LNG에서 저탄소로 :
메탄슬립 저감 기술, 해운 탈탄소화의 새로운 해법

Executive Summary

LNG는 성숙한 공급망과 벙커링 인프라, 검증된 엔진 기술을 바탕으로 차세대 무탄소 연료로 전환하기 위한 현실적인 브리지 연료로 평가받고 있다.

그러나 메탄슬립은 LNG의 온실가스 감축 효과를 저해하는 핵심 요인으로, 관련 규제 강화에 따라 저감 기술과 실측 데이터 확보의 중요성이 커지고 있다.

따라서, 엔진 내부 연소 개선과 메탄산화촉매(MOC) 등 후처리 기술의 병행 개발이 필요하며, HD현대중공업은 MOCS™를 통해 메탄 저감 성능과 내구성 향상을 추진하고 있다.

향후 Bio-LNG와 e-Methane 등 저탄소 연료의 활용과 메탄슬립 저감 기술이 함께 발전할 때 LNG 추진선의 실질적인 저탄소·탄소중립 경쟁력이 확보될 것으로 전망된다.

최근 해운산업에서는 LNG, 메탄올, 암모니아, 바이오연료 등 다양한 대체연료가 검토되고 있습니다. 현재 선박용 대체연료 시장의 흐름과 그 속에서 LNG가 차지하는 위치를 어떻게 평가하고 계십니까?

현재 해운산업은 LNG, 메탄올, 암모니아, 바이오연료 등 다양한 대체연료를 검토하며 탈탄소화 전략을 모색하고 있습니다. 이 가운데 LNG는 가장 성숙한 연료 공급망과 벙커링 인프라를 갖추고 있으며, 검증된 엔진 기술을 보유한 연료로 평가받고 있습니다.

메탄올과 암모니아는 장기적으로 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 현재 2행정 및 4행정 메탄올· 암모니아 선박용 엔진이 개발되어 시장에 출시되고 있지만, 공급망과 경제성 측면에서는 여전히 해결해야 할 과제가 많습니다.

따라서 LNG는 현재 해운업계가 선택할 수 있는 가장 현실적인 저탄소 연료 중 하나로 평가되며, 차세대 무탄소 연료로 가는 전환 연료(Bridge Fuel)로 자리매김하고 있습니다.

다양한 탈탄소 연료가 등장하고 있음에도 LNG 추진선의 발주가 지속되고 있습니다. 해운업계에서 LNG가 여전히 중요한 대체연료로 평가받는 이유는 무엇입니까?

메탄올과 암모니아가 탈탄소 연료로서 성장하고 있지만, 기술적 성숙도와 인프라 측면에서 아직 해결해야 할 과제가 있습니다. 이에 따라 현시점에서는 LNG가 환경성, 경제성, 기술 성숙도를 가장 균형 있게 만족하는 대안으로 평가되고 있습니다.

LNG는 기존 중유 대비 CO₂, SOx 및 미세먼지 배출을 크게 줄일 수 있으며, 관련 기술과 운영 경험도 충분히 축적되어 있습니다. 또한 전 세계 주요 항만에 벙커링 인프라가 구축되어 있어 연료 공급의 안정성이 높습니다. 선주 입장에서는 이러한 기술적 위험과 투자 불확실성을 상대적으로 낮출 수 있다는 점이 큰 장점입니다.

한편, 작년 개최된 제84차 국제해사기구(IMO) 해양환경보호위원회(MEPC)에서 Net-Zero Framework 채택이 제85차 회의로 연기된 점 역시, LNG의 역할과 수요가 당분간 유지될 것으로 전망되는 배경으로 볼 수 있습니다.

LNG의 주요 한계로 꼽히는 메탄슬립은 어떤 현상이며, 온실가스 감축효과에 어떤 영향을 미칩니까?

메탄슬립은 LNG 엔진에서 공급된 연료 중 일부 메탄(CH₄)이 연소되지 않은 상태로 배출되는 현상을 의미합니다. 메탄은 대표적인 온실가스로, 100년을 기준으로 이산화탄소보다 약 28배 이상의 온실효과를 갖는 것으로 평가됩니다.

따라서 LNG 사용으로 CO₂ 배출량이 감소하더라도 메탄슬립이 많으면 전체적인 LNG 연료의 온실가스 감축 효과가 크게 감소할 수 있습니다.

최근 해운 규제에서도 CO₂뿐만 아니라 CH₄ 배출을 함께 고려하는 방향으로 발전하고 있어, 메탄슬립 저감은 LNG 추진선의 경쟁력을 좌우하는 핵심 요소가 되고 있습니다.

Methane Slip : LNG연료의 온실가스 과제

출처: Google Gemini, AI 생성 이미지

메탄슬립은 LNG 엔진의 종류와 운전방식에 따라 차이가 큰 것으로 알려져 있습니다. 2행정·4행정, 저압·고압 엔진에 따라 메탄슬립 특성이 어떻게 다르며, 그 원인은 무엇입니까?

일반적으로 저압 오토사이클 엔진이 고압 디젤사이클 엔진보다 메탄슬립이 높습니다. 저압 엔진은 흡입행정 중 가스를 공급하기 때문에 예혼합 연소의 특성상 연소되지 않는 연료가 배기 가스로 일부 배출될 수 있습니다.

반면 고압 엔진은 압축 후 고압으로 연료를 직접 분사하므로 메탄슬립이 상대적으로 낮습니다. 또한 4행정 엔진은 연소실 형상과 밸브 오버랩 등의 영향으로 2행정 엔진보다 메탄슬립이 높으며, 2행정 엔진의 경우 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 시스템을 적용해 배기가스에 포함된 메탄슬립을 흡기, 즉 소기 공기로 재공급함으로써 다시 연소하도록 할 수 있습니다.

이에 따라 EGR 적용 시 배기가스 재순환율에 따라 메탄슬립을 추가로 저감할 수 있습니다.

2행정 엔진 - Everllence

4행정 힘센엔진 H35CDF

출처: HD현대중공업 홈페이지

EU ETS와 FuelEU Maritime의 메탄 규제가 강화되면서 LNG 추진선과 엔진의 경쟁력에는 어떤 영향을 미칠 것으로 보십니까?

EU ETS와 FuelEU Maritime에서 메탄 배출을 본격적으로 고려하기 시작하면서 LNG 추진선도 CH₄ 저감 성능을 중요하게 평가받게 되었습니다. 이에 따라 메탄슬립이 낮은 엔진 기술의 경쟁력이 더욱 높아질 것으로 예상됩니다.

반면 메탄슬립 수준이 높은 엔진은 추가적인 규제 비용이 발생할 수 있습니다. 결과적으로 앞으로는 단순 연료비보다 온실가스 배출 성능이 엔진 및 선박의 경쟁력을 결정하는 중요한 요소가 될 것으로 보입니다.

특히 FuelEU Maritime에서 일정 요건을 충족할 경우 실제 측정값(Actual Methane Slip)을 적용할 수 있게 되면서, 엔진 제조사의 메탄슬립 저감 기술과 실측 데이터 확보 역량도 향후 중요한 경쟁 요소가 될 것으로 판단됩니다.

IMO의 온실가스 규제 방향은 지속적으로 모니터링이 필요하지만, 앞으로는 연료가격과 연료 소모량뿐 아니라 CO₂·CH₄ 배출량, EU ETS 비용, FuelEU Maritime Compliance Cost까지 종합적으로 고려해야 할 것으로 보입니다. 이러한 변화가 선사의 연료 및 추진시스템 선정 방식에 어떤 영향을 미칠 것으로 예상하십니까?

과거에는 연료가격과 연료소비율이 주요 의사결정 기준이었다면, 앞으로는 총 온실가스 비용 관점에서의 평가가 중요해질 것으로 예상됩니다. 선사들은 CO₂뿐 아니라 CH₄ 및 N₂O 배출량, EU ETS 비용, FuelEU Maritime 대응 비용 등을 종합적으로 고려하게 될 것입니다.

Future Fuel Strategy : 연료가격 중심에서 Total GHG Cost 중심으로

출처: Microsoft Copilot, AI 생성 이미지

이에 따라 연료 자체뿐 아니라 엔진 효율, 메탄슬립 수준, 향후 연료 전환 가능성까지 고려한 투자 의사결정이 확대될 것으로 전망됩니다.

메탄슬립을 줄이기 위해 엔진 자체적으로는 어떤 기술들이 적용되고 있으며, 연소 개선과 같은 엔진 내부 기술만으로 메탄슬립을 충분히 저감하는 데에는 어떤 한계가 있습니까?

힘센 엔진은 연소실 형상 최적화(Crevice Volume 저감), 연료분사 제어 개선(MPI, Multi-Pilot Injection / CCO, Cylinder Cut Off), 밸브 타이밍 조정, 공기과잉률 최적화 등을 통해 메탄슬립 저감을 추진하고 있습니다.

이러한 기술들은 미연소 연료를 감소시키는 데 효과적입니다. 그러나 엔진 내부 연소만으로는 모든 운전 조건에서 메탄슬립을 완전히 제거하기 어렵습니다.

특히 저부하 운전이나 실린더 라이너 내벽 근처의 Quenching 영역에서 발생하는 메탄은 기술적으로 제거에 한계가 있어 배기가스 후처리 기술과의 병행 개발이 중요해지고 있으며, 후처리 시스템과 연계하여 MSS(Methane Slip Solution) 기술을 지속 개발하고 있습니다.

힘센엔진 MSS(Methane Slip Solution) 기술 원리

이러한 한계를 보완하기 위해 Methane Oxidation Catalyst(MOC)를 적용하는 기술이 연구되고 있습니다. MOC를 통해 어느 정도의 메탄 저감이 가능하며, 낮은 배기가스 온도 등 현재 상용화를 가로막는 주요 기술적 장애요인은 무엇입니까?

메탄산화촉매(MOC, Methane Oxidation Catalyst)를 통해 달성 가능한 메탄 저감 성능은 촉매 사양과 배기가스의 유량, 조성, 온도 등 엔진 운전 조건에 따라 달라집니다. 일반적으로는 70~90% 수준의 메탄 저감률을 목표로 설계됩니다.

그러나 MOC 기술의 상용화에는 두 가지 주요 기술적 과제가 존재합니다.

첫 번째는 촉매에 사용되는 귀금속 성분이 황에 의해 쉽게 피독되는 특성입니다. 따라서 안정적인 운용을 위해서는 배기가스 내 황 성분을 효과적으로 제거할 수 있는 고성능 탈황 기술이 필수적입니다.

두 번째는 메탄 산화 반응을 활성화하기 위해 상대적으로 높은 배기가스 온도가 요구된다는 점입니다. 이에 따라 촉매의 저온 활성 성능을 향상시키는 기술과 함께 배기가스를 효율적으로 가열하는 기술 개발이 필요합니다.

HD현대중공업 엔진기계사업부는 이러한 기술적 난제를 해결하기 위해 독자적인 메탄 저감 솔루션인 MOCS™(Methane Oxidation Catalyst System)를 개발하고 있습니다. 최근 1.5 MW급 힘센엔진과 연계한 실증 시험에서는 80% 이상의 메탄 저감률을 달성했으며, 특히 엔진 부하 75% 이하 구간에서는 90% 이상의 우수한 성능을 확인하였습니다.

MOCS™는 고성능 MOC뿐만 아니라 촉매의 황 피독을 방지하기 위한 S-trap(황 흡착제) 기술을 적용해 내구성과 신뢰성을 높였습니다. 또한 배기가스 온도를 효과적으로 상승시키기 위해 디젤산화 촉매(DOC, Diesel Oxidation Catalyst)와 연료유 분사 시스템을 함께 적용하였습니다.

특히 S-trap 기능과 DOC 기능을 하나로 통합한 혁신적인 촉매인 이중 기능 촉매 SDOC(S-Trap & DOC)를 개발하였습니다. 이를 통해 하나의 반응기 내부에 SDOC와 MOC를 모두 탑재할 수 있게 되었으며, 시스템의 크기와 설치 공간을 효과적으로 줄여 선박 적용성을 한층 향상시켰습니다.

MOCSᵀᴹ 작동 원리

출처 : HD현대중공업

촉매의 Sulfur Poisoning과 성능 열화를 줄이기 위해 어떤 기술적 접근이 필요하며, 상용화를 위해 가장 중요한 요소는 무엇이라고 보십니까?

MOC는 귀금속을 주성분으로 사용하기 때문에 제조 비용이 높고, 황(Sulfur)에 의해 촉매 성능이 쉽게 저하되는 특성이 있습니다. 특히 선박용 연료는 일반적인 육상용 저황 연료에 비해 황 함량이 매우 높아 촉매 열화 문제가 더욱 중요한 과제로 대두됩니다.

따라서 MOC의 상용화를 위해서는 연료 내 황 성분을 최소화하거나, 배기가스 중 황 화합물을 효과적으로 제거할 수 있는 황 흡착 기술이 필수적입니다. 결국 MOC 기술의 성공적인 상용화를 위해서는 단순한 저감 성능보다 촉매와 황 흡착제의 장기 내구성과 수명을 확보하는 것이 가장 중요하다고 생각합니다.

HD현대중공업 엔진기계사업부가 개발 중인 MOCS™(Methane Oxidation Catalyst System)는 이미 1.5 MW급 힘센엔진과 연계한 육상 실증시험을 성공적으로 완료하며 기술적 가능성을 입증했습니다.

다음 단계로 2027년에는 2.9 MW급 힘센엔진이 적용된 선박에서 실선 실증시험을 수행할 예정입니다. 이번 실선 검증에서는 실제 운항 환경에서 MOCS를 장기간 운전하며 메탄 저감 성능은 물론 시스템 내구성 및 운용 안정성을 종합적으로 평가할 계획입니다.

HD현대중공업은 이러한 실증 데이터를 바탕으로 기술 신뢰성을 확보하고, 친환경 신조 및 개조 선박 시장을 겨냥한 MOCS™의 본격적인 상용화를 추진할 예정입니다.

마지막으로, 향후 LNG 추진선의 저탄소화를 위해 bio-LNG·e-Methane과 메탄슬립 저감기술은 각각 어떤 역할을 해야 한다고 보십니까?

향후 LNG 추진선의 경쟁력은 저탄소 연료와 메탄슬립 저감기술이 함께 발전해야 확보될 수 있습니다. Bio-LNG와 e-Methane은 기존 LNG 인프라를 활용하면서도 Well-to-Wake 전 주기 관점에서 탄소 배출을 크게 줄일 수 있는 장점이 있습니다. 동시에 엔진 기술 개선과 MOC 같은 후처리 기술을 통해 메탄슬립을 최소화해야 합니다.

결국 연료의 저탄소화와 메탄슬립 저감이 함께 이루어질 때 LNG 추진선은 기존 LNG의 한계를 보완하고, 실질적인 저탄소 또는 탄소중립 연료로서의 역할을 수행할 수 있을 것으로 판단됩니다.