암모니아 운반 선박의 암모니아 추진 모델 적용을 위한 연료 소비량 분석

2.1 암모니아 선박 선정

본 연구에서 적용된 암모니아 선박은 영국에서 암모니아를 선적하여 미국에 하역하는 CLIPPER FREEPORT라고는 LPG/암모니아 운반 선박으로서 MAN B&W 디젤 엔진을 적용하였으며, 최대 출력은 16,080 kW, 최대 16.5 knot의 항해 속도를 보이고 있으나, 실제 항해 속도는 14.0 knot로 제시하고 있다. 이때 디젤엔진의 경우, 약 169.0 g/kWh의 SFOC(Specific Fuel Oil Consumption)를 보이고 100% 부하를 고려할 때 2,714 kg/h의 연료소비량이 발생한다. Fig. 2는 적용된 암모니아 운반선이다.

Fig. 2

LPG/Ammonia carrier ship (CLIPPER FREEPORT)

2.2 암모니아 선박 항로 특성

CLIPPER FREEPORT 선박은 미국 텍사스의 Quintana항에서 하역하여 영국 Immingham으로 선적을 위해 출항하였으며, 2021년 4월 11일 출항하여(ATD) 4월 25일 도착(ETA)이 예정되어 있다. 암모니아 선박의 총 항해 일정과 거리는 Marine Traffic을 활용하였으며, 총 항해 시간은 선박의 항속 변화를 적용하지 않았다.⁹⁾

총 항해 거리는 약 9,659 km로서 100%의 엔진 부하의 속도로 항해된다고 가정할 경우, 14.0 knot의 속도(25.9 km/h)로 이동되며, 총 372.9 hour(15.5 day)의 항해 시간이 소요될 것으로 예상된다. 디젤 기관을 이용한 항해를 가정하면 최대 1,01.2만 kg의 연료가 소요될 것으로 예상되며, 703.97 kg/m³(50℃)의 디젤유 밀도를 적용하여 총 1,437.8 ton의 소비량이 예상된다. Fig. 3은 선박이 출항하는 Quintana과 Immingham 항의 항로 및 선박 운항 속도 특성이다.

Fig. 3

Quintana/Immingham port route & ship’s speed characteristics

3.1 암모니아 연료전환에 따른 사용량 변화

2021년 현재 선박의 연료는 HFO와 MDO 등 화석에너지 기반 연료가 90% 이상을 차지하고 있으며, 대체 연료 또한 LNG와 바이오 연료로서 CO₂ 발생을 유발하는 연료라는 것은 변함이 없다. 이와 같은 화석 연료를 암모니아로 대체하기 위해서는 선박의 추진 용량에 필요한 연료의 발열량을 고려하여야 한다.

암모니아는 밀도가 크고 발열량이 적어 기존 소요량 대비 약 2.2배 연료소비량이 발생하며, 이를 저장하기 위한 대량의 연료 저장 설비가 필요할 것으로 예상된다. 연료 소비량에 관한 계산식은 식 (1)과 같다.

선박의 연료 소비량은 연료의 종류, 엔진의 규모, 항속에 따라서 변화가 발생하며, 암모니아 운송 선박의 종류에 따라 연료 소비량이 변화된다.

3.2 엔진 규격에 따른 암모니아 소비 적용

MAN B&W에서 제공하는 CEAS 계산 프로그램을 이용하면 다양한 엔진의 TYPE에 따라 엔진 출력과 엔진의 배기가스 유량과 온도 등 다양한 사양을 계산할 수 있다. 엔진의 규모 및 연료 사용량은 엔진 타입에 따라 달라지며, 엔진 타입은 실린더의 개수와 실린더의 직경에 따라 분류 된다. 소형 벌크선의 경우, 1만 kW급 이하의 엔진이 주로 사용되며, 대형 벌크선 및 LPG, 암모니아 선박의 경우, 1~3만 kW급이 적용된다. 대형 유조선 및 LNG 선박의 경우, 5만 kW 내외의 엔진이 적용되며, 고속 엔진이 요구되는 대형 컨테이너 선박의 경우, 최대 8~10만 kW급 엔진까지 활용되고 있다. Table 1은 각 선박 디젤 엔진의 출력 변화에 따른 SFOC와 연료소비량이다.

Table 1

Output and specifications by engine type

암모니아 연료로 대체될 경우 연료 소비량은 Fig. 4와 같다. 16,080 kW급 엔진의 연료 소비량과 비교하여 2.2배의 연료량을 적용할 경우, 5,909 kg/h의 소비량이 예상되며, 이때 암모니아의 SFOC는 Fig. 5와 같이 368.9 g/kWh가 발생한다.

Fig. 4

Fuel Consumption according to engine load

Fig. 5

SFOC according to engine load

3.3 운항 속도에 따른 암모니아 소비 적용

Marine Traffic의 엔진 데이터의 경우, 16,080 kW급 엔진의 100% 부하에서 최대 16.5 knot의 선속을 제시하고 있으나 해류의 방향과 파고, 풍향, 풍속 등 환경적인 요인을 고려하여 항해 최대 속도는 14.0 knot로 제시하였다. 본 논문에서는 항해 최대 속도를 반영하여 연료 소비량을 분석하였다.

엔진의 항해 속도는 엔진 부하에 따른 연료 공급량의 변화 따라 결정되며, 운항 중 최소 SFOC를 보이는 엔진 부하의 경우, 75% 내외로 나타난다. Fig. 6는 6S50ME 규격의 엔진의 부하에 따른 디젤 연료의 사용량 변화를 기반으로 16,080 kW급 암모니아 엔진의 부하에 따른 SFOC와 연료소비량 변화를 나타낸다. 100% 부하에서는 약 5,909 kg/h의 연료소비량을 보이며, 최대 경제속도인 75% 부하 조건에서는 4,500 kg/h의 연료소비량이 발생할 것으로 예상된다.

Fig. 6

Ammonia Fuel Consumption and SFOC according to engine load

4.1 연료공급 시스템 설계

4.1.1 연료공급 모둘 설계

암모니아 추진 선박의 암모니아 연료 소비량 분석을 위해 연료 공급 시스템을 설계하였다. 암모니아 연료는 Service Tank에 임시 저장되어 선박 운항과 함께 공급되며, Fuel Treatment system을 통해 엔진 공급을 위한 연료 분사 조건인 35℃ 이상의 온도와 8,000 kPa의 압력으로 연료 분사량을 제어한다.

이때, 엔진으로의 연료 분배와 리턴 연료의 순환은 Fuel Valve Train(FVT)을 통해 제어되며, 액체 암모니아의 가온은 Glycol water system을 통해 스팀 또는 해수와 열교환하여 수행된다.

각 설비의 세부 설계 데이터는 Table 2와 같으며, Fig. 7은 암모니아 연료공급 시스템의 개략도이다.

Table 2

Specific design data of the Fuel Supply System

Fig. 7

Ammonia Fuel Supply system

시뮬레이션 해석 방법으로는 Oil & Gas Plant를 해석하기 위한 공정설계프로그램인 Aspentech HYSYS(V12.1)를 이용하였다. HYSYS는 열역학적 사이클 모사에 필요한 상태 값을 정확하게 계산할 수 있다는 장점이 있기 때문에 이번 연구에 서 사용하였다.¹⁰⁾ 시뮬레이션에 사용한 상태방정식으로는 Peng-Robinson방정식을 사용하였다.

Peng-Robinson방정식은 열해석에서 가장 널리 사용하는 상태 방정식이며, 식 (2)와 같다. 여기서 P는 압력(pressure), R은 기체상수, T는 온도(temperature), V는 부피(volume), 그리고 a, b, k는 각각 상수를 의미하는데 이는 식 (3), (4), (5)와 같다.¹¹⁾ 이때, 하첨자 c는 임계점(Critical point)를 나타낸다.

$\[ P=\frac{RT}{V-b}-\frac{a\alpha }{V\left(V+b\right)+b\left(V-b\right)} \]$

(2)

$\[ a=0.45724\frac{R^2{T}_c^2}{P_c} \]$

(3)

$\[ b=0.07780\frac{{RT}_c}{P_c} \]$

(4)

$\[ \alpha ={\left(1+k\left(1-{\left(\frac{T}{T_c}\right)}^{1/2}\right)\right)}^2 \]$

(5)

4.1.2 FVT 설계

FVT는 연료 공급 시스템으로부터 암모니아 연료를 받아 각 실린더로 분배하고 일부 잔여 연료는 환원하여 Fuel recirculating system으로 공급하며, 액체 암모니아는 다시 연료 공급 시스템의 2단 공급 펌프 입구 측으로 공급한다.

엔진 부하 변화에 따라 실린더 공급 제어 밸브를 통해 연료 유량을 조절하며, 부하 변화에 따라 환원되는 연료 비율과 연료 펌프에서 공급되는 연료량이 변환된다.

이때, 암모니아 연료의 환원율은 기존 LPG 엔진의 환원 비율을 적용하였다. Fig. 8은 FVT에 의해 6행정 실린더에 공급되는 배관 공정이며, Fig. 9는 암모니아 연료의 공급량과 환원량 변화이다.

Fig. 8

Fuel valve train for 6 cylinder ammonia fuel engine

Fig. 9

Ammonia Fuel Supply & Recirculation rate

6행정 암모니아 엔진의 경우, 최대 부하에서 5,909 kg/h(개당 984.8 kg/h)의 연료소비량이 발생되고 약 5.47%인 341 kg/h의 연료가 FVT로 환원된다. 부화 변화에 따라 환원되는 비율이 최대 83%까지 상승하게 되며, 이때 연료 공급량과 환원량은 각각 666 kg/h와 3,189 kg/h이다.

4.2 운항 항로를 적용한 연료량 분석

선정된 암모니아 운반 선박의 암모니아 추진 엔진 특성을 분석하여 연료 사용량을 예측하였으며, 본 선박의 항로를 적용한 전체 연료 소비 변화량과 저장을 위한 필요 체적량을 분석하였다.

운항 항로의 경우, 시간 변화에 따른 선속의 변화를 적용하였으며, 시나리오 도출을 위해 내항까지는 Dead slow로 점차 선속을 높이면서 Slow, Half ahead, Full ahead의 4단계를 적용하였다. 하지만 화물의 선적 일정에 따라 선박의 운항 속도가 변화되기 때문에 전체 운항의 30% 가량만을 선박 최고 속도인 Navigation Full ahead로 운항하는 것을 가정하였다.

출항지인 Quintana항은 항로가 좁고 소형 선박의 이동이 많기에 선박 운항 중 속도를 줄이게 되는 경우가 발생한다. 따라서 시나리오 도출 과정에서 운항 중 선속 감소를 추가하여 전체 항로를 구성하였으며, 입항을 위한 선속 변화는 3시간 간격으로 점차 감소된다.

Fig. 10은 전체 항로와 선속변화를 적용하여 연료 소비량 변화 특성을 분석한 결과이다. 총 운항 시간은 393.3시간이 소요되며, 최종 소요 연료량은 183.7만 kg이 소요되었다. 이를 체적으로 변환하면 약 2,816.6 m³의 저장 용량이 필요할 것으로 예상된다. 이와 같은 저장 용량은 디젤 엔진의 약 1.96배에 달한다.

Fig. 10

Characteristics of fuel consumption change by applying changes in route and ship speed

5.1 암모니아 운반 선박의 엔진 및 항로 특성

국내외 암모니아 운반을 위해 운항되는 선박은 인도네시아, 영국, 중동 등 암모니아 생산지에서 화물을 선적하고 소비량이 높은 대한민국, 중국, 일본 등에서 하역한다. 현재 다양한 출력 및 규모의 암모니아 운반 선박이 운항되고 있으며, 총 4개의 선박을 선정하여 각 선박의 특성을 비교하여 연료 소비량을 분석하였다.

Table 3은 현재 운항 중인 암모니아 운반 선박의 특성 및 운항 특성이다. 대서양을 통과하는 GAS Star의 경우, 말라카 해협을 통과하며 선속이 감소되며, 태평양을 통과하는 SAKURA GAS의 경우, 파나마 운하를 지나면서 Dead slow의 저속 운전이 약 10시간 가량 발생하도록 시나리오 도출 과정에서 적용되었다.

Table 3

Characteristics and operational characteristics

5.2 암모니아 운반 선박의 엔진 및 항로에 따른 암모니아 소비량 분석 결과

선박의 엔진 규모 및 항로의 조건을 적용하여 연료 소비량을 분석하였으며, 각 엔진의 연료소비량은 Fig. 11과 같다. 13,000 kW급 엔진의 SAKURA GAS의 경우, 목적지까지 최대 708시간이 소요되며, 269만 kg의 연료가 소모되었다. 이를 암모니아를 저장하기 위한 체적으로 전환할 경우, -10℃의 3 bar의 조건에서 약 4,124.5 m³에 달하며, 4만 m³급 운반선박의 경우, 탱크 용량의 약 10.3%에 해당하는 암모니아를 연료로 소비해야 한다. 따라서 태평양을 횡단하는 장거리의 암모니아를 운반해야 하는 선박의 경우, 10% 가량의 암모니아가 엔진의 연료로 소비되어 선적된 화물의 연료 전환에 대하여 사전에 고려해야 한다.

Fig. 11

Analyze the fuel consumption by applying the engine size of the ship and the conditions of the route

Author Contributions

S. T. Lim and Y. K. Seo; Conceptualization, S. T. Lim; Software, S. T. Lim; Validation, S. T. Lim and J. H. Moon; Formal Analysis, S. T. Lim; Data Curation, S. T. Lim; Writing—Original Draft Preparation, H. S. Lee; Writing—Review & Editing, Visualization, Y. K. Seo; Project Administration, Y. K. Seo; Funding Acquisition.