선박연비 10% 높일 기술은?

공기·물 저항 줄여 연료비·탄소 발생 저감

환경규제가 점차 강화되면서 글로벌 선사들은 선박에서 배출되는 탄소를 줄이기 위한 노력을 지속하고 있다. 2010년대 들어 벙커유와 같은 전통적인 화석연료를 대체할 수 있는 친환경 연료로 LNG가 주목받기 시작했으며 2020년대 들어서는 메탄올과 암모니아를 연료로 사용할 수 있는 추진 시스템 개발과 이를 적용한 선박 발주가 크게 늘었다.

하지만 지난해 LNG가 친환경 연료의 강력한 대안으로 다시 부상했다. 이를 연료로 하는 추진 시스템 개발과 개선이 장기간에 걸쳐 이뤄진 만큼 메탄올·암모니아가 경제성 측면에서 한계를 보인데 따른 것이라는 분석이다. LNG도 기존 화석연료와 비교하면 효율성은 떨어지나 충전 인프라가 상당 수준 구축돼 있고 380CST 대비 연료비도 30% 높은 수준에 그친다. 메탄올·암모니아는 더 비싼 가격과 기존보다 4배 큰 연료탱크를 필요로 한다는 것이 단점으로 지적된다.

친환경 연료를 선택하면 탄소는 줄일 수 있으나 운영비는 늘어난다. 선원 인건비와 함께 선박 운영에서 가장 큰 비용을 차지하는 것이 연료비라는 점을 감안하면 선사들의 고민은 깊어질 수밖에 없다. 자연스레 선사들의 관심은 같은 연료로 더 먼 거리를 운항할 수 있는 연비향상 기술에 집중됐다. 연비가 높아지면 당연히 탄소배출도 그만큼 줄어들기 때문이다.

친환경 연료에 대한 고민이 선사들을 중심으로 이뤄지고 있다면 연비향상 기술에 대한 고민은 조선사들을 중심으로 이뤄지고 있다. 운항 중인 선박에 대한 개조보다 새로 건조하는 선박에 연비를 향상시킬 수 있는 기술을 탑재하는 것이 쉽고 효율적이다. 같은 가격의 선박이라면 선사들은 연비가 조금이라도 더 좋은 선박에 투자하려고 할 것이다.

HD한국조선해양을 비롯해 삼성중공업, 한화오션 등 글로벌 조선 빅3는 다양한 연비향상 기술을 개발하기 위해 지속적인 연구에 나서고 있다. 노르웨이 등 유럽을 중심으로 소형선에 적용됐던 기술들을 연구하고 이를 대형 선박에 적용하기 위해 자체적인 연구개발을 진행 중이다. 유럽은 2000년대부터 풍력을 비롯해 태양광, 소형 원자로를 대형 상선의 추진수단으로 활용하기 위한 논의와 연구개발을 지속하고 있다.

다시 주목받는 '돛단배'…실선 탑재 및 연구개발 지속

외형적으로 가장 눈에 띄는 것은 풍력이다. 태양광은 선박 상갑판 전체를 태양광 패널로 채워야 하는 것에 비해 전력 생산량은 미미하고 소형 원자로의 경우 기술개발과 별개로 국제사회에서 관련 규제 등에 대한 논의가 이뤄져야 한다.

대형 선박에 풍력보조추진설비를 장착하는 것은 이미 HD현대미포가 수주한 선박에서 실현되고 있다. HD현대미포의 베트남 법인인 HD현대베트남조선은 지난해 3월 유니언 마리타임(Union Maritime)으로부터 11만5000DWT급 LNG 이중연료 추진 석유제품선 2척을 수주했다.

이들 선박에는 영국 바 테크놀로지(BAR Technology)가 제작한 돛 모양의 윈드윙(WindWing) 2기가 선수 쪽에 비대칭으로 설치된다. 높이 37.5m, 폭 20m 규모로 제작되는 윈드윙은 바람의 방향에 따라 조정이 가능하고 역풍이 불 때는 접거나 내릴 수 있다. 바 테크놀로지는 일반적인 글로벌 노선에서 윈드윙 1기당 일일 평균 연료 절감을 1.5톤, 이산화탄소 저감 효과는 6톤으로 제시했다.

조선 빅3 뿐 아니라 HD현대베트남도 풍력보조추진설비를 대형 선박에 적용하는 것은 이번이 처음인 만큼 선박 설계에만 약 2년의 시간이 투자된다. 착공은 2026년 8월과 11월에 들어가며 선박 인도는 2027년 11월 및 2028년 4월로 예정됐다.

업계 관계자는 "북유럽 지역에서 소형 컨테이너선 등에 풍력보조추진설비가 장착된 사례가 있고 점차 대형 선박으로의 적용을 위한 연구개발이 이뤄지고 있다"며 "편서풍 등 일정한 방향으로 바람이 불고 있는 항로를 이용한다면 풍력은 신재생에너지 중 가장 현실적인 방안이 될 것으로 생각한다"고 말했다.

HD현대베트남에서 건조하는 선박이 유럽 기업의 풍력보조추진설비를 장착하는 반면 삼성중공업은 자체 기술로 개발에 나서 국제적인 인증 획득에 성공했다.

삼성중공업은 지난해 11월 한국선급과 라이베리아 기국으로부터 '윙 세일(Wing Sail)'이 적용된 LNG운반선의 기본설계 인증(AIP, Approval in Principle)을 받았다.

윙 세일은 전통적인 범선의 원리를 발전시킨 형태로 일본 MOL, 프랑스 에어씨(Airsea), 영국 바텍(Bartech) 등과 같은 기업을이 윙 세일 관련 다양한 기술을 상용화하고 있다.

삼성중공업이 개발한 윙 세일은 항공기 날개의 에어포일 형상을 차용해 보다 효율적인 양력과 추진력을 생성하도록 설계됐다.

윙 세일은 고정형 구조로 추진력을 생성하기 위한 추가 에너지 공급을 필요로 하지 않는다. 운하나 다리 통과시 낮은 높이로 조정하는 틸팅(Tilting) 시스템과 기상 상황에 따라 접거나 방향을 조정하는 과정에서 선박의 에너지를 소모하지만 전체 연료절감 효과에 비하면 미미한 수준이다.

기본적으로 가동하는 동안에 에너지를 필요로 하지 않는다는 점에서 또다른 풍력추진설비인 로터 세일(Rotor Sail) 대비 강점을 갖고 있다. 로터 세일은 추진력 생성을 위해 원통형 구조물 회전을 통한 '마그누스 효과(Magnus Effect)'를 이용한다. 비교적 작은 크기로 큰 추진력을 발생시킬 수 있어 유럽에서는 소형선에 로터 세일을 장착한 사례가 나오고 있다. 하지만 추진력 생성을 위해 원통형 구조물이 회전시켜야 하므로 지속적인 에너지를 필요로 하고 지속적인 회전 운동은 베어링(Bearing) 마모 등 유지관리에 대한 부담으로 연결된다.

삼성중공업은 아시아에서 미국으로 운항하는 17만4000㎥급 LNG운반선 기준 10%의 연료절감을 목표로 윙 세일 개발을 진행하고 있다. 선박 상갑판에 원통형 구조물을 설치하는 만큼 컨테이너선보다는 가스운반선과 유조선, 벌크선 등의 선종이 윙 세일 장착에 적합하다.

삼성중공업 관계자는 "로터 세일이 정형화된 솔루션인 반면 삼성중공업이 개발한 윙 세일은 다양한 풍향과 풍속에서도 일정한 추진력과 연료절감 효과를 제공하며 차별화된 성능과 안정성을 확보했다"고 말했다.

최근에는 대형 컨테이너선의 공기저항을 줄이는 '세이버 윈드캡(SAVER Wind(C))'을 적용한 첫번째 선박의 인도가 이뤄지면서 향후 적용 선박이 확대될 것으로 전망된다.

삼성중공업은 지난달 15일 세이버 윈드캡이 적용된 1만5000TEU급 컨테이너선을 인도했다. 컨테이너선의 경우 전체 공기저항의 80%가 컨테이너 박스에 의해 발생하며 악천후로 높은 파도를 지나가는 과정에서 화물이 파손되기도 한다.

선수 부분에 아치형으로 장착되는 세이버 윈드캡은 선박 전면과 측면의 공기 흐름을 효과적으로 분산시켜 연비를 최대 6%까지 향상시킨다. 구조물 지탱을 위한 기둥이 필요하지 않아 선박 의장품과의 간섭이 발생하지 않고 타 제품 대비 가볍다는 것도 장점이다. 삼성중공업은 지금까지 41척의 컨테이너선에 세이버 윈드캡 설치 계약을 체결했다.

공기방울로 수면마찰 줄이는 공기윤활시스템 적용 늘어

풍력보조추진설비의 경우 선박 상갑판에 설치되는 특징으로 인해 눈에 띄는 연비향상 시스템이지만 실제로는 선체 하부에서 수면의 저항을 줄이기 위한 노력이 다양하게 이뤄지고 있다.

공기윤활시스템(ALS, Air Lubrication System)은 수면의 마찰저항을 줄이기 위한 대표적인 장치로 다양한 연구개발이 이뤄졌다.

이 시스템은 프로펠러 방사 소음 감소를 위해 1950년대 미 해군이 처음 제안했다. 선체와 프로펠러 주변에 인위적으로 기포(Bubble)를 생성시켜 군함이 추진하면서 발생하는 소음을 제거함으로써 다른 선박의 음파 레이더 탐지를 피하기 위한 것이 공기윤활시스템 개발의 목적이었다.

하지만 이후 선체의 수중에 작용하는 마찰저항을 줄이기 위한 목적으로 상업용 선박에 적용하기 위한 노력이 지속됐고 2018년 국제해사기구(IMO)의 'MEPC.1/Circ.815'에서 혁신적인 에너지 효율 기술로 분류됐다.

공기윤활시스템은 공기를 주입하기 위한 펌프와 이에 연결된 배관, 공기를 분출할 수 있는 배 밑바닥의 노즐로 구성된다. 글로벌 조선 빅3가 건조하는 선박의 길이가 최대 400m에 달하기도 하는 만큼 배 밑바닥 전체에 고르게 공기를 분출하고 이를 유지할 수 있느냐가 관건이다.

업계 관계자는 "벌크선과 유조선은 물의 점성저항이 전체 저항의 70~90%를 차지한다"며 "공기윤활시스템을 적용하면 5~15%의 연비향상 효과를 볼 수 있는 것으로 추정된다"고 말했다.

글로벌 조선 빅3는 각각 개발한 공기윤활시스템을 건조하는 선박에 적용하고 있다. HD현대중공업은 'Hi-ALS', 삼성중공업은 'SAVER Air', 한화오션은 'Hanwhaocean Air Lubrication System'이라는 이름으로 개발해 다수의 실선 적용 실적을 갖고 있다.

연비 높은 선박을 마다할 선사는 없다. 선사들이 선호하는 기술을 가진 조선사는 수주영업도 그만큼 유리한 위치에서 진행할 수 있다. 조선사들이 연비향상 기술 개발에 매진하는 이유다.

"단순할수록 좋다" 프로펠러 효율 높이는 기술에 집중

다양한 기술에 대한 연구와 실증이 이뤄지고 있으나 일각에서는 기상 상황에 따라 가동과 중단을 반복해야 하는 기술을 선사들이 반기지 않는다는 지적도 제기된다. 다양한 대양과 항로를 운항해야 하는 선사 입장에서는 유지보수에 대한 부담도 간과할 수 없다. 공기윤활시스템을 장착한 선박이 늘어가고 있지만 글로벌 선사들이 대체로 그 효과를 체감하고 널리 선호한다고 꼽을 만한 기술은 없다는 것이 업계의 시각이다.

"선박 건조시 장착하고 인도 받으면 그 사실을 잊어버려도 상관 없는 기술을 원한다"는 이유도 여기에 있다. 단순하지만 선박 어딘가에 구조물을 하나 장착하고 연비향상 효과를 거둘 수 있다면 선사 입장에서는 가장 좋은 선택지라는 주장이다.

이와 같은 기술은 선박의 프로펠러와 주변 설비를 중심으로 연구개발이 집중돼왔다. 프로펠러의 형태와 운동성을 개선하거나 이를 통과하는 물의 흐름을 분석해 추진효율을 높이는 식이다.

'Hi-FCF(Hyundai Flow Control Fin)'는 HD현대중공업의 선박 에너지 절감장치 중 가장 단순하고 비용효율적인 장치로 불린다. 선미 좌·우현 양 측면의 '빌지 와류(Bilge Vortex)'가 생성되는 위치에 판(Plate) 형태로 각 1개씩 부착되는 Hi-FCF는 프로펠러 유입류에 전방 소용돌이(Pre-Swirl) 생성효과를 제공해 추진효율을 증가시킨다. 장치 특성 상 선박 건조시 설치 뿐 아니라 기존 선박의 개조가 쉽다는 것도 장점이다.

'Hi-PSD(Hyundai Pre-Swirl Duct)'는 프로펠러면 앞쪽에 좌·우현 비대칭 부분 덕트와 몇 개의 핀이 일체형으로 설치된다. 덕트 부분은 선박 후미의 비균질 유동을 개선하고 핀은 선회류를 발생시켜 프로펠러 작동에 유리한 구동을 제공한다. 뿐만 아니라 Hi-PSD 자체적으로 추력을 생성하기도 한다.

대상 선박에 따라 핀과 덕트의 각도, 길이 등이 맞춤형으로 설계돼 연료절감 효과를 극대화하는 이 장치는 프로펠러에 의해 유발되는 기진력을 감소시켜 선체 및 프로펠러 진동을 줄이고 프로펠러 공동현상을 완화한다.

캐나다 벤쿠버 프레이저 항만청(Vancouver Fraser Port Authority)은 Hi-PSD를 'EcoAction Program'의 수중 방사 소음 저감장치로 인증했고 이에 따라 2022년부터 Hi-PSD를 탑재한 선박은 벤쿠버 항구에 연락해 항구 이용료를 23% 할인받을 수 있다.

2013년부터 건조 선박에 적용되기 시작한 Hi-Fin(Hyundai Propeller Boss Cap Fin)도 HD현대중공업의 대표적인 저비용 고효율 에너지 절감장치다. Hi-Fin은 프로펠러 허브 캡(Cap)과 일체형인 Fin의 가장자리에 엔드 플레이트(End Plate)가 붙어 있는 것이 특징이다.

엔드 플레이트를 사용하면 상대적으로 작은 핀 면적으로 비행기 윙렛(Winglet)과 유사한 성능을 발휘할 수 있다. HD현대중공업은 프로펠러 보스 캡의 길이를 줄여 적용성을 높였는데 이는 추진 효율을 개선시킬 뿐 아니라 공동 발생 위험을 감소시켜 러더(Rudder) 손상을 방지한다. 쉽게 개조와 설치가 가능한 Hi-Fin은 170척 이상의 선박에 적용됐다.

삼성중공업이 개발한 'SAVER Stator'는 추진기 전방에 설치된 3~4개의 날개로 구성돼 추진기 회전으로 발생하는 에너지 손실을 회수한다. 각 날개의 길이와 넓이는 선형에 따른 선미 유동에 최적화되도록 설계되며 각 날개 끝에 장착된 'Winglet'은 Stator 날개 끝단에서 와류(Tip Vortex) 발생을 억제해 프로펠러 손상을 방지하고 Stator 효율을 증가시킨다.

'SAVER Stator-D'는 2015년 이후 100척 이상의 선박에 적용된 'SAVER Stator'에 부분 덕트를 적용해 추가적인 추진효율 향상을 목적으로 한다. 저속비대선에 특화된 이 장치는 각 날개가 연결된 일체형 구조로 Stator 단독 설치 대비 더 높은 구조 안전성을 확보할 수 있어 2017년 이후 현재까지 50척 이상의 선박에 적용됐다.

날씨·선형 따라 효과 달라져…기술력 홍보로 수주영업에 도움

선박의 상부와 하부에 걸쳐 다양한 연비향상 기술이 개발되고 있으며 글로벌 기업들은 기존 기술의 개선을 통해 더 높은 효과를 추구하고 있다. 그럼에도 이와 같은 기술의 실질적인 효과에 대해서는 구체적인 수치를 제시하기 어렵다는 것이 업계의 지적이다.

자동차의 경우 정해진 도로에서 제한속도 이내로 주행하기 때문에 연비를 측정하는 것이 용이하다. 하지만 선박의 경우 다양한 해역과 항로를 운항하며 파도와 바람의 영향을 받기 때문에 같은 기술이 적용되도 그 효과는 서로 다를 수밖에 없다. 선박의 크기와 무게에 따라 탑재되는 장치의 크기와 수도 달라지게 된다.

업계 관계자는 "다양한 연비향상 설비를 장착하는 선박이 늘어나고 있지만 글로벌 선사들은 설비 장착으로 얻을 수 있는 효과를 그리 크게 보고 있지 않다"며 "두 가지 이상의 설비를 장착하는 것도 가능하나 연비 3%를 높일 수 있는 설비 2개를 장착했다고 해서 6%를 기대할 수 있는 것은 아니고 3%보다 약간 높은 수준인 것이 현실"이라고 말했다.

이어 "양호한 기상 조건에서는 일정 수준의 연비를 예상할 수 있기 때문에 시장에서도 관심을 보이고 있고 조선사 입장에서는 자사의 기술력을 홍보함으로써 선박 수주영업에 도움이 될 수 있다"고 덧붙였다.