대체연료기술연구팀 강수민 책임
1. 배경
국제 해사기구(IMO)는 2023년 해양환경보호위원회(MEPC) 80차 회의에서 GHG Net-zero 달성을 목표로 설정하고 있으며, GHG Net-zero 달성을 위하여 제83차 MEPC에서는 중기 조치 이행관련 MARPOL Annex Ⅵ 개정안을 승인하였습니다.
IMO 중기조치와 관련하여 온실가스 연료집약도에 따라 미준수 선박, 기본목표 만족선박, 직접목표 만족선박 및 ZNZ(Zero and Near zero) 연료사용 선박으로 구분하고 있으며, 목표의 준수 정도에 따라 Remedial Units의 구매가 요구되어 집니다. 또한 ZNZ 연료를 사용하는 선박들에 경우 선박건조에 투입된 초기비용 및 대체연료 구매에 따른 화석연료와의 가격차이를 보상하기 위하여 인센티브를 제공함으로써 기존 화석연료에서 저탄소 및 무탄소 연료로 전환하는 것을 촉구하고 있습니다.
그림 1. GHG 저감을 위한 중기조치
친환경 연료 중 암모니아는 연소하는 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않아 엔진에 주 연료로써 적용할 수 있어 이에 많은 엔진 제조사들이 암모니아 선박을 개발하고 있으며, 또한 암모니아는 부피대비 수소 저장용량이 액화수소, LOHC 및 메탄올보다 크기 때문에 대규모 수소 저장 및 운송에 있어서 가장 효율적인 수단이며, 암모니아 운반과 동시에 암모니아를 수소로 개질하여 연료전지에 활용할 수 있는 장점이 있습니다.
하지만 암모니아는 독성 물질로써 인체에 노출될 경우 피부자극, 호흡곤란, 눈 자극 등을 일으키며 심할 경우 호흡정지로 인해 사망에 이르게 됩니다. 이에 IMO에서는 암모니아 연료 추진 선박에 대한 안전기준을 제시하기 위하여 암모니아 연료 선박의 일반•기능 요건 등을 다루는 암모니아 연료추진 선박 잠정지침 개발을 완료하였으며, 해당 지침에서는 암모니아 연료적용에 따른 암모니아 감지 및 처리시스템에 대한 요건을 정의하고 있습니다.
결과적으로 암모니아 연료 선박에서 암모니아 누출을 초기에 감지할 수 있는 암모니아 감지 시스템 및 연료계통에서 방출되는 암모니아를 안전하게 처리할 수 있는 암모니아 처리시스템의 개발이 필수적입니다. 이에 암모니아 연료를 선박에 적용함에 따라 요구되는 필수 요소기술인 누출 암모니아 감지 및 처리시스템 개발을 수행하기 위해 관련 성능평가 기반을 한국선급 그린쉽 기자재 시험인증센터(이하 ‘TCC’)에 구축하였습니다.
2. 누출 암모니아 감지 및 처리시스템 성능평가 기반 구축
2.1 누출 암모니아 감지 시스템 성능평가 기반 구축
최근 TCC에서는 암모니아 연료 저장시스템 및 공급시스템을 구축하였으며, 구축된 설비를 통하여 엔진 실험실로 고압 액상 암모니아와 저압 기상 암모니아를 동시에 공급이 가능하도록 기반을 구축하였습니다. 해당 설비를 바탕으로 암모니아 감지 시스템에 대한 성능 평가를 수행하기 위해서 실험실 내에 암모니아 누출을 모사할 수 있도록 MFC(Mass Flow Controller)를 구축하였습니다.
해당 MFC는 액체 상태 및 기체 상태의 암모니아 누출 모사가 가능하며, 암모니아의 누출량과 위치를 제어할 수 있도록 구축하였습니다. 안전한 성능평가를 수행하기 위하여 암모니아 누출 상황을 원격으로 모니터링 하기 위한 설비 및 누출 농도 데이터를 원격으로 취득할 수 있는 데이터 수집 시스템을 구축하였습니다.
누출된 암모니아를 전체적으로 흡입·환기할 수 있도록 엔진 상부에 후드를 설치하였으며, 암모니아 누출 위치에 선택적으로 흡입·환기할 수 있도록 국소배기장치를 추가적으로 설치하였습니다. 아울러, 암모니아 감지 시스템의 성능평가 과정에서 누출된 암모니아의 대기방출을 최소화하여 안전한 시험환경을 확보하기 위해 암모니아 스크러버를 구축하였습니다.
그림 2. 암모니아 감지 시스템 성능평가 기반 개략도
2.2 암모니아 처리 시스템 성능평가 기반 구축
암모니아 연료추진 선박 잠정지침에서는 암모니아 연료추진 선박에 대해서 연료 배관의 Purge 및 압력 Relief 밸브 등에서 발생할 수 있는 암모니아 방출을 처리할 수 있는 시스템의 구성이 요구되며, 이러한 암모니아 처리 시스템을 통해 처리된 암모니아의 농도를 110 ppm 이하로 제한하도록 규정이 마련되었습니다.
암모니아 처리 시스템 중 스크러버는 이미 다른 산업분야에서 활발히 적용되고 있는 시스템이며, 선박에 적용이 용이하여 암모니아 처리시스템으로써 주목받고 있어 TCC에서는 암모니아의 스크러버에 대한 성능평가 기반을 마련하였습니다. 성능평가 기반은 암모니아 스크러버를 통해 대기 방출되는 암모니아 농도 모니터링을 위해 암모니아 감지기, 세정수의 pH 측정기기 및 전기전도 방식의 암모니아 수의 농도를 실시간 측정이 가능한 장비를 포함하여 구성하였습니다.
그림 3. 암모니아 감지 시스템 성능평가 기반 개략도
3. 요약 및 향후 계획
2.1 누출 암모니아 감지 시스템 성능평가 기반 구축
TCC에서는 암모니아 저장 및 공급 시스템 구축을 통해 암모니아 연료 적용 선박엔진 핵심 기술 개발 연구를 수행 및 완료하였고, 구축한 암모니아 감지 및 처리 시스템의 성능평가기반과 연계하여 암모니아 감지 및 처리시스템의 개발 및 기술지원 등 암모니아 연료 적용 안전기술 개발 연구를 수행할 계획입니다.
또한 암모니아 연료 사용 선박에서 방출되는 암모니아를 처리하기 위하여 흡수식 암모니아 처리시스템이 적용될 경우 암모니아 배출수가 필연적으로 발생하게 되며, 현재 암모니아 배출수에 관리 방안에 대한 국제적인 기준이 부재한 실정입니다. 이에 TCC에서는 구축된 암모니아 처리 시스템 시험기반을 바탕으로 암모니아 배출수 관리 방안에 대한 연구를 수행하고 연구결과를 암모니아 배출수 관리방안 지침서 개발에 활용할 계획입니다.