전과정평가를 고려한 장기 운송 계약 LNG 선박의 선속 최적화 방안

1.1 연구의 배경 및 목적

해상 운송 계약상에 정의된 선박의 항해 속도는 합리적인 범위 내에서 가능한 한 최고의 속도로 운항하는 것을 의미한다.¹⁾ 그러나 현재 선박으로부터 발생하는 대기오염물질의 감소 규제는 선박의 속도를 감소시키는 요인이 되었다.

IMO(International Maritime Organization, 국제해사기구)에서 2021년에 발표한 GHG(Greenhouse Gas, 온실가스) 연구에 따르면 세계의 온실가스 총 배출량 중에 선박으로 기인한 배출량은 2018년 기준 약 3%이며, 2050년에는 17%까지 증가할 것으로 전망하고 있다.²⁾ 이에 IMO에서는 선박에서 발생하는 온실가스 배출량을 감소시키기 위해 SEEMP(Ship Energy Efficiency Management Plan, 선박에너지효율관리계획)의 이행, 신재생에너지 적용 및 선박 저속운항 등과 같은 완화 조치를 권고한 상황이다.^3-5) 그 중 저속운항 조치는 온실가스 완화 및 운항 효율을 개선시킬 수 있는 가장 신속하고 용이한 방안으로 알려져 있다.^6-11) 하지만, 저속운항 조치는 연료 소비 및 대기오염물질 저감에 따른 환경적 이점은 가질 수 있으나, 계약 화물량 적시 수송을 위한 선대 규모의 확장이 불가피하므로 경제적 관점에서는 오히려 비효율적일 수 있다. 따라서 기존의 CAPEX(Capital Expenditure, 초기투자비용)와 OPEX(Operational Expenditure, 운용비용) 중심의 경제적 관점과 환경적 관점(규제)을 모두 충족시킬 수 있는 새로운 최적 선속 결정 방안이 필요한 시점이다. 환경적 관점에서의 환경비용은 LCA(Life Cycle Assessment, 전과정평가)를 통해 최종 산출할 수 있다. LCA는 제품이나 서비스의 전주기에 걸친 환경영향을 평가할 수 있는 분석 도구이다.

이미 IMO에서는 2018년부터 선박 연료의 추출, 이송, 생산, 운송, 사용 및 폐기까지의 전주기를 포함하는 LCA를 적용한 GHG/탄소집약도 지침을 개발 중이다.^12-14) 뿐만 아니라, EU에서는 전과정평가 기반 프레임워크를 개발하여 모든 제품과 서비스의 환경영향을 분석 및 모니터링하고 있는 중이다.¹⁵⁾ 이처럼 LCA는 국제적으로 광범위하게 사용되고 있다.

환경비용 산정 관련 연구로 선박 추진장치 성능을 비교하고자 수행한 연구¹⁶⁾가 있었지만 장기운송계약 선박의 선속별 환경비용이 선박운용에 미치는 영향을 분석한 사례는 없었다. 따라서 본 논문에서는 LNG (Liquefied Natural Gas, 액화천연가스) 장기 운송프로젝트에 투입된 선박의 선속별 경제성과 환경성을 함께 고려한 최적의 선속을 결정하는 방안을 제안하고자 한다.

2.1 연구대상의 개요와 범위

본 연구의 대상선박은 연간 280만 톤의 LNG 화물을 20년간 미국 Sabine Pass에서 한국의 인천가스공사로 운송하는 프로젝트에 투입된 선박의 기본 규격을 적용하였다. Table 1은 대상선박의 기본사항과 운항정보를 나타낸다. 연구의 범위는 LNG 선박의 건조, 운항 및 폐선 단계에서 발생하는 경제적, 환경적 비용을 포함한다. 이를 위해 계약기간, 프로젝트 항로, 연간 계약물량 및 화물창 크기와 같은 기본적인 데이터를 활용하였다.

Table 1

174,000 m3 LNG carrier general specification

3.1 경제성 비용 산정 방안

경제성 비용은 많은 부분들을 고려해야 하지만, 본 연구에서는 그 가운데 3가지 요소인 프로젝트에 투입될 선박의 신조선가, 유지보수비용 및 연료비용을 포함하여 20년간 선속별 총 비용으로 나타내었다.

Table 2는 경제성 비용 산정을 위한 각 요소들의 단가를 나타낸다. CAPEX 사항인 신조선가는 Table 3과 같이 선속별로 연간 계약 화물량 달성을 위해 투입되는 선박의 척수를 반영하였는데, 계산상으로는 15 knot의 선속으로 운항하여도 6항차가 가능하여 19~16 knot 선속구간과 같이 6척의 선박이 필요한 것으로 나타나지만, 이는 선박의 예상치 못한 정선 또는 2.5년 주기의 입거수리가 고려되지 않은 것이다.

Table 2

Consideration items for economic cost

Table 3

Required vessels for completion of contract

이에 본 연구에서는 이러한 운항 외 고려해야 할 사항 중 입거수리를 고려하였고, 이에 Table 3과 같이 선속구간별 투입되어야 하는 척수가 결정되었다. 또한 OPEX에 해당하는 유지보수비용의 경우, 본 연구의 대상선박 엔진의 제조사로부터 취득한 정보를 반영하였다. 그리고 연료비용은 대상선박과 동일한 174K 현존 LNG선의 엔진출력 및 선속구간별 연료사용량 데이터를 활용하여 항차당 선속 시나리오별로 운항하는 시간을 반영하여 산정하였다.

3.2 환경성 비용 산정 방안

환경성 비용 산정은 먼저, 국제표준(ISO14040~14043)¹⁷⁾을 토대로 선박의 전주기 환경영향을 확인할 수 있는 방법¹⁸⁾인 전과정평가를 Fig. 2에서 정의된 4단계와 같이 수행하였다. 이를 통해 선박의 전주기 동안 발생하는 대표적인 5가지 대기오염물질인 이산화탄소(CO₂), 질소산화물(NOx), 비-메탄 휘발성 유기화합물(NMVOC), 황산화물(SOx), 미립자물질(PM_2.5)의 배출량을 산출하였다.

Fig. 2

LCA basic process

이를 위해, Fig. 3과 같이 대상 선박의 엔진 제작에 필요한 재료와 운영하는 단계, 20년간 운항 연료인 LNG와 MGO 수급 및 사용, 폐선 시 재활용 및 폐기 단계를 포함하여 모델링하였다. 또한 선박의 전주기 환경영향 평가를 위해 CML 2001 방법론을 적용하였다. 본 연구에서는 전과정평가 상용 소프트웨어인 GaBi(독일)의 데이터베이스를 통해 선박 엔진의 건조와 폐선단계에서의 배출량을 산출하였고, 운항 단계에서의 배출량은 Table 4와 5에서 나타낸 IMO의 대기오염물질별 배출계수를 적용하였다.²⁾

• 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)

Fig. 3

Life cycle assessment modelling for LNG carriers

Table 4

Emission factors for various fuel type

Table 5

Emission factors for LNG fueled engine

운항 단계에서의 CO₂와 SOx 발생량은 연료기반 배출계수임에 따라 식 (1)과 같이 연료사용량과의 곱으로 산정하였다. NOx, PM_2.5 및 NMVOC 발생량은 에너지기반 배출계수와 엔진 유형에 따른 출력과의 곱으로 식 (2)와 같이 산정하였다. 산출된 20년간의 배출량은 비용화를 하기 위해 유럽에서 제정한 대기오염물질별 1 ton당 단가를 적용하였다.¹⁹⁾

3.3 전주기 비용 산정 방안

전주기 비용은 기존의 선속별 경제성 비용 산정을 위해 고려한 신조선가, 유지보수비용 및 연료비용에 추가적으로 선박의 운송 계약 기간인 20년간을 기준으로 선박의 건조, 운항 및 폐선 단계에서 발생하는 선속별 환경성 비용을 합산하여 산정하였다.

이러한 전주기 비용 산정은 환경영향을 평가하는데 있어 선속 결정과 관련된 당사자들 간의 가중치 여부에 따른 혼란을 줄이고 단순화된 일정한 기준을 제공하기 위함이다.

4.1 경제성 평가

20년간 선속별 경제성 비용은 Fig. 4에서와 같이 나타났다. 경제성 비용의 한 요소인 신조선가는 프로젝트상의 계약된 물량 달성 조건 만족을 위해 9척의 선박이 필요한 선속 11 knot가 가장 많은 비용이 발생하였고, 유지보수비용은 운항 중인 선박의 척수와 비례하는 관계를 나타내기에 선속 11 knot가 신조선가 부분과 같이 가장 많은 비용이 발생하는 것으로 확인되었다.

Fig. 4

Life cycle economic cost by ship’s speed

이와 반대로 장기계약 달성을 위해 가장 적은 6척의 선박이 투입되는 19~16 knot의 선속 구간이 신조선가 및 유지보수비용 면에서는 가장 적은 비용이 발생하는 것으로 나타났다.

본 연구에서 경제성 비용 산정을 위해 추가적으로 고려한 요소인 연료소모량에 따른 비용은 19 knot가 가장 많은 비용이 발생하는 선속 구간으로 나타났고, 11 knot가 가장 적은 비용을 나타냈다. 이는 일반적으로 선박의 배수량이 일정할 경우, 연료소모량이 선속의 3승에 비례하는 관계로부터 기인한 결과라 판단된다.

이러한 경제성 비용 평가 요소인 신조선가, 유지보수비용 및 연료비용을 합산한 총 비용은 20년간 프로젝트에 투입되는 선박이 가장 적은 선속 구간 중에 가장 적은 연료소모량을 나타내는 16 knot가 2,188 M$로서 경제적으로 가장 유리함을 나타냈고, 본 연구에서 가정한 선박의 전주기동안 연료소모량이 가장 적은 선속인 11 knot가 2,529 M$로서 가장 불리한 선속으로 나타났다.

두 구간의 비용차는 선속 저감에 따른 연간 운송물량 부족분을 보완하기 위해 추가적으로 선박이 투입됨에 따라 CAPEX와 OPEX의 증가를 야기함에 따른 결과인 것이다. 이를 통해 선속 변경에 따른 프로젝트에 투입되는 선박 척수의 규모가 경제성에 가장 큰 영향을 미치는 요소임을 확인할 수 있었다.

4.2 환경성 평가

환경성 평가를 위한 비용 산정은 먼저, 대상 선박의 전과정평가를 수행함에 따라 Fig. 5와 같이 선속별 20년간 선박의 전주기 동안 5가지 대기오염물질 배출량을 산정하였다. 그 결과, CO₂가 주 연료를 LNG로 사용할 때 가장 많은 발생량을 나타냈고, NOx, NMVOC, SOx, PM_2.5 순으로 나타났다. 선속이 감소하므로 배출물질과 양의 감소는 동일한 경향성을 나타냈다.

Fig. 5

Life cycle emissions by ship’s speed

산정된 전주기 동안의 총 배출량을 기반으로 대기오염물질별 톤당 단가를 적용하여 환경비용을 산정한 결과, Fig. 6에서와 같이 19 knot로 운항할 때 488 M$로 가장 많은 비용이 발생하였고, 반면에 11 knot 운항 시 167 M$로 가장 낮은 비용을 나타냈다. 이는 전주기 대기오염물질 배출량 결과와 동일한 경향을 나타낸 결과였다. 선속이 높을수록 연료사용량이 증대하고 이것이 대기오염물질 배출량을 증가시켰고 결국, 환경비용을 증가시키는 요인이 되었다.

Fig. 6

Life cycle environmental cost by ship’s speed

4.3 전주기 비용 평가

프로젝트에 투입된 대상 선박의 전주기 비용은 20년간 발생하는 경제성과 환경성 비용을 합산하여 Fig. 7에서와 같은 결과를 나타냈다.

Fig. 7

Life cycle cost by ship’s speed

CAPEX와 OPEX를 포함하는 경제성 비용면에서는 16 knot가 가장 유리한 선속으로 나타났지만, 대기오염물질 배출량에 따른 환경성 비용을 동시에 고려한 전주기 총 비용은 선속 14 knot가 16 knot보다 12 M$ 적은 2,524 M$로서 가장 유리한 비용 결과를 보여 주었다.

비록 선속이 감소함에 따라 경제성 측면에서 가장 유리한 선속인 16 knot보다 1척의 선박이 프로젝트에 추가로 투입되어 신조선가 부분과 유지보수비용 부분에서 비용이 증가하였지만, 운항 중 연료사용량이 감소함에 따라 연료비용과 배출물에 의한 환경비용이 감소되어 경제성 비용 관점에서의 결과와는 다르게 나타났다.

추가적으로, 경제성 비용면에서 가장 불리한 것으로 나타났던 선속 11 knot가 전주기 비용 관점에서는 선속 19~18 knot 구간보다 279~127 M$의 차이만큼 낮은 비용을 나타냈다. 11 knot 선속은 19 knot일 경우보다 총 3척의 선박이 추가로 투입되어 CAPEX가 상당히 증가하였음에도 불구하고 전주기적 관점에서는 19~18 knot 선속보다 유리한 것으로 나타났다.

Author contributions

K. H. Seo; Conceptualization, Data curation, Formal analysis, Investigation, Methodology, Visualization, Resources, Writing-original draft. H. J. Choi; Investigation, Writing-review & editing. Y. M. Kim; Investigation, Visualization. J. W. Lee; Supervision, Validation, Writing-review & editing. J. U. Lee; Funding acquisition, Project administration, Supervision, Validation, Writing-review & editing.