1. 서 론

현재 경량화 소재로 각광받고 있는 CFRP(탄소섬유강화플 라스틱, Carbon Fiber Reinforced Plastic)는 우수한 비강도로 여 러 산업분야에서 경량화를 위한 대체재와 고급 내외장재로 써 사용되고 있다(Oh et al., 2014). 항공분야에서는 탄소복합 체의 사용을 항공기 구조의 절반까지 사용한 사례가 있고, 자동차 산업에서는 구조재의 전체에 사용된 바 있다. 소형 선박 분야에서도 선체에 CFRP를 적용하여 경량화 한 모델 이 출시되어 고급 의장재를 갖춘 레저선박이 출시되고 있다 (Oh et al., 2014)(Fig. 1).

전기추진시스템은 추진기 자체의 경량화 특성과 배기가 스가 없는 친환경 특성으로 육상 및 해상 운송수단에 널리 적용되고 있다. 그 추세에 따라 선박안전기술공단에서는 전 기추진을 선박에 적용하기 위한 규정을 마련 중에 있다. CFRP 소재와 전기추진이 경량화에 유리하고 친환경적이라 는 것은 널리 알려진 사실이지만 실제로 적용 시 경량화 효 과에 대한 정량적 평가 연구는 미진한 실정이다. 본 연구에 서는 GFRP 소재의 선체를 경량화 소재인 CFRP를 선체 소재 로 대체하고, 디젤 추진체계를 전기추진체계로 대체하였을 때의 경량화 효과를 정량적으로 평가함으로써 그 효과를 확 인해보고자 한다.

2. 연구방법

소재의 변경과 기관부 종류의 변경이 선각 중량과 기관부 중량에 미치는 영향을 각각 비교할 수 있도록 두 가지 중량 을 따로 구분하여 확인하였다.

사용한 선박의 중량은 국제표준(ISO, 2002a)에 정의된 개 념으로 연료, 청수 등 부가 질량을 제외한 경하 시의 중량인 m_LCC이고, m_LCC는 Ws(선각 중량), Wo(의장 중량), Wm(기관부 중량)으로 구분되어 있다. 여기서 비교의 대상인 선각 중량 과 기관부 중량을 제외한 의장 중량은 두 선박의 규모가 동 일하고 배치가 유사하기 때문에 동일하다고 가정하였다.

2.1 선체 소재가 선각 중량에 미치는 영향 추정

비교를 위해 GFRP 선체 소재에 디젤 기관을 탑재한 대상 선박(이하 MMU-GD.45)을 설계하였으며, MMU-GD.45에서 선 체 소재를 CFRP로 변경한 선박(이하 MMU-CE.45)을 재설계 하였다. MMU-CD.45의 선각 중량과 MMU-CE.45의 선각 중 량을 추정하여 서로 비교하였다.

2.2 추진체의 변경이 기관부 중량에 미치는 영향 추정

추진체의 변경이 기관부 중량에 미치는 영향을 확인하기 위해 MMU-GD.45의 디젤엔진을 전동기로 변경해 기관부를 재설계하였다. 그리고 실제 항해를 고려했을 시 기관부 중 량을 확인하기 위해 항해 조건을 가정하여 디젤유와 배터리 시스템의 중량을 추정하였다. 항해 조건 중 속도는 서비스 속도(10노트)와 최대 속도(30노트)로 가정하였으며, 항해 거 리는 30NM로 가정하였다. 또한 디젤유와 배터리 시스템의 효율을 비교하기 위해서 동일한 기관부 중량으로 항해할 수 있는 거리를 추정했다.

3. 사례연구 대상선박(45ft GFRP 디젤엔진 파워요트)

3.1 대상 선박의 선각 중량

MMU-GD.45는 45ft 규모의 선체의 소재가 GFRP인 선박들 의 전형적인 선박의 형상을 갖도록 설계하였다. 동일한 규 모의 실적선의 데이터를 사용해 배치와 구조가 가장 유사한 선박을 선정하여 주요 요목을 추정하였다(Table 1). 기관부를 제외한 m_LCC는 12.023톤이며, 조금 더 자세히 설계를 진행한 MMU-CE.45의 의장 중량을 통해 정확한 선각 중량을 구할 수 있다.

3.2 대상 선박의 기관부 중량

MMU-GD.45의 기관부는 Volvo Penta의 D6-330엔진 2기와 스 턴드라이브(Sterndrive) 추진기 2기이다. 엔진과 스턴드라이브 한 세트의 중량이 0.75톤(Volvo Penta, 2017)이므로 MMU-GD.45 의 기관부 중량은 1.5톤이다.

하지만 실제 항해를 할 때를 고려한 기관부 중량을 추정 하기 위해서는 선박의 항해 조건에 맞는 디젤유의 중량이 기관부 중량에 포함되어야 한다.

디젤유의 중량은 2장에서 정의한 항해 조건과 시간당 연 료소비량을 통해 추정할 수 있다. 시간당 연료소비량을 추 정하기 위해서는 엔진의 속도별 출력을 알아야 하는데, 본 연구에서는 서비스 속도인 10노트로 주행 시 MCR의 33.3%, 최대 속도인 30노트로 주행 시에는 MCR의 100%인 것으로 가정하였다. 그리고 이러한 가정 사항을 통해 시간당 연료 소비량은 Table 2와 같이 추정했다.

항해 조건에 따라 항해 시간을 Table 3과 같이 정의할 수 있으며, Table 2의 시간당 연료소비량과의 곱으로 속도별 디젤유의 중량을 추정할 수 있다(Table 4).

위 두 결과를 사용하여 추정한 실제 항해를 고려한 디젤 기관계의 기관부 중량은 Table 5와 같다.

3.3 디젤의 중량 대비 효율

디젤 기관계와 전기추진계의 기관부 중량에 대한 효율을 비교하기 위해 동일한 기관부 중량으로 항해 가능한 거리를 추정했다. 기관부 중량은 45ft 동급 크기 선박의 평균 기관부 중량인 3.172톤을 사용하여, 이 중 엔진과 추진기의 중량을 제외한 나머지 중량을 디젤유의 중량으로 가정하였다. 디젤 유의 중량은 1.672톤이며 엔진이 2기이기 때문에 절반에 해 당하는 연료의 중량을 항해거리 계산에 사용하였다.

Table 2의 시간당 연료 소모량과 Table 3의 항해 시간을 통 해 두 가지 속도로 항해할 수 있는 거리를 추정하였으며 그 결과는 Table 6과 같다.

4. 선체 소재의 변경(CFRP)에 따른 중량 변화

4.1 MMU-CE.45 의 주요 요목

MMU-GD.45 의 소재를 변경하여 CFRP 소재 선박을 재설 계하였다. CFRP소재의 특성으로 선형의 차이가 있기 때문에 전형적인 CFRP 선박의 실적선을 참고하였다. 대상선박과 동 일한 선체길이에 따라 주요 요목을 추정하였으며 이때 추가 중량물은 국제규정 ISO 12217(ISO, 2002b)에 따라 추정하였 다. 이 때 MMU-CE.45의 주요요목은 Table 7과 같다.

4.2 MMU-CE.45의 선형 설계 및 구조설계

선형 설계는 Maxsurf Modeler(Bentley, 2018)를 사용하였으며, 저항 및 유효마력 추정에는 Maxsurf Stability(Bentley, 2018)를 사용했다. 저항 추정은 활주형 고속선에 널리 사용되는 Savitsky Planing 알고리즘(Savitsky, 2012)을 사용하였다. 그 결 과 선박의 최대 속도인 30노트의 경우, 엔진의 효율을 55 % 로 가정하였을 때 약 610마력이 요구될 것으로 추정할 수 있 었다. 요구마력에 따라 엔진의 조건은 305마력 이상의 엔진 2기로 정의했다.

선체 구조설계는 국제표준 ISO 12215(ISO, 2008)와 국제 선급 RINA(이탈리아 선급협회, Registro Italiano Navale)의 플 레져요트 규정(RINA, 2009)을 사용하였다.

규정에 적합하도록 횡 방향 구조재는 트랜섬을 포함한 격 벽 6개와 거더 2개를 설치하였고, 종 방향은 선저에 프레임 을 6개, 양 선측에 각 3개를 설치하였다(Fig. 2).

4.3 MMU-CE.45 중량 추정

복합소재를 설계하여 선각 중량을 추정할 수 있는데, 이 때 Oh et al.(2018)에 정리된 RINA에 기반한 복합소재 설계 알고리즘을 적용하였다. 이 알고리즘은 구조별로 가장 큰 압력이 가해지는 설계 면적을 기준으로 요구 두께를 산정하 여 복합소재를 설계를 하는 방법이다. Fig. 3에 MMU-CE.45 의 선저의 하중분포를 나타내었으며, 최대 하중은 lwl의 62% 위치에서 53.8 kN/m²으로 추정하였다.

복합소재 설계에 섬유는 CFRP Woven Roving 400 g/m², 수 지는 Polyester, 중심재는 Wood Balsa를 사용하였으며, 이 때 섬유와 수지의 중량비율인 함침율은 해양 복합소재로 흔히 사용하는 40%를 사용하였다.

3D CAD 모델과 앞서 정의한 복합소재 정보를 사용하여 선체 구조별 중량을 추정하였으며 그 결과는 Table 8과 같 다. Table 8에 보이는 바와 같이 MMU-CE.45의 선각 중량은 3.738톤이다.

구조안전성을 확인하기 위하여 RINA의 플레져요트 규정 에 따라 종강도 평가를 수행하였으며 선박의 구조강도에 대 한 문제는 없는 것으로 확인하였다.

4.4 소재별 선각 중량 비교

MMU-CE.45의 기관부 제외 m_LCC는 9.006톤이다. 여기서 선 각 중량 3.738톤을 제외하면 의장 중량은 5.285톤으로 추정 할 수 있다. 이 의장 중량을 MMU-GD.45에 동일하게 적용하 면 선각 중량은 6.755톤으로 추정할 수 있다. MMU-GD.45와 MMU-CE.45와 m_LCC를 Table 9에 정리하였다. 대상 선박인 MMU-GD.45과 비교하여 CFRP 소재를 적용한 MMU-CE.45의 선각 중량은 45 %가량 경량화 되었음을 알 수 있었다.

5. 추진계 변경에 따른 기관부 중량 변화

요구 마력인 610마력 이상의 전동기로는 LGMarines사의 I-330 2기로 선정하였다. 이 전동기는 대상 선박 MMU-GD.45 의 엔진인 D6-330과 동일한 마력과 추진 방식을 사용하기 때 문에 두 추진체계를 비교하기에 적절할 것으로 판단되었다.

Table 10에 MMU-GD.45와 MMU-CE.45의 기관 사양을 비 교해 나타내었다.

5.1 전기추진계의 기관부 중량

MMU-CE.45의 기관부는 LGmarines의 i-330 전동기 2기와 스턴드라이브 추진기 2기이다. 엔진과 추진기 한 세트의 중 량이 0.437톤(LG Marines, 2017)이므로 MMU-CE.45의 기관부 중량은 0.874톤이다. 이는 실제 항해를 고려하지 않은 기관 부 중량이며, 실 항해를 고려하기 위해 디젤기관과 마찬가 지로 항해 조건에 따라 배터리의 중량이 포함되어야 한다.

5.1.1 배터리 용량 산정 방법

배터리의 경우 구성이 매우 다양하므로 본 연구에서는 선 박안전기술공단의 친환경 전기추진 선박의 잠정 기준안의 정의 부분을 참고하여 배터리의 구성단위를 정의하였다. 배 터리의 가장 작은 단위는 배터리 모듈이고, 배터리 모듈을 15개씩 연결한 묶음을 배터리 팩, 그리고 선박에 탑재한 모 든 배터리 팩들을 연결한 것을 배터리 시스템으로 정의하였 다. 그리고 배터리 시스템의 중량을 추정할 때 사용한 배터 리 팩의 사양은 Table 11과 같다.

배터리 시스템의 중량은 전동기의 요구 전력량과 동작전 압과, 항해 조건에 따라 추정할 수 있는데, 이는 디젤기관의 디젤유 중량 추정 방법과 유사하다.

MMU-CE.45의 항해 조건을 만족하는 요구 전력량을 추 정하기 위해서 탑재한 전동기의 제조사에서 전류와 동작전 압 데이터를 제공받았다. 전동기의 동작전압은 660V로 배터 리 모듈을 15개 이상을 사용하면 충족할 수 있다. 전동기의 전류는 제공받은 데이터를 Fig. 4와 같이 속도별 요구 전류 의 함수로 정리하였다. 함수에 따라 MMU-CE.45가 서비스 속도인 10노트로 주행할 때 전동기의 요구 전류는 235A, 최 대속도인 30노트로 주행할 때는 500A로 추정하였다.

5.1.2 MMU-CE.45의 배터리 용량과 중량 산정

항해 조건은 디젤 기관계와 동일하므로 각 속도에 대한 항해시간은 Table 3과 같다. 따라서 선박에 탑재해야 할 배 터리의 전력량을 Table 12과 같이 추정할 수 있다.

위에서 추정한 요구 전력량을 배터리 팩 한 개의 전력량 을 나누어 선박에 탑재할 배터리 팩의 개수를 추정할 수 있 는데, 이때 배터리 팩에 배터리 모듈만을 따로 추가하여 배 터리 시스템을 구성할 수 있으므로 배터리 팩의 개수를 소 수점까지 사용했다. 배터리 한 팩에 300 kg이므로 요구되는 배터리 팩의 개수에 중량 곱하여 배터리 시스템의 중량을 구할 수 있으며, 그 결과는 Table 13와 같다.

5.2 배터리의 중량 대비 효율

디젤 기관계와 마찬가지로 중량 대비 효율을 확인하기 위 해 디젤기관과 동일한 기관부 중량과 조건으로 항해 가능한 거리를 추정하였다. 기관부 중량 3.172톤에서 전동기와 추진 기의 중량을 제외한 2.298톤을 배터리시스템의 중량으로 계 산하였으며, 2.298톤은 배터리 팩 7.66개의 중량에 해당된다. 배터리팩 7.66개의 전력량은 202.22 kWh이며, 해당 전력량과 두 가지 속도로 항해 가능 거리는 Table 14과 같다.

5.3 추진 시스템별 기관부 중량 비교

MMU-GD.45와 MMU-CE.45의 기관부 중량을 Table 15에 정 리하였다.

전기추진계를 적용함으로써 기관부 중량은 약 58% 경량 화 되었다. 하지만 실제 항해를 고려해 연료(디젤과 배터리) 를 포함한 기관부 중량은 서비스 속도 일 때 3.8배, 최대 속 도일 때 2.9배가량 증가하였다. 또한 디젤 기관계와 전기추 진계의 기관부 중량의 구성비(Fig. 5)가 서로 반전된 것을 볼 수 있다.

디젤 기관계는 엔진과 추진기가 기관부 중량에서 90%가 량을 차지했지만, 전기추진계는 20%에도 못 미치는 비율을 차지했다. 동일 기관부 중량 대비 항해거리에 대한 효율을 비교한 결과를 Table 16에 정리하였다.

6. 결론 및 고찰

선체 소재의 변화와 추진체의 변경에 따른 선각 중량과 기관부 중량을 정리하자면 Table 17과 같다.

선체 소재를 GFRP에서 CFRP로 변경했을 때, 선각 중량은 45%가량 경량화 되었다. 구조의 중량이 경감되었지만 선체 구조강도에 문제가없어 소재의 변경은 효율적인 경량화 방 법으로 판단된다. 하지만 GFRP 소재의 가격과 대비해 CFRP 소재의 가격은 10배 이상이 차이가 난다고 알려져 있어 경 제적인 문제가 해소되어야 실제로 경량화 실효성이 있을 것 으로 사료된다.

추진체계를 디젤 기관계에서 전기추진계로 변경함으로써 기관부 중량은 58%가량 경감되어 실제로 경량화에 효과적 으로 보여질 수도 있다. 하지만 실제 항해 시 디젤기관과 동 일한 조건으로 항해하려면 배터리의 중량이 약 5톤 더 적용 되어야 하므로 최종적으로 그 중량이 380%가량 증가함을 알 수 있었다. 이는 배터리의 중량 대비 효율의 문제로 추후 극복해야 하는 과제로 판단된다. 따라서 전기추진계는 항해 거리, 속도와 배수량 등 제약이 있으므로 소형 선박으로의 적용은 선박의 목적이나 규모에 제한적일 것으로 사료된다. 추후 전기추진계를 소형선박에 적용하는데 선박의 규모와 항해조건의 효율적인 범위에 대한 연구를 진행하면 전기추 진선박의 초기설계에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.