중형 선박용 하이브리드 발전 시스템, 산·연 협력으로 개발 국제해사기구(IMO) 환경 규제 대응 솔루션으로 적용 가능 해양 분야의 온실가스 배출 저감을 위해 국제해사기구(IMO)가 환경 규제를 강화하면서, 고부가·친환경 선박이 조선(造船)산업의 트렌드로 자리했다. 한국의 조선산업이 초격차 경쟁력을 유지하려면 글로벌 규제에 부합하는 선박 장비들이 필요한 시점이다. 산업통상자원부 산하 전문생산기술연구원인 한국조선해양기자재연구원은 국책과제를 받아 연료전지와 공조 분야의 국내 기업과 협력해 1만t급 이하 중형 선박용 고체산화물 연료전지 하이브리드 발전 시스템(이하 하이브리드 발전 시스템)을 개발하고, 육상 및 해상 실증 단계를 진행하고 있다. 하이브리드 발전 시스템 개발을 총괄한 한국조선해양기자재연구원(이하 연구원)의 최성윤 책임연구원과 과제를 함께한 (주)에프씨아이, (주)프라즈마사이언스를 최근 서울시 삼성동 코엑스(COEX)에서 열린 ‘2022 대한민국 산업기술 R&D 대전’에서 만났다. IMO 규제에 대응 가능한 하이브리드 발전 시스템 최성윤 책임연구원은 “선박에서 사용하는 연료는 대부분 MDO(Marine Diesel Oil)인데, 이를 LNG로만 바꿔도 이산화탄소 배출량을 20~30% 감축시킬 수 있다”고 말했다. LNG는 친환경 연료로 최근 선박의 엔진 연료 등에 사용되고 있다. 그러나 IMO의 규제 강화에 대응하기 위해서는 더 높은 효율을 가진 발전원이 필요하기 때문에, 하이브리드 발전 시스템이 규제 대응 솔루션으로 적용할 수 있다는 것이 최 책임연구원의 생각이다. 하이브리드 발전 시스템은 바이퓨얼(Bi-Fuel) 타입의 내연기관, 해상용 연료전지, 연료전지/배터리(ESS) 전력변환 장치와 통합 전력 제어시스템을 하나로 구성한 모듈이다. 하이브리드 발전 시스템의 연료전지/배터리 전력변환장치는 프라즈마사이언스가 개발했다. 프라즈마사이언스의 김유진 연구원은 36kW SOFC+50kW ESS 패키지를 통해 연료전지가 생산한 DC(직류) 전력의 전압을 키우거나 AC(교류)로 변환하는 등 부하 가변 시 상황에 맞게 제어할 수 있다고 설명했다. 하이브리드 발전 시스템의 핵심인 고체산화물 연료전지(SOFC)는 청정에너지 솔루션 기업 에프씨아이가 해상에서도 사용할 수 있도록 개발했다. 소형 건물이나 공장 등에서 필요한 전기를 생산하는 연료전지에서 출발해 해상 선박용 연료전지까지 개발한 에프씨아이의 김태희 전문위원은 “한국가스안전공사(KGS)의 검증에서 전기효율 55% 이상, 열효율 40%를 만족한다는 결과를 받았다”고 기술력을 밝혔다. 그러나 해상은 육상과 다른 환경이기 때문에 일부 개량이 필요했다. 이에 에프씨아이는 육상용 연료전지의 내부 구조 설계를 변경하고, 발전량의 변화에도 유연성을 갖는 기술 등을 적용했다. 해양 특유의 염수나 고온다습한 환경 등의 조건에서도 견딜 수 있도록 국제 표준에 맞춰 제작, 확인 테스트를 거쳐 한국선급(KR) 인증도 받았다. 에너지 분야에서 효율이 높다는 것은 동일한 전력을 생산할 때 연료가 적게 필요하다는 뜻이다. 최 책임연구원은 “연료를 적게 사용하는 만큼 이산화탄소 등과 같은 오염원의 배출도 줄일 수 있어 환경 규제 대응에 유리하다”고 했다. 이어 “하이브리드 발전 시스템의 기술 개발 완료 케이스는 전 세계적으로 한 케이스 밖에 없다. 그만큼 빠르게 국산화한 것”이라며 육상에서의 실증 테스트를 완료하고 해상 실증 테스트를 앞두고 있다고 부연했다. 수출에 기여할 수 있는 R&D 국내 기술력으로 완성한 하이브리드 발전 시스템은 중량이 있기 때문에 중형 선박 이상급부터 적용하는 것이 적절하다고 밝힌 최 책임연구원은 시스템의 해상 실증을 완료하고, 더 큰 용량으로 구축한다면 LNG 연료추진선에도 바로 탑재가 가능하다고 판단했다. 특히, 고체산화물 연료전지는 LNG뿐만 아니라 무탄소 연료라고 불리는 암모니아까지도 연료로 사용할 수 있다. 하이브리드 발전 시스템을 선박에 탑재했다면, 향후 내부의 일부 부품만 교체하면 연료를 바꾸기만 해도 IMO가 요구하는 이산화탄소 감축 목표를 바로 달성할 수 있다는 것이 최 책임연구원의 설명이다. 최 책임연구원은 “하이브리드 발전 시스템을 선박용으로 개발했다는 사실만으로도 국내에서는 굉장히 큰 의미를 가진다”면서 “개인적으로 이 시스템에 많은 기대를 하고 있다. 고체산화물 연료전지와 관련해 국내 조선 3사가 이미 AIP(Approval in Principle) 승인을 획득했기 때문에, 하이브리드 발전 시스템이 해상 실증을 완료하고 실제 선박에 탑재되면 수출에도 큰 기여를 할 수 있을 것”이라고 전망했다.

중형 선박용 하이브리드 발전 시스템, 산·연 협력으로 개발

국제해사기구(IMO) 환경 규제 대응 솔루션으로 적용 가능

기사입력 2022-12-16 17:15:10

[산업일보]
해양 분야의 온실가스 배출 저감을 위해 국제해사기구(IMO)가 환경 규제를 강화하면서, 고부가·친환경 선박이 조선(造船)산업의 트렌드로 자리했다. 한국의 조선산업이 초격차 경쟁력을 유지하려면 글로벌 규제에 부합하는 선박 장비들이 필요한 시점이다.

산업통상자원부 산하 전문생산기술연구원인 한국조선해양기자재연구원은 국책과제를 받아 연료전지와 공조 분야의 국내 기업과 협력해 1만t급 이하 중형 선박용 고체산화물 연료전지 하이브리드 발전 시스템(이하 하이브리드 발전 시스템)을 개발하고, 육상 및 해상 실증 단계를 진행하고 있다.

하이브리드 발전 시스템 개발을 총괄한 한국조선해양기자재연구원(이하 연구원)의 최성윤 책임연구원과 과제를 함께한 (주)에프씨아이, (주)프라즈마사이언스를 최근 서울시 삼성동 코엑스(COEX)에서 열린 ‘2022 대한민국 산업기술 R&D 대전’에서 만났다.

IMO 규제에 대응 가능한 하이브리드 발전 시스템

최성윤 책임연구원은 “선박에서 사용하는 연료는 대부분 MDO(Marine Diesel Oil)인데, 이를 LNG로만 바꿔도 이산화탄소 배출량을 20~30% 감축시킬 수 있다”고 말했다.

LNG는 친환경 연료로 최근 선박의 엔진 연료 등에 사용되고 있다. 그러나 IMO의 규제 강화에 대응하기 위해서는 더 높은 효율을 가진 발전원이 필요하기 때문에, 하이브리드 발전 시스템이 규제 대응 솔루션으로 적용할 수 있다는 것이 최 책임연구원의 생각이다.

하이브리드 발전 시스템은 바이퓨얼(Bi-Fuel) 타입의 내연기관, 해상용 연료전지, 연료전지/배터리(ESS) 전력변환 장치와 통합 전력 제어시스템을 하나로 구성한 모듈이다.

하이브리드 발전 시스템의 연료전지/배터리 전력변환장치는 프라즈마사이언스가 개발했다.

프라즈마사이언스의 김유진 연구원은 36kW SOFC+50kW ESS 패키지를 통해 연료전지가 생산한 DC(직류) 전력의 전압을 키우거나 AC(교류)로 변환하는 등 부하 가변 시 상황에 맞게 제어할 수 있다고 설명했다.

(주)프라즈마사이언스의 전력 변화기(전력변환장치 내부 구성)

하이브리드 발전 시스템의 핵심인 고체산화물 연료전지(SOFC)는 청정에너지 솔루션 기업 에프씨아이가 해상에서도 사용할 수 있도록 개발했다.

소형 건물이나 공장 등에서 필요한 전기를 생산하는 연료전지에서 출발해 해상 선박용 연료전지까지 개발한 에프씨아이의 김태희 전문위원은 “한국가스안전공사(KGS)의 검증에서 전기효율 55% 이상, 열효율 40%를 만족한다는 결과를 받았다”고 기술력을 밝혔다.

그러나 해상은 육상과 다른 환경이기 때문에 일부 개량이 필요했다. 이에 에프씨아이는 육상용 연료전지의 내부 구조 설계를 변경하고, 발전량의 변화에도 유연성을 갖는 기술 등을 적용했다. 해양 특유의 염수나 고온다습한 환경 등의 조건에서도 견딜 수 있도록 국제 표준에 맞춰 제작, 확인 테스트를 거쳐 한국선급(KR) 인증도 받았다.

에너지 분야에서 효율이 높다는 것은 동일한 전력을 생산할 때 연료가 적게 필요하다는 뜻이다.

최 책임연구원은 “연료를 적게 사용하는 만큼 이산화탄소 등과 같은 오염원의 배출도 줄일 수 있어 환경 규제 대응에 유리하다”고 했다. 이어 “하이브리드 발전 시스템의 기술 개발 완료 케이스는 전 세계적으로 한 케이스 밖에 없다. 그만큼 빠르게 국산화한 것”이라며 육상에서의 실증 테스트를 완료하고 해상 실증 테스트를 앞두고 있다고 부연했다.

(주)에프씨아이의 고체산화물 연료전지

수출에 기여할 수 있는 R&D

국내 기술력으로 완성한 하이브리드 발전 시스템은 중량이 있기 때문에 중형 선박 이상급부터 적용하는 것이 적절하다고 밝힌 최 책임연구원은 시스템의 해상 실증을 완료하고, 더 큰 용량으로 구축한다면 LNG 연료추진선에도 바로 탑재가 가능하다고 판단했다.

특히, 고체산화물 연료전지는 LNG뿐만 아니라 무탄소 연료라고 불리는 암모니아까지도 연료로 사용할 수 있다. 하이브리드 발전 시스템을 선박에 탑재했다면, 향후 내부의 일부 부품만 교체하면 연료를 바꾸기만 해도 IMO가 요구하는 이산화탄소 감축 목표를 바로 달성할 수 있다는 것이 최 책임연구원의 설명이다.

최 책임연구원은 “하이브리드 발전 시스템을 선박용으로 개발했다는 사실만으로도 국내에서는 굉장히 큰 의미를 가진다”면서 “개인적으로 이 시스템에 많은 기대를 하고 있다. 고체산화물 연료전지와 관련해 국내 조선 3사가 이미 AIP(Approval in Principle) 승인을 획득했기 때문에, 하이브리드 발전 시스템이 해상 실증을 완료하고 실제 선박에 탑재되면 수출에도 큰 기여를 할 수 있을 것”이라고 전망했다.