IT 기반의 선박에너지절감시스템 성능평가 방법-(1) : 육상시험 수행 결과 Energy Efficiency Evaluation of IT based Ship Energy Saving System-(1) : Ship Handling Simulator Test Results원문보기
선박온실가스 규제를 위한 SEEMP (Ship Energy Efficiency Management Plan) 기술 중 선박에너지절감을 위한 조치는 하드웨어적인 장비를 선박에 탑재하여 구현하거나, 인적교육 및 운항패턴 개선 등과 같은 소프트웨어적인 방식으로 구현 가능하다. 선체저항개선을 위한 기술 중 하드웨어적인 장비 개조를 통해 구현되는 기술은 현존선에 적용하는데 장비의 규모 등에 의한 제약이 발생한다. 반면 소프트웨어적인 에너지절감기술의 구현은 저렴한 도입비용과 하드웨어적인 방식에 비해 높은 에너지 절감효과를 보이며, 선종에 크게 구애받지 않고 적용이 용이하다는 장점을 가지고 있어 IT 기술을 이용한 선박에너지절감기술이 요구되어지고 있다. 본 논문에서는 IT 기반의 선박에너지절감 기술을 검증하기 위하여 대표적인 3개 선종에 대한 실선 모델링 기반의 선박조종시뮬레이터를 이용한 육상시험을 수행하였다. 시뮬레이터를 이용한 성능검증 방법은 6개의 다양한 환경조건에서 에너지절감기술 적용 전후의 운항결과로부터 에너지절감효과를 비교 분석하고, 해상상태에 따른 구간별 비교결과를 통해 IT기반 에너지절감시스템의 성능평가를 수행하였다. 벌크, 컨테이너, VLCC 선종을 이용한 육상시험 결과 컨테이너선의 연료절감률이 가장 크게 나타났고, 육상시험 대상선박 모두 선박에너지절감시스템 사용전과 비교하여 연료절감효과를 보였다.
선박온실가스 규제를 위한 SEEMP (Ship Energy Efficiency Management Plan) 기술 중 선박에너지절감을 위한 조치는 하드웨어적인 장비를 선박에 탑재하여 구현하거나, 인적교육 및 운항패턴 개선 등과 같은 소프트웨어적인 방식으로 구현 가능하다. 선체저항개선을 위한 기술 중 하드웨어적인 장비 개조를 통해 구현되는 기술은 현존선에 적용하는데 장비의 규모 등에 의한 제약이 발생한다. 반면 소프트웨어적인 에너지절감기술의 구현은 저렴한 도입비용과 하드웨어적인 방식에 비해 높은 에너지 절감효과를 보이며, 선종에 크게 구애받지 않고 적용이 용이하다는 장점을 가지고 있어 IT 기술을 이용한 선박에너지절감기술이 요구되어지고 있다. 본 논문에서는 IT 기반의 선박에너지절감 기술을 검증하기 위하여 대표적인 3개 선종에 대한 실선 모델링 기반의 선박조종시뮬레이터를 이용한 육상시험을 수행하였다. 시뮬레이터를 이용한 성능검증 방법은 6개의 다양한 환경조건에서 에너지절감기술 적용 전후의 운항결과로부터 에너지절감효과를 비교 분석하고, 해상상태에 따른 구간별 비교결과를 통해 IT기반 에너지절감시스템의 성능평가를 수행하였다. 벌크, 컨테이너, VLCC 선종을 이용한 육상시험 결과 컨테이너선의 연료절감률이 가장 크게 나타났고, 육상시험 대상선박 모두 선박에너지절감시스템 사용전과 비교하여 연료절감효과를 보였다.
SEEMP (Ship Energy Efficiency Management Plan) guidelines for a ship's GHG reduction include a machinery modification of hull, an installation of energy efficiency enhanced attachment in hardware methods. It is also possible to bring a ship energy efficiency improvement by fuel-efficient operations ...
SEEMP (Ship Energy Efficiency Management Plan) guidelines for a ship's GHG reduction include a machinery modification of hull, an installation of energy efficiency enhanced attachment in hardware methods. It is also possible to bring a ship energy efficiency improvement by fuel-efficient operations or in other software methods. Hardware modification or installation on ship can bring financial burdens to a ship company compared to its improvement expectation. On the other hand, Software based energy-saving technology can be applicable on various ship types, and it is also expected high efficiency of ship energy use compared to hardware based technology in perspective of the investment costs and efficiency. In this paper, it is described that the ship handling simulator based evaluation was carried out using representative ship model of bulk, container and VLCC. Simulation environments were separated into 6 conditions according to the sea-state and weather condition, and the operation results were compared with those before and after energy saving system applied The container ship showed the largest FOC save rate after energy saving system applied although the others also showed energy save rate after using the system.
SEEMP (Ship Energy Efficiency Management Plan) guidelines for a ship's GHG reduction include a machinery modification of hull, an installation of energy efficiency enhanced attachment in hardware methods. It is also possible to bring a ship energy efficiency improvement by fuel-efficient operations or in other software methods. Hardware modification or installation on ship can bring financial burdens to a ship company compared to its improvement expectation. On the other hand, Software based energy-saving technology can be applicable on various ship types, and it is also expected high efficiency of ship energy use compared to hardware based technology in perspective of the investment costs and efficiency. In this paper, it is described that the ship handling simulator based evaluation was carried out using representative ship model of bulk, container and VLCC. Simulation environments were separated into 6 conditions according to the sea-state and weather condition, and the operation results were compared with those before and after energy saving system applied The container ship showed the largest FOC save rate after energy saving system applied although the others also showed energy save rate after using the system.
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문제 정의
SEEMP 가이드라인에서 제시한 절감수단 중 가장 큰 절감효과를 보인 것은 선속과 관련된 부분이었다. 본 논문에서는 IT기반의 선속최적화 기술에 대한 에너지절감효과를 분석하고 소프트웨어적인 에너지절감시스템의 성능검증수행 및 그 결과를 보인다.
가설 설정
본 논문에서는 선박이 통상 대양항해를 한다는 가정 하에 선박 운항 시 선속 감소에 주요한 영향을 주는 바람, 파랑 조건에 따라 선박에너지절감시스템 권고 RPM 적용 전후의 연료사용량에 대한 평가를 선박조종시뮬레이터를 사용하여 수행하였다. 일반적인 선박의 대양항해에서는 통상 급선회를 하지 않는다고 가정하였으며, 선박조종시뮬레이터에서 설정한 바람, 파랑 조건에 의한 부가저항은 선체에 작용하는 부하로 환산될 수 있다. 이는 또한 선속감소에 주요한 영향을 미치는 요소이다.
제안 방법
1, 3, 5구간은 BF (Beaufort Scale) 3의 해상상태를 적용하고, 2, 4, 6구간은 BF 6의 해상상태를 적용하여 시스템 적용 전후의 운항결과를 비교·분석 하였다.
시뮬레이터를 이용한 에너지절감시스템의 성능검증은 2013년 Port-MIS 부산항 입출항 선박 데이터를 기반으로 하여 가장 많은 입항 척수를 나타낸 벌크, 컨테이너, VLCC의 3가지 선종에 대해서 수행했다(Port-MIS, 2013). 각 모델선은 한국 부산항을 출항하여 필리핀 다바오항으로 입항하는 총 6개의 구간을 각기 다른 해상환경 조건으로 항해하도록 설정하였으며, 각 구간의 거리는 300해리로 설정하여 1항차가 1800해리를 항해하는 10배속 시나리오로 수행하였다. 선박에너지절감 시스템 적용후 선속은 시스템 적용전 ETA ± 5% 이내로 도착할 수 있는 최적 RPM으로 권고하였다.
연료절감을 위해 개발되는 시스템의 성능검증 수행을 위해 해상에서의 실선시험은 선박에너지절감시스템의 효율검증에 효과적이지만, 모든 해역에서 모든 선박에 대한 다양한 환경 조건을 설정하여 절감효율을 산출하기에는 현실적인 제약이 따른다. 따라서 본 논문에서는 실선을 기초로 모델링한 선박조종시뮬레이터를 이용하여 통상 운항선박의 항해 시 해상조건을 설정하여 선박에너지절감시스템의 성능평가를 수행한다.
따라서 본연구에서는 실선대비 저렴한 비용으로 실제 선박의 운항환경에서는 시험할 수 없는 다양한 선종 및 해상환경을 적용할 수 있는 선박조종시뮬레이터를 이용하여 에너지절감시스템 적용 전후의 연료사용량을 비교⋅분석하고 에너지절감효과를 평가하였다.
해상환경 파라미터는 선속 감소에 주요한 영항을 미치는 바람, 파랑정보를 적용하였고, 선속감소요인으로 작용하는 선수파, 선수사파, 횡파에 대해서만 고려하였다. 바람 및 파랑의 진행방향은 1, 2구간에서 선수파를 적용하고 3, 4구간에서 선수사파 5, 6구간에서 횡파를 적용하였다. 실험에 사용된 모델선박의 제원은 Table 1과 같다.
본 논문에서는 선박이 통상 대양항해를 한다는 가정 하에 선박 운항 시 선속 감소에 주요한 영향을 주는 바람, 파랑 조건에 따라 선박에너지절감시스템 권고 RPM 적용 전후의 연료사용량에 대한 평가를 선박조종시뮬레이터를 사용하여 수행하였다. 일반적인 선박의 대양항해에서는 통상 급선회를 하지 않는다고 가정하였으며, 선박조종시뮬레이터에서 설정한 바람, 파랑 조건에 의한 부가저항은 선체에 작용하는 부하로 환산될 수 있다.
선박에너지절감시스템 적용후 항해조건은 6개 구간별 환경조건 변화에 따라 선속 변화량을 고려하여 RPM 조종에 따른 속력저하 및 FOC 절감율이 가장 경제적인 권고 RPM으로 항해하고 두 결과의 연료소모량을 비교·분석 하였다.
선박조종시뮬레이터를 이용한 선박에너지절감시스템 적용 전후의 연료소모량 추정을 위해 모델선박의 선속, 엔진출력,RPM에 따른 Table 2의 주기관 텔레그레프 표를 이용하였다.
선박조종시뮬레이터에서 설정한 해상 환경조건에 따라 구간별 선속 감소를 산출하기 위해 선박에너지절감시스템 적용 전후의 RPM 설정값으로부터 환산한 선속 Vset, 시뮬레이션항해를 수행하여 얻어진 관측선속 Vobs의 차이로부터 선속 감소량 Vdrop을 추정하고 주기관 엔진텔레그래프 표로부터 Vdrop에 대한 엔진 출력을 환산하였다. 연료소모량 계산을 위한 축마력은 제동마력의 1% 마찰손실로 추정하여 FOC를 산출하였다(MAN Diesel and Turbo, 2012).
에 대한 엔진 출력을 환산하였다. 연료소모량 계산을 위한 축마력은 제동마력의 1% 마찰손실로 추정하여 FOC를 산출하였다(MAN Diesel and Turbo, 2012).
육상시험은 연료소모량 산출 기능을 제공하는 선박모델을 이용하여 선박조종시뮬레이터를 이용하여 에너지절감기술 적용 전후의 결과를 비교·분석하고, 기준 이상의 연료소모량 절감효과가 있는지 검증한다.
해상시험은 실선에 에너지 절감기술 적용후 운항데이터와 적용전 기존데이터를 일정기간 수집한 후 각각 에너지 사용량의 경향을 산출하고 평균적인 연료소모량 (FOC, Fuel Oil Consumption)의 비교·분석을 통하여 절감효과를 검증한다.
데이터처리
시뮬레이터를 이용한 에너지절감시스템의 성능검증은 2013년 Port-MIS 부산항 입출항 선박 데이터를 기반으로 하여 가장 많은 입항 척수를 나타낸 벌크, 컨테이너, VLCC의 3가지 선종에 대해서 수행했다(Port-MIS, 2013). 각 모델선은 한국 부산항을 출항하여 필리핀 다바오항으로 입항하는 총 6개의 구간을 각기 다른 해상환경 조건으로 항해하도록 설정하였으며, 각 구간의 거리는 300해리로 설정하여 1항차가 1800해리를 항해하는 10배속 시나리오로 수행하였다.
에너지절감시스템 성능검증을 위해 사용한 선박조종시뮬레이터는 해상환경 조건의 변화에 따른 외력이 선속에 반영되어 시스템 적용전의 운항결과와 시스템 적용후의 운항결과를 비교·분석하고 에너지 절감효과를 산출하여 시스템 효율 검증을 수행한다(Transas, 2009).
이론/모형
CFj는 측정된 연료소모량에 대해 탄소함유량에 근거한 CO2 배출량 [g]의 무차원화된 환산인자를 나타낸다. 본 연구에서 EEOI는 에너지절감시스템 사용으로 인한 연료절감율과 더불어 선박조종시뮬레이터를 이용한 에너지절감시스템사용 전후의 검증방안 지표 중 하나로 사용되었다.
성능/효과
BF 6 해상조건이 적용된 시나리오 4, 6 구간의 선속 감소량이 BF 3 해상조건 시나리오 1, 3, 6구간에 비해 크고, 기상⋅해상 조건이 선수사파로 작용하는 시나리오 4 구간의 선속 감소율이 가장 크게 나타나는 것을 알 수 있다. Fig.7 결과로부터 시스템 적용전 구간별 FOC 결과는 선수사파가 적용된 4 구간에서 세 선박 모두 연료소모량이 가장 높게 나타났다. 시스템 적용후 연료소모량 차이는 벌크선은 선수파가 적용된 2 구간에서 크게 나타났고, 컨테이너와 VLCC는 선수파와 선수사파가 적용된 2, 4 구간에서 크게 나타났다.
2 문서에 보였다(IMO, 2011). 결과에 따르면 대표적인 10개의 에너지절감수단에 대한 효과평가를 실시하고 총 10개의 서로 다른 선종에 적용한 결과를 보였다. SEEMP 가이드라인에서 제시한 절감수단 중 가장 큰 절감효과를 보인 것은 선속과 관련된 부분이었다.
특히, 시스템 적용 후의 선속 및 RPM 변화가 시스템 적용전과 비교하여 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 선수사파가 적용된 시나리오 4구간에서 선속 변화율이 가장 크게 나타나고 있음을 알 수 있다.
선박의 온실가스 배출량 지표를 나타내는 EEOI 지표는 모든 선종에 있어서 시스템 적용후에 감소하였음을 알 수 있다. 벌크, 컨테이너, VLCC 선종별 연료소모량은 시스템 적용전과 비교하여 적용후에 각각 8%, 11%,6.1%의 절감율을 보였다. 선종별 항해시간은 시스템 적용후 에세 선박 모두 ETA의 약 5% 정도로 증가하였다.
벌크, 컨테이너, VLCC 선종을 이용한 선박에너지절감시스템 성능평가 결과는 선박조종시뮬레이터를 사용하여 바람 및 파랑이 다르게 적용된 환경에서 세 선박 모두 시스템 사용전과 비교하여 사용후에 연료절감효과를 나타냈다. 하지만 단순한 수학 모델링에 따른 RPM별 선박조종시뮬레이터 연료소모량 산출 결과는 실제 운항선박의 실시간 부하변동을 반영한 정확한 연료소모량 산출 결과와는 차이가 있을 수 있으며, 향후 에너지절감시스템이 적용된 실선 운항선박의 장기적인 항차데이터를 기반으로 추가적인 성능평가 수행이 필요하다.
5에 나타낸다. 시스템 적용 전후의 선종별 RPM 변화 및 선속 변화는 세 선박 모두 BF 3의 해상상태를 적용한 1, 3, 5구간에서는 선속 및 RPM 변화가 작지만, BF 6구간의 해상상태를 적용한 2, 4, 6구간에서는 선속 및 RPM 변화가 비교적 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 특히, 시스템 적용 후의 선속 및 RPM 변화가 시스템 적용전과 비교하여 크게 나타나는 것을 알 수 있다.
7 결과로부터 시스템 적용전 구간별 FOC 결과는 선수사파가 적용된 4 구간에서 세 선박 모두 연료소모량이 가장 높게 나타났다. 시스템 적용후 연료소모량 차이는 벌크선은 선수파가 적용된 2 구간에서 크게 나타났고, 컨테이너와 VLCC는 선수파와 선수사파가 적용된 2, 4 구간에서 크게 나타났다.
후속연구
벌크, 컨테이너, VLCC 선종을 이용한 선박에너지절감시스템 성능평가 결과는 선박조종시뮬레이터를 사용하여 바람 및 파랑이 다르게 적용된 환경에서 세 선박 모두 시스템 사용전과 비교하여 사용후에 연료절감효과를 나타냈다. 하지만 단순한 수학 모델링에 따른 RPM별 선박조종시뮬레이터 연료소모량 산출 결과는 실제 운항선박의 실시간 부하변동을 반영한 정확한 연료소모량 산출 결과와는 차이가 있을 수 있으며, 향후 에너지절감시스템이 적용된 실선 운항선박의 장기적인 항차데이터를 기반으로 추가적인 성능평가 수행이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선박온실가스 규제를 위한 대표적인 국제규정은 무엇이 있는가?
이와 관련하여 IMO는 MARPOL협약을 개정하여 선박의 온실가스 저감에 대한 기준을 강제하는 상황이다. 최근 들어 발효된 선박온실가스 규제를 위한 대표적인 국제규정은 현존선의 선박운항효율에 초점을 맞춘 선박에너지효율관리계획 (SEEMP, Ship Energy Efficiency Management Plan)이 있다(IMO, 2013). 선박온실가스 규제를 위한 SEEMP 기술 중 선박 에너지절감을 위한 조치는 하드웨어적인 장비를 선박에 탑재하여 구현하거나, 항로최적화 및 선속최적화 등의 운항패턴 개선을 통한 소프트웨어적인 방식으로 구현 가능하다(Ballou, 2008; Pyorre, 2012).
선체저항개선을 위한 기술 중 하드웨어적인 장비 개조를 통해 구현되는 기술의 한계점은?
선박온실가스 규제를 위한 SEEMP (Ship Energy Efficiency Management Plan) 기술 중 선박에너지절감을 위한 조치는 하드웨어적인 장비를 선박에 탑재하여 구현하거나, 인적교육 및 운항패턴 개선 등과 같은 소프트웨어적인 방식으로 구현 가능하다. 선체저항개선을 위한 기술 중 하드웨어적인 장비 개조를 통해 구현되는 기술은 현존선에 적용하는데 장비의 규모 등에 의한 제약이 발생한다. 반면 소프트웨어적인 에너지절감기술의 구현은 저렴한 도입비용과 하드웨어적인 방식에 비해 높은 에너지 절감효과를 보이며, 선종에 크게 구애받지 않고 적용이 용이하다는 장점을 가지고 있어 IT 기술을 이용한 선박에너지절감기술이 요구되어지고 있다.
선박에너지절감시스템의 에너지절감기술 검증을 위한 성능시험은 어떤 절자로 수행되는가?
육상시험은 연료소모량 산출 기능을 제공하는 선박모델을 이용하여 선박조종시뮬레이터를 이용하여 에너지절감기술 적용 전후의 결과를 비교·분석하고, 기준 이상의 연료소모량 절감효과가 있는지 검증한다. 성능시험은 1) 개발업체 자료제출 2) 검증기관 도면심사 3) 실선 장비설치 4) 실선/시뮬레이터 성능검증의 절차를 따라 수행한다.
참고문헌 (11)
Ballou, P., Chen, H. and Horner, J. D.(2008), "Advanced Methods of Optimizing Ship Operations to Reduce Emissions Detrimental to Climate Change", MTS/IEEE Proceedings, pp. 1-12.
Fujiwara, T., Ueno, M. and Nimura, T.(2001), "An Estimation Method of Wind Forces and Moments Acting on Ships", Mini symposium on prediction of ship manoeuvring performance, pp. 83-92.
IMO(2009), Guidelines for Voluntary Use of the Ship Energy Efficiency Operational Indicator (EEOI), IMO MEPC.1/Circ.684.
IMO(2011), Air Pollution and Energy Efficiency - Estimated $CO_2$ Emissions Reduction from Introduction of Mandatory Technical and Operational Energy Efficiency Measures for Ships, IMO MEPC 63/INF.2
IMO(2013), Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP), MARPOL Annex VI, Reg.22.
MAN Diesel and Turbo(2012), Basic Principles of Ship Propulsion, MAN Diesel and Turbo, pp. 5-42.
Park, J. and Kim, N.(2014), "A Comparison and Analysis of Ship Optimal Routing Scenarios considering Ocean Environment", Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 51, No. 2, pp. 99-106.
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