전기선박

마스터볼트코리아가 국내 최초로 개발한 순수전기추진선.

친환경 전기선박 구성도. 해양수산부 제공.

전기선박은 신재생에너지 분야에 속하는 기술로, 전기 추진 장치에 의해 추진되는 선박을 의미한다. 전기추진선, 전기추진선박이라고도 한다. 완전 전기선박은 배터리 시스템에 의해 선박이 구동되며 하이브리드 선박은 선박을 구동하기 위한 배터리 시스템을 갖추고 있으며, 고전력 요구 시 또는 배터리 소모 시 배터리 시스템을 백업하기 위한 디젤 발전기를 갖추고 있다.

전기식 추진 시스템은 배터리에 저장된 전력이나 발전기로부터 공급된 전력을 이용해 추진 모터를 구동하는 방식이다. 이와 같은 시스템은 현재 디젤 엔진으로부터 나오는 미세먼지 차단은 물론 연료비용도 저렴한 장점이 있다. 또한, 추진 모터의 소음과 진동이 적고 설치 위치도 자유롭기 때문에 설계의 유연성도 매우 높게 평가되고 있다.

세계적으로 전기선박의 선두주자는 유럽의 노르웨이다. 노르웨이는 피오르드에 현재 전기선박을 운항하면서 전기선박 이정표를 만들고 있다. 최근에는 유럽, 대만, 일본, 중국 등의 조선업계들도 힘을 모아 친환경 선박 기술을 개발 중인 것으로 알려졌다. 중국의 경우 2021년 7월 CATL의 배터리를 탑재한 전기선박 '양쯔강 샨사(长江三峡1) 1호'가 건조를 완료했다. 한국에서는 한국조선해양이 전기선박 건조에 나서며 친환경 선박 시장 선점에 나서고 있다.

개요

전기추진선은 전기에너지로 추진 모터를 회전 시켜 프로펠러와 같은 추진 장치를 구동하는 선박을 말하며, 종래의 내연기관을 이용하는 기계식 추진 선박에 비해 많은 장점을 가지고 있다. 일반적으로 발전기를 가동 시켜 생산되는 전기에너지로 추진 모터를 작동 시키는 방법을 사용하였나, 환경 규제가 강화되고 배터리 기술이 발전함에 따라 전기 자동차와 같이 배터리에 저장된 전기에너지를 이용하여 추진 모터를 구동하는 방법으로 더욱 보편화되고 있다.

배경

우리나라 또한 2020년 1월부터 "환경친화적 선박의 개발 및 보급 촉진에 관한 법률(약칭: 친환경선박법)"이 시행되었다. 그 중 친환경선박법 제13조를 보면 관공서 및 공공기관에서의 선박을 조달하는 경우 친환경 선박으로 구입하여야 한다며 친환경 추진시스템의 적용을 의무화 하였다. 또한 해양수산부(장관 문성혁) 는 지난 2020년 12월 산업통상자원부와 공동으로 발표한 '제1차 친환경선박 개발•보급 기본계획(2021~2030년)'에 따라 2021년 친환경선박 보급 시행 계획을 2021년 1월에 수립하여 고시했다. 정부 및 지방자치단체는 수립된 보급 시행 계획에 따라 24개 사업에 약 2,050억원 규모의 예산을 투입해 공공선박 23척과 민간선박 16척 등 총 39척을 친환경선박으로 전환하도록 지원할 것이라 발표하면서 친환경선박 패러다임 변화에 대응하기 위해 계속해서 다양한 보급 및 지원 방침을 마련해나가고 있다.

대한민국 1호 전기추진선

대한민국 최초로 전기추진선박이 설계 및 건조되었는데 그것이 바로 대한민국 충주시에 있는 상용전기추진 유람선인 "탄금호일렉트릭"이라는 선명을 가진 "탄금호태양광유람선"이다. 탄금호일렉트릭은 하이브리드 유람선으로 "HYBRID"라는 뜻은 태양광과 배터리의 결합을 의미한다. 즉 쉽게 말해 두 가지의 친환경 에너지를 이용하는 친환경 전기선박이다. 탄금호일렉트릭 외에도, 여러 기업에서 전기추진선과 관련하여 많은 시도가 있었다. 하지만 모두 기업 R&D 과제, 개념설계 또는 규제자유특구 내에서 이루어진 단순 과제용 소형 실험선에 불과하였다. 하지만 상업용 전기추진유람선인 탄금호일렉트릭은 *국제선급협회(IACS)의 멤버이자 대한민국 정부대행 선박 검사 기관인 BV(뷰로베리타스) 선급규정과 국내 법규를 만족하는 대한민국 1호 전기추진선이며, 실제 상용선박이다. 현재 대한민국에서 법적으로 상업 운항 허가가 있는 선박은 탄금호일렉트릭이 유일하다. 해당 선박의 길이 (LOA)는 26m이며 총톤수 55t인 유람선으로 건조 되었다. 유람선 카테고리는 안전을 최우선으로 하기 때문에 건조시 따라야 하는 관련 선급규정이나 법령규범이 모든 선박의 범주 중에 가장 까다롭다. 이 탄금호일렉트릭은 2021년 9월 10일 인증서를 취득한 국내최초 친환경선박이자 전기추진선박이다.

개발 및 건조

국내 최초 상업용 전기추진선박인 "탄금호일렉트릭"의 운항은 코리아크루즈에서 맡았으며 시행사 및 배를 건조한 조선소는 한국메이드이다. 배의 외관 모양을 담당하는 기본 설계는 온누리선박설계, 전장시스템은 마스터볼트코리아, 인테리어 디자인은 빈센에서 맡았다.

특히 전기추진선의 중추적인 역할을 하는 전기추진 시스템과 배터리 시스템 및 선내 충전시스템을 포함한 모니터링 시스템은 친환경선박 시스템 전문 기업인 마스터볼트코리아에서 맡아 진행되었다. 또한, 계류장 정박 시 선내 일반 부하사용과 추진 배터리 충전용 전력을 공급하는 육상전원공급장치(AMP) 시스템의 경우, 선박과 짝을 이루어야 되므로 마스터볼트코리아에서 공급하였고, 선박을 정박할 수 있는 계류장 및 한전의 전력 공급 라인 구축은 충주시에서 맡았다. 이 탄금호태양광유람선은 아주 넓은 시각에서 보면 대한민국 민간과 관공서에서 합작한 첫 친환경 선박이라 할 수 있다.

이 전기추진선박은 태양광 및 전기 공급원으로부터 충전 받은 전기에너지를 동력원으로 상용하기 때문에 친환경선박법에 의거 친환경선박이라 할 수 있으며, 국내 최초 내수면에서 사용될 친환경선박으로 선체 재질 또한 친환경소재인 알루미늄이다. 총 72명의 승객을 태우고 총톤수 55t에 육박하는 무게임에도 전기모터의 장점인 높은 토크(회전력)를 최대한 이용하여 40kW 전기모터 2대로 6노트 이상의 속도로 운항이 가능하다. 또한 전기추진선의 중요한 요소 중 하나인 충전은 육상전력을 직접 선박으로 공급하는 육상전원공급장치(AMP)를 통해 약 50분만에 충전이 가능하다. 이 선박은 충주시 탄금호를 가로지르며 운항하고 있다.

특징

발전기를 통해 추진하지 않고 선박용 리튬인산철 배터리로 추진하므로 추진부하 조건에 따라 최적의 전력을 공급할 수 있다. 때문에 전체적인 부하 구간에서 추진효율이 증가한다. 또한 일부 배터리 시스템의 고장이 발생 하더라도, 비상 발전기와 선내 파워서플라이로부터 DC전력을 공급받아 운전을 할 수 있어 선박이 멈추지 않도록 추진 시스템을 계속해서 운용할 수 있다. 국내 1호 전기추진선박인 탄금호일렉트릭의 경우 국제 선급인 BV, DNV 선급승인을 받은 리튬인산철 배터리 시스템과 전용 충전시스템을 채택하여 배터리시스템의 충•방전 안정성을 입증하였다. 모든 모니터링 시스템은 국제적으로 가장 인지도가 높고 선박용 디지털 배전반의 표준이라 할 수 있는 CZone이라는 디지털 스위칭 시스템을 통하여 관리 및 모니터링 할 수 있다.

원리

현재 가장 많은 관심을 받고 있는 분야 중 하나가 이 전기추진동력이다. 전기추진동력이란, 기존의 내연기관 엔진이 아닌 전기모터로 추진력을 발생시키기 위해 리튬이온 배터리나 연료전지 등에서 에너지원인 전력을 동력으로 변환하는 기술을 말한다. 전기추진동력을 이용하는 선박은 기존의 디젤엔진 대신 전기에너지(전하가 전기장 안에 존재함으로써 가지는 에너지 또는 전류가 자기장 안에서 가지는 에너지)를 활용하는 선박으로, 발전기를 구동하여 주된 기관에 전력을 공급하고 이 전력을 통해 프로펠러를 회전시켜 추진력을 얻는 형태의 선박을 말한다. 전기자동차와 같이 석유 연료 등을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하며 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜 선박을 운행하게 한다. 그 외 연료전지, 태양전와 같은 열이나 화학반응을 통해 전기를 직접 발생시키는 방법도 있다. 아직까지는 상선이나 원양어선 등과 같은 선박에 도입하기 전이지만 시장잠재력이 높은 만큼 현재 전세계적으로 개발 및 설계, 실증 테스트 등을 활발하게 진행 중이다.

• 저진동/저소음/탄소중립

전기추진모터 기반인 전기추진선박은 전기에 의한 자기장으로 회전력을 얻기 때문에 기존 내연기관 선박에 비하여 '흡입-압축-폭발-배기'라는 과정이 없으므로 진동과 소음이 현저히 적다. 또한, 정박 시 육상전원공급장치(AMP)를 통하여 선내 에너지 저장장치인 배터리에 전기에너지를 저장하였다가 추진에너지로 사용하는 방식이기 때문에 운항 시 매연이 발생되지 않는다. 이런 배터리시스템 기반의 전기추진선박은 미세먼지 및 이산화탄소와 같은 대기오염 물질의 배출을 기존 내연기관 대비 98%이상 감소할 수 있다. 따라서 현재 심각해진 환경오염의 해결방안으로도 큰 역할을 수행할 수 있다.

• 비용 절감

선박 내 전력망을 교류(AC)가 아닌 직류(DC) 기반으로 운영하여 배터리 추진을 통해 연료비 측면에서 연료소비량을 더욱 절감할 수 있게 한다. 또한 전기차와 마찬가지로, 에너지는 디젤연료보다 훨씬 저렴하기 때문에 운송비 및 연간 유지비도 획기적으로 줄어든다. 단, 선박의 특성상 초기 건조 비용이 일반 동급 선박에 비해 최소 2배정도 비싸다. 그러나 널리 알려져 있는 해외기준 ROI를 보면 훨씬 저렴하다. 앞으로 장기적인 측면에서 친환경으로 인한 환경 비용의 절감을 생각하면 더욱 큰 메리트를 가진다.

• 공간 활용

기관실의 용적이 상당히 줄어들기 때문에 공간 활용을 극대화할 수 있다. 선내 전력망이 AC그리드에서 DC그리드로 바뀌며 수배전반의 크기가 한층 작아졌다. 따라서 배터리시스템 및 충전시스템을 임의로 배치할 수도 있어 선형을 설계하는데 유연하다. 하지만 배터리 구역에 대한 국내 법령이 아직까지 국제선급에서 규정하는 기준에 비해 더디고, 최신 기술적 업데이트가 느려 안전기준이 매우 높은 편이다. 그리하여 아직까지 국내에서는 갖춰야 하는 높은 방폭 요건으로 인해 배터리구역의 공간이 많이 필요하다. 추후 국내 법령이 개선되면 추후 다른 국내선박 설계시에도 이 이점을 유용하게 적용시킬 수 있다.

장단점

위에 언급한 것과 동일하게 전기추진선은 전기에너지를 동력원으로 사용하여 추진하는 선박이다. 따라서 이산화탄소와 같은 대기오염 물질을 배출하지 않는다. 단, 전기를 생산하는 과정과 충전하는 과정까지 포함하면 필연적으로 이산화탄소가 발생할 수 있지만 그럼에도 불구하고 예전의 디젤엔진과 같은 내연기관선박보다는 배출량이 현저히 적다. 또한, 선박용 전기추진기의 한 종류인 러더 프로펠러 추진방식은 디젤엔진이 전기모터로 대체됨에 따라 소음과 진동이 적고, 전기추진선에는 모터가 직렬로 연결되어 기존 디젤엔진선박에 있던 엔진과 프로펠러를 연결하는 추진축이 필요 없어지면서 선박의 공간 활용을 극대화할 수 있다. 러더 프로펠러는 360도 회전할 수 있기 때문에 선회능력 역시 기존 추진방식보다 매우 우수하다. 마지막으로 전기에너지가 디젤연료 보다 저렴하기 때문에 운송비용도 절감할 수 있다. 그러나 전기추진선을 건조하는데 드는 초기비용 부담과 배터리 충전 및 장거리 운항 등 해결해야 할 부분들이 있지만 현재 대한민국을 포함한 전 세계적으로 각 정부의 지원과 각 행정부처에서 이뤄지는 개발 및 연구진행 속도로 보면 금방 개선될 것으로 전망하고 있다.

전기선박 제조업체

• 마스터볼트코리아 : 친환경 전기/하이브리드 선박 및 특장차 전장 시스템 설계 전문 기업이다. 마스터볼트코리아는 국내에서 유일하게 선박 길이(LOA) 50m 중소형선에 대한 국제선급 기준에 부합하는 통합설계·건조·감리능력을 갖추고 있다. 전기추진과 하이브리드 선박의 설계·건조·시공·감리를 모두 수행할 수 있는 독보적인 인력과 기술력도 보유하고 있다. 하이브리드 추진선과 전기추진선 부품 가운데 세계적인 전문 제품군을 라이선스 공급할 수 있는 독점 공급망 관리(SCM)까지 구축했다. 지난 2018년 3월에는 선박해양플랜트연구소 무인선(아라곤3호)의 상시전원공급시스템 설계 및 장비납품 프로젝트에도 참여했다.

• 야라(Yara) : 질소비료를 만들던 노르웨이 화학업체이다. 야라 비르켈란드(Yara Birkeland)라는 이름의 자율주행 전기 선박을 2021년 8월 25일(현지시간) 공개했다. 야라 비르켈란드는 선박 제조, 충전 등 전 과정에서 무공해는 아니다. 다만 전기화된 운송수단의 경우 화석연료를 쓰는 내연기관에 비해 온실가스 배출량 통제가 쉽다는 평가가 일반적이다. 자율주행 전기 선박 실물은 처음 계획이 발표된 2018년 이후 약 3년 만에 공개됐다. 업체 측은 올해 안에 노르웨이 하로야(Herøya)에서 브레빅(Brevik)까지 자율주행 전기선으로 컨테이너를 옮기는 시험 운항을 계획 중이다. 원래는 지난해 출항이 계획돼 있었지만 코로나19 사태와 물류 문제가 겹쳐 지연됐다.

• 콩스베르그(Kongsberg Maritime) : 노르웨이의 해양 기술 업체이다. 해운, 석유 및 가스, 항공우주 및 방위 산업에 첨단 기술 시스템을 제공하고 있으며 해상과 방위 및 항공우주 부문을 통해 사업을 운영하고 있으며, 해상 부문을 통해 해양 시스템을 제공하고 있다. 전기하이브리드 추진 및 에너지 관리 저장 시스템을 제공하고 있다. 야라와 함께 자율주행 전기선박을 개발했다.

• ABB : 스위스에 본사를 둔 글로벌 엔지니어링 그룹이다. 세계에서 가장 효율적인 선박용 전기 추진 시스템을 도입하였으며 국내 최초 무공해 페리 선박에 전기 추진 시스템을 공급하고 있다. 친환경 전기·수소 소형선박 제작 전문업체 빈센과 친환경 전기선박 추진시스템 개발을 위한 업무협약을 체결한 바 있다.

• 바르질라(Wartsila) : 핀란드 소재 세계적 조선엔진 설계· 제조사이다.

참고자료

• 전기선박시장 글로벌 시장동향보고서 - file:///C:/Users/sms/Downloads/191.%20%EC%A0%84%EA%B8%B0%20%EC%84%A0%EB%B0%95%20%EC%8B%9C%EC%9E%A5.pdf
• 〈전기추진선〉, 《위키백과》
• 〈전기추진선〉, 《나무위키》
• 뉴스펭귄, 〈질소비료 만들던 회사가 내놓은 세계 첫 자율주행 전기 선박〉, 《네이버 포스트》, 2021-08-27
• 김한식 기자, 〈바다의 '테슬라' 꿈꾼다…국내 첫 '순수전기선박' 10월 출항〉, 《전자신문》, 2020-09-02
• 오수진 기자, 〈친환경 시대가 온다…육지는 ‘전기차’ 바다는 ‘전기선박’〉, 《스페셜경제》, 2021-01-12
• 国际船舶网, 〈“长江三峡1”号新能源纯电动游轮船体建造完成〉, 《国际船舶网》, 2021-07-01

같이 보기

• 선박
• 전기자동차
• 리튬인산철 배터리
• 연료전지

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