2021.09.07 (화)

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수소선박이 뜬다 ② 삼성중공업-블룸에너지, 연료전지로 가는 LNG 운반선

세계 최초로 ‘연료전지 추진 LNG 운반선’ 개발 중
블룸에너지, 美 선급 형식승인 위한 연료전지 테스트 진행 중
삼성중공업 174K급 LNG 운반선에 최초로 적용 예정
암모니아엔진, 수소엔진 등 친환경선박 기술 각광

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[월간수소경제 성재경 기자] 선박에서 나오는 온실가스는 지구 전체 배출량의 2.5%(연간 약 10억 톤)를 차지한다. 액화천연가스(LNG)는 벙커C유보다 탄소배출이 20∼25% 적어 친환경 연료로 꼽혀 왔지만, 이마저도 과거형이 됐다. 세계 4위 철광석 업체인 호주의 포테스큐(FMG)가 올해 초 LNG 추진 벌크선 10척의 입찰을 냈다가 암모니아 추진선에 집중하겠다며 2개월 만에 발주를 취소한 일이 대표적인 사례다.


조선업계가 그동안 이산화탄소 배출을 줄이기 위해 LNG선 등 친환경선박 건조에 주력해왔지만 LNG선에도 온실가스가 일부 배출되면서 다른 대안을 찾을 수밖에 없는 처지가 됐다. 


국제해사기구(IMO), 해양환경보호위원회(MEPC)가 지난 6월에 76차 회의를 열고 현존선박에너지효율지수(EEXI)와 탄소집약도(CII) 등급제를 2023년부터 도입하기로 한 점에 주목해야 한다. 이 기준을 충족하지 못하는 선박은 운항속도를 줄이거나 저감 설비를 장착해야 한다. 정상 운항이 어려운 노후 선박들은 이제 시장에서 퇴출될 확률이 높아졌다. 

 




고정형 SOFC 연료전지를 선박에 적용

IMO는 선박의 탄소배출량을 2008년 대비 2030년까지 40%, 2050년까지 70% 감축을 목표로 규제의 강도를 높여가고 있다. 덴마크 국적의 세계 최대 해운사인 머스크(Maersk)가 LNG 대신 메탄올, 암모니아 추진선 도입을 공식화한 배경이 여기 있다.


국내 조선업계도 이런 변화를 예상하고 나름의 준비를 해왔다. 한국조선해양(현대중공업그룹), 삼성중공업, 대우조선해양 등 국내 조선 ‘Big 3’을 중심으로 암모니아 추진선, 연료전지 추진선 개발에 공을 들이고 있다. 


이 중 삼성중공업은 미국의 블룸에너지와 손을 잡고 세계 최초로 연료전지 추진 LNG 운반선 개발을 진행하고 있다. LNG선 화물창 용량 174K(17만4,000㎥)급으로 가장 수요가 많은 선박에 적용할 방침이다. 


양사가 연료전지 선박 공동개발을 위해 협약을 체결한 것은 지난해 6월이다. 정호현 삼성중공업 기술개발본부장과 KR 스리다르 블룸에너지 최고경영자가 거제조선소와 캘리포니아 블룸에너지 본사를 화상으로 연결해 협약 체결식을 진행했다. 이에 앞서 삼성중공업은 2019년 9월 노르웨이 선급인 DNV로부터 연료전지 적용 원유운반선에 대한 기본설계 승인(Approval In Principle; AIP)을 받은 바 있다. 




이와 관련해 블룸에너지 측의 답변을 받았다. 블룸에너지는 고정형 연료전지로 잘 알려진 자사의 SOFC(고체산화물연료전지)로 육상 테스트를 완료하고 현재 미국선급(ABS)의 NTQ 인증에 필요한 평가를 수행 중이다. 


어떤 계기로 삼성중공업과 연료전지 선박 개발을 함께하게 됐나?

삼성중공업은 세계 최대 조선사 중 하나이며, 블룸에너지는 글로벌 고정형 연료전지 시장에 주력하고 있다. 삼성중공업의 경우 조선사 최초로 연료전지 추진 대형화물선을 공급해 IMO가 제시한 탄소배출 제한 목표치를 초과 달성하고자 하는 비전이 있었다.


블룸에너지는 지상에서 이미 전 세계적으로 탄소배출량을 40억 파운드(약 180만 톤) 이상 줄이는 일을 도왔고, 블룸에너지의 청정기술을 해상 운송에 적용한다면 세계 경제의 또 다른 축인 해양 부문에서도 탈탄소화를 가속하는 데 동참할 수 있을 것으로 봤다.



양사는 2020년 협약 체결에 앞서 연료전지 추진 선박의 실현 가능성, 필요 사항 등에 대해 논의했고, 연료전지 추진 아프라막스(A-Max)급 원유운반선의 설계와 DNV의 기본설계 인증을 받기 위해 협력하면서 해법을 모색했다. 양사의 담당자들이 선박 디자인 개발을 위해 수차례 미팅을 진행하면서 서로의 역량에 대한 확신을 얻었고, 이에 공동개발 협약을 체결하기에 이른 셈이다.


소형선박이나 페리선에 수소연료전지를 탑재한 사례는 있지만, 벌크선과 컨테이너선 등 대형선박은 그렇지 않다. 대형선박에 연료전지를 적용하기 위해 기술적으로 넘어야 할 점이 있다면?

선박용 연료전지 실증 프로젝트가 페리선 또는 단거리 항해에 국한된 이유가 있다. 아직은 연료용 수소의 공급이 제한적이고 장거리를 오가는 대형선박의 경우 수소연료를 저장하기 위한 공간을 추가로 확보해야 하는 어려움이 있다.


수소만을 연료로 사용하는 여타 연료전지(PEM)와 다르게 블룸에너지의 연료전지(SOFC)는 천연가스, 바이오가스, 수소 등 다양한 청정연료를 단독 또는 혼합으로 사용할 수 있는 연료 유연성이 있다. 이미 LNG를 연료로 사용하고 있는 대형선박의 경우 블룸에너지의 연료전지를 이용하기 위해 추가 공간이나 설비를 확보하거나 기존 설계를 변경할 필요 없이 기존 천연가스를 개질해 전력을 공급하게 된다. 




블룸에너지의 연료전지는 생산 공정에서 탄소배출량을 제로로 하는 ‘탄소중립’ 달성을 위한 중간 단계뿐 아니라 그 최종 단계에도 모두 활용될 수 있다. 

  

그동안 육상에서 연료전지 테스트를 진행했다고 들었다. 어떤 시험을 진행했는지 궁금하다.

우선, 지상에 설치된 블룸에너지의 발전용 연료전지는 수많은 테스트와 인증을 통해 충분한 검증을 거쳤고, 포춘지 선정 100대 기업 등 수백여 곳에 이르는 현장에 보급되어 가동 중이라는 사실을 언급하고 싶다. 


하지만 육지와 바다는 연료전지 운영 환경이 엄연히 다르다. 블룸에너지는 선박용 연료전지가 거친 해양환경에서도 안정적으로 전력을 공급할 수 있는지 알아보기 위해 먼저 육상에서 진동, 횡경사, 종경사, 기울기 등 해양환경을 재현했다.  


진동 테스트에서는 정해진 간격과 시간 동안 연료전지를 흔들어 항해의 지속적인 진동을 재현했고, 기울기 테스트에서는 선박이 거친 바다를 헤쳐 나가며 겪게 될 다양한 움직임을 재현했다. 또 여러 각도에서 경사 테스트를 진행했다. 




블룸에너지는 육상 테스트를 마치고 내년에 해상에서 최종 테스트를 진행할 계획이다. 블룸에너지의 연료전지시스템은 기본적으로 큰 폭의 주위 온도 변화에도 작동하도록 설계됐는데, 이번에 높은 염도와 같은 해양환경 조건에서도 문제없이 작동하도록 보완하고 있다. 


한편 전체 시스템은 관련 안전 규정을 준수해야 하는 바, 블룸에너지는 선박용 연료전지의 안전한 구동을 위해 해양환경 시뮬레이션, 시스템 설계를 완료하고 형식승인(Type Approval) 획득 절차를 진행 중이다. 형식승인은 미국선급(ABS)의 NTQ 인증을 의미한다.

 

NTQ 인증에 대해 좀 더 자세히 알고 싶다.

신기술 사용적합성 인증(New Technology Qualification; NTQ)은 신기술의 안전성과 내구성, 효과를 검증하는 절차로 신기술이 사전에 정의된 성능 기준에 부합하는 수행 능력을 갖췄음을 의미한다. 


NTQ 인증은 기술개발의 진행 단계에 따라 △타당성 평가(feasibility stage), △개념 평가(concept verification stage), △프로토타입 평가(prototype validation stage), △시스템 통합 평가(system integration stage), △운영 평가(operational stage)의 다섯 단계로 진행된다. 안전성을 검증하기 위해 각 단계별 리스크와 기술력을 평가하는 것이 핵심이다.




1단계 검증이 끝나면 인증서 하나가 발급되고, 2단계 심사로 넘어가게 된다. 이 단계를 모두 통과해야 한다. 블룸에너지는 최근 선박용 연료전지 설계에 대한 개념 평가 인증서를 받았다. (8월 중순) 현재 프로토타입 평가 단계에 있다.

 


수소·암모니아 추진 선박에 집중

블룸에너지는 현재 해상용 연료전지의 형식승인을 ABS로부터 획득하기 위한 절차를 진행 중이다. 언제쯤 인증이 완료되고 어떤 절차를 거쳐 선박의 수주가 이뤄지는지 궁금했다. 이는 연료전지 선박의 상용화 시점과도 관련이 있다. 이번에는 삼성중공업을 통해 관련 질문에 대한 답을 들었다. 


이와 별개로 삼성중공업은 최근 DNV로부터 ‘암모니아 레디 초대형원유운반선(VLCC for Ammonia fuel Ready)’ 기본설계에 대한 인증(AIP)을 받았다. ‘암모니아 레디’란 LNG와 디젤 연료로 추진하는 선박이 향후 암모니아 추진선으로 개조가 가능하도록 선체 구조, 연료탱크 사양, 위험성 평가 등을 사전 설계에 반영한 선박을 이른다.


삼성중공업은 이미 지난 2019년 7월부터 말레이시아 선사인 MISC, 독일 선박 엔진 제조사인 MAN, 노르웨이의 암모니아 공급사인 YARA, 싱가포르 항만청 등 글로벌 파트너사와 암모니아 연료 추진선에 대한 공동연구를 진행해왔다. 또 지난해 9월에는 ‘암모니아 연료 추진 아프라막스급 원유운반선’ 기본설계에 대한 AIP 인증도 받았다.


내연기관에 기반 한 선박 엔진 개발 동향을 보면, 수소엔진보다는 암모니아엔진 개발 속도가 한 발 빠르다. 삼성중공업은 연료공급 시스템을 독자 개발하고 상세 설계를 완료해 2024년에는 암모니아 연료 추진선을 상용화한다는 계획을 세워놓고 있다.



 

신규 선박 개발에 필요한 절차나 개발 기간에 대해 알고 싶다.

신규 선박 개발에 필요한 절차가 특별하게 정해져 있지는 않다. 단, 기존 선박과 동일하게 국제해상인명안전협약(SOLAS), IMO, 선급 등에서 정의하고 있는 규정과 법규(Rules & Regulations)를 만족하도록 설계돼야 한다. 각 선급이 연료전지 적용에 대한 규정(Rule)을 보유하고 있으나 기존 내연기관 엔진에 비해 경험이 충분치 않기 때문에 지속적으로 보완하고 있는 실정이다. 


앞서 말한 기본설계 승인(AIP)은 일반적으로 초도제품 적용이나 새로운 개념의 선박 개발 시 조선소와 선급이 서로 협조해 규정에 저촉되지 않으면서 선박의 안전성을 확보하는 단계로, 실 프로젝트 수주 전에 준비하는 개념설계를 의미한다. 이후 본 개념설계를 기반으로 상세한 생산설계를 거쳐 선박을 건조하게 된다. 


블룸에너지의 연료전지를 적용한 LNG 운반선 개발 일정은 어떻게 잡혀 있나?

개발 기간은 승인 문서나 도면의 수량에 따라 달라질 수 있지만, 보통 3~4개월이 걸린다. SOFC 연료전지 LNG 운반선의 경우 1년 정도 소요됐다. 연료전지 LNG 운반선 기본설계 승인은 조선소가 연료전지 업체의 제품을 선박에 적용·설계해 선급(DNV)으로부터 승인을 받았다. 당사(삼성중공업)는 최종 형식승인 제품을 이용해 기 승인을 받은 기본설계를 업데이트해서 실 프로젝트 수주를 준비할 예정이다.




블룸에너지 사의 연료전지는 LNG를 연료로 하는 제품이다. 따라서 LNG를 화물로 운송하는 174K급 LNG 운반선에 최초로 적용할 예정이다. 기존의 메인 엔진과 발전용 엔진을 전부 연료전지로 대체하는, 엔진 없는 선박을 개발 중이다.

 

블룸에너지가 내년에 최종 ABS 기본설계 승인을 받으면 미국 시장에서 선박 수주가 가능해진다는 뜻인가?

블룸에너지 사는 해상용 연료전지의 형식승인을 ABS로부터 획득하기 위한 절차를 진행 중이다. 형식승인은 제품을 선박에 적용했을 때 안전에 문제가 없는지를 확인하는 절차로, 당사가 DNV로부터 받은 기본설계와는 별개다. 


선박은 하나의 선급이 지정되는 것이 일반적이며(두 곳의 선급 지정도 가능은 하다), 해당 선급의 규정에 따라 승인을 득하면 지역에 관계없이 시장 진출이 가능해진다. 한 선급으로부터 승인을 득할 경우 타 선급의 승인을 득하는 것은 크게 문제가 되지 않으며, 실 프로젝트 수주 시 해당 선급에 승인을 득하는 것이 원칙이다. 개발 단계에서 승인을 득하는 것은 향후에 발생할 수도 있는 문제점을 미리 확인해 실 프로젝트를 원활하게 진행하기 위함이다.

 

친환경선박시장의 흐름을 어떻게 보고 있나? LNG선을 비롯해 수소·암모니아 추진선에 대한 전망이 궁금하다.

현재까지는 LNG를 연료로 하는 선박이 친환경에 가장 적합하지만, IMO의 강력하고 지속적인 환경규제로 인해 CO2를 배출하는 LNG도 더는 친환경 연료로 각광받는 시점을 지나고 있는 실정이다.


대체연료를 사용하는 기술이 확보되기 전까지 당분간 LNG를 사용해야 할 것으로 판단되며, CO2 포집 기술을 선박에 적용해 규제를 만족시키는 방안이 있다. 수소연료전지나 배터리를 이용한 하이브리드 시스템이 대안으로 대두되고 있으나, 이 또한 제반 기술 확보가 관건으로 보인다.


향후 암모니아나 수소를 연료로 사용하는 엔진 개발이 완료되면 CO2 규제에서 자유로워질 것으로 판단되지만, 한편으로 유해성 물질의 취급이나 안전성에 대한 준비가 확보돼야 한다. 


독일의 선박 엔진 제조사인 ‘MAN 에너지솔루션’ 같은 경우 2024년 상용화 목표로 2행정 암모니아엔진을 개발 중에 있으며, 수소엔진의 경우 4행정 엔진을 기반으로 개발 중에 있으나 암모니아엔진보다는 시장 진입이 늦어질 것으로 예상된다. 암모니아엔진의 경우 일단 115K 원유운반선 정도에 적용을 하면서 선박의 크기를 키워갈 것으로 보인다.  


핀란드의 선박 엔진 제조사인 바르질라는 수소나 암모니아를 연료로 하는 내연기관 엔진을 개발 중이다. 수소엔진의 가능성을 어떻게 보고 있나?

최근 바르질라가 밝힌 대로 2025년경에 순수 수소를 연료로 하는 엔진 개발이 완료되고 충전인프라가 제대로 갖춰진다면 배기가스로 인한 환경규제에 최적의 해결책이라 판단되나, 바르질라는 4행정 엔진을 개발하는 업체로 엔진의 출력과 효율이 2행정 엔진에 비해 떨어지므로 대형선박에 적용하기에는 제약이 따를 것으로 보인다. 하지만 친환경 측면에서 수소엔진의 적용 가능성이 커 보이는 것은 사실이다.

 

7월 초에 수소연료저장탱크 제조사인 일진하이솔루스와 수소선박 공동개발에 관한 업무협약을 맺었다. 어떤 프로젝트가 예정되어 있나? 또 액화수소 운반선의 개발도 궁금하다.

일진하이솔루스와는 수소연료전지를 기반으로 하는 크루즈(Sea/River Cruise) 프로젝트를 수행하고 있으며, 아직은 초기 단계로 선박의 개발 방향에 대해 논의 중이다. 액화수소 운반선 개발은 현재 진행 중이다. 가스선 화물창(Cargo Containment System) 개발, 화물관리시스템(Cargo Handling System) 개발, 추진 시스템 개념설계를 수행해 친환경선박 개발에 앞서가는 선두주자가 되기 위해 노력하고 있다.

 



철강업계가 하반기 후판가 인상을 요구하고 있고, 코로나19의 영향으로 국내외 해운 환경이 어려운 상황이다. 이 난관을 어떻게 극복해 나갈 방침인가?

삼성중공업을 포함한 국내 조선사는 올해 2년 치 이상의 건조 물량을 확보하며 향후 수익성 위주의 선별 수주 환경이 마련되었으며, 최근 신조 선가 역시 상승세가 뚜렷하게 나타나고 있어 시황 전망은 긍정적이다. 이러한 시황 개선과 더불어 삼성중공업만의 친환경 기술 경쟁력을 바탕으로 수주를 늘려갈 방침이다.


삼성중공업은 연료전지-배터리 하이브리드, CO2 포집, 암모니아·수소 연료와 같은 친환경선박 개발에 초점을 맞춰 단기·중장기 개발 계획을 수립하여 진행 중이며, 선박의 운항 비용을 절감할 수 있도록 선박의 성능 개선, 최적 운항루트 제공 등을 통해 선주들의 이익을 극대화할 수 있는 선박을 제공할 방침이다.





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