충남미래연구포럼 (6 차 ) 선박용연료전지기술개발현황 - IMO 규제동향, KR 기술개발현황 노길태책임연구원 2015. 09. 08 ( 사 ) 한국선급, 기술본부기관기술연구팀그린쉽기자재시험 인증센터 gtroh@krs.co.kr/070-8799-8761 1
국제해운현황 The most efficient transport mode 80% of global trade Source: Second IMO GHG Study 2009 Source: 2007 ISL Statistical Yearbook 2.6% of global emissions More than 6 th emitting country (million tonnes CO2) 747.6million ton(6th) 850million ton 2012 년배출량기준 Emissions of Country : IEA Emissions of Int l shipping : Third IMO GHG Study 2014 Source: Third IMO GHG Study 2014
국제선박환경규제동향 국제해사기구 (IMO) 선박오염방지를위한국제협약 (MARPOL) 온실가스, 에너지효율, 발라스트, 유해물질, NOx, SOx, VOC 등규제 글로벌화주 글로벌화주의선박친환경실적개선요구 선사별환경실적비교를통해화물운송선택지표로활용 금융권및 NGOs 금융권의재정적인센티브 ( 금리인하등 ) 수혜를위한요구사항 기업의사회적책임및지속가능경영보고서작성을위한요구사항 외적요인압력지속 국제민간항공기구 (ICAO), 국제항공온실가스규제결의안합의 ( 13.10) 녹색기후기금 (GCF), 국제해운의기후기금기여요구
질소산화물 (NOx) 규제 (MARPOL Annex VI Reg.13) NOx 배출제한치 RPM (n=rated engine speed) Tier I Tier II (20% 강화 ) Tier III (80% 강화 ) 2000.1.1 K/L < 2011.1.1 2011.1.1 K/L < 2016.1.1 2016.1.1 K/L n < 130 rpm 17.0 g/kwh 14.4 g/kwh 3.4 g/kwh 130 rpm n < 2000 rpm 45.0*n (-0.2) g/kwh 44.0*n (-0.23) g/kwh 9*n (-0.2) g/kwh 2000 rpm n 9.8 g/kwh 7.7 g/kwh 2.0 g/kwh 일반사항 Pre Certification : Shore Test-bed (2000.1.1 시행 ) EIAPP Certification EIAPP : Engine international Air Pollution Prevention IAPP Certification : Onboard Verification (2005.5.19 시행 ) IAPP Certification
황산화물 (SOx) 규제 (MARPOL Annex VI Reg.14) SOx 배출제한치 MARPOL Annex Ⅵ Reg.14 개정 2010.7.1 발효 Sulfur Cap Global Sulfur Cap Effective Date 4.5 % m/m Date < 2012.1.1 3.5 % m/m 2012.1.1 Date < 2020.1.1 0.5 % m/m 2020.1.1 Date 80% 2018 년재검토 2025 년유예 SECA Sulfur Cap Effective Date 1.5 % m/m Date < 2010.7.1 1.0 % m/m 2010.7.1 Date < 2015.1.1 0.1 % m/m 2015.1.1 Date 96% 황산화물배출통제지역을항해하는선박은 연료유전환절차서 (Procedures) 를비치 황산화물세정장치의성능기준채택 : Res.MEPC.184(59)
황산화물 (SOx) 규제 ECA 규제 유럽발틱해및북해 Sox Emission Contral Area 지정 미국, 캐나다 200 nm NOx, SOx Emission Control Area 지정 Greenland (Denmark) 20 30 40 50 60 70 Alaska (U.S.) Canada United States (48 states) Mexico Bahamas Saint-Pierre & Miquelon Hawaii (U.S.) 160 140 120 100 80 60
GHG(CO 2 ) 규제 Ship Type Size Phase 0 [1 Jan 2013 ~ 31 DEC 2014] Phase 1 [1 Jan 2015 ~ 31 DEC 2019] Phase 2 [1 Jan 2020 ~ 31 DEC 2024] Phase 3 [1 Jan 2025 onwards] Bulk Carrier 20,000 DWT and above 0 10 20 30 Gas Tanker 10,000 DWT and above 0 10 20 30 Tanker 20,000 DWT and above 0 10 20 30 Container Ship 15,000 DWT and above 0 10 20 30 General Cargo Ship 15,000 DWT and above 0 10 15 30 Refrigerated Cargo Ship 5,000 DWT and above 0 10 15 30 Combination Carrier 20,000 DWT and above 0 10 20 30 이산화탄소 (CO 2 ) 국제탄소배출규제, 유가상승 폐열회수, 연료전지, 신재생에너지등고려
GHG(CO 2 ) 규제 Category Fuel/CO 2 Saving Combined Combined DESIGN (New ships) Concept, speed & capability 2% to 50% Hull and superstructure 2% to 20% Power and propulsion systems 5% to 15% Low-carbon fuels 5% to 15% Renewable energy 1% to 10% Exhaust gas CO 2 reduction 0% OPERATION (All ships) Fleet management, logistics & incentives 5% to 50% Voyage optimization 1% to 10% Energy management 1% to 10% 10% to 50% 10% to 50% 25% to 75% Source: IMO 2nd GHG Study, Table 1-2, MEPC 59/Inf.10
친환경선박기술동향 친환경선박기술은효율개선및 CO 2 저감기술과차세대선박기술로분류됨 효율개선및 CO 2 저감기술 초기 (`14~`20) 대응 1 선형개선기술 : 선미 Rudder fin 설치, 유선형설계등 2 고효율엔진개발 : Dual Fuel 엔진, HRSG(Heat Recovery Steam Generator) 등 3 CO 2 포집 / 저장 : CCS(Carbon Capture and Storage) 실효성분석결과 선형개선, 고효율엔진개발 : 추가개발비용및기간에따른비용편익불확실및경제성악화탄소포집기술 (CCS) : 포집된 CO2 처리기술 ( 해양투기등 ) 의추가개발필요 출처 : Summary of emissions (million tonnes) from total shipping in 2007 차세대선박기술 중장기 (`20~) 대응 1 선박에서친환경고효율동력원을사용하는기술 - 친환경동력원 : 태양광, 풍력, 연료전지등 ( 해양환경에서의운항조건상연료전지외대안이없음 - 고효율동력원 : 연료전지 (47~60%) 외대안이없음 2 향후선박은화석연료선박 ( 현재 ) 연료전지 Hybrid 선박 (2015~ 2020) 연료전지선박 (2020~) 으로의발전이예상됨 친환경선박의최종목적지는 차세대선박기술인연료전지선박 임
선박동력시스템변화예측 2010 대형선박 2020 대형선박 보조전력 전원용동력 ( 디젤기관 ) 전력 디젤기관 연료전지 +G/T 신재생에너지 2 차전지 전원용동력 (Hybrid) 전력 추진및보조전력 추진용동력 ( 디젤기관 ) 디젤기관 DFDE PTI 추진용동력 (Hybrid) 현재 독점적 추진방식동력장치 기계 디젤 2030 대형선박 2020 2020 다양화 수소 사용연료추진방식동력장치사용연료추진방식동력장치 중유 기계, 전기, 램제트등 디젤, Fuel Cell, G/T 등 중유, 경유, 메탄올, 바이오연료, LNG(NG) 등 전기 Fuel Cell 추진 / 전원용동력 ( 연료전지 ) 추진용기기 ( 초전도모터 ) 전력 사용연료 H 2
연료전지의적용범위 Micro FC DMFC PAFC mw ~W 50W 100kW ~ MW Micro device Phone Computer Stationary power Transportation Military Marine Power plant PEMFC SOFC MCFC
육상 ( 자동차 ) vs 해상 ( 선박 ) 연료전지선박 연료전지발전시스템을선박의추진동력또는 Hybrid 전원 (APU) 로사용하는친환경 고효율선박 - 높은발전효율 : 47~60%(`18년 70% 목표 ) - 저공해 친환경에너지생산시스템 (NOx, SOx 거의없으며, 이산화탄소배출은가스터빈대비 50% 저감 ) - 전기, 열동시생산및선박내 Compact한디자인구현이가능하여에너지이용효율향상에최적 자동차 vs 선박 개발필요성 R&D 현황 연료전지자동차 (FCV) 환경문제 - 대기오염및도시환경개선 - 지구온난화 효율 경제성 - 연료가격상승에따른고효율수송수단수요증대 국외 - 90 년대초반 : ZEV 규제발효로연구착수 - 90 년대후반 : 시제품출시및시범운행 - 00 년 ~: 시스템대형화및원가절감추진 국내 - 90 년중반 : 연료전지자동차개발착수 - 01 년 : 시범운행및수소인프라구축 - 06 년 ~09 년 : 총 66 대국내외시범운행중 연료전지선박 (FCS) 환경문제 - 해상오염및연안환경개선 - 지구온난화 효율 경제성 - 연료가격상승에따른고효율수송수단수요증대 국외 - 90 년대중반 : 연료전지적용성검토, 타당성평가 (EU, 日 ) - 00 년 : EU 중심으로개발로드맵수립 - 03 년 : EU Fellow Ship project 착수 - 06 년 ~: EU ZEMship, Methapu, 美 SSFC 착수 국내 - 진행되고있지않음 개발사 기술적어려움 ( 현재 ) 엔진기술을보유한전세계자동차제조社 - HONDA, Mercedes-Benz, GM, 현대.. 높은제조원가 수소인프라 엔진기술보유社중심 - MAN( 독일 ), WÄRTSILA( 핀란드 ), Rolls-Royce( 영국 ) 선박해상환경대응 선박시스템과연계 시장점유율 국내자동차사 7.2 % ( 세계 5 위 ) 국내조선 3 사 40% ( 세계 1 위 )
연료전지의기술분석 Type Product Advantage Disadvantage MCFC (H. Temp) SOFC (H. Temp) PEMFC (L. Temp) - Ni catalyst(low cost) - Possible to use various fuel - Available CO 2 condensation & separation - High operating Temp.(~1000 ): - Combined Heat & Power - High efficiency - None depletion (Solid electrolyte) - High power output & high load following characteristic - Start-up in a short time - No loss of electrolyte(polymer electrolyte) - Electrolyte shortage (liquid electrolyte) - corrosive environment(alkali electrolyte) - Long reaching time to Pre-treatment - Difficulty on the sealing/choosing materials due to high temp. operation - High manufacturing cost (material) - Low efficiency compared to high temp. FC - Usage of high density hydrogen as fuel - High-priced Pt as catalyst usage Hybrid system(f/c + ESS) is required to secure load following characteristic Start-up in a short time by the integration of high temp. and low temp. systems System integration of fuel cell and other generations(turbine, HRSG) shall be developed
선박용연료전지개발수준 Norway, FellowShip Proof test completion mainly with developed countries(e.g, EU) Germany, e4ship Coping with environmental regulation on the sea and initiative acquirement of international regulation led by the government and classification society Research society for environmental-friendly fuel cell ship set up led by KR in 2009 Ministry of Knowledge Economy in 2011 Development of fuel cell for marine auxiliary power unit project begin(in progress) Japan, Super Eco Ship
대표적인선박용연료전지프로젝트추진현황 국가일본노르웨이 EU 미국 프로젝트명 NYK Super Eco Ship Green Ship of the Future (FellowShip) e4ship ZEMShip Methapu SSFC 목표 연료전지하이브리드선박개발 선박보조전원용연료전지개발 연료전지선박의실증운전 선박주동력용연료전지개발 선박보조전원용연료전지개발 선박보조전원용연료전지개발 연료전지타입 40MW 급연료전지 (LNG 연료사용 ) 320kW 급, MW 급 MCFC (LNG 연료사용 ) 350~500kW 급 MCFC 100kW 급 PEMFC (50kW 급 2 기 ) 20kW 급 SOFC 2.5MW 급 MCFC ( 액체연료사용 : JP-5, NATO-F76) 사업비 1,000 억원이상약 200 억원 (1, 2 단계 ) 약 850 억원약 100 억원약 30 억원 - 사업기간 2009 ~ 2030 2003 ~ 2010 (1, 2 단계 ) 2010 ~ (3 단계 ) 2009 ~ 2016 2006 ~ 2010 2006 ~ 2010 2003 ~ 2009 결과물 연구개발중 320kW 급 MCFC 시스템 100 시간해상실증완료 MW 급 MCFC 시스템개발중 (3 단계 ) 10 개월해상실증완료 (SchIBZ Project) 2009~2010 실증선운행 20kW SOFC 1000 시간실증완료 300kW 급 MCFC 1000 시간액체연료평가 ( 육상 ) 일본 Super Eco Ship 노르웨이 FellowShip 독일 e4ship 300kW급 MCFC
ZEPSHIP(EU) 승객수 100 명규모의 PEMFC 100kW (50kW*2) Zero Emission Ship 수소연료로효율 40-50% 달성목표 (2006.11-2010.4) 독일함부르크의연료전지선
FellowShip(EU) 개요 : LNG 연료기반의연료전지선박시스템기술개발 목표 : 선박 CO 2 저감을위한기술개발 (LNG 연료사용, MCFC 320kW 출력 - 상업용선박세계최대용량 ) 참여기관 - DNV: 노르웨이선급 - MTU: 독일, FCE 사 EU 파트너 - Wätsilä: 노르웨이, 선박및선박용엔진제조회사 - Eidesvik: 노르웨이, 해운사 - Vik-Sandvik: 노르웨이, 선박설계회사 참여기관들의컨소시움으로추진
METHAPH(EU) Fellowship 기반선박보조전원용시스템개발 근거리여객선, 자동차운반선, 크루즈선등적용 (2006.11 2009. 4)
HDW( 독일 ) 1980년대초에개발에착수 2002년에 MFC를채용한최초의잠수함 (U212) 설계, 생산 PEMFC를이용한 AIP시스템 업그레이드 U214 잠수함수출 => 한국, 그리스 Ballard사와협력하여축적된기술력으로상선용동력발생장치개발검토
NYK Super Eco Ship 2030 개발목적 장기적인기술동향검토에따른지속적으로대응가능한선박기술로드맵의설정 친환경의새로운개념의선박을통하여에너지전환, 하역시스템의혁신, 미래의해상교통기반구축, 새로운비즈니스모델구축 전세계젊은기술자및학생들에게미래의선박개발의중요성과꿈을홍보 현재의선박과의비교 현재의선박 NYK 슈퍼에코선박 2030 전장 338 m 353 m 폭 45.8m 54.6m 흘수 13.0m 11.5m 주동력원 ( 연료 ) 자연에너지 CO2 배출량 디젤엔진 (C 중유 ) 64MW 없음 195g/TEU-mile 연료전지 (LNG) 40MW 태양광 :1~2MW 풍력 : 1~3MW 62g/TEU-mile ( 약 69% 의저감효과 ) 디젤추진시스템으로부터연료전지를사용한전기추진시스템으로전환에의해적재스페이스가현재의 91% 로부터 97% 로증가
e4ship(eu) Project 기간 2009 년 7 월 2016 년 (7 년 ) 참여단체 선주 독일조선소 연료전지제조사 선급 (GL, DNV) 총연구개발비 약 5000 만유로 ( 약 850 억원 ) 연구개발 대형선박용연료전지보조전원개발 HyFerry ( 패리선 ) Pa-X-ell ( 여객선 ) SchIBZ/Pa-X-ell( 요트, 특수선박 ) 최종목표 육상의연료전지개발과는별개로선박에서의실증운전을통한기술력축적
SSFC( 미국 ) SSFC project (Navy s Ship Service Fuel Cell) - 2.5 MW MCFC로선박주동력원으로시스템사용 - 미국해군과 FCE사가방위산업과제로수행중 ( 연구비 $250만 ) - Navy logistic fuel 사용 - 2007년미해군무기시스템사령부로부터구성요소에대한성능평가실시 MARAD (The US Maritime Administration) - Diesel-electric 434TEU feeder ship FC+CNG 컨테이너 WTA (Water Transit Authority) - 내항페리선적용 PEMFC+ 메탈하이드라이드 ONR (The Office of Naval Research) - 1단계사업 : MDO(NATO F-76) 연료 *, 2.5MW급시스템연구, 해상환경 PEMFC, Ballard Power Co. (MCFC에서변경 ) - 2단계사업 : 625kW 육상시운전 MCFC(FCE, Direct Fuel Cell) - 3단계사업 : 해상시운전
기타 Hybrid 25kW PEFC system in the sailboat Zero CO 2 출처 ) CEA, Fuel cell Seminar & Exposition 2011 Mode batteries only Speed @ 6 knots: 2hr Speed @ 4 knots: 3hr 30m Mode hybrid (batteries + Fuel cell) Speed @ 6 knots: H2 @35Mpa: 10hr Speed @ 6 knots: H2 @15Mpa: 6hr Speed @ 4 knots: H2 @35Mpa: 27hr Speed @ 4 knots: H2 @15Mpa: 14hr 30m F/C Hybrid Research Vessel (Univ. Victoria, Canada) Plug-in Hybrid Green Ship Hydrogen fuel cells & low emission diesel fuel 8.5kW PEMFC System Size: 길이 : 33m & 너비 7.25 m, 15명승선 Project 예산 : $ 10 million(120억여원 ) 이상
선박용연료전지의시장성 VLCC ; Very Large Crude Carrier, 초대형유조선 2012년 LNG 선에첫적용 : 130억원 => 2015년전 LNG선적용 ( 연간건조량약 20척 ) : 2600억원 => 2020년까지연료개질장치개발및다른종류상선에도적용확대 선박수주잔량을고려하였을때, 2020년 ~2030년에는약 3~5조 / 년시장규모예상 (VLCC,LNGC,Container 선등대형상선연간건조량평균 400척에적용시, 척당 100~150억원 ) 대형선박중컨테이너선의대기오염물질배출량이많으며 ( 고속운항에기인 ), 새롭게개정된 IMO MARPOL Annex VI를적용할경우, 컨테이너선이가장먼저적용될가능성높음 향후발주량을예측했을때, 디젤엔진에서연료전지시스템으로의전환시시장성은현재의선박발전용디젤엔진산업규모와비교가능 Prediction of power source LNG using Fuel Cell Hybrid System (F/C + ESS etc.) Electric Propulsion D/G D/G +DFE DFE + F/C Hybrid Fuel Cell 2010 2020 2030
EU 의선박용연료전지시장진입전략분석 배경 현황 현재 (2010 년 ) 결과 향후파급효과 연료전지선박을계기로 EU 가극동아시아 3 국에잃어버린조선및기자재산업의회복을노림 FCShip, ZEMShip, FellowShip, Methapu Project 진행 EU 사업단형태의 e4ship project 시작함기간 : 2009 년 - 2016 년비용 : 5000 만유로 ( 약 850 억원 ) 2000 년도초반부터 10 여년간선박용연료전지및시스템개발을통한기술력축적 e4ship project 를통한원천기술및기술력확보 IMO( 국제해사기구 ) 국제규정제정관련문서제출 ( 09 년 12 월최초제안 ) IMO( 국제해사기구 ) 국제규정제정관련주도권확보 IMO 조선해운분야온실가스저감규제강화에적극적참여 해운조선시장의국제적판도를재편성 현재 EU 의선박용연료전지연구개발은향후개발에성공하면국제협약을주도하게되고친환경연료전지선박에대한건조를전세계에강요할것으로예측되며상실한조선업의부활을고려 연료전지선박을기회로 EU 의조선및기자재산업회복
선박보조전원용 MCFC 시스템개발 O 선박용연료전지시스템지침 -초안에대한내부검토및외부검토의견반영 -선급규칙으로발간완료 (2014.04.01) -지침발효시기는 2014.07.01일자로발효 O MCFC 시스템중요기기승인기준 - 초안에대한내부검토및외부검토의견반영 - 승인및검사가이드에반영예정 - 선급내부자료로활용
선박보조전원용 MCFC 시스템개발 O Barge선실증을위한연료전지시스템안전, 폭발및복원성검토 REVIEW - Barge 탑재에대한안전확보위한도면검토 - 해양수산부허가관련기술적대응 구분 Drawing No. 지적사항 ( 권유 ) 개수 LNG Fuel Supply System FCDT-DT-PID-100 22개 Air Supply System FCDT-DT-PID-200 2개 Water Supply System FCDT-DT-PID-300 2개 O 실선박적용을위한기술대응 - 연료전지시스템의에코누리호탑재관련승인사항협의 - 해양수산부허가관련기술적대응
신개념동력원선박적용기반기술개발 구분 1 차년도 2 차년도 3 차년도 연료전지복합동력원경제성평가 복합동력원테스트베드구축 연료전지복합동력원출력특성 복합동력원운항조건별부하특성 복합동력원선박탑재를위한구조분석 복합동력원최적전력관리기술개발 복합동력원전력사고영향평가 복합동력원선박탑재를위한구획설계 복합동력원전력계측시스템구축 전력사고영향및시험평가기법개발 복합동력원신뢰성평가기법개발 복합동력원선박탑재를위한구조분석 복합동력원선박탑재를위한구획설계 복합동력원안전및신뢰성기술분석 테스트베드 ESS 효율분석 Load Scenario 실험검증 리튬전지선박적용가능성분석 복합동력원정적 / 동적출력시뮬레이션 연료전지기반복합동력원소형선실험 복합동력원안전제어로직검증 연료전지기반복합동력원소형선신뢰성평가기법개발 연료전지복합동력원출력특성 복합동력원운항조건별부하특성 Fuel Cell 시스템효율분석 Fuel Cell 출력특성분석 Fuel Cell 시스템시험평가 부하추종스택모듈평가 복합동력원선박탑재를위한구조분석 복합동력원선박탑재를위한구획설계 Load Scenario 실험검증 복합동력원선박적용시스템기술자문
신개념동력원선박적용기반기술개발 Performance Evaluation Safety Evaluation Economic Feasibility Evaluation and Economic Feasibility for Marine Hybrid Power System System performance for different sailing scenarios Power quality and performance of fuel cells Safety of hybrid power system Safety (Failure rate) of fuel cells Economic feasibility of technology application for different sailing scenarios System Test Test and Possible Technology Development System performance and safety (Failure rate) for different sailing scenarios Fuel Cell Test Performance and safe operation of fuel cells Tech. Development Pilot Technology for hybrid power system boarding on ships (Division design, etc.) Technology for safe operation and optimal power management of hybrid power system Power Source Demand Estimation Hybrid Power System(pilot test facility)
연료전지 + 배터리하이브리드모형선 Test [ 제어 Diagram] [ 안전제어모니터링시스템개발 ] [ 소형선실증운항 ] [ 연료전지독립운전 ] [ 연료공급조건 ] Fuel starvation
선박 ( 유람선 ) 추진용 50kW 급하이브리드 PEMFC 시스템개발 Marine fuel cell system, 2015 Fuel cell powered passenger ship, Gold Green Hygen, 2015 Technical guidance, 2014
노길태책임연구원 2015. 09. 08 ( 사 ) 한국선급, 기술본부기관기술연구팀그린쉽기자재시험 인증센터 gtroh@krs.co.kr/070-8799-8761