IMO 배출계수 및 실선 운항 데이터 기반 LNG선 추진장치 성능에 관한 연구

미국 Sabine Pass LNG 프로젝트에 투입된 신규 발주 선박의 크기는 174,000 CBM으로 결정되었다. Table 1은 미국 Sabine pass 프로젝트를 위해 결정된 LNG 운반선의 기본적인 정보와 연간 계약된 물량을 운송하기 위해 필요한 항차 수를 나타내고 있다. 운항 속력의 경우, 최근 발주된 선박들이 대부분 19.5 knot 이상을 가능속력으로 표시하고 있으나 기상 변화와 연료 절감효과 및 안정적 운항일정 확보를 위해 18.5 knot의 속력을 NCR로 고려하여 연간 항차 수를 결정하였다. 또한 2016년 새롭게 확장된 파나마 운하 통항을 고려하였다.

Table 1

174,000 CBM LNG carrier general information

Table 2와 3은 인천과 Sabine Pass 항로 간의 운항 Profile에 따른 실선 기관출력과 시간당 연료소비량을 나타낸 것이며, 이를 기반으로 연간 및 20년간 누적 연료사용량과 대기오염물질 배출량을 산정하였다.

Table 2

174,000 CBM Operation profile (Laden voyage)

Table 3

174,000 CBM Operation profile (Ballast voyage)

본 절에서는 신규 발주된 LNG선 추진장치 중기존 스팀터빈 시스템인 CST을 개선한 초고압 증기터빈인 UST, 전기추진방식의 4행정 디젤기관인FMDFE 및 저속 2행정 디젤기관인 TLDFE의 기술적 특성 및 추진장치의 성능 평가를 위한 경제성, 친환경성 및 안정성 요소에 대한 기본적 사항을 검토하였다.

1) 초고압 증기 터빈(UST)

UST는 고압터빈, 중압터빈 및 저압터빈으로 추진장치로서, 과열증기의 초온 및 초압을 상승시켜 열용량을 극대화하고, 기존 재생사이클에 재열기와 중압터빈을 새롭게 채택하여 CST 대비 전체열효율을 약 15% 개선시켰다.³⁾

2) 4행정 중속 이중연료 엔진(FMDFE)

FMDFE은 이중연료(dual fuel) 엔진을 구동하여 전력을 생산하고 생산된 전력으로 전기모터를 구동하여 선박에 추진력을 제공하며, 이중화 추진시스템을 만족할 수 있는 추진 형태로서, 두 가지 연료를 사용한다는 의미에서 Dual Fuel Engine(이중연료엔진)이라고 불리며 전기추진방식(electric)의 추진방식을 채택하고 있다.^4,5)

3) 2행정 저속 이중연료 엔진(TLDFE)

TLDFE은 전자제어엔진(electronic control engine)에 Pilot-oil를 사용하여 FGSS를 통해 압축된 고압(300 bar)의 천연가스를 연료로 사용할 수 있도록 한 추진장치이다. TLDFE는 혼합기를 사용하지 않고 고압의 가스를 실린더 내로 직접 분사하는 방식이므로 UST와 FMDFE 타입 대비 엔진의 열효율이 높다.^6,7)

본 논문의 연구 수행을 위해 선정된 대상 추진장치별 특성을 엔진제조사 및 여러 연구 내용을 참고하여 Table 4와 같이 정리하였다.

Table 4

Characteristics by propulsion type

1) 경제성

화물창에서 자연 기화되는 가스를 처리하는 가장 쉬운 방법은 BOG를 연료로 사용하는 것이다.

BOG는 그간 단순히 보일러의 연료로 스팀터빈을 구동하는데 사용되었으나 이중 연료 디젤엔진이 개발된 이후에는 BOG를 내연기관의 실린더 내에서 연료로 사용할 수 있게 되어 에너지 효율을 높일 수 있게 되었다. 항해 중 발생되는 NBOG양은 외부 온도에 따라 달라지므로 추진에 필요한 에너지가 부족할 경우 HFO나 MGO를 추가로 사용하여야 한다. 또한 BOG가 추진설비에서 필요한 양보다 많을 경우를 대비해 잉여 가스를 연소장치로 소비할 수 있는 GCU 또는 다시 화물창으로 유입시킬 수 있는 재액화설비를 설치해야 하는 부분이 있다.^8,9)

2) 친환경성

국제해사기구(IMO)는 해양 대기환경 보전, 오염물질 저감, 온실가스 감축을 위하여 CO₂, NOx 및 SOx에 대한 배출량 기준을 점차적으로 강화하고 있는 상황이다. CO₂는 2015년 기준 대비 10% 감소하는 것을 시작으로 2050년까지 최대 70%까지 저감해야 한다. NOx는 2000년도에 시행되었던 Tier I 보다 약 20% 강화된 Tier II 이후 2016년에는 Tier I 대비 약 80%로 더욱 강화된 NOx Tier Ⅲ 규정이 발효되어 시행 중이다. 또한 SOx 저감을 위해 2012년 황함유량 3.5% 이하의 연료유를 사용하도록 했고, 동년에 ECA지역은 0.1% 이하로 규제하였다. 2020년에는 전 해역 0.5% 이하의 연료유를 사용하도록 하였다. 이러한 규제 강화에 따라 추진장치의 성능 평가를 위해 친환경성 요소에 대한 고려가 필요하게 되었다.¹⁰⁾

초기투자비용 CAPEX는 관련 기관들 간의 이해관계가 복잡하게 얽혀 있으며, 보안사항으로 관리되고 있고, 또한 Project의 장비 가격에 대한 정보를 취득하는 것은 어려운 부분이다. 이러한 이유로 추진장치별로 상대적인 경향과 경험식을 통한 Hunt의 선박건조비용 추정방법을 통해 비교하였다.¹¹⁾

Table 5는 CAPEX 산정을 위한 주요 구성품 및 CAPEX 비율이다. UST의 초기투자비용을 100%로 보았을 때, FMDFE는 105%이고, TLDFE는 95%로 분석되어 TLDFE가 타 추진장치보다 상대적으로 낮게 나타났다. FMDFE는 전기추진방식으로 인한 다수의 발전기와 이중화 시스템을 탑재함에 따라 상대적으로 CAPEX가 높게 나타난 것으로 판단된다.

Table 5

Major items for CAPEX calculation and ratio

운용비용 OPEX는 유지보수비용과 연료비용을 합산하여 산정하였다. Table 6은 추진장치별 연간 유지보수비용을 분석한 결과이다. 이는 입거수리 비용을 제외한 운항 중 발생할 수 있는 비용만을 산정한 결과이며, 이를 실선 OPEX 산정에도 공통으로 적용하였다.

Table 6

Maintenance cost based on design data

① UST의 연간 유지보수비용은 160,000 USD이다.

② FMDFE는 주기관용과 발전기용을 합산하여 연간 유지보수비용은 1,330,000 USD가 된다.

③ TLDFE는 주기관과 DF 발전기를 합산하면 연간 유지보수비용은 607,800 USD이다.

UST는 주기관 수리가 대부분 입거수리기간에 시행되고 운항 중에는 고비용의 추가적인 소모품이 필요치 않아서 디젤기관인 FMDFE와 TLDFE 보다는 유지보수비용면에서 가장 유리한 것으로 분석되었다. FMDFE는 TLDFE에 비해 다수의 발전기 엔진 Cylinder 정비 시 소요되는 기부속의 종류가 많고 상대적으로 단가가 높아서 유지보수비용이 가장 높았다. 이러한 유지보수비용 Data를 근거로 향후 20년간의 총 비용을 추산한 결과는 Fig. 1에서 나타낸 것과 같다. UST와 FMDFE 간의 유지보수비용 격차는 연간 약 1.2 Million USD(M$)에서 20년간 누적비용 차이가 23.4 Million USD로 커지는 것으로 나타났다.

Fig. 1

20 years maintenance cost based on design data

총 운용비용은 연료사용량에 따른 연료비용과 유지보수비용을 합산하여 연간 및 20년간의 누적 비용을 비교하였다. Table 7은 가스모드 시 추진장치별 연간 연료사용량을 분석한 결과이다. UST가 연료사용량이 가장 많은 것으로 나타났는데, 이는 엔진 열효율이 타 엔진에 비해 낮기 때문이라고 판단된다.

Table 7

Fuel Consumption based on design data

Fig. 2는 Table 7을 토대로 추진장치별 연간 연료비용을 계산한 결과를 나타낸다. UST는 연간 10.4 M$, FMDFE는 10.0 M$, TLDFE는 연간 8.8 M$의 연료비용이 발생하는 것으로 분석되었다. UST의 BOG(NBOG+FBOG) 사용량이 가장 많은 이유는 디젤엔진에 비해 효율이 낮기 때문인데 그것이 연료비용이 가장 높은 이유라 판단된다.

Fig. 2

Yearly fuel cost based on design data

Fig. 3은 상기 사항을 토대로 향후 20년간 추진장치별로 소요되는 유지보수비용과 연료비용을 합산하여 산정한 총 운용비용을 나타낸다. FMDFE가 25.6 M$, UST가 211.8 M$, TLDFE는 188.2 M$의 비용이 필요한 것으로 분석되었다.

Fig. 3

20years OPEX based on design data

초기투자비용, 유지보수비용과 연료비용을 고려한 총 운용비용 기준으로 분석한 설계단계에서의 경제성 평가 결과를 요약하면 다음과 같다.

첫째, 초기투자비용은 UST를 100% 기준으로 했을 경우 상대적으로 FMDFE가 5% 가량 높았고 TLDFE는 5% 가량 낮은 것으로 확인되었다.

둘째, 연간 유지보수비용은 UST 0.16 M$, TLDFE 0.6 M$, FMDFE 1.3 M$ 순으로 분석되었다.

셋째, 연간 연료비용은 TLDFE 8.8 M$, FMDFE 10.0 M$, UST 10.4 M$인 것으로 계산되었다.

넷째, 20년간 총 운용비용은 TLDFE 188.2 M$, UST 211.8 M$, FMDFE 225.6 M$인 것으로 계산되었다.

국제적으로 대기오염으로부터 환경을 보호하기 위한 일환으로써 배기가스에 대한 각종 규제가 전술한 성능 평가 고려사항에서와 같이 점차 강화되는 추세이다. 따라서 엔진 타입별 친환경성을 검토하여 규제 대응에 필요한 사항을 식별하였다.

Fig. 4는 가스모드에서의 추진장치별 CO₂, NOx 및 SOx 배출 수준을 상대적으로 나타낸 것이다. CO₂ 발생량은 UST를 100%, NOx 및 SOx 발생량은 TLDFE을 100%를 기준으로 상대 비교한 결과이다.

Fig. 4

Comparison of air pollutants based on design data

첫째, 각 추진장치별 CO₂ 발생량은 UST 100% 대비, TLDFE은 82%이고 FMDFE은 77% 수준으로 분석되었는데, 이는 CO₂의 배출성능을 표시하는 지표로 신조선 에너지효율설계지수(EEDI, Energy Efficiency Design Index)와 운항선 에너지효율지표(EEOI, Energy Efficiency Operational Indicator)에 공통으로 적용된 요소인 연료사용량이 CO₂ 발생량과 비례관계임을 보여 주는 결과라 판단된다.

둘째, NOx 발생량은 TLDFE 100% 대비, FMDFE은 18%, UST는 6%로 분석되었는데, 이는 디젤사이클 엔진의 특성상 높은 압축비에 의한 연소온도 상승에 기인한 결과로 볼 수 있다. NOx의 경우, 2016년부터 발효된 ‘IMO-Tier Ⅲ’ 요건을 만족할 수 있어야 한다. 이를 위해 배기가스후처리 장치로 질소산화물 저감장치(EGR, Exhaust Gas Recirculation) 또는 선택적환원촉매장치(SCR, Selective Catalytic Reduction)를 추가로 설치해야 한다.¹²⁾

셋째, SOx 발생량은 TLDFE 100% 대비, FMDFE이 48%로 분석되었다. 통상 SOx 발생량은 액체 연료유 사용량에 비례하므로 상대적으로 사용량이 많은 TLDFE에서 발생량이 높게 나타난 것으로 볼 수 있다. SOx 배출량은 저유황연료유를 사용하거나 배기가스 탈황기술을 사용하여 억제할 수 있다. 질소산화물과 황산화물 감소를 위한 기술들이 선박에 탑재될 경우, 초기투자비용 및 운용비용은 증가하게 되지만, IMO 환경규제에 따른 각 조건을 만족할 수 있게 된다.

실선 운항데이터 기반 경제성 평가는 연료사용량, 연간연료비용, 20년간 누적 운용비용 순으로 수행되었다. 운용비용은 설계단계에서의 유지보수비용과 실선 데이터 기반 연료비용을 합산하여 산정하였다. 연료비용 산정을 통해 실선 운항데이터 기반 경제성 평가를 수행하는데 Table 8과 같이 2021년 9월 기준 유가정보를 반영하였다.

Table 8

Fuel oil price information (2021.09)

Table 9는 설계단계와의 비교를 위한 실선 데이터 기반이 되는 선박들의 제원을 나타낸 것이다.

Table 9

Specification from operating ships

Table 10은 실선 데이터를 기반한 추진장치별 연료사용량 결과이다. 설계단계 분석 결과와 비교한 경우, UST와 FMDFE은 230~240% 증가하였다. 이는 다음과 같은 특성에 기인한 것이라 판단된다. 첫째, 엔진 특성상 발전기의 연료사용량이 포함된 데이터가 사용되었다. 둘째, 엔진에서 최종 프로펠러까지의 동력전달체계에서 감속기어, Propulsion motor, Frequency converter 등에 의한 축손실발생하는 것과 다르게, TLDFE은 주기관만의 연료사용량과 엔진과 직접적으로 연결된 프로펠러에 의한 손실이 거의 없기에 상대적으로 낮은 출력이 요구되어진다. 이에 설계단계와 큰 차이가 없는 약 15% 가량만 증가한 것으로 판단된다.

Table 10

Fuel Consumption based on operating ship’s data

Fig. 5는 Table 10을 토대로 실선 추진장치별 연간 연료비용을 산정한 결과이다. UST는 연간 9.2 M$, FMDFE는 8.9 M$, TLDFE은 4.2 M$의 연료비용이 발생하는 것으로 분석되었다. UST가 연료비용이 가장 높게 나타난 이유는 다음과 같은 것으로 판단된다. 먼저 UST는 디젤엔진에 비해 엔진의 열효율이 낮고 화물창 압력을 제어하기 위해 추진장치에 필요한 BOG 외에도 추가 발생된 BOG를 보일러 또는 GCU에서 연소를 통해 버려지게 된다.

Fig. 5

Yearly fuel cost based on operating ship’s data

반면에 TLDFE는 Fig. 6에서 나타난 것과 같이 부분재액화 시설을 통해 화물창으로 액화된 LNG를 재유입시키므로 화물창 압력을 제어하기에 추진장치를 위한 BOG 외에 버려지는 BOG가 거의 발생하지 않기에 연료사용량이 낮게 나타난 것으로 판단된다.

Fig. 6

Partial re-liquefaction plant & GCU plant flow

향후 20년간 실선 데이터 기반 추진장치별로 소요되는 운용비용(OPEX)을 산정하니 Fig. 7과 같이 TLDFE는 96.2 M$, UST는 187.2 M$, FMDFE는 206.6 M$ 순으로 그 결과가 나타났다.

Fig. 7

20 years OPEX based on operating ship’s data

실선 데이터를 통해 나타난 결과를 통한 경제성 평가결과를 요약하면 다음과 같다.

첫째, 초기투자비용과 연간 유지보수비용은 설계단계에서와 동일한 비용을 적용하였다.

둘째, 연간 연료비용은 TLDFE 4.2 M$, FMDFE 8.9 M$, UST 9.2 M$ 순으로 결과가 나타났다.

셋째, 20년간 총 운용비용은 TLDFE 96.2 M$, UST 187.2 M$, FMDFE 206.6 M$ 순으로 결과가 나타났다. 이는 LNG 프로젝트 계약기간인 20년 동안 TLDFE가 FMDFE보다 약 47% 낮은 운용비용으로 운항될 수 있음을 보여주는 것이다.

실선에서의 대기오염물질 발생량은 IMO GHG gas study 2020에 새롭게 적용된 배출계수를 반영하였다. 또한 Table 2와 3에서 나타낸 운항 Profile 상의 연료사용량과 기관출력을 기반하여 CO₂와 SOx 발생량은 Table 11에서 나타낸 연료기반 배출계수를 식 (1)과 같이 연료사용량과의 곱으로 산정하였고, NOx 발생량은 LNG를 연료로 사용하는 이중연료 엔진을 고려한 Table 12에서의 출력당 배출량을 나타내는 에너지기반 배출계수와 엔진 유형에 따른 출력과의 곱으로 식 (2)와 같이 산정하였다.¹³⁾

• EM_i : The hourly emission(g pollutant/hr)
• EM : Total emission
• FC_i : The hourly fuel consumption(g fuel)
• EF_f : Fuel emission factor(g pollutant/g fuel)
• D : Distance(NM)
• V : Ship's speed(knot)

• EM_i : The hourly emission(g pollutant/hr)
• EM : Total emission
• EF_e : Energy emission factor(g pollutant/kWh)
• W_i : Engine's power output (kW)
• D : Distance(NM)
• V : Ship's speed(knot)

Table 11

Emission factors for fuel type (g pollutant/g fuel)

Table 12

Emission factors for engine type (g NOx/kWh)

실선 데이터를 기반한 연료사용량과 엔진출력을 토대로 가스모드에서 추진장치별 CO₂, NOx 및 SOx 배출 수준을 Fig. 8과 같이 나타낸 것이다. 비교 기준은 설계단계의 기준과 동일하다.

Fig. 8

Comparison of air pollutants based on operating ship

CO₂ 발생량의 경우, UST 100% 대비, FMDFE는 94%, TLDFE는 41% 수준으로 나타났다. CO₂ 발생량은 연료사용량과 비례한다는 것이 확인되었다. TLDFE를 제외한 UST와 FMDFE는 설계단계와 동일하게 많은 양의 CO₂를 배출하는 결과를 나타냈고, TLDFE는 82%에서 41%로 상대적인 감소를 나타냈다.

NOx 발생량의 경우, TLDFE 100% 대비, FMDFE는 62%, UST는 56%로 나타났다. TLDFE는 설계 및 실선 단계에서 동일하게 가장 많은 양이 발생했는데, 이는 2행정 디젤사이클 특성에 기인한 것이라 판단된다. 한편, UST와 FMDFE는 설계단계에서 TLDFE 대비 20% 이하 수준이었던 것에 비해 상당한 양이 증가한 것으로 나타났다. 이는 설계단계 대비 증가한 연료사용량에 따른 결과라고 판단된다.

실선에서는 NOx 배출량 산정을 위해 LNG를 연료로 하는 이중연료 엔진의 특성을 감안한 에너지 기반 배출계수가 적용되었다. 이런 배출계수 변경에 의한 NOx 발생량 차이를 확인하기 위해 엔진유형과 연료유형에 따른 계수를 적용하여 Fig. 9와 같은 결과를 산출하였다. 연료유형 계수를 적용한 경우, 연료사용량이 가장 적은 TLDFE가 가장 낮게 나타냈다. 이는 LNG를 연료로 사용할 경우, 2행정 사이클 저속엔진에서 고압으로 압축된 LNG에 의한 NOx 발생량이 증가하는 특성을 고려하지 않은 결과라고 판단된다. 따라서 NOx 배출량 산정을 위해 엔진유형에 따른 계수를 적용하는 것이 타당하다고 판단된다.

Fig. 9

NOx emission comparison by fuel type and engine type for operating ship

SOx 발생량의 경우, TLDFE 100% 대비 FMDFE는 12%, UST는 6%로 나타났다. 각 추진장치별 상대적인 비교 결과이지만, FMDFE는 설계단계에서보다 상당히 감소한 결과를 나타내었다. SOx는 액체 연료유의 사용량에 비례함을 나타낸 결과이다.