암모니아 엔진 전문가 인터뷰

Q. 해운의 탄소 중립 과정은 연료의 불확실성에 기인하여 다양한 연료가 함께 사용되는 방향으로 진척될 전망인데요. 이들 대체 연료 중 암모니아 연료의 중요성을 어떻게 평가하고 계신지요?

A 바이오 연료, LNG, 메탄올, 암모니아 및 수소와 같은 다양한 연료가 GHG 저감 연료로 거론되고 있습니다. 해운의 탄소 중립을 위한 연료의 전환 과정에서 선주나 선종에 따라 점유율은 상이할 수 있으나 LNG 연료만큼은 지속적인 사용이 전망되고, 바이오 연료는 Transition 연료의 역할을 수행할 것으로 보입니다. 다만, 바이오 연료는 생산량의 한계로 인해 해운에서 사용할 수 있는 양이 제한될 것으로 예상되며, 이에 따라 그린수소 기반의 다양한 e-연료 형태(e-LNG/Methanol/ Diesel)가 사용될 수 있습니다.

암모니아는 생산 비용이 다른 연료에 비해 저렴하고, 생산량에 제한도 없을 것으로 보입니다. 벙커링 및 공급망이 다른 연료에 비해 잘 갖추어져 있기 때문에 선박 추진을 위한 운영 안전성이 확보된다면 암모니아가 수소를 포함한 다른 연료에 비해 사용 우위에 위치할 수 있습니다.수소를 이상적인 연료라고 생각할 수 있지만 액화를 위한 극저온 환경의 필요성과 낮은 에너지 밀도에 의한 운송성이 개선되지 않으면, 현재 기준으로는 암모니아가 우위를 차지할 것으로 예상됩니다.

Q. 대외적으로 HD현대의 ‘힘센 암모니아 이중연료 엔진’에 대해 관심도가 높은데,
현재 개발 진행사항에 대해 알려주시기 바랍니다.

A 세계 최초 고압 암모니아 연소방식의 4행정 H22CDF-LA 엔진에 대한 선급 형식승인 시험이 올해 10월에 계획되어 있으며, 해당 힘센 암모니아 엔진은 높은 출력과 90% 이상의 온실가스 저감을 목표로 개발 중에 있습니다. 또한 2행정 주 추진 암모니아 엔진도 고압 방식을 적용하고 있어 힘센 암모니아 엔진이 같이 설치되면 선박 연료 공급 설비가 단순해지는 장점도 있습니다. 내년에는 힘센 H32CDFLA 선급 형식승인 시험을 통해 암모니아 이중 연료 엔진에 대한 포트폴리오를 확대할 계획입니다.

Q. 해운업계에서는 2행정, 4행정 암모니아 엔진에서 파일럿 오일의 유량에 대한 궁금증이 많습니다. 파일럿 연료가 전통적인 디젤유가 사용될 것이기 때문에 완전한 무탄소 연료 엔진이 아닐 수도 있다는 의견도 있습니다. 이에 대해 HD현대는 어떤 대응책을 강구하고 있으신가요?

A 일정량의 파일럿 연료 사용은 불가피하겠지만, 힘센 암모니아 엔진의 파일럿 연료양을 최소화하여 GHG 저감율을 높이기 위해 노력하고 있습니다. 파일럿 연료를 디젤로 사용하면 궁극적인 탄소중립 연료 엔진이 되지 않기 때문에 IMO의 탄소중립 연료 기준에 부합하는 바이오 연료를 파일럿 연료로 사용할 수 있도록 준비하고 있습니다. 일례로, 메탄올 힘센 DF엔진도 바이오 연료로 착화가 가능하고, 선박 검증도 완료되었습니다.

Q. 단기간 내에 메탄올 4-Stroke 엔진을 세계 최초로 개발하셨고, 이제는 고압연료 공급방식의 실제 암모니아 엔진 형식승인 시험을 앞두고 있습니다. 엔진 개발 기간이 단축될 수 있었던 원동력은 무엇인지 궁금합니다.

A 30여 년 이상 힘센엔진의 설계 역량을 쌓아왔으며, 엔진기계 사업부 내 엔진연구소 운영을 통해 우수한 R&D 기술 인력을 키워 왔습니다. 특히, 4-Stroke 시장에서 1위를 차지하고 있는 힘센엔진의 플랫폼을 바탕으로 친환경 연료의 공급 장치, 분사 장치에 신기술을 적용하여 최적화하는 노력을 해왔습니다.

더불어 모기업인 한국조선해양의 미래기술연구원과의 긴밀한 협업을 바탕으로 KR을 비롯한 유수의 국내외 대학, 연구기관들과 네트워킹 구축 및 협력관계를 확대해온 것이 엔진의 완성도와 안전성을 높이면서도 개발 기간을 단축할 수 있었던 원동력이라고 생각합니다.

Q. 암모니아 엔진 구동 시 배출될 수 있는 암모니아 슬립이나 아산화질소에 대한 우려의 목소리도 있습니다. 이러한 배기 배출물에 대한 저감 및 처리 방법이 정립되어 있다면 소개 부탁드립니다.

A 저희가 암모니아 엔진 개발 과정에서 가장 유의하는 점 또한 배기 배출물입니다. 과거에 개발한 다른 연료 엔진(LNG, 디젤유 등) 들은 효율 극대화가 관건이었지만, 현재는 암모니아 엔진의 아산화질소 배출을 최소화하고 암모니아 슬립도 최소화 또는 질소산화물과 후처리에서 반응하여 제거될 수 있도록 하는 것에 중점을 두고 개발 중에 있으며, 2행정 엔진 개발사도 동일한 전략으로 알려져 있습니다.

힘센 암모니아 엔진 역시 배기 배출물을 저감하기 위한 성능 개선을 지속적으로 진행하고 있습니다. 아직 실제적인 시험 결과를 공개할 수 없지만, 초기 전략 적용이 가능할 것으로 기대하고 있습니다.

Q. 힘센 암모니아 엔진 개발의 안전성 확보 차원에 있어 어떤 부분을 가장 유의하고 있으신가요?

A 안전성과 관련하여 가장 어려운 부분이 암모니아 엔진을 구동해본 경험이 적다는 것입니다. 다만, 저인화점 연료 엔진들과 동일하게 이중관으로 연료 공급 배관과 퍼징 설비가 구성되어 있고, 암모니아 슬립도 엔진 자체적으로 최소화한 후 후처리 시스템 후단에서 암모니아 농도가 최소화 될 수 있도록 하고 있습니다.

또한, 힘센 암모니아 엔진은 엔진의 운용 및 유지보수가 용이하도록 고객 친화적인 설계를 적용하고자 노력하고 있습니다.

Q. 암모니아 엔진이 개발되더라도 실제적으로 개선해야 할 사항이 생긴다면, 이는 어떻게 진행할 계획이신가요?

A 현재 메탄올 엔진이 탑재된 다수의 메탄올 추진선이 운항 중에 있습니다. 선박 엔진 제조사나 조선소가 이들 선박 엔진의 성능 및 안정성 등을 피드백 받아 문제점들을 해결해 나가면서 해당 제품이 시장에 정착되고 있습니다.

힘센 메탄올 엔진은 선급 형식승인 이후에도 지속적으로 성능 및 내구 개선 시험을 진행하고 있고, 개선이 필요한 사항에 대해서는 선주에게 곧바로 피드백이 전해질 것입니다. 암모니아 추진선 및 엔진도 동일한 과정을 거칠 것으로 예상됩니다.

Q. 전 세계적으로 암모니아 연료가 탈탄소화를 이루는데 중요한 역할을 할 것이라 예상됩니다. 암모니아 연료전지와 암모니아 엔진과의 경쟁 구도를 어떻게 바라보고 계십니까?

A 일반적으로 연료전지가 내연기관보다 효율이 높은 것은 사실 입니다. 중·대형선박에 고체 산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)가 적용될 수는 있겠지만, 내연기관보다 가속 성능은 부족할 것입니다. 따라서, 전기 추진선에서 4행정 내연기관이 운전 조건의 변화에 따른 부하를 능동적으로 담당하고, SOFC는 기저부하를 담당하는 하이브리드 추진 방식을 고려해볼 수 있습니다.

다만, 중·대형선박에서 전기 추진 시스템의 확대 적용을 위해서는 SOFC의 가격과 설치 공간을 최소화하는 문제를 언제, 어떻게 극복할 수 있는 지가 중요하다고 생각합니다. SOFC의 효율이 높다 하더라도 전기 변환 손실 등을 반영하면 2행정 내연기관에 비해 낮기 때문에 이를 상쇄시킬 수 있는 기술이 개발돼야 합니다. 단기간에 출력 보완용 (PTI) 형태로 연료전지를 추가 적용할 수 있겠지만, SOFC의 문제를 해결해야 합니다. 또한, 암모니아 SOFC를 사용하면 개질에 따른 효율 손실도 감안해야 합니다.

Q. 암모니아 엔진 개발 이후 남은 숙제는 수소 엔진이라 할 수 있습니다. HD현대그룹의 수소 엔진 개발 계획에 대해서도 알려주실 수 있으신지요?

A 수소 엔진은 수소 운반선에 추진용으로 사용될 수 있을 것 같습니다. 올해 수소-디젤 혼소 엔진 시험을 계획 중에 있으며, 전소 엔진에 대해서도 빠른 시일내에 시험할 계획입니다. 이를 위해서 최근 KR 등과 함께 수소 인젝터 개발에 관한 정부 R&D 과제에 착수했습니다. 수소 엔진이 개발되면 모든 대체 연료에 대한 엔진 라인업 구축을 완료할 것으로 예상됩니다.

Q. 마지막으로 선사들이나 기술자들에게 암모니아 사용에 대한 안전성 확보 측면에서 제안 또는 조언 부탁드립니다.

A 고압 방식의 LNG 이중 연료 엔진이 적용될 초창기에는 300bar 의 LNG를 취급하는 위험성에 대해 많은 우려가 있었습니다. 하지만 지금 LNG는 지속적으로 활용하게 될 대체연료로 인정받으며 안전하게 사용되고 있습니다.

메탄올 연료도 인체에 유해한 물질이지만, 대체 연료의 하나로 안전하게 운용되고 있고, 메탄올 엔진과 암모니아 엔진은 시스템적인 측면에서 크게 차이가 없습니다. 다른 연료에 비해 암모니아 연료가 인체 유해성이 큰 게 사실이나, 암모니아 연료 추진 및 운반에 대한 안전 기술이 개발 중에 있습니다. LNG, LPG, 메탄올 사용의 경험을 바탕으로 암모니아의 안전 문제도 충분히 극복할 수 있을 것으로 예상됩니다.

지구 온난화 해결을 위해서는 값싸고 사용이 편한 HFO나 LNG를 대체하는 친환경 연료가 모든 선박에 적용되어야 합니다. 이에 따른 비용 상승이나 연료의 위해성은 함께 해결해야 할 과제이며, 대 중국 대비 국내 조선산업이 차별화할 수 있는 절호의 기회라고 생각됩니다.

KR DECARBONIZATION MAGAZINE

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