"암모니아 엔진, 온실가스 94% 감축"… 친환경 선박 연료 길잡이 나왔다

<43> 이화여대 이상훈 교수 연구팀
미래 선박 연료 3단계 시뮬레이션으로 가려내
현재는 LNG 추진선이 가장 경제적
수소 가격 kg당 1달러 땐 비용 66% 절감

택배 상자를 열 때의 설렘, 기억하시나요? 대학 연구실에서는 지금 이 순간에도 우리 삶을 바꿀 놀라운 발견들이 쏟아지고 있습니다. 다만 '논문'이라는 두꺼운 포장지에 쌓여있을 뿐이죠. '언박싱 연구실'에서는 복잡한 수식과 이론 대신, 여러분이 알고 싶은 알맹이만 쏙 골라 담겠습니다. 자, 그럼 상자를 열어볼까요? 오늘 언박싱할 주인공은 바로 이 연구입니다.

[파이낸셜뉴스] 이화여자대학교 이상훈 교수 연구팀이 디젤·LNG·메탄올·암모니아·수소 등 차세대 친환경 선박 연료와 추진 시스템의 경제성·환경성을 동일한 기준에서 종합 비교할 수 있는 통합 분석 체계를 구축했다. 분석 결과 암모니아 엔진은 선박 운항 단계에서 온실가스를 최대 94.2% 줄이는 것으로 나타났다. 재생에너지로 만든 그린 암모니아·그린 수소는 연료 생산부터 운항까지 전 과정으로 범위를 넓혀 계산하면 온실가스 배출량을 87~91%까지 낮출 수 있다.

이번 연구 결과는 열역학 분야에서 세계적인 권위를 자랑하는 학술지인 '에너지 컨버전 앤 매니지먼트(Energy Conversion and Management)'에 게재되며 전 세계에 연구 우수성을 인정받았다.

■ 선박 연료 선택 길잡이

전 세계 해운 업계는 국제해사기구(IMO)의 강력한 온실가스 규제에 맞춰 친환경 선박 전환을 서두르고 있다. 하지만 선박에 가장 잘 맞고 비용 효율적인 연료 시스템을 숫자로 정확히 계산하기는 어려웠다.

이번에 개발된 통합 분석 체계는 실질적인 예산과 환경 영향을 동시에 고려해 연료를 비교할 수 있도록 설계됐다. 향후 해운 업계가 친환경 연료를 도입하고 탈탄소화 경로를 수립할 때 숫자로 따져 올바른 결정을 내릴 수 있는 도구로 활용될 전망이다.

■ 3단계 정밀 시뮬레이션

기존 연구들은 이론적 계산(열역학적 평형)에만 의존해 선박의 오염물질 배출량을 예측해왔다. 실제로 배가 움직일 때 엔진 안에서 일어나는 복잡한 반응까지는 반영하지 못했기 때문에 실제 운항 시 배출량과 차이가 생겼다.

연구팀은 이 한계를 넘기 위해 3단계 정밀 연구 체계를 설계했다. 먼저 LNG·메탄올·암모니아·수소 등 미래 친환경 연료 후보군을 분류했다. 이어 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램(Aspen Plus-Cantera)을 융합해 선박 엔진 내부의 연소 반응을 반응속도 기반으로 정밀 추적하고, 고체산화물연료전지(SOFC) 시스템도 함께 모델링했다. 마지막으로 연료를 만들고 배에 싣는 단계부터 실제 운항까지 전 과정을 하나로 묶어 추진 성능·비용·환경 영향을 동일 기준에서 한 번에 계산해냈다.

■ 암모니아 온실가스 94% 감소

분석 결과 선박 운항 단계의 온실가스 배출량은 디젤, 메탄올, LNG, 암모니아 순으로 감소했다. 암모니아 엔진 추진 시스템은 최대 94.2%의 온실가스 감축 효과를 보였다.

다만 암모니아 엔진은 국제 배출 규제를 맞추려면 선택적 촉매환원장치(SCR) 같은 대기오염물질 후처리 설비가 필수적이다. 반면 LNG는 대기오염물질인 질소산화물 배출량이 상대적으로 낮아 이 같은 추가 설비 부담이 적었다.

■ 그린 연료가 진짜 친환경

전체 수명 주기 비용을 따지면 현재 상용화된 LNG 추진 선박이 가장 경제적이다. 수소 연료전지(SOFC) 추진 선박은 현재 수소 가격(kg당 약 4.32달러) 기준으로 전체 비용이 약 11억달러로, 디젤 엔진보다 약 3배 비싸다. 다만 수소 가격이 kg당 1달러 수준으로 내려가면 이 비용을 최대 66.6%까지 줄일 수 있다.

연료 생산 과정까지 포함해 환경성을 평가해보니 반전이 나타났다. 화석연료 기반의 그레이 암모니아·그레이 수소는 생산 단계 배출량 탓에 전체 온실가스가 오히려 늘었다. 재생에너지 기반의 그린 암모니아·그린 수소는 연료를 만드는 과정까지 모두 합산해도 온실가스 배출량을 87~91%까지 줄였다.

[e-mail] 김만기 기자