1. 서 론

최근 해운산업은 국제적 기후변화 대응 요구와 함께 대규 모 온실가스(Greenhouse Gas, GHG)감축 압력에 직면하고 있 다. 이에 전통적인 화석연료 기반의 선박 추진 시스템에서 벗어나 암모니아, 메탄올 및 연료전지와 같은 친환경 동력 원의 도입이 시급한 과제로 대두되고 있다.

국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)는 2023년 개정 온실가스 전략(IMO, GHG Strategy)을 통해 2050 년까지 해운분야의 온실가스 순배출 제로(Net-Zero GHG Emission) 달성을 목표로 내세웠다.

이를 위해 기존의 이산화탄소(CO₂) 배출 규제인 신조선 에너지효율설계지수(EEDI)와 현존선 에너지효율지수(EEXI) 같은 기술적 조치를 넘어, 메탄(CH₄), 아산화질소(N2O) 등 다 른 주요 온실가스까지 포함하여 연료 생산부터 선박에서 연 소까지 전 과정(Well-to-Wake) 기반의 감축 목표를 제시하며 기술 기준을 강화하였다(Lee et al., 2023).

나아가 2027년부터는 총톤수 5,000톤 이상의 국제 항행 선 박을 대상으로, 강화된 온실가스 집약도 기준 적용하고 이 를 만족하지 못하는 경우 배출량에 비례한 경제적 부담을 부과하는 시장 기반 조치(Market-Based Measure)를 도입하여 운항 기준 또한 강화할 예정이다.

대한민국 해양수산부(Ministry of Oceans and Fisheries, MOF) 도 국제 흐름에 발맞춰 '2050 해양수산 탄소중립 로드맵' 을 발표하고, 해양·해운·항만 전 분야의 온실가스 저감을 목표 로 하고 있다. 먼저 해운·항만 분야에서는 신규 건조와 기존 선박의 개조를 장려하여 친환경 선박으로 100% 전환하고, 항만 시스템에 신재생에너지 활용을 넓혀나갈 계획이다. 동 시에 해양 분야에서는 갯벌 등 블루카본을 확장하여 탄소 흡수 기능을 강화한다.

정부는 이러한 전략을 체계적으로 이행하기 위해 5년 단 위의 실행계획을 수립하고 있으며, 기술 개발 및 실증, 안전 규정 마련, 그리고 관련 산업생태계 조성까지 함께 추진하 며 정책의 실효성을 높이고 있다.

하지만, IMO 규제와 같은 국제 규제들은 주로 대형 외항 선에 초점이 맞춰져 있어 적용 대상에서 제외되는 총톤수 5,000톤 미만의 연근해 운항 중소형 선박은 규제 적용의 사 각지대에 놓여있다. 이는 해당 선박들의 친환경 기술 전환 을 지연시키는 주요 요인으로 작용할 우려가 크다. 이에 대 한민국 해양수산부는 암모니아, 메탄올 등 저탄소‧무탄소 연료와 연료전지(Fuel Cell, FC)를 기반한 하이브리드 시스템 이 중소형 선박에도 실질적으로 적용 가능한지 타당성 검토 및 실증 프로젝트를 국가적으로 추진하고 있다(MOF, 2021).

이러한 배경하에, 본 논문에서는 규제 사각지대에 있는 중소형 선박을 대상으로 차세대 친환경 선박 연료인 메탄올 과 암모니아의 적용 방안을 검토하고자 한다. 두 연료의 물 리·화학적 특성, 개질 기술의 난이도, 인프라 현황 등을 종합 적으로 비교 분석하여, 현시점에서 중소형 선박에 더 적합 한 연료를 도출할 것이다. 그리고 이를 바탕으로, 중소형 선 박의 경제적 한계를 고려하여 초기 투자비용 대비 온실가스 감축 효과를 극대화할 수 있는 최적의 메탄올 엔진-연료전 지 하이브리드 시스템 모델을 제시하고, 실제 차도선 적용 사례를 통해 그 기술적 타당성과 경제성을 검증하고자 한 다. 이는 미래의 무탄소 연료인 암모니아 시대로 나아가기 위한 현실적인 브릿지 기술(Bridge Technology)로서의 가치를 가질 것이다.

2. 친환경 선박 연료 및 연료전지 기술 고찰

2.1 차세대 선박 연료: 메탄올, 암모니아

차세대 친환경 선박 연료로 주목받는 메탄올(CH₃OH)과 암모니아(NH3)는 기존 연료유 대비 환경오염물질 배출이 현 저히 낮다는 공통점이 있다.

하지만 암모니아는 무탄소 연료라는 궁극적인 장점이 있 는 반면, 독성 및 저장 문제의 어려움이 있고, 메탄올은 상 온·상압 저장이 가능하여 실용성이 높지만 탄소 기반 연료 라는 한계가 있다(Wissner et al., 2023).

메탄올과 암모니아는 모두 연소 시 황산화물(SOx)을 배출 하지 않으며 질소산화물(NOx)과 온실가스 배출량도 기존 연 료유보다 현저히 낮다. 하지만 선박 적용에 있어 두 연료는 명확한 특성 차이를 보인다. Table 1은 메탄올과 암모니아의 저장 조건, 독성, 인프라 구축 현황, 엔진 기술 성숙도 등 핵 심적인 차이점을 비교하여 보여준다.

Table 1의 비교를 통해 알 수 있듯이, 현재 기술 수준과 인 프라를 고려할 때, 메탄올은 상온 액체 상태로 취급이 용이 하고 연료전지 적용을 위한 개질(Reforming) 온도가 낮아 시 스템 구성이 비교적 간단하다. 반면 암모니아는 무탄소 연 료라는 궁극적인 장점이 있지만, 독성 및 부식성으로 인한 높은 안전장벽과 고온의 개질 기술 상용화라는 과제를 안고 있다.

따라서 규제 사각지대에 놓인 중소형 선박의 즉각적인 온 실가스 감축 대응을 위해서는, 메탄올을 활용한 시스템이 단기적으로 더 현실적인 대안이라 할 수 있다(KIMST, 2023).

2.2 수소 운반체로서의 메탄올과 암모니아

연료전지의 가장 이상적인 연료는 순수 수소(H₂)지만, 수 소는 상온에서 기체 상태이며 부피당 에너지 밀도가 매우 낮아 선박과 같이 한정된 공간에 대용량의 연료를 저장하기 에는 근본적인 어려움이 따른다. 수소를 액체 상태(액화수 소, LH₂)로 저장하려면 -253℃라는 극저온을 유지해야 하고, 기체 상태(압축수소, CGH₂)로 저장하려면 350~700bar의 초고 압이 필요하다. 이는 극저온 단열 탱크나 무거운 고압 용기, 그리고 복잡한 관련 시스템을 요구하므로, 현재 기술 수준 에서는 대부분의 상선에 적용하기 비현실적이다.

이러한 수소 직접 저장의 어려움을 해결하기 위한 대안으 로, 상온에서 액체 상태이거나 취급이 용이한 화합물 형태 로 수소를 저장하고 필요시 선내에서 분리하여 사용하는 ‘수소 운반체(Hydrogen Carrier)’ 개념이 대두되었다. 해운 분 야의 가장 유력한 수소 운반체 후보가 바로 메탄올과 암모 니아이며, Table 2는 이 두 연료가 수소 운반체로서 갖는 뚜 렷한 장단점과 주요 특징을 비교하여 보여준다.

Table 2의 비교에서 알 수 있듯, 암모니아(NH3)는 분자량 대비 수소 함량이 17.6 wt%로 높고, 분자 내에 탄소(C)가 없 어 분해 시 CO₂가 발생하지 않는다는 궁극적인 장점이 있 다. 이는 암모니아를 무탄소 수소 운반체로 만드는 핵심적 인 특징이다. 하지만 암모니아 자체를 저장하기 위해 저온 또는 가압 설비가 필요하며, 수소를 분리하는 분해(Cracking) 공정은 500℃ 이상의 고온을 요구하여 기술적 난이도가 높 고 추가적인 에너지를 소모한다.

반면, 메탄올(CH₃OH)은 분자량 대비 수소 함량(12.5wt%)은 암모니아보다 낮고 분해 과정에서 CO₂가 발생한다는 단점 이 있다.

그러나 상온·상압에서 액체 상태로 존재하여 기존 선박 의 연료 시스템과 매우 유사하게 저장하고 취급할 수 있다 는 결정적인 이점을 가진다. 또한, 수소를 분리하는 증기 개 질(Steam Reforming) 공정은 250~300℃의 비교적 낮은 온도에 서 이루어져 기술 성숙도가 높고 시스템 구성이 용이하다. 이는 실제 선박에 적용하고 운용하는 데 있어 기술적 신뢰성 과 안전성 측면에서 큰 장점으로 작용한다(Lee et al., 2020).

2.3 메탄올/암모니아 엔진(내연기관) 기술 동향

메탄올 엔진은 이미 기술적 성숙 단계를 지나 완전한 상 용화 단계에 진입했으며, 다수의 글로벌 선사들이 발주하여 실제 운항을 통해 신뢰성을 확보하고 있다.

주요 개발사인 MAN Energy Solutions(MAN ES)는 2행정 이 중연료 엔진인 ME-LGIM 시리즈를 상용화하여 14만 시간 이 상의 누적 운항 실적을 기록했다(Offshore Energy, 2022). 또 한, Wartsila와 HD현대중공업(힘센엔진)을 중심으로는 4행정 엔진 시장이 활발히 형성되어 있다(HD Hyundai, 2022). 특히 Wartsila 32 methanol 엔진(Wärtsilä, n.d.) 등 4행정 엔진은 페리, 로로선 등 본 논문의 대상인 중소형 선박에 적용하기에 적 합한 다양한 포트폴리오를 갖추고 있다는 장점이 있다.

나아가, 중소형 선박에 더욱 직접적으로 적용 가능한 고속 엔진 분야에서도 메탄올 적용 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. Rolls-Royce는 독일 정부의 지원을 받는 'meOHmare' 연 구 프로젝트를 통해 세계 최초로 100% 메탄올로만 구동되는 고속 선박 엔진의 테스트를 성공적으로 완료했다고 발표하 며 기술적 이정표를 세웠다. 이들은 2025년 말까지 그린 메 탄올 기반의 고속 엔진 콘셉트 개발을 목표로 하고 있으며, 특히 페리, 요트, 공급선 운영자들에게 매력적인 솔루션이 될 것으로 기대하고 있다(MarineLog, 2023). 또한 ScandiNAOS 와 같은 기업은 이미 Scania의 13리터 및 16리터급 고속 엔진 을 기반으로 한 압축 착화 방식의 메탄올 엔진을 상용화하 여 발전기 및 추진용으로 공급하고 있으며(ScandiNAOS, n.d.), Volvo Penta는 Ghent 대학과의 협력을 통해 디젤-메탄올 이중 연료 엔진으로 개조하는 연구를 진행했다(Offshore Energy, 2020). Caterpillar 역시 Caterpillar 3508 엔진을 100% 메탄올로 구동하는 테스트를 성공적으로 시작하는 등 다양한 연구 프 로젝트를 통해 메탄올 연료 적용 가능성을 실증하고 있다 (The Maritime Executive, 2023).

암모니아 엔진은 무탄소 연료라는 궁극적인 장점으로 인 해 차세대 기술로 주목받고 있으며, 현재 글로벌 엔진 제조 사들이 2025~2026년 상용화를 목표로 최종 개발 및 실증 단 계를 진행 중이다. MAN ES는 ME-LGI-A, WinGD는 X-DF-A 등 2행정 엔진 개발을 주도하고 있으며(MAN Energy Solutions, 2024; WinGD, 2023), Wartsila 역시 4행정 암모니아 엔진 실증 에 성공했다(Wärtsilä, 2023). 하지만 상용화를 위해서는 암모 니아 슬립, 아산화질소(N2O) 생성, 그리고 파일럿 연료의 필 요성 및 독성으로 인한 복잡한 안전 시스템 구축 등 아직 해 결해야 할 기술적 과제가 남아있다.

고속 암모니아 엔진 개발은 연소 제어의 어려움과 NOx 및 암모니아 슬립 문제로 인해 저속/중속 엔진에 비해 아직 초 기 단계에 머물러 있다(LR, 2023). 하지만 Amogy와 같은 혁 신 기업들은 엔진에서 암모니아를 직접 연소하는 대신, 선 내에서 자체 개발한 고효율 암모니아 분해(Craking)기술을 이용해 암모니아를 수소와 질소로 분해한 후, 생성된 수소 를 수소 엔진이나 연료전지의 연료로 사용하는 간접적인 접 근법을 통해 고속 동력원 적용을 실증하고 있다. 이는 고속 엔진 분야에서 암모니아를 활용하는 또 다른 유망한 기술 경로를 제시한다(Amogy, 2023).

Table 3은 메탄올 엔진과 암모니아 엔진의 개발 현황, 상 용화 시점, 주요 모델 및 기술적 특징과 과제를 비교하여 요 약한다.

종합하면, 두 연료 엔진 기술은 명확한 차이를 보인다. 메 탄올 엔진은 저속, 중속뿐만 아니라 고속엔진 분야에서도 이미 상용화되었거나 상용화 직전 단계에 있어 기술적 신뢰 성이 검증되었다. 반면, 암모니아 엔진은 무탄소라는 매력적 인 장점에도 불구하고 아직 상용화 이전 단계로, 기술적 불 확실성과 높은 수준의 안전 시스템 요구라는 도입 장벽이 존재한다. 결론적으로, 기술의 성숙도와 신뢰성 측면에서 메 탄올 엔진은 규제 사각지대에 놓인 중소형 선박에 단기적으 로 적용할 수 있는 가장 현실적인 동력원이다.

2.4 선박용 연료전지 시스템 비교 분석 및 선정

선박의 보조동력원 또는 추진 동력원으로 활용 가능한 연 료전지는 높은 효율과 제로 에미션(Zero Emission at point of use) 운전이 가능하여 차세대 동력원으로 주목받고 있다. 그 중에서도 선박 적용 연구가 가장 활발한 것은 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 고체산화물 연료전지(SOFC)이며, Table 4에서 PEMFC와 SOFC의 특징을 비교하였다.

두 연료전지를 중소형 차도선의 하이브리드 시스템이라 는 관점에서 비교하면, 선택은 명확해진다. SOFC의 높은 효 율은 매력적이지만, 운항 거리가 짧고 입출항이 잦아 출력 변동이 심한 차도선의 운항 프로파일과는 맞지 않다. 반면, PEMFC의 빠른 응답성은 엔진의 급격한 부하 변동을 보조하 고, 짧은 운항 시간과 잦은 시동/정지에도 유연하게 대응할 수 있어 대상 선박에 더 적합하다.

PEMFC 시스템에 필수적인 연료 개질 기술은 사용하는 연 료에 따라 기술적 성숙도와 시스템 복잡도에서 큰 차이를 보인다. 2.1절과 2.2절에서 분석한 바와 같이, 메탄올 증기 개 질(Methanol Steam Reforming)은 250~300℃의 비교 낮은 온도 에서 반응이 이루어져 기술 성숙도가 높고 시스템 구성이 단순하다.

반면, 암모니아 분해(Ammonia Cracking)는 500~600℃ 이상 의 고온 반응으로 인해 시스템이 복잡하고, 미반응 암모니 아의 독성 문제 등 실제 선박에 시스템을 통합하는 과정에 서 해결해야 할 기술적 난이도가 더 높다.

중소형 차도선의 하이브리드 시스템에 적합한 기술을 확 인하기 위해 Table 5에 메탄올 개질기와 암모니아 분해기의 기술을 비교하였고 본 연구에서는 기술 성숙도와 시스템 구 성의 용이성 측면에서 우위에 있는 메탄올 개질기를 통해 생산된 수소를 사용하는 PEMFC를 적용하고자 한다.

다만, 메탄올 개질 시스템과 PEMFC를 연동할 때 반드시 해결해야 할 핵심적인 기술적 과제가 있다. 바로 PEMFC의 작동 온도와 그에 따른 일산화탄소(CO) 내구성 문제이다.

일반적인 저온형 PEMFC(LT-PEMFC)는 60~80℃에서 작동 하며, 백금 촉매가 메탄올 개질 과정에서 필연적으로 발생 하는 CO에 매우 취약하다. LT-PEMFC가 정상적으로 작동하 기 위해서는 공급되는 수소의 CO 농도를 100ppm 미만으로 유지해야 하지만, 개질 가스는 통상 1~2 vol%(10,000~20,000 ppm)의 CO를 포함한다. 이 문제를 해결하기 위해서는 수성 가스 전환(WGS: Water Gas Shift) 반응기 외에도 선택적 산화 (PROX:Preferential Oxidation) 반응기 등 복잡하고 부피가 큰 다단계 정제 장치가 필수적이며, 이는 시스템의 비용과 복 잡성을 크게 증가시킨다.

본 연구에서는 이러한 문제를 근본적으로 해결하고 시스 템 전체의 효율을 극대화하기 위해, 120~200℃의 고온에서 작동하는 고온형 PEMFC(HT-PEMFC)를 적용하고자 한다.

LT-PEMFC와 HT-PEMFC의 특징은 Table 6에 비교 정리하 였다. HT-PEMFC는 다음과 같은 결정적인 장점을 가진다. 첫 째, 높은 CO 내성이다. 고온 환경에서는 백금 촉매에 대한 CO의 흡착력이 약화 되어, HT-PEMFC는 수 퍼센트(2% 이상) 의 CO를 포함한 개질 가스를 직접 사용하더라도 심각한 성 능 저하 없이 작동할 수 있다. 이는 복잡한 PROX 반응기를 제거하여 시스템을 획기적으로 단순화하고 부피와 비용을 줄일 수 있음을 의미한다. 둘째, 고품질 폐열 활용이다. HT-PEMFC에서 발생하는 120~200℃의 고품질 폐열은 메탄올 개질 공정의 예열 및 기화 열원으로 재활용될 수 있어, 시스 템 전체의 에너지 효율을 극대화한다.

따라서 본 연구에서 제안하는 하이브리드 시스템에서는, 기술 성숙도가 높은 메탄올 개질기와 시스템 통합성 및 효 율 측면에서 압도적인 우위를 가지는 HT-PEMFC를 결합하 여 적용하고자 한다. 이는 PEMFC의 빠른 응답성을 확보하 면서도, 시스템의 복잡성과 비용을 최소화하고 전체 효율을 극대화하는 최적의 조합이라 할 수 있다(Elkafas, 2023).

특히 기관실 여유 공간이 절대적으로 부족한 중소형 연안 선박에서, 이러한 장비 부피의 절감과 열 통합 시너지는 시 스템의 탑재 가능성을 좌우하는 결정적인 요인으로 작용한 다.

3. 중소형 차도선 적용을 위한 하이브리드 시스템 설계 및 타당성 분석

3.1 대상 선박 및 운항 특성 분석

본 연구의 대상 선박은 군산항과 어청도를 일 1회 왕복 운항하는 중소형 차도선 ‘어청카훼리호'로 선정한다. 어청카 훼리호는 2021년 완공된 디젤 추진 선박으로, 정부가 관리하 는 ‘국가보조항로’에 투입되었으며 건조 시 약 60억 원의 국 비가 지원되었다(Yonhap News Agency, 2021).

어청카훼리호의 주요 제원은 Table 7에, 운항 프로파일은 Table 8에 각각 나타나 있다.

이 선박을 대상 모델로 선정한 이유는 다음과 같다. 첫째, 어청카훼리호는 289GT급 차도선으로 본 연구가 목표로 하 는 규제 사각지대의 중소형 선박을 대표한다. 둘째, 국비 지 원 선박이라는 점에서 정부의 친환경 선박 전환 정책 적용 을 검토하기 위한 이상적인 실증 모델이다. 마지막으로, 현 재 운항 중인 디젤 선박이므로, 제안할 하이브리드 시스템 의 성능을 객관적으로 비교·검증할 수 있는 명확한 기준 (Baseline)이 된다. 즉, 본 연구는 어청카훼리호를 개선해야 할 기준 모델로 삼아 현실적인 개선 방안을 제시하고자 한 다.

어청카훼리호의 일일 운항은 총 8시간이며, 나머지 16시 간은 모든 동력원을 정지한다. 일일 운항 프로파일은 크게 네 가지 모드(순항, 입/출항, 정박, 정지)로 구분할 수 있으 며, 운항 특성이 뚜렷하게 구분된다. 따라서 각 구간에 최적 화된 동력원을 선택적으로 사용하는 하이브리드 시스템의 효율성을 검증하기에 매우 적합하다.

연간 기준 CO₂ 배출량은 어청카훼리호에 탑재된 동급 디 젤 엔진의 연료소비율(SFOC) 데이터와 상기 운항 프로파일 을 바탕으로 추정하였다. CO₂ 배출량은 선박의 연간 총 연 료 소모량에 해상경유(MGO)의 CO₂ 변환계수(3.206)를 곱하 여 산출한다.

기준 CO₂ 배출량 (ton/year) = Σ(각 모드별 운항 시간 × 해당 부하 시 연료 소모량) × CO₂ 변환계수

이렇게 산출된 기준 CO₂ 배출량은 3.4장에서 제안 시스 템의 감축 효과를 검증하는 핵심적인 비교 지표로 활용된다.

3.2 하이브리드 시스템 개념 설계 목표 및 접근 방식 설정

어청카훼리호의 운항 특성과 3.1장에서 산출될 기준 CO₂ 배출량을 바탕으로, 본 연구에서 제안하는 메탄올 기반 친 환경 시스템의 설계 목표를 설정한다. 핵심 목표는 기존 디 젤 추진 방식 대비 연간 총 CO₂ 배출량을 의미 있는 수준으 로 감축하는 것이다.

그러나 1장에서 제기된 바와같이 높은 초기 투자비 (CAPEX)가 중소형 선박의 친환경 전환에 가장 큰 장벽으로 작용하는 현실을 고려하여, 본 연구에서는 두 가지 잠재적 인 하이브리드 구성 방안을 비교 분석하여 비용 대비 효과 가 가장 뛰어난 최적의 솔루션을 도출하고자 한다.

본 연구에서 비교할 두 가지 구성 방안은 다음과 같다.

이 두 가지 모델의 CO₂ 감축 효과와 경제성을 비교 분석 함으로써, 중소형 선박에 가장 현실적이고 합리적인 기술 경로를 제시하고자 한다.

3.3 시스템 개념 설계: 두 가지 구성 방안

3.2장에서 설정한 접근 방식에 따라, 동일한 병렬 하이브 리드 아키텍처 내에서 역할과 구성이 다른 두 가지 시스템 을 구체적으로 설계한다. 두 구성 방안 모두 1,350kW급 메탄 올 이중연료(DF) 주기관 2기와 300kW급 HT-PEMFC 시스템 을 공통 기반으로 한다.

3.3.1 공통 핵심 기술: 메탄올 개질-HT-PEMFC 모듈

두 구성 방안에 공통적으로 적용되는 HT-PEMFC 시스템 은 메탄올 개질기, 스택, 그리고 열 관리 시스템이 통합된 고효율 모듈이다. 본 연구에서는 기존 125kW급 디젤 발전기 2기를 대체하고 운용 유연성을 확보하기 위해 150kW급 모 듈 2기(총 300kW)를 선정하였다.

이 용량은 구성 B에서 요구되는 최대 부하인 250kW(기본 선내 전력 50kW 및 PTI 모터 200kW)를 안정적으로 감당하 며, 조타기나 펌프 기동 등 급격한 부하 변동에 대비해 약 20%의 예비 부하(Reserve Load)를 확보한 수치이다. 또한, 구 성 A의 경우 평상시 1기 운전 또는 2기 저부하 운전을 통해 기존 시스템과 동등한 수준의 이중화(Redundancy)를 보장하 는 합리적인 설계치이다.

Fig. 1은 메탄올 개질 HT-PEMFC 시스템 개념도를 나타낸 다. 기화기에서 증발된 메탄올-물 혼합물은 250~300°C의 개 질기에서 수소 농축 가스로 변환된다. 이때 수성가스전환 (WGS) 반응기를 통해 CO 농도를 허용치인 2% 이하로 낮추 지만, HT-PEMFC의 높은 CO 내성 덕분에 LT-PEMFC에 필수 적인 선택적 산화(PROX) 반응기는 요구되지 않는다.

이 시스템의 핵심은 정교한 열 통합이다. 초기 시동 시에 는 버너(Burner)로 시스템을 가열하며, 정상 운전 상태에 도 달하면 스택에서 발생하는 120~200°C의 고품질 폐열을 회수 하여 메탄올 기화 및 예열에 필요한 에너지 대부분을 공급 한다. 부족한 열이나 급격한 부하 변동 시에는 버너를 통해 개질기 온도를 보조적으로 유지한다.

또한, 에너지 저장 장치(ESS)는 본 시스템의 필수 구성 요 소이다. 메탄올 개질기는 열 관성이 커 부하 응답성이 느리 므로, ESS가 순간적인 전력 수요에 즉각 대응하고 연료전지 가 가장 효율적인 구간에서 운전되도록 부하를 평준화(load leveling)하는 핵심 역할을 수행한다.

3.3.2 구성 A: 주기관 추진 + 연료전지 보조동력 시스템

Fig. 2는 구성 A, 보조 동력 모델 시스템의 개념도이며 기 존 선박의 시스템 구성을 최대한 유지하면서 친환경성을 확 보하는, 초기 투자비가 가장 낮은 모델이다. 이 시스템의 추 진부는 2기의 1,350kW급 메탄올 DF 주기관이 감속기어와 축 계를 통해 프로펠러에 직접 연결되어 선박의 모든 추진력을 담당하며, 추진 계통에 전기 모터는 연결되지 않는다. 보조 동력 시스템은 기존의 디젤 발전기를 완전히 대체하여, 150kW급 HT-PEMFC 모듈 2기(총 300kW)가 항해 및 정박 중 모든 선내 전력(Hotel Load)을 공급하는 보조동력장치(APU) 역 할만을 전담한다. 따라서 이 시스템의 운전 전략은 모든 운항 구간에서 주기관이 추진을 담당하고, 정박(기항) 시에만 주기 관을 정지시킨 후 HT-PEMFC 시스템만으로 선내 모든 전력을 공급하여 항만 내 무공해 운전을 실현하는 것이다.

대상 선박의 일반배치도(G/A) 검토 결과, 기관실 내 철거 되는 125kW 디젤 발전기 2기의 기존 공간(바닥 면적 약 2.4m2)을 활용하여 150kW HT-PEMFC 모듈 2기의 탑재가 공 간적으로 충분히 가능함을 확인하였다. 이는 선박의 기본적 인 중량 분포나 구조적 안정성에 큰 변화를 주지 않고도 친 환경 동력원으로의 개조가 가능하다는 것을 의미한다. 특히 차량 화물의 적재에 따른 복원성(Stability) 확보가 필수적인 차도선의 특성상, 기관실 내부의 중량물 배치를 기존과 유 사하게 유지하는 것은 선박 운영 측면에서도 중요한 장점이 다. 이러한 공간적 호환성은 구성 A가 대규모 선체 구조 변 경 없이 적용할 수 있는 현실적인 대안임을 뒷받침한다.

3.3.3 구성 B: 주기관 추진 + 전기 추진 보조 시스템

Fig. 3은 구성 B, 추진 보조 모델 시스템의 개념도이며 구 성 A 시스템을 기반으로, 추진 계통에 전기 동력을 추가하여 효율을 극대화하는 업그레이드 모델이다. 추진 시스템은 2기 의 1,350kW급 메탄올 DF 주기관이 주된 추진력을 담당하는 것은 구성 A와 동일하지만, 여기에 추가로 좌, 우현 감속기 어에 각각 100kW급 추진 보조용 전기 모터(총 2기)가 연결된 다. 이 모터들은 저속 운항 시 주기관을 대체하여 추진력을 제공(PTI: Power Take In)하는 핵심적인 역할을 수행한다. 보 조 동력 시스템은 동일한 300kW급(150kW × 2) HT-PEMFC 시 스템이 선내 전력뿐만 아니라, 입/출항 시 2기의 추진 보조 모터에 필요한 전력까지 공급하는 확장된 역할을 담당한다. 운전 전략의 핵심적인 차이는, 엔진 효율이 가장 낮고 오염 물질 배출이 집중되는 입/출항 구간에서는 주기관을 완전히 정지하고, HT-PEMFC와 ESS가 공급하는 전력으로 총 200kW 용량의 전기 모터만으로 운항하는 저속 전기 추진 모드를 사용하는 것이다.

그러나 일반배치도(G/A) 분석 결과, 289GT급 선박의 협소 한 선미 기관실 여건상 감속기어 주변의 PTI 모터 설치 간섭 이 심각하여 공간 제약을 수반한다.

3.4 CO₂ 감축 효과 비교 분석

본 절에서는 3.3장에서 설계된 두 가지 시스템 구성 방안 을 어청카훼리호에 적용했을 때의 연간 CO₂ 감축 효과를 각 각 분석하고 비교한다. 분석은 3.1장에서 산출된 기준선 (Baseline) CO₂ 배출량 대비 각 시스템의 운항 모드별 CO₂ 배 출량을 산출하여 수행한다.

Table 9는 CO₂ 배출량 산정을 위한 주요 가정을 나타낸 표 로 본 연구의 설계 가정치(Design Assumptions)이다. 기준선의 디젤 연료소비율은 3.1절의 선박 제원 데이터를 따랐다. 제 안 시스템의 메탄올 연료소비율(SFOC)은 2장에서 고찰한 최 신 기술 동향을 반영하여, 다음과 같이 현실적인 고효율 수 치를 가정하였다.

주기관(메탄올 엔진) SFOC (399.0 g/kWh): 이는 약 45.4%의 기계 효율에 해당한다. 이 수치는 MAN ES, Wartsila 등 주요 제조사가 발표한 최신 4행정 메탄올 엔진의 효율 범위(약 45~47%)를 근거로 한 합리적인 가정이다(DNV, 2023).

보조동력(HT-PEMFC 시스템) SFOC (380.0 g/kWh): 이는 개 질기, 스택, 전력 변환 장치(인버터) 등 보조 장치(BOP)를 포 함한 시스템 전체의 순수 전기 효율(Net Electrical Efficiency) 약 47.6%에 해당한다. 이는 선급의 실증 보고서 및 시스템 효율을 47~50%로 보고한 선행 연구를 참고한 현실적인 값이 다(DNV, 2023). 특히, 순항 중 보조동력 부하는 펌프류 및 항 해 장비 가동을 고려하여 정박 시(50kW)보다 높은 75kW로 가정해 현실성을 확보하였다.

Table 10은 상기 가정을 바탕으로 시나리오별 연간 CO₂ 배 출량을 비교 분석한 표이다. 기준선의 경우, 순항 중에도 디 젤 발전기가 75kW 부하로 지속 가동되어 연간 약 50.6톤의 CO₂를 추가 배출하게 되므로, 총배출량은 약 1,589.5톤으로 계산된다. 구성 A는 발전기를 고효율 HT-PEMFC로 대체함으 로써 이 순항 중 배출량을 39.2톤으로 줄이고 정박 중 배출 량을 반감시켜, 전체 약 14.8%의 감축률을 달성한다. 구성 B 는 입출항 시 주기관을 정지하고 전기 추진 모터를 구동하 여 약 19.6%의 감축률을 보인다. 두 구성 간의 감축률 차이 는 4.8%로 나타났다.

분석 결과, 메탄올의 낮은 탄소 함유량과 연료전지의 고 효율 특성을 통해 구성 A와 B 모두 기존 디젤 대비 유의미 한 CO₂ 감축 효과를 보였다. 특히 구성 B는 입출항 시 주기 관을 정지시킴으로써 약 4.8%p의 추가적인 감축 효과를 거 두었으나, 이를 구현하기 위한 100kW급 PTI 모터 및 인버터 (단가 약 $500/kW), 대용량 ESS(단가 약 $600/kWh) 등의 고가 장비 추가로 인해 구성 B는 구성 A 대비 약 1.8배(180%)의 막대한 초기 투자비(CAPEX)가 소요되는 것으로 산출되었다 (DNV, 2024; Elkafas and Attar, 2026). 이러한 투자비 급증을 고려할 때, 구성 A가 초기 투자 대비 효율이 가장 뛰어난 구 간임을 확인할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구는 국제해사기구(IMO) 온실가스 규제의 사각지대 에 놓인 5,000GT 미만 중소형 연안 선박의 현실적인 친환경 전환 방안 제시를 목표로 한다. 이를 위해 메탄올 기반의 실 제 운항 데이터를 활용하여 HT-PEMFC를 결합한 병렬 하이 브리드 시스템의 기술적 타당성과 온실가스 저감 효과를 분 석하였다.

분석 결과, 제안된 시스템은 기존 디젤 대비 유의미한 CO₂ 감축 잠재력을 보였으며, 선주의 경제적 여건에 따른 두 가지 구성안 비교는 매우 중요한 정책적 시사점을 제공 한다.

구성 A(보조 동력 모델)는 디젤 발전기만 HT-PEMFC로 대 체하는 최소 투자로 연간 14.8%의 CO₂ 감축 효과를 보였다. 이는 주기관의 메탄올 전환과 더불어 항만 내 대기오염물질 (SOx, NOx, PM)을 완전 제거하는 이중 효과를 제공한다. 특히 메탄올 개질 기반 HT-PEMFC는 열 통합(Thermal Integration)으 로 효율을 극대화하고, 높은 CO 내성으로 복잡한 정제 장치 (PROX 등)를 생략해 공간이 협소한 소형 선박에 최적화된 ' 공간 효율적 솔루션'임을 입증하였다.

가장 핵심적인 발견은 구성 B(추진 보조 모델)의 타당성 분석 결과이다. 구성 B는 2기의 PTI 모터를 추가해 저부하 입·출항 시 전기 추진을 도입했음에도 추가 CO₂ 감축은 4.8%p(총 19.6%)에 그쳤다. 이는 모터와 대용량 ESS 등 막대 한 초기 투자비(CAPEX) 증가를 고려할 때 제한적인 수준이 다. 즉, 중소형 차도선은 전면적인 하이브리드 추진보다 주 기관의 메탄올 전환과 발전기의 HT-PEMFC 대체가 CO₂ 감 축의 결정적 요인임을 시사한다. 특히 실선 일반배치도 검 토 결과, 기존 공간을 활용하는 구성 A와 달리 구성 B는 물 리적 제약을 지닌다. 본 연구는 이처럼 온실가스 저감의 이 론적 이상향(구성 B)이 소형 선박의 한계에 부딪힘을 증명 하여, 대안인 구성 A가 현시점의 비용 효율적 최적점임을 입증하였다.

결론적으로 구성 A는 기술적 타당성, 감축 효과, 투자비 간 최적의 지점을 나타내는 가장 현실적인 솔루션이다. 산 출된 감축률(15~20%)은 현재의 Grey/Blue 메탄올 기준이나, 향후 그린 메탄올(Green Methanol) 사용 시 전 주기 (Well-to-Wake) 관점에서 탄소가 상쇄되어 Net-Zero 달성이 가 능하므로 핵심 브릿지 기술로서의 가치가 크다.

따라서 제안 시스템의 보급 확대를 위해 정부의 건조 보 조금 및 금융 지원, 그린 메탄올 인프라 구축, 핵심 기자재 국산화 등 정책적·경제적 지원이 필수적이다. 더불어, 본 연 구는 공간 제약상 가스 정제 장치(PROX 등)가 불필요한 HT-PEMFC를 선정하였으나, 향후 발전 효율이 높은 상용 저 온형(LT-PEMFC) 도입 시 요구되는 고도 정제 설비의 공간적 한계와 경제성을 본 모델과 직접 비교 분석하는 연구가 수 행되어야 할 것이다.