1. 서 론

전 세계적으로 환경오염이 심각해지고 있는 가운데, 이에 대응하기 위해 다양한 연구가 진행 중이다. 급속한 산업 발전 과정에서 유해한 화학물질 또는 과다한 에너지 방출과 각종 폐기물로 인해 인류의 건강이 점차 위태로워지고 있을 뿐 아니라, 생물자원과 생태계에 또한 피해를 보는 중이다. 지구 환경은 인류의 생존을 위협할 만큼 심각한 위기에 직면해 있으며, 이를 해결하는 것이 국제사회 전체의 공통된 관심사로 대두되고 있다. 이에 대응하기 위해 효율적 자원 사용 및 친환경적 기술 혁신을 통해 환경 문제를 해결하려는 노력이 진행되고 있는데, 이는 육상 운송 수단에 국한되지 않고 해상 운송수단에도 적용된다.

또 국제해사기구(IMO: International Maritime Organization) 제72차 해양환경보호위원회(ME PC: Marine Environment Protection Committee)는 온실가스 감축 목표 달성을 위한 초기 전략으로 2050년 선박 연간 온실가스 배출량 50% 감축을 수립했다. 이와 관련하여 친환경 선박의 필요성이 조명되었고, 무탄소 기반의 연료인 수소, 암모니아와 같은 대체 연료로의 시급한 전환이 요구되고 있다. 장기적으로 환경 규제 충족과 자율운항선박 등장에 따른 전기추진 체계 도입으로 인하여 최적의 대안인 수소추진선박으로 기술 혁신의 가속화가 예상되는 가운데, 본고에서는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Proton-Exchange Membrane Fuel Cell)와 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)을 동력원으로 사용하는 40인승 350kW급 소형 수소추진선박의 기술개발을 소개한다.

2. 수소추진선박 연구개발의 필요성

해운 분야의 환경 규제가 강화되고, 친환경 선박으로의 패러다임이 전환됨에 따라 2050년이 되면 전 세계 신조 발주의 67%를 탈탄소 선박이 차지할 것으로 예상한다. 해운 시장의 변동성에 대응하기 위해서는 관련 기술개발이 필요하지만, 해운 분야 선진국 대비 국내 기술력은 상대적으로 낮으며, 특히 수소 활용 및 수소연료전지 기술의 경우는 선진국 대비 78% 수준에 머무르는 상황이다. 수소추진선박의 상용화를 위해서는 해상용으로 안전성과 내구성이 검증된 연료전지시스템 및 이와 관련된 기자재의 연구개발이 필요하다.

특히 수소의 위험성에 대응하기 위해서 수소추진선박과 핵심 장비에 대한 안전성 확보뿐만 아니라 친환경성 검증, 경제성 등에 대한 실증과 검증이 요구된다. 주요 시스템의 안전한 운용을 위해서는 원격 감시 시스템을 도입하여 PEMFC-ESS 기반의 전기추진 시스템 설비의 오작동 및 고장 예측을 통한 사고 예방이 필요하다. 이에 본 연구개발은 2050 탄소중립 산업의 생태계 구현과 세계 최고 수준의 기술력 확보에 따른 수소경제 선도국으로의 도약 그리고 수소 생산·운송·저장·충전 등의 인프라 구축과 수소경제 활성화를 위한 필요성에 의해 기획됐다.

3. 주요 기술 확보를 위한
연구개발 내용

본 연구개발의 최종 목표는 울산 인근 연안 운항이 가능한 안전 기반 40인승 350kW급 수소추진선박의 기술개발 및 실증을 위한 시스템을 구축하는 것이다. 본 과제의 주요 결과물은 수소추진선박 건조, 운항 중인 수소추진선박 안전 운항 상태의 모니터링 및 문제의 예측 진단을 위한 디지털 트윈, 수소추진선박 전기추진 시스템의 개발 및 성능평가를 위한 육상시험소(LBTS: Land-Based Test Site) 구축, 수소추진선박의 이용 가치 판단을 위한 경제성 분석이다. 총괄 기관은 각 결과물의 도출을 위한 연구개발 활동이 지원되며, LBTS 설치 및 운용을 위한 실증연구센터의 건축을 담당한다.

1) 안전 기반 40인승 350kW급
수소추진선박 설계·해석·건도 단계 엔지니어링·실증 기술개발
우리나라는 선박 건조 분야에서 글로벌 경쟁우위에 있으나, 핵심 기술력에서의 높은 해외 의존도로 친환경·스마트 등 선박 패러다임의 변화에 따른 국내 기술 수준은 해외 대비 미흡한 편이다. 이에 따라 국내외 기술과 시장 상황 및 관련 지식재산권, 표준화 및 인증 기준에 부합하고, 제안 요구서상의 요구 조건을 만족하는 안전 기반 수소연료전지 추진 유람선을 설계 및 건조 실증하여, 탄소 무배출의 친환경 선박을 통해 향후 세계 수소 선박 시장 선도하는 것을 목표로 아래에 대한 연구개발을 수행한다.
•수소추진선박 선형 개발 및 복원성 기술개발
•수소추진선박 선체 구조 및 구조 안정성 해석
•선박 내 수소 시스템 안전을 위한 기술개발
•수소추진선박 선급 승인, 건조 단계 엔지니어링 및 건조 후 실증

2) LBTS 및 수소추진선박의
모의 단계 디지털 트윈 개발
국내에서는 선내 기기 및 추진 동력 시스템의 경우 한정적인 모니터링이 이루어지고 있으며, 특히 사전 예측 및 중앙관제 연동 연구 등은 미비한 실정이다. 하지만 디지털 트윈 기반 수소추진 선박의 핵심 장비나 기기의 상태 모니터링, 건전성 평가 및 이에 기반을 둔 유지 보수 관련 기술의 필요성은 전 세계적으로도 높아지고 있으며, 불모지인 수소추진선박 분야의 고장 진단 및 예지·보전에 대한 국내의 독자적인 기술개발이 시급한 상황이다. 이에 기존의 선박과 운용 방식 및 작동 방식이 다른 수소추진선박과 핵심 장비에 대한 안전성 확보와 친환경성 및 경제성 등에 대해 효율적으로 실증·검증하고, 선박과 장비에 대한 정상 작동 상황을 실시간으로 모니터링·제어·분석·진단을 위한 수소추진선박에 특화된 디지털 트윈 개발과 운영이 필요함에 따라 아래에 대한 연구개발이 수행 중이다.
•LBTS(Land Based Test System) 및 수소추진선박의 모사(Mirroring) 단계 디지털 트윈 개발
•LBTS 및 수소추진선박, 디지털 트윈 데이터 동기화 기술개발
•LBTS 및 수소추진선박의 감시제어(Monitoring) 단계 디지털 트윈 개발
•LBTS 및 수소추진선박의 모의(Modeling and Simulation: M&S) 단계 디지털 트윈 개발
•성능 검증, 사업화를 위한 공인 기관 인증 취득

3) LBTS를 활용한 연료전지 기반
전기추진 시스템 기술개발
수소추진선박에 대한 실증 운항이 진행된 유럽에 비해 후발주자인 우리나라는 세계 수소추진선박의 시장 주도권을 확보하기 위한 기술개발이 필요하고, 관련 기술 확보 및 실증 데이터 축적이  요구되고 있다. 수소연료전지 기반 추진 시스템은 LBTS을 통해 추진 체계 주요 장비의 통합 성능 시험을 수행하고, 선박에 탑재되는 추진 시스템의 성능을 선박 건조 전에 검증함으로써 실 운항 시 발생할 수 있는 기술적 위험 요소를 사전에 식별 및 보완할 수 있다. 또 수소연료전지 기반 전기추진 시스템의 에너지 고밀도화를 위해서는 수소가스 저장 용기의 수소 충전 압력을 기존의 350 bar에서 700bar로 상승시켜야 한다. 수소연료전지 스택이 해상 환경에서 정상 작동하기 위해서는, 또 MBOP(Mechanical Balance Of Plant) 수소연료전지 스택이 해상 환경에서 정상 작동하기 위해서는 MBOP(Mechanical Balance Of Plant)를 해상용으로 개발하여 수소연료전지 시스템의 정상 운전이 가능한 환경을 보장해야 한다. 이를 통해 생산된 고압 전력을 선박 내부 설비에 배분하는 장치인 배전반을 포함해 해상용 수소연료전지 전기추진 시스템을 구축하고, 성능 평가를 LBTS에서 수행한다.

4) 안전 기반 40인승 수소추진선박
경제성 분석 및 네트워크 강화
본 사업을 통해 연안 운항 관광용으로 개발되는 수소추진선박의 경제성을 분석한다. 1회 운항 시 탑승자 수와 1일 주간 및 야간 운항 횟수에 따른 경제성을 분석하여 울산시의 안정적인 관광 수입 용도로 사용하고, 적정한 운항 일정 수립을 위한 연구를 수행한다. 또 울산 연안에서 관광선 운항 이력이 있는 선박 운항사를 통한 운항 가능 경로와 이에 따른 선박의 유지 보수에 대한 깊이 있는 분석을 통해 수소추진선박의 장기 운항 계획을 수립하고, 실증 기간 종료 후에 울산시를 대표하는 관광 상품으로의 개발 가능성을 마련한다.
수소추진선박은 울산시가 대한민국을 대표하는 수소경제 도시로 활성화하기 위한 수단임과 동시에, 영향력을 국내외로 확산하기 위한 네트워크를 구축·강화해 나간다. 본 사업의 홍보를 위해 수소추진선박에 관심을 가지는 조선 및 수소 산업 분야의 기관과 협업하여 국내외 해운 산업의 친환경화에 적극 협력하고자 한다.

4. 결 론

전 세계적으로 육상 운송 분야뿐 아니라 해운 산업에서도 탈탄소화가 가속화되는 상황에서 수소는 무탄소 연료로서 배출가스의 획기적 저감 가능성을 가졌다. 본고에서는 이러한 산업 동향의 변화에 대응하고 관련 기술의 확보 및 선점을 통해 해상에서의 수소에너지 활용 분야를 선점하기 위하여, 수소연료전지와 ESS 하이브리드 동력원으로 구동하는 안전 기반 소형 수소추진선박의 기술개발의 수행을 소개했다. 본 과제를 통해 국내 수소 산업 확대뿐만 아니라 수소 관련 해상용 기자재와 선박 연구개발의 활성화에 크게 기여할 것이다.

otlim@ulsan.ac.kr