[논문]대형 컨테이너선의 저속 운항 시 선수부 개조 전후 EEOI 변화에 대한 연구

박고용; 조권회

doi:10.5916/jkosme.2017.41.1.15

대형 컨테이너선의 저속 운항 시 선수부 개조 전후 EEOI 변화에 대한 연구
A study on the change of EEOI before and after modifying bulbous at the large container ship adopting low speed operation 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.41 no.1, 2017년, pp.15 - 20

박고용 (DNVGL) , 조권회 (Department of Offshore Plant Management, Korea Maritime and Ocean University)

초록
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국제해사기구(IMO)는 온난화의 원인인 온실가스 감축을 위한 강제 규제를 도입하여 시행을 하고 있다. 하지만 여전히 지구의 온난화는 진행 중에 있고, IMO는 빠른 시일 내에 SEEMP와 EEOI에 기반한 자발적인 이산화탄소 감축 방법을 강제화 하려는 움직임이 있다. 연료 및 이산화탄소 절감을 위해 대형 컨테이너 선박은 낮은 속도에서 운항을 결정하였다. 하지만 높은 선속으로 설계되어진 선수 구조는 오히려 선속 저하 때는 저항으로 작용하여 연료 절감 효과를 저해하는 현상을 발견하였다. 대형 컨테이너 선박의 저속화를 위해 선수 구상부를 개조하여 더욱더 높은 연료 절감을 시행하였다. 고속 대형선의 저속 운항에 적합한 선수 개조가 얼마나 효율적으로 운항선 에너지효율지수를 변하게 하는지를 개조 전후의 연료 소비량을 비교 검토하였다. 그 결과 예상했던 것보다 많은 이산화탄소 감축량을 확인하였다. 운항선 이산화탄소 감축 강제 규제가 시행된다면 고속선들의 연료 절감 방법의 하나로 효과적인 적용 방법으로 고려되어진다. 또한 연료절감형 운항 선박에 투자하여 에너지 효율적인 선박으로 운항하기 위한 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The International Maritime Organization(IMO) has adopted and implemented compulsory regulation for reducing greenhouse gas emission that cause global warming. However, with global warming underway, the IMO plans to enforce voluntary carbon dioxide emissions reduction based on the Ship Energy Efficient Management Plan and the Energy Efficiency Operational Indicator(EEOI) in the near future. Large container ships sail at low speeds in order to save fuel and reduce carbon dioxide emissions. However, bulbous bows designed for high-speed ships decrease fuel efficiency by acting as resistance when reduced speeds are adopted by large container ships. In order to adopt low-speed operations and increase fuel savings, the bulbous bow of a large container ship was modified into the proper shape and size. Fuel consumption was compared for checking the result of EEOI before and after modifying the bulbous bow adopted on low speed operation of large high-speed ships. The results confirmed much larger carbon dioxide emissions reduction than expected. If EEOI would be implemented as compulsory regulation for reducing carbon dioxide emissions, bulbous bow modification can be considered as one of the fuel saving methods for the high-speed ships.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 선박 에너지효율관리 계획서의 연료절감 방법 중 하나인 선수부를 적절한 운항 환경에 맞추어 개조¹⁾하였다[7]. 그리고 선수부 개조 전 후의 연료 절감 변화가 어떻게 되는지 운항선 에너지효율지수(EEOI)을 통하여 알아보고자 한다.
하지만 고속 운항선에 적합하게 설계된 선수는 저속에서는 오히려 연료소비율을 저하 시키는 역할을 한다. 본 논문에서는 선박 에너지효율관리 계획서의 연료절감 방법 중 하나인 선수부를 적절한 운항 환경에 맞추어 개조¹⁾하였다[7]. 그리고 선수부 개조 전 후의 연료 절감 변화가 어떻게 되는지 운항선 에너지효율지수(EEOI)을 통하여 알아보고자 한다.
하지만 가까운 미래에 운항선도 일정기간 동안 온실가스 감축 목표 설정이 강제 규제로 채택될 가능성이 매우 높다. 본 연구에서는 연료유 절감을 위해 고속 운항선이 장기간 저속 운항을 위해 선수부를 개조해 운 항한 결과를 요약하고 최종 결론은 다음과 같다.

제안 방법

(4) 고유가 시대에는 해운선사가 자발적으로 비용 절감을 목적으로 연료 절감방법을 개발하여 선박에 적용하였다. 또한 비용에 대한 회수율도 빨랐다.
설계 선속 27 노트 컨테이너선을 18 노트 이하로 장기간 저속 운항을 위해 주기관을 정격조정(engine de-rating)하였고, 선수부를 저속 운전에 적합한 구상선수로 변경하였다. 그리고 4대의 과급기 중 2대를 운항 속도에 적합하도록 차단 (cut-off)하고, 저속으로 일정 기간 운항한 후 연료 절감량을 측정 비교하였다.
대형 고속 컨테이너의 구상선수(bulbous bow)는 고속 운항 시 조파저항을 감소시켜주지만, 저속으로 운항 시에는 오히려 마찰저항을 증가시켜 연료소비율이 증가한다. 설계 선속 27 노트 컨테이너선을 18 노트 이하로 장기간 저속 운항을 위해 주기관을 정격조정(engine de-rating)하였고, 선수부를 저속 운전에 적합한 구상선수로 변경하였다. 그리고 4대의 과급기 중 2대를 운항 속도에 적합하도록 차단 (cut-off)하고, 저속으로 일정 기간 운항한 후 연료 절감량을 측정 비교하였다.
시험에 사용된 선박의 항차별 항해 거리와 연료 사용량에 대한 자료가 없어서, 변경된 식에는 정오보고서(noon report)에 의해 제공된 연료 소비량을 사용하였다. 총 연료 소비량(FC_jME∙AE÷24)은 정오보고서를 참조로 하루 동안 주기관 및 보조기관에서 사용된 소비량을 사용하였고, CO₂ 환산계수(C_Fj)는 3.
3%로 더 높게 나왔다. 이러한 현상을 극대화하고자 과급기 1대를 추가로 차단하였다. 위의 두 가지 모두를 도입하여 운전한 결과 14 노트로 저속 운전 시 연료 절감률이 [(A-C)/(A)] 무려 9.
(1) 고속 운항으로 설계된 대형 컨테이너선에서 연료 절감을 위해 장기간 저속 운항 시 선수부는 오히려 저항으로 작용하여 연료절감 효율을 저해하였다. 이러한 현상을 극복하고 더욱더 효율적인 운전을 위해 저속에 적합한 구상선수로 개조하였다.
이와 같이 저속에서 과급기 추가 차단으로 저속 운전 특성에 맞는 연료 절감 방법을 추가로 개발하였다.
114로 하였다. 적화용량(capacity)는 설계 시 컨테이너선에 사용되는 재화중량톤(deadweight)의 70% 를 적용하였고, V_noon는 측정 기간 동안 정오보고서의 평균 속도를 모든 데이터는 30개월 동안 수집된 Table 3의 하루 평균 연료 소비량 및 속도가 사용되었다.

이론/모형

적용하는 방법은 SEEMP에 등록되어 있든, 아니면 새로운 방법을 도입하던 그것에 대하여 결정된 것은 없다. 하지만 이산화탄소 감축 방법을 적용하고 일정 기간 운항 후 검증 방법은 IMO가 제시한 식 (1)을 사용할 것으로 예상된다.

성능/효과

(1) 고속 운항으로 설계된 대형 컨테이너선에서 연료 절감을 위해 장기간 저속 운항 시 선수부는 오히려 저항으로 작용하여 연료절감 효율을 저해하였다. 이러한 현상을 극복하고 더욱더 효율적인 운전을 위해 저속에 적합한 구상선수로 개조하였다.
(2) 대형 엔진을 낮은 출력으로 운전 시 장착된 4대의 과급기 중 2대를 차단하여 더욱 높은 이산화탄소 감축량을 얻었다. 하지만 20 노트이상에서는 오히려 감축량이 줄어들어 차단된 과급기 중 1대는 재사용 하였다.
(3) 저속운항을 위해 선수부가 개조된 선박에서 개조 전후 측정된 EEOI는 예상했던 이산화탄소 감소량 보다 많았다. 그 결과 비용 회수율도 예상했던 시간보다 빨랐다.
Table 6과 Table 7에서는 보듯이 선수 개조 후 동일 선속 16 노트에서 2대의 과급기 차단 후 운전 결과를 보여준다. 14 노트 속력으로 동일 조건에서 운전 할 때 보다 전체 연료 감소량은 조금 줄었으나, 여전히 과급기 차단 효과는 긍정적으로 작용 하고 있음을 보여주고 있다.
Table 4부터 Table 10에서 보듯이 저속 특성 운전 범위인 18 노트에 적합한 선수 개조 및 과급기 4대 중 2대를 차단하여 운전한 결과, 이 선박에 맞는 운전 특성을 찾을 수 있 었다. 18 노트에서 2대의 과급기를 차단 후 운전한 결과 오히려 전체 연료 사용량이 조금 증가하는 것으로 확인되어, 20 노트에서는 추가로 차단되었던 과급기를 다시 사용한 결과 오히려 절대 사용량은 줄어든 것을 확인하였다. 이와 같이 선박의 특성에 적합한 개조나 정비를 하면 많은 이산화탄소 배출량을 감축할 수 있는 것으로 확인되었다.
하지만 선속이 증가될수록 절감률이 현저히 저하됨을 볼 수 있었다. 개조 전의 절감률을 18 노트 선속 기준으로 3.7%로 예상하였으나 실제 운항 후 측정된 절감률이 5.3%로 더 높게 나왔다. 이러한 현상을 극대화하고자 과급기 1대를 추가로 차단하였다.
Table 8에서는 선수 개조 전후 동일 선속 18 노트에서 EEOI를 측정하였다. 개조 후 EEOI의 감소율은 5.2%였다. 또한 연료 감소량은 5.
Table 10에서는 선수 개조 전후 동일 선속 20 노트에서 EEOI를 측정하였다. 개조 후 EEOI의 감소율은 약 4.0%였 다. 또한 연료 감소량은 5.
Table 6에서는 선수 개조 전후 동일 선속 16 노트에서 EEOI를 측정하였다. 개조 후 EEOI의 감소율은 약 6.5%였다. 또한 이산화탄소 감소량은 하루 대략적으로 약 17.
Table 4에서는 선수 개조 전후 동일 선속 14 노트에서 EEOI를 측정하였다. 개조 후 EEOI의 감소율은 약 7.7%였다. 또한 이산화탄소 감소량은 하루 대략적으로 약 16.
0%였 다. 또한 연료 감소량은 5.5 톤으로 절대 감소량으로는 선 속 18 노트 최대량 5.7 톤보다 줄어드는 것을 확인하였다. 연료 감소를 위한 설계 목표치 속력보다 높은 영역에서 운전 시에는 연료 절감량이 줄어들었다.
7 톤보다 줄어드는 것을 확인하였다. 연료 감소를 위한 설계 목표치 속력보다 높은 영역에서 운전 시에는 연료 절감량이 줄어들었다. 또한 이산화탄소 역시 최대 감소량 보다 적지만 17.
7%/년 으로 계산되었다. 연료 절감 양은 전년 대비 약 1,040톤이며 투자비용회수 기간은 0.8년으로 계산되었다. 개조 비용은 설계비, 제작 및 취부 비용과 도면 승인 비용을 포함한다.
이러한 현상을 극대화하고자 과급기 1대를 추가로 차단하였다. 위의 두 가지 모두를 도입하여 운전한 결과 14 노트로 저속 운전 시 연료 절감률이 [(A-C)/(A)] 무려 9.9%대까지 높아진 것을 확인할 수 있었다. 또한 절대 감축량도 6.
18 노트에서 2대의 과급기를 차단 후 운전한 결과 오히려 전체 연료 사용량이 조금 증가하는 것으로 확인되어, 20 노트에서는 추가로 차단되었던 과급기를 다시 사용한 결과 오히려 절대 사용량은 줄어든 것을 확인하였다. 이와 같이 선박의 특성에 적합한 개조나 정비를 하면 많은 이산화탄소 배출량을 감축할 수 있는 것으로 확인되었다.

후속연구

하지만 최근 연료값이 하락하면서 비용 절감을 위한 자발적인 행위는 적어졌고, 비용 회수율도 늦어졌다. IMO에서 운항선 온실가스 감축 강제 규제를 채택하면, 연료값 및 비용 회수기간과 무관하게 이산화탄소 감축을 위한 적절한 방법을 각 운항선사 추가로 개발 적용해야만 한다는 결론을 얻었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연비 보고제도란?	국제해사기구(IMO)는 운항중인 선박의 이산화탄소 감축을 위한 새로운 강제 규칙 제정을 검토하고 있다[1]. 일정 규모 이상의 선박이 운항 시 연료 소비량 등 항해 자료를 보고하도록 하는 ‘연비 보고제도’를 도입하고 이를 토대로 배출가스를 줄이기 위한 새 규칙 제정에 나서려는 움직임이 있다[2]. IMO는 2013년부터 신조선에 이산화탄소 배출 감축을 위한 강제 규제를 새로 도입하였다.
	대형 고속 컨테이너 구상선수의 특징은?	대형 고속 컨테이너의 구상선수(bulbous bow)는 고속 운항 시 조파저항을 감소시켜주지만, 저속으로 운항 시에는 오히려 마찰저항을 증가시켜 연료소비율이 증가한다. 설계 선속 27 노트 컨테이너선을 18 노트 이하로 장기간 저속 운항을 위해 주기관을 정격조정(engine de-rating)하였고, 선수부를 저속 운전에 적합한 구상선수로 변경하였다.
	IMO가 2013년 도입한 이산화탄소 배출 감축을 위한 강제 규제가 현재까지 진행되지 못한 이유는?	IMO는 2013년부터 신조선에 이산화탄소 배출 감축을 위한 강제 규제를 새로 도입하였다. 하지만 운항 선박에 대한 이산화탄소 배출 규제는 선진국들과 개발도상국들 사이에 기술적인 차이로 현재까지 진행을 하지 못하고 있었다. 선박에너지효율 개선에 관한 기술이전 및 협력증진을 위한 논의는 MEPC 62차부터 꾸준히 제기되어 왔다 [3].

참고문헌 (9)

IMO MEPC/Circ.681, Interim Guidelines on the method of calculation of the Energy Efficiency Design Index for new ship (EEDI), 2009.
IMO, IMO update NO 7-2016 / April, IMO MARINE ENVIRONMENTAL PROTECTION COMMITTEE, 69th Session, p. 2, 18 to 22 April 2016.
IMO, MEPC 65/4/25, Comments on the draft MEPC resolution on Promotion of Technical Co-operation and Transfer of Technology relating to the improvement of Energy Efficiency of Ships , 24 May 2013.
IMO, MEPC 69th session, MEPC 69/21, Further Technical and operational measures for Enhancing Energy Efficiency of International shipping, p. 27, 13th May 2016.
IMO MEPC/Circ.683, Guidance for the development of a Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP), 2009.
IMO MEPC/Circ.684, Guidelines for voluntary use of the Ship Energy Efficiency Operational Indicator (EEOI), 2009.
Ships are getting new bulbous bow to save fuels, http://www.green4sea.com/ships-are-getting-new-bulbous-bow-to-save-fuels, Accessed December 29, 2016.
Magazine of ASIASIS(Daily Shipbuilding & Offsore), ICS, CO2 50% reduction until 2050, 2015-09-25 ( in Korean)
IMO, Third IMO Greenhouse Gas Study 2014, Executive Summary and Final Report, International Maritime Organization, London, p. 280, 2014.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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