KR20240039638A - 선박의 연료공급시스템 - Google Patents

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권혁
황순규
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한화오션 주식회사
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Abstract

선박의 연료공급시스템이 개시된다. 본 발명의 선박의 연료공급시스템은, 추진엔진 및 복수의 발전엔진이 구비된 선박에 마련되며 LNG를 저장하는 LNG 탱크; 상기 선박에서 연료로 공급될 오일을 저장하는 오일탱크; 상기 선박에 마련되며 액화수소를 저장하는 수소저장탱크; 및 상기 추진엔진과 상기 선박의 추진용 프로펠러를 연결하는 축에 연결되어 전력을 생산하는 축발전기모터부:를 포함하되, 상기 추진엔진은 LNG 및 오일을 연료로 공급받는 이중연료 엔진이고, 상기 발전엔진의 전부 또는 일부는 오일 및 수소를 선택적으로 연료로 공급받는 수소 이중연료 엔진으로 마련되며, 상기 발전엔진에서 생산된 전력은 상기 선박의 추진용 프로펠러로 공급될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 연료공급시스템{Fuel Supply System For Ship}
본 발명은 선박의 연료공급시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 국제협약이 정한 강화된 온실가스 규제기준을 충족시키면서, 선박의 추진엔진과 발전엔진의 연료를 공급하고 최적 운용할 수 있는 선박의 연료공급시스템에 관한 것이다.
기존 경제체제는 탄소를 기반으로 하며, 에너지원으로서 화석연료에 대한 의존도가 높지만, 화석연료는 매장량이 한정되어 있어 가까운 미래에 고갈이 예상되고, 연소 시 발생하는 이산화탄소(CO2)는 대표적인 온실가스로 지구 온난화 및 기후 변화의 주범으로 지목되며 국제적인 배출 규제 대상이 되고 있다.
특히 최근에는 지구 온난화 및 기후변화 문제 심각성에 대한 국제적인 공감대가 형성되어 전세계적으로 온실가스 배출을 감축하려는 노력이 이루어지고 있다. 선진국들의 온실가스 감축 의무를 담았던 1997년 교토의정서가 2020년 만료됨에 따라, 2015년 12월 프랑스 파리에서 열린 제21차 유엔기후변화협약에서 채택되고 2016년 11월 발효된 파리기후변화협약(Paris Climate Change Accord)에 의해 협정에 참여한 195개 당사국들은 온실가스 감축을 목표로 다양한 노력을 기울이고 있다.
이러한 세계적인 추세와 함께 화석연료를 대체할 수 있는 무공해에너지로서 풍력, 태양광, 태양열, 바이오에너지, 조력, 지열 등과 같은 재생가능에너지(또는 재생에너지)와 수소 등 신에너지에 대한 관심이 높아지고 다양한 기술 개발이 이루어지고 있다.
그 중 수소 에너지는 환경 친화적이며 높은 에너지 밀도를 갖기 때문에 자동차 동력원, 휴대용 전자기기용 연료전지의 연료로 활용 가능하며, 수소를 연료로 사용하는 연료전지의 가격도 매년 낮아지고 있어, 미래의 이상적인 에너지원으로 주목받으면서 수소 에너지 시대가 앞당겨지고 있고 수소 수요도 매년 증가하고 있다.
한편, 온실가스 및 대기오염 물질 배출에 대한 각국의 관심 증가와 그에 따른 국제적인 환경규제 기준의 급격한 강화에 따라 선박에서도 친환경 선박 연료 기술 개발과 친환경 에너지의 운송 기술 등에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다.
선박의 항로, 교통규칙, 항만시설 등을 국제적으로 통일하기 위해 설치된 유엔 전문기구인 IMO(International Maritime Organization, 국제해사기구) 역시 '08년과 대비하여 온실가스에 대해서는 2050년 50% 저감, 2100년 100% 저감(GHG Zero Emission)을 목표로 제시하고, 탄소 배출량은 2050년까지 70% 저감하도록 하여, 그에 따라 각 국가 및 지역의 규제가 강화될 것으로 예상된다.
IMO가 신조 선박에 적용하는 강제성 있는 이산화탄소 저감 규정인 EEDI(Energy Efficiency Design Index, 에너지효율설계지수)에 따르면, 초기 EEDI 발표에서는 2013 내지 2015년의 이산화탄소 배출량을 기준으로 2015년 이산화탄소 배출량을 10% 저감하는 EEDI Phase 1이 적용되고, 5년 마다 1 단계씩 강화·적용하여 2025년 Phase 3를 적용하도록 예정되어 있었으나, LPG 운반선에 대해서는 EEDI Phase 2 적용 후 2년만인 2022년부터 EEDI Phase 3를 조기 적용하도록 하고 있다. 이와 같이 선박의 이산화탄소 배출에 대한 규제가 급격히 강화되고 있는 추세이므로, 향후에는 LNG나 LPG만을 연료로 사용하는 것으로는 이산화탄소 배출 규정 달성이 어려울 수 있다.
그에 따라 이산화탄소 배출을 줄일 수 있는 친환경 선박 연료, 나아가 완전한 탈탄소화를 위한 선박 연료에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있고, 특히 암모니아, 수소 등을 연료로 사용할 수 있는 선박에 관한 기술이 활발히 연구·개발되고 있다.
수소는 무독, 무색, 무취의 가스로 우주에서 가장 많은 원소이지만, 지구에서는 수소 단독으로 존재하는 경우가 거의 없고, 물, 천연가스 등의 화합물 형태로 존재하기 때문에 이러한 물질로부터 분리해내야 한다. 수소 에너지를 널리 효율적으로 이용하기 위해서는 먼저 경제적이고 간편한 수소 생산기술과 이를 효과적으로 운반하기 위한 운송기술이 필요하다.
본 발명은 추진엔진 및 발전엔진이 마련된 선박에서 미래의 에너지원으로 주목받고 있는 수소를 연료로 사용하여 온실가스 배출량을 감축하고 국제협약이 정한 규제기준을 충족시키면서, 선박 엔진의 운영 체계 효율성을 높일 수 있는 방법을 제안하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 추진엔진 및 복수의 발전엔진이 구비된 선박에 마련되며 LNG를 저장하는 LNG 탱크;
상기 선박에서 연료로 공급될 오일을 저장하는 오일탱크;
상기 선박에 마련되며 액화수소를 저장하는 수소저장탱크; 및
상기 추진엔진과 상기 선박의 추진용 프로펠러를 연결하는 축에 연결되어 전력을 생산하는 축발전기모터부:를 포함하되,
상기 추진엔진은 LNG 및 오일을 연료로 공급받는 이중연료 엔진이고,
상기 발전엔진의 전부 또는 일부는 오일 및 수소를 선택적으로 연료로 공급받는 수소 이중연료 엔진으로 마련되며, 상기 발전엔진에서 생산된 전력은 상기 선박의 추진용 프로펠러로 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 연료공급시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 축발전기모터부에 연결되는 가변주파수드라이브(Variable Frequency Drive); 상기 가변주파수드라이브에 연결되는 변압기(tranformer); 상기 변압기와 선박의 메인스위치보드 사이에 마련되는 동력전달부:를 더 포함하며, 상기 발전엔진에서 생산된 전력은 상기 동력전달부를 통해 상기 축발전기모터부를 거쳐 상기 추진엔진으로 공급되고, 상기 추진엔진의 잉여 출력으로 상기 축발전기모터부에서 전력을 생산하여 선내 발전 전원으로 공급할 수 있다.
바람직하게는, 상기 LNG 탱크에서 발생하는 LNG 증발가스를 압축 및 냉각하여 재액화하는 재액화부; 상기 수소저장탱크에서 발생하는 수소 증발가스를 상기 재액화부로 공급하는 수소가스공급라인; 및 상기 재액화부를 거친 수소 증발가스를 공급받아 저장하는 수소가스탱크:를 더 포함하며, 상기 재액화부에서는 상기 수소 증발가스의 냉열로 상기 LNG 증발가스를 냉각할 수 있다.
바람직하게는, 상기 수소저장탱크의 액화수소를 상기 발전엔진으로 공급하는 액화수소공급라인; 상기 액화수소공급라인에 마련되며 액화수소를 기화시키는 수소기화기; 및 상기 액화수소공급라인에서 상기 수소기화기의 하류에 마련되어 미기화된 액화수소를 분리하는 세퍼레이터:를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 재액화부를 거친 수소가스공급라인의 수소 증발가스 또는 상기 수소가스탱크에 저장된 수소 증발가스를 공급받아 압축하는 수소압축기:를 더 포함하고, 상기 수소압축기에서 압축된 수소는 상기 세퍼레이터로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 추진엔진 및 발전엔진으로 공급되는 각 연료 양을 실시간 모니터링하고 조절하는 연료공급제어부; 상기 추진엔진 및 발전엔진에서 발생하는 배기가스를 선외 배출하도록 마련되는 배기배출라인; 및 상기 배기배출라인에 마련되어 배기가스 중의 이산화탄소 농도를 분석하는 배기분석기:를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료공급제어부에서는 상기 추진엔진 및 발전엔진의 연료 공급량을 모니터링하면서 상기 배기분석기에서 분석된 이산화탄소 농도에 따라 선박의 실시간 탄소집약도지수(Carbon Intensity Indicator) 및 연간 합산 값을 산출하고, 그에 따라 추진엔진 및 발전엔진으로 공급되는 각 연료 양을 조절할 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료공급제어부에서는 산출된 상기 실시간 탄소집약도지수 및 연간 합산 값에 따라 상기 발전엔진으로 공급되는 수소 연료의 양 및 상기 발전엔진에서 수소 연료로부터 생산되어 상기 축발전기모터부로 공급되는 전기량을 조절할 수 있다.
바람직하게는, 상기 발전엔진에서 생산된 전력은 선체의 외부 바닥면에 공기를 분사하여 선체 이동 시 마찰저항을 감소시키는 공기 윤활시스템(Air Lubrication System)을 포함한 선내 전기 소비처로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 LNG 탱크에 마련되며 연료로 공급될 LNG를 이송하는 LNG 이송펌프; 및 상기 LNG 이송펌프에서 이송된 LNG를 상기 추진엔진 및 발전엔진의 연료공급조건에 따라 압축 및 가열하여 상기 추진엔진 및 발전엔진으로 공급하는 연료공급부:를 더 포함하고, 상기 복수의 발전엔진 중 수소 이중연료 엔진이 아닌 나머지는 LNG 및 오일을 공급받는 이중연료 엔진일 수 있다.
바람직하게는 상기 연료공급부는, 상기 LNG 이송펌프에서 이송된 LNG를 상기 추진엔진의 연료공급압력으로 압축하는 LNG 압축펌프; 상기 LNG 압축펌프에서 압축된 LNG를 가열하여 상기 추진엔진으로 공급하는 고압기화기; 상기 LNG 이송펌프에서 이송된 LNG를 공급받아 기화시키는 연료기화기; 및 상기 연료기화기에서 기화된 LNG를 상기 발전엔진의 연료공급온도에 따라 가열하는 연료히터:를 포함하며, 상기 추진엔진은 상기 발전엔진보다 연료공급압력이 높은 고압 2행정 엔진일 수 있다.
바람직하게는 상기 연료공급부는, 상기 LNG 이송펌프에서 이송된 LNG를 공급받아 기화시키는 연료기화기; 및 상기 연료기화기에서 기화된 LNG를 상기 추진엔진 및 발전엔진의 연료공급온도에 따라 가열하는 연료히터:를 포함하며, 상기 추진엔진은 5 내지 20 bar, 25 내지 45℃ 내외의 LNG 또는 오일을 연료로 공급받는 저압 2행정 엔진일 수 있다.
본 발명에서는 추진엔진과 발전엔진이 구비되는 선박에서, 발전엔진을 수소를 연료로 사용할 수 있는 이중연료 엔진으로 마련하여, 친환경, 무공해 연료인 수소를 선박 엔진의 연료로 이용함으로써 선박 운항으로 인한 온실가스 배출량을 감축하여 국제협약이 정하는 강화된 규제기준을 충족시킬 수 있도록 한다. 특히 온실가스 배출기준의 단계적 강화에 유연하게 대응하면서 탄소집약도(CII)등급제에 지속적·효과적으로 대처하여, 선주들의 요구를 충족하면서 선박 경쟁력을 높일 수 있다.
또한, 대체로 연료 공급 압력이 발전엔진보다 높고 연료 소모량이 많아 연료 공급을 위해서는 이를 위한 저장탱크와 압축기 등 연료 공급용 설비의 규모가 커지는 추진엔진 대신 발전엔진의 연료로 공급함으로써, 친환경 연료용 엔진 채택에 소요되는 비용을 절감하고 연료 공급에 필요한 추가 설비 규모를 줄여 선내 공간 확보에 기여할 수 있다.
발전엔진 잉여 전력으로 추진엔진에 전력을 제공하고 추진엔진의 잉여 출력으로 선내 발전 전원으로 공급할 수 있어, 선박 운항 시 선박의 추진엔진과 발전엔진을 통합적으로 운영하여 운영 체계의 유연성 및 효율성을 높일 수 있고, 친환경 연료 사용으로 예상치 못한 위험 발생 시 운항 차질을 없애거나 줄일 수 있다.
나아가, 공기 윤활시스템을 통해 선박 운항 시 마찰 저항을 줄여 연비를 향상시키면서, 수소를 연료로 하는 발전엔진에 의해 이를 구동함으로써, 선박 운항 시 온실가스 배출 감소 효과를 더욱 높일 수 있다.
도 1 내지 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 연료공급시스템의 운용 방법을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 연료공급시스템을 개략적으로 도시한다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
이하 본 발명에서의 선박은, 자체 추진 능력을 갖추고 해상을 운항하는 선박을 비롯하여, 해상에 부유하는 해상 구조물도 포함될 수 있으며, 예를 들어 암모니아 운반선, LNG 운반선(LNG Carrier), 액체수소 운반선, LNG RV(Regasification Vessel), FPSO(Floating Production Storage Offloading), FSRU(Floating Storage Regasification Unit) 등 일 수 있다.
도 1 내지 3에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 연료공급시스템의 운용 방법을 개략적으로 도시하였고, 도 4에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 연료공급시스템을 개략적으로 도시하였다.
본 실시예들의 시스템은, 추진엔진(ME) 및 복수의 발전엔진(GE1, GE2, GE3, GE4)이 마련된 선박에서 추진엔진 및 발전엔진의 연료를 공급하기 위한 시스템으로, LNG를 저장하는 LNG 탱크(NT), 선박에서 연료로 공급될 오일을 저장하는 오일탱크(OT), 선박에 마련되며 액화수소를 저장하는 수소저장탱크(LHT), 추진엔진과 선박의 추진용 프로펠러(P)를 연결하는 축(S)에 연결되어 전력을 생산하는 축발전기모터부(SGM)를 포함한다.
본 실시예들에서 추진엔진(ME)은 LNG 및 오일을 연료로 공급받는 이중연료 엔진이고, 발전엔진(GE1, GE2, GE3, GE4)의 전부 또는 일부는 오일 및 수소를 선택적으로 연료로 공급받는 이중연료 엔진으로 마련되며, 발전엔진에서 생산된 전력이 선박의 추진용 프로펠러로 공급될 수 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 복수의 발전엔진 중 일부 또는 전부를, 선박에 적용되는 이산화탄소 배출 기준 강화에 따라 친환경 연료인 수소를 연료로 공급받을 수 있는 수소 이중연료 엔진으로 교체하여 마련하면서, 수소를 연료로 생산된 전력을 추진용 프로펠러로 전달함으로써, 배출기준의 단계적 강화에 유연하게 대응하면서 선박 운영 체계의 유연성 및 효율성을 높일 수 있도록 한다.
먼저, 도 1 내지 3에는, 발전엔진보다 연료공급압력이 높은 고압 2행정 엔진이 추진엔진으로 마련된 선박을 위한 연료공급시스템인 제1 실시예 시스템에서 온실가스 배출규제기준의 단계적 강화에 따른 연료공급시스템 운영 방법을 개략적으로 도시하였다.
추진엔진(ME)은 예를 들어 LNG 탱크(NT)로부터 이송된 25 내지 45℃, 300 bar 내외의 LNG나, 오일공급라인(OL1)을 통해 오일탱크(OT)로부터의 5 내지 20 bar, 25 내지 45℃ 내외의 오일을 연료로 공급받는 고압 2행정 엔진인 ME-GI엔진일 수 있다. 발전엔진(GE1, GE2, GE3, GE4)은 저압 4행정(stroke) 엔진으로 복수로 마련되며, 5 내지 20 bar 내외의 오일, 5 내지 20 bar, 25 내지 45℃ 내외의 LNG를 연료로 공급받을 수 있는 이중연료엔진일 수 있고, 배출규제기준 강화에 맞추어 복수의 발전엔진 중 일부 또는 전부를 오일 및 수소를 선택적으로 연료로 공급받는 수소 이중연료(Dual Fuel) 엔진으로 교체하여 운영할 수 있다.
추진엔진 및 발전엔진으로의 연료공급을 위해 제1 실시예 연료공급시스템은, LNG를 저장하는 LNG 탱크(NT), 오일을 저장하는 오일탱크(OT), 액화수소를 저장하는 수소저장탱크(LHT)를 포함한다. LNG 탱크에는 연료로 공급될 LNG를 이송하는 LNG 이송펌프(NP)가 마련되고, LNG 이송펌프에서 이송된 LNG를 추진엔진 및 발전엔진의 연료공급조건에 따라 압축 및 가열하여 추진엔진 및 발전엔진으로 공급하는 연료공급부(100A)가 마련된다.
연료공급부(100A)는, LNG 이송펌프에서 이송된 LNG를 추진엔진의 연료공급압력으로 압축하는 LNG 압축펌프(110), LNG 압축펌프에서 압축된 LNG를 가열하여 추진엔진으로 공급하는 고압기화기(120), LNG 이송펌프에서 이송된 LNG를 공급받아 기화시키는 연료기화기(130), 연료기화기에서 기화된 LNG를 발전엔진의 연료공급온도에 따라 가열하는 연료히터(140)를 포함한다.
LNG 탱크로부터 LNG를 추진엔진 및 발전엔진으로 공급할 수 있도록 연료공급라인(FL1, FL2)이 연결되고, 오일탱크로부터 추진엔진 및 발전엔진으로 오일공급라인(OL1, OL2)이 각 연결된다. LNG탱크의 LNG에서 발생하는 증발가스는 증발가스공급라인(GL)을 통해 탱크 외부로 배출하여, 가스처리부(200A)에서 재액화부(220)를 거쳐 재액화하거나 컴프레서(210)를 거쳐 추진엔진 연료로 공급할 수 있다.
본 실시예에서는 나아가 발전엔진과 추진엔진 등 선박 엔진의 운영 체계의 유연성 및 효율성을 높이고, 선박 추진용 동력에 그린 에너지 추진 체계 기반을 마련하기 위하여 추진엔진(ME)과 선박의 추진용 프로펠러(P)를 연결하는 축(S)에 연결되어 전력을 생산하는 축발전기모터부(SGM)를 구비한다.
축발전기모터부에 연결되는 가변주파수드라이브(Variable Frequency Drive, VFD), 가변주파수드라이브에 연결되는 변압기(tranformer, TR)가 마련되고, 변압기는 선박의 메인스위치보드(SWBD)에 연결된다. 변압기와 선박의 메인스위치보드 사이에는 동력전달부(PTI)가 마련된다.
축발전기모터부(SGM), 가변주파수드라이브(VFD), 변압기(TR), 메인스위치보드(SWBD), 동력전달부(PTI) 등의 장치들은 양방향으로 작용가능하도록 구성된다.
축발전기모터부(SGM)는 추진엔진(ME)의 축(S)에 기계적으로 연결되어 추진엔진에서 공급되는 동력의 일부를 취출하여 전력을 생산할 수 있는 일종의 동력인출장치이며, 추진엔진에 의해 발전 가능한 RPM 영역에서는 발전기로 역할을 수행하면서 추진엔진(ME) 잉여 출력으로 전력을 생산하여 선내에 필요한 전력을 공급할 수 있다. 또한 발전엔진으로 생산된 선내 전력을 구동전원으로 사용하는 경우에는 전동기로 구동되는 기능을 갖추어, 발전엔진(GE1, GE2, GE3, GE4)의 전력을 메인스위치보드(SWBD)를 통해 축발전기모터부(SGM)로 공급하면 이를 구동전원으로 전동기로 구동되어 추진엔진(ME)의 출력을 보조하는 추가 전력을 제공하도록 작동할 수 있다.
축발전기모터부(SGM)는 선박 구조/배치 상 큰 변화 없이 설치 및 운영할 수 있으면서, 선박 운항 시 선박의 추진엔진과 발전엔진을 통합적으로 운영하여 운영 체계의 유연성 및 효율성을 높일 수 있다. 또한, 추진엔진의 최대 효율점에서 SGM을 운전하여 연료 소비량을 감소하면서 잉여 출력으로 선내 전력을 공급함으로써 발전엔진의 사용빈도 또는 운전댓수를 줄여 선박 운항 시 온실가스 및 탄소 배출을 줄일 수 있다. 특히, 선박 추진용 동력에 그린 에너지 추진 체계 기반을 마련하되, 추진엔진의 기본 연료로는 충분히 검증된 LNG 및 오일을 사용하여, 친환경 연료 사용으로 예상치 못한 위험 발생으로 인한 운항 차질을 없애고, EEDI(Energy Efficiency Design Index), EEXI(Energy Efficiency Existing Ship Index), CII(Carbon Intensity Indicator, 탄소집약도지수) 등에 의한 이산화탄소 배출 규정의 단계적 강화에 맞추어 유연하게 대응하면서 이산화탄소 배출량을 단계적으로 감축하여 운항할 수 있다.
한편, 수소저장탱크(LHT)로부터 수소를 발전엔진으로 공급하기 위해 수소공급부(300)가 마련된다.
수소는 끓는점이 약 -253℃의 극저온이므로 통상 기체 상태로 존재하나, 액화 시 부피가 1/800로 감소되므로 보관 및 운송 효율을 위해 액화수소 형태로 수소저장탱크(LHT)에 저장된다. 수소는 끓는점이 매우 낮으므로 수소저장탱크에 저장된 액화수소로부터 계속해서 수소 증발가스가 발생한다. 수소저장탱크에 저장된 액화수소 및 수소 증발가스는 수소공급부를 거쳐 발전엔진 연료공급조건에 맞추어 발전엔진으로 공급된다.
수소공급부(300)는 수소저장탱크의 액화수소를 발전엔진으로 공급하는 액화수소공급라인(LHL)을 포함하고, 액화수소공급라인에는 수소저장탱크에서 이송된 액화수소를 기화시키는 수소기화기(310)와, 수소기화기를 거쳐 기화된 수소로부터 미기화된 액화수소를 분리하는 세퍼레이터(320), 세퍼레이터를 거쳐 분리된 수소 가스를 연료공급온도에 맞추어 가열하는 수소히터(330)가 마련될 수 있다.
수소저장탱크에서 발생하는 수소 증발가스를 탱크 외부로 배출하는 수소가스공급라인(GHL)이 마련되고, 수소가스공급라인에는 수소 증발가스를 발전엔진의 연료공급압력에 따라 압축하는 수소압축기(340)가 마련될 수 있다. 수소압축기(340)에서 압축된 수소는 세퍼레이터(320)로 공급되어, 수소기화기(310)를 거쳐 강제기화된 수소와 함께 발전엔진 연료로 공급될 수 있다. 발전엔진(GE)에는 5 내지 50 bar, 25 내지 45℃ 내외의 수소가 연료로 공급될 수 있다.
한편, LNG 탱크에서 LNG로부터 발생하는 LNG 증발가스는 전술한 바와 같이 컴프레서(210)를 거쳐 추진엔진 연료로 공급하거나 재액화부(220)를 거쳐 압축 및 냉각하여 LNG 탱크로 회수할 수 있는데, LNG 증발가스의 재액화를 위해 수소저장탱크의 수소 증발가스 냉열을 이용할 수 있다.
이를 위해 수소저장탱크로부터의 수소가스공급라인(GHL)은 재액화부(220)를 거쳐 발전엔진으로 공급될 수 있다. 수소가스공급라인에는 재액화부를 거친 수소 증발가스를 공급받아 저장하는 수소가스탱크(GHT)가 마련되어, 재액화부를 거친 수소 증발가스는 수소가스탱크로 이송하여 저장해두고 발전엔진 연료로 공급하거나, 수소저장탱크를 거치지 않고 바로 발전엔진 연료로 공급할 수 있다.
본 실시예 시스템에서 발전엔진에 의해 생산된 전력은 선내 전기 소비처(EC)로 공급된다. 이러한 선내 전기 소비처는 공기 윤활시스템(Air Lubrication System, ALS)을 포함할 수 있다.
공기 윤활시스템(Air Lubrication System)은 선체 이동 시 마찰저항을 감소시키는 장치로, 선체 외부 바닥면으로 공기를 분사·주입하여 선체와 바닷물 사이에 공기층을 연속으로 형성함으로써, 선박이 진행할 때 바닷물과 선체 사이의 마찰저항을 줄여 선박의 연비를 향상시킬 수 있도록 한다.
이처럼 공기 윤활시스템을 구성하여 선박 운항 시 마찰 저항을 줄여 연비를 향상시키면서, 친환경 연료인 수소를 연료로 하는 발전엔진에 의해 이를 구동시킴으로써, 선박 운항 시 온실가스 배출 감소 효과를 더욱 높일 수 있다.
한편, 추진엔진 및 발전엔진에서 발생하는 배기가스는 배기배출라인(EL)을 통해 선외 배출되며, 배기배출라인에는 배기가스 중의 이산화탄소 농도를 분석하는 배기분석기(CO2 analyzer)(500)가 마련된다.
또한 본 실시예 시스템에는 추진엔진 및 발전엔진으로 공급되는 각 연료 양을 실시간 모니터링하고 조절하는 연료공급제어부(400)가 마련되는데, 연료공급제어부에서는 추진엔진 및 발전엔진으로 공급되는 각 연료의 공급량을 모니터링하면서 배기분석기에서 분석된 이산화탄소 농도에 따라 선박의 실시간 탄소집약도지수(Carbon Intensity Indicator, CII) 및 연간 합산 값을 산출하고, 그에 따라 추진엔진 및 발전엔진으로 공급되는 각 연료 양을 조절할 수 있다.
IMO에서 규정하여 2023년 발효 예정인 운항적 조치 규정인 탄소집약도(CII)등급제는 운항하는 선박의 탄소배출효율을 기준으로 선박에 매년 A부터 E까지 5개 등급을 매기는 것이다. 3년 연속 D 등급을 받거나 한번이라도 E 등급을 받는 등 낮은 등급을 받으면 시정조치를 마련해 승인을 받도록 하고, 화주로부터 용선 시 불이익을 받을 수 있도록 하고 있는데, 매년 기준치가 강화되어 별도 조치가 없으면 등급이 떨어지고 신조선과 현존선 모두에 선박 생애 주기 전반에 걸쳐 적용되기 때문에 조선업계에 시급한 당면 과제로 지적된다.
연료공급제어부에서는 본 실시예 시스템에 적용되는 선박의 실시간 탄소집약도지수 및 연간 합산 값을 산출하여, 필요한 CII등급을 받기 위해 요구되는 연간 운영 탄소집약도지수와 비교하면서 추진엔진 및 발전엔진으로 공급되는 각 연료 양을 조절하고, 특히 발전엔진으로 공급되는 수소 연료의 양 및 발전엔진에서 수소 연료로부터 생산되어 축발전기모터부로 공급되는 그린 전기 공급량을 효과적으로 조절할 수 있다.
선박의 연간 운영 탄소집약도지수(Annual Operational CII)는 다음과 같이 계산된다.
-Required Annual Operational CII = (1-Z/100) × CIIR
여기서 CIIR는 Reference Value(=CIIref)이며, Z는 연간저감계수(Annual Reduction Factor)이다. 일 예를 들어 LNGC의 경우 다음과 같이 산출될 수 있다.
CII등급을 위한 CII rating bands, dd vector 및 Boundary Equation은 다음과 같다.
본 실시예 시스템은 이상과 같이 구성될 수 있고, 이산화탄소 및 온실가스 배출 기준의 단계적 강화에 맞추어 이산화탄소 및 온실가스 배출량을 단계적으로 감축하도록 운영할 수 있다.
먼저, 현재 배출 기준 적용 단계에서는 추진엔진과 발전엔진 모두 LNG와 오일을 공급받는 이중연료 엔진으로 운영할 수 있다. 2030년까지 단기적으로 이산화탄소 배출 기준이 일부 강화되면 추진엔진(ME) 및 발전엔진(GE1, GE2, GE3, GE4)은 그대로 LNG와 오일 연료로 구동시키면서 도 1에 도시된 바와 같이 축발전기모터부(SGM)를 구동하여 추진엔진의 최대 효율점에서 SGM을 운전하여 연료 소비량을 감소하면서 잉여 출력으로 선내 전력을 공급함으로써 발전엔진의 사용빈도 및 운전댓수를 줄이는 방식으로 운영하여 대응할 수 있다. 2040년까지 중기적으로는 도 2에 도시된 바와 같이 4대의 발전엔진 중 1대(GE1) 또는 2대를 수소 이중연료 엔진으로 교체하고 나머지 발전엔진들(GE2, GE3, GE4)과 추진엔진(ME)은 그대로 LNG와 오일 연료로 구동되는 엔진으로 운영할 수 있다. 연료공급제어부(400)에서는 각 연료의 공급량을 모니터링하면서 배기분석기(500)에서 분석된 이산화탄소 농도에 따라 선박의 실시간 탄소집약도지수 및 연간 합산 값을 산출하고, 필요한 연간 운영 탄소집약도지수와 비교하면서 추진엔진 및 발전엔진으로 공급되는 각 연료 양을 조절하고, 발전엔진의 잉여전력을 축발전기모터부(SGM)로 공급하여 추진엔진(ME)의 출력을 보조하는 추가 전력을 제공할 수 있다.
2050년까지 장기적으로는 도 3에 도시된 바와 같이 4대의 발전엔진 중 3대(GE1, GE2, GE3)를 수소 이중연료 엔진으로 교체하고 나머지 발전엔진 1대(GE1)와 추진엔진(ME)은 그대로 LNG와 오일 연료로 구동되는 엔진으로 운영할 수 있다. 이와 같이 수소 연료를 사용하여 생산된 그린 전기를 선박의 공기 윤활시스템을 비롯한 선내 전기 소비처(EC)로 공급하고, 연료공급제어부(400)에서 추진엔진 및 발전엔진으로의 각 연료 공급량을 모니터링하면서 분석된 배기 중 이산화탄소 농도에 따라 실시간 탄소집약도지수 및 연간 합산 값을 산출하여 발전엔진으로의 수소 연료의 공급량 및 발전엔진으로부터 축발전기모터부를 거쳐 추진엔진으로 공급되는 그린 전기 공급량을 조절할 수 있다.
다음으로 도 4에 도시된 제2 실시예 시스템을 살펴보면, 제2 실시예 시스템은, 추진엔진(ME)이 전술한 제1 실시예와 마찬가지로 LNG 및 오일을 공급받되, 연료공급압력 10 내지 20 bar 내외의 LNG가 공급되는 ME-GA나 X-DF 엔진과 같은 저압 2행정 엔진이 마련된 경우의 시스템이다.
추진엔진의 연료공급압력이 전술한 제1 실시예보다 낮으므로, 추진엔진의 연료공급조건에 맞추어 연료공급부(100B) 구성에 차이가 있다는 점을 제외하면 전술한 제1 실시예와 유사하다. LNG 탱크(NT)로부터 LNG를 추진엔진 및 발전엔진으로 공급할 수 있도록 연료공급라인(FL)이 연결되고, 연료공급라인에 마련되는 연료공급부는 LNG 이송펌프에서 이송된 LNG를 공급받아 기화시키는 연료기화기(150), 연료기화기에서 기화된 LNG를 상기 추진엔진 및 발전엔진의 연료공급온도에 따라 가열하는 연료히터(160)을 포함할 수 있다. 추진엔진은 연료공급부를 거친 5 내지 20 bar, 25 내지 45℃ 내외의 LNG 또는 오일탱크로부터 이송되는 5 내지 20 bar, 25 내지 45℃ 내외의 오일을 연료로 공급받을 수 있다.
다른 구성은 전술한 제1 실시예와 유사하며, 선박의 이산화탄소 및 온실가스 배출 기준의 단계적 강화에 맞추어 우선 축발전기모터부(SGM)를 구동하여 추진엔진 잉여 출력으로 선내 전력을 공급함으로써 발전엔진의 사용빈도를 줄이고, 공기 윤활시스템을 마련하여 선박 운항 시 마찰 저항을 줄여 연비를 향상시키는 방식으로 운영한다. 추후 발전엔진 중 일부(GE1, GE2, GE3)를 수소 이중연료 엔진으로 교체하고 수소 연료로 발전하여 선내 전력을 공급하고 발전엔진 잉여전력을 축발전기모터부(SGM)로 공급하여 추진엔진(ME)에 그린 전기에 의해 추가 출력을 제공하고, 점차 수소 이중연료 엔진으로의 발전엔진 교체 댓수를 늘려 친환경, 무공해 연료인 수소 사용을 늘리고 이산화탄소 및 온실가스 배출을 줄여 단계별·연도별로 강화되는 규제 기준에 유연하게 대응하면서 경제성을 확보할 수 있다. 전술한 제1 실시예와 중복된 설명은 생략한다.
이와 같이 본 실시예들의 시스템은 추진엔진의 기본 연료로는 선박 연료로 충분히 검증된 LNG 및 오일을 사용하여, 친환경 연료 사용에 따른 예상치 못한 위험 발생으로 인한 운항 차질을 없애고 안정적으로 선박을 운용할 수 있으면서, 선박에 적용되는 온실가스 배출기준의 단계적 강화에 유연하게 대응하고 탄소집약도(CII)등급제에 지속적·효과적으로 대처할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.
ME: 추진엔진
GE1, GE2, GE3, GE4: 발전엔진
NT: LNG 탱크
OT: 오일탱크
LHT: 수소저장탱크
GHT: 수소가스탱크
100A, 100B: 연료공급부
P: 추진용 프로펠러
SGM: 축발전기모터부
EC: 전기 소비처

Claims (12)

  1. 추진엔진 및 복수의 발전엔진이 구비된 선박에 마련되며 LNG를 저장하는 LNG 탱크;
    상기 선박에서 연료로 공급될 오일을 저장하는 오일탱크;
    상기 선박에 마련되며 액화수소를 저장하는 수소저장탱크; 및
    상기 추진엔진과 상기 선박의 추진용 프로펠러를 연결하는 축에 연결되어 전력을 생산하는 축발전기모터부:를 포함하되,
    상기 추진엔진은 LNG 및 오일을 연료로 공급받는 이중연료 엔진이고,
    상기 발전엔진의 전부 또는 일부는 오일 및 수소를 선택적으로 연료로 공급받는 수소 이중연료 엔진으로 마련되며, 상기 발전엔진에서 생산된 전력은 상기 선박의 추진용 프로펠러로 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 연료공급시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 축발전기모터부에 연결되는 가변주파수드라이브(Variable Frequency Drive);
    상기 가변주파수드라이브에 연결되는 변압기(tranformer);
    상기 변압기와 선박의 메인스위치보드 사이에 마련되는 동력전달부:를 더 포함하며,
    상기 발전엔진에서 생산된 전력은 상기 동력전달부를 통해 상기 축발전기모터부를 거쳐 상기 추진엔진으로 공급되고, 상기 추진엔진의 잉여 출력으로 상기 축발전기모터부에서 전력을 생산하여 선내 발전 전원으로 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 연료공급시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 LNG 탱크에서 발생하는 LNG 증발가스를 압축 및 냉각하여 재액화하는 재액화부;
    상기 수소저장탱크에서 발생하는 수소 증발가스를 상기 재액화부로 공급하는 수소가스공급라인; 및
    상기 재액화부를 거친 수소 증발가스를 공급받아 저장하는 수소가스탱크:를 더 포함하며,
    상기 재액화부에서는 상기 수소 증발가스의 냉열로 상기 LNG 증발가스를 냉각할 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 연료공급시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 수소저장탱크의 액화수소를 상기 발전엔진으로 공급하는 액화수소공급라인;
    상기 액화수소공급라인에 마련되며 액화수소를 기화시키는 수소기화기; 및
    상기 액화수소공급라인에서 상기 수소기화기의 하류에 마련되어 미기화된 액화수소를 분리하는 세퍼레이터:를 더 포함하는 선박의 연료공급시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 재액화부를 거친 수소가스공급라인의 수소 증발가스 또는 상기 수소가스탱크에 저장된 수소 증발가스를 공급받아 압축하는 수소압축기:를 더 포함하고,
    상기 수소압축기에서 압축된 수소는 상기 세퍼레이터로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 연료공급시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 추진엔진 및 발전엔진으로 공급되는 각 연료 양을 실시간 모니터링하고 조절하는 연료공급제어부;
    상기 추진엔진 및 발전엔진에서 발생하는 배기가스를 선외 배출하도록 마련되는 배기배출라인; 및
    상기 배기배출라인에 마련되어 배기가스 중의 이산화탄소 농도를 분석하는 배기분석기:를 더 포함하는 선박의 연료공급시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 연료공급제어부에서는 상기 추진엔진 및 발전엔진의 연료 공급량을 모니터링하면서 상기 배기분석기에서 분석된 이산화탄소 농도에 따라 선박의 실시간 탄소집약도지수(Carbon Intensity Indicator) 및 연간 합산 값을 산출하고, 그에 따라 상기 추진엔진 및 발전엔진으로 공급되는 각 연료 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 선박의 연료공급시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 연료공급제어부에서는 산출된 상기 실시간 탄소집약도지수 및 연간 합산 값에 따라 상기 발전엔진으로 공급되는 수소 연료의 양 및 상기 발전엔진에서 수소 연료로부터 생산되어 상기 축발전기모터부로 공급되는 전기량을 조절하는 것을 특징으로 하는 선박의 연료공급시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 발전엔진에서 생산된 전력은 선체의 외부 바닥면에 공기를 분사하여 선체 이동 시 마찰저항을 감소시키는 공기 윤활시스템(Air Lubrication System)을 포함한 선내 전기 소비처로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 연료공급시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 LNG 탱크에 마련되며 연료로 공급될 LNG를 이송하는 LNG 이송펌프; 및
    상기 LNG 이송펌프에서 이송된 LNG를 상기 추진엔진 및 발전엔진의 연료공급조건에 따라 압축 및 가열하여 상기 추진엔진 및 발전엔진으로 공급하는 연료공급부:를 더 포함하고,
    상기 복수의 발전엔진 중 수소 이중연료 엔진이 아닌 나머지는 LNG 및 오일을 공급받는 이중연료 엔진인 것을 특징으로 하는 선박의 연료공급시스템.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 연료공급부는
    상기 LNG 이송펌프에서 이송된 LNG를 상기 추진엔진의 연료공급압력으로 압축하는 LNG 압축펌프;
    상기 LNG 압축펌프에서 압축된 LNG를 가열하여 상기 추진엔진으로 공급하는 고압기화기;
    상기 LNG 이송펌프에서 이송된 LNG를 공급받아 기화시키는 연료기화기; 및
    상기 연료기화기에서 기화된 LNG를 상기 발전엔진의 연료공급온도에 따라 가열하는 연료히터:를 포함하며,
    상기 추진엔진은 상기 발전엔진보다 연료공급압력이 높은 고압 2행정 엔진인 것을 특징으로 하는 선박의 연료공급시스템.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 연료공급부는
    상기 LNG 이송펌프에서 이송된 LNG를 공급받아 기화시키는 연료기화기; 및
    상기 연료기화기에서 기화된 LNG를 상기 추진엔진 및 발전엔진의 연료공급온도에 따라 가열하는 연료히터:를 포함하며,
    상기 추진엔진은 5 내지 20 bar, 25 내지 45℃ 내외의 LNG 또는 오일을 연료로 공급받는 저압 2행정 엔진인 것을 특징으로 하는 선박의 연료공급시스템.
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