1. 서 론

국제해사기구(IMO)는 2023년 7월 MEPC 80 회의를 통해 선박 온실가스 배출 감소에 관한 전략을 수정 채택하였다. 이러한 수정된 전략을 바탕으로 2008년 대비 2030년까지 해운 분야 CO₂ 배출량을 최소한 40% 줄일 것이 목표로 제시되었다. 이중에서도 무시할 수 없는 부분은 어선에서의 온실 가스 배출량으로, 전세계의 어선에서 사용하는 내연기관으로부터의 탄소 배출량은 이전에 보고된 양에 비해 30% 증가 되었으며(Leotaud, 2019) 국내의 어선에서 발생한 온실가스 배출량이 CO₂ 환산 시 280만 톤에 이르는 점(Ryu, 2022)을 고려해볼 때 어선에서의 탄소배출량 저감은 지속가능한 내일을 위해서는 필수적이라 할 수 있다. 이러한 선박 및 해운 분야 탈탄소를 위한 각국의 노력의 일환으로 2023년 기준 무탄소 연구개발 프로젝트가 373개 진행되고 있으며, 이는 전년 대비 84% 증가한 수치이다(Rosenberg and Leitão, 2023). 이러한 연구 동향을 살펴보면 Fig. 1과 같이 대형선은 암모니아를 활용하는 방안이 주로 연구되고 있으며 소형선은 배터리, 수소 연료전지, 수소 내연기관, 메탄올 등이 연구되고 있음을 알 수 있다.

이러한 소형, 연안선박을 중심으로 선박의 전동화와 관련한 수요가 높아질 것이라는 예상은 육상 분야에서의 전기자 동차 시장에서 보이는 양상과 같이 열폭주, 화재 등 안전에 대한 우려를 동반한다. 이러한 우려를 불식시키기 위해서는 전기추진선박에 대한 명확한 안전기준이 제시되고, 이를 통해 전기추진설비 및 그 안전설비에 대한 인증, 승인, 검사 및 사후 관리가 철저히 수행되어야만 할 것이다.

어선에의 안전한 전기추진설비 적용을 위한 연구는 기존에 수행된 바(Kang et al., 2023), 해당 연구는 기존의 미흡했던 ^「축전지 추진 어선의 설비기준_」에 대하여 선박안전법령의 ^「전기추진 선박기준_」을 참고하여 전기추진설비에 대한 어선용품 형식승인 기준과 어선에 맞는 적용범위, 설비 등을 반영한 개정(안)을 제시하였다. 그러나 일반선박을 대상으로 하는 선박안전법령을 참고한 해당 연구는 국내의 어선의 대다수가 총톤수 10톤 미만의 소형어선이라는 점을 고려해볼 때, 소형어선에 합리적으로 적용 가능한 요건인지에 대해 논의가 필요하다.

이러한 소형어선의 전기추진설비 안전요건 연구에 참고할 수 있는 가장 대표적인 기준은 노르웨이 해사청(NMA)의 관련 회람(Circular)이다. 노르웨이는 레저보트만 약 106만 척(Norboat, 2023)이 존재하는 등 소형선박 시장이 발달한 나라로 Fig. 2와 같이 전기추진 어선도 이미 개발·운용하고 있다. 이런 배경으로 노르웨이 해사청은 여러 회람을 통해 전기추진선박에 대한 기준을 고시하여 안전한 전기추진선박의 건조 및 운항을 위해 노력하고 있다.

이 연구에서는 이러한 어선, 특히 소형어선에 대한 안전 기준을 고도화하기 위해 노르웨이 해사청의 회람을 중심으로 배터리시스템과 배터리실, 관련 설비 등에 대한 여러 요건들을 분석, 검토하였으며 이를 바탕으로 국내의 관련 법령과의 비교 및 국내 소형어선 여건을 고려한 고도화 방안을 제시하고자 한다.

2. 전기추진선박 관련 규정별 적용 범위와 특성

국내 소형어선에 적용하기 위한 기준(안)의 고도화를 위해서는 먼저 관련된 규정에 대한 적용 범위와 특성을 이해할 필요가 있다.

2.1 전기추진 선박기준

^「전기추진 선박기준_」(이하 선박기준)은 선박안전법령(Ministry of Government Legislation, 2024)의 하위 고시로, 총 20조로 구성되어 있으며, 리튬이차전지로 구성된 배터리시스템을 선박의 주전원 및 추진용으로 사용하는 선박에 대한 요건을 정하고 있다. 또한 배터리실과 배터리의 배치 및 요건, 시스템의 제어 및 감시와 비상차단장치, 배터리실의 소화 및 방화, 냉각, 환기 등에 대한 세부적인 요건을 다루고 있다.

해당 규정은 ^「선박안전법_」제3조에 따라 같은 법의 적용을 받는 선박을 대상으로 한다. 이때, ^「선박안전법_」제3조 제1항 제2호의2에 따라 해당 규정은 어선에는 적용되지 않는다. 또한, 해당 규정은 소형선박에 대하여는 특별한 별도 요건을 두고 있지 않으며, 다만 제3조 제3항을 통해 해양 수산부장관의 인정을 받는 연해구역 이내를 항해하는 선박에 대해서는 규정 일부를 적용하지 않을 수 있도록 하고 있다.

2.2 축전지 추진 어선의 설비기준

^「축전지 추진 어선의 설비기준_」은 어선법령(Ministry of Government Legislation, 2024)의 하위 고시로, 총 17조로 구성되어 있으며, 선박기준보다는 비교적 단순하게 축전지를 전원으로 추진축을 구동하는 어선으로만 적용 대상을 정의하고 있다. 이 규정 또한 축전지실과 축전지의 배치 및 요건, 비상차단장치 및 경보와 소방시설 등에 대한 요건을 정하고 있으나 세부요건을 살펴보면 선박기준에 비해 다소 완화되었다.

해당 규정은 ^「어선법_」제3조에 따라 같은 법의 적용을 받는 어선을 대상으로 하며, 또한 해당 규정 제3조 제1항을 통해 총톤수 10톤 미만의 축전지 추진 어선만을 다루고 있 다. 다른 예외규정을 별도로 두고 있지 않은 탓에, 현행 법 령상 총톤수 10톤 이상의 어선에 대해서는 축전지 설비에 대한 검사 기준이 없는 실정이다.

한편, 앞서 언급한 바와 같이, ^「축전지 추진 어선의 설비 기준_」의 개선을 위해 한국해양교통안전공단에서 기 수행한 연구(Kang et al., 2023)는 해당 규정의 개정을 통한 소형어선의 전동화에 필요한 기준(이하 개정(안))을 제시한 바 있다. 해당 연구에서 제시된 개정(안)은 선박기준을 참고하여 이와 유사한 방향으로 구성되었으며, 용어와 적용범위를 정비하고 전기추진설비의 보호 요건을 조정하는 등의 내용을 담고 있다.

2.3 Norwegian Maritime Authority 회람 RSV 09-2022

Norwegian Maritime Authority(2022a)의 회람 RSV 09-2022 “Guideline for electrical energy storage systems(maritime ESS systems) onboard Norwegian ships of less than 24 meters in length(L)”(이하 회람)은 2022년 5월 4일 발행되었으며, 리튬 이온 배터리가 적용된 해상용 배터리시스템 또는 유사한 기술을 사용하는 노르웨이 선박에 적용되는 규정이다.

총 22개 Section으로 구성된 해당 회람은 국내의 관련 법령과는 달리 설계에 대한 철학 등도 다루고 있으며, 20kWh 미만의 배터리시스템에 대해서는 Section 21의 요건만을 적용하는 등의 완화 요건을 갖추고 있다. Table 1에서 보는 바와 같이 배터리시스템을 적용한 소형 선박에 대해 고려해야 할 여러 안전 요건을 다루고 있는 해당 회람은, 국내의 관련 법령을 포함한 세계 각국의 관련 법령, 기준과 달리, 구체적으로 길이 24미터 미만의 선박에 적용하는 요건임을 명시하고 있다.

해당 회람은 어선만을 대상으로 하는 규정은 아니나, 서론에서 밝힌 바와 같이 소형선박이 다수 운항하고 있는 노르웨이의 관련 당국이 24미터 미만의 소형선박에 대해 제시한 배터리시스템 관련 안전 요건이라는 점을 볼 때, 우리나라의 연안 소형어선에의 안전한 배터리시스템 운용을 위한 요건을 연구하기 위해 참고할 만한 가장 좋은 해외 규정이라 할 수 있을 것이다.

3. 규정 분석 및 고도화 방안 도출

소형어선의 안전한 전동화를 위해서는 국내의 관련 법령을 더욱 고도화하여 합리적이면서도 안전한 전기추진설비의 운용이 가능토록 요건을 정비, 제시할 필요가 있다.

따라서 노르웨이 해사청 회람에서 규정하는 요건과 국내의 현행 기준과의 비교 분석을 통해 고도화 방안을 도출하고자 하였다. 다만, 앞서 살펴본 국내 기준 중 ^「축전지 추진 어선의 설비기준_」은 ^「전기추진 선박기준_」에 비해 다소 부족하고 완화된 기준임을 감안하여 분석 대상에서 제외 하였다.

이번 연구에서는 총 101건의 RSV 09-2022 요건을 선박기준과 비교하였으며 국내 기준과 유사하거나 같은 요건, 국내의 다른 법령에서 다루는 요건, 또는 국내 소형어선 현황 상 적용이 매우 어려울 것으로 생각되는 등의 요건들은 제외하였다. 이들 중 의미가 있을 것으로 사료되는 요건들을 식별한 후 Table 2의 전문가 참석 하에 2023년 10월 19일부터 20일까지 제주에서 워크숍을 통해 여러 자문과 의견을 수렴, 분석하여 결론을 도출하였다.

3.1 열폭주 확산 시험에 대한 규정

형식승인을 위한 열폭주 시험 방법에 있어, 국내 법령에서는 ^「선박용물건의 형식승인 시험 및 검정에 관한 기준_」 별표 1의 166번에서 규정하는 바와 같이 배터리모듈에 대한 열폭주 확산 시험을 IEC 62619 7.3.3에 따라 수행토록 하고 있다. 한편, 회람의 관련 규정인 Sec. 9.5에서는 IEC 규정 요구사항에 추가로 시험을 3회 반복하여 매번 성공할 것과 배터리 최대 작동 온도를 기준으로 수행할 것, 열폭주 후 24시 간 동안 시험을 지속할 것을 추가로 요구하고 있다. 열폭주 사고 발생 시 재발화하는 경우가 빈번히 존재하며, 수 시간, 수 일 또는 수 주 후에도 재발화하는 경우가 있음(Marlair et al., 2022)을 고려해볼 때, 적어도 열폭주 시험을 24시간 이상 지속하는 요건은 수용할 필요가 있을 것으로 사료된다.

3.2 배터리실 냉각수, 배관 등에 관한 규정

배터리시스템에 사용되는 수냉식 냉각시스템에 대하여, 회람에서는 Sec. 10.3을 통해 단락, 전기 아크, 접지 결함 등 기타 위험을 유발하지 않도록 설계할 것을 요구하고 있다. 선박기준은 다른 위험요소에 대해서는 더욱 자세한 요건1) 을 갖추고 있으나, 회람에서와 같은 냉각수가 초래할 수 있는 전기적 위험성에 대해서는 단순히 ‘냉각수는 도전부와 접촉하지 않을 것’으로 요구하고 있다. Garud et al.(2023)의 배터리 열폭주 관리를 위한 냉각 방법에 대한 연구에서 밝히듯 배터리에 적용될 냉각에 대한 여러 권고사항 중 하나인 침지 냉각에 의한 수냉식 냉각 시스템의 냉각수는 절연 체일 것을 참고하여 냉각수가 야기할 수 있는 전기적 위험을 예방하기 위해서는 절연 성능이 인증된 냉각수를 사용하도록 관련 요건을 정비할 필요가 있다.

배터리실 안전 확보를 위해 대부분의 규정에서는 배터리실에 불필요한 배관 등 의장품을 설치하지 못 하도록 하고 있으며, 이는 노르웨이 해사청 회람 및 국내 관련규정도 마찬가지이다. 다만 선박기준과 달리 회람은 Sec. 13. 7을 통해 배관의 설치가 불가피한 경우 배터리실 내에서 플랜지 또는 나사에 의한 연결부가 없을 것을 조건으로 배터리실에 배관 등의 설치 가능성을 열어두고 있다. 회람이 24미터 미만의 선박을 대상으로 삼는다는 점을 함께 고려할 때 국내의 소형어선 역시 작고 제한된 선체 용적상 배터리실에 배터리와 관련 없는 배관이 불가피할 수 있으므로 이러한 요건을 받아들여야 한다는 참여연구원 및 외부전문가 등의 워크숍에서의 의견을 바탕으로 이러한 요건을 국내법령으로 수용하는 방안을 제안한다.

3.3 배터리실 내부의 환기에 대한 규정

노르웨이의 경우, 배터리실의 Safety philosophy에 대한 회람 Sec. 11.2를 통해 열폭주 발생 후 안전한 환기를 포함하여 오프가스 방출 또는 화재시 환기 처리에 대한 안전 대책 등을 문서화하도록 하고 있다. 또한 2019년 10월 노르웨이 선박 Ytterøyningen 호의 배터리 열폭주 사고를 조사한 Norwegian Maritime Authority(2019)의 Safety message에서도 선내 설치된 배터리의 폭발성 가스 축적 및 폭발 등 가능성에 대한 위험 성 평가를 수행할 것을 권장하고 있다. 이러한 사례를 근거로, 오프가스의 축적에 따른 안전사고에 대비하기 위해 국내의 관련 법령에도 위험성평가 수행에 있어 열폭주 발생 후 안전한 환기를 포함한 제어대책을 수립하도록 기준을 마련할 필요가 있다.

배터리실의 환기에 대해 회람 Sec. 15.1에서는 구체적으로 수동 제어장치가 장착된 전용 기계식 환기 시스템을 배치할 것을 규정하고 있다. 반면 선박기준 및 개정(안) 등에서는 위험성평가를 통해 배터리실에 가연성 가스 발생 가능성이 있는 경우에 한해 환기 시스템을 설치할 것을 요구하고 있다. 그러나 배터리실은 배터리시스템의 발열, 하절기 결로 등 문제점에 대응하기 위해 반드시 기계식 환기장치가 필요하며, 이는 Norwegian Maritime Authority(2022b)의 Safety Notice에서 명시하는 요건을 고려할 때 더욱 필요한 요건으로 사료된다. 이러한 요건을 명확히 하기 위해 “기계식 환기시스템을 설치할 것” 등의 문구를 삽입하는 것을 검토할 필요가 있다.

회람 Sec. 15.3의 요건인 ‘기계식 환기시스템이 계속 가동 되지 않는 경우 출입 제한된 공간으로 취급할 것’은 국내 법령에서는 규정하지 않고 있으며, 다만 환기장가 고장날 경우 가시가청 경보장치를 설치하도록 하고 있다. 만일 배터리실에 유해한 가스 등이 축적됨에도 불구 이를 선원이 인지할 수 없어 출입하는 경우를 방지하기 위해, 해당 요건을 수용하거나 또는 배터리실 입구에 출입 전 가스 농도 측정을 할 수 있는 기구를 배치하도록 하도록 할 필요가 있다.

회람 Sec. 15.4의 요건은 배터리실의 기계적 환기시스템에 대해 6 ACH2) 이상이라는 명확한 환기 용량을 제시하고 있다. 이와 유사한 국내법령으로는 ^「선박소방설비기준_」제 52조가 있는데, 동조 제1항 제5호 나목을 통해 가스저장용기를 설치하는 장소에 대하여 매시 적어도 6회 이상의 환기가 가능한 독립된 기계통풍장치를 설치하도록 규정하고 있다. 그러나 해당 규정은 탄산가스 소화제 등 가스저장용기의 설치장소에 대한 요건으로 배터리실에 대해서는 명확한 환기 용량 계산 기준이 없는 실정이다. 따라서 관련 법령의 고도화를 위해 매시 6회 이상 환기가 이루어질 수 있도록 요건을 명확히 제시하여 안전한 배터리시스템 운용이 가능하도록 규정할 필요가 있다.

기계환기 시스템의 덕트에 대한 회람 Sec. 15.5의 요건은, 배터리실의 환기 시스템 덕트는 외부 공기로 직접 배출되어야 하며 거주공간의 덕트와는 분리되어야 한다는 것이다. 또한 Sec. 15.6을 통해 이러한 환기 시스템 덕트는 강재로 제작되어야 한다는 규정도 두고 있는데, 이러한 환기 시스템 덕트에 대한 규정들과 유사한 내용이 국내법령에는 없어 이 부분에 대한 수용이 필요하다.

유사시 발생할 오프가스 및 배터리실 공기가 Fig. 3과 같이 최대 섭씨 500~600도까지도 올라갈 수 있다는 점을 고려할 때, 덕트의 재질에 대한 명확한 기준이 없을 경우 높은 온도에 견디기 어려운 재질로 제작될 우려가 있다.

회람 Sec. 15.9는 배터리실 내부에서의 환기 배기구의 위치를 천장에서 0.4미터 이내로 하도록 규정하고 있다. 또한 흡기구는 가능한 한 바닥에 가깝게 위치할 것을 규정하고 있다. 반면 국내의 관련 법령에서는 이러한 명확한 환기 흡·배기구의 위치에 대한 기준이 없어, 이러한 요건의 수용이 필요할 것으로 보인다.

회람 Sec. 16.1을 통해, 노르웨이 해사청은 배터리시스템에서 발생할 수 있는 오프가스의 환기를 위한 요건을 제시하고 있는데, 덕트 유입구에 대한 역류방지 밸브/플랩 설치와 덕트 방화댐퍼 설치를 요구하고 있다. 이러한 요건은 국내 법령에는 없는데, 오프가스 및 화재 발생 시 확산과 연기 배출 등을 위해서는 이러한 요건을 국내 법령에도 수용할 필 요가 있을 것이다.

3.4 배터리실 방화구조 및 소화장치에 관한 규정

배터리실에 대한 화재안전을 위해, 회람 Sec. 17.1은 전장 15미터 미만의 어선이나 화물선의 배터리실에 최소 A0 또는 FRD603) 이상의 단열 처리를 할 것을 요구하고 있다. 반면 선박기준에서는 ^「선박방화구조기준_」제23조 및 제60조를 준용하고, 별표 1을 통해 배터리실을 제어장소로 취급하도록 하고 있어 최소 A0 이상의 방화성능을 갖추도록 하고 있다.

방화성능에 대한 요건의 도입에 앞서, 국내의 연안 소형 어선의 대다수가 FRP 재질을 사용하여 건조된 선박임을 고려할 필요가 있다. FRP 선체에 대해, 선박안전법령의 ^「강화 플라스틱(FRP)선의 구조기준_」제67조 제5항에서는 총톤수 100톤 이상의 여객선에 대해 A60급 방열재를 시공할 것을 요구하는 등, 방화구조의 적용에 대한 유효성이 어느 정도 인정되는 것으로 볼 수 있으나, 이를 어선에 관한 규정에 수용하기에는 보다 세밀한 연구가 필요할 것으로 보인다.

특히, Table 3와 같이 일반적인 FRP 재질이 FTP Code에서 요구하는 고속선에 대한 FRD60 내화시험을 통과하지 못 하였다는 Evegren et al.(2016)의 다섯 가지 조건에 대한 FRP 내 화 시험 결과4)를 참고할 때, FRP 어선에의 방화구조 적용에 대한 효용성은 연구가 필요한 영역이라 할 수 있다.

Sec. 17.6.3.1에서는 물에 의한 소화 시스템을 사용하는 경우에 대한 기준을 제시하고 있는데, 구체적인 소화 시스템 운전 시간과 함께 청수를 사용할 것을 규정하고 있다. 이는 노르웨이에서 발생한 전기복합 추진선박의 화재사고에 대한 조사를 통해 확립된 규정으로 해석된다.

Fig. 4의 노르웨이의 전기복합 추진 여객선 Brim호에서는 2021년 3월 11일 오후 15시 27분경 우현의 배터리실과 기관실에서 화재가 발생하였으며, 본 화재사고의 원인으로, Norwegian Maritime Authority(2022b)는 Safety Notice를 통해 배터리실의 환기구에 대한 악천후 시의 해수 유입에 대한 고려가 부족한 점과 배터리시스템의 IP 등급이 낮음을 원인으로 지목하였다.

Brim 호 화재사고로 인해 배터리시스템에 대한 해수 분사는 단락을 유발할 수 있어 위험하다는 점이 파악됨에 따라, 국내의 관련 법령 또한 이를 수용할 필요가 있어 보인다. 다만, 국내 소형어선의 크기가 관련 법제5)상 증축에 한계가 있음에 따라 선체의 배치와 배터리실 공간 확보에 제약이 큰 점, 충분히 소화 가능한 청수를 바다 위에서 사용할 수 있도록 소형어선에 비축한다는 점이 비현실적이라는 점 등을 고려해볼 때, 스프링클러장치 등에 대한 요건은 삭제하고 외함 내부로 소화약제를 주입하는 방식의 소화장치에 대한 요건을 추가하는 편이 보다 합리적인 개선방안으로 사료 된다.

3.5 기준 비교분석 및 고도화 방안의 정리

이 연구를 통해 국내의 관련 규정과 노르웨이 해사청의 회람의 요건을 비교 분석하여 국내 규정의 고도화 방안을 검토하였으며, 이를 정리하면 다음의 Table 4와 같다.

4. 결 론

이번 연구를 통해 소형어선의 안전한 전동화 및 보급에 필수적인 배터리시스템 관련 규정의 정비에 필요한 내용을 분석하고 관련 기준의 고도화 방안을 여러 전문가의 참여 하에 검토하였다. 이를 통해 열폭주 시험과 냉각수에 관한 요건 및 배터리실 배관에 관한 요건을 강화하는 방안, 그리고 배터리실 내부의 환기에 대한 구체적인 요건을 추가하는 방안과 함께 배터리실의 방화구조와 소화설비에 대한 고도화 방안도 제시하였다. 그러나 이러한 관련 법령의 고도화 방안에도 불구, 국내의 소형어선과 관련 시장 규모 등을 고려해볼 때 강화되는 관련 법령에 대한 대안과 적용방안도 추후 연구가 필요할 것이다.