이상훈 교수팀, 차세대 친환경 선박 연료 전환 전략의 핵심 분석 체계 구축
이상훈 교수
기후에너지시스템공학과
연료 생산부터 운항까지 전 과정 분석…해운산업 탈탄소화 위한 전략 제시
열역학 분야 세계적 권위지 <Energy Conversion and Management> 게재
기후에너지시스템공학과 이상훈 교수 연구팀이 디젤· LNG·메탄올·암모니아·수소 등 차세대 친환경 선박 연료와 추진 시스템의 경제성·환경성을 동일한 기준에서 종합 비교할 수 있는 통합 분석 체계를 구축했다.
이번 연구는 국제해사기구(IMO)의 온실가스 및 대기오염물질 규제가 전방위로 확대되는 가운데, 다양한 대체 연료와 추진 기술을 경제성·환경성 측면까지 종합적으로 평가할 수 있는 분석 체계를 제시한 연구로 평가된다. 특히 본 연구 결과는 한국수소및신에너지학회, 한국해양과학기술협의회(대한조선학회) 등에서 다수의 우수논문발표상을 수상하며 학술적 우수성을 인정받았다. 연구 결과를 담은 논문은 세계적인 학술지 <Energy Conversion and Management)> (IF 10.9, 열역학 분야 상위 1.9%)에 6월 8일(월) 온라인 게재됐다.
이상훈 교수 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 선박 엔진 내부에서 일어나는 복잡한 연소 반응 과정을 반응속도 기반 정밀 추적하는 기법을 적용했다. 이를 통해 단순히 이론적 계산(열역학적 평형)에 의존했던 기존 방식보다 실제 온실가스 및 대기오염물질 배출량을 훨씬 정확하게 예측할 수 있게 됐다. 연구팀은 이 기법을 바탕으로 차세대 친환경 추진 기술인 대체 연료 기반 엔진 및 고체산화물연료전지(SOFC) 시스템 모델링, 기술 경제성 분석, 전과정평가를 하나로 묶어 추진 성능과 비용, 환경 영향을 한 번에 계산하는 종합 분석 시스템을 구축해냈다.
연구팀이 자체 개발한 이 시스템으로 비교·분석한 결과, 선박 운항 단계에서의 온실가스 배출량은 디젤, 메탄올, LNG, 암모니아 순으로 감소하는 것으로 나타났으며 암모니아 추진 시스템은 최대 94.2%의 온실가스 감축 효과를 보였다. 또한 LNG는 대기오염물질(질소산화물) 배출량이 상대적으로 낮은 반면, 암모니아 엔진은 국제 배출 규제를 맞추기 위해 선택적 촉매환원장치(SCR)와 같은 후처리 설비가 필수적인 것으로 분석됐다.
차세대 친환경 선박 연료 전환 전략 분석 체계 연구 개념도
전과정 비용을 고려한 경제성 분석에서는 현재 상용화된 LNG 추진 선박이 가장 경제적인 것으로 나타났다. 반면 SOFC 추진 선박은 수소 연료를 생산하고 공급하는 비용이 아직 높아 전체 비용이 가장 많이 드는 한계가 있었다. 아울러 연료의 생산 과정까지 포함해 환경성 평가한 결과, 화석 연료 기반으로 만든 암모니아와 수소는 생산 시 발생하는 배출량 탓에 전체 온실가스가 크게 증가했다. 재생에너지 기반의 그린 암모니아와 그린 수소는 전과정 온실가스 배출량을 87~91%까지 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
이번 연구는 연료 생산부터 선박 운항까지 전 과정을 고려해 다양한 차세대 선박 추진 기술을 동일한 기준에서 비교·평가한 최초의 통합 분석 사례다. 향후 해운 업계가 친환경 연료를 도입하고 탈탄소화 경로를 수립할 때 실질적인 정량적 의사결정 도구로 활용될 것으로 기대된다.
이번 연구는 해양수산부 산하 해양수산과학기술진흥원의 지원을 받아 수행됐다. 연구「화학 공정 모델링을 통한 대안 해양 추진 시스템의 기술·경제적 및 환경적 분석(Techno-economic and environmental analysis of alternative marine propulsion systems through chemical process modeling)」라는 제목으로 <Energy Conversion and Management)>에 게재된 연구논문은 이상훈 교수가 교신저자로 주도하고, 강소영 석사가 제1저자로 이름을 올렸다.
(왼쪽부터 강소영 석사, 이상훈 교수)