2화. 대안으로 제시되는 친환경 선박 연료

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친환경 선박 연료와 녹색해운항로 경쟁

시리즈 총 5화

2023.12.06

읽는시간 4분

[바이오 연료] 당장 활용 가능한 선박 연료로 2025년 상용화를 목표로 정부 주도 개발

바이오 연료는 바이오매스¹로부터 얻는 고체, 액체, 기체 형태의 연료로 살아 있는 유기체뿐 아니라 동물 배설물 등 대사 활동에서 나오는 부산물도 포함됨
- 경우에 따라 바이오 에탄올 , 바이오 디젤을 지칭하는 말로 혼용되기도 함

바이오 연료는 대형 트럭, 선박, 항공기와 같이 고밀도 에너지가 필요하고 전동화가 어려운 수송 부문에서 가장 현실적인 탈탄소 대안으로 주목되며 최근 부상 중

- 가솔린 , 디젤 등유로 작동하는 모든 유형의 내연기관에 서 대체 연료 로 사용 가능

- 다만 , 원료 , 생산 과정 , 보관 시간 등의 요인에 따라 사용 가능 여부 가 달라질 수 있음

현재 바이오 연료는 다양한 형태로 사용되고 있는데 그 중에서도 바이오 디젤², 바이오 중유³, 바이오 가스⁴는 선박 연료로 바로 사용 가능

그러나 이들을 선박 연료로 사용하면 엔진 수명 단축 등의 기술적인 문제가 발생할 수 있어 정부 주도로 선박에 최적화된 바이오 연료 개발이 진행 중

정부 바이오 연료 로드맵

바이오 연료를 당장 활용 가능한 선박 연료로 2025년 상용화를 목표로 정부 주도 개발 중이다.

자료: 한국석유관리원(Kpetro)

¹ 바이오매스 biomass): 식물 , 동물 , 미생물 등 태양 에너지를 받아 유기물을 합성하는 생물 유기체로 땔나무 , 숯 , 생물의 기체 등을 포함하며 업계에서는 유기계 폐기물도 바이오매스로 분류
² 바이오 디젤 (bio diesel): 석유 기반인 경유의 대체 연료 식물성 기름이나 동물성 지방을 화학적으로 변화시켜 디젤 연료와 유사한 특성을 갖게 하는 연료로 순수한 형태는 물론 일반 경유와 혼합해서도 사용할 수 있음
³ 바이오 중유 (bio heavy oil): 바이오 에너지의 하나로 동물성 또는 식물성 유지와 저가 알코올을 반응시켜 만든 지방산 이나 에스터 , 또는 유지와 에스터를 혼합한 물질이 원료로 사용됨
⁴ 바이오 가스 (bio gas): 미생물에 의해 바이오매스에서 생성되는 가스로 메탄과 이산화탄소가 혼합한 형태의 기체

[이퓨얼(e-fuel)] 지난 3월 유럽연합(EU)의 이퓨얼 내연기관 차량 운행 승인으로 관심 급증

이퓨얼은 ‘전기 기반 연료(Electricity-based Fuel)’의 줄임말로, 물을 전기 분해해 얻은 수소를 포집 및 저장 기술로 얻은 이산화탄소, 질소 등과 결합해 만든 인공 합성 친환경 연료

이퓨얼은 대기 중 탄소를 포집하여 생산하는 만큼 생산량이 늘어날수록 대기 중 탄소량을 줄일 수 있고 연소 과정에서 배출되는 탄소 역시 대기 중에 있던 것이기 때문에 실질적인 탄소 배출량은 ‘제로’로 볼 수 있음

- 그린수소를 사용할 경우 이론적으로 탄소 를 배출하지 않는 에너지 사용이 가능

이퓨얼 개념도

이퓨얼은 ‘전기 기반 연료(Electricity-based Fuel)’의 줄임말로, 물을 전기 분해해 얻은 수소를 포집 및 저장 기술로 얻은 이산화탄소, 질소 등과 결합해 만든 인공 합성 친환경 연료이다.

자료: 한국자동차연구원, 작성자 재구성

EU 집행위원회는 지난 3월 28일, 2035년부터 이산화탄소를 배출하는 신규 내연기관 차량 판매를 금지하는 개정안을 최종 승인하면서 ‘이퓨얼을 사용한 내연기관 차량은 판매 금지 대상에서 제외한다’는 예외 조항을 삽입

이는 이퓨얼을 연료로 사용하는 내연기관 차량은 만들 수 있다는 의미. 그 영향으로 최근 자동차업계를 중심으로 이퓨얼에 대한 관심이 크게 증가

이퓨얼은 자동차뿐 아니라 전동화가 어려운 기존 비행기선박방산 연료로도 사용할 수 있어 여러 국가가 실증 사업과 상용화 로드맵을 빠르게 마련해 나가고 있음

특히 EU의 경우 높은 에너지 밀도와 동력 시스템 안정성이 요구되는 항공기는 전동화가 어렵다고 판단하고, 2050년까지 항공유에 이퓨얼 혼합 비율을 높여 나가기로 함
- EU는 2022년 7월 '핏 포 55( Fit for 55)' 를 통해 지속 가능한 항공유 혼합 의무화 방안을 제시

EU ‘핏 포 55’의 지속가능한 항공 연료 혼합 비율 목표

EU의 경우 높은 에너지 밀도와 동력 시스템 안정성이 요구되는 항공기는 전동화가 어렵다고 판단하고, 2050년까지 항공유에 이퓨얼 혼합 비율을 높여 나가기로 하였다.

자료: EU, 이퓨얼연구회 재인용

그러나 다량의 연료가 소모되는 선박의 경우 이퓨얼의 낮은 경제성과 에너지 효율이난제로 대두됨. 현재 합성 납사⁵(Naphtha)와 가솔린에 가까운 형태 기준 이퓨얼 가격은 일반 연료의 약 8배 수준

- 이퓨얼연구회는 이퓨얼 가격이 2021년 기준 8,000원/kg에서 향후 2030년 4,000원/kg, 2040년 3,200원/kg, 2050년 2,400원/kg으로 점차 하락할 것으로 예상

이에 이퓨얼을 선박 연료로 사용하려면 기술 발전을 통한 가격 하락이 필요하며 이를위해서는 낮은 가격의 그린수소 생산이 선행될 필요 존재

이퓨얼 생산 가격 변동 예상 추이

이퓨얼연구회 는 이퓨얼 가격이 2021 년 기준 8,000 원 /kg 에서 향후 20 30 년 4,000 원 /kg , 20 40 년 3,200 원 /kg , 20 50 년 2,400 원 /kg 으로 점차 하락할 것으로 예상했다.

자료: 이퓨얼연구회

⁵ 납사(Naphtha): 석유 정제 시 140~180℃에서 분리되어 나오는 고분자 탄소화합물

[메탄올] 현시점에서 선박에 가장 적합한 친환경 연료로 컨테이너선에 사용하기 시작

메탄올은 천연가스, 납사, 석탄, 이산화탄소 등을 높은 온도에서 합성 가스로 전환한다음 수소화 반응을 거쳐 생산하거나, 또는 산업 부산물로부터 얻음

그린메탄올의 경우 바이오매스를 통해 얻은 바이오 메탄올과 재생에너지로 만든 수소에 이산화탄소를 결합해 만든 e-메탄올을 통칭

그러나 높은 생산 비용 문제로 인해 현재 생산되는 그린메탄올 생산량은 메탄올 총생산량의 1%에도 못 미치는 실정

세 가지 그린메탄올 생산 방법

그린메탄올의 경우 바이오매스를 통해 얻은 바이오 메탄올과 재생에너지로 만든 수소에 이산화탄소를 결합해 만든 e-메탄올을 통칭한다.

자료: 머스크(Maersk), 그리니엄(Greenium) 재인용

메탄올의 경우 상온에서도 액체 상태로 자유롭게 저장과 이동을 할 수 있으며 연료유출 시에도 그대로 바닷물에 녹아 해양 오염을 일으키지 않는 장점이 존재

특히 메탄올은 기존 벙커C유 대비 황산화물(SOx)은 99%, 질소산화물(NOx)의 경우최대 80%까지 줄일 수 있으며 생산 과정에서 온실가스 배출량도 25% 저감 가능
- 이산화탄소는 최대 95%까지 저감 가능하며 탄소 포집 기술 활용 시 저감 폭은 더 큼

글로벌 메이저 해운사 머스크는 컨테이너선에 가장 적합한 저탄소 연료로 메탄올을지목하고 2040년까지 메탄올 추진선을 꾸준히 도입해 온실가스 배출 제로화를 추진하겠다는 입장을 밝히며 최근 관련 자재 발주와 공급망 개척을 서두르는 모습

[2023년 7월 세계 최초 메탄올 추진 컨테이너선 운항 시작, 친환경 연료 사용 본격화]

현대미포조선이 세계 최초로 건조한 메탄올 추진 컨테이너선 로라 머스크(Laura Maersk)호가 지난 7월, 울산항에서 그린메탄올 1,000톤을 공급받고 출항에 성공하며 선박업계의 메탄올 연료 사용 시작을 알림

- 로라 머스크호는 머스크가 현대미포조선에 발주한 2,100TEU급 컨테이너 선박으로, 국내 조선소에 건조를 의뢰한 메탄올 추진 컨테이너선 19척 중 첫 번째

로라 머스크호는 울산항을 출발해 수에즈운하, 네덜란드 로테르담항 등을 거쳐 덴마크코펜하겐까지 가는 첫 항해(총 2만 1500km 운항)에서 전통 연료에 비해 80% 이상탄소 배출량 감소 효과를 얻을 것으로 추정

뿐만 아니라 로라 머스크호에는 그린메탄올과 함께 국내 최초로 바이오 디젤 1,250톤도 공급. 시장에서는 한국이 선제적으로 선박 연료의 새로운 장을 연 것으로 평가
- 공급된 바이오 디젤은 폐식용유 약 90만 개(가정용 1.8L 기준)를 활용해 생산

한편 메탄올 선박 건조, 그린메탄올과 바이오 디젤 벙커링(연료 공급)이 모두 세계 최초로 실시된 울산은 향후 친환경 선박 및 에너지 공급망의 중심지로 부상할 전망

- 울산항은 연간 약 2억 톤 수준의 케미컬, 유류를 취급하는 세계 4위 액체 항만으로 세계 최대 조선사인 HD현대그룹이 위치해 관련 인프라 조성이 용이

세계 최초 메탄올 추진 선박 로라 머스크호

자료: 머스크

세계 최초 그린 메탄올 벙커링 모습

자료: 해양수산부

[암모니아] 근본적인 차세대 탈탄소 선박 연료로 평가되며 1~2년 내 상용화 예정

수소는 이산화탄소와 반응 시 메탄올, 질소와 반응 시 암모니아로 저장 가능해 메탄올과 함께 암모니아는 수소 저장 수단으로 활용되기도 함

- 수소를 암모니아로 저장할 경우 수소 자체를 액화할 때보다 약 1.7배 많은 양을 저장가능할 뿐 아니라 글로벌 암모니아 무역 인프라도 잘 갖춰져 있어 사용이 용이

암모니아(NH₃)는 암모니아를 구성하는 수소의 제조 방식에 따라 그레이암모니아, 블루암모니아, 그린 암모니아로 구분

암모니아 종류

암모니아(NH3)는 암모니아를 구성하는 수소의 제조 방식에 따라 그레이암모니아, 블루암모니아, 그린 암모니아로 구분한다.

자료: 한국전력공사 경영연구원

암모니아는 수소처럼 연소 시 이산화탄소를 배출하지 않는 특성을 보유하며 수소에 비해 제조와 저장, 수송에 필요한 과정이 단순해 경제성이 뛰어남
- 영하 33℃에서 액화가 이루어져 1년 이상 장기간 저장 가능

또 공기보다 가볍기 때문에 환기성이 좋고 강한 냄새가 나는 무색 기체이므로 누출 시바로 알 수 있으며 가솔린에 비해 폭발 가능성도 낮아 상대적으로 안전한 에너지원

이 같은 장점으로 암모니아는 LNG, 메탄올을 이어 ‘무탄소 선박’을 실현할 차세대 선박 연료로 거론되고 있으며 주요 조선사들은 관련 기업들과 협력해 상용화를 준비 중

다만, 강한 독성과 부식성을 지닌 암모니아를 선박 연료로 사용하기 위해서는 그 특성을 고려한 안전성 확보와 엄격한 기준 마련 및 관리가 필요

또한 자연 발화 온도가 높고 연소 속도가 느려 점화를 위해서는 ‘파일럿 오일’이 필요하며 선박 연료로 사용되는 액화 암모니아는 디젤보다 무겁고 부피도 2.74배 커서 기존 화석 연료 대비 4.1배 큰 탱크가 필요한 단점은 극복해야 할 과제

⁶ 그레이(Gray)수소: 공장에서 나오는 부생 수소, 추출 수소(천연가스를 고온, 고 압의 수증기와 화학 반응으로 추출)
⁷ 블루(Blue)수소: 그레이수소에 탄소 포집저장(CCS) 기술을 적용하여 추출
⁸ 그린(Green)수소: 태양광, 풍력 등 재생에너지로 생산한 전기로 물을 분해해 수소를 추출

[수소] 차세대 무탄소 연료로 선박에 사용 가능하나 여러 기술적 보완이 필요

수소 연료 선박은 연료전지를 이용해 움직이며, 일반 수소 전기차와 동일하게 연료전지의 화학 반응(수소와 산소의 결합을 통한 화학반응으로 물과 열이 발생)으로 발생한 열에너지를 전기에너지로 전환해 선박 동력으로 사용

연료전지 선박은 그린수소 사용 시 이산화탄소 배출 이슈로부터 자유롭고, 전기를 통해 운항하기 때문에 진동이 적어 선박 내구성 향상이 가능. 특히 대형 선박의 경우 보조 발전(전기 생산)을 위한 디젤엔진 발전기가 필요하지 않음

이 같은 장점으로 수소는 암모니아와 함께 근본적인 무탄소 선박 연료로 구분. 그러나 영하 235℃ 액화 장치가 필요해 저장 탱크가 기존 연료 탱크 대비 7배 이상 커서 화물 공간이 상대적으로 줄어들고 운송 및 저장에 큰 비용이 발생하는 단점이 존재

- 연료 저장 공급 시스템, 연료전지, 선박 전기 추진ㆍ제어 등의 기술적 보완이 필요

친환경 수소선박 연구개발(R&D) 플랫폼 구축 개요

연료전지 선박은 그린수소 사용 시 이산화탄소 배출 이슈로부터 자유롭고, 전기를 통해 운항하기 때문에 진동이 적어 선박 내구성 향상이 가능하다.