석유, LNG, 수소까지 선박 연료의 변신

지구온난화에 따른 기후변화를 극복하는 선박 연료의 변신이 절실한 지금, 다양한 공학기술이 융합된 친환경 선박에 관해 꼭 알아야 할 핵심 지식이 담겨 있다!

지구온난화에 따른 기후변화로 세계 곳곳에서 이상기후가 나타나고 있다. 특히 화석연료에서 뿜어내는 배기가스 내 질소산화물, 황산화물, 이산화탄소의 배출이 그 주범이라는 점에서 바다를 누비는 선박도 결코 자유로울 수 없다. 이 책은 선박 연료를 중심으로 어떻게 하면 배기가스를 줄여 지구온난화를 막을 수 있을까 하는 고민에서 출발했다. 조선산업은 단순히 철판을 자르고 붙이는 것이 아닌 기계공학, 화학공학, 컴퓨터 공학 등 다양한 공학기술과 결합되어야 한다는 점에서, 공학을 공부하려는 학생들은 이러한 공학의 속성을 이해하고 과학기술을 살펴본다면 더욱 좋을 것이다.

들어가는 글

01 기후변화
기후변화와 지구온난화
기후변화 논란
교토의정서와 파리협정

02 LNG 수송선의 대변혁
천연가스와 액화천연가스
증발가스와 스팀 터빈 추진
EEDI와 저속 디젤 추진
액화와 줄-톰슨 팽창
이중 연료 디젤 엔진과 가스 주입 엔진
또 다른 변화의 가능성들

03 NOX, SOX : 선박 위의 배기가스 정화 문제
IMO와 MARPOL, ECA
중유(벙커 C유)
황산화물과 질소산화물
NOX를 줄이는 기술: EGR과 SCR
SOX를 줄이는 기술: 저황유와 세척기
대체 연료: 바이오 연료

04 LNG: 선박 연료의 새로운 패러다임
LNG 추진선
셰일가스 혁명?: 비전통적인 가스전의 활성화
방향성 시추와 수압 파쇄
셰일가스 개발의 위험성
변화하는 LNG 시장
LNG 추진선과 벙커링

05 CO2와 H2: 차세대 선박 동력은 어떻게 변화할까
여전히 남아 있는 이산화탄소 문제
이산화탄소 감축 기술
이산화탄소 포집 및 저장 기술
수소 추진
연료전지 ㆍPEMFC ㆍMCFC ㆍSOFC
수소 에너지 사용의 장벽들
수소 운반물질: 암모니아, LOHC

그림 출처

천연가스를 냉각한 것이 일반적으로 말하는 LNG로, 이는 1기압에서 섭씨 -162도로 낮춰 극저온 유체인 LNG를 저장할 수 있게 특수 설계된 선박을 LNG 수송선(LNG Carrier) 또는 LNG 운반선이라고 한다. LNG 수송선에 탑재되는 LNG 저장탱크 내부는 극저온에 견딜 수 있는 특수 합금 등의 재질을 사용하고, 외부는 열 흡수를 막기 위해서 열전도도가 낮은 단열 물질을 설치하는 것이 일반적인 LNG 저장 시스템의 구조이다.
선박 수송에서 LNG가 유리한 가장 큰 이유는 단위 질량당 부피가 가스일 때에 비해서 압도적으로 작기 때문이다. 물을 끓여 수증기로 만들면 비록 그 질량이 같다 해도 수증기가 팽창하여 부피가 훨씬 커지는 것과 마찬가지로, 천연가스 역시 같은 압력, 같은 질량에서 기체보다 액체의 부피가 훨씬 작다. _34~36쪽배기가스에 포함되어 있는 질소산화물을 줄이는 방법에는 여러 가지가 있다. 모든 기술을 소개하기는 어렵고, 현재 상업적으로 가장 널리 사용되고 있는 대표적인 기술을 꼽자면 EGR(Exhaust Gas Recirculation)과 SCR(Selective Catalytic Reduction)이다. EGR은 글자 그대로 배기가스(Exhaust Gas)를 재순환(Recirculation)하는 방법이다. 엔진에서 연소되어 발생한 배기가스를 엔진에 유입되는 공기와 섞어서 다시 엔진으로 재순환시키는 것이다. _70쪽LNG를 연료로 사용하는 경우 질소산화물 발생량은 중유(HFO)를 사용하는 경우의 10분의 1 수준이며, 황산화물과 미세먼지는 거의 발생하지 않는 것으로 알려졌다. 그 대신 가스 추진 엔진, LNG 저장시설 및 공급 시스템을 갖추어야 하므로 기존 선박보다 더 많은 비용을 투자해야 하며, 더 복잡한 연료 공급 시스템을 운전해야 하므로 운전비도 늘어난다. 정확하지는 않지만 일반적으로 같은 조건의 선박을 LNG 추진선으로 건조하려면 기존 선가보다 20~25퍼센트 더 많은 비용을 투자해야 하는 것으로 알려졌다. 그럼에도 앞장에서 언급했던 여러 가지 오염물질 분리 시설들이 원천적으로 필요 없다는 점은 상당히 매력적인 부분이다. _89쪽LNG 추진 엔진이 설치되는 선박의 유형도 LNG 수송선뿐만 아니라 여객선에서 유조선, 컨테이너선, 크루즈선 등 선박의 유형을 가리지 않고 다양하게 변화하고 있다.
LNG 추진선을 운용하려면 추가적인 기반시설(infrastructure)이 필요하다. LNG 추진선이 바다를 누비려면 선박에 LNG를 공급하는 LNG 공급소가 필요하다. 이렇게 LNG를 공급하는 시설을 LNG 벙커링(Bunkering) 시설이라고 한다. 우리나라에서 ‘벙커’라면 군사 벙커나 골프 벙커와 같은 시설을 먼저 떠올리지만, 영어에서 벙커는 저장소 및 연료(특히 선박용 연료)를 저장하는 공간을 뜻하기도 한다. 현재 이러한 공급 시설은 유럽을 중심으로 빠르게 늘어나고 있다. _104~105쪽바이오 연료를 사용하는 경우에도 기존 연료 대비 이산화탄소 감축 효과를 인정받고 있다. 엄밀하게 말하면 바이오 연료 역시 연소하면 이산화탄소가 발생한다. 그렇지만 그 원료가 되는 식물이 성장하려면 광합성을 통해서 이산화탄소를 다시 흡수해야 한다. 즉, 탄소를 소모한 만큼 발생된 것이므로, 총합적인 탄소 발생에는 영향을 미치지 않는 탄
소 중립(carbon neutral, 또는 탄소 제로carbon zero) 연료로 인정받고 있다. 때문에 바이오 연료는 화석연료를 사용하는 것에 비해 이산화탄소 발생량에서 감축 효과가 있다. _120쪽선박업계에서도 수소를 연료로 하는 선박에 대한 여러 프로젝트를 진행하고 있다. 선박의 경우, 자동차업계나 발전소업계와는 차별적으로 고려해야 할 몇 가지 특징이 있다.
첫째, 필요한 출력 범위가 넓다. 그 값은 자동차보다 매우 크고, 발전소보다는 매우 작다. 0.1MW 수준의 매우 낮은 출력이 필요한 차와 500MW수준의 높은 출력이 필요한 발전소에 비해 선박의 경우 0.1~50MW 정도의 다양한 출력이 필요하다. 둘째, 수송할 수 있는 공간과 무게에 제약이 크다. 자동차의 경우 역시 공간과 무게에 제약이 있지만 상대적으로 필요한 출력이 작아 요구 출력을 만족하는 한에서 연료전지 크기를 줄이는 데 집중할 수 있다. 발전소의 경우 크기나 무게가 좀 크더라도 높은 출력을 확보하는 것이 중요한 반면, 선박은 양쪽이 고르게 충족되어야 하는 어려움이 있다. _132쪽호주와 일본, 호주와 한국은 수소 공급망을 갖추려는 계획을 가지고 있다. 예를 들어 호주에서 석탄가스화(coal gasification) 반응이나 수성가스 전이반응, 수증기 개질반응, 전기분해 등을 이용하여 비교적 저렴하게 수소를 생산한 뒤, 이를 한국이나 일본으로 수송하겠다는 것이 주요 내용이다.
단, 이 과정에서 발생하는 이산화탄소를 배출하면 의미가 없으므로, 앞서 언급한 이산화탄소 포집 공정을 적용하여 대기로 배출하지 않고 따로 포집, 저장 또는 활용할 계획이다. 이렇게 되면 이산화탄소 배출 문제를 해결하는 것이 가능하다. 앞서 이야기했듯이 이산화탄소 포집은 기술적으로 불가능한 일이 아니다. 다만 포집에 드는 비용과 포집 이후 저장 및 활용을 어떻게 할 것인가에 대한 문제는 지속적으로 고민하고 개선해야 할 과제이다. _143쪽

◆ 지금은 조선해양산업과 관련하여 공학기술이 융합된 지식이 필요한 때…2000년대 초반까지 세계 선박 수주량 1위를 차지하며 호황을 누리던 우리나라 조선산업은 2007년 이후로 꺾이기 시작하여 한동안 침체의 늪에서 벗어나지 못했다. 이에 따라 조선산업 관련 업계는 물론 대학의 조선공학 관련 학과가 통ㆍ폐합되는 등 많은 어려움을 겪어 왔다. 이러한 상황에서 지구온난화에 따른 기후변화로 지구촌 곳곳에서 이상기후가 더욱 극심해지자 전 세계는 환경오염 주범인 이산화탄소 등의 배출 감축을 비롯한 국제 환경 기준을 더욱 강화하기 시작했다.
이렇듯 전 지구적인 변화와 맞물려 세계 여러 나라는 극심한 환경오염을 일으키는 화석연료에서 벗어나 친환경 연료인 천연가스로 시선을 돌렸고, LNG(liquefied natural gas, 액화천연가스) 수송선(운반선)의 수요도 늘어났다. 당연히 LNG 수송선 제작에서 세계 최고의 기술을 자랑하는 우리나라의 LNG 수송선 수주량도 크게 늘어났다.
이처럼 세계적으로 점점 관심이 높아지고 있는 친환경 연료와 친환경 선박에 관한 주제로, 서울대 조선해양학과 임영섭 교수가 ?친환경 선박 잡학지식: 석유, LNG, 수소까지 선박 연료의 변신?을 펴냈다. 서울대학교 화학생물공학부에서 전기ㆍ컴퓨터공학을 복수 전공하고 박사학위를 받은 뒤 미국 MIT 화학공학과 박사후 연구원을 거쳐 현재 공정시스템공학 분야를 맡고 있는 임 교수는 이 책을 쓰게 된 배경과 의미에 대해서 이렇게 말한다. 학생들이 조선산업이라고 하면 철판을 자르고 붙이는 노동 집약적 산업이라는 이미지가 강한데, 실제로는 지구온난화, 기후변화, 셰일가스, 수소 등 배와는 상관없어 보이는 최신 과학기술 이슈와 결합하여 계속 새로운 영역으로 진화하고 있음을 알았으면 합니다.
특히 최근 배기가스 내 질소산화물, 황산화물, 이산화탄소의 배출 제한 등 새롭게 논의되는 환경규제들은 선박에도 다양한 패러다임 변화를 불러일으키고 있는데, 이러한 변화의 시기는 곧 새로운 기회가 될 수 있습니다. 조선해양산업에서 일어나고 있는 이러한 변화들은 특정 전공만의 문제가 아니라 기계공학, 화학공학, 컴퓨터공학 등 다양한 분야의 지식들이 융합하여 일어나고 있는 것이 특징이므로 앞으로는 공학에서 배우는 이러한 지식들을 결합할 수 있고, 의사결정을 할 수 있는 능력이 더욱 필요하게 될 것입니다.이 책은 저자가 밝혔듯이, 조선해양산업에 필요한 아주 기본적이면서도 중요한 분야의 지식을 갈무리한 내용이다. 저자는 이를 ‘잡학지식’이라고 표현했지만, 실제로는 융합지식이라 할 수 있다. 모든 산업이 그러하겠지만, 특히 조선해양산업은 자본, 노동, 기술이 집약되는 융합산업이라 할 수 있다. 해운업을 중심으로 기계와 화학, 철강 그리고 전기ㆍ전자 산업이 어우러져 선박이라는 거대한 상품이 탄생하기 때문이다. 그렇기에 앞으로 조선해양산업을 이끌어갈 인재들은 특정 분야의 지식만이 아닌 공학 전반에 걸친 종합적인 이해와 관심을 기울이면서 친환경 선박 제조기술에서 세계 최고의 위치를 다졌으면 하는 바람을 담은 책이다.
◆ 친환경 선박과 관련된 화학공학적 지식이 결합된 핵심 전문 기술들을 소개하다과거 대기의 이산화탄소 농도 연구 결과, 빙하기와 해빙기를 포함하여 과거 80만 년 동안 지구 대기의 이산화탄소 최고 농도는 300ppm이었던 것으로 파악되고 있다. 즉, 최근과 같이 불과 수십 년 동안 급격하게 이산화탄소 농도가 치솟는 추세는 매우 이례적이며, 400ppm 이상의 이산화탄소 농도는 지구 역사상 대단히 높은 수치임을 알 수 있다. 그 결과 지구온난화로 이어지고 이에 따라 지구촌 곳곳에서 홍수, 가뭄, 쓰나미 등 걷잡을 수 없는 이상기후들이 나타나고 있다.
전 세계적으로 벌어지고 있는 이러한 기후변화 문제에서 선박 역시 자유로울 수 없다. 저자는 환경오염에 따른 선박의 여러 규제와 기술, 경제성이 맞물려서 불과 10년 만에 주요 기술이 여러 차례 바뀌고 있고, 아직도 완벽한 해법이 무엇이라고 단정 짓기 어려운 것이 현재 LNG 수송선과 재액화 시스템을 둘러싼 상황이라고 말한다. 어떻게 보면 골치 아픈 시기이긴 하지만, 달리 생각하면 이러한 기술적 춘추전국시대야말로 공학자가 활약하기 좋은, 기술적 도약을 통하여 새로운 경쟁력을 갖출 수 있는 시기라고 전망한다.
비록 침체의 시기를 겪었지만, 우리나라 조선업계는 수십 년 동안 수천 척의 선박을 건조하면서 꾸준한 기술 개발과 더불어 수많은 경험이 축적되었으며, LNG 수송선과 LNG 추진선, 그리고 초대형 선박 건조에서 수준 높은 기술력을 인정받고 있다. 최근 LNG 선박에 대한 수요 급증과 함께 친환경·스마트 선박 등 고부가가치 선박 기술 개발 등을 통해 앞으로도 오랫동안 그러한 지위를 유지하기를 바라면서 저자는 우리나라 조선업계의 미래를 이끌어갈 이 책의 독자들에게 다음과 같이 격려의 글을 건넨다.화석연료와 신재생에너지, 전기와 수소, 바이오 연료 같은 에너지 영역은 앞으로 적어도 십수 년 동안 계속 예상하지 못했던 변화와 혁신이 일어날 영역이라고 생각한다. 때문에 지금 공학을 공부하는 학생들은 다양한 기술의 춘추전국시대가 열리고 있음을 긍정적으로 생각해 봤으면 한다. 결국 영웅은 난세에 등장하는 법이니까.이 책은 학생들이 조선해양공학에 대한 선입견에서 조금이나마 벗어날 수 있게 보통 선박과는 거리가 멀다고 생각하는 화학공학적 지식이 결합된 최신 전문 기술들을, 그러한 기술들이 필요하게 된 세계적인 논란들과 연결하여 이해하기 쉽게 소개하고자 했다. 지나치게 딱딱한 전공 지식은 되도록 배제하고 고등학교 수준의 지식으로도 쉽게 이해할 수 있게 구성했으며, 나아가 경제성을 포함하여 다양한 시각에서 기술의 장단점을 설명했다. 차근차근 핵심을 짚어가며 설명하는 저자의 글은 일반 독자들도 조선해양공학과 관련한 유익하고도 흥미로운 잡학지식들을 부담스럽지 않게 접근할 수 있다. ◆ 이 책의 구성전체 5장으로 구성된 이 책은 선박 변화의 출발점이라 할 수 있는 ‘기후변화’와 관련하여, 기후변화를 일으키는 요인과 환경문제를 해결하려는 전 세계적인 논의를 소개하는 것으로 1장이 시작된다. 1997년 세계기후변화협약에서 채택된 교토의정서와 이후 2015년 파리협정서까지 기후변화에 대응하기 위한 온실가스 감축 움직임이 어떻게 진행되어 왔는지를 일목요연하게 정리했다.
2장은 ‘LNG 수송선의 대변혁’에 관한 내용으로, 그동안 스팀 터빈을 기반으로 액화천연가스를 수송하던 수송 시스템이 2000년대 중반부터 최근까지 약 10년에 걸쳐 급격한 변화를 보이고 있는 이유에 대해 살펴본다. 기후변화에 대한 전 세계적인 공감대에 따라 국제 항해 선박에도 이산화탄소 배출 감축을 위한 논의에서 벗어날 수 없었다. 이에 따라 LNG를 수송하면서 LNG 저장탱크에서 증발해서 버려지는 BOG(Boil-off gas, 증발가스)를 이용한 스팀 터빈 추진 방식에서 저속 디젤 엔진, 이중 디젤 엔진을 거쳐 가스 주입 엔진에 이르기까지 추진 방식의 변화를 각각의 개요도와 함께 핵심적으로 짚어본다.
3장은 ‘질소산화물과 황산화물: 선박 위의 배기가스 정화 문제’를 다룬다. 1997년 「선박으로 인한 대기 오염 방지를 위한 규제」가 채택됨에 따라 선박 운항에도 큰 영향을 미치는데, 바로 선박 연료의 변신이 그 핵심이라 할 수 있다. 이와 함께 질소산화물과 황산화물 등 배기가스를 줄이는 주요 기술의 원리를 살펴본다. 요즘 자동차 연료로 사용되는 바이오디젤을 선박에 석유 대체 연료로 활용할 수 있는 기술 개발과 안전 검사를 시행하고 있는 노력도 아울러 점검한다.
4장은 ‘LNG: 선박 연료의 새로운 패러다임’으로, LNG 수송선이 아닌 다른 화물을 수송하는 선박에도 LNG 저장탱크를 실어서 천연가스를 연료로 이용하는 LNG 추진선에 관한 내용이다. 이에 앞서 최근 들어 화제가 된 셰일가스의 개발과 환경ㆍ경제적인 면을 분석한 뒤 LNG를 연료로 하는 추진선으로 접근한다. 바다를 오고가는 선박에 LNG를 연료로 할 때 필요한 기반시설, 즉 공급시설인 LNG 벙커링을 비롯해 안정적인 공급에 따른 어려움들을 살펴보면서 조선 기술과 실적에서 높은 수준을 자랑하는 우리나라에는 좋은 기회가 될 것으로 전망한다.
마지막 5장은 ‘이산화탄소와 수소: 차세대 선박 동력은 어떻게 변화할까’를 살펴보는 내용이다. 모든 산업계에서 에너지를 사용하는 한 이산화탄소의 배출은 막을 수 없다. 이에 따라 에너지 효율 개선과 재생에너지의 활용을 비롯해 이산화탄소를 포집, 저장하고 이를 활용하는 방법을 소개한다. 차세대 연료로 현재 많은 관심을 받고 있는 수소는 어떨까? 수소를 연료로 사용하기 위한 방법에는 직접 엔진 연료로 사용하는 방법과 수소가 반응하는 화학적 에너지를 활용하여 수소연료전지로 전기를 생산해 구동하는 방법이 있다. 수소를 연료로 사용하는 조선업계의 여러 프로젝트를 소개하면서 수소 생산과 수송, 공급 기반시설, 안전성 등의 문제점을 살펴본다.