다양한 친환경 연료 개발 및 도입 추진

전 세계적으로 각 산업 분야에서 탄소중립의 이행이 가속화되고 있는 가운데 해운산업에서도 탈탄소 흐름이 빠르게 진행되고 있어 이목이 집중되고 있다.

국제해사기구(IMO)는 지난 7월 영국 런던에서 열린 ‘제80차 해양환경보호위원회(MEPC 80)’에서 국제 해운산업의 탄소중립 실현을 목표로 하는 ‘2023 온실가스 감축전략’을 채택했다. 이는 2050년까지 온실가스를 2008년 총 배출량보다 50% 감축하기로 했던 기존 목표를 2050년경 100%까지 줄이는 것으로 강화한 것이다. 이를 실현하기 위해 중간단계 목표도 강화했다. 2030년까지 최소 20%(최대 30%)를, 2040년까지 최소 70%(최대 80%까지)를 감축하기로 한 것이다. 우리나라도 IMO의 목표에 대응하는 ‘국제해운 탈탄소화 추진전략’을 마련해 글로벌 해운산업 방향성에 발맞추고 있다.

IMO에 따르면 전 세계 화물의 90%를 운반하는 10만여개의 화물선의 대부분은 환경오염이 심한 디젤로 동력을 공급받고 있으며 현재 해운산업 분야의 탄소 배출량은 전 세계 탄소 배출량의 3%를 차지한다. 배출량 3%가 결코 적은 수치가 아니기에 탈탄소 전환이 쉽지 않을 것이라는 전망에도 해운산업은 나름의 마스터플랜을 수립해 다양한 친환경 연료 개발 및 도입을 추진하고 있다.

앞서 IMO는 그동안 새로 건조되는 선박에만 적용돼온 온실가스 배출 규제를 올해 1월 1일부터 현재 운항 중인 선박에 대해서도 확대 적용하기로 했다. 이에 따라 총 톤수 400톤 이상으로 국제항해에 종사하는 선박은 IMO가 정한 선박에너지효율지수(EEXI)와 탄소집약도지수(CII) 기준치를 충족시켜야 한다.

이와 함께 오는 2026년부터는 유럽의 탄소배출권 거래제가 해상운송에도 적용될 예정이다. 해상운송과 관련해 유럽 내 회원국간 항해에서 발생되는 온실가스 배출은100%, EU 역외 항해로부터의 배출에는 50%가 적용된다. 한국선급이 추정한 예상 소요비용 자료에 따르면 2023년 약 1조7,000억원을 시작으로 2026년부터는 연간 8조7,000억원 가량이 소요될 전망이다.

LNG·메탄올 등 대체연료 선박 각광

글로벌 선박 발주량 50% 차지

이처럼 강화된 IMO 환경 규제와 관련해 전 세계 해운사들도 이에 대응하기 위해 2050년까지 온실가스 배출량을 대폭 줄이겠다는 목표를 속속 설정하며 노후선을 대체연료 선박으로 교체, 본격적인 친환경 선박 체제 돌입에 나서고 있다.

이 가운데 액화천연가스(LNG)·액화석유가스(LPG)·메탄올·바이오연료(Biofuel) 등이 해운업계 저탄소화 및 탈탄소화 실현을 앞당겨 줄 연료로 평가받는다. 특히 LNG와 메탄올은 현재 신규 발주되는 선박 중 50%에 달하는 선박에 연료로 쓰일 예정이다.

영국의 조선·해운시장 전문기관 클락슨 리서치에 따르면 지난해 전 세계 LNG 추진선 발주량은 전년대비 46% 증가했다. 또한 메탄올 추진선 발주량이 친환경 연료 추진선 중 34%를 차지한 것으로 집계됐다. 특히 글로벌 조선사들은 올 초부터 지난 8월 말까지 총 156척의 대체연료 추진선을 수주한 가운데 이중 메탄올 추진선박이 42척, LNG선박이 114척으로 나타났다.

업계는 현재 LNG가 향후 최적의 대체연료가 확정되기 전까지 징검다리 역할을 하고 있다고 보고 있는 가운데 최근 LNG추진선보다 탄소 배출량이 더 적은 메탄올 추진선이 급부상하고 있는 상황이다. 메탄올은 기존 연료대비 질소산화물(NOx)·황산화물(SOx) 등을 크게 줄일 수 있는 것으로 알려졌다. 아울러 해양 누출·배출 시 바닷물에 녹는 특성과 상온에서 액체상태 유지가 가능해 추가적인 냉각 설비가 불필요하다는 점도 장점으로 부각되고 있다. 무엇보다 그린 메탄올은 황산화물 100%, 질소산화물 80%, 온실가스 최대 25% 등 감축효과가 있다는 점에서 친환경 연료로서 가치를 인정받고 있다.

메탄올 추진선 분야는 HD한국조선해양이 지난 2013년에 세계에서 첫 메탄올 추진선을 수주한 데 이어 최근 글로벌 메탄올 추진선 발주량에 약 절반 정도를 확보해 메탄올 추진선 건조 분야를 선도하고 있다.

업계에서는 향후 탄소배출이 적고 운송 및 저장이 용이한 메탄올 추진선 발주량이 확대될 것이란 전망과 함께 메탄올 선박에서 강점을 보이고 있는 국내 조선 ‘빅3’인 HD한국조선해양, 삼성중공업, 한화오션은 큰 수혜를 입을 것으로 보고 있다. 특히 HD한국조선해양은 머스크의 초대형 메탄올 추진 컨테이너선을 포함 현재 발주된 100여척의 메탄올 추진선 가운데 절반을 넘는 물량을 수주한 만큼 메탄올 추진선 시장에서 선두에 나서고 있다. 또한 삼성중공업도 대만 에버그린으로부터 16척의 메탄올선 수주에 성공했으며 올해 한화그룹에 인수된 한화오션도 본격적인 수주 및 실적 개선 효과가 보이고 있어 향후 메탄올 선박 수주 경쟁에 합류할 것이라는 전망이 나온다. 국내 최대 해운사인 HMM도 메탄올추진선 발주를 확대하고 있다.

수소·암모니아, 차세대 탈탄소 선박연료로 급부상

조선 빅3, 무탄소 추진선박 개발 본격화

하지만 이러한 친환경 선박시장의 확대에도 LNG 및 메탄올 추진선도 결국 저탄소 선박에 해당돼 탈탄소 선박과는 거리가 있다. 물론 모빌리티 분야에서 사용되는 연료전지를 선박에 사용할 수 도 있지만 연료전지의 무게 특성으로 인해 선박 운용 효율성이 떨어져 이는 소형 선박에만 고분자 전해질(PEMFC) 및 고체 산화물(SOFC) 등 연료전지 개발이 진행되고 있다.

이에 해운업계와 조선업계는 LNG와 메탄올에 이어 최근 암모니아, 수소 등 무탄소 추진선 개발에 본격 나서고 있다. 암모니아는 탄소를 배출하지 않고 제조·저장·수송 등이 가능하면서도 다른 연료대비 활용 비용 부담 또한 상대적으로 적어 차세대 탈탄소 선박 에너지원으로 주목받고 있다. 미국선급협회(American Bureau of Shipping, ABS)·클락슨 리서치 등은 2050년 넷-제로 목표 달성을 위해 향후 해운업계가 수소 및 암모니아를 선박 연료로 대체할 것이라 예측했으며 수소 및 암모니아 추진 선대가 80%로 증가할 것으로 내다봤다.

국내 조선사들도 수소 및 암모니아 선박 개발에 한창이다. HD현대는 지난 5월 ‘수소 혼소 힘센 엔진 고객 시연회’를 통해 독자 개발한 LNG·수소 혼소엔진(H22CDF)을 공개했으며 오는 2025년까지 수소 연료만으로 운항하는 엔진 개발을 목표로 하고 있다. 특히 노르웨이선급(DNV)으로부터 액화수소운반선의 수소시스템에 대한 기본인증(AIP)을 받았으며 로이드선급(LR) 등으로부터는 LPG운반선용 암모니아 이중연료추진 시스템, 암모니아 벙커링선에 대한 기본인증을 획득했다. 한국선급으로부터는 현대미포조선이 개발한 ‘액화이산화탄소 화물 탱크’에 개념 승인을 받았다. 더불어 HD현대의 조선중간지주사인 HD한국조선해양은 최근 개최된 ‘가스텍 2023’을 통해 싱가포르 EPS, 그리스 캐피탈과 6,168억 규모의 암모니아 운반선(VLAC) 4척에 대한 건조계약을 체결했다.

또 삼성중공업은 최근 거제조선소에 암모니아 실증 설비를 구축하기 위해 거제시와 한국가스안전공사에 각각 제조허가와 기술검토서를 승인받았다. 올해 말까지 구축될 실증설비는 1,300㎡(약 380평) 규모로 부지에는 연료공급, 재액화, 배출저감 시험 시스템 등이 설치된다. 삼성중공업은 앞서 2020년 암모니아 추진선 기술 개발 및 상용화를 위해 상용화를 위한 각 단계의 밸류체인에 해당하는 기업들과 동맹 ‘카스토르 이니셔티브’(Castor Initiative)를 맺은 바 있다. 현재 FLNG(부유식 액화천연가스 생산설비) 모델을 중심으로 LNG·LCO2 운반선에 대한 기술력을 내세우고 있는 삼성중공업은 향후 해외기업들과 기술협약을 통해 LCO2의 저장 용량은 키우고 비용은 낮춘 새로운 LCO2 운반선 및 부유식 이산화탄소 저장설비 모델을 개발한다는 목표다.

이밖에 한화오션도 최근 노르웨이 선급 DNV으로부터 7만㎥급 LCO2운반선에 적용되는 화물창에 대한 기본 승인을 획득하고 국내 조선소 최초로 선박수중방사소음 측정기관으로 인증 받았다. 아울러 미국 선급 ABS로부터 암모니아를 연료로 하는 가스터빈을 탑재한 LNG 운반선의 기본 인증(AIP)을 획득했다. 뿐만 아니라 최근 한화에어로스페이스와 함께 내연기관과 하이브리드로 에너지 활용이 가능해 연료를 절감할 수 있는 대형 선박용 ㎿급 에너지저장시스템(ESS)을 개발했다. 한화오션은 지난 2020년 MAN-ES, 로이드 선급과 공동개발에 나서 초대형 암모니아 추진 컨테이너선에 대한 기본 승인을 로이드 선급으로부터 획득했다. 이어 2021년에는 수소연료전지(SOFC)를 적용한 원유 운반선(VLCC)에 대해 미국선급협회(ABS)로부터 기본 승인을 획득한 바 있다. 한화오션은 해당 기술을 기반으로 2025년까지 암모니아 추진선을 상용화할 계획이다.

암모니아 추진선 확대 위한 국제 규정·가이드라인 시급

조선사들의 이러한 친환경 선박 도입 움직임과 관련해 업계에서는 현재 운영 중인 선박 중 6.5%의 톤수가 친환경 대체 연료로 운영이 가능할 것으로 보고 있으며 신규 건조하는 선박 중 수소연료를 사용할 수 있는 사례도 등장했다.

다만 수소 추진선은 암모니아와 함께 근본적인 탈탄소 선박으로 구분되나 영하 235도의 극저온에서 액화해야 하고 저장 탱크가 기존 연료 탱크 대비 7배 이상 커서 화물 적재 공간이 상대적으로 적으며 운송과 저장에 많은 비용이 발생하는 문제점이 있다. 또한 최근 정부가 내년 상반기까지 국제 컨테이너 선박에 바이오선박유를 급유해 시범 운항을 알린 바이오 추진선은 타 연료와 혼합사용이 용이하고 기존 선박 연료 계통 장치와 연료 탱크를 사용할 수 있어 저장과 운송 측면에서 가장 우수한 것으로 평가되나 산화에 따른 연료 효율 저하와 연료 공급 인프라 부족 문제가 산재해 있는 상황이다.

반면 암모니아의 경우에는 여러 시범 프로젝트가 진행 중에 있으며 머지않아 발주가 예상되고 있는 상황이다. 현재 부산 암모니아 친환경에너지 규제자유특구와 경상남도 암모니아 선박 규제자유특구 등 국내에서도 암모니아를 활용한 탄소중립 신산업 생태계가 조성 중에 있다.

전문가들은 암모니아가 미래 선박 에너지원으로서 크게 주목을 받을 것으로 업계와 의견을 같이하고 있다. 특히 전문가들은 암모니아 추진선이 활성화되기 위해서는 엔진과 규정 개발이 필수로 보고 있다. 현재 암모니아 추진선 규정은 한국선급(Korean Register, KR)과 국제선급연합회(International Assosiation of Classification Societies, IACS) 등 선급에서 개발이 완료된 상황이지만 국제 항해 선박에 일관된 기준이 적용되는 국제 규정 및 가이드라인은 아직 미비한 상황이다. 이에 전문가들은 암모니아 추진선의 국제 규정 제정을 위해서는 ▲암모니아 대기방출 저감 수단 ▲대기 및 해양 대상 암모니아 배출 기준 ▲암모니아 허용가능 노출 기준 ▲폭발 관련 암모니아 위험구역 기준 등의 대상 기준이 마련이 선행돼야 할 것으로 보고 있다.

해상풍력 연결해 암모니아 생산

한편 최근 해상풍력 등 해양재생에너지로 생산한 전기를 이용해 무탄소 암모니아를 생산하는 해상플랫폼이 나와 주목을 받고 있다.

선박해양플랜트연구소(KRISO)는 지난 9월 자체 개발한 암모니아 생산 해상플랫폼을 미국선급(ABS)에서 기본승인(AIP)을 받았다고 발표했다. KRISO가 개발한 암모니아 생산 해상플랫폼은 해상풍력과 같은 해양 재생에너지로 생산된 전기를 이용해 수소와 질소를 생산하고 이를 합성해 탄소 배출 없이 깨끗하게 해상에서 암모니아를 생산하는 플랫폼이다.

암모니아는 금속을 잘 부식시키는데다 독성을 가지고 있어 생산과정에서 누출 등의 위험이 발생하지 않도록 설계 안전성을 확보하는 것이 무엇보다 중요하다. 이번 AIP 인증으로 KRISO가 개발한 암모니아 생산 해상플랫폼에 대한 안전성과 기술적 타당성을 공식 인증 받게 됐다.

이 플랫폼은 KRISO가 이전에 개발한 수소 생산 해상플랫폼에서 그린수소를 안정적 공급받아 공기 중에서 분리한 질소와 합성하기 때문에 안정적으로 대량의 암모니아 생산이 가능하다. KRISO는 지난 7월 수소 생산 해상플랫폼에 대해서도 ABS로부터 AIP를 획득한 바 있다.

KRISO는 재생에너지 기반 해상 발전설비와 수소 및 암모니아 생산 플랫폼이 상용화되면 해상을 기반으로 탄소 배출 없이 대규모 친환경 에너지 생산 공급망 구축이 가능할 것으로 예상하고 있다. 특히 친환경 선박 개발에 속도를 내고 있는 조선·해운업계에 큰 도움을 줄 것으로 평가되고 있다.