Insights
KR Decarbonization Magazine
VOL.07 | Summer 2024
선사를 위한 맞춤형 탈탄소화 전략
KR 기술영업팀 조준호 팀장
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배경 및 실행 계획
강화되는 IMO 환경규제에 따라 지속 가능한 미래를 구축하기 위한 해운 회사의 고민이 깊어지고 있다. IMO 는 2023년 진행된 MEPC 80차 회의에서 2050년 무렵까지 Net-Zero에 도달하겠다는 목표를 세웠으며, 이에 따라 기존 단기조치에서 LCA(Life Cycle Assessment) 가이드라인을 기반으로 한 GFS(GHG Fuel Standard) 조치와 시장기반 조치를 포함한 중기조치를 통해 규제할 예정이다.
![img0101](../images/insights/0101.jpg)
따라서 각 해운 회사는 탈탄소화 전략을 세워 에너지 효율성 증대 및 GHG 배출량 감축을 이루는 것이 필수적이다. 탈탄소화를 효과적으로 이루기 위해서는 각 선사의 선대 현황에 따른 맞춤형 탈탄소화 전략이 요구되며, 나아가 선박별 운항적, 기술적, 경제적 사항이 최적화된 조치 방안을 마련해야 한다. 2023년 KR 은 한국 선사와 함께 탈탄소화 전략에 대한 공동연구를 수행하였는데, 해당 내용을 소개하도록 하겠다. 본 내용은 공동연구 결과에 대한 요약으로 선사명, 선종, 선명 등은 익명화 하였으며, 도표의 일부 내용은 편집 또는 삭제되었다.
선대 GHG 배출량 파악
동 선사의 맞춤형 탈탄소화 전략의 대상 선박은 GHG 보고 시스템인 KR Gears 플랫폼에 등록된 선박 46척이며, 선종A 32척, 선종B 8척, 선종C 5척, 선종D 1척이다.
KR Gears를 통해 보고된 DCS 자료를 바탕으로 2019년부터 2022년까지 4년간의 이산화탄소(CO2) 배출량을 검토하였고 메탄(CH4) 및 이산화질소 (N2O)를 고려한 GHG 배출량 또한 평가하였다.
Annual Total GHG Emission
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페널티 예상비용
본 연구 수행시에는 IMO 중기조치의 페널티 영향을 확인할 수 없었으므로, IMO의 기술적 조치와 경제적 조치가 채택될 것을 고려하여, 현재 EU 항구에 기항하는 선박에만 적용하고 있는 EU Fit for 55의 EU ETS 및 FuelEU Maritime 규정이 전체 항로에 적용되었다는 가정 하에 페널티 예상 비용을 추정하였다. 아래 그림은 IMO 중기조치에 대응하는 EU Fit for 55의 규제를 보여준다.
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동 선사의 2022년 IMO DCS(Data Collection System) 및 EU MRV (Monitoring, Reporting & Verification) 보고자료를 바탕으로 평가한 IMO 중기조치 및 EU Fit for 55에 대한 연간 페널티 비용은 아래와 같다. 페널티 비용을 동일 금액으로 가정 시 EU 항구 기항에 따른 발생하는 비용은 IMO DCS 를 바탕으로 한 전체 운항 대비 약 7% 정도였으며, 시간이 지날수록 급격하게 증가함을 알 수 있다.
(Unit: mil. USD)
YEAR | 2024 | 2025 | 2026 | 2030 | 2035 | 2040 | 2045 | 2050 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
IMO DCS Base | ECTS | 62 | 109 | 159 | 159 | 159 | 159 | 159 | 159 |
GFS | 0 | 34 | 34 | 90 | 208 | 437 | 868 | 1,118 | |
EU MRV Base | EU ETS | 4 | 7 | 11 | 11 | 11 | 11 | 11 | 11 |
FuelEU Maritime | 0 | 2 | 2 | 6 | 14 | 29 | 58 | 74 | Total (IMO DCS) | 62 | 143 | 193 | 249 | 367 | 596 | 1,027 | 1,277 |
Total (EU MRV) | 4 | 10 | 13 | 17 | 24 | 40 | 68 | 85 |
*가정: ECTS(≈ EU ETS): 90USD/tonCO2eq, GFS(≈ FuelEU Maritime): (2,400Euro/tonFuel)
선사 자체 GHG 감축 목표 설정
IMO 2023년 GHG 감축 전략에서는 2050년 Net-Zero를 달성하는 것을 목표로 하고 있다. 하지만 동 선사의 경우, 보다 빠른 탈탄소화 달성을 위해 IMO 목표보다 5년 앞선 2045년 Net-Zero 목표를 확정하였다. 이에 따라 본 연구에서도 2045년을 Net-Zero 목표 시한으로 설정하였고, 중간 목표로 개별 선박의 탄소집약도 목표를 2030년 40%, 2040년 80%로 설정하여 전체 GHG 배출량 감축 정도를 평가하였다.
Carbon Intensity Reduction Target
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이번 프로젝트에서 수행한 46척의 선박을 대상으로 탄소집약도 목표를 앞서 언급한 바와 같이 설정 시, GHG 배출량은 2022년 대비 2030년 20% 감축, 2040년 73% 감축, 2045년 Net-Zero 달성이 가능하다.
Target GHG Reduction
![img0105](../images/insights/0105.jpg)
감축목표에 따른 조치 방안
선박별 CII 계산 및 예상 등급
먼저 2023년부터 적용 받고 있는 동 선사의 선박별 CII 예상등급을 검토하였다. 2022년 IMO DCS 데이터를 기반으로 산정하였으며 아래와 같이 2026년까지 예상 CII 값을 평가하였다.
특히 Ship Type A의 일부 선박은 낮은 CII 등급으로 시정 조치 계획을 포함한 SEEMP Part III 재승인이 필요하지만 Ship Type B, C 및 D의 경우에는 추가적인 조치가 필요하지 않을 것으로 예상되었다.
![img0109](../images/insights/0109.jpg)
운항적 조치 검토 (속도, 운항패턴 등)
GHG 감축을 위해서는 우선적으로 각 선박의 운항 패턴을 분석함으로써 운항상 조치를 통한 개선방안을 검토해야 한다. 즉, 선사는 선박별 운항 속도, 출력, 정박 일수, 화물 운송량 등과 같은 주요 요소들을 연간 또는 항차 단위로 체계적인 데이터 수집을 통하여 CII 등급이 낮은 선박에 대한 원인을 분석하고, CII 등급이 높은 선박의 운항패턴을 벤치마킹하여 최적화된 운항 가이드라인을 개발하여야 한다. CO2 배출량 분석을 위해 IMO DCS 데이터와 선박의 Noon Report를 사용하여 일별 연료소모량을 분석하였다. 이에 따라 운항 패턴을 분석하여 연료 소모량을 분류하고 CII Rating C 유지를 위한 가능 속도를 검토하였다. 그리고 CII 등급에 영향을 주는 디자인, Fouling, 해상 상태, Anchoring 및 접안 영향 등을 분석하였다.
IMO DCS Data Analysis
![img0106](../images/insights/0106.jpg)
운항 패턴 분석 결과 Ageing 영향은 식별되지 않았지만 Fouling은 Dry Docking 후 2년 뒤부터 식별되었다. 디자인 특성에 따른 영향을 검토하였으며 해상 상태에 따른 속도 손실이 얼마나 발생하는지도 도출하였다. 또한 Anchoring 및 Berthing 비율이 높은 선박을 식별하였다.
![img0107](../images/insights/0107.jpg)
조치 방안 적용 검토
CO2 배출량 절감을 위한 조치 방안으로는 앞에서 검토한 운항적 조치부터 고성능 방오도료, 바이오 디젤, 에너지절감 장치, 대체연료 엔진 개조, 선상 탄소 포집 장치까지 7개의 옵션을 적용하였다.
조치 방안 적용은 선박 별로 지정 CO2 배출량 목표를 준수하기 위해 최적 옵션을 조합하여 적용하였으며 상세한 조치 방안 및 비용, 효과 등은 지면 관계상 생략하였다.
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조치 방안 적용에 따른 경로 설정
상기의 7가지 옵션의 적용이 쉬운 순서부터 어려운 순서를 조합하여 복합적인 조치(Path) 7가지를 설정하고 최적 조치 방안을 검토하였다. 다음은 한 척의 대상 선박에 대해 경로별 조치방안을 나타낸 것이다.
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조치방안 적용에 따른 경제성 평가
위와 같이 모든 선박에 대해 동일한 작업을 수행하였으며 옵션별 비용을 반영하여 경제성 평가를 실시하였다. 아래 그림은 대상 선박에 대한 경로별 누적 비용을 보여준다. 경로2와 경로3의 누적비용이 낮은 반면, 해당 경로를 선택한 선박은 2039년 이후 감축 목표에 충족하지 못하는 수치를 보인다. 그러므로 본 선박의 경우에는 2039년이 되기 전 별도의 조치(ex. 선박 대체 등)가 필요 하다는 것을 알 수 있다.
![img0111](../images/insights/0111.jpg)
맞춤형 탈탄소화 전략
상기와 같은 방법을 통해 선령 25년 시점의 매각을 가정하에 전체 선박을 검토하여 평가하였다. 최적 탈탄소화 경로를 채택했을 때와 아무런 조치를 하지 않고 현재 상태로 운항 시 선령 25년 기준으로 46척의 총 비용의 차이는 ‘1,468million USD’로 약 21%의 비용을 절감할 수 있다.
![img0112](../images/insights/0112.jpg)
아래 그림은 각 선박에 대하여 감축 방안 옵션별 최적 적용 연도를 표시한 것이다.
![img0113](../images/insights/0113.jpg)
결론
IMO의 감축 목표를 달성하기 위하여 중장기적으로 저탄소 무탄소 친환경 연료 선박으로의 전환이 필요하다. 그렇지만 현재 운항중인 현존선에 대해서도 효과적인 맞춤형 탈탄소화 전략을 수립하고 선박에 적용한다면 선사 전체의 GHG 감축에 큰 효과를 발휘할 수 있을 것이며 선박의 수명주기 동안 충분히 시장경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 판단한다.
특히, 아래 사항의 지속적인 업데이트를 통하여 선사의 탈탄소화 전략은 최신화되어야 할 것이다.
① | 연도별 탈탄소화 목표 설정 | |
---|---|---|
② | 운항상의 조치를 체계적으로 관리할 수 있는 디지털 플랫폼 적용 | |
③ | 개별 선박에 맞는 에너지 절감 기술 적용 검토 | |
④ | 바이오 연료 수급 및 엔진 개조 가능 여부 검토 | |
⑤ | 경제성 평가를 통한 최적 경로 설정: 바이오 디젤 연료(단기), 대체 연료 전환(장기) | |
⑥ | 암모니아 연료 전환 및 선상 탄소 포집 저장, 처리 관련 기술 모니터링 | |
⑦ | 탈탄소화 전략 지속 업데이트 |
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액체수소 운반선의 국내외 기술동향 및 기술적 고려사항
KR 대체연료기술연구팀 노길태 수석
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탈탄소 시대의 수소 운송 : 액화수소와 암모니아 운반선
파리 협약을 이행하는 과정에서 각국은 온실가스 배출 감축 목표, 즉 국가 결정 기여(NDC)를 설정하고 있으며, 이는 평균적으로 2030년까지 40% 감축을 목표로 하고 있다. 이러한 도전적인 목표를 달성하기 위해 각국은 대량의 수소를 해외로부터 수입할 계획을 수립했다. 특히 한국, 일본, 대만의 경우 에너지 수요에 비해 화석연료 기반 블루 수소 또는 재생에너지 기반 그린 수소의 생산이 충분하지 않아 80% 이상의 수소를 외국으로부터 수입해야 하는 실정이다. 또한 유럽과 중국과 청정수소의 자국 생산을 증대시키고 있지만 여전히 많은 양의 수소를 수입해야 하는 국가로 분류된다. 반면 중동, 호주, 미국, 남미 등은 풍부한 천연자원과 재생에너지를 기반으로 블루 수소나 그린 수소를 생산하여 수출할 수 있는 나라들이다
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전 세계 수요 생산량 및 소비량
현재 LNG가 주요 에너지 운송 수단으로 사용되고 있지만 미래에는 수소가 청정에너지 운송의 주요 수단으로 자리 잡을 것으로 예상된다. IEA에서는 전 세계적으로 2030년까지 2억 톤, 2050년까지 5억 톤의 수소가 생산되어 선박, 도로, 항공 및 산업에 사용될 것으로 예측하며, 2050년까지 이러한 수소를 수송하기 위한 액화수소 운반선이 200여 척에 이를 것으로 예상하고 있다.
수소 운송 수단 : 암모니아와 액화수소
수소를 운송하는 방법으로는 액화수소 형태로 직접 운반하는 방법과 암모니아로 합성하여 운반하는 방법이 있다. 암모니아의 경우 –33℃로 저장 및 운송이 용이하다는 장점이 있으나 독성이 있다는 점과 에너지 사용을 위해서는 질소와 수소를 분리하는 과정이 필요하고 이때 많은 에너지가 필요하다는 단점이 있다. 액화수소의 경우 높은 순도의 수소를 운송함으로써 수소를 필요로 하는 산업에 직접 사용할 수 있다는 장점이 있는 반면, –253℃의 매우 낮은 온도로 액화해야 하고 운송 시 LNG에 비해 증발에 의한 손실이 많이 발생한다는 점 및 부피당 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다.
현재 암모니아 운반선의 경우 실제 많은 선박이 운항되고 있고 친환경 암모니아를 운반하는 데 기술적인 허들이 거의 없다는 장점 때문에 단기와 중기의 수소 운반 수단으로 각광을 받고 있다. 액화수소 운반선의 경우 아직까지 극저온 화물창 기술이나 기자재가 개발 중인 단계이고 생산지에서 대규모 액화 플랜트가 필요하다는 점에서 2030년 이후 장기적인 수소의 운반 수단으로 사용될 것으로 보인다. 특히 한국과 일본은 유사한 산업 생태계와 우수한 조선 기술을 바탕으로 수소 운반 정책도 거의 유사하여, 단기·중기로 암모니아, 장기로 암모니아와 액화수소를 병행하는 방법을 통해 수소를 수입할 계획을 갖고 있다.
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암모니아 수입 : 한국, 일본, 유럽
현재 암모니아의 글로벌 생산량은 2억 톤 가량이며 물동량은 1,800만 톤으로 대부분 비료 제조 목적으로 운송이 된다. 하지만 향후 석탄 발전에 암모니아를 혼소하거나, 수소 운반의 수단 및 무탄소 선박 연료로서의 사용을 고려한다면 2035년까지 3.4억 톤으로 성장할 것으로 전망된다. 유럽의 경우 수소 수입의 상당량을 암모니아 수입을 통해 공급할 예정이며 수입된 암모니아를 크래킹할 수 있는 대규모 플랜트를 계획 중이다. 한국과 일본의 경우 석탄 발전에 암모니아를 혼소하기 위하여 금년부터 청정 암모니아를 수입할 예정이며 이에 따라 항만 인프라 시설을 확장하고 있다. 향후에는 발전과 더불어 암모니아를 크래킹하여 얻은 수소를 차량과 제철 분야에 사용할 예정이다.
World ammonia demand outlook
초대형 암모니아 운반선의 등장
대륙에서 대륙으로의 수소 운반 수단으로 암모니아가 사용될 경우, 기존의 비료 사용 목적으로 사용되는 80~90K 암모니아 운반선은 운송 효율 측면에서 경제성이 떨어질 수밖에 없다. 이에 따라 대형 조선소를 중심으로 150~200K 에 이르는 초대형 암모니아 운반선이 설계되고 있다. 초대형 암모니아 운반선의 경우, 기존에 사용하던 독립형 Type A 탱크로 설계할 시 크레인 용량의 제한으로 인해 탱크를 분할하여 제작해야 하는 문제와 중량 및 폭이 증가하여 항만 입항이나 운하 통과에 불리할 수 있다는 단점이 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 대형 조선소에서는 새로운 개념의 화물창 설계를 고심하고 있으며 KR에서도 이와 관련된 협업을 활발히 진행하는 중이다.
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액화수소 운반선 개발 : 한국과 일본
액화수소 운반선의 경우, 일본의 가와사키 중공업에서 세계 최초로 1.25K급 Suiso Frontier를 건조하여 호주로부터 액화수소를 운반하였으며 2030년 이전까지 160K의 액화수소 운반선을 건조하겠다는 프로젝트를 발표하였다. 한국은 2028년까지 2.0K 급 액화수소 운반선을 건조할 계획이며 2030년까지 이를 40K로 확대하고 향후 160K 이상의 액화수소 운반선을 건조할 예정이다.
단계적인 용량 확대는 대형 액화수소 운반선 건조를 위해 거쳐야 하는 필수적인 절차이다. 우선 파일럿 프로젝트 형태로 화물창 기술, BOG 처리 기술 개발 및 소형 선박을 통해 실선 검증을 수행하고, 이후 대규모 수소 생산, 액화 플랜트 건설, 수소 수요 증대로 이어지는 공급망을 갖추면서 규모의 경제로 성장함에 따라 상업용 액화수소 운반선 건조가 이루어질 것이다.
한편 IMO MSC에서는 금년 액화수소 운반선에 대한 잠정지침을 완료할 예정이었으나 한국정부에서 제안한 Type C 이외의 다양한 화물창 기술을 포함하자는 의견이 받아들여져서 2~3년 정도 연장될 예정이다.
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미래 수소 운반 전망
수소 운반 수단으로 암모니아의 위치는 확고해 보인다. 이미 많은 물동량이 해상을 통해 이루어지고 있고, 항만 인프라 등이 잘 갖추어져 있으며 암모니아를 굳이 크래킹하지 않고도 직접 발전에 사용될 수 있는 방법이 있기 때문이다. 또한 2025년 이후 암모니아 엔진이 개발되면 선박 연료로서의 사용량도 가파르게 상승할 것으로 보인다.
반면 액화수소 운반선은 생산지에서의 액화수소 플랜트 인프라 구축 및 운반선 자체의 기술적 허들을 넘어서야 하는 기술적·경제적 문제로 인하여 여전히 대형 운반선 건조까지 시간이 필요하다. 따라서 선박을 통한 수소 운송은 당분간 초대형 암모니아 운반선을 통한 현실적인 방법과 액화수소 운반선 개발이라는 장기적인 미래 수요를 대비한 준비가 동시에 이루어질 것으로 예상된다.
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