대체연료기술연구팀 강수민 책임

  1. 배경

국제해사기구(IMO)는 2023년 해양환경보호위원회(MEPC) 80차 회의에서 ‘2023 IMO GHG 전략’을 채택하며,
2050년경 국제 해운의 탄소 중립(Net-Zero) 달성을 공식화하였다. 이에 따라 2030년까지 탄소 집약도를 2008년
대비 최소 20%(목표 30%) 감축하고, 2040년까지 70%(목표 80%)를 저감해야 하는 단계별 이행 지표가
설정되었다.

특히 2027년부터 시행될 중기조치와 관련하여 화석 연료 사용 선박에 대한 탄소세 부과가 예고됨에 따라, 무탄소
연료기술의 확보는 선사들의 중장기적 경영 안정성을 결정짓는 핵심 과제로 부상하였다. 이는 단순히 탄소
배출량을 줄이는 차원을 넘어, 암모니아와 같은 무탄소 연료 추진선이 갖는 경제적 타당성을 결정짓는
결정적 지표가 된다.

최근 개최된 IMO MEPC 84차 회의에서는 전주기 온실가스 산정 지침의 고도화 및 탄소 기금 운영 방식에 대한
구체적인 메커니즘 논의가 지속되고 있는바, 국제 해사 규제 방향성에 대한 면밀한 모니터링과 유연한 기술적 대응
역량 확보가 필요한 시점이다.

이와 더불어 유럽연합(EU)의 FuelEU Maritime 규제는 연료의 생산, 운송 및 선상 소비에 이르는 전 과정을
평가하는 전주기적 관점(Well-to-Wake)의 온실가스 규제를 본격화하며 해운업계의 친환경 연료 전환을
강력히 촉구하고 있다.

그림 1. GHG 저감을 위한 중기조치

이러한 흐름 속에서 암모니아는 연소 시 이산화탄소를 배출하지 않으며 저장 및 운송이 용이하여 조선·해운업계의
차세대 연료로 주목받고 있으며, 국제에너지기구(IEA)의 『Net Zero by 2050』 시나리오 역시 2050년
해운 연료 비중에서 암모니아가 약 44%를 차지할 것으로 전망하고 있다.

그러나 암모니아는 약 25ppm 이상의 노출만으로도 인체에 치명적인 손상을 입힐 수 있는 독성 물질이며,
엔진 내 불완전 연소로 발생하는 ‘암모니아 슬립(Ammonia Slip)’이 대기 중으로 방출될 경우 선원의 안전과
항만 생태계에 심각한 위협이 되므로 이를 효과적으로 제어하기 위한 후처리 기술 확보가 요구된다.

 그림 2. Net Zero by 2050 시나리오

  2. 마이크로웨이브 촉매 가열 시스템 성능검증

2.1 마이크로웨이브 촉매 가열 시스템 기술

암모니아 후처리 시스템이 설계 성능을 발휘하기 위해서는 촉매의 활성 온도를 정밀하게 제어하는 것이
필수적이며, 암모니아 엔진은 기존 디젤 엔진 대비 배기가스 온도가 낮게 형성되는 경향이 있어 이를 보완
하기 위한 가열 기술이 요구된다.

본 실증에 적용된 마이크로웨이브 촉매 가열 시스템은 기존의 DOC나 버너 방식과 달리 전기 신호를 활용
하여 촉매를 직접 가열하는 방식을 적용하였으며, 이를 통해 촉매 온도를 효율적으로 활성화할 수 있어
저온 배기가스 조건에서도 암모니아 저감 효율을 극대화할 수 있다.

그림 3. 마이크로웨이브 촉매가열 시스템 비교

2.2 마이크로웨이브 촉매 가열 시스템 성능평가 기반

마이크로웨이브 촉매 가열 시스템 성능평가를 위해 KR 그린쉽기자재 시험인증센터(TCC) 내에 구축된
암모니아 연료 저장 및 공급 시스템을 활용하였다.

특히 측정데이터의 신뢰도를 극대화하기 위해 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 방식의 다성분 가스
분석기와 양자 캐스케이드 레이저 적외선 분광법(QCL-IR) 방식의 고정밀 분석기를 배치하였다. 또한
고농도 암모니아 슬립 발생 시에도 정밀한 계측이 가능할 수 있도록 희석 시스템(e-Diluter)을 추가로
설치하여 성능평가 기반을 마련하였다.

그림 4. 마이크로웨이브 촉매가열 시스템 성능평가 기반 개략도

2.3 마이크로웨이브 촉매 가열 시스템 성능 시연회

마이크로웨이브 촉매 가열 시스템은 HD한국조선해양 주도로 에코프로HN과 공동 개발한 기술로, 
KR 그린쉽기자재 시험인증센터에서 성능개발과 검증을 수행하였다. 이를 바탕으로 마이크로웨이브 촉매
가열 시스템 성능 시연회를 개최하였으며, 시연회에서는 암모니아 엔진 가동 시 발생하는 다량의 암모니아
슬립 조건을 모사하여 마이크로웨이브 촉매 가열 시스템의 성능을 검증하였다. 그 결과, 암모니아 슬립
저감율 99.7% 이상 수준의 성능이 확인되었다.

그림 5. 마이크로웨이브 촉매가열 시스템 적용 암모니아 저감 성능 그래프

그림 6. 마이크로웨이브 촉매 가열 시스템 시연회

  3. 요약 및 향후 계획

KR 그린쉽 기자재 시험인증센터(TCC)는 암모니아 추진 선박의 상용화를 위한 핵심 안전 기술인 후처리
시스템의 성능 검증 역량을 확보하였다. 구축된 암모니아 공급 인프라와 배기가스 분석 시스템을 적극
활용하여, 향후 암모니아 연료 적용 선박 엔진의 핵심 기자재 개발 연구를 지속하고 관련 업계에 대한 기술
지원을 강화할 계획이다.

특히 EU 규제 기준에서 실질적인 규제 요소로 작용하는 메탄 슬립(Methane Slip) 문제에 대응하기 위해,
본 마이크로웨이브 가열 기술의 적용 범위를 LNG 추진 선박 등으로 확대할 예정이다. 메탄은 이산화탄소
대비 온실효과가 매우 크기 때문에, 메탄 슬립 관련 시스템의 정밀 검증 및 저감 기술 지원을 통해 선사들이
강화되는 전주기적 환경 규제를 충족할 수 있도록 지원할 계획이다.

더 나아가 다양한 이중연료(Dual Fuel) 엔진으로 기술적 주도권을 확장하여, 국내 조선 산업이 기술적
주도권을 유지할 수 있도록 무탄소 선박 전환을 적극 지원을 목표로 하고 있다.