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공학석사학위논문 액화천연가스연료추진시스템을적용한중형 제품유탱커의경제성에관한연구 지도교수조권회 년 월 한국해양대학교대학원 기관시스템공학과 김선태
본논문을김선태의공학석사학위논문으로인준함. 위원장 최재성 위원 조권회 위원 이강기 2015 년 6 월 18 일 한국해양대학교대학원
목 차 List of Tables ⅲ List of Figures ⅴ Abstract ⅶ 제 1 장서론 1 제2장선박대기오염물질현황및저감장치 3 2.1 대기오염물질현황 3 2.2 대기오염물질배출규제 4 2.3 대기오염물질종류및배출저감장치 7 2.4 친환경 LNG연료분석 17 제 3 장 LNG 연료추진선박 22 3.1 LNG 연료추진선박건조및운항분석 22 3.2 LNG 연료엔진개발현황 28 제4장이중연료를사용하는엔진성능분석및평가 33 4.1 개요 33 4.2 엔진제원 33 4.3 엔진성능분석 34 4.4 엔진성능평가 42 - i -
제5장 LNG연료추진선박의경제성평가 43 5.1 에너지동향및전망 43 5.2 LNG연료추진선박의기초설계 46 5.3 LNG연료추진선박의경제성분석및평가 57 제 6 장결론 75 참고문헌 76 감사의글 78 - ii -
List of Tables Table 2.1 Emission quantity of air pollution from ship 4 Table 2.2 Component of natural gas 18 Table 2.3 2006 IPCC guidelines for national GHG inventories 19 Table 2.4 Comparison of LNG vs traditional fuels 21 Table 3.1 Method of reduction NOx 22 Table 4.1 Specification of 2 stroke engine 33 Table 4.2 Specification of 4 stroke engine 33 Table 4.3 Specification fuel consumption in gas mode 38 Table 4.4 Specification fuel oil consumption in diesel mode 39 Table 4.5 Specification fuel consumption in gas mode 40 Table 4.6 Specification fuel oil consumption in diesel mode 41 Table 4.7 Specification fuel oil consumption with 6G50ME and 6G50ME-GI 42 Table 4.8 Specification fuel oil consumption with V51/60DF-ME and 12V50DF-ME 42 Table 5.1 Detailed data for four future scenarios 45 Table 5.2 Ship's particulars of MR tanker 46 Table 5.3 Overview of trade route(chiba, Rosarito, LA, Ulsan) 47 Table 5.4 Detailed data for future six scenarios 51 Table 5.5 Scenario with full steam ahead 53 Table 5.6 Scenario with knowing the ropes 54 Table 5.7 Scenario with sink or swim 55 Table 5.8 Scenario with in the doldrums 56 Table 5.9 Total additional cost of the HFO system[m$] 58 Table 5.10 Total additional cost of hybrid scrubber system[m$] 58 - iii -
Table 5.11 Total additional cost of the LNG system[m$] 58 Table 5.12 Total additional cost of HFO + hybrid scrubber & LNG system[m$] 58 Table 5.13 Annual HFO cost of MR Tanker 59 Table 5.14 Annual LNG cost of MR Tanker 60 Table 5.15 Total cost of scenario 1 [HFO and LNG] 61 Table 5.16 Total cost of scenario 2 [HFO and LNG] 62 Table 5.17 Total cost of scenario 3 [HFO and LNG] 63 Table 5.18 Total cost of scenario 4 [HFO and LNG] 64 Table 5.19 Total cost of scenario 5 [HFO and LNG] 65 Table 5.20 Total cost of scenario 6 [HFO and LNG] 65 - iv -
List of Figures Fig. 2.1 Emission control areas (ECA) under IMO Annex VI 6 Fig. 2.2 SOx Emission control time line of IMO 7 Fig. 2.3 NOx Emission control time line of MARPOL Annex Ⅵ 8 Fig. 2.4 CO 2 intensity changes in shipping after the implementation of EEDI 9 Fig. 2.5 Open loop scrubber system 11 Fig. 2.6 Close loop scrubber system 12 Fig. 2.7 Hybrid scrubber system 13 Fig. 2.8 EGR process diagram with one turbocharger of MAN Diesel & Turbo 15 Fig. 2.9 SCR system diagram of MAN Diesel & Turbo 16 Fig. 2.10 Check and stability of LNG(fire point 5~15%) 20 Fig. 3.1 Bit viking with LNG fuel 23 Fig. 3.2 Share LNG fuel ship of IMO 24 Fig. 3.3 Confirmed LNG fuelled new-builds of DNVGL 25 Fig. 3.4 LNG fuelled ships in operation worldwide of DNVGL 26 Fig. 3.5 Four steps to become LNG ready of DNVGL 27 Fig. 3.6 Dual-fuel applications ship of DNVGL 28 Fig. 3.7 DF engine with electric motor of Wartsila 29 Fig. 3.8 DF engine operation mode of Wartsila 30 Fig. 3.9 Three different possibilities for generating high-pressure gas of MAN Diesel & Turbo 31 Fig. 3.10 Announced 2-stroke gas engine of DNVGL 32 Fig. 3.11 Announced 4-stroke gas engine of DNVGL 32 Fig. 4.1 Fuel consumption and exhaust gas data(fuel oil) 34 Fig. 4.2 Fuel consumption and exhaust gas data(gas mode) 35 - v -
Fig. 4.3 Specific fuel consumption(gas and F.O. mode) 36 Fig. 4.4 Fuel consumption and exhaust gas data(diesel mode) 37 Fig. 5.1 Fuel oil type of world's energy price(2015.01.30.) 43 Fig. 5.2 Outlook for natural gas consumption around the world[ela] 44 Fig. 5.3 Tank size needed for a voyage using LNG globally 48 Fig. 5.4 Possible LNG tank locations 49 Fig. 5.5 CAPEX estimate for LNG 49 Fig. 5.6 Estimate for hybrid scrubber system 50 Fig. 5.7 Exhaust gas recirculation of MAN Diesel & Turbo 50 Fig. 5.8 Base fuel oil price scenario 1 (2015~2040) 52 Fig. 5.9 Base fuel oil price scenario 2 (2015~2040) 52 Fig. 5.10 Base fuel oil price scenario 3 (2015~2040) 53 Fig. 5.11 Base fuel oil price scenario 4 (2015~2040) 54 Fig. 5.12 Base fuel oil price scenario 5 (2015~2040) 55 Fig. 5.13 Base fuel oil price scenario 6 (2015~2040) 56 Fig. 5.14 Payback time of LNG compared to scrubber+hfo for scenario 1(264 day) 68 Fig. 5.15 Payback time of LNG compared to scrubber+hfo for scenario 1(300 day) 68 Fig. 5.16 Payback time of LNG compared to scrubber+hfo for scenario 2(264 day) 69 Fig. 5.17 Payback time of LNG compared to scrubber+hfo for scenario 2(300 day) 69 Fig. 5.18 Payback time of LNG compared to scrubber+hfo for scenario 3(264 day) 70 Fig. 5.19 Payback time of LNG compared to scrubber+hfo for scenario 3(300 day) 70 Fig. 5.20 Payback time of LNG compared to scrubber+hfo for scenario 4(264 day) 71 Fig. 5.21 Payback time of LNG compared to scrubber+hfo for scenario 4(300 day) 71 Fig. 5.22 Payback time of LNG compared to scrubber+hfo for scenario 5(264 day) 72 Fig. 5.23 Payback time of LNG compared to scrubber+hfo for scenario 5(300 day) 72 Fig. 5.24 Payback time of LNG compared to scrubber+hfo for scenario 6(264 day) 73 Fig. 5.25 Payback time of LNG compared to scrubber+hfo for scenario 6(300 day) 73 - vi -
A Study on Economic Efficiency of MR Tanker Using Liquefied Natural Gas Fuelled Propulsion System Kim, Sun Tae Department of Marine System Engineering Graduate School of Korea Maritime National University - vii -
KEY WORDS : LNG fuelled propulsion system 액화천연가스연료추진시스템 ; MR tanker 석유화학제품선 ; Economic efficiency 경제성 ; Capex 초기투자비용 ; Opex 유 지관리비용. - viii -
제 장 서론 과거에는선박용디젤엔진에서배출되는유해물질의규제가육상에비해완 화되거나규제대상에서제외되어선박주에너지원으로가격이상대적으로저 렴하고운송과저장이편리한중유 를사용해왔다 그 후선박으로부터대기오염방지를위해국제해사기구 해양환경보호위원회 는 년 월 일이후용골거치 되는선박에대해질소산화물배출규제 단계 요건을도입하였다 그러나 년 월에개최된해양환경보호위원회 차회의에서장비와기술 비용장벽에관한우려를이유로 의 규칙에규정하는 의적용일을 년에서 년으로유예하자는수정안을제안하였으나최근에개최된 년 월해양환경보호위원회 차회의에서질소산화물 배출규제 단계를 년 월 일부터시행하자는기존안을만장일치로승인하였다 이에따라배출가스규제지역인북미연안및카브리해를 년 월 일부터통항하는선박은 수준보다총량대비질소산화물배출량을 이상을감축해야한다 또한 년이후미국해안지역을운항하는모든외항선은미국의환경보호법으로규제하고있어미국연안에서남미로또는유럽으로항해하는 탱커역시환경보호법규제의대상이되어톤당 달러수준의저유황유또는 를선박연료로사용해야한다 이러한배경으로해양환경보호위원회 차에보고된질소산화물및황산화물저감기술현황은배출가스재순환장치 선택적촉매환원장치 스크러버장치를설치하는것과친환경연료 를사용하는방법이보고되었다 현재배기가스후처리장치는배출가스규제를만족시키고있으나 앞으로강화되는배기규제를만족시키기에는비용및기술적측면에어려움이있다 그래서국제환경기준을충족할수있는 연료추진선박이실용화되고있다 이러한환경적요인으로선박추진연료의패러다임이변화하고있으며청정에너지인 연료 - 1 -
추진선박의증가와더불어이에대한경제성에관한연구가필요한실정이다 본연구에서는배출제한지역및미국연안을운항하는 탱커에황산화물배출규제에만족할수있는 연료추진시스템설치또는디젤연료추진시스템에스크러버시스템을추가설치하였을때유가전망에따라초기투자비용과유지관리비용을분석하여두추진시스템의경제적인영향과이득을고찰하고자한다 이는친환경 연료추진시스템을적용한 탱커선박건조시향후해운선사가합리적인대응방안을제시할수있는유용한자료가될뿐만아니라환경규제에대응할수있다고사료된다 - 2 -
제 장선박대기오염물질현황및저감장치 대기오염물질현황 국내의대기오염물질은자동차 항공기 오토바이등육상교통수단으로부터상당한부분이배출되며그중일정부분은선박으로부터배출되는것으로추정된다 선박으로부터대기오염배출량에대한정확한기록은확보되지않고있으나 년 월 일미국의제임스코벳과폴휘스백이미국학술지사이언스에기고한연구결과에따르면디젤엔진을사용하는화물선이단위연료당가장많은양의대기오염물질을배출하고있는것으로알려져있다 선박으로부터배출되는대기오염물질량을추정하면전세계적으로선박에의해서방출되는질소배출물의양이미국전역에서방출되는양의 유럽국가들에서방출되는대기오염물질의 를차지하는것으로나타났다 또한 황산화물의경우미국전역에서배출되는전체량의 에이르며북미에서배출되는양의 에이른다 이양은유럽의 국가에서배출되는것의 에이르고독일만을기준으로할경우에는 로나타났다 앞으로선박의경우세계물동량수송의 이상을담당하고있어운송량증가에따른대기오염물질의양도증가할것으로예상하고있다 은 년전세계에서사용된벙커유를 억 만톤으로추정하여선박엔진에서나오는환경오염물질의방출량과세계에서연간방출되는환경위해물질을나타내었다 - 3 -
대기오염물질배출규제 국제해사기구는지구환경을보호하고대기오염을억제하기위한각종규제를제정하고각종오염물질배출저감을위한다양한처리기술들을개발하고있다 특히 지구환경보호가전세계적인문제로대두되면서환경및대기오염방지기술확보는세계화시대에경쟁력을유지하는데필수적인조건이되고있다 이와같은지구환경보호및대기오염방지에있어서해상을운항하는선박도예외일수는없어서 국제해사기구에서는 년노르웨이가선박으로부터대기오염방지에관한검토를처음제의한후 년대초부터이에관한규제를위한작업을본격적으로하였고 년 월에선박으로부터대기오염방지규칙이제정됨에따라선박에의해발생하는대기오염을규제하게되었으며 동부속서는 년부터발효되었다 선박배기가스중에포함된황산화물과질소산화물의배출을줄이기위하여황함량이낮은선박연료유를사용하도록규제하고질소산화물의배출허용치를만족하는기관의사용을의무화하기도하였다 또한선박으로부터배출되는모든종류의대기오염물질을규제한다는계획아래배출가스외에도휘발성유기화합물 등의배출규제뿐만아니라선박에서발생하는폐기물에대해 - 4 -
서도소각을금지하는등의대기오염방지를위한조치를도입하였다 이중에서도황산화물과질소산화물은선박의엔진이운전되면배출이불가피하므로최우선적으로규제의대상이되고있다 특히 항만지역은많은관련산업체와주변지역의상업활동으로인한인구밀집지역인곳이많으므로선박의입출항 및정박중에이들대기오염물질의배출이억제되어야할상황이다 지구온난화에대한관심이전세계적으로높아지고지구온난화가스배출규제에대한압력이증대함에따라국제해사기구에서는국제항해선박으로부터이산화탄소배출감소를위한방법을기술면 운항별 이산화탄소저감효과등의관점에서해양환경보호위원회에서중점적으로논의되고있다 선박의운항에따라이산화탄소이외에도메탄 일산화이질소 등의지구온난화가스가배출되고있다 특히 이산화탄소이외에향후큰배출이예측되는것은메탄 일산화이질소 의세가지물질이다 이들은지구온난화효과가있어상대적으로소량이지만큰지구온난화에크게영향을줄가능성이높다 국제해사기구는 년제네바에서해양안전을개선하기위해신설되었으며 선박으로부터의해양오염에대한안전과보안의일을하고있다 또한 국제해사기구해양환경보호위원회는 년 월에신설되었으며 선박으로부터의해양환경오염의방지와조절에대한조직의활동들을조정하는일을수행하고있다 국제해사기구는 개의규약과프로토콜들을제시했고 개이상의코드들과권장사항들을채택했다 선박으로부터의해양오염을막는국제협정은 년이논의를통해결정되었다 기존의협정은기름에의한오염에국한되었으나 은화학적인오염뿐만아니라 폐기물이나하수와같은다른해로운물질들에대해서도규제할수있다 - 5 -
프로토콜은 개의과학기술부속서를가지고있다 부속서 는 년 프로토콜에추가되었는데이부속서는선박의이산화황배출량을제한할뿐만아니라질소산화물과다른입자상물질들을제한하고 오존파괴물질의배출을금지한다 부속서 의규정은특별배출제한지역의내용을따른다 은배출제한지역인발트해 북해 북미연안을나타내었다 - 6 -
대기오염물질종류및배출저감장치 대기오염물질종류 황산화물황성분이포함된화석연료의연소과정에서발생하는황과산소와의화합물을총칭으로황산화물하며이산화황 삼산화황 황산과황산구리도여기에포함된다 이물질은산성비및엽록소파괴를유발및인체에점막을자극시키는대기오염물질로서주요한원인이된다 이러한영향에따라 년 월개최된해양환경보호위원회 차에서 선상배기가스황산화물세정장치에대한지침서 부터논의되어해양환경보호위원회 차에서연료내황함유량에대한제한치설정하였다 해양환경보호위원회 차에서채택된결과는 와같으며 연료내황함유량에대한제한조치에대한대응방법으로는낮은황을함유한연료사용이황산화물감소시키는가장효과적인방법으로연구되고있다 즉 를저유황디젤유 혹은 등의가스연료로변경하는것이다 - 7 -
질소산화물대기중에존재하는질소산화물은일산화질소 와이산화질소 로주로구성되어있으며물과반응하여산성비주요원인인질산 을만들어낸다 또한물과질산이섞이면오존층의파괴하는물질 생산되어지구촌과인체에많은영향을미친다 이러한영향에따라 년 월개최된해양환경보호위원회 차에서질소산화물배출의미래제한치권고및감소를위한관련기술을검토를시작으로 년 월해양환경보호위원회 차에신조선에대한질소산화물배출제한이결정되었다 그후해양환경보호위원회 차에채택되었다 과같이 년 월 일이후용골거치되는선박은질소산화물을 보다 규제를적용하여약 를감축해야한다 질소산화물저감에대한대응기술은여러가지있으나질소산화물저감제등첨가제사용은별다른효과가없으며 선택적촉매환원장치는질소산화물저감률이 높으나높은투자비와설치공간이필요하다 이외에도배출가스재순환장치 연료전지 친환경연료등을사용하는방법과연소안정성범위내에서질소산화물을저감시키기위한엔진의연소속도를증가시키는방법이있다 - 8 -
온실가스이산화탄소는온실가스중온난화지수는가장낮지만산업발전에따른화석연료의사용량증가로인해대기중에배출되는양이증가하고있다 또한지구의온실효과기여도가가장높은물질로지목되고지구로부터방출되는장파장의복사에너지를흡수함으로써지표면의온도는높이는주된원인이된다 이러한영향에따라 와같이 년 월 일이후총톤수 톤이상의선박은에너지효율설계지수 와선박에너지효율적관리계획서 가적용되고있다 온실가스배출가스감축에대한가장효과적인방법은청정에너지 연료를선박연료로사용하는것이며 추진연료로사용하는경우기존석유계연료에비해매연과이산화황배출이거의없고온실가스는 이상감축할수있다 - 9 -
대기오염물질배출저감장치 황산화물배출저감장치 스크러버습식세정기 는배기가스로부터황산화물을제거하기흡수제의일부와배기가스가접촉하게된다 가장일반적인흡수제는바닷물또는정수된물을이용한다 해수스크러버는보통개방형 으로서해수를이용하게되며 밀폐형 의경우물은선박내에서처리되어생산되며지속적으로재순환된다 밀폐형시스템은스크러버재순환을위해배기가스를처리한물의입자상물질및기타잔류물을제거해야하고 를유지해야한다 습식세정기는배기가스세척시스템과스크러버공정을수행하는데사용하는흡수제의상세설계에는상당한차이가있을수있지만 모든습식세정기는같은기본적인화학공정을사용하여작동한다 또한 일반적으로물분사를통해물과배기가스를접촉시키거나캐스케이드시스템을통해배기가스에포함된수용성가스를용해함으로써대기오염물질을제거하게된다 그러나일부스크러버는배기가스가스크러버내의충진물을위로통과하고아래로흡수액이흐르면서기체와액체의접촉반응에의해수용성물질이제거되기도한다 개방형스크러버의경우 와같이선박주변의해수를이용하여배기가스를처리하는방식으로해수의고유알칼리성을이용하여황산화가스를세정한다 이과정에서바닷물을펌프를이용하여스크러버로이동시키고스크러버내에베플 로구분된섹션에서해수와가스가접촉함으로써유해가스가제거된다 이후해수는스크러버내에서중력작용에의해각단계로이동하며배기가스를제거한후생성된폐수는바다로배출하기전에반드시처리되어야한다 폐수는사이클론을이용하여입경이큰입자상물질을분리하고슬러지는중력에의해제거된후탱크에저장된다 입자상물질을제거하는과정중폐수에바닷물을유입시킴으로써폐수의농도를배출허용기준에만족시킬수있을정도로희석시키며바다로배출시킨다 - 10 -
밀폐형스크러버시스템의경우 개방형시스템과는달리황산화물규제가엄격한배출제한지역에서높은효율로이산화황을처리하기위해알칼리성흡수제를적용하는기술이다 은수산화나트륨 흡수제를이용한밀폐형스크러버를나타낸것으로밀폐형스크러버가개방형스크러버와같은처리효율을달성하기위해서는흡수액이절반정도소모된다 그이유는청수에수산화나트륨을직접주입함으로써알칼리도를일정한수준으로유지하기때문이다 하지만이산화황의제거효율및제거량에따라화학시료투입을달리할필요가있다 밀폐형스크러버는이산화황이수산화나트륨과결합하게되고해수의자연중탄산염과반응하지않기때문에이산화탄소가방출되지않는다 - 11 -
청수는수산화나트륨을투입하여혼합한후에펌프를이용하여스크러버에주입시키고이는개방형스크러버와동일하다 하지만스크러버에서오염물질을제거한후나온폐수는온도가높은상태이므로 재순환및이산화황제거를위해서는온도를낮춰줄필요가있다 이를위해해수와열교환장치를이용하여흡수액의온도를감소시킨다 흡수제는스크러버에서황산화물과의반응으로인해수산화나트륨이소모되므로지속적으로수산화나트륨을투입함으로써일정한 를유지하게된다 또한폐수처리를통해소모된물을보충하기위해청수도지속적으로주입하게된다 폐수처리시스템은주로원심분리기를이용하여폐수내입자상물질을제거한다 폐수내입경이큰물질은주로연료내에포함되거나연소로인해생성된입자상물질이다 - 12 -
혼합스크러버시스템 은선박이어디에있던관계없이같은효율로스크러버작동할수있고물의배출이거의없어근해 항만과내륙에적합한장점을가지고있다 또한개방형스크러버의경우같이해수를활용함으로써알칼리흡수제제조에소모되는비용을줄일수있기때문에 과같이혼합스크러버시스템을제안하였다 에서볼수있듯이해수를흡수제로공급할수있는시스템과청수와수산화나트륨을흡수제로활용할수있는공급라인이동시에설계되어있는구조이다 선박이바다에서운항중인경우개방형스크러버를 배출제한지역에서는밀폐형스크러버시스템을작동한다 밀폐형스크러버시스템에서개방형스크러버로전환하기위해서는열교환장치와같은몇가지부속장치가필요하다 혼합시스템의장점으로배출제한구역에서밀폐형스크러버시스템으로가동하면서선박내탱크에폐수를저장하고선박이배출제한지역을벗어나게되면개방형스크러버시스템으로전환함과동시에폐수를방류시킬수있다 이러한혼합기술을사용하게된다면황산화물배출및폐수방류기준을만족시킬수있으며환경문제및경제성문제를해결할수있을것으로예상된다 - 13 -
질소산화물배출저감장치엔진에서질소산화물의발생량은연소가저온에서이루어지느냐고온에서이루어지느냐에따라달라진다 즉 엔진의압축비와연소압력에따라그질소산화물의양이결정이된다 고온연소 에서는다량의질소산화물과소량의미립자가발생하며저온연소 에서는소량의질소산화물과다량의미립자가발생한다는것이다 따라서엔진이저온에서의연소가이루어진다면다량의미립자를걸러주기위한장치가필요하며 고온연소가이루어진다면다량의질소산화물이발생하기때문에그다량의질소산화물을줄이기위한장치가필요한것이다 이러한특성에따라서배기가스처리방법이배출가스재순환장치 선택적촉매환원장치등으로나눠지게된다 배출가스재순환장치 배출가스재순환장치는엔진의배기가스를재순환시키는방식으로엔진에서연료가연소되며발생한배기가스의일부를냉각시킨뒤연료와썩어엔진내부로재투입시켜연소되게함으로서배기가스에포함되어있는질소산화물이저감되도록하는유해가스저감장치이다 배출가스재순환장치의기본원리는재순환배기가스의높은열용량과낮은산소함량이연소실의최고연소온도를낮춤으로써열에의한질소산화물을형성을억제하는것이다 은 이하 사엔진이설치된 컨테이너선박에 테스트를하기위한배출가스재순환장치의배치도이다 배출가스재순환장치는집진기 냉각기 습기채집기 송풍기 차단밸브 전환밸브 수처리장치 수산화나트륨조사시스템 정수기등의구성으로이루어진다 배출가스재순환장치의단점으로는시스템이가동됨에따라질소산화물의양이줄어들지만연료소비율이증가하여전체적인효율감소를초래한다는것이다 그리고연소가스의재순환방식을사용하고있으므로연소가스자체가다시연소실안으로들어오게되며 배기가스를식히는과정에서생성되는산성물질이각종마운트와가스킷을손상시킬수있다 또한산성물질은엔진오일교환주기를감소시키며고급오일을사용해야할필요성이있어서전체적인유지관리비용이증가하게되고 황산화물질을줄이기위하여초저유황경유가필요하다는것이다 - 14 -
선택적촉매환원장치 질소산화물을저감하는방식으로는다른한가지는선택적촉매환원장치를이용하는것이다 화석연료의사용에따라발생하는질소산화물은대기중으로배출되기전에질소 와산소 등유해하지않은물질로환원과분리시켜줘야하는데 이를위하여촉매장치를이용한환경설비가바로선택적촉매환원장치이다 이장치방식은배출가스재순환장치방식보다연소압력과압축비가상승하며 엔진의열효율이증가하여연비적인측면이우수하다는장점이있다 에서와같이선택적촉매환원장치에서연소후배출가스에포함된질소산화물은촉매를통과하기전에암모니아 요소 알콜혹은탄화수소화합물등여러환원제중하나와반응하여환경에무해한질소와물로전환하게된다 선택적촉매환원장치에의한질소산화물의감소는특정온도범 - 15 -
위내에서반응이일어나게되는데 만약온도가너무높으면암모니아는일산 화질소 이산화질소와반응하기전에폭발하게되며온도가너무낮으면반응 속도가너무낮아지고황산암모늄의응축에의해촉매가손상될수있다 - 16 -
친환경 연료분석 연료특징지하에서직접채취되는가스의총칭이지만보통으로자연에서생산되는가스를가리키는수가많다 성분은산지나시기에따라다소차이가있지만메탄을주성분으로하는비교적발열량이큰기체연료로서 일반적인조건에서연소시키기쉬울뿐만아니라연소가스에의한대기오염도그렇게문제가되지않는청정연료이다 천연가스를상압 로냉각하여액화한것을액화천연가스라고하며액화에의해그체적은기체일경우약 로되므로대량의천연가스를수송및저장할수있다 이특성을이용하여유황분등의불순물을제거하여정제하였으므로청정의석유대체연료일뿐아니라수소 메탄올 암모니아 아세틸렌등의화학연료용이다 가스화할때발생되는냉열 증발잠열 은냉동 냉장산업등에사용되고있다 육상에서 정도로압축한압축천연가스가주로사용되고있다 천연가스는메탄을주성분으로하는건성가스와메탄 에탄 프로판이상의고급탄화수소를포함하는습성가스로분류할수있고 산출의형태에따라유전가스 수용성가스 탄전가스로크게구분된다 유전가스에는원유중에용해되어있던것이원유를채취할때에분리되어나온가스 석유수반가스 나원유층위에가스갭내에존재하는가스 구조성가스 가있다 석유수반가스는메탄과에탄외에프로판이나부탄등이함유되어있어서단위체적당발열량이크고가압하면상온에서액화하므로습성가스라고도한다 한편구조성가스는고급탄화수소의함유량이비교적작다 수용성가스는지하채수때에분리되어나온가스로서순수메탄에가깝고고급탄화수소를거의포함하지않는가스이다 탄전가스는석탄층이나협찬탄층부근에서산출되는가스로서메탄을주성분으로하고고급탄화수소를거의포함하지않은기체연료이다 즉 수용성탄전가스는메탄을주성분으로 - 17 -
산소 질소등을품고있으나상온에서는가압하여도액화하지않으므로건성 가스라고도한다 천연가스의한예를 에나타내었다 연료발열량발열량은연료의단위량 기체 고체 액체 이완전연소할때발생하는열량으로서 또는 으로표시하며 고위발열량은열량계로측정되며총발열량이라고한다 연소에의하여생성된연소가스중에는수분이포함되는데이것은연료중의수소분이타서생성되는것과연료중에함유된수분이가스로배출하며 고위발열량은연료중의수분및연소에의하여생성된수분의응축열 증발잠열 을함유한열량이다 실제연소에서는연소가스중의수분은연소에사용되지않고수증기상태로배출되기때문에응축열은실제연소에이용되지않는다 저위발열량은고위발열량에서수분의응축열을공제한잔여열량으로서엔진연료선정시중요한기초자료로이용된다 실선에서많이사용중인연료인중유는탄화수소분자길이는다양하게나오지만대략적으로원소분석에의한성분은탄소 수소 - 18 -
유황 산소 질소 회분 이며 비중은 발열량은 전후이다 발열량은가스를액화하는데사용되는공정과사용하는가스원에따라달라지며레인지는 퍼센트의유동적인범위를가질수있다 은 가이드라인에서제시하는저위발열량 에너지기본법시행규칙제 조 항 의전형적인값을나타내었다 IPCC Energy fundamental law(korea) unit Lower calorific value crude oil crude oil MJ/kg 42.3 gasoline(motor gasoline) gasoline MJ/L 31.0 shale oil MJ/kg 36.0 gas/diesel oil resident fuel oil diesel fuel oil MJ/L 35.4 B-A MJ/L 36.6 B-B MJ/L 38.1 B-C MJ/L 39.1 natural gas liquids MJ/kg 44.2 natural gas liquefied petroleum gases natural gas liquefied petroleum gases MJ/kg 49.2 MJ/ m3 40.0 MJ/kg 46.3 ethane MJ/kg 46.4 bitumen asphalt MJ/kg 39.1 lubricants lubricants MJ/L 36.2-19 -
연료의위험요소 가선박추진연료로서사용함에따른위험요소는 의 가노출될경우사람이얼어붙고철소재장비가부서지면서또다른피해를발생시킬수있으며 가새어흐르면서화재와폭발의위험성이발생한다 과같이 의주된성분은메탄으로새어나가게되면기화하면서공기와만나섞이게되며공기와메탄가스가섞이는정도에따라가스의비중이 미만이면 로발화범위아래가되고 에서는 로발화범위가된다 가장위태로운천연가스는공기에 가되는시점이다 가새어나가면빠르게증발되고흩어지며점화를일으킬만한재료가있을경우에만폭발이가능하다 이경우에도건물혹은선박내부와같은폐쇄된곳이아닐경우에는격렬한폭발이나타나지는않는다 다만 범위내의가스가혼합된공기에서는불꽃이일고 가소진될때까지불이날수있다 - 20 -
연료장 단점선박에서사용되는연료별장단점을분석하면 는비중이 정도에서 이상이며 톤당가격이 보다저렴하여연료비절감이뛰어나다 또한선박연료로전세계적으로가장많이소비되기때문에이에따른인프라가잘구축되어있으나 많은배기가스유해물질로환경규제대상이되고있다 경우는배기가스유해물질이 에비해상대적으로적어황산화물에대한규제에대한대응은필요없으나 높은연료비와질소산화물환원작용이필요하여높은투자비와설치공간이필요하다는단점이있다 연료인경우 요구사항인황함유량제한치 보다낮은 로환경규제와경제적측면에서는 및 에비해효과적이나초기인프라구축에높은투자비용이필요하다는단점이있다 이러한선박연료별장단점을 로정리하였다 - 21 -
제 장 연료추진선박 연료추진선박건조및운항분석 국제해사기구에서환경유해물질배출규제강화움직임에따라선박엔진제조사들은유해물질배출저감과동시에엔진성능및신뢰성향상을위한기술개발을진행하고있다 현재까지기술개발중이산화탄소감축방법으로는저유황중유를대신한친환경액화천연가스를이용 디젤과전기의혼합추진체사용 지능형열재생시스템과증기터빈을결합한디젤혼합사이클이용등이있으며 황산화물배출규제치를만족할수방법으로는저유황연료를이용하는방법이황산화물배출감축을위한가장효과적이며간단하다 질소산화물배출량을줄이기위한주요방법은 과같이배출량에영향을미치는엔진인자들을최적화하여연소시형성되는질소산화물을줄이는방법과질소산화물배출가스후미에서처리하는방법등이있다 - 22 -
선박건조세계최초의 연료추진선박은 년노르웨이에서건조된 호로페리선이며 년현재운항중인 연료선박의수는약 여척에이른다 특히 의 호는주요기계장치가 연료를연소시킬수있도록개조된세계최초의선박이다 현재는대형 탱크 인 개 가갑판위에장착되어 일동안 연료를사용할수있는초대형컨테이너선이현실화되고있다 또한 년전세계적에서처음으로 가대우조선해양에 엔진의 선을발주하였으며 년에는 선외에처음으로 를추진연료로하는컨테이너선을미국 사가 조선소에 엔진이장착된 급컨테이너선을 척이발주했다 대우조선해양자회사인디섹이설계와구매를담당하며첫선박은 년 분기 두번째는 년 분기에인도예정이며 추가발주움직임이늘어나는가운데 월들어미국 사도 를연료로사용하는 급 척을발주한것으로확인된다 - 23 -
를보면 연료사용하는선박의선종별보유량을보면컨테이너선에서벌크선과유조선으로확대될것이다 조선소입장에서발주량이많거나척당조선가가높은 연료선박의비중은늘어날것이다 또한선종별 연료를사용하는선박의비율이 이상인순서는크루즈선이그리고는컨테이너선 원유운반선 벌크선순으로나타낼전망이다 (year) - 24 -
년 월 일기준으로 연료를사용하는 년부터 년까지선박의건조현황 을분석하면 선은 자동차 여객운반선 컨테이너선 기타 로나타났으며선급은 기타 로구성되어있다 - 25 -
선박운항 년 월 일기준으로 연료를사용하는운항현황 를분석하면자동차 여객운반선 기타 이며 연료를사용하는대부분의선박은자동차 여객운반선으로확인되었다 또한선박이등록된선급은 기타 로구성되어있으며 국내에서운항되는선박은인천항만공사의에코누리 척으로조사되었다 - 26 -
선박건조절차 연료를사용하는선박건조절차는 와같이연료결정지원 개념재검토 원칙승인 위험평가 와선급승인 으로나타내며 이과정을통과하면 연료를사용하여운항이가능하다 - 27 -
연료엔진개발현황 행정이중연료엔진최근이중연료엔진과가스엔진에대한연구가 과같이부유식오일생산선박 저장장치 해양지원선 탱커등에적용되고있다 이중연료엔진의주요생산업체는 사등이있으며가스엔진은롤스로이스 사등이선박에가스엔진을보급하고있다 현재노르웨이의 해양작업지원선 대형 캐리어선박등이가스엔진을적용하였고최근롤스로이스사의 를연료로하는 가스엔진을장착한 연안용 소형 선등이건조되어운항하고있다 - 28 -
현재 사와 사가제품화하여활발하게보급하고있는선박용 행정이중연료엔진을보면 이중연료엔진과전기추진전동기를장착하여선박을추진하고있다 또한 엔진과 엔진은거의채용되지않고있으며 엔진이많이채용되고있다 이중연료엔진의가스모드시점화오일로사용되는연료는 에서중유까지사용이가능하며사용량은초창기 에서 로감소되었다 선에서이중연료엔진을장착하고전기추진을하는개략도를 로나타내었다 - 29 -
엔진가스모드운전시오토사이클에서가스와공기의연소가이루어지며 파일럿연료에의해점화된다 디젤모드에서는디젤사이클로운전되며 일반디젤엔진운전형태와동일하다 또한 와같이가스모드에서는 형 미만의부하에서는 분후에자동으로디젤모드로전환하게되어있으며 디젤모드에서운전중 형 이하의부하가되면조작에의해출력과속도의손실없이가스모드로전환할수있다 - 30 -
행정이중연료엔진선박에사용하고있는 행정저속디젤엔진열효율은선박엔진중에서가장높은것으로알려져있다 를연료로사용하는 사의 행정저속디젤 엔진은이미발전소의원동기로사용되고있으며 현재 행정저속디젤 엔진보다출력및효율면에서향상된하이엔드급엔진이등장하였다 는 및 사용이가능한 인고압형 엔진이다 엔진은 행정 엔진에는없는가스와중유를중부하영역이상에서함께연소시키는형태도가능하다 또한 는 년에카타르가스프로젝터를통해 행정 엔진을 대를공급하였으며 향후 엔진으로의전환을고려한 대엔진을추가주문하여 행정 엔진에가스를적용할수있는기술력을구축하였다 또한국내에서는최근대우조선해양은자체개발한고압연료분사장치 천연가스재액화장치를 에적용하고있다 - 31 -
친환경엔진개발현황 연료를사용하는선박엔진의제조사별모델명과출력에대해 으로나타냈다 - 32 -
제 장이중연료를사용하는엔진성능분석및평가 개요 본연구에서는이중연료를사용하는 행정 엔진과 엔진의 및선행연구결과를사용하여엔진효율을고찰하였으며 그값을 장 연료추진선박의경제성평가에대한기초자료로사용하였다 또한이중연료를사용하는 행정및 행정엔진에서가스모드와디젤모드시엔진효율을분석하였다 엔진제원 은 사의 행정 및 엔진의제원이며 는 이중연료를사용하는 및 사의 행정엔진의제원을나타내었다 - 33 -
엔진성능분석 행정 및 엔진성능분석 엔진 은 사의컴퓨터프로그램을사용하여 엔진의운전성능을분석한자료이다 이엔진에서디젤연료소비율은 부하에서 로가장낮은연료소비율을나타났으며 의부하에서는 이다 또한엔진부하 에서디젤연료열량은 이며 엔진효율은 로확인하였다 - 34 -
엔진 가스모드 은 사의컴퓨터프로그램을사용하여 엔진의가스모드시운전성능을분석한자료이다 이엔진에서가스연료소비율은 부하에서 로가장적은것으로나타났으며 의부하에서는 이다 또한파일럿연료소모량은부하 에서 로가장적으며 부하가낮을수록증가하는것을확인하였다 엔진부하 에서가스연료열량은 파일럿연료열량은 이며 총소비되는열량은 엔진효율은 로확인하였다 - 35 -
은 사에서 및 엔진의가스모드 디젤모드시연료소비율에대한선행연구결과이다 이연구결과에서도가스연료소비율은약 부하에서 로가장낮은것으로나타났으며 의부하에서는 이다 또한파일럿연료소모량은부하 에서 로확인하였다 의 사의컴퓨터프로그램을사용한가스연료소비율과선행연구결과값의차이가무시할수있을정도로판단되며 파일럿연료소모율은컴퓨터프로그램을사용하였을때 가많은것으로확인되었다 - 36 -
디젤모드 사의컴퓨터프로그램을사용하여계산한 엔진의디젤모드시연료소비율및엔진효율은 의 엔진의성능과동일한것으로확인하였으며 그값을 로나타내었다 또한 사에서 및 엔진에서디젤모드시연료소비율에대한선행연구결과 는 의 엔진연료소비율값과오차가 로매우작아 엔진의성능과동일한것으로판단할수있다 - 37 -
행정이중연료엔진성능분석 엔진 가스모드 는 사에서제공한 엔진의가스모드시성능자료이다 이엔진에서가스연료소비율은 부하에서 로가장낮은연료소비율을나타났으며 의부하에서는 이다 또한파일럿연료소모량은부하 에서 로연료소비율가장낮으며 부하가낮을수록증가하는하는것을확인하였다 엔진부하 에서가스연료열량은 파일럿연료열량은 이며 총소비되는열량은 엔진효율은 로확인하였다 Load 100% 85% 2) 75% 50% 25% Natural gas g/kwh 147.86 147.12 149.84 156.32 174.78 kj/kwh 7,393 7,356 7,492 7,816 8,739 Pilot fuel g/kwh 2.0 2.4 2.7 4.1 12.6 kj/kwh 86 101 114 172 540 Total = a + b 1) kj/kwh 7,479 7,457 7,606 7,988 9,279 Based on reference conditions, see table Reference conditions. Tolerance for warranty +5 %. Gas LHV 50,000 kj/kg Pilot fuel LHV 42,700 kj/kg Note! The additions to fuel consumption must be considered before the tolerance is taken into account. 1) Gas operation (including pilot fuel). 2) Warranted fuel consumption at 85 % MCR. - 38 -
디젤모드 는 사에서제공한 엔진의디젤모드시성능자료이다 이엔진에서디젤연료소비율은 부하에서 로가장낮은연료소비율을나타났으며 의부하에서는 이다 또한파일럿연료소모량은부하 에서 로연료소비율가장낮으며 부하가낮을수록증가하는하는것을확인하였다 엔진부하 에서디젤연료열량은 파일럿연료열량은 이며 총소비되는열량은 엔진효율은 로확인하였다 Load 100% 85% 2) 75% 50% 25% Main fuel g/kwh 181.3 180.4 187.1 188.7 209.3 kj/kwh 7,740 7,706 7,991 8,059 8,939 Pilot fuel g/kwh 2.2 2.6 2.9 4.3 8.7 kj/kwh 95 109 124 186 371 Total = a + b 1) g/kwh 183.5 183 190 193 218 kj/kwh 7,835 7,815 8,115 8,245 9,310 Based on reference conditions, see table Reference conditions. Tolerance for warranty +5 %. Main & Pilot fuel LHV 42,700 kj/kg Note! The additions to fuel consumption must be considered before the tolerance is taken into account. 1) Diesel oil operation (including pilot fuel). 2) Warranted fuel consumption at 85 % MCR. - 39 -
엔진 가스모드 는 사에서제공한 엔진의가스모드시성능자료이다 이엔진에서가스연료소비율은 의부하에서는 이며 파일럿연료소모량은부하 에서 로연료소비율가장낮으며 부하가낮을수록증가하는하는것을확인하였다 또한 엔진부하 에서가스연료열량은 파일럿연료열량은 이며 총소비되는열량은 엔진효율은 로확인하였다 Load 100% 75% 2) 50% Natural gas g/kwh 146.27 149.71 155.86 kj/kwh 7,258 7429 7734 Pilot fuel g/kwh 1.0 1.5 2.4 kj/kwh 42 61 96 Total = a + b 1) kj/kwh 7,300 7,490 7,830 Based on reference conditions, see table Reference conditions. Tolerance for warranty +5 %. Gas LHV 49,620 kj/kg Pilot fuel LHV 42,700 kj/kg Note! The additions to fuel consumption must be considered before the tolerance is taken into account. 1) Gas operation (including pilot fuel). - 40 -
디젤모드 은 사에서제공한 엔진의디젤모드시성능자료이다 이엔진에서가스연료소비율은 의부하에서는 이며 파일럿연료소모량은부하 에서 로연료소비율가장낮 으며 부하가낮을수록증가하는하는것을확인하였다 또한 엔진부하 에서디젤연료열량은 파일럿연료열량은 이며 총소비되는열량은 엔진효율은 로확인하였다 Load 100% 75% 50% Main fuel g/kwh 189.0 194.5 197.6 kj/kwh 8,070 8,305 8,438 Pilot fuel g/kwh 1.0 1.5 2.4 kj/kwh 42 61 96 Total = a + b 1) g/kwh 190.0 196.0 200.0 kj/kwh 8,112 8,366 8,534 Based on reference conditions, see table Reference conditions. Tolerance for warranty +5 %. Main & Pilot fuel LHV 42,700 kj/kg Note! The additions to fuel consumption must be considered before the tolerance is taken into account. 1) Diesel oil operation (including pilot fuel). - 41 -
엔진성능평가 행정엔진성능평가 은 사의 엔진및 엔진성능분석결과를나타내었다 Maker SFOC SGC Efficiency Oper. (g/kwh) (g/kwh) (kj/kwh) (%) mode 6G50ME 168.0-7,173.60 50.18 Diesel MDT 6G50ME-GI 5.0 1) 138.3 6936.35 51.19 Gas 168.0-7,173.60 50.18 Diesel 1) SPOC : Specific Pilot Oil Consumption (LCV: 42,700 kj/kg) * including calorific value of pilot fuel 행정엔진성능평가 은 사의 엔진및 사의 엔진성능분석결과를나타내었다 MDT Maker V51/60DF-ME SGC SPOC Cal. value * Efficiency Oper. (g/kwh) (g/kwh) (kj/kwh) (%) mode 147.86 2.0 7,479.00 48.14 Gas 181.30 1) 2.2 7,835.00 45.95 Diesel Wärtsilä 12V50DF-ME 146.27 1.0 7,300.00 49.32 Gas 189.00 2) 1.0 8,112.00 44.38 Diesel 1) & 2) SFOC : Specific Fuel Oil Consumption (LCV: 42,700 kj/kg) * including calorific value of pilot fuel - 42 -
제 장 연료추진선박의경제성평가 에너지동향및전망 에너지가격동향 국제유가동향최근국제유가는지속적인하락속에 년 월 일싱가포르기준 은톤당 은톤당 은톤당 로거래되고있다 또한 원유의톤당가격을 가격을나타내는 로분석하면비중이 인 톤은 비중이 인 톤은 비중이 인 톤은 로환산하였다 그값에연료별저위발열량값 과 환산계수 에적용하여 로나타내었다 - 43 -
국제에너지소비전망세계주요에너지자원중석유와석탄다음으로많은비중을차지하고있는것이천연가스이다 주요기관들의전망자료들대부분이천연가스의가파른소비증대를예상하고있으며특히 원자력의안전에대한불확실성이부각될수록천연가스는더욱주목받을것으로판단한다 그러나 등주요전망기관이아직까지는선박의연료로서 의소비를추정하고있지는않다 다만 에서소개되는바와같이육상운송수단의연료로천연가스의소비가늘어날수있음을전망하고있다 국제유가전망세계경제의전망 산유국의오일정책및미국의셰일가스등의경제적 정치적영향에따라선박연료시장이급변하여미래의유가를예측하는데어려움이있다 그러나세계시장에서오일과가스의생산비용은앞으로도지속적으로증가하므로선박연료인 및 가격이상승할것으로세계유가전문기관들이예측하였으나 현재원유가격은급락하고천연가스가격이하락세를보이고있다 그럼에도불구하고미래의유가를예측하기위해전문기관에서연구된유가전망을 로나타내고본연구의시나리오작성에참고하였다 - 44 -
Scenario A B C D full steam ahead knowing the ropes sink or swim in the doldrums Economic growth: western world 4% 4% 2% 2% china/india 8% 8% 5% 5% Regulations: sulphur global sulphur limit of 0.5% postponed till 2025 ECA in all coastal areas worldwide. Re-enforced ECA in EU ECA in all coastal areas worldwide. Re-enforced ECA in EU global sulphur limit of 0.5% postponed till 2020 carbon price No regulation $50-100/tonne $30-50/tonne No regulation Fuel prices: HFO(2020) high ($1,150/tonne) high ($1,150/tonne) moderate ($750/tonne) high ($1150/tonne) MGO(2020) 130% of HFO price 150% of HFO price 200% of HFO price 150% of HFO price LNG(2020) 110% of HFO price 30% of HFO price (decoupled) 110% of HFO price 70% of HFO price (decoupled) - 45 -
연료추진선박의기초설계 탱커제원및연간운항일수 선박제원 는미국연안을운항할수있는 탱커의주요제원을나타내었다 Specifics Dimensions Main engine Fuel oil & gas oil tanks capacity L.O.A. Breadth M.L.D. Depth M.L.D. Maker / Model Maximum continuous rating SGC(load 85%),(LCV:50 MJ/kg) SPOC(load 85%),(LCV:42.7 MJ/kg) Fuel oil tanks Gas oil tanks 183.0 m 32.2 m 19.1 m MDT / 6S50 ME-GI 10,320 kw at 100 rpm 135.3 g/kwh 5.6 g/kwh 1531.906 m3 58.362 m3 선박항로및운항일수 탱커의 개월동안의항로 한국 일본에서미국연안 를분석한결과총 일 항차중주기관의운전은 일 정박및묘박은 일 항해마일은 마일과평균속력은 로나타났으며 그값을 에정리하였다 본연구에서는연간 항차기준으로선박운항일수를 일 항해마일은 로운항비율은 로설계하였다 그러나선행연구에서는연간선박운항일수를보통 일로가정하고있다 - 46 -
Operational profile Total distance (round-trip) 10,390 nm Average Speed 13.5 knots Completed round-trip voyage time 42 days Total sailing time 33 days 탱커투자비용설계 선박수명해운시장운임침체가장기화되는가운데저유가지속을배경으로연료효율성이떨어지는노후와선박의해체물량이크게늘어났다 최근선박의해체선령은 년 년에서 년 년으로대폭낮아졌으며 향후해체선령이더욱낮아질것으로전망된다 은 년에 만 규모의선박이세계각지의해체설비로향할것으로전망되고 년에서는 만 의해체매각이예상된다고밝혔다 지난해운임시장의극심한침체속에벌크선의해체량이전체해체량의 에해당하는 만 척 평균선령 년 을기록했으며 탱커는 만 척 년 이해체처분되었다 앞으로선박건조기술이발달하게되어선박의기대수명은증가가전망되어경제성평가를위한기대수명을 년으로설계하였다 선박할인율 선박할인율은일정한법칙이정해져있는것이아니라국가별로경제사항에 맞게적용되고있다 국가적으로보면미국은 영국 독일 - 47 -
스위스 개발도상국 정도로적용하고있으며 국내에서는통계청 교통개발연구원 한국개발원 시설안전공단 등으로조사되다 그래서본연구에서는 척의선박에서기초자료를바탕으로경제성을분석범위를한정하여선박할인율이미치는영향은아주적으나국내및국외의자료를최솟값을종합하여볼때평균할인율을 로설계하였다 초기투자비용선박의초기투자비용은 의개념이며 선박의초기설계비용및건조비가포함된다 또한본연구에서선박건조비용을추정할때는 연료를사용할수있는 탱커건조시엔진선정에필요한기술적인자료와주기관의제원 연료탱크의용량 탱크의설치가능한장소 시스템 혼합스크러버시스템등의비용을선행연구자료를참고하여설계하였다 탱크사이즈 은 탱커의전체항로 항차 를기본으로탱커의전체용량을나타내었다 또한 탱커선의연료탱크의가능한위치를 로나타내었으며 연료탱크의형태는 이며용량은연료소비율에마진 로산출하였다 - 48 -
연료사용하는선박의초기투자금액 탱커에서디젤연료를 연료로변경시추가되는비용은 와같으며엔진및 시스템 조선소비용으로나타내었다 - 49 -
혼합스크러버시스템초기투자비용 은디젤연료를사용하는 탱커에혼합스크러버시스템을장착시 소요비용을나타내었다 선택적촉매환원장치 배출가스재순환장치의초기투자비용 사는선택적촉매환원장치와배출가스재순환장치설치비용을 에약 정도로전망하고있으며 이를근거로출력이 디젤엔진에이장치를설치하면약 이상의초기투자비용이소요된다 은 사의배출가스재순환장치를나타내었다 - 50 -
및 연료시나리오 는 연료추진선박의경제성평가에적용될 년부터 년까지유가전망이다 첫번째와두번째시나리오는현재의 가격과 년유럽 아시아 미국의 거래기준가격이앞으로 년동안지속될경우이며 세번째에서여섯번째의시나리오는선박관련전문기관에서전망한유가전망을 년 월 일의 가격과 년유럽 아시아 미국의 거래기준가격으로다시설계하였다 Scenario Year 2015 2020 2025 2030 2035 2040 1 2 3 4 5 6 HFO USD/ton 297 297 297 297 297 297 LNG USD/ton 503 503 503 503 503 503 HFO USD/ton 600 600 600 600 600 600 LNG USD/ton 503 503 503 503 503 503 HFO USD/ton 297 697 1097 1647 1897 2297 LNG USD/ton 327 767 1207 1497 2087 2527 HFO USD/ton 297 697 1097 1647 1897 2297 LNG USD/ton 89 209 329 449 569 825 HFO USD/ton 297 497 697 897 1097 1297 LNG USD/ton 327 547 767 987 1207 1427 HFO USD/ton 297 697 1097 1647 1897 2297 LNG USD/ton 208 488 768 1048 1328 1608 Economic growth scenario 3, 4 : western world 4 %, china/india 8 % scenario 5, 6 : western world 2 %, china/india 5 % Regulations 1) sulphur scenario 3, 6 : global sulphur limit of 0.5% postponed till 2040 scenario 4, 5 : ECA in all coastal areas worldwide. re-enforced ECA in EU 2) carbon price scenario 3, 6 : no regulation scenario 4 : $50-100/tonne scenario 5 : $30-50/tonne - 51 -
시나리오 은선박연료가격이 로 년 동안지속될경우를나타내었다 시나리오 는선박연료가격이 로 년 동안지속될경우를나타내었다 - 52 -
시나리오 국제해사기구에서환경규제를 년까지유예하고중국과인도에서 유럽 의빠른경제성장을할때무역은성장의두배가된다 화석연료의소비는증가하고가격은높게형성될것이다 이에대한대체에너지인천연자원의탐사와생산이증가하게되나 화석연료가격상승과는다르게톤당 가격의 에서 의가격이형성될것으로확인하고 에나타내었다 Scenario 3 Economic growth: western world china/india 4 % 8 % Regulations Fuel prices sulphur global sulphur limit of 0.5 % postponed till 2040 HFO(2020) high ($697/tonne) carbon price no regulation LNG(2020) 110 % of HFO price (decoupled) - 53 -
시나리오 중국과인도에서 유럽 의경제성장을할때유가는점점증가하여높은가격으로형성되어천연자원의탐사와생산이증가한다 해상무역이크게증가하면 연료가격은상승하게되나 의가격은 와다르게 가격의 로유지될것으로확인하고 로나타내었다 Scenario 4 Economic growth: western world china/india 4 % 8 % Regulations Fuel prices sulphur ECA in all coastal areas worldwide. re-enforced ECA in EU HFO(2020) high ($697/tonne) carbon price $50-100/tonne LNG(2020) 30 % of HFO price (decoupled) - 54 -
시나리오 세계경제가저성장 중국과인도에서 유럽 할때오일의사용은점점감소하여적정가격으로형성되며다른대체에너지의생산에필요한투자가감소하게된다 또한해상무역이감소로선박의건조가 로감소한다 연료의가격은상승하지않으며 의가격역시유가의영향으로톤당은 가격의 에서가격이될것으로확인하고 로나타내었다 Scenario 5 Economic growth: western world china/india 2 % 5 % Regulations Fuel prices sulphur ECA in all coastal areas worldwide. re-enforced ECA in EU HFO(2020) moderate ($497/tonne) carbon price $30-50/tonne LNG(2020) 110% of HFO price - 55 -
시나리오 국제해사기구에서환경규제를 년까지유예하고중국과인도에서 유럽 의경제성장을할때오일사용은점점증가하여높은가격으로형성되어천연자원의탐사와생산이증가한다 또한해상무역이크게증가하면 연료가격은상승하게되나 의가격은 와다르게 가격의 로유지될것으로확인하고 로나타내었다 Scenario 6 Economic growth: western world china/india 2 % 5 % Regulations sulphur global sulphur limit of 0.5% postponed till 2040 carbon price no regulation Fuel prices HFO(2020) moderate ($697/tonne) LNG(2020) 70 % of HFO price - 56 -
연료추진선박의경제성분석및평가 개요 아시아에서남미로또는유럽으로운항하는 탱커의추진연료별경제성 분석에필요한중요인자에대해서고찰하고자한다 탱커에서 연료사용시연간총지출비용 초기투자금액 선박할인율 연료비 유지관리비용 초기투자금액 선박설계비 건조비 연료비 연간항해일수 연료가격 탱커에서 연료사용시연간총지출비용 초기투자금액 선박할인율 연료비 유지관리비용 초기투자금액 선박설계비 건조비 연료비 연간항해일수 연료가격 초기투자금액 디젤연료를사용하는 탱커건조비용 를사용하는추진선박 탱커의선박건조비용은 와같이 로확인되었다 은그결과에혼합스크러버시스템의초기투자비용 를더한 이다 여기서 연료추진시스템과중복된선택적촉매환원장치또는배출가스재순환장치설치비용은제외하였다 - 57 -
연료를사용하는 탱커선박건조비용 연료를사용하는추진선박의경우초기투자비용은 연료를사용하는시스템에도중복되는선택적촉매환원장치또는배출가스재순환장치설치비용을제외하면 연료를사용하는선박보다총투자비용은 로더많이투자되어야한다 또한총투자비용을세분화하여 로나타내었다 - 58 -
연간연료비 은 년 월 일싱가포르에서거래되는 가격과 사의 엔진의운전성능을분석하여연간소요되는연료비를산출하였다 또한식 는 연간연료비계산방법을정리하였다 연료비 연간항해일수 연료가격 (1) Case A Case B HFO price USD/Ton 297 1) 600 2) Output kw 10,320 10,320 Running hours hr/day 24 24 SFOC 3) g/kwh 165.0 165.0 Annual sailing time Day/year 4) 264 264 Annual fuel cost M$[USD] 3.20 6.47 1) HFO price (2015.01.30.) 2) prediction of HFO price 3) SFOC with load 85% of 6G50-ME engine 4) 1 year=365 day - 59 -
는 년 월유럽 개국 아시아 개국 미국 수입가격을근거로추정한 가격과 사의 엔진의운전성능을분석하여산출하였다 또한식 는 연간소요되는연료비계산방법을정리하였다 연료비 연간항해일수 연료가격 (2) Case A Case B HFO price USD/Ton 297 1) 600 2) LNG price USD/Ton 503 503 Output kw 10,320 10,320 Running hours hr/day 24 24 SGC 3) g/kwh 135.3 135.3 SFOC 4) g/kwh 5.6 5.6 Annual sailing time Day/year 5) 264 264 Annual fuel cost M$[USD] 4.56 4.67 1) HFO price (2015.01.30.) 2) prediction of HFO price 3) SGC with load 85% of 6G50ME-GI engine 4) SFOC with load 85% of 6G50ME-GI engine 5) 1 year=365 day - 60 -
경제성분석 탱커에서 연료와 연료를사용할경우 연간총지출비용을계산하여 부터 에나타내었다 연간총지출비용은초기투자금액에서할인율을적용하고연료비 승조원비 선체보험료 수리유지비 선용품및소모품 일반관리비 항비를포함하면산출할수있다 그러나본연구에서는동일한 탱커에서선박연료변화에따른경제성을평가를위해총지출금액을산출하기때문에선박이운항하면서동일하거나연구결과에미치는영향이적은항목별비용은제외하였다 즉 초기투자비용과할인율 연료비 스크러버투자비용이외의모든항목을제외시켰다 - 61 -
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경제성평가디젤연료추진시스템에혼합스크러버를설치하여운항한경우와 연료추진시스템을사용하는경우 년동안선박운항에소요되는비용과역전 시점을확인하였다 시나리오 의 와 연료추진시스템에 년동안소요되는비용을 으로나타내었다 또한총소요되는비용이역전되는시점은 년동안없는것을확인할수있으며 선박이운항하는 년동안소요되는비용은연간 일항해시 이며 일항해시에는 로확인되었다 - 68 -
시나리오 의 와 연료추진시스템에 년동안소요되는비용을 로나타내었다 또한 년동안소요되는비용이역전되는시점은연간항해일수가 일과 일경우 년으로확인할수있으며 선박이운항하는 년동안소요되는비용은연간 일항해시 이며 일항해시에는 로확인되었다 - 69 -
시나리오 의 와 연료추진시스템에 년동안소요되는비용을 로나타내었다 또한 년동안소요되는비용이역전되는시점은연간항해일수가 일 일경우는 년으로확인할수있으며 선박이운항하는 년동안소요되는비용은연간 일항해시 이며 일항해시에는 로확인되었다 - 70 -
시나리오 의 와 연료추진시스템에 년동안소요되는비용을 으로나타내었다 또한 년동안소요되는비용이역전되는시점은모두 년으로확인할수있으며 선박이운항하는 년동안소요되는비용은연간 일항해시 이며 일항해시에는 로확인되었다 - 71 -
시나리오 의 와 연료추진시스템에 년동안소요되는비용을 로나타내었다 또한 년동안소요되는비용이역전되는시점은모두 년으로확인할수있으며 선박이운항하는 년동안소요되는비용은연간 일항해시 이며 일항해시에는 로확인되었다 - 72 -
시나리오 의 와 연료추진시스템에 년동안소요되는비용을 로나타내었다 또한 년동안소요되는비용이역전되는시점은모두 년으로확인할수있으며 선박이운항하는 년동안소요되는비용은연간 일항해시 이며 일항해시에는 로확인되었다 - 73 -
위의경제성평가를종합하면 연료를사용할수있는 탱커의선박건조비용은 연료를사용하는선박보다상대적으로높으나 연료의톤당가격이 가격보다낮게형성되면 연료를사용하는선박이경제성이있는것으로나타났다 또한유가시나리오 부터 까지분석하면총소요비용의역전시점은시나리오 을제외하고는약 년으로나타났으며 년동안총소요비용은유가전망에따라큰변동값이있는것으로나타났다 - 74 -
제 장결론 본연구에서는현재운항중인 탱커의디젤연료추진시스템을국제적인환경규제에만족할수있는친환경 연료추진시스템으로변경또는디젤연료시스템에스크러버장치를추가하였을경우 항로및유가시나리오에따라총소요되는비용을고찰하여아래와같은결과를도출하였다 엔진을설치한 탱커와 엔진에스크러버장치를설치한 탱커에대해항로및유가시나리오를적용하면 년동안의총소요되는비용은시나리오 을제외하고 연료를사용하는 엔진을설치한 탱커가경제적대안이될수있음을확인하였다 와 가격이동일한조건에서는스크러버장치를설치한 엔 진보다 엔진이 년동안총소요되는비용은적은것으로확인 되었으며 시나리오별로편차가크게발생하였다 이중연료를사용하는 행정및 행정엔진에서가스및디젤연료운전시 효율은가스모드운전시디젤모드운전보다좋은것으로확인하였다 국제해사기구및해상운송업계에서는선박으로부터대기오염방지와전체적인운용비용절감이라는두가지문제에대한해결책으로친환경 연료가확대되고있으며 연료는국제환경기준을충족할수있는것으로확인하였다 본연구를통해탱커선이외의선종에도 연료시스템을적용시킬수있는기초자료로활용할수있을것으로기대하며 해상에서 추진선박의연료공급을위한 벙커링시스템에대한연구가필요하다고사료된다 - 75 -
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감사의글 항상따뜻한애정과관심으로지도하여주시고격려하여주신고마운분들께감사의글을올립니다. 이논문을완성할수있도록처음부터끝까지모든면에서부족한저를이끌어주신조권회교수님의아낌없는관심과지도에깊이감사드리며교수님의배려와은혜는평생잊지못할것입니다. 또한, 바쁘신업무에도세심하게논문을심사해주시고아낌없는조언을해주신최재성교수님과이강기교수님께감사의말씀을드립니다. 논문작성에도움을주신연구실의모든선후배님들께도감사의말씀을올립니다. 아울러직장과대학원공부를가능하게도와주신한국해양수산연수원의정이규, 박용선, 김선규, 노범석, 김종필, 허재정, 이윤형, 류원, 남홍식교수님을비롯한여러교수님과김이남, 이성우, 김무겸, 전재호교관, 신재현님께감사드립니다. 지금까지성장할수있도록믿고지원해주신아버지, 어머님과저를믿어주시고묵묵히응원해주시는장모님게늘감사드립니다. 앞으로더많이성장하는모습으로그은혜에보답하겠습니다. 어려운환경에서도본논문이잘마무리될수있도록이해하고배려해준아내 이순화 에게진심으로사랑과감사함을전합니다. 그리고주말과휴일에논문을작성하느라잘놀아주지못해항상미안하게생각하면서도항상건강하고씩씩하게자라고있는지수, 지성이에게이작은기쁨을바칩니다. 그동안저를아끼고사랑해주신모든분들께진심으로감사드리며 모두건강하시고가정과직장에행복만이가득하시길기원합니다. - 78 -