시스템안전연구팀 김형수 수석, 박동욱 책임

  1. 서 론

2050년까지 탄소 중립을 달성하려는 국제사회의 노력에 따라, 해운산업은 국제해사기구(IMO)의 온실가스 배출 제로 목표와 유럽연합(EU)의 ‘Fit for 55’와 같은 강화된 환경 규제에 직면해 있습니다. 특히, 탄소세 및 배출권 거래제(ETS) 등 시장 기반 조치의 도입은 해운사의 수익성에 부담을 주며, 탈탄소화를 위한 설비 투자 비용 증가에 대한 우려를 야기하고 있습니다. CE Delft 보고서에 따르면, 저배출 연료의 도입과 선박 운항 최적화를 통해 2030년까지 온실가스 배출량을 36~47%까지 감축할 수 있으며, 그에 따른 비용은 관리 가능한 수준으로 분석됩니다.

이러한 변화에 대응하기 위해, KR과 HMM은 공동개발프로젝트(Joint Development Project, JDP)를 체결하고, 100% 바이오 연료(B100)의 적용 가능성에 대한 기술적 검증 및 안전성 평가를 위한 협력 연구를 시작하였습니다. HMM은 2023년 9월 15일, 6,400 TEU급 컨테이너선 ‘HMM Tacoma’호에 B30(30% 바이오 연료 혼합유)을 적용한 시험 운항을 실시하였으며, 이를 시작으로 전체 연료 소비량의 5~10%를 바이오 연료로 대체하는 중장기 계획을 추진 중이며, 같은 해 말부터는 GS Caltex로부터 B100의 공급을 개시하였으며, 현재 24,000 TEU급 컨테이너선 12척을 대상으로 실증 프로젝트를 진행 중입니다.

이에 따라, HMM은 24,000 TEU급 컨테이너선에 B100을 적용하기 위한 설계 및 운용 개념을 수립하고, KR에 위험도 분석을 의뢰하였습니다. KR은 선박 건조, 해양 플랜트, 연료 시스템 등 다양한 분야의 전문가로 구성된 다학제적 HAZID(Hazard Identification) 팀을 구성하여 연구를 수행하였습니다.

  2. 바이오 연료(B100) 특성

바이오연료(B100)는 주로 폐식용유(UCO), 식물성 유지, 동물성 지방 등 재생 가능한 유기자원을 원료로 제조되는 연료로, 최근 선박용 대체연료로 주목받고 있습니다. B100은 연소시 순 탄소배출량이 화석 연료에 비해 현저히 낮고, 황(Sulfur) 함량이 거의 없어 황산화물(SOx) 배출 저감에 효과적입니다. 일부 상용화된 B100 연료는 국제해사기구(IMO)의 MARPOL Annex VI 규제를 충족하며, 해운산업의 탈탄소 전략과 연계된 실증 운항 사례도 점차 증가하고 있습니다.

B100은 기존 디젤 엔진 시스템과 비교적 높은 기계적 호환성을 갖추고 있어, 일정 조건 하에서는 엔진 개조 없이도 운용이 가능하다는 장점이 있습니다. 그러나 연료 특성상 여러 기술적 고려사항이 존재하며, 대표적으로 B100은 산화 안정성이 낮아 장기 저장 시 연료가 변질될 수 있으며, 이는 연 료 필터 막힘, 연료 라인 오작동, 장비 고장 등의 문제로 이어질 수 있습니다. 또한 일반 선박용 경유 대비 점도가 높고 저온 유동성(Cold Flow Property)이 떨어져, 특히 저온 환경에서는 연료 이송 장애나 필터 막힘 등의 현상이 발생할 가능성이 있습니다.

이와 더불어, B100은 수분을 쉽게 흡수하는 성질을 가지고 있어, 저장 탱크 내 수분 혼입 시 미생물 성장이나 연료 분리 현상이 나타날 수 있습니다. 이러한 문제를 방지하기 위해서는 연료 저장 시스템에 대한 정기적인 점검, 회수 라인의 철저한 관리, 주기적인 연료 품질 분석 등 유지관리 절차의 강화가 요구됩니다.

기계적 측면에서 B100은 일반 디젤보다 윤활성이 우수하다는 보고가 있으나, 고온 연소 시 연소실 내 침전물 형성이나 카본 생성 가능성은 여전히 존재하므로 주의가 필요합니다. 현재 MAN Energy Solutions, Wärtsilä 등의 주요 엔진 제조사는 일부 엔진에 한해 B100 사용을 조건부로 허용하고 있으며, 연료 사양에 따라 적정 운전 온도, 필터링 시스템 구성, 연료 예열 조건 등을 별도로 제시하고 있습니다.

결론적으로, B100은 환경적 이점과 기존 연료 시스템과의 호환성 측면에서 유의미한 대안이 될 수 있으나, 그 물리적·화학적 특성에서 기인하는 운용 리스크를 사전에 명확히 파악하고 이에 대한 적절한 기술적 대응책을 마련하는 것이 필수적입니다.

  3. 위험도 분석

대상 선박은 LNG 연료 사용이 가능하도록 사전 준비된 설계를 갖춘 선박으로, 주기관 1기, 발전기 5기, 보조 보일러를 포함한 주요 추진 및 전력 공급 설비를 구비하고 있습니다. 선박의 전장은 약 400m, 선폭은 약 60m이며, 총 30명의 정규 승무원 외에 6명의 수에즈 운하 전용 승무원이 추가로 탑승할 수 있는 구조를 갖추고 있습니다.

본 HAZID 연구는 해당 선박에 B100 바이오연료를 적용할 경우 발생할 수 있는 잠재적 위험요소를 체계적으로 식별하고, 실제 운항 시 안전성 확보를 위한 추가 안전 조치 및 권고 사항을 도출하는 것을 목적으로 합니다. 이를 위해 KR의 주관 아래 HMM, HD KSOE, HD HHI-EMD, MAN Energy Solutions, GS Caltex, SAMGONG 등 관련 업계 및 설계·엔진·연료 전문가들이 참여한 워크숍이 개최되었습니다.

연구의 작업 범위는 B100 연료 적용을 고려한 24,000 TEU급 컨테이너선의 설계 개념 전반을 포함하며, 분석의 효율성과 논의 집중도를 높이기 위해 선박 시스템을 기능 단위의 노드(node)로 구분하여 위험요소 식별을 수행하였습니다.

HAZID 분석은 B100 연료의 적용과 밀접하게 연관된 시스템을 중심으로 수행되었으며, 기존 화석연료 기반 선박에서도 동일하게 적용되는 표준화된 시스템과구성 요소는 설계 및 운용 방식이 충분히 검증된 것으로 간주되어 분석 대상에서 제외되었습니다.

보다 체계적이고 구조적인 접근을 위해, 분석 대상 시스템은 다음의 다섯(5) 개 노드로 구분되었으며, 각 노드별로 독립적인 HAZID 논의가 진행되었으며, 자세한 사항은 [그림 1]을 참고 바랍니다.

• Node 1 – B.F.O Filling & Transfer
• Node 2 – Fuel Purification
• Node 3 – Equipment Operation
• Node 4 – Sludge & Oily Bilge Incineration & Discharge
• Node 5 – Tank Discharge

[그림 1] HAZID를 위한 시스템 노드

  4. 결론

본 HAZID 연구에서는 워크숍을 통해 다양한 위험요소와 위험사건이 체계적으로 식별되었습니다. 위험사건(hazardous event)은 특정 위험요소로부터 발생 가능한 사고 시나리오를 의미하며, 이를 통해 잠재적 원인과의 인과 관계를 보다 명확히 이해할 수 있습니다. 워크숍 과정에서는 24,000 TEU급 컨테이너선의 B100 연료 적용을 위한 설계 및 운용 계획에 이미 반영된 안전 장치 및 시스템이 함께 검토되었고, 추가적인 위험 저감을 위한 보완적 안전 조치 및 권장 사항도 도출되었습니다. [그림 2], [그림 3]은 본 시스템에 대한 위험도 분석 결과입니다.

[그림 2] 위험요소 식별 전체 결과

[그림 3] 시스템 노드별 위험요소 식별 결과