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온실가스 및 이산화탄소 배출규제 관련 법안이 제정 및 시행되고 MARPOL 부속서 6장에 따라 2020년부터 선박의 선종 및 크기별 기준 대비 20%의 이산화탄소를 저감 하고 2025년부터 적용되는 3단계는 기준대비 30%의 이산화탄소를 저감하도록 조치하고 있다. 또한 2022년에 채택된 온실가스 감축을 위한 로드맵에 따라 IMO는 대상 선박에 대하여 이산화탄소 배출을 2030년부터는 40% 저감하고, 2050년에 감축률 70%를 달성하도록 요구하고 있다(Park et al.[2020]) 해운분야에서 국제 해사 기구(IMO)를 중심으로 온실가스 감축을 위해서 Table 2와 같이 초기, 중기, 장기 전략을 수립하고 이행하도록 규제하고 있다.

특히 초기 전략 중에서도 기술적 조치와 운항적 조치를 통하여 온실가스를 감축시키기 위한 방안을 모색하도록 하였다. 기술적인 조치로서 2013년 1월 1일부터 선박에너지 효율 설계지수(EEDI)를 제정하고 2023년 1월 1일부터는 선박에너지 효율지수(EEXI)를 적용하여 11개의 선종(산적화물선, 가스운반선, 유조선, 컨테이너선, 일반화물선, 냉동화물운반선 및 겸용선, 여객선, 로로 화물선(차량운반선), 로로 여객선, 로로 화물선(로로 화물 수송 유니트))의 신조선과 현존선에 대하여 규제를 적용하였다. EEDI는 신조선에 대한 선박에너지효율설계지수 이며 EEXI는 현재 운항 중인 현존선에 대한 선박에너지효율지수를 나타내고 있다.

그러나 11개 선종 이외의 국내 연안선이나 국가에서 운영하는 관공선, 해기 교육기관의 실습선 등은 규제 대상에 포함되지 않기 때문에 현재로서는 규제가 적용되지 않는다. 하지만 온실가스는 선박으로부터 배출되며, 규제 적용 예외 선박일지라도 온실가스를 감축해야할 당위성은 충분하며 이러한 선박에 대한 적용 기준도 모호하다. 11개의 선종 중 연구 대상선박과 유사한 선종을 선정하여 선박에너지 효율 지수와 탄소 집약도 지수가 페널티 대상인지 확인하고 이를 감축하기 위한 방안을 모색하고 자 이 연구를 진행하게 되었다.

온실가스로 인한 지구 온난화 문제가 야기되고 Third IMO Greenhouse Gas study 2014에서는 2007년부터 2012년까지 산업별 이산화탄소 배출량을 산정하였으며, Table 4과 같이 해운분야에서 배출량은 전 세계 대비 평균 2.6%를 차지하였다. 이를 감축하기 위한 기술 동향과 현황 분석에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있으며 현재 운항중인 상선에 대한 에너지효율 운항 지수 연구가 이뤄졌으며(Rho and Choi[2011]) 또한 선박기인 이산화탄소 배출규제 동향 및 고찰을 통한 현황 파악 연구(Jung[2011])를 하였다.

Rho and Choi[2011]의 연구에서는 현재 운항선에 대한(EEOI: Energy Efficiency Operational Indicator)에 대한 기존의 개념을 제시하고 현재 운항중인 상선의 데이터를 이용하여 EEOI를 분석하였다. 그리고 새로운 개념의 EEOI로서 다양한 내외부 환경에서 다양한 화물을 싣고 운항하는 선박에서 이산화탄소 발생량을 구하는 화물당 연료소모량을 통한 기존의 산정식 대신 기관 부하(kw)당 연료소모량을 통해 이산화탄소 배출량을 구하는 것을 제안하고 이에 따라 운항선에 실제 적용하여 선박자체의 에너지효율을 극대화 시키고 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있는 방안을 제시하였다. Kim[2023]의 연구에서는 한국의 디젤 선박의 연료사용량과 주요 온실가스 배출량을 선종별, 총톤수별로 산정하여 비교 하였으며 이를 통해 온실가스 배출 규제 대상에서 제외된 선박이 선종별로 온실가스 배출에 미치는 영향을 정량화 될 수 있도록 하였으며 선박의 종류와 크기에 따라 온실가스 배출량에 차이가 있기 때문에 향후 온실가스 배출 규제 대상의 세분화 및 확대에 대한 논의가 필요하다고 하였다.

Rho and Choi[2011] 연구에서는 규제가 적용되는 상선을 대상으로 이뤄지고 있었으며 실제 기관의 부하를 이용하여 선박의 환경에 맞춘 산정식을 이용하여 새로운 개념의 선박운항에너지효율지수를 제안했으나 부하에 따라 영향이 높은 주기관을 중심으로 연구를 시행하였으며 Kim[2023]은 선박에서 배출되는 온실가스 배출량을 선종과 선박의 톤수에 의해 분류하여 데이터를 분석하였다. 본 연구에서는 온실가스 감축을 위한 규제적용 예외 선박 중에서 현재 운항중인 관공선과 실습선 등을 대상으로 하였으며 이산화탄소 배출량과 관련된 규제인 선박에너지효율지수에 관한 연구를 시행하였다. 연구 방법으로서 연구대상선박과 비교를 하기 위해 기존의 선박에너지효율 지수 규제 대상인 11개의 선종 중에서 연구 대상 선박 6척과 유사한 선종을 선정하였다. 연구 대상 선박의 치수를 이용하여 선박의 방형계수 산정한 뒤 11개 선종의 평균적인 방형계수를 비교하여 유사한 범위를 가진 선종을 채택하였으며 이 선종중에서도 선박의 분류기준 중 하나인 선박의 목적이 유사한 선종을 채택하였다. 비교대상선종으로 채택한 선종의 EEXI reference line과 감축율을 적용한 Required EEXI Line과 6척의 연구 대상선의 선박에너지 효율 지수를 비교하였다. 비교를 통해서 6척의 연구대상선이 현재 규제 적용기준을 통해 페널티 대상인지 아닌지 확인하였고 현재 규제 적용을 하게 될 경우 Required EEXI를 만족하기 위한 방안을 모색하였다.

에너지효율지수의 식은 에너지효율설계지수(EEDI)와 식은 동일하며 아래 식과 같이 주기관, 보조기관, 축발전기/모터에서 발생하는 CO₂ 발생량을 탄소저감 기술을 통해 감소하는 CO₂ 발생량을 계산한다.

주기관과 보조기관의 CO₂ 발생량

Eq. (1)는 주기관과 보조기관에서 발생하는 이산화탄소발생량을 계산하는 식으로 P_ME(i)는 주기관의 출력으로 제한된 출력(MCR_lim)의 83% 또는 원래 설치된 출력(MCR)의 75% 중 더 낮은 값을 사용하고 P_AE는 기준속력으로 항해하는 조건에서의 선박의 추진 및 선내 거주에 필요한 전력을 포함하여 해상에서의 상용최대부하에 전원을 공급하기 위해 필요한 보조기관의 출력을 말한다. C_FME(i)와 C_FAE는 탄소변환계수로서 연료유에 포함된 탄소성분을 표시하고 있으며 연료별로 각각 다르다. SFC_ME와 SFC_AE는 주기관과 보조기관의 연료소모율이며 제한 해제 가능한 축/기관 출력 제한이 있는 경우 NO_x 기술 코드에 따라 승인된 주기관 NO_x 기술 파일에 포함되어 있는 시험 보고서 상의 SFC(Specific Fuel Consimption:연료소모율)를 사용 하여 주기관과 보조기관 출력에 해당하는 SFC를 사용하고 있으며, NOx 기술 파일에 포함된 시험 보고서가 없고 제조자가 특정하거나 또는 검증자가 확인하지 않은 기관의 경우, SFC를 근사화 할 수 있는데 SFC_ME,app=190[g/kwh], SFC_AE,app=215[g/kwh]이다.

이 때 분자 부분에 해당하는 내용이 주기관과 보조기관에서 발생하는 이산화탄소 발생량이며 이를 운송능력과 선속(V_ref), 보정계수인 f_j, f_w의 값으로 나눈다. 이때 f_j는 선박 세부 설계요소에 대한 보정계수이며 f_w는 파고, 파진동수 및 풍속을 대표하는 해상상태에서의 선박 속력 감소를 나타내는 무 차원 계수이며, 에너지효율 설계지수의 검사 및 증서발급에 관한 지침서에 정의된 대로 승인된 선속-출력 곡선에서 선속(V_ref)을 구해야 한다. EEDI 요구 사항의 범위에 해당하지 않는 선박의 경우 현존선 에너지효율지수의 검사 및 증서 발급에 대한 지침서에 정의된 선속-출력 곡선에서 선박 속력 선속(V_ref)을 구하며 선박 중 수조 시험에 의해 보정된 시운전 결과가 있는 경우 선속(V_ref)은 시운전 결과 보고서로부터 얻을 수 있다. 만약 시운전 결과가 없을 경우 다음 정의에 따라 선박 속력 및 기관출력의 통계적 평균에서 얻을 수 있는 선속(V_ref)으로 근사값을 사용할 수 있다.

(2) 축발전기 또는 축모터의 CO₂ 발생량

Eq. (2)는 전기추진용 선박의 추진용 전동기(P_PTI)에서 폐열회수장치(P_AEeff)로부터 생산된 전력을 차감한 뒤 발생하는 이산화탄소 발생량을 표현한다. 이산화탄소 저감 장치를 작동하는데 발생하는 이산화탄소량을 반영한다.

(3) 탄소 저감기술을 통해 저감되는 CO₂ 발생량

Eq. (3)은 에너지저감장치로 인하여 저감되는 이산화탄소의 발생량을 계산하는 식이다. 즉 Eq. (1)과 Eq. (2)의 합을 통해 이산화탄소 발생량을 Eq. (3)의 탄소저감기술을 통해 저감되는 CO₂ 발생량 차감하여 선박에너지효율지수 수치를 계산할 수 있다.

선박의 추진 출력 제한은 현재 운항을 하고 있는 현존선을 대상으로 행할 수 있는 가장 좋은 방안 중 하나이며 IMO에서 제시하는 축 출력 제한프로그램은 SHaPoLi와 Engine Power Limitation 이다. 먼저 앞서서 축 출력에 대한 의미를 확인해 보면 축 출력은 기관에서 프로펠러축으로 전달되는 기계적 출력을 의미하며 여러 기관의 경우 기관출력은 기관에서 프로펠러축으로 전달되는 출력의 합을 의미한다(Lee et al.[2015]).

축 출력 제한 시스템에는 SHaPoLi와 EPL 장치가 있는데 SHaPoLi는 선박의 프로펠러에 전달되는 토크 및 회전 속도를 측정하기 위한 센서로, 증폭기와 아날로그-디지털 변환기가 포함되어 있으며 데이터의 추적 및 계산을 위한 데이터 기록 및 처리 장치이며 축에서 프로펠러로 전달되는 출력의 계산 및 제한을 위한 제어 장치이다. Fig. 2와 같이 Engine Power Limitation(EPL)은 기계적으로 제어되는 기관의 경우 선장 또는 당직 책임자의 허가 없이는 선원이 EPL을 해제 할 수 없도록 와이어로 밀봉된 기계식 정지 나사 또는 Governor 제한 설정이 있는 동등한 장치를 사용한다.

Fig. 2. 
Engine Power Limitaion.

Fuel Index를 물리적으로 잠글 수 있는 밀봉 장치나 또는 전자적으로 제어되는 기관의 경우 Fuel Index를 전자적으로 잠그거나 기관 제어 시스템의 출력을 직접 제한 할 수 있다. EPL과 같은 엔진출력제한 프로그램을 이용하여 연구대상선의 선박의 출력을 Table 8과 같이 MCR 대비 35.5%~53.1%로 제한을 두어 운항을 하여 Required EEXI를 만족할 수 있다.

선박의 출력을 프로그램을 통하여 제한하여 운항하는 것과 더불어서 선박의 속도를 줄이는 것 또한 하나의 방법이 될 수 있다. 선박의 출력이란 선박이 물과 공기에 의한 저항을 이기고 정해진 속도로 전진할 수 있는 필요 동력인 유효마력은 배가 실제로 전진하는데 필요한 동력이다. 이때의 필요 동력은 저항과 선속의 곱으로 표현할 수 있다.

하지만 일반적으로 선박의 저항은 선속의 제곱에 비례하며 결과적으로 배가 실제로 전진하는데 필요한 동력인 유효마력은 선속의 세제곱에 비례한다. 실제로 실험실습선인 고요마루호의 실험을 통해서 선박의 항해에 필요한 동력은 속도의 3승에 비례하는 특성에 있어서 선속을 증가할 경우 출력이 증가함을 설명하였다(MAEDA and Kim[2013]).

결론적으로 선박의 속력이 감소되어 기관의 출력이 세제곱의 비로 대폭 저하가 되기 때문에 오히려 지표전체로 보면 에너지 효율이 저감하는 것으로 볼 수 있다. 이를 통해 연구 대상선의 선속을 Table 8과 같이 감속하여 운항할 경우 Required EEXI를 만족시킬 수 있다.

「선박의 에너지효율지수 검사 등에 관한 기준」과 관련하여 [별표 3항]의 최소 추진 출력을 결정하기 위한 간이평가 기준」에 명시되어 있는 최저항해속력보다 높은 속력이며 최저항해속력이란 바람 및 파도와 관련해서 순조롭지 않은 침로로 인한 항해위험 및 선체 요동에 의한 위험을 줄이기에 충분한 시간 안에 연안지역을 벗어날 수 있게 하는 속력으로 최저항해 속력은 4.0 knots로 정해져 있다. 그러므로 최저항해 속력의 이상이며 Table 8과 같이 9.1~15.21[knots]의 선속 이 유지하며 운항할 경우 EEXI 허용 값을 만족할 수 있다.

기존의 EEXI 계산식에서는 주기관과 보조기관의 출력에 탄소배출계수 값을 반영하여 산출하고 있다. 이 때 연료별 탄소 변화계수란 IPCC에서 제시한 것으로 다양한 연료별로 값이 이미 산출되어 있는 형태로 연료의 1 kg에 대한 발열량 비를 기준으로 석유환산계수에 대한 2차 계수이다. 따라서 연료의 종류를 변화할 경우 연료별 탄소 배출 계수가 다르기 때문에 EEXI를 감축할 수 있다.

Table 9는 각 연료의 탄소 변환계수를 적용하여 선박에너지 효율지수를 계산하였으며 43%의 선박에너지효율지수를 감소시킬 수 있다.

또한 Fig. 3은 대상 선박의 연료유의 종류에 따른 에너지 효율지수를 나타내고 있으며 LFO, LPG-B, LPG-P, LNG, 에탄올, 메탄올의 순으로 탄소변환계수가 낮기 때문에 그래프를 통해서도 탄소배출계수가 낮은 연료를 사용할 경우 선박에너지효율 지수가 낮아짐을 확인할 수 있다. 즉, 연료유의 종류에 따라 탄소 변환 계수가 다르기 때문에 이로 인한 선박에너지 효율 지수를 낮출 수 있다.

Fig. 3. 
EEXI according to the type of ship’s Fuel Oil.

특히나 사용 중인 연료유를 LNG의 연료 형태로 변화하거나 메탄올이나 에탄올 등의 저탄소 및 무탄소 연료를 사용하게 될 경우 낮은 탄소변환계수로 인하여 선박에너지효율지수를 낮출 수 있다. Table 7과 같이 탄소가 상당히 포함되어있는 연료를 사용했을 때의 EEXI에 비해 저탄소 연료를 사용하게 될 경우 43.6%의 EEXI 지수를 낮출 수 있음을 확인할 수 있다. 이와 관련하여 저탄소 또는 무탄소 연료로 운항하는 선박에 대한 연료소비량 분석에 관한 연구도 Lim et al.[2021]에서 이뤄졌다.

이 뿐만 아니라 앞서 언급한 대로 현재 한국의 경우 한국형 친환경 선박 실증 프로젝트(Greenship-K)를 통해 관공선이나 실습선등을 액화천연가스나 저탄소 연료로 추진할 수 있는 기술을 갖춘 선박으로 대체하고 해양수산부와 관계부처의 회의에서도 앞으로의 운용 계획에 대한 방향(MOF[2020], Greenship-K Project)도 제시하고 있다. 뿐만 아니라 국내 LNG 추진 선박과 LNG 벙커링에 대한 법적 근거를 마련하고 통영에 있는 가스공사 LNG인수 기지를 벙커링 겸용 터미널로 우선 개발하며 향후 광양, 보령, 인천 등으로 확대할 계획을 가지고 있어 LNG사용을 위한 인프라 구축 문제는 해결이 될 것으로 전망하고 있다. 그러나 엔진 개조 가격 자체가 높고, 연료 공급 및 저장 장치 설치에 따른 초기 투자비용이 상당히 높다는 단점이 있으며 탄소가 함유되어있는 연료 이외의 무탄소 연료(수소, 암모니아 등)가 개발 단계이다. 하지만 점차 인프라 구축이 빠르게 되고 있으며 LNG 벙커링 선박의 상용화 또한 빠르게 이뤄지고 있다. 하지만 가스 연료의 사용은 이산화탄소 감축을 위한 단기적인 전략이며, 장기적인 관점에서 무탄소 연료의 사용을 목표로 하고 있기 때문에 무탄소 연료에 대한 인프라 구축(Yoon and Shin[2000])이나 관련된 연구가 더 빠르게 이뤄지고 있다.