선박 해상풍력추진 시스템 개요
국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)는 지구온난화 방지를 위한 전 세계의 합의 사항인 파리협정에 발맞추기 위해 선박으로부터 배출되는 CO2 배출량을 저감하고자 한다. 최근 2023년 7월 개최한 국제해사기구 제80차 해양환경보호위원회(MEPC 80)에서 2050년까지 국제해운 온실가스 (GHG) 순배출량의 Net-Zero 목표를 기존 2018년 목표치에서 상향 조정하였다. 탄소배출량 저감을 위한 친환경 선박으로의 조선·해운시장 패러다임 전환이 가속화됨에 따라 친환경 대체 연료추진 시스템 기술 및 무탄소 연료추진 시스템 개발이 진행되고 있다. 현재 LNG와 메탄올을 연료로 활용한 추진선이 발주되고 있고, 수소와 암모니아 등을 대체 연료로 한 친환경 선박의 개발이 활발히 진행 중이다. 이와 더불어 풍력 에너지를 활용한 풍력추진 시스템 기술개발이 국내외로 진행 중이다.
풍력 에너지를 활용하여 추진하는 대표적인 선박의 해상 풍력추진 시스템에는 로터 세일(rotor Sail), 윙세일(Wing Sail), 패러포일형(Parafoil)이 있다. 이는 기존의 연료와 더불어 사용하는 보조적인 수단으로 선박 연비를 절감하는 경제적인 효과뿐만 아니라 선박의 온실가스 배출을 저감할 친환경 선박 기술로써 주목받고 있다. 특히 로터 세일 기술은 100여 년 전부터 풍력을 이용한 선박 보조추진 시스템으로 이미 상용화된 기술이다.
▶ 로터 세일의 원리는 ‘마그누스 효과(Magnus Effect)’로 알려진 공기 역학적 현상에 의존한다. 기류 내에서 실린더가 회전함에 따라 풍향에 수직인 전방 추력이 생성되어 선박에 추가 추력을 전달한다. 생성된 추력은 추가적인 선박 속도를 제공하거나 주 엔진의 동력을 줄여 속도를 유지할 수 있다.
● 마그누스 효과: 유체 속에서 회전하는 물체의 회전축이 유체의 흐름에 수직일 때, 유속 및 물체의 회전축에 대해 수직 방향의 힘이 생기는 현상으로, 시계 방향으로 회전하는 로터 세일의 전면은 오른쪽에서 부는 바람과 같아 압력은 낮아진다. 반대로 로터 세일의 후면은 바람과 마주치므로 압력이 높아진다. 베르누이의 정리에 따르면, 고압에서 저압으로 힘이 작용하면 배의 방향과 같은 방향으로 힘이 더해지면서 훨씬 더 강력한 추진력을 얻게 된다.
최신 로터 세일 시스템 데이터에 따르면, 이 기술은 연료를 최대 30%까지 절약할 수 있다. 대부분의 현대식 로터 세일은 모든 유형의 기존 선박에 쉽게 개조하여 설치할 수 있다는 장점이 있지만 크기와 중량이 적지 않다는 난제가 있다.
▶ 윙 세일은 고전적인 사각 돛의 형태 구조물로써 공기 역학적 힘을 생성하도록 조정할 수 있다.
● 일본 선주들은 1980년대에 이 기술을 적용했지만, 운영상의 문제에 부딪혀 프로젝트가 중단되었고 최근 Mitsui O.S.K가 이끄는 ‘Wind Challenger Project’로 개발이 다시 시작되었다. 대형구조물이 전방 시야를 가린다는 문제를 해결하기 위한 세부 연구가 함께 진행 중이다.
▶ 패러포일형은 풍력 에너지를 활용하는 거대한 연(Giant-kite) 모양을 한 보조 풍력추진 장치로 정지된 돛이나 연보다 10배 이상의 견인력을 생성하기에 상용화 연구개발이 활발히 진행 중이다.
● 프랑스 스타트업 회사인 Airseas는 2022년 12월, 2,700제곱피트 규모의 패러포일 연 ‘SeaWing’을 Ville de Bordeaux(프랑스의 선박 운송 회사)에서 성공적으로 테스트하였다. 또한 일본 해운 회사 K Line과 448척의 선박 중 50척에 SeaWing 시스템을 설치하는 20년 계약을 체결하였다.
국내외 기술개발 동향 및 산업 현황
1) 국외 동향
해외의 로터 세일 회사는 영국 아네모이 마린(Anemoi Marine)·독일 에너콘(Enercon)·핀란드 노스파워 (Norsepower)사의 주도로 이미 상용화된 제품을 판매하고 있다.
▶ 핀란드 노스파워사는 현재까지 유조선, 벌크선, 여객선, Ro-Ro선 등 총 6척에 대한 시험 및 실선 적용 실적을 가지고 있는 로터 세일 분야의 선두기업이다.
● 2018년 9월부터 2019년 8월까지 Maersk사의 유조선에 2개의 로터 세일을 설치하여 시험한 결과 8.2%의 비용 절감을 기록하였으며, 이는 약 1,400톤의 C02 절감효과에 해당된다.
● IINO Kaiun Kaisha(IINO LINES)와 Electric Power Development(J-POWER)는 핀란드 노스파워사 에서 제조한 높이 4m, 직경 4m의 로터 세일을 전용 석탄 운반선 Yodohine에 설치할 예정이다.
▶ 독일 에너콘사는 풍력 에너지 부문의 세계 선두기업 중 하나로 E-Ship 1은 2008년 출시된 로터 4개 (각 로터는 높이 25m, 직경 4m)가 탑재되어 항해하는 선박이다. 선박의 길이가 130m이고 최고 속력은 17.5노트(knot)(약 9m/s)이다. 배기가스 보일러는 하류 증기 터빈에 연결되어 Flettner 로터를 구동 한다.
▶ 영국 아네모이사에서는 3가지 로터 세일 시스템을 개발하여 적용한다.
● Folding system: 로터 세일을 수직에서 수평으로 접을 수 있는 형태로 선박의 air draft 확보가 필요한 항로를 항해하는 선박에 적합
● Transverse rail system: 갑판을 가로지르는 레일에 설치된 로터 세일 시스템으로 이동이 가능한 형태로 주로 벌크선에 적합
● Longitudinal rail system: 갑판을 따라 설치된 레일에서 이동할 수 있는 로터 세일 시스템으로 주로 벌크선에 적합
2) 국내 동향
국내 대형조선소를 중심으로 중견기자재업체와의 협력을 통해 로터 세일 국산화가 진행 중이며, 이미 국내 대형조선소는 로터 세일 개발을 완료하여 선박에 적용을 위한 설계 인증을 마친 상태이다.
▶ 현대중공업은 2020년 12월 윙 세일 풍력보조 추진장치를 개발해 DNV선급의 기본인증(AIP, Approval in Principle)을 획득하였고, 2022년 8월 국내 최초로 로터 세일의 독자모델 ‘하이로터 (Hi-Rotor)’에 대한 한국선급 설계승인(Design Aproval)을 획득하였다.
▶ 한화오션은 국내 조선업계 최초로 로터 세일의 자체생산을 목표로 현재 선박에 적용하기 위한 DNV 선급의 AIP를 획득하였다. 경남 거제에 구축한 로터 세일 실증 센터와 국내 조선업계 최초로 제작한 높이 30m, 직경 5m의 로터 세일 시제품을 공개한 바 있으며, 조선업 재도약을 위한 연구개발 사업에 국비 50억 원을 포함한 총 73억 원의 사업비를 투입할 예정이다.
▶ KRISO가 세계 최초로 개발한 마그네틱 베어링 방식 로터 세일은 2022년 12월 한국선급(KR)에서 AIP를 획득해 기술력을 공식 인정받았으며, 2023년 7월 개최한 국제해사기구 제80차 해양환경보호 위원회(MEPC 80) 회의에서 정보 문서로 제출하였다.
주요 표준 트렌드 및 향후 표준 개발 전망
▶ 로터 세일은 100년 이상의 기술로 다수의 특허는 존재하나, 선박에 사용되는 연료의 저렴한 가격 등으로 인해 대중화 및 상용화되지 않았으며, 상용화하기 위한 성능기준 및 제품에 대한 품질기준 등도 부재한 실정이다.
선박 풍력추진 시스템 관련 국제표준화 위원회는 다음과 같다.
해당 위원회에서는 해상풍력 에너지, 풍력발전 시스템의 설계요건, 풍력터빈의 상태 모니터링 및 진단과 관련된 표준은 일부 개발되었으나, 로터 세일과 같은 풍력추진 시스템의 실증 시험을 위한 표준은 부재한 상황이다.
● IEC 61400-3-1/2: 고정식/부유식 해상 풍력터빈에 대한 최소 설계 요구사항을 설명하며 풍력추진 시스템 개발에 활용 가능, 해상 풍력터빈의 설계, 제조, 조립, 설치, 설치 시 운전, 작동 및 유지 관리에 대해 참고 가능
● IEC 61400-12-1: 해당 표준은 풍력터빈의 전력 성능 특성 평가 절차를 정의하고 있어 풍력추진 시스템의 핵심 부품 개발에 활용 및 풍력터빈에 대한 전력 성능 시험 측정, 분석 및 보고에 대한 지침 참고 가능
● IEC 61400-21-1: 풍력터빈의 전기적 특성에 대한 풍력터빈 사양 및 기능, 전압 품질 등 풍력추진 시스템의 실증 기술개발에 참고 가능
● ISO 16079-1: 해당 표준은 풍력터빈의 상태 모니터링 및 진단에 대한 내용을 포함하고 있어 풍력추진 시스템의 실증 기술개발에 참고 가능
맺음말 및 제언
국제 환경규제 강화로 해양 환경규제가 강화되고 있으며 이에 대응하기 위해 선박의 추진력에 직접적으로 기여하는 풍력 에너지를 활용한 탄소배출 절감 기술을 제시하였다. 조선업계에서는 현재 세계적인 탄소중립 기조에 따른 친환경 선박 연료의 기술개발과 더불어 연료 사용량 자체를 줄이는 로터 세일 기술 개발의 중요한 시점으로 보고 있다. 친환경 선박 풍력추진 시스템 실증 시험을 위한 국제표준이 현재 ISO TC8(선박 및 해양 기술) 분과에서 개발되고 있다. 국제 인증기준에 부합하는 로터 세일 성능 시험절차를 국제표준으로 제정함으로써 공인 시험 서비스 제공을 위한 기반이 마련될 것으로 기대된다.
