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친환경 스마트 선박 부품의 설계, 제작, 평가 기술개발
김경천 센터장(친환경스마트 선박부품 기술혁신센터) / kckim at pusan.ac.kr /

사업명: 친환경 스마트 선박부품 기술 혁신센터

과제명: 부산대학교 기계공학부 

유형: RLRC 선도연구센터

연구책임자: 김경천 센터장 / kckim at pusan.ac.kr

 

 

선박에서 발생하는 온실가스를 획기적으로 감축하기 위해서는 저탄소, 무탄소 등 친환경 선박으로의 전환이 불가피합니다. 선박배출 오염물질 저감 장치를 설치하거나 에너지 효율기술이 적용되어 설계된 선박이 반드시 필요합니다. 최근 친환경 에너지 추진 선박으로 수소, 전기, 하이브리드, 연료전지 추진 선박 등 다양하게 개발되고 있는데요.

오늘 인터뷰에서 만나 보실 김경천 교수(부산대학교 기계공학부)는 선박의 환경규제와 친환경 스마트 선박의 소재, 부품, 장비 관련 연구를 진행하고 있습니다. 에너지 분야 유력 저널인 어플라이드 에너지(Applied Energy)에서 [2020 Highly Cited Paper]에 선정돼 인증서를 받았다고 하는데요. 이 인증은 논문 중 한 해 동안 가장 많은 인용횟수를 기록한 연구자에게 주어지는 상입니다.

또한 RLRC 선도연구센터 친환경스마트 선박부품 기술혁신센터 (Eco-friendly Smart Ship Parts Technology Innovation Center: EPIC) 센터장을 맡아 친환경 고효율 선박 부품개발, 미래형 선박부품, 스마트 선박부품 연구 중이십니다. 연구에 대한 자세한 이야기해보도록 하겠습니다.


1. RLRC 선도연구센터 친환경스마트 선박부품 기술혁신센터 (Eco-friendly Smart Ship Parts Technology Innovation Center: EPIC)에 대한 소개 부탁드립니다.

과학기술정보통신부 사업으로 한국연구재단에서 선정하는 지역혁신선도연구센터 (RLRC) 사업은 기초연구를 기반으로 지역의 지속가능한 자생적 혁신성장 견인을 위해 지역 혁신 성장 분야에 특화된 선도연구센터 구축·지원하는 사업입니다.





지역 대학을 중심으로 지역 내 혁신주체들의 역량을 결집하고 선도연구 센터를 통해 우수 지역인재를 양성하며, 연구성과를 지역에 확산시키는 목적입니다. 사업선정의 의미는 부산대학교가 주관기관이 되어 부산, 울산, 경남의 동남권역의 미래 먹거리 사업인 친환경 스마트 선박의 부품에 대한 핵심 설계/제조/성능평가/고장예지의 전주기적 기술 자립형 R&D 허브 센터를 출범시켰다는 점에 큰 의의가 있습니다.


2. 실제 국내 조선 3사가 수주한 선박의 45%가 LNG를 연료로 활용할 수 있는 이중연료 추진선이라고 하는데요. 교수님께서 연구하신 팽창기 및 열교환기의 최적설계에 의한 극저온 재액화 시스템에 대해서 궁금합니다.

LNG는 –164℃의 극저온에서 액체로 존재하므로, 아무리 단열을 잘 하더라도 쉽게 기화합니다. 기화된 기체 (BOG: boiled off gas)는 저장 탱크내에서 압력을 상승시켜 폭발의 위험이 있으므로 이전에는 안전밸브를 통해 대기중으로 배출을 시켰습니다.

천연가스의 주성분은 메탄가스라서 현재 이러한 직접 배출은 금지되어 있습니다. 따라서 이중연료선이나 LNG 추진선에서는 BOG를 재액화하는 기술이 가장 중요합니다. 효과적인 재액화는 역브라이튼 사이클을 통해 실현이 가능한데, BOG를 압축시킨 상태에서 팽창기를 통과시키면 기체의 온도가 낮아지면서 응축이 가능해 집니다.





응축을 위해서는 열교환기를 사용해야 하는데, 부피가 작으면서 열전달이 잘되는 구조가 필요합니다. 저희 센터에서는 높은 팽창비를 실현할 수 있는 초음속 팽창기를 설계하고 있으며, 메탈폼을 이용한 고효율 상변화 열교환기에 대한 원천기술을 가지고 있습니다. 현재, 실험실 규모의 메탈폼 극저온 응축기를 제작하여 적용가능성을 입증하였습니다. 향후 100KW 및 1MW급 열교환기를 설계, 제작하여 실선에 적용할 계획을 가지고 있습니다.


3. 선박용 주기관은 폐열 중 25%에 해당하는 에너지가 배기가스로 배출되고 있다는데요. 폐열회수 및 엔진 흡기 냉각 시스템을 통해 절감이 가능하다고 합니다. 어떤 방식으로 절감 가능한지 궁금합니다.

현재 운행되고 있는 선박의 대부분은 디젤엔진이며, 디젤엔진의 최대 효율은 40% 미만입니다. 엔진의 배기 가스의 온도가 매우 높기 때문에 난방 및 증기 생산에 폐열을 이용하고 있으며, 온도가 150℃ 정도로 낮아지면 더 이상 기존의 기술로는 폐열 회수가 어려워서 굴뚝으로 배출합니다.





저온의 폐열을 회수해서 전기를 생산하는 기술로는 유기랭킨사이클 (ORC: organic Rankine cycle) 기술이 있습니다. 저희 연구실에서 2016년에 이미 250KW급 선박용 ORC 발전 장치를 개발하였고, 현재 삼성중공업 거제 조선소에 설치되어 운전 중입니다. ORC는 낮은 온도에서 증발이 가능한 냉매를 작동 유체로 사용하기 때문에 전력을 생산할 수 있습니다. 엔진의 흡기 냉각시스템은 터보차져를 말하며, 온도가 낮아야 공기 압축을 크게 시킬 수 있어서 엔진에 보도 많은 산소를 공급하여 연소효율을 높이는 기술입니다.


4. 선박의 경우, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)를 단독으로 적용하기 보다는 고체 산화물 연료전지(SOFC)와 함께 사용하여 각 연료전지의 장단점을 보완하는 것이 합리적이라고 하는데요. 어떤 부분에서 합리적인지 궁금하며 선박용 SOFC 설계기법 기술에 대해 자세한 설명 부탁드립니다.

고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 현재 자동차에 사용되는 연료전지로 저온에서 작동하는 연료전지입니다. 고분자 플라스틱을 이용하여 이온을 통과시키므로 제작은 용이한데, 작동온도가 낮아 전력용량이 작습니다.
대형 선박에서는 추진엔진과 발전기 엔진을 합하면 수십 메가와트의 동력이 필요하며, 고분자 전해질 연료전지는 선박 전체를 연료전지로 채워도 모자라게 되어 적용이 불가능 합니다.





소형선박에서는 PEMFC와 기존엔진의 하이브리드 시스템 적용이 가능하며, 수소선박과제로 개발 중으로 알고 있습니다. 대형선박에도 적용이 가능한 연료전지 기술은 1000℃ 정도의 고온에서 작동되는 고체산화물 연료전지(SOFC)가 유일한 대안입니다. SOFC는 미국 등 선진국에서 소규모로 상업화에 성공하고 있는데, 현재 시점에서는 에너지 밀도가 낮아 선박용 동력원으로 적용이 불가능합니다.

세라믹 전해질과 금속전극의 열팽창 차이로 장시간 운전시 쉽게 파손이 일어납니다. 이러한 기술적 장벽을 극복하기 위해서 저희 센터에서는 혁신적인 SOFC 기술을 개발하고 있습니다. 순산소와 순수소를 사용하고, 열화 방지 기술을 채택하여 출력밀도를 현재 미국의 최고 수준에 비해 최대 4배 정도 향상시키고, 열응력 상쇄기술로 장시간 무고장 운전이 가능하도록 하는 기술입니다. 이 기술이 성공적으로 개발되면 선박엔진 뿐 아니라 육상발전에도 적용되면서 수소에너지 기술의 초격차를 이루게 됩니다.


5. 전통적인 내연기관 대신 연료전지와 전기모터로 구동돼 배출가스가 전혀 없는 친환경인 선박이 대세일 것 같은데요. 2017년 5월 노르웨이 선박업체가 전기추진 컨테이너선 야라 버클랜드(Yara Birkeland)호를 건조 중인 것으로 알고 있습니다. 이처럼 현재 국내외 친환경 선박에 대한 상황을 비교해주신다면 어떤 실정인가요?

전통적인 내연기관을 대체하는 전기추진선은 자동차처럼 배터리를 사용할 수가 없습니다. 연료전지로 발전 하더라도 장거리 항해를 위해서는 연료를 탑재하여야 합니다. 만약 대양을 항해하다가 전기 발전이 중단되면 자체 추진이 불가능한 위험이 있습니다. 이러한 위험 때문에 연안선박의 경우에는 전기추진선이 가능하나, 대양을 항해하는 대형선박에는 내연기관이 비상용으로도 반드시 필요합니다.

우리나라에서도 연안선에 대한 전기추진선 개발은 국책 과제로 진행중에 있습니다. 현재 기술로 적용가능한 연료전지는 부피가 커서 대형선에는 적용불가이며, 50년 후 정도에는 가능하지 않을까 예상하고 있습니다.


6. 항공기나 자동차에서 자율주행 등 스마트화가 진행 중인데 선박도 스마트화가 진행 중입니다. 스마트 선박의 핵심 기술은 무엇인가요?

선박의 스마트화도 자율자동차에 적용되는 기술이 그대로 적용될 수 있습니다. 다만 자동차와는 다르게 물 위에 떠서 움직이므로 운전과 제어가 매우 어렵습니다. 또한 자동차와는 비교할 수 없을 정도로 많은 센서가 동원되어야 하며, 면밀한 제어가 가능해야 합니다.





현재 대형선에 들어가는 많은 센서와 제어 장치 때문에 사용되는 전선의 길이만 서울-부산을 왕복하는 거리를 상회합니다. 최근 우리나라에서도 무인선박이 개발되어 상당한 거리를 항해하였다는 보도도 있었으나, 실제로는 사람이 원격으로 조정한 결과입니다. 선박의 스마트화가 진행되는 중요한 이유 중 하나는 선원을 구하기 힘든 측면도 있습니다.

부분적인 스마트화에 성공하기 위해서는 매우 신뢰성이 있는 센서의 개발과 센서의 작동 상태의 감지, 무선 데이터 송수신 기술, 고성능 데이터 처리 기술, 자가 전원공급 기술 등 많은 난제가 있습니다. 본 센터에서는 인공지능과 빅테이터 처리 기술을 활용하여 계층적 고장진단 기술과 스마트센서 클러스트 개발 연구를 수행하고 있습니다.


7. 현재 세계에서 운항 중인 선박 약 26,000척 가운데 2013년 이전에 인도된 17,000여척은 추진체계 개조가 불가능한 기계식 엔진을 탑재하고 있어 교체가 불가능하다고 합니다. 기존에 있는 선박을 친환경 선박으로 개조가 정말 불가능한가요?

선종에 따라 개조가 가능한 엔진이 있고, 불가능한 엔진이 있습니다. 친환경 선박이란 연료를 친환경 연료로 사용한다는 의미입니다. 현재 대부분의 디젤엔진에는 2020년 IMO 규제에 따라 황산화물을 줄이기 위한 Scrubber가 장착되어 있습니다.

부산의 중소기업인 파나시아가 전세계 Scrubber 시장을 60% 이상 장악하고 있습니다. 디젤유와 천연가스를 동시에 사용할 수 있는 Duel Fuel 엔진이 이미 개발되어 운항중에 있습니다. 대해에서는 디젤유를 사용하고 항구에 들어와서는 LNG를 사용합니다. LNG만을 사용하여 추진하는 선박에 대한 주문이 많이 나오고, 우리나라가 대부분을 수주하였습니다.

향후 탄소배출 규제가 더욱 높아지면 메탄이 주성분인 LNG도 사용할 수 없습니다. 수소연료전지의 개발은 요원하기 때문에 2030년 정도에는 탄소가 포함되지 않은 암모니아를 원료로 하는 선박이 필요해지며, 현재 전 세계에서 암모니아 엔진 개발에 박차를 가하고 있습니다. 종래의 선박도 암모니아로 연료체계를 바꿀 경우 친환경선박으로 개조가 가능합니다.


8. 온실가스를 배출하지 않는 선박을 만들어야 하는데요. 선박을 건조하기란 장기전이며 우리나라는 아직 걸음마 수준이라고 합니다. 상용화하기 위해서 어떤 점이 반드시 필요한가요?

우리나라 뿐 아니라 전 세계가 걸음마 수준입니다. 2030년 상용화를 위해 현대중공업 엔진 사업부와 저희 센터에서는 암모니아 혼소엔진의 개발에 착수하였고, 센터에 참여한 중소기업에서는 암모니아 연료공급장치와 암모니아 연소로 발생하는 막대한 질소산화물을 제거하기 위한 촉매 개발과 SCR 장비개발, 엔진상태 측정용 센서 및 제어시스템 연구에 매진하고 있습니다. 진정한 상용화의 성공에는 핵심기자재의 국산화가 선행되어야 하며, 이를 위해 정부에서 저희 센터를 지역혁신선도연구센터로 지원해주고 있습니다. 지방자치단체와 참여기업의 지원을 받아 친환경선박부품기술 개발에 최선을 다하고자 합니다.


9. 2020년 에너지 분야 유력 저널인 어플라이드 에너지(Applied Energy)에서 [2020 Highly Cited Paper]에 선정돼 인증서를 받았다고 하는데요. 이 인증은 논문 중 한 해 동안 가장 많은 인용횟수를 기록한 연구자에게 주어지는 상입니다. 어떤 내용의 논문이 가장 인용이 많이 된 지 궁금합니다.

Applied Energy는 에너지 분야에서 상위 5% 이내의 우수한 저널입니다. 저가 투고한 논문은 열교환기의 성능 향상을 위해 메탈폼 등 마이크로 격자구조를 적용한 기술을 총망라한 review 논문입니다. 이 논문집을 구독하는 전 세계 기업이나 학교의 수가 25,000 개가 넘습니다.

특히 메탈폼을 활용하는 기술 논문은 저희 실험실에서 수십 편을 게재하였기 때문에 인용이 많았다고 생각합니다. 객관적인 데이터를 바탕으로 선정해서 주는 상이라서 의미가 있습니다. 현재, 메탈폼 열교환기 기술은 친환경선박기자재의 원천기술로 활용이 가능합니다.


10. 선도연구센터를 운영하시면서 어려운 점이 없으신가요?

저희 지역혁신선도연구센터는 금년이 2차년도입니다. 총 사업 기간이 7년이므로 금년에는 필요한 연구 인프라가 구축되어야 합니다. 고가의 장비를 구입해야 하는데, 절차가 너무 복잡하여 많은 시간이 지체되고 있습니다. 저희 센터는 15개의 중소기업과 협력연구를 수행해야 하는데, 코로나 상황으로 교류에 어려움을 겪고 있습니다. 저희 센터의 사업이 잘 홍보되어서 보다 많은 관련 중소기업들이 참여할 수 있기를 바랍니다.





11. 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

지구온난화 현상이 가속되면서 전 세계가 기상이변과 산불로 신음하고 있습니다. 더 이상 탄소를 기반으로하는 에너지 정책에서 탈피하여 수소를 기반으로 하는 클린에너지 기술의 개발이 절실합니다. 풍력이나 태양광 발전 등의 신재생에너지는 연속적이지 않고, 전력계통에 연결하기가 어렵고 수요조절도 쉽지 않습니다.





저희 센터는 현대중공업과 한국재료연구원과 연구개발에 관한 MOU를 채결하여 그린수소를 생산하는 시스템 기술 개발을 계획중입니다. 이미 해수를 전기분해 하기 위한 전극 개발 연구는 착수를 하였습니다. 신재생에너지로 생산된 잉여 전기를 이용하여 그린수소를 생산하면 경제성이 있는 가격으로 수소자동차 등 연료전지에 공급할 수 있습니다. 이울러 대창솔루션(주)과는 액체수소 저장을 위한 탱크에 사용되는 고성능 열차폐기술에 대한 연구를 계획 중입니다.


12. 앞으로 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면?

친환경 스마트 선박의 핵심 기술은 새로운 기자재를 개발하기 위해 극한 환경에서 신뢰성 있게 작동하는 부품과 소재가 매우 중요합니다. 선체 자체는 큰 변화가 없지만 연료가 바뀜에 따라 기계적으로 해결해야 하는 많은 난제가 있습니다. 현재, 친환경 선박 기자재의 시장은 규모가 매우 크며, 부가가치가 높은 강소기업을 만들 수 있는 절호의 기회입니다. 선박을 건조하는 대기업 보다 친환경 기자재를 개발하고 공급하는 중소기업이 더욱 전망이 있습니다.

유럽처럼 고급인력이 취업을 선호하는 글로벌 강소기업에 대해 후학들이 관심을 가져주기를 바랍니다. 지금과 같은 속도로 지구의 평균온도가 상승한다면, 7년 이후에는 인류의 멸망을 막을 길이 없습니다. 무탄소 에너지 기술은 미래를 살릴 수 있는 중요한 기술입니다. 그 중에서 고온 전기분해 기술과 고온 연료전지 기술의 조기 확보는 너무도 중요합니다. 언론에 등장하는 대기업의 수소사업은 연료전지 기술을 개발하는 것이 아니라 사오는 전략이며, 결국은 기술적으로 종속되고 맙니다. 필수 기술에 대한 원천기술 개발이 우리의 비전이 되어야 하고 환경과 에너지 문제를 해결하여 지구를 원래의 모습으로 돌아올 수 있게 해야 합니다.




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