지구온난화에 대한 심각성이 대두되면서 선박부문의 온실가스 배출에 관한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 이에 반하여 국내 연구 수준은 기초에 그치고 있다. 본 논문에서는 선박으로부터 배출되는 이산화탄소의 여러가지 저감대책 중에서 운항손실과 투자비용을 최소화하면서 수행할 수 있는 방법으로 전자제어엔진 사용, 트림 최적화, 프로펠러 연마 및 친환경 방오도료의 사용을 선정하였다. 선정된 저감대책들을 운항실습선에 적용하여 시험 운항을 실시하였고 연료소비율에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과, 각 대책들은 약 1~5%의 연료소비율 저감 효과가 있었고 이를 에너지효율운항지수 산출에 적용하면 약 1~5%를 감소시키는 것을 알 수 있었다. 향후 국제적 환경규제를 제정할 때 우리나라에게 유리하도록 대응하기 위해서는 에너지효율운항지수에 대한 연구에도 지속적인 노력이 필요하다고 사료된다.
지구온난화에 대한 심각성이 대두되면서 선박부문의 온실가스 배출에 관한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 이에 반하여 국내 연구 수준은 기초에 그치고 있다. 본 논문에서는 선박으로부터 배출되는 이산화탄소의 여러가지 저감대책 중에서 운항손실과 투자비용을 최소화하면서 수행할 수 있는 방법으로 전자제어엔진 사용, 트림 최적화, 프로펠러 연마 및 친환경 방오도료의 사용을 선정하였다. 선정된 저감대책들을 운항실습선에 적용하여 시험 운항을 실시하였고 연료소비율에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과, 각 대책들은 약 1~5%의 연료소비율 저감 효과가 있었고 이를 에너지효율운항지수 산출에 적용하면 약 1~5%를 감소시키는 것을 알 수 있었다. 향후 국제적 환경규제를 제정할 때 우리나라에게 유리하도록 대응하기 위해서는 에너지효율운항지수에 대한 연구에도 지속적인 노력이 필요하다고 사료된다.
As the seriousness of global environment pollution is gaining increasing public attention, research into greenhouse gas emissions of ships is being carried out globally. At a domestic level, however, in a number of significant fields such research has not been conducted to date. This study examined ...
As the seriousness of global environment pollution is gaining increasing public attention, research into greenhouse gas emissions of ships is being carried out globally. At a domestic level, however, in a number of significant fields such research has not been conducted to date. This study examined countermeasures for the reduction of $CO_2$ emission in the fields of electronic control engines, trim optimization, propeller polishing, hull cleaning, and anti-fouling paint using an actual sea-going vessel. Selected countermeasures were applied during sea trials of the ship and the effect of specific fuel oil consumption analyzed. It was found that each countermeasure resulted in a decrease of fuel consumption of 1~5%. The energy efficiency operational indicator (EEOI) was calculated and found to also be improved by 1~5%. Further research into the EEOI of domestic shipping is planned to enhance conformance with international environmental regulations and improve global competitiveness.
As the seriousness of global environment pollution is gaining increasing public attention, research into greenhouse gas emissions of ships is being carried out globally. At a domestic level, however, in a number of significant fields such research has not been conducted to date. This study examined countermeasures for the reduction of $CO_2$ emission in the fields of electronic control engines, trim optimization, propeller polishing, hull cleaning, and anti-fouling paint using an actual sea-going vessel. Selected countermeasures were applied during sea trials of the ship and the effect of specific fuel oil consumption analyzed. It was found that each countermeasure resulted in a decrease of fuel consumption of 1~5%. The energy efficiency operational indicator (EEOI) was calculated and found to also be improved by 1~5%. Further research into the EEOI of domestic shipping is planned to enhance conformance with international environmental regulations and improve global competitiveness.
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문제 정의
CO2 저감 측면에는 CO2 포집과 연소가스 후처리 기술 등이 있으며, 신추진동력으로는 LNG 연료 추진선박, 연료전지, 핵추진 선박 등이 있다. 본 연구에서는 운항 중인 실습선에서 큰 비용을 투자하지 않고도 효율을 높일 수 있는 가장 현실적인 측면에서 전자제어엔진의 사용, 운항 중 트림의 최적화, 프로펠러 연마 그리고 방오도료 사용이 연료소비율저감에 미치는 영향을 실선 실험을 통해서 정량적으로 평가(실선 운항 베이스이기 때문에 운항 중의 해상상태 등에 따른 조건이 일정하지 않아 생기는 오차를 포함)하고, 그 결과를 바탕으로 이들 전략이 CO2 배출 저감대책으로서 실효성이 있는지를 평가하고자 한다.
가설 설정
친환경 선박을 위한 전자제어 엔진과 기존의 기계식 엔진의 연료소모량을 기준으로 전자제어 엔진의 사용이 EEOI 저감에 미치는 영향을 고찰한 결과를 Table 2에 나타내었다. 50% 부하의 결과에 따라 전자제어 엔진을 사용할 경우 기계식 엔진에 비해 통상 5.4%의 연료절감효과가 있다고 가정하고 2013년 실습선 한바다호의 1년간 연료소모량을 기준으로 EEOI를 계산하였다. 그 결과 기계식 엔진의 EEOI가 45.
실험 결과를 바탕으로 프로펠러 연마, 선체 정비 및 방오도료의 사용이 EEOI 저감에 미치는 영향을 고찰한 결과를 Table 4에 나타내었다. 프로펠러 연마, 선체 정비 및 방오도료의 사용시 50% 부하에서 3.2%의 연료절감효과가 있는 것으로 가정하고 이를 바탕으로 2013년 실습선 한바다호의 1년간 연료소모량을 기준으로 EEOI를 계산하였다. 그 결과 3.
제안 방법
선체에는 무기주석 방오페인트(tin free self polishing antifouling paint)를 도장하였고, 프로펠러에는 폴리우레탄 페인트(polyurethane paint)를 도장하였다. 도장 전, 후의 연료소모량과 미생물 부착정도를 관찰하였다. 주기관 부하별 25%, 50%, 75%, 100%로 조정하여 각 부 하별 연료소모량을 계측하였다.
mcargo는 운송한 화물(톤수)나 취급한 화물(TEU 수 승객 수) 또는 여객선의 총톤수를 나타내고 D는 운송한 화물이나 취급한 화물에 상응하는 해리 단위의 거리를 나타낸다. 본 연구에서는 식 (1)을 바탕으로 실습선 한바다호의 1년간의 운항결과를 이용하여 EEOI를 산출하였다.
주기관 부하별 25%, 50%, 75%, 100%로 조정하여 각 부 하별 연료소모량을 계측하였다. 선체 및 프로펠러의 미생물 부착정도는 6개월 경과 후 전문 수중 다이버의 도움을 받아 수중카메라로 촬영하여 그 결과를 분석하였다.
연료분사시기와 연료분사압력 제어의 경우, 전자제어 엔진은 KONGSBERG사의 AutoChief C20 B&W ME 제어시스템으로 제어하였고, 기계식 엔진은 AutoChief C20 B&W MC 제어시스템으로 제어하였다.
운전 조건은 기관 부하를 각각 25%, 50%, 75%, 100%로 변화시키면서 연료소모량을 계측하여 비교·분석하였다.
정박 기간이 길거나 프로펠러 정비 후 장기 사용 했을 경우, 프로펠러에 수중 미생물의 부착으로 선속이 떨어지고 연료소모량은 많아진다. 이를 정량적으로 확인하기 위하여 프로펠러 연마 전, 후의 주기관 부하별 연료소모량을 계측하였다. 실험 결과 주기관의 모든 부하에서 프로펠러 연마 후의 연료소모량이 적게 나타났다.
도장 전, 후의 연료소모량과 미생물 부착정도를 관찰하였다. 주기관 부하별 25%, 50%, 75%, 100%로 조정하여 각 부 하별 연료소모량을 계측하였다. 선체 및 프로펠러의 미생물 부착정도는 6개월 경과 후 전문 수중 다이버의 도움을 받아 수중카메라로 촬영하여 그 결과를 분석하였다.
트림(trim)을 변화시키면서 연료소모량을 측정하였고 트림의 조정은 선미피크탱크(after peak tank)와 선수피크탱크 (forward peak tank)를 이용하여 조정하였으며 이븐 킬(even keel), 선미트림 1 m (by the stern 1 m), 선미트림 2 m (by the stern 2 m)로 조정하여 실험을 하였다. 주기관의 부하는 25%, 50%, 75%, 100%로 조정하여 각 부하별 트림에 따른 연료소모량을 계측하였다. 친환경 바오도료의 경우는 실습선 한바다호에 Chugoku samhwa paints, LTD.
트림(trim)을 변화시키면서 연료소모량을 측정하였고 트림의 조정은 선미피크탱크(after peak tank)와 선수피크탱크 (forward peak tank)를 이용하여 조정하였으며 이븐 킬(even keel), 선미트림 1 m (by the stern 1 m), 선미트림 2 m (by the stern 2 m)로 조정하여 실험을 하였다. 주기관의 부하는 25%, 50%, 75%, 100%로 조정하여 각 부하별 트림에 따른 연료소모량을 계측하였다.
주기관은 MAN B&W의 6L42MC와 6L42ME를 동시에 탑재한 세계 유일무이의 선박이다. 한바다호를 대상으로 전자제어엔진의 사용, 정박 중 육상전력의 사용, 운항 중 트림의 최적화, 프로펠러 연마 그리고 방오도료 사용 등이 CO2 배출량 저감에 미치는 영향과 EEOI 저감에 미치는 영향을 정량적으로 검증하였다.
현재 운항중인 선박에서 큰 비용을 투자하지 않고도 선박기인 CO2 배출량을 줄일 수 있는 가장 현실적인 측면에서 전자제어엔진의 사용, 운항 중 트림의 최적화, 프로펠러 연마 그리고 친환경 방오도료 사용 등이 CO2 배출량 저감에 미치는 영향을 실선 실험(해양상태에 따른 오차 포함)을 통해서 정량적으로 검증하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
데이터의 취득은 MAN Diesel & Turbo사의 CoCoS-EDS 시스템을 이용하였다.
본 연구에 사용된 대상 선박은 한국해양대학교의 실습선 한바다호로 간략한 제원을 Table 1에 나타내었고 Figure 1에 한바다호의 사진을 나타내고 있다. 총톤수 6,686톤으로 최대속력는 19.
사의 페인트를 도장하여 실험하였다. 선체에는 무기주석 방오페인트(tin free self polishing antifouling paint)를 도장하였고, 프로펠러에는 폴리우레탄 페인트(polyurethane paint)를 도장하였다. 도장 전, 후의 연료소모량과 미생물 부착정도를 관찰하였다.
5knots 이다. 최대 승선 인원은 246명이다. 주기관은 MAN B&W의 6L42MC와 6L42ME를 동시에 탑재한 세계 유일무이의 선박이다.
성능/효과
2%의 연료절감효과가 있는 것으로 가정하고 이를 바탕으로 2013년 실습선 한바다호의 1년간 연료소모량을 기준으로 EEOI를 계산하였다. 그 결과 3.3%의 EEOI 저감효과를 기대할 수 있다.
그 결과 기계식 엔진의 EEOI가 45.29 gCO2/ton·nmile이고 전자제어식 엔진은 43.02 gCO2/ton·nmile이었다.
5% 정도 작았다. 따라서 한바다호는 운항시 트림을 Even keel로 조정하여 운항할 경우 연료소모량을 줄이고, CO2 발생량도 줄일 수 있는 것으로 확인 되었다.
Figure 9는 선체 및 프로펠러에 방오도료를 도장한 후 6개월이 경과된 시점의 선체와 프로펠러에 수중 미생물의 부착정도를 나타내고 있다. 방오도료를 사용하지 않은 경우에 비해 수중 미생물의 부착이 매우 적었으며 손으로도 쉽게 떨어지는 것을 알 수 있었다. 이를 바탕으로 연료절감형 방오도료의 우수한 성능이 확인되었으며 친환경적이고 연료소모량을 줄일 수있는 방오도료의 사용을 늘려야 할 것이다.
이를 정량적으로 확인하기 위하여 프로펠러 연마 전, 후의 주기관 부하별 연료소모량을 계측하였다. 실험 결과 주기관의 모든 부하에서 프로펠러 연마 후의 연료소모량이 적게 나타났다. 주기관 25% 부하에서 3.
5%의 연료절감효과가 있었다. 이를 바탕으로 2013년 실습선 한바다호의 1년간 연료소모량을 기준으로 EEOI를 계산한 결과 1.5%의 EEOI 저감효과를 기대할 수 있다.
전자제어엔진을 사용할 경우 기계식엔진에 비해 50%부하에서 5.4%의 연료절감효과가 있었고 5.7%의 EEOI 저감효과를 기대할 수 있다.
선속과 트림의 변화에 따라 선박의 연료소모량이 변함을 확인하였고 부적절한 트림의 형성은 추가적인 연료소모를 야기할 수 있으므로 오랜 시간 동안 다양한 운항조건과 엔진 상태를 기록하면서 각 흘수와 선속에 따른 최적 트림을 찾아야 한다. 최적 트림으로 운항시 주기관 부하 50%에서 1.5%의 연료절감 효과가 있었고 1.5%의 EEOI 저감효과를 기대할 수 있다.
프로펠러 연마, 선체 정비 및 방오도료의 사용 시 3.2%의 연료절감효과가 있었고 3.3%의 EEOI 저감효과를 기대할 수 있다.
후속연구
연료절감형 방오도료의 우수한 성능이 확인되었으며 친환경적이고 연료소모량을 줄일 수 있는 방오도료의 사용을 늘려야 할 것으로 판단된다.
방오도료를 사용하지 않은 경우에 비해 수중 미생물의 부착이 매우 적었으며 손으로도 쉽게 떨어지는 것을 알 수 있었다. 이를 바탕으로 연료절감형 방오도료의 우수한 성능이 확인되었으며 친환경적이고 연료소모량을 줄일 수있는 방오도료의 사용을 늘려야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
EEOI를 감소시키는 방법은?
그러나 SEEMP를 실시하기 위해서는 모니터링 단계에서 EEOI의 활용이 필요하기 때문에 EEOI를 감소시키는 방안에 대한 연구가 필요하다. EEOI를 감소시키는 방법으로는 선형개선, 추진성능개선, 보조동력, 엔진개선, 전력 효율화 및 운항효율화 등이 있다. CO2 저감 측면에는 CO2 포집과 연소가스 후처리 기술 등이 있으며, 신추진동력으로는 LNG 연료 추진선박, 연료전지, 핵추진 선박 등이 있다.
선박분야에서 에너지효율설계지수를 통해 온실가스배출을 어떻게 규제하는가?
선박분야에서는 온실가스 배출감소를 위하여 IMO에서 2013년 1월 1일부터 에너지효율설계지수(EEDI)를 제정 하여 규제하고 있다. 이는 선박의 크기 및 종류에 따라 탄소배출 허용기준의 감축률이 다소 상이하게 적용되며, 0단계인 2014년 12월 31일까지의 신선에는 기준선값만 적용하고 3단계인 2025년 1월 1일 이후부터는 기준선값 대비 30%의 감축률을 달성해야 한다. EEDI는 기술적 조치에 해당되며 운항적 조치로는 선박에너지효율관리계획서(SEEMP)와 에너지효율운항지수(EEOI)가 적용된다.
EEOI란?
EEOI의 기본적인 개념은 비용대비 환경경비를 의미하는데 비용은 톤마일 당 운송활동을 의미하고 환경경비는 CO2의 배출량을 의미한다. 기본적인 산출방법은 식 (1)과 같다.
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