전기선박 2,370척 급성장…국내 특수선 중심 R&D, 실증연구는 ‘전무’

선박의 온실가스 배출에 대한 강력한 국제 규제가 예고되면서 전기선박의 시대가 점차 현실로 다가오고 있다. 노르웨이를 중심으로 한 유럽의 연안해역에는 100% 전기로 운항하는 친환경 카페리선들이 상용화되고 있으며, 지난해말 중국에서는 세계 최초 전기추진 화물선이 등장해 업계의 높은 관심을 모았다. ‘탄소배출 제로화(Zero-Emission)’를 위한 각국의 전기선박 개발 경쟁은 더욱 불이 붙는 모양새다.

해운 온실가스 규제 강화,

IMO 2030년 선박 탄소배출 40% 감축 로드맵

선박의 날로 강화되는 온실가스 규제가 전기로 움직이는 선박의 시대를 예고하고 있다.

그동안 전세계 해운업계는 ECA(배기가스 배출제한구역)와 2020년 SOx 규제 등 환경문제에 대응하여 SOx 및 NOx를 절감하는 친환경 연료를 사용하거나 배출저감장치(스크러버)를 선박에 장착하고 LNG 추진선박을 건조하는 등의 노력을 기울여왔다.

그러나 앞으로는 선박의 온실가스(CO2) 감축에 있어서도 책임을 지게 됐다. 올 4월 국제해사기구(IMO)는 모든 선박에 대한 CO2 배출을 2008년 대비 2030년까지 40%를 감축한다는 강력한 로드맵을 제시했다. IMO에 따르면, 해상운송에서 국제 온실가스 배출량의 2.5%에 해당하는 연평균 10억톤의 CO2가 배출된다.

이에 따라 기존 선박용 디젤엔진이 아니라 친환경 전기추진 선박에 대한 관심이 커지면서 관련 시장이 탄력을 받고 있다. 각국 조선소들은 디젤엔진의 전기 하이브리드 기술 개발에 적극 나서고 있으며, 조선기자재 업체들은 선박에너지 저장시스템(ESS) 및 배터리 시스템에 대한 개발을 활발히 진행 중이다. 롤스로이스의 경우 내년에 특허 출원 중인 10-18MWh 규모의 선박용 배터리 시스템 ‘SAVe Energy’를 선보일 예정이다.

메인엔진→전기모터로 추진

ESS, 연료전지 등 탄소배출 제로화 실현

전기추진 선박은 기존의 메인엔진이 아닌 전기모터로 추진하는 선박을 말한다. 전기추진 선박은 △디젤발전기·이중연료발전기·LNG연료 발전기 △발전기+ESS, 발전기+연료전지 등 하이브리드 발전 △ESS 또는 연료전지 사용 등 3가지 발전방식으로 나뉜다.

이중 ESS는 전기의 최대 단점인 생산과 소비의 동시성을 극복할 수 있는 에너지저장시스템을 말하며, 리튬배터리가 주로 많이 쓰인다. 특히 최근 개발되고 있는 자율운항선박의 경우 유지보수 문제를 해결하기 위해 완전 배터리 방식(all-battery type)의 전기동력이 사용된다.

ESS와 연료전지를 통한 전기추진 선박은 ‘탄소배출 제로(Zero-Emission, 무공해)’가 가능하다. 소형연안선박의 경우 ESS 전원을 전기추진선박의 주전원으로 사용함으로써, 연안의 대기오염문제를 해결할 수 있다. 대형선박은 연료전지로 배터리 충전을 함으로써 장거리 항해가 가능하다. 물론 항만에서 육상전원공급설비(AMP)나 연료전지를 충전·공급할 수 있는 설비가 뒷받침되어야 한다.

 

전세계 전기추진선박 2,370척, 4.5% 차지

100% 전기선박 각국 11개 프로젝트 진행

전 세계에서는 이미 전기추진 선박에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 노르웨이, 덴마크, 네덜란드 등 유럽 뿐 아니라 중국의 연안해역에서는 전기로 운항하는 친환경 선박들이 속속 등장하고 있다. 올해부터 유럽은 100% 전기추진 여객선을 잇달아 선보이고 있으며, 중국은 2017년 전기추진 화물선을 개발해 시험운항에 들어가는 등 저마다 ‘세계 최초 전기추진선박’ 상용화라는 타이틀을 거머쥐기 위해 치열한 물밑경쟁을 벌이고 있다.

영국 조선·해운 분석기관 클락슨에 따르면, 2017-2029년 전기추진선박 척수는 총 2,369척이고 전체 선박에서 차지하는 비중은 4.5%이다. 특히 최근 신조선을 중심으로 한 전기추진선박의 비율이 급성장하고 있다. 선령별로 0-4년은 867척으로 7.3%까지 늘어났으며 선령 5-9년(683척, 4.7%), 10-14년(250척, 3.3%), 15-19년(192척, 3.7%), 20-24년(71척, 2%) 순이었다. 선종별로는 오프쇼어 공급 및 지원선이 64%를 차지했고 크루즈선이 8%, LNG선 6%, 드릴십 5%, 여객선이 5%를 차지했다.

MBF(Maritime Battery Forum) 및 DNV GL에 따르면, 2018년 3월 기준 ESS가 선박의 주 전원 및 보조전원으로 사용된 선박은 전 세계 185척 이상이다. 연료전지가 선박의 주전원 및 보조전원으로 사용된 선박은 전 세계 약 30-40척으로 추정된다.

특히 ESS에 저장된 전력만으로 추진하는 100% 전기추진선박은 현재 11개의 프로젝트가 진행 중인 것으로 나타났다. 국가별로는 노르웨이가 총 5건의 완전 전기추진 선박 프로젝트를 추진 중이며, 프랑스와 스웨덴, EU, 네덜란드, 캐나다가 각 1건씩, 그리고 중국이 1건을 진행하고 있다. 대부분이 여객선 위주이나 피더 컨테이너선(노르웨이), 컨테이너 바지선(네덜란드), 화물선(중국)도 포함돼 있다.

중국, 세계 최초 2천톤급 전기화물선 시험운항

네덜란드, 올해 전기 컨테이너 바지선 5척 개발

중국은 지난해 11월 세계 첫 2,000톤급 전기추진 화물선을 건조하고 시험운항에 들어갔다. 광저우 조선소가 건조한 동 선박은 길이 70미터, 폭 13.9미터, 무게 600톤의 전기 화물선으로 홍콩 북쪽 주강지역을 운항하는 근거리 석탄운송에 투입된다.

동 선박은 2시간 배터리 충전으로 최고 24노트로 최대 80km를 운항할 수 있다. 2,200톤 화물을 싣고 목적지에서 화물을 하역하는 동안 완전 충전이 가능하다. 동 선박에는 2,400kWh 용량의 리튬이온 배터리가 장착돼 있다. 1,000개의 작은 배터리들을 하나로 묶은 것으로 배터리의 총 무게는 26톤이다.

네덜란드와 벨기에는 세계 최초 자율운항 컨테이너 바지선을 올해 안으로 선보인다는 계획이다. 개발주관사는 네덜란드 ‘Port Liner’로 내륙 수로 바지선 운항업체이다. 이른바 ‘수로의 테슬라(Tesla of the canals)’로 불리는 각 전기추진 바지선은 총 5척을 개발할 예정이다.

암스테르담항, 엔트워프항, 로테르담항을 오가는 각 선박은 최대 425톤 무게의 컨테이너 화물 24대를 실을 수 있다. 전기추진 바지선들은 길이 52미터, 폭 6.7미터로 기존 바지선에 비교해 엔진룸 공간이 존재하지 않기 때문에 추가적으로 8%의 공간을 확보할 수 있다. 동 선박들은 6미터의 배터리들이 장착되어 최대 15시간을 운항할 수 있으며 연간 CO2 배출량 1만 8,000톤을 감축할 것으로 예상된다. 이와 관련 EU는 700만유로를 투입해 동 선박의 컨셉개발을 지원했으며, 탄소배출 절감 뿐 아니라 운송비 절감 및 효율성 개선을 기대하고 있다. 동 바지선들은 자율운항선박으로 개발되며 운항 초기에만 선원이 승선할 예정이다.

EU, 100% 전기추진 여객선 2030년 100척 도입

캐나다, ‘Road Ferry 6819 & 9819’ 2척 건조

EU가 추진 중인 ‘E-페리’ 프로젝트는 100% 전기추진 여객선으로 ‘탄소배출 제로’를 목표로 한다. 새로운 여객선은 최대 용량의 배터리 장치를 구축하고 한번 충전으로 최대 4MW를 발생시킬 수 있으며 최장 20NM(노티카마일) 이상을 항해할 수 있다. 현재 운항 중인 노르웨이의 ‘암페레’호 하이브리드 선박의 경우 3NM의 단거리 항해에 그치고 있다.

E-페리는 덴마크 발틱해의 ‘Soeby-Fynshav’와 ‘Soeby-Faaborg’ 간을 운항하여 덴마크 본토와 에뢰섬을 연결한다. 이를 통해 에뢰섬의 연간 2,000톤의 CO2 배출량을 줄이고 기존 전통 디젤 여객선에 비해 선박 운영비를 낮추며, 여객의 운송시간을 단축시킨다는 계획이다.

EU는 2020년까지 유럽지역에 10척 이상의 E-페리선을 도입한다는 방침이다. 또 2030년까지는 100척 이상의 도입을 목표로 한다. 이를 통해 2020년까지 연간 CO2 배출량 3만톤을 절감하고. 2030년까지는 30만톤을 절감할 것으로 전망했다.

캐나다 온타리오 정부는 네덜란드 다멘(Damen) 조선소에 100% 전기추진 페리선 2척을 발주했다. 다멘 조선소는 ‘Road Ferry 6819’와 ‘Road Ferry 9819’를 건조하게 된다. 각각 68미터, 98미터의 선박들은 100% 전기추진선박으로 건조되어 연간 740만kg CO2 배출을 절감하게 된다.

동 여객선들은 캐나다의 첫 번째 100% 전기추진 선박이 될 것으로 보인다. 1척은 밀하벤(Millhaven)과 암헤스트섬(Amherst Island,)간을 오가며 나머지 1척은 킹스턴(Kingston)과 울프섬(Wolfe Island)간을 운항하게 된다. 페리선들은 배터리 재충전을 위해 육상전력시스템과 자동적으로 연결된다. 온타리오는 전기추진 페리선 신조를 위해 약 9,400만달러를 투자하고 있으며 캐나다 정부는 최대 3,127만달러를 지원하고 있다.

노르웨이, 2015년 세계 첫 하이브리드 페리선 운항

올해 완전 전기 페리선 투입, 내년 4월 피더컨선도 선봬

선박의 탄소배출 저감에 가장 앞장서고 있는 나라는 노르웨이다. 노르웨이는 현재 세계 1위의 전기차 보급률 수준을 기록하고 있다.

노르웨이에서는 이미 2015년부터 세계 첫 전기동력 여객선 ‘암페레’호가 운항하고 있다. 암페레호는 필요 시 전기를 동력으로 추진하는 하이브리드 선박이다. 총톤수 1,598톤의 경량화 선박으로 120대의 자동차, 360명의 여객을 수송한다. 일 편도 34회씩 노르웨이 오페달(Oppedal)과 라빅(Lavik)항간 약 5.6km를 20분씩 운항하고 있으며, 시간당 1MW 배터리 패키지를 갖추고 있다. 아직까지는 배터리 등의 문제로 단거리 노선에만 운항이 가능하다.

노르웨이에서 100% 전기로 운항하는 페리선은 올해 5월부터 본격 운항에 들어갔다. 여객선사 ‘Fjord1’은 노르웨이 하브야드(Havyard) 조선소에 총 13척의 전기추진 페리선을 발주했다. 이중 첫 번째인 ‘MF Husavik’호는 자동 크로싱 기능을 갖추고, 노르웨이 호르달란주에 있는 후사비크(Husavik)와 샌드비크복(Sandvikvag)간을 운항하고 있다. 자동 크로스 시스템은 코스와 속도를 계산하여 효율적이고 경제적인 운항을 지원한다. 선장은 모니터링을 하며 필요시 매뉴얼 컨트롤을 할 수 있다.

Fjord1은 총 64척의 여객선 선대를 운항 중이며 이중 22척의 하이브리드 전기페리선을 운항 중이다. 12척의 완전 전기추진 여객선은 오는 2년간 인도받게 된다.

이와 동시에 올 5월부터 ‘The Future of th Fjords’호가 세계 청정구역인 피요르드 해안을 운항하고 있다. 길이 40미터, 폭 15미터, 400명의 여객을 수송하는 동 선박은 1,800kW 배터리 장치로 엔진이 가동된다. 동 선박 역시 탄소배출 제로화를 위한 100% 전기추진 선박이다.

내년 4월부터는 100% 전기로 움직이는 세계 첫 무인 컨테이너선 ‘야라 버클랜드’호가 시범운항에 들어갈 예정이다. 동 선박은 길이 80미터, 폭 15미터의 120teu급 피더 컨테이너선으로 오는 2020년엔 완전 자율운항을 목표로 한다. 전기 배터리를 동력으로 하는 동 선박은 올 8월 조선사로 노르웨이 VARD가 선정된 바 있다. 이밖에도 노르웨이는 풀 배터리를 장착하는 ‘PILOT-E 프로젝트’를 추진 중이다.

스웨덴, 디젤→배터리 여객선 2척 개조

美, 수소연료전지 여객선 내년 운항

스웨덴에서는 디젤엔진을 100% 배터리 추진 시스템으로 개조한 2척의 여객선이 지난해부터 운항하고 있다.

HH페리사의 ‘튀코 브라헤(Tycho Brahe)’호와 ’오로라(Aurora)’호 2척은 2017년 디젤엔진에서 100% 배터리 추진 전기선박으로 개조됐다. 길이 238미터, 8,414톤급 여객선으로 연간 740만명의 여객과 190만대의 차량을 수송한다. 현재 스웨덴 헬싱보그와 덴마크 헬싱보리 간 4km를 운항하고 있다.

미국에서는 내년 중순경 수소연료전지 여객선 ‘워터고그라운드(Water-Go-Round)’호가 샌프란시스코만에서 첫 항해에 들어갈 예정이다. 동 선박은 미국 내 첫번째 상업용 연료전지 여객선으로서 선박의 탄소배출 제로를 목표로 한다. 리튬이온 배터리로부터 360kW를 발생시키며 21.3m 길이 알루미늄 재질로 여객 84명을 싣고 최대 22노트 속도로 2일 연속 운항할 수 있다. 동 선박의 프로젝트는 올해 6월 캘리포니아 대기위원회(California Air Resources Board)로부터 300만달러의 기금을 지원받았다.

우리나라 특수선 중심 전기추진 R&D

상선 및 여객선 실증은 ‘전무’ 한계

국내에서는 디젤과 전기의 하이브리드 선박 등 관련 R&D가 정부 주도로 진행되고 있다. 올해도 ‘연안선박 적용을 위한 가스연료 전기추진시스템 개발(2018-2020)’ 등 첨단선박 개발을 위한 다양한 R&D가 추진 중인 것으로 알려졌다. 지난 2015년부터는 창원에 전기선박 육상시험소가 운영되어 최대 6,000㎾급까지의 전기추진 선박 시험에 활용되고 있다.

그러나 문제는 아직까지 구체적인 실증 사례가 없다는 점이다. 관련 전문가들에 따르면, 잠수함, 쇄빙선, 군함, 연구선 등 특수선종 중심으로 전기추진 방식을 적용했으나 실질적으로 일반 상선이나 여객선용으로는 R&D 과제로만 수행하여 실증이 전무한 상태이다.

한 해운조선 연구자는 “전기추진 선박에 대한 연구개발은 정부주도 국책사업으로 진행됐으나 아직까지 뚜렷한 결과물이 없다. 컨소시엄 참여사들의 세부요소 기술은 개발되었지만 R&D 과제로 사업이 종료됐고 실증 및 보급화 단계까지 나아가지 못했다”고 지적했다.

한 예로 지난 2015년 금하네이벌텍이 건조한 50인승 유람선 ‘골드그린하이젠’호의 경우 연료전지(50kW)와 배터리조합의 하이브리드 방식 선박이다. 순수 국내기술로 개발됐으며 수소 연료전지를 장착해 CO2 배출이 전혀 없는 친환경 선박이다. 길이 20미터, 폭 5미터, 워터제트 추진방식에 최대 속력은 8노트이고 1.7kg 수소 연료전지 14개가 탑재됐다. 그러나 정부 연구과제용으로만 제작된 한계가 있었다.

이에 우리나라도 단편적이고 개별적인 전기추진선 연구에서 벗어나 새로운 고부가가치 산업인 전기추진선 기술개발과 사업화에 적극 나서야 한다는 것이 전문가들의 공통된 지적이다. 또한 전기추진선 운항과 관련된 규정을 마련하는 등 미래선박 환경에 선도적으로 대응해야 우리나라가 해운 및 조선강국으로 재도약할 수 있다고 강조한다.