제 등으로 인해 아직 선박용 연료로 적용되고 있지는 않다.

특히 선박 연료로서 각 연료들을 사용하기 위해서는 주요한 단계인 엔진 개발이 필수적이다. 암모니아의 경우, 2024~2026년경 주엔진의 개발이 완료되고 나면 점차 암모니아 추진 선박 발주가 늘어날 것으로 예상된다. 그 이후 수소, 소형 원자로 기술 등으로 연료 선택이 바귀어 갈 것으로 예상된다.

‘연료 선택’은 연료 가격, 설비 비용, 탈탄소 규제 비용, 개조 비용 등 다양한 요소를 고려해야 하는 복잡한 결정이다. 이런 미래의 불확실성으로 인해 각 해운사는 자신의 상황에 맞는 전략 수립을 하는 것이 필요하다. 다양한 가능성 때문에 연료 다양성, 연료 모자이크, 연료 유연성과 같은 개념이 중요해지고 있으며, 이런 상황 속에서 대체 연료 엔진 기술과 더불어 연료 저장 장치(Fuel Containment System) 기술이 선박의 배치, 건조 가격, 선박 운항에 미치는 영향은 매우 높다. 따라서 지금부터 연료 저장 장치 기술을 해운산업 탈탄소화 관점에서 살펴보도록 하겠다.

미래 대체 연료 저장 장치 기술의 종류와 재료

· 대체 연료 저장 장치 기술의 선택

다양한 대체 연료의 선택 가능성은 선박 설계를 어렵게 한다. 동일 선종이라도 다양한 대체연료 중에 어떤 대체 연료를 선택하는지에 따라 연료 탱크의 형태의 형식, 배치, 재료 등이 달라지며 그것들은 선박 전체에 영향을 미치기 때문이다.

성공적인 대체 연료 저장 장치의 설계를 위하여 다음과 같은 흐름도를 작성해 보았다.

우선적으로 결정하여야 하는 것은 선박의 운항 최적화이다. 어떤 항로를 얼마만큼 운항하는지에 따라 필요 연료의 양이 결정되기 때문이다. 운항에 필요한 기존 연료인 선박용 중유(이하 HFO) 또는 선박용 경유(이하 MGO)의 양을 계산하였다면, 이를 바탕으로 대체 연료로 전환하였을 시에 필요한 연료 양을 계산할 수 있다. 대체 연료별로 체적 에너지 밀도가 다르기 때문에 같은 거리를 운항하기 위해 필요한 연료의 양이 달라진다. 예를 들어 메탄올 연료를 사용하여 MGO와 동일한 운항을 하고자 한다면 MGO 탱크 용적보다 2.4배 크기의 e-메탄올 연료 탱크가 선박에 배치되어야 한다.

· 대체 연료 저장 장치 기술의 종류

필요한 대체 연료의 양이 결정되면 연료 탱크의 형식 및 위치를 정하여야 한다. 기본적으로 선박용 연료 저장 탱크는 일반 선체 공간을 사용하는 경우와 IMO 독립형 A형, B형, C형 그리고 멤브레인(Membrane)형 적용으로 나뉜다. 보통 필요한 연료의 양이 적은 경우, 독립형 C형 탱크가 사용되고 있으며 많은 연료가 필요한 경우, 독립형 A형, B형 또는 멤브레인형이 사용되고 있다. 다만, 메탄올 연료 탱크의 경우에는 기존 HFO 연료와 같이 일반적인 형식의 탱크 사용이 가능하므로 형상 및 탱크 크기 변화가 다른 연료 탱크에 비하여 자유롭다.

다음 그림은 대체 연료에 적용 가능한 연료 탱크의 대표적인 형식을 보여주고 있다.

독립형 A형 탱크는 KR에서 종래에 사용되고 있는 선체강도 해석법에 따라 인정하는 기준에 의해 설계되는 탱크이다. 설계 증기압은 0.07MPa 미만이어야 하며 선체 구조와 비슷하게 설계할 수 있어 독립형 C형 탱크 대비 공간 활용의 측면에서 이점을 갖는다. 또한, 액화 연료 유출에 대하여 안정성 확보를 위해 완전한 2차 방벽이 추가적으로 요구된다. 독립형 B형 탱크는 응력 수준, 피로 수명 등을 결정하기 위해 정밀한 해석법을 이용하여 설계된 탱크이다. 설계 증기압은 0.07MPa 미만이어야 하며 부분 2차 방벽 및 누설 시 안전한 처리 및 제거를 할 수 있는 수단이 요구된다. 독립형 C형 탱크는 압력 용기 기준에 기초하며, 표면 결함이 탱크의 수명동안 탱크 외판 두께의 절반 이상 진전되지 않도록 설계된 탱크이다. 따라서, 2차 방벽의 설치가 요구되지 않는다. 멤브레인 탱크는 탱크 벽이 얇은 막으로 구성되어 액체 유출을 막고, 연료의 하중은 탱크 외측의 단열재를 통해 인접한 내부 선체가 지지하는 형태이다.

연료 탱크의 형식를 정하였다면, 연료 탱크의 위치를 선정하여야 한다. 독립형 A, B형 또는 멤브레인형의 경우, 선종 구분 없이 연료 탱크의 크기, 2차 방벽 등으로 인하여 화물구역 상갑판 하부 이외의 배치가 어렵다. 반면에 독립형 C형 탱크의 경우 상갑판 상하부 모두에 설치가 가능하지만 상대적으로 많은 공간을 차지하는 특징이 있다. 일반적인 독립형 C형 탱크의 위치로는 산적화물선의 경우 선미부 상갑판 상부, 탱커선은 화물구역의 상갑판 상부, 로로선은 화물구역 상갑판 하부 등에 고려되고 있다.

필요 용량에 적합한 연료 탱크가 호선에 배치될 수 없다면 연료 탱크의 크기를 줄이거나 기존 선체의 형상을 변경하여야 하는 경우도 발생한다. 때문에 초기 설계 단계에서 대체 연료 탱크의 위치를 고려하지 않았던 현존선의 경우, 연료 탱크 배치 문제로 인해 대체 연료로의 전환에 어려움을 겪는다.

· 대체 연료 저장 장치의 재료

연료 저장 탱크의 재료는 각각의 대체 연료 특성, 저장 설계 온도 및 설계 증기압에 의해 결정된다. 현재 가장 많은 부분을 차지하는 LNG 연료의 경우, 설계 온도는 -163도, 설계 증기압은 0.7bar 미만이 요구된다. 이에 LNG 연료 탱크 재료로는 극저온 환경에서도 강도와 인성이 저하되지 않고, 충분한 내충격성을 가져야 하므로 오스테나이트계 스테인리스강, 니켈 합금강, 알루미늄 합금강, 고망간강이 사용된다. 반면에 메탄올의 경우, 대기압에서 끓는점이 64.7도이므로 저온용 강재의 사용이 필요치 않는다. 하지만 메탄올은 일부 재료의 부식을 유발하므로 연료 탱크 코팅이라는 추가적인 조치가 필요하다. 암모니아 연료 탱크에는 통상 -55도를 견디는 저온용강을 사용하여야 한다. 액체 수소 연료 탱크의 경우 수소에 민감하지 않은 재료여야 한다.

연료 탱크의 재료를 선택함에 있어서 재료의 비용은 가장 큰 영향을 미칠 것이다. 하지만 설계를 함에 있어서 재료의 비용만큼 중요한 것은 연료 탱크의 무게이다. 각각의 대체 연료 밀도가 다르고 또한 재료 물성치 특성으로 인해 구조 강도를 만족하는 연료 탱크의 요구 두께가 달라지기 때문이다. 그로 인해 연료 탱크의 무게도 달라져 탱크 지지 구조에 추가적인 보강이 필요할 수 있다.

다음은 9% 니켈 합금강으로 제작된 LNG 연료 탱크의 무게를 기준으로, 대체 연료 밀도 변화에 따른 필요 재료 두께 및 그에 따른 연료 탱크의 무게 증가율을 나타낸 표이다.

이렇듯 다양한 요소를 고려하였을 때, 단일 연료 탱크의 재료로서 LNG 연료의 독립형 A형, B형, C형 탱크의 경우 9% 니켈 합금강 또는 고망간강, 멤브레인형의 경우 오스테나이트계 스테인리스강, 또는 인바(INVAR)가 주된 방벽 재료로 사용된다. 메탄올 및 암모니아 연료의 경우 탄소망간강이, 수소 연료의 경우 오스테나이트계 스테인리스강이 주된 재료가 될 것으로 예상된다.

알루미늄 재료의 경우 연료 탱크의 무게는 9% 니켈 합금강과 크게 차이가 나지 않는다. 하지만 3배 이상의 필요 연료 탱크 두께로 인해 용접 비용 및 용접 결함 증가는 재료의 선호도를 떨어뜨린다.

다음 그림은 현재까지 설명한 필요 연료 용량에서부터 연료 탱크 형식, 연료 탱크 재료 선택의 순서를 도식화한 그림이다.

다음 그림에서는 순서를 달리하여 대체 연료별로 선호되는 연료 탱크 형식 및 연료 탱크 재료까지 나타내 보았다. 이를 참고하여 연료 전환 대비를 위해 신조 시에 어떤 연료 탱크 재료를 사용할 것인지를 중요하게 고려해야 할 것이다.

미래 대체 연료 전환을 고려한 연료 저장 장치 선택의 영향

· 컨테이너선의 메탄올 연료 추진 개조

현재 메탄올 연료의 관심도가 증가하면서 기존 연료 추진 컨테이너선을 메탄올 연료 추진 선박으로 개조하려는 계획이 늘어나고 있다. 하지만 초기에 고려되지 않은 연료를 미래에 사용하고자 개조하는 것은 상당히 어렵고 많은 투자를 필요로 한다. 메탄올 추진 컨테이너선으로의 개조는 두가지 방향성이 존재할 것이다. 기존 화물창 공간에 메탄올 연료 탱크를 삽입하여 일부를 연료 탱크 공간으로 대체하는 방법과 필요 메탄올 연료 탱크 길이만큼 선체의 길이를 연장하는 방법이다. 연료 탱크 삽입 방법은 운송하고자 하는 화물의 손실이 발생할뿐더러, 연료 탱크의 설계에 제약이 많을 것으로 판단된다. 반면에 선체 길이 연장 방법은 화물 손실의 영향은 없으나 선체 길이 연장에 따라 추가적으로 고려되어야 하는 사항이 많이 발생할 것이다. 어느 것도 쉽지 않은 작업이다.

· 메탄올 연료 탱크로서의 기존 HFO 탱크 활용

지금까지 이용하던 기존 HFO 탱크를 메탄올 연료 탱크로 활용하면 안 되는 것일까? 어렵다는 것이 대부분의 의견이다. 그 이유는 메탄올의 특성과 관련이 있다. 메탄올은 일부 재료에 부식을 유발하기 때문에 탱크 코팅이 중요하다. 또한, 독성이 있어 메탄올 연료 탱크 주변에 코퍼댐*을 두어야 한다. 이 같은 메탄올의 특성을 고려하지 않고 설계된 HFO 탱크는 탱크 코팅이 안되어 있을 것이고 코퍼댐 구조도 없을 것이다. 특히 HFO 탱크의 보강재들은 탱크 내부에 위치하여 탱크 코팅의 품질을 보증할 수 없게 한다. 그렇기 때문에 메탄올 연료 준비 선박에서 HFO와 메탄올을 모두 저장할 수 있는 탱크를 설계한다면, 초기부터 코퍼댐 구조가 고려되어야 하며 탱크 코팅을 위해 보강재가 탱크 바깥 쪽으로 배치되거나 파형 격벽(Corrugated Bulkhead)으로 연료 탱크를 형성하여야 한다.

· 연료 저장 장치가 개조 비용에 미치는 영향

앞서 언급했듯이 초기에 고려치 않았던 연료 추진 선박으로의 개조는 상당한 비용과 시간이 요구된다. 연료 전환 개조에 대한 연구 보고서 등을 참고하게 되면 선종마다 개조 비용이 다양하지만, 적게는 선가의 50%, 많게는 100% 이상까지 개조 비용이 소요된다는 연구 결과도 있다. 또한 4~6개월의 기간 동안 개조가 이루어지면서 운임 손실도 발생한다. 이런 사항들 때문에 현재 운항 중인 선박을 대체 연료 추진 선박으로 개조하는 것은 현실적으로 어려움이 많다. 대체 연료 준비 선박이 많아지는 이유 중 하나도 바로 대체 연료 추진 선박으로의 개조 비용을 줄일 수 있기 때문일 것이다.

결론 : 연료 저장 장치 기술의 중요성

탈탄소화 요구에 따른 대체 연료로의 전환, 연료 저장 장치의 영향에 대해서 살펴보았다. 성공적인 대체 연료로의 전환에 있어 연료 저장 장치는 그 영향력이 매우 크며 중요하다. 이미 LNG 추진 선박이 도입되기 시작한 때부터 당장이 아닌, 미래 시점에서의 연료 전환 계획이 반영된 대체 연료 준비 선박도 도입되어 왔다. 하지만 현재까지 대체 연료 준비 선박의 실질적인 효과에 대해서는 대부분 회의적인 것이 사실이다. 불확실한 미래 사항을 신조 단계에서부터 당장 결정하고 투자한다는 것에 어려움이 크기 때문일 것이다. 하지만 신조 선박뿐만 아니라 운항 중인 선박의 연료 전환을 고려하지 않으면 안 되는 해운 탈탄소화의 요구가 다방면에서 점점 거세지고 있다. 해운선사, 조선사, 에너지기업 등 다양한 분야에서 연료 저장 장치에 대한 더욱 실질적인 논의가 이루어져야 하며, 협력을 통해 현실적인 해결책과 전략들을 찾아가야 할 것이다. 이 글이 그런 논의를 위한 작은 시작점이 되었으면 좋겠으며, KR도 그런 논의와 협력에 기여할 수 있었으면 한다.

CCUS 산업과 LCO₂ 운반선 기술

CCUS 기술과 탄소중립 노력

온실 가스 배출량의 증가에 따른 지구 온난화가 기후 변화와 같은 심각한 문제를 야기하고 있다. 이에 많은 국가와 기업들이 탄소중립을 실현하기 위한 노력을 강화하고 있는데, 탄소 포집·활용 및 저장(CCUS) 기술은 이러한 노력의 일환으로 주목받고 있으며 그 성장세가 두드러지고 있다.

CCUS 산업과 이산화탄소 운반선의 역할

CCUS 산업의 성장으로 인해 이산화탄소 운반선에 대한 수요 또한 급증하고 있다. 이산화탄소 운반선은 CCUS 공정에서 포집된 대량의 이산화탄소(CO₂)를 저온·고압의 안정적인 액화 상태로 저장소까지 안전하게 이송할 수 있도록 특별하게 설계된다.

이산화탄소는 실온에서 기체 상태로 존재하지만, 대량 운송을 위해서는 저온과 고압 조건에서 액체 상태로 유지되어야 하므로 IMO C 타입 탱크가 적용되어야 한다. 효율적인 운송을 위해 이산화탄소 운반선은 기체, 액체, 고체의 세 가지 상태가 함께 존재할 수 있는 온도와 압력인 삼중점에 인접한 조건에서 운송이 가능하도록 설계되어야 하며, 운항 중에는 이산화탄소의 상 변화가 발생하지 않도록 각별한 주의가 요구된다.

한편, IGC 코드에서는 CO₂를 질식성 화물로만 분류하고 있으나, 다수의 국가에서 CO₂를 독성 물질로 정의하고 있음을 고려하여 국제해사기구(IMO)에서도 이에 대한 논의를 시작하였다. CO₂가 독성 화물로 분류되는 경우, 독성 화물의 운송·저장·취급과 관련한 IGC 코드상의 다양한 안전 요건들을 추가로 적용받게 된다. 다만, CO₂의 독성은 다른 독성 화물에 비해 심각도가 크지 않으므로 일부 규정은 면제가 가능할 것으로 예상되는 바, 향후 국제해사기구의 논의 결과를 주목할 필요가 있다.

액화 상태의 이산화탄소(CO₂)를 안전하게 운송하기 위한 탱크 설계에는 다음과 같은 다양한 요소가 고려되어야 한다.

이산화탄소 운반선 설계 요소

· 화물 탱크의 압력

탱크의 설계 압력은 저압과 중압으로 나뉜다. 저압과 중압은 운반되는 화물의 양, 최종 저장소까지의 거리, 포집된 CO₂의 불순물 수준 및 상태 등 여러 요인에 따라 결정된다. 탱크의 운용 여유 측면에서는 중압이 저압에 비해 유리한 장점이 있다. 하지만 탱크 설계 시 압력의 증가는 탱크 두께의 증가로 이어지는데, 화물 탱크의 강재 두께 제한으로 인해 중압의 경우 대형화가 힘들다는 단점이 있다. 이에 비해 저압의 경우 탱크의 대형화가 가능하지만, 삼중점에 근접한 운용 압력 때문에 중압에 비해 압력 변동에 의한 고체화(드라이아이스화) 위험성이 커지므로 정교한 압력 제어 및 설계를 포함한 대책 수립이 필요하다.

이산화탄소 저장 탱크의 압력과 온도 설정

· 화물의 온도

이산화탄소는 저압에서는 -55도, 중압에서는 -35도의 저온으로 운반된다. 따라서 IGC 코드에 따라 저온에 맞는 탱크 재질을 선택하는 것이 중요하며, 탱크의 수축과 팽창에 따른 열응력을 최소화하기 위한 탱크 설계가 필요하다.

· 이산화탄소의 밀도

이산화탄소의 밀도는 약 1.15 ton/m³으로 일반적인 LPG에 비해 약 2배 높은 밀도이다. UI GC7에 따라 피로 측면에서의 추가적인 검토가 요구되며, 슬로싱 측면에서도 높은 비중을 고려한 검토가 요구된다.

· 이산화탄소의 순도

이산화탄소는 순도에 따라 증기압이 크게 변화한다. 일반적으로 이산화탄소 운반선 설계 시에는 고순도의 이산화탄소 운반을 조건으로 하는데, 순도에 따른 증기압의 변화까지 반영할 경우 더 높은 증기압에서의 저장이 가능하도록 설계해야 한다. 이산화탄소의 수분 함량은 탱크의 부식에도 영향을 미치므로 주의가 필요하다.

· 화물 탱크의 강재 두께

현재 IGC Code에서는 40mm까지의 강재 두께를 인정하고 있다. 단, IACS UR W1은 독립형 Type C 탱크의 경우 40mm 초과-50mm 이하의 강재에 대해 용접 후 열처리(PWHT, Post Weld Heat Treatment) 또는 ECA(Engineering Critical Assessment)를 요구하고 있다. 대형 탱크의 경우 용접 후 열처리가 쉽지 않으므로 ECA가 적용될 가능성이 높으며, 이를 감안해 IACS에서는 프로젝트 팀을 구성하여 ECA 수행 절차를 마련할 예정이다.

· 화물 탱크의 형상

탱크의 형상에 있어서는 제작 및 설계의 용이성을 고려하여 Cylinder 형태의 Type C 탱크를 사용할 수 있다. 더불어 제작 및 설계의 어려움은 있지만 공간 활용에 용이한 Multi-lobe 형태의 Type C 탱크를 사용할 수도 있다.

LCO₂ 운반선의 암모니아 혼적 시 고려사항

최근 암모니아·LCO₂ 겸용 운반선 개발 기사를 종종 접할 수 있다. 암모니아를 화력 발전소로 운송한 후, 화력 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 저장소로 운송하는 것은 선박 운용의 효율성 측면에서 매우 이상적이다. 이 경우 가장 중요하게 고려되어야 할 요소는 암모니아 운송 후 암모니아 잔류물과 이산화탄소의 혼합으로 인한 이산화탄소의 순도 변화이다. 암모니아를 하역 후 이산화탄소 선적 시 완벽한 탱크 세척이 이루어지지 않는다면 이산화탄소의 순도에 영향을 줄 것이고, 이는 화물의 증기압 변화로 이어져 심각한 사태를 초래할 수 있기 때문이다. 화물 하역 시스템(Cargo Handling System) 또한 완전한 세척이 요구되며, 이를 위해 각각의 암모니아와 이산화탄소를 분리 이송하는 화물 운송 시스템이 필요할 수도 있다. 따라서 동일 탱크에서의 암모니아 및 액화 이산화탄소 교차 적재는 현실적으로 쉽지 않은 과제가 될 것이다.

KR의 역할

최근 KR은 여러 조선소들과의 협력을 통해 이산화탄소 운반선의 화물 탱크 및 화물창에 대한 구조적인 안전성 및 적합성 검증을 완료하였다. 화물 탱크는 IGC Code에서 요구하는 영구 하중, 기능 하중, 환경 하중 및 사고 하중 등 다양한 하중 조건에 대한 구조해석을 거쳐 구조적인 안전성이 확인되었으며, 화물창 및 탱크 하부 지지 구조 역시 다양한 설계 하중 조건 하에서의 구조 신뢰성이 검증되었다. KR은 이러한 긴밀한 협력을 통해 탈탄소화 시대에 맞춰 새로운 영역을 개척해가는 고객들의 신뢰할 수 있는 파트너가 되고자 한다.