대체연료기술연구팀 박기도 책임

  전기추진시스템

전기추진선박은 발전원을 통해 전기 에너지를 생산하여 전력변환장치와 전기 모터를 통해 추진시스템과 선내 전력 공급에 활용합니다. 전 세계적으로 운항되고 있는 전기추진선박은 디젤 발전기를 통해 전력을 공급받고 있지만 최근 선박 배출가스 문제로 인해 배터리와 연료전지와 같은 환경 친화적인 에너지원을 사용하고 있고 내연기관 발전기, 연료전지, 배터리 등 다수의 발전원으로 적용하는 하이브리드 방식으로 선박에 탑재되어 운영되고 있습니다.

전기추진선박은 디젤엔진 기반 선박에 비해 배터리나 연료전지와 같은 친환경 에너지원을 선박에 적용하여 활용할 수 있기 때문에 연료 소비와 배출가스를 줄일 수 있고, 소음과 진동이 적어 승객의 편안한 환경을 제공하기 때문에 친환경 선박으로 국제 환경 규제와 지속 가능한 해양 운송 요구에 부응하는 중요한 기술로 평가 받고 있습니다.

그림 1. 전기추진선박의 추진시스템 계통도


그림 2. 전기추진시스템 블록도

전기추진선박은 탈탄소화, 효율, 자동화의 특징을 가집니다. 전기추진선박은 LNG(CH4), 수소(H2), 암모니아(NH3) 연료 엔진, ESS(Battery System), 연료전지 등 에너지원의 유연한 구성으로 온실가스 저감이 가능합니다.

부하별 발전원 최적 운영이 가능하고 선박의 부하 변동성이 큰 선박의 경우 전기모터는 엔진에 비해 저부하 영역에서 효율이 높기 때문에 엔진직결추진에 비해 에너지 효율이 높은 편입니다.

전기추진시스템은 배터리, 연료전지 등과 같은 다양한 발전원의 사용이 가능 하므로 선박에서 발생하는 대기오염물질 및 온실가스를 저감할 수 있는 방법으로 제시되고 있으며 추진전동기의 우수한 제동능력 및 조정성과 같은 추가적 장점을 가지고 있습니다. 대형 선박에서의 전기추진시스템은 주로 발전기를 구동시켜 얻은 전기 에너지를 추진전동기에 공급 하여 선박을 추진하는 방식으로 이루어져 있으며 엔진 발전기, 배전시스템, 전력변환장치, 추진 전동기로 구성됩니다.

선박용 전기추진시스템은 발전원 구성 방식에 따라 다양한 시스템 유형으로 나뉘는데, 발전기 기반 전기추진시스템, 하이브리드(복합발전원) 전기추진시스템, 배터리 기반 전기 추진시스템, 연료전지 기반 전기추진시스템으로 구분됩니다. 각 전기추진시스템은 선박의 운항 특성과 목적에 따라 고유한 역할과 특성을 갖고 있습니다.

  발전기 기반 전기추진시스템

발전기 기반 전기추진시스템은 발전기를 통해 전력을 생성하여 전기모터를 구동하는 방식 으로, 크루즈선, 대형 컨테이너선, LNG 운반선 등 에너지 수요가 높고 비교적 부하 변동이 큰 대형 선박에 주로 사용됩니다. 이 시스템은 에너지 분배가 효율적이며, 전기모터는 디젤엔진에 비해 낮은 부하에서도 높은 효율(90% 이상)을 발생하기 때문에 선박의 부하에 따라 발전기 운전 수량을 조정해 요구 전력만 공급할 수 있어 연료 절감이 가능합니다.

또한, 전기추진시스템의 특성상 기관실에 전기모터만 설치하고 전기 케이블을 이용하여 전력만 공급하면 되기 때문에 선박의 설치환경 및 공간등을 고려하여 기관장비의 분산 배치가 가능하며, 이중화 설계가 용이합니다.

주기관인 메인 엔진에 비해 소음과 진동이 적으며, POD형 추진기를 적용하게 되면 선박 조정 성능과 전 영역에서 정확한 프로펠러 회전수 제어와 저속영역에서 높은 토크를 제공하기 때문에 쇄빙선, 동적위치유지(DP: Dynamic Positioning) 시스템이 적용되는 선박에 유리합니다.

그림 3. 발전기 기반 전기추진시스템 구성도

하이브리드 전기추진시스템

하이브리드 전기추진시스템은 엔진 발전기와 배터리시스템 등 전력공급장치와 병렬로 결합하여 전력을 공급하는 방식으로, Ro-Ro 선박, 중형 여객선, 다목적 작업선 등 다양한 선박에 적용됩니다. 이 시스템은 발전기의 운전상태, 선박의 부하특성에 따라 전력을 공급하고 계통 전압 및 주파수 제어를 통해 배전반에 안정적으로 전력이 공급될 수 있도록 구성 되어야 합니다.

저속 운항 시 배터리만을 사용하여 연안에서 Zero-emission이 가능한 시스템으로 ECA (Emission Control Area) 지역처럼 엔진의 배기가스를 조절해야하는 구간에서 효과적으로 선박 운영이 가능합니다. 고속 운항 시 발전기를 사용하는 등 운항 상황에 따라 전원 공급 방식을 유연하게 선택할 수 있으며, 연료 절감과 배기가스 감소 효과를 제공합니다.

그림 4. 하이브리드 전기추진시스템 구성도

배터리 기반 전기추진시스템

배터리 기반 전기추진시스템은 배터리를 전력의 주 공급원으로 활용하며, 단거리 여객선이나 항만 작업선처럼 짧은 항로를 운항하는 중소형 선박에 적합합니다. 이 시스템 또한 탄소 배출이 없고 소음과 진동이 적으며, 환경 규제가 강화된 지역에서 이상적인 시스템입니다. 다만, 운항 거리가 배터리 용량에 제한을 받을 수 있으며, 당일 선박의 운항 차수가 많을 경우 급속충전 등 전용 충전 시스템을 구축하여 선내 배터리시스템을 충전할 수도 있는데 이 방식은 소형 선박에서 주로 활용됩니다.

배터리가 적용된 전기 자동차는 전력변환장치로 구성된 충전 시스템을 통해 충전하지만 선박은 정박상태에서도 보기류 및 선내 전력기기 등을 사용해야 하기 때문에 별도의 전력을 공급받아 사용해야 합니다. 배터리시스템은 동시에 충방전이 불가능하기 때문에 선외전력공급 (AMP: Alternative Maritime Power) 시스템을 통해 선박에서 요구되는 전력을 공급받아 선내전력과 배터리시스템의 충전 전력으로 활용되어야 하며, 선외전력공급 시스템은 사용 전력 등을 고려하여 구성되어야 합니다.

그림 5. 배터리기반 전기추진시스템 구성도

연료전지 기반 전기추진시스템

연료전지 기반 전기추진시스템은 화석연료를 사용하는 기존 엔진과 달리 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 선박의 전기추진시스템에 전력을 공급하는 방식으로 선박의 에너지 효율을 높이기 위해 전력을 저장 및 공급할 수 있는 배터리시스템과 같이 무배출 발전원으로 주목받고 있는 시스템입니다.

그림 6. 연료전지 기반 전기추진시스템 구성도

선박용 연료전지로는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와 고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)가 주로 고려되고 있으며, 연료전지는 친환경적인 기술로, 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생산하기 때문에 온실가스 배출이 적거나 없습니다. 특히 수소연료전지를 사용할 경우 물(H2O)만 배출되어 친환경 발전 시스템 솔루션 중 하나로 적용할 수 있습니다.

또한, 연료전지는 수소뿐만 아니라 메탄올, 암모니아, LNG(액화천연가스) 등 다양한 연료를 활용할 수 있어 연료 공급 방식에 유연성이 있으며, 특히 액체 수소나 암모니아와 같은 차세대 친환경 연료를 활용하면 탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있습니다.

설계 측면에서도 연료전지는 모듈형으로 설계할 수 있어 기존 엔진룸 중심의 구조에서 벗어나 공간을 보다 효율적으로 활용할 수 있으며, 대형 선박에서는 여러 개의 연료전지를 분산 배치하여 에너지 관리를 최적화할 수도 있어 주요 국가에서는 수소 운반선, 여객선 등에 연료 전지시스템을 적용하여 선박을 건조하고 있습니다. 하지만 초기 투자 비용이 높고 연료 저장 및 공급 인프라가 제한적이라는 단점이 있습니다.

전기추진시스템은 친환경 발전원과의 결합을 통해 온실가스 배출량을 시스템 구성에 따라 일정 부분 줄이거나 배출가스가 없는 완전한 친환경 선박으로 적용할 수 있습니다. 그러나 전기 추진 기술이 모든 선박 유형에 보편적으로 적합한 것은 아닙니다. 선박의 운항 방식과 부하 프로파일에 따라 시스템 효율성이 달라지기 때문에, 설계 초기 단계에서 해당 선박의 운항 조건을 면밀히 분석하고 그에 맞는 추진시스템을 합리적으로 선택해야 합니다. 예컨대 대형 화물선과 같이 정출력 운항이 주를 이루는 선박의 경우, 전기추진시스템은 에너지 변환 과정 에서의 손실로 인해 오히려 엔진직결 방식보다 에너지 효율이 낮을 수 있습니다. 반면, 입출항이 잦거나 부하 변동이 큰 연근해선박이나 예인선, 특수목적선등에서는 전기추진 방식의 장점이 더욱 극대화됩니다.

해외 주요국들은 이미 전기추진선박 상용화에 적극적인 반면 한국은 아직 연구개발과 실증 중심 단계에 머물러 있으며, 패키지형 시스템 위주의 시장 구조로 인해 중소기업의 진입 장벽이 높습니다. 이 한계를 극복하기 위해서는 기술의 모듈화 및 표준화, 시스템 상호운용성 확보, 선외 전력공급 인프라 구축, 공공 연구기관 중심의 실증사업 강화가 병행되어야 합니다.

정부는 이러한 기술격차 해소를 위해 ‘한국형 그린쉽 프로젝트’, ‘전기추진선박 실증사업’ 등을 추진하며 정책적 인센티브와 기술개발 지원을 확대하고 있습니다. 또한 한국선급(KR)은 인증체계 고도화와 기술 표준화를 통해 전기추진시스템의 안정성 확보에 기여하고 있습니다.

향후 국내 전기추진선박 산업의 경쟁력 확보를 위해서는 선박 운영환경을 반영한 기술 적용 전략 수립과 함께, 배터리 안정성 확보, 충전 인프라 표준화, 핵심 부품 국산화율 제고, 전문 인력 양성 등 다각도의 노력이 요구됩니다. 또한 산·학·연·관의 유기적 협력체계를 바탕으로 기술 생태계를 구축하고, 글로벌 시장을 겨냥한 전략적 기술 개발과 실증사업이 병행되어야 합니다. 이러한 노력은 단기적인 환경규제 대응을 넘어서, 해운·조선 산업 전반의 패러다임 전환을 이끌고 국가 경쟁력을 제고하는 기반이 될 것입니다.