Chapter 19

친환경 선박

세계 교역량의 80% 이상이 배로 움직인다. 톤-마일당으로 보면 배는 가장 깨끗한 운송 수단이지만, 실어 나르는 양이 워낙 많아 해운 전체의 온실가스 배출은 한 해 약 10억 톤으로 일본 한 나라의 배출과 비슷하다. 국제 해운은 어느 나라에도 속하지 않는 공해 위에서 배출하므로 국제해사기구(IMO)가 규제를 맡는다. 이 장에서는 탄소 규제의 숫자가 어떻게 계산되는지, 배를 천천히 몰면 왜 연료가 크게 주는지, 차세대 연료들이 무엇을 얻고 무엇을 잃는지, 바람과 공기로 저항을 줄이는 기술이 실제로 얼마나 효과적인지를 직접 계산해 본다.

해운의 배출 규모와 IMO 2023 온실가스 전략의 목표·중간 점검 시점을 안다.
EEDI/EEXI와 CII를 계산하고, 엔진 출력 제한·감속·연료 전환이 등급을 어떻게 바꾸는지 설명한다.
감속 운항에서 연료가 속력의 세제곱·제곱에 비례하는 이유와 선대 규모·재고 비용의 상충을 정량화한다.
LNG·메탄올·암모니아·수소·배터리의 에너지 밀도, 저장 조건, Well-to-Wake 배출과 메탄 슬립을 비교한다.
로터 세일(마그누스 효과), 윙 세일, 공기 윤활, 선체 관리의 원리와 순 절감량을 계산한다.
탄소 가격과 연료 가격 차이로 연료 전환의 손익분기점을 구한다.

해운과 기후: IMO 온실가스 전략

IMO의 4차 온실가스 연구에 따르면 2018년 해운(국제+연안)은 약 10억 톤(CO₂ 환산)을 배출해 인류 배출의 약 2.9%를 차지했다. 같은 기간 해운 물동량은 크게 늘었지만 운송 작업(톤-마일)당 탄소 집약도가 2008년보다 20~30% 개선되어, 국제 해운의 총배출은 2008년보다 약간 낮은 수준이었다. 아무 조치도 하지 않으면 물동량 증가 때문에 2050년 배출은 2008년의 90~130% 수준이 될 것으로 전망되었다.

그림 19-1. 해운 배출의 상대적 규모(여러 통계의 대략적인 값). 단위 운송량당 배출은 매우 작지만 총량은 작지 않다.

IMO는 2018년 "2050년까지 2008년 대비 50% 감축"이라는 초기 전략을 세웠고, 2023년 7월 MEPC 80에서 이를 크게 강화한 2023 IMO 온실가스 감축 전략을 채택했다.

2050년경(by or around, i.e. close to 2050) 넷제로 온실가스 배출.
중간 점검(indicative checkpoints): 2030년까지 총배출 2008년 대비 최소 20%, 노력 목표 30% 감축, 2040년까지 최소 70%, 노력 목표 80% 감축.
2030년까지 운송 작업당 탄소 집약도 최소 40% 개선, 무배출·준무배출 연료·기술의 에너지 비중 최소 5%, 노력 목표 10%.
배출 범위를 연소 시점(Tank-to-Wake)만이 아니라 연료의 생산부터 연소까지 전 과정(Well-to-Wake)으로 본다.

SIMULATOR

해운 탄소 규제 타임라인

타임라인의 점을 눌러 보라.

해볼 것: 각 점을 눌러 규제가 "설계(EEDI) → 기존선 설계(EEXI) → 운항(CII) → 연료 전 과정(WtW)과 가격"으로 넓어져 온 흐름을 따라가 보라. ← → 키로도 이동할 수 있다. 2025년 이후 일정은 IMO·EU 결정에 따라 바뀔 수 있으므로 최신 발표를 확인할 것.

총배출은 물동량과 집약도의 곱이다. 물동량이 매년 늘면 집약도를 그보다 빨리 줄여야 총배출이 준다. 연 1~2%의 효율 개선(신조선 교체, 운항 최적화)만으로는 물동량 증가를 따라잡기 어렵다는 것이 무배출 연료가 필요한 근본 이유다.

$$E = W \times I,\qquad \frac{E_{2030}}{E_{2008}} = \frac{W_{2030}}{W_{2008}}\cdot\frac{I_{2030}}{I_{2008}}$$

$E$: 총배출, $W$: 운송 작업(톤-마일), $I$: 탄소 집약도(g CO₂/톤-마일).

SIMULATOR

감축 경로 계산기: 물동량 vs 집약도

물동량 증가율(2018 이후) 효율 개선율(기존 기술) 무배출 연료 비중 2030 무배출 연료 비중 2050

2030 배출 (2008=100)—

2040 배출—

2050 배출—

2030 집약도 개선—

근사 모델: 2008년 배출=100, 2018년 약 93(물동량 약 1.33배 × 집약도 약 0.70)에서 출발해 물동량·효율 개선을 지수적으로, 무배출 연료 비중을 2030·2050 사이 직선으로 넣는다. 해볼 것: 무배출 연료 비중을 0으로 두면 효율을 4%/년 개선해도 2050 넷제로에 닿지 못한다. 2040년 −70% 점검점을 지나려면 2040년 무렵 무배출 연료가 에너지의 절반 이상이어야 함을 확인하라.

탄소 집약도 지표: EEDI·EEXI와 CII

IMO의 탄소 집약도 규제는 두 축이다. 하나는 설계가 얼마나 효율적인가를 보는 EEDI(Energy Efficiency Design Index, 2013~ 신조선)와 그 기존선 버전인 EEXI(Existing Ship Energy Efficiency Index, 2023~), 다른 하나는 실제 1년간 운항 결과를 보는 CII(Carbon Intensity Indicator)다.

EEDI/EEXI: "1톤을 1해리 나르는 데 설계상 몇 g의 CO₂를 내는가"

$$\text{EEXI} \approx \frac{P_{ME}\,\text{SFC}_{ME}\,C_{F,ME} + P_{AE}\,\text{SFC}_{AE}\,C_{F,AE}}{\text{Capacity}\times V_{ref}}\quad[\text{g CO}_2/(\text{t}\cdot\text{nm})]$$

$P_{ME}$: 주기관 출력(MCR의 75%, 출력 제한 시 제한 출력의 75%), $P_{AE}$: 보조 출력(대략 $0.025\,\text{MCR}+250$ kW), SFC: 연료 소비율(g/kWh), $C_F$: 연료 1 g당 CO₂ g(HFO 3.114, LNG 2.750, 메탄올 1.375), Capacity: 재화중량(컨테이너선은 DWT의 70%), $V_{ref}$: 그 출력에서의 속력(kn). 실제 규정에는 보정 계수가 더 붙는다. 여기서는 단순화한 식이다.

요구치는 선종·크기별 기준선(2000~2010년 건조선 평균) $a\cdot \text{DWT}^{-c}$에서 감축률 X%를 뺀 값이다. 기존선 상당수가 EEXI를 넘자 가장 많이 쓰인 해결책이 엔진 출력 제한(EPL, Engine Power Limitation)이다. 출력을 제한하면 속력은 대략 $V \propto P^{1/3}$으로만 줄므로 지수는 $P/V \propto P^{2/3}$으로 내려간다. 설계 지표는 "최고 속력에서의 효율"을 보므로, 실제로 그 속력을 쓰지 않는 배에게 EPL은 비용이 거의 없는 해결책이다.

SIMULATOR

EEXI 계산기와 엔진 출력 제한

선종(대표 사례)

엔진 출력 제한 EPL

연료

설계 개선(에너지 절감 장치)

달성 EEXI—

요구 EEXI—

기준 속력 Vref—

판정—

대표값: 벌크선 18만 DWT·MCR 16 MW·14.5 kn, VLCC 30만 DWT·25 MW·15.5 kn, 컨테이너선 15만 DWT(약 14,000 TEU)·60 MW·23 kn. SFC는 HFO 190, LNG 158(+파일럿 유), 메탄올 380 g/kWh로 가정했다. 해볼 것: 각 선종에서 합격에 필요한 최소 EPL을 찾아보라. 컨테이너선은 감축률(45%)이 커서 30% 이상 제한해야 한다. 연료를 LNG로 바꾸면 EPL 없이도 통과하는 경우가 있다(단, 메탄 슬립은 이 지표에 들어가지 않는다).

CII: 1년 동안 실제로 얼마나 냈는가

$$\text{CII}_{att} = \frac{\sum_j \text{FC}_j \, C_{F,j}}{\text{DWT}\times D_t},\qquad \text{CII}_{req} = \left(1-\frac{Z}{100}\right)\text{CII}_{ref},\qquad \text{CII}_{ref}=a\,\text{DWT}^{-c}$$

$\text{FC}_j$: 연간 연료 $j$ 소비량(g), $D_t$: 연간 항해 거리(nm), $Z$: 연도별 감축률(2023년 5% → 2026년 11% → 2030년 21.5%). 달성값/요구값의 비율로 A~E 등급을 매긴다. D를 3년 연속 받거나 E를 한 번 받으면 개선 계획을 SEEMP에 넣어 승인받아야 한다.

그림 19-2. CII 등급. 경계값 d1~d4는 선종마다 다르다(벌크선 0.86/0.94/1.06/1.18, 탱커 0.82/0.93/1.08/1.28, 컨테이너선 0.83/0.94/1.07/1.19).

SIMULATOR

CII 등급 시뮬레이터

선종(대표 사례)

항해 속력 연간 항해일

연료

평가 연도

연간 CO₂—

달성 CII—

달성/요구—

등급—

근사 모델: 하루 연료 ∝ 속력³(설계 속력 기준), 정박일에는 보조 발전 연료만 쓴다. 항해일이 고정이므로 속력을 낮추면 거리도 줄어 CII ∝ 속력²에 가깝다. 해볼 것: 2026년에 C인 배를 그대로 두고 연도만 2030년으로 옮기면 등급이 어떻게 되는가? 속력을 1노트 낮추면 몇 등급 오르는가? 정박이 긴 운항(항해일 축소)이 오히려 CII를 나쁘게 만드는 이유도 생각해 보라.

감속 운항의 물리와 경제학

배의 저항은 대략 속력의 제곱에 비례하고(6장), 동력은 저항×속력이므로 속력의 세제곱에 비례한다. 실제로는 조파 저항 때문에 지수가 3보다 큰 구간도 있지만, 세제곱 법칙은 좋은 첫 근사다.

$$P \propto V^3,\qquad \dot m_{day} \propto V^3,\qquad \frac{\text{fuel}}{\text{distance}} = \frac{\dot m_{day}}{24V} \propto V^2$$

속력을 20% 낮추면(22 → 17.6 kn) 하루 연료는 $0.8^3 = 0.51$배, 같은 거리를 가는 데 드는 연료는 $0.8^2=0.64$배가 된다.

2008년 금융 위기 뒤 연료값이 오르고 물동량이 줄자 컨테이너 선사들은 24~25 kn이던 운항 속력을 16~18 kn으로 낮췄다. 이를 감속 운항(Slow Steaming)이라 한다. 하지만 공짜는 아니다. 주 1회 정기 서비스를 유지하려면 한 바퀴(loop)가 길어진 만큼 배를 더 투입해야 하고, 화주는 화물이 바다에 더 오래 떠 있는 동안의 재고 비용(자본 비용)을 부담한다. 최적 속력은 연료비, 선박 비용, 재고 비용, 그리고 이제는 탄소 비용의 균형으로 정해진다.

SIMULATOR

선대 감속 운항 시뮬레이터 (아시아–북유럽 주간 서비스)

운항 속력 연료 가격 탄소 가격 선박 용선료 화물 가치 / TEU

필요 선박 수—

선대 연간 연료—

연간 CO₂—

연간 총비용—

가정: 14,000 TEU급, 왕복 22,000 해리, 한 바퀴 기항 12일, 22 kn에서 하루 200 t(속력³ 비례) + 보조 6 t, 적재율 85%, 재고 이자율 연 8%. 해볼 것: 연료 가격을 올리거나 탄소 가격을 넣으면 최적 속력(◆)이 내려간다. 고가 화물(100 k$/TEU)은 재고 비용 때문에 빠른 속력이 유리하다. 선박 수는 정수이므로 같은 척수 안에서 속력을 조금 낮출 여지가 생기는 계단도 확인하라.

감속 운항의 함정

엔진은 원래 최대 출력의 85% 근처에 맞춰 설계되었으므로 장기간 20~40% 부하로 돌리면 연소실 오염, 과급기 효율 저하, 실린더 마모가 생긴다. 그래서 실제로는 과급기 한 대를 끊거나(turbocharger cut-out), 저부하용 튜닝을 적용하고, 프로펠러·선수 벌브를 새 속력에 맞게 교체하는 개조가 함께 이루어진다.

대체 연료: 에너지 밀도와 저장

무배출에 가까운 연료 후보는 모두 기존 중유보다 에너지를 덜 담는다. 연료 탱크는 화물 공간을 잠식하므로, 질량당 에너지(MJ/kg)보다 부피당 에너지(MJ/L)가 더 중요한 경우가 많다. 수소는 질량당 에너지가 중유의 3배지만, −253 °C로 액화해도 밀도가 물의 1/14에 불과하다. 극저온·가압 탱크는 단열재와 원통형 구조 때문에 실제 차지하는 공간이 연료 부피의 1.5~2배다.

연료	LHV (MJ/kg)	밀도 (kg/m³)	저장 조건	독성	인화·폭발	비고
중유(HFO/VLSFO)	40~41	~990	상온·상압(가열)	낮음	낮음(인화점 60 °C↑)	황·PM 배출, 기준 연료
LNG(메탄)	~49	~450	−162 °C 극저온	낮음(질식)	높음	메탄 슬립, 증발 가스(BOG)
메탄올	19.9	~795	상온·상압 액체	있음(섭취·흡입)	높음(인화점 12 °C, 화염이 잘 안 보임)	기존 탱크 개조 용이
암모니아	18.6	~680	−33 °C 또는 약 10 bar	매우 높음	낮음(연소가 어려움)	N₂O 배출, 파일럿 연료 필요
액화수소	120	~71	−253 °C 극저온	없음	매우 높음(넓은 폭발 범위)	증발 손실, 수소 취성
리튬이온 배터리	~0.45	(시스템)	상온	화재 시 독성 가스	열폭주	단거리선·하이브리드

SIMULATOR

같은 항해에 필요한 연료 탱크 크기

항로

평균 추진 출력 속력

막대 보기

항해 시간—

축 에너지—

HFO 탱크—

액화수소 탱크—

가정: 기관 효율 HFO·LNG·메탄올 50%, 암모니아 48%, 수소 연료전지 50%, 배터리 계통 90%. 탱크 체적 계수(단열·형상 포함) HFO 1.05, LNG 1.6, 메탄올 1.15, 암모니아 1.6, 액화수소 2.0. TEU 환산은 40 ft 컨테이너 내부 약 67 m³의 절반(33.5 m³)을 1 TEU로 본다. 해볼 것: 연안 300 nm 항로에서는 배터리도 현실적인 크기지만, 태평양 횡단에서는 배터리 질량이 배의 재화중량을 넘는다. 대양 항로에서 수소 대신 암모니아·메탄올이 거론되는 이유를 막대에서 읽어 보라.

Well-to-Wake와 메탄 슬립

배의 굴뚝에서 나오는 CO₂만 보면(Tank-to-Wake, TtW) 암모니아와 수소는 "무탄소"다. 하지만 오늘날 생산되는 수소의 대부분은 천연가스를 개질해 만들며 그 과정에서 수소 1 kg당 약 9~10 kg의 CO₂를 낸다. 연료를 캐고(또는 만들고) 운반하는 과정(Well-to-Tank, WtT)을 합친 Well-to-Wake(WtW) 배출로 비교해야 공정하다. 생산 경로에 따라 색으로 구분한다.

그레이: 화석 연료로 생산, 부산 CO₂를 대기로 배출.
블루: 화석 연료로 생산하되 CO₂를 포집·저장(CCS). 포집률과 상류의 메탄 누출에 따라 효과가 달라진다.
그린(e-연료): 재생 전력으로 물을 전기분해한 수소, 그 수소로 만든 암모니아, 수소와 포집 CO₂로 합성한 e-메탄올. 바이오매스에서 만든 바이오 연료도 상류에서 흡수한 탄소를 상쇄해 WtW가 작다.

그림 19-3. 연료의 전 과정 배출. IMO의 연료 수명 주기 평가(LCA) 지침과 EU FuelEU Maritime은 WtW 집약도(g CO₂e/MJ)로 연료를 비교한다.

메탄 슬립

LNG는 탄소 대비 수소 비율이 높아 같은 에너지에서 CO₂가 중유보다 약 25% 적다. 그러나 엔진에서 다 타지 못하고 빠져나가는 메탄, 즉 메탄 슬립(Methane Slip)이 문제다. 메탄은 100년 기준 지구 온난화 지수(GWP₁₀₀)가 CO₂의 약 28~30배, 20년 기준으로는 80배 이상이다. 저압 오토 사이클 4행정 엔진은 연료의 수 %를 흘리지만, 고압 직접 분사 디젤 사이클 2행정 엔진은 0.2% 수준이다.

$$\text{WtW} = \text{WtT} + (1-s)\,\frac{C_F}{\text{LHV}} + s\,\frac{\text{GWP}_{CH_4}}{\text{LHV}}$$

$s$: 슬립률(연료 질량 대비 미연소 메탄 비율), $C_F = 2.75$ g CO₂/g, LHV ≈ 49 MJ/kg. 슬립 1%마다 약 $0.01\times 28/0.049 \approx 5.7$ g CO₂e/MJ가 더해진다.

SIMULATOR

메탄 슬립과 LNG의 실질 이득

엔진 형식(기본 슬립률)

슬립률 메탄 GWP 상류(Well-to-Tank) 포함

HFO WtW—

LNG WtW—

LNG 이득—

손익분기 슬립률—

대표값(EU FuelEU 기본값 수준): HFO WtT 13.5·TtW 77.5, LNG WtT 18.5·TtW 56 g CO₂e/MJ. 해볼 것: GWP를 20년 기준(약 83)으로 바꾸면 저압 4행정 오토 엔진의 LNG는 중유보다 나빠진다. 고압 디젤 사이클 엔진에서는 GWP와 무관하게 이득이 유지된다. 상류 배출을 끄면(TtW만) LNG가 실제보다 좋아 보인다.

SIMULATOR

연료 경로별 Well-to-Wake 비교

생산 경로(메탄올·암모니아·수소)

굴뚝 배출(TtW)만 보기

가장 낮은 연료—

HFO 대비—

값은 문헌에 흔히 나오는 대략적인 대표값이며 생산 방식·전력원·누출률에 따라 ±30% 이상 달라진다. 메탄올의 가운데 경로는 바이오 메탄올(상류의 생물 탄소 흡수를 음수로 반영)이다. 암모니아 TtW에는 N₂O와 파일럿 연료 배출을 포함했다. 해볼 것: "TtW만 보기"를 켜면 그레이 암모니아·수소가 최고의 연료처럼 보인다. 끄고 보면 그레이 수소는 중유보다 나쁘다.

풍력 보조 추진: 로터 세일과 윙 세일

범선의 시대는 끝났지만 바람은 여전히 공짜다. 현대 풍력 보조 추진은 주기관을 그대로 두고 바람에서 얻은 추력만큼 엔진 출력을 줄인다. 대표적인 장치가 로터 세일(Rotor Sail, Flettner Rotor)이다. 높이 20~35 m의 원통을 전동기로 빠르게 돌리면, 원통 표면이 공기를 끌고 돌아 한쪽은 유속이 빨라지고 반대쪽은 느려진다. 베르누이 원리에 따라 압력 차가 생기고, 바람과 수직인 방향으로 큰 양력이 나온다. 이것이 마그누스 효과(Magnus Effect)다.

그림 19-4. 마그누스 효과. 시계 방향으로 도는 원통 위쪽은 표면이 흐름과 같은 방향으로 움직여 유속이 빨라지고 압력이 낮아진다. 양력은 바람과 수직이며, 크기는 스핀비(표면 속도/풍속)에 따라 커진다.

$$L = \tfrac12 \rho_{air} A V_a^2 C_L(SR),\qquad SR = \frac{\omega r}{V_a},\qquad T = L\sin\beta - D\cos\beta$$

$V_a$: 겉보기 바람 속도, $\beta$: 겉보기 바람이 불어오는 방향의 선수 기준 각도, $A$: 투영 면적(높이×지름), $C_L$: 스핀비 3~4에서 8~10 정도(날개의 5배 이상). 배에서 느끼는 바람은 실제 바람에서 배의 속도를 뺀 겉보기 바람이다.

로터의 양력은 바람에 수직이므로 옆바람(겉보기 바람각 90° 근처)에서 추력이 최대이고, 맞바람에서는 저항만 생긴다. 윙 세일은 비행기 날개처럼 받음각으로 양력을 만든다. $C_L$은 1.5~2 정도로 작지만 면적을 크게 만들 수 있고 회전 동력이 필요 없다. 연(kite)은 바람이 강하고 일정한 고도 100~300 m에서 끌어 주는 방식이다. 실제 연간 절감은 항로의 바람 조건에 크게 좌우되며 보통 주기관 연료의 수 %~10% 남짓이다.

SIMULATOR

겉보기 바람과 풍력 보조 추력

장치

실제 풍속 실제 바람 방향(선수 기준) 선속 스핀비 목표(로터) 장치 수

겉보기 바람—

추력(전방)—

순 절감 동력—

주기관 출력 대비—

로터 1기: 높이 30 m·지름 5 m, 최대 표면 속도 47 m/s. 윙 1기: 높이 35 m·시위 13 m, 최적 받음각 자동. 선박은 12 kn에서 8 MW가 드는 벌크선, 추진 효율 0.7로 가정. 오른쪽 극좌표의 반지름은 추력, 각도는 실제 바람 방향이다. 표시되는 절감률은 이 바람 조건에서의 순간값이며, 바람의 방향·세기가 계속 바뀌므로 연평균 절감은 이보다 훨씬 작다. 해볼 것: 왼쪽 그림을 끌어 바람 방향을 바꿔 보라. 선속을 올리면 겉보기 바람이 선수 쪽으로 돌아가 추력이 줄어든다. 맞바람 근처(0~30°)에서는 로터를 멈추는 편이 낫다.

공기 윤활

평저선(벌크선·탱커·컨테이너선)의 저항 중 마찰 저항은 60~80%를 차지하고, 넓고 평평한 선저는 젖은 표면적의 큰 부분이다. 공기 윤활 시스템(ALS, Air Lubrication System)은 선저 앞쪽의 여러 줄 노즐에서 압축 공기를 내보내 선저를 따라 미세 기포층이나 얇은 공기막을 깐다. 물보다 점성과 밀도가 훨씬 작은 공기가 선체와 물 사이에 끼어 그 면적의 마찰 저항을 크게 줄인다.

그림 19-5. 공기 윤활. 공기를 불어넣으려면 흘수에 해당하는 정수압 $\rho g T$(흘수 15 m면 약 1.5 bar)을 이겨야 하므로, 압축기 동력이 절감량을 일부 깎아 먹는다.

$$\Delta P_{net} = P_{prop}\,\frac{R_F}{R_T}\,c\,r(Q) - \frac{p\,Q\ln(p/p_0)}{\eta_c},\qquad p = p_0 + \rho g T + \Delta p$$

$c$: 공기층이 덮는 젖은 면적 비율, $r(Q)$: 덮인 면적의 마찰 감소율(공기량 $Q$에 따라 포화), $p$: 노즐 절대 압력, $\eta_c$: 압축기 효율. 압축 동력은 등온 압축으로 근사했다.

SIMULATOR

공기 윤활: 절감 vs 공기 공급 동력

선속 흘수 공기층 덮는 면적 비율 공기 유량

추진 동력—

총 절감—

압축기 동력—

순 절감—

대형 컨테이너선(22 kn에서 40 MW, 마찰 저항 비율 65%)을 가정한 근사 모델. 마찰 감소율은 $r = 0.6\,(1-e^{-Q/Q_0})$, $Q_0 \propto$ 선속 × 선폭. 해볼 것: 공기를 너무 많이 넣으면 순 절감이 오히려 줄어드는 최적점이 있다. 흘수를 깊게 하면 압축 동력이 커져 최적 유량이 줄어든다. 선속을 낮추면 추진 동력이 $V^3$으로 줄어 절대 절감량도 작아진다.

그 밖의 에너지 절감 기술

"가장 깨끗한 연료는 태우지 않은 연료"라는 말처럼, 연료 전환 이전에 수요 자체를 줄이는 기술이 많다. 각각은 몇 %씩이지만 합치면 무시할 수 없다.

선체 도료와 청소: 따뜻한 바다에서 따개비·해조류가 붙으면 몇 달 만에 마찰 저항이 10~20% 이상 늘 수 있다. 자기마모형(SPC) 방오 도료, 실리콘계 오손 방출(foul-release) 도료, 수중 청소 로봇이 쓰인다.
선형과 프로펠러 최적화: 감속 운항 속력에 맞춘 선수 벌브 개조, 프로펠러 교체·연마, 프로펠러 앞 덕트·핀(PSD), 보스캡 핀(PBCF) 같은 에너지 절감 장치(ESD)로 반류와 회전 손실을 회수한다(8장).
폐열 회수(WHRS): 배기가스의 열로 증기 터빈이나 유기 랭킨 사이클(ORC)을 돌려 전기를 만든다. 주기관 출력의 3~8%를 회수한다.
운항 최적화: 기상 항로, 트림 최적화, 항만 도착 시간 조율(Just-in-Time arrival)로 불필요한 고속 운항과 묘박 대기를 줄인다.
선상 탄소 포집(OCCS): 배기가스에서 아민 흡수 등으로 CO₂를 분리해 액화 저장한 뒤 항구에서 내린다. 포집률을 높일수록 에너지 소비(연료 10~30% 증가 수준)와 저장 공간이 커져, 아직 실증 단계다.

SIMULATOR

선체 오손과 청소 주기

운항 해역

도료

수중 청소 주기 연료 가격

평균 동력 증가—

연간 추가 연료—

연간 비용(연료+청소)—

비용 최적 주기—

근사 모델: 동력 증가 $\Delta(t) = a\,(1-e^{-t/\tau})$, 청소하면 0으로 돌아간다고 가정. 기준 연료 연 20,000 t, 청소 1회 비용(작업+운항 손실) 15만 달러, 5년마다 입거 재도장. 해볼 것: 열대 해역에서 청소 주기를 늘리면 비용이 빠르게 커진다. 오손 방출 도료는 오손이 느리게 쌓여 청소 주기를 길게 잡을 수 있다.

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에너지 절감 조합기

단순 합—

실제 조합(곱셈)—

연료 20,000 t 기준 절감—

각 값은 문헌의 대표적 범위 중간값이다. 절감은 "남은 연료"에 대해 차례로 적용되므로 $1-\prod(1-s_i)$로 합쳐지며 단순 합보다 작다. 또 같은 손실(예: 프로펠러 후류 회전)을 노리는 장치끼리는 효과가 겹쳐 실제로는 더 작아질 수 있다. 해볼 것: 모든 항목을 켜도 30%를 넘기 어렵다. IMO의 2050 넷제로에는 연료 전환이 필수인 이유다.

경제성: 탄소 가격과 연료 전환

그린 연료는 대체로 중유보다 에너지당 2~4배 비싸다. 선사가 자발적으로 바꾸기 어려운 이유다. 탄소에 가격을 매기면 계산이 바뀐다. EU는 2024년부터 EU ETS(배출권 거래제)를 해운에 적용했다. 5,000 GT 이상 선박이 EU 항만 사이 항해에서 낸 배출의 100%, EU를 드나드는 항해의 50%, EU 항만 정박 중 배출의 100%가 대상이며, 첫해 배출의 40%, 다음 해 70%, 2026년분부터 100%의 배출권을 내야 한다. 2026년부터는 메탄과 아산화질소도 포함된다. 2025년부터 시행된 FuelEU Maritime은 선박이 쓰는 에너지의 WtW 온실가스 집약도 상한을 2020년 기준(91.16 g CO₂e/MJ)에서 2025년 −2%, 2030년 −6%, 2035년 −14.5%, 2050년 −80%로 낮춰 간다. IMO도 연료 GHG 집약도 기준과 배출 가격을 묶은 넷제로 프레임워크를 논의 중이다.

$$C_{fuel} = \frac{E}{\text{LHV}}\,p_{fuel} + \frac{E}{\text{LHV}}\,EF\cdot \kappa\cdot p_{CO_2},\qquad p^*_{CO_2} = \frac{C_{alt} - C_{ref}}{\left(\text{Emis}_{ref} - \text{Emis}_{alt}\right)\kappa}$$

$E$: 연간 필요 에너지(GJ), $EF$: 연료 1 t당 과금 대상 배출(t CO₂e), $\kappa$: 과금 대상 비율(항로·단계적 적용), $p^*_{CO_2}$: 두 연료의 연간 비용이 같아지는 손익분기 탄소 가격.

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연료 전환 손익분기 계산기

대체 연료

대체 연료 가격 VLSFO 가격 탄소 가격 과금 대상 비율 κ 추가 설비비(연간 환산)

VLSFO 연간 비용—

대체 연료 연간 비용—

손익분기 탄소 가격—

CO₂e 감축—

기준 선박: VLSFO로 연 20,000 t(약 82만 GJ)을 쓰는 배. 과금 배출 계수(t CO₂e/t): VLSFO 3.15, LNG 3.18(슬립 1.7%·GWP 28 반영), 그레이 메탄올 1.375, 바이오·e-메탄올과 그린 암모니아 0(지속 가능 연료로 인정된다고 가정). 가격은 예시이며 시장에 따라 크게 변한다. 해볼 것: 바이오 메탄올의 손익분기 탄소 가격을 읽고, 대체 연료 가격을 내려 그것이 현재 탄소 가격(◆) 아래로 내려오는 지점을 찾아보라. κ를 50%(EU 출입 항로)로 낮추면 손익분기점이 두 배가 된다.

핵심 정리

해운은 세계 온실가스의 약 3%(연 약 10억 t CO₂e)를 낸다. IMO 2023 전략은 2050년경 넷제로, 2030년 20~30%, 2040년 70~80% 감축(2008년 대비)을 중간 점검으로 둔다. 총배출 = 물동량 × 집약도이므로 효율 개선만으로는 부족하고 무배출 연료가 필요하다.
EEXI는 설계 효율(g CO₂/t·nm)로, 출력을 제한하면 $P^{2/3}$에 비례해 낮아진다. CII는 1년 운항 결과로 A~E 등급을 매기며, 요구치가 해마다 낮아진다.
하루 연료는 $V^3$, 거리당 연료는 $V^2$에 비례한다. 감속 운항은 연료와 CO₂를 크게 줄이지만 선박 수와 재고 비용을 늘리며, 최적 속력은 연료·탄소 가격이 오를수록 낮아진다.
대체 연료는 체적 에너지 밀도가 낮아 탱크가 2~5배 커진다. 액화수소와 배터리는 대양 항로에 부피·질량 면에서 불리하고, 암모니아는 독성, 메탄올은 낮은 에너지 밀도, LNG는 메탄 슬립이 과제다.
연료는 Well-to-Wake로 비교해야 한다. 그레이 수소·암모니아는 굴뚝 배출이 0이어도 전 과정 배출이 중유보다 클 수 있다. LNG의 이득은 엔진의 메탄 슬립률과 GWP 기준에 크게 좌우된다.
로터 세일은 마그누스 효과로 옆바람에서 큰 추력을 낸다. 공기 윤활은 선저 마찰을 줄이지만 정수압을 이기는 압축 동력과의 최적점이 있다. 선체 관리·ESD·폐열 회수를 모두 합쳐도 20~30% 수준이다.
탄소 가격(EU ETS)과 연료 집약도 규제(FuelEU, IMO 넷제로 프레임워크)는 연료 전환의 손익분기점을 움직인다. 손익분기 탄소 가격 = 비용 차 / 배출 차이다.

확인 퀴즈

Q1. IMO 2023 온실가스 전략의 2030년 중간 점검 목표(총배출, 2008년 대비)는?

2030년 20%(노력 30%), 2040년 70%(노력 80%), 2050년경 넷제로. "5%, 노력 10%"는 2030년 무배출·준무배출 연료의 에너지 비중 목표다.

Q2. 선속을 20 kn에서 15 kn으로 낮추면, 같은 거리를 가는 데 드는 연료는 대략 몇 배가 되는가? (세제곱 법칙 가정)

거리당 연료 ∝ V² 이므로 (15/20)² = 0.5625. 하루 연료는 (0.75)³ = 0.42배지만 항해 일수가 1/0.75배로 늘어난다.

Q3. EEXI를 맞추기 위해 엔진 출력을 30% 제한하면 지표는 대략 얼마나 낮아지는가? ($V\propto P^{1/3}$, 보조 동력 무시)

지표 ∝ P/V ∝ P^{2/3}. 0.7^{2/3} ≈ 0.788이므로 약 21% 낮아진다. 속력은 0.7^{1/3} ≈ 0.89배, 즉 약 11% 줄어든다.

Q4. CII가 해마다 요구치가 강화된다는 것의 의미로 옳은 것은?

요구 CII = (1−Z/100)·기준치에서 Z가 매년 커진다(2023년 5% → 2030년 21.5%). 달성값이 그대로면 비율이 커져 C → D → E로 밀려난다.

Q5. 같은 에너지를 실을 때 연료 탱크 체적이 가장 큰 것은? (단열·탱크 구조 포함)

액화수소는 체적 에너지 밀도가 약 8.5 MJ/L로 중유(약 39 MJ/L)의 1/4.6이고, 극저온 탱크 때문에 실제 공간은 약 2배가 더 든다. 배터리는 이보다도 훨씬 크다.

Q6. 그레이 암모니아가 "탄소가 없는 연료"라는 주장의 문제점은?

굴뚝(TtW) 배출은 CO₂가 거의 없지만, 그레이 암모니아는 수소를 천연가스로 만들며 상류에서 CO₂를 대량 배출한다. 게다가 연소 시 N₂O(GWP 약 270)가 나올 수 있다.

Q7. 로터 세일의 추력이 가장 큰 바람 조건은?

마그누스 양력은 겉보기 바람에 수직이므로 옆바람에서 거의 그대로 전방 추력이 된다. 맞바람에서는 저항만 생기고, 뒤바람에서는 양력이 옆으로 향해 추력 기여가 작다.

Q8. 대체 연료 A가 VLSFO보다 연 400만 달러 비싸고 연간 과금 배출을 50,000 t CO₂ 줄인다면 손익분기 탄소 가격은? (κ = 100%)

p* = 비용 차 / 배출 차 = 4,000,000 / 50,000 = 80 $/t CO₂. 탄소 가격이 이보다 높으면 전환이 이득이다.