3.1. 실선시험 개요

선박에너지절감시스템의 에너지 절감효과 성능평가를 위해 해당시스템을 장착한 실선데이터의 항차결과를 수집하고 시 스템 적용 전후의 항해결과를 비교·분석 하였다. 실선데이터 를 이용한 에너지절감시스템 해상시험 성능검증을 위해 사용 된 선박은 한국-호주를 항해하는 벌크 선종으로 에너지절감 시스템 적용전 4항차분의 AB-Log Data (에너지절감시스템 적용전 2항차와 3항차 사이에 입거), 에너지절감시스템 적용 후 18항차분의 Daily Voyage Data를 사용하여 2011년 1월 ~ 2013년 10월까지 수행된 항차데이터를 이용한 성능검증을 수 행하였다. 에너지절감시스템 성능평가를 위해 사용된 항차정 보 요약 및 대상선박을 각각 Fig. 2, 3에 나타냈다.

Fig. 2.

Voyage no. from Jan. of 2011 to Oct. of 2013 (voyage no.1-4: Before energy-saving system applied, voyage no.5-22: After energy-saving system applied, dry-dock between no.2 and no.3 voyage)

Fig. 3.

Target ship for ship test of energy-saving system (Bulk carrier) efficiency evaluation

실선시험에서 사용된 선박은 벌크선종으로 상용연속출력 (NCR: Nominal Continuous Rating), 최대연속출력 (MCR: Maximum Continuous Rating), 대상 선박의 기본 제원 및 항 해데이터 요약은 Table 1에 나타냈다.

Table 1.

General particulars of target ship and voyage data

전체 약 2.9년 동안의 22항차분 항해데이터인 만재시의 AB-Log Data와 Daily Voyage Data를 분석하였으며 (만재시 설계흘수: 17.5[m]), 에너지절감시스템 적용후 Slow-steaming 단계별 절감효과 및 에너지절감시스템 적용 전후의 비교결과 를 통한 성능평가를 수행하였다.

3.2. 연료절감시스템 적용 실선시험 결과

연료절감시스템 적용후 Daily Voyage Data를 NCR (Nominal Continuous Rating, 통상 MCR의 75%) 기준으로 MCR 대비 출력을 5%씩 낮추고 SLOW-1 ~ SLOW-5 (SLOW-1: MCR-70%±2.5, SLOW-2: MCR-65%±2.5, SLOW-3: MCR-60%±2.5, SLOW-4: MCR-55%±2.5, SLOW-5: MCR-50%±2.5)의 5단계로 나누어 저속항해 단계 를 구분하였으며, Slow-steaming 단계별 항해결과를 분석하 였다.

항차별 만재시의 항해일수 약 200일에 대한 Daily Voyage Data를 기준으로 일별 MCR-% 결과를 Fig. 4에 나타냈다. Fig. 4의 결과로부터 항차가 진행됨에 따라 에너지절감시스템 적용후 MCR-% 출력을 약 77%에서 50%까지 낮추어 Slow-steaming 운항을 하고 있음을 알 수 있다. 한편, SLOW-5 단계에서는 다른 구간에 비해 Daily Voyage Data 샘플수 부족으로 전체적인 Slow-steaming 경향이 해당구간 에서 두드러지게 나타나지 않고 있음을 알 수 있다. Table 2.

Fig. 4.

Daily voyage data according to voyage day after energy-saving system applied

Table 2.

Slow-steaming phase according to MCR-% output

NCR을 기준으로 SLOW-1 ~ SLOW-5 단계에 따른 에너 지 절감률을 분석하기 위해 MCR-%에 따른 평균선속, 항해시 간, 연료소모량을 Fig. 5에 보였다. Fig. 5(a)의 결과로부터 NCR 대비 SLOW-1 단계에서는 평균선속이 –0.4 [kts] 감소 하였고, SLOW-2 단계에서는 –0.5 [kts], SLOW-3 단계에서 는 –1.1 [kts], SLOW-4 단계에서는 –1.7 [kts], SLOW-5 단 계에서는 -1.6 [kts]로 각각 단계별 평균선속이 감소하였음을 알 수 있다. 한편, SLOW-5 단계에서는 SLOW-4 단계보다 MCR-%가 5% 낮아졌음에도 불구하고 평균선속이 오히려 +0.1 [kts] 증가하였다. 이는 단계별 평균선속을 구하는 과정 에서 SLOW-5 단계의 Daily Voyage Data 샘플수가 타 구간 과 비교하여 충분하지 않은 관계로 Slow-steaming 단계별 대 표성을 나타내지 못하는 것으로 판단된다.

Fig. 5.

Daily voyage data results according to slow-steaming phase after energy-saving system applied

Fig. 5(b)의 결과로부터 일평균 항해거리 329[NM]에 대한 SLOW-1 ~ SLOW-5 단계별 항해시간은 SLOW-1 단계에서 NCR 대비 +0.7[hrs] 증가하였고, SLOW-2 단계에서는 +1.1[hrs], SLOW-3 단계에서는 +2.6[hrs], SLOW-4 단계에서 는 +4[hrs], SLOW-5 단계에서는 +3.7[hrs] 각각 증가하였음 을 알 수 있다. Fig. 5(a)의 단계별 평균선속 결과와 마찬가지 로 SLOW-5의 항해시간이 SLOW-4의 항해시간보다 -0.3[hrs] 적게 걸린 이유는 SLOW-5 단계의 샘플수가 타 구 간에 비해 충분하지 않기 때문으로 판단되며 SLOW-5 단계 의 항차데이터 샘플수가 충분히 확보될 경우 타 구간과 마찬 가지로 Slow-steaming에 따른 항해시간이 길어지게 될 것으 로 예상된다.

Fig. 5(c)는 Slow-steaming 단계별 NCR 대비 연료절감률 을 나타낸다. SLOW-1 단계에서는 NCR 대비 1.5%의 절감률 을 나타내며, SLOW-2 단계에서는 4.5%, SLOW-3 단계에서 는 3.6%, SLOW-4 단계에서는 8.6%, SLOW-5 단계에서는 13.1%의 절감률을 각각 나타내고 있다. SLOW-3 단계와 SLOW-5 단계에서 나타나는 절감률은 타 구간 대비 적은 항 차데이터 샘플수로 인해 MCR-%에 따른 Slow-steaming 효 과를 대표적으로 나타내지 못하는 것으로 판단되며, 이는 보 다 많은 항차데이터 확보 후 결과가 다소 바뀔 수 있을 것으 로 기대된다.

Table 3은 Fig. 5(a) ~ 5(c)의 Slow-steaming 단계별 결과 를 종합한 표이다. NCR 대비 평균선속은 12.4[kts] ~ 10.7[kts]로 변화하였고, 항해시간은 NCR 대비 최대 +4[hrs] 늘어났다. Slow-steaming 구간별 평균 연료소모량은 40.8[ton]] ~ 35.4[ton]으로 감소하였으며, SLOW-1 ~ SLOW-5 단계별 연료절감률은 NCR 대비 최대 13.1%로 나타 났다. SLOW-3 구간에서는 SLOW-2 구간에 비해 더욱 Slow-steaming 하여 운항하였음에도 불구하고 연료절감율이 오히려 감소하였으며, 이는 SLOW-3 구간의 Daily Voyage Data 샘플수가 타 구간 대비 적은 관계로 Slow-steaming 운 항에 따른 절감효과가 충분히 반영되지 않았을 것으로 판단된 다. 가장 적은 샘플수를 가지는 SLOW-5 구간의 연료절감률 은 SLOW-4 구간 대비 감소한 것으로 나타났으나, SLOW-3 구간과 마찬가지로 샘플수 부족에 따른 충분한 대푯값을 반영 하지 못하는 것으로 판단된다.

Table 3.

Mean speed, voyage time, FOC and FOC save rate results according to slow-steaming phase

Daily Voyage Data를 이용한 선박에너지절감시스템 적용 후 MCR-% 출력 감소에 따른 Slow-steaming 단계별 에너지 절감 효과를 분석하기 위해 NCR 대비 SLOW-1 ~ SLOW-5 단계별 절감효과를 비교·분석 하였으며, 연료절감시스템 적용 전후의 에너지 절감효과를 분석하기 위해 AB-Log Data를 이 용하여 시스템 적용전 NCR 대비 연료절감 효과를 평가하였 다. 연료절감시스템 적용전 AB-Log Data는 총 4항차분의 데 이터를 이용하였으며, 2항차와 3항차 사이에 입거하여 선체오 손을 제거하였다. 따라서, 연료절감시스템 적용전 입거에 따른 선체저항감소 및 그에 따른 연료유 절감 효과를 분석하고, 선 박에너지절감시스템 적용에 따른 연료유 절감 효과와 함께 비 교·분석 하였다.

연료절감시스템 적용에 따른 연료절감 효과를 평가하기 위 해 시스템 적용전 4 항차분의 AB-Log Data와 시스템 적용후 NCR, SLOW-1 ~ SLOW-5 단계별 평균 연료소모량 및 시 스템 적용전 NCR 대비 연료절감률, SLOW-1 ~ SLOW-5 단계별 평균선속 결과를 비교·분석 하였다 (연료절감시스템 적용전 결과: 파란색 점선, 연료절감시스템 적용후 결과: 붉은 색 실선, 연료절감시스템 적용전 SLOW-1, 2단계 사이 dry-dock).

Fig. 6(a)는 연료절감시스템 적용전 NCR 대비 SLOW-1 ~ SLOW-5 단계별 연료소모량을 나타낸다. 시스템 적용전 NCR 구간에서의 평균 연료소모량은 47.4[ton], 시스템 적용후 NCR 구간에서의 평균 연료소모량은 40.8[ton]을 나타냈다. SLOW-1 구간에서의 시스템 적용전 평균 연료소모량은 44.6[ton], 시스템 적용후 평균 연료소모량은 40.2[ton]으로 나 타났다. SLOW-2 구간에서의 시스템 적용전 평균 연료소모량 은 38.5[ton]으로 나타났으며, 시스템 적용후는 38.9[ton]으로 나타났다. NCR 구간과 SLOW-1 구간에서 연료절감 시스템 적용후에 연료유 절감 효과를 나타내고 있음을 알 수 있다. SLOW-2 구간에서는 시스템 적용 전후의 연료유 차이가 0.4 [ton]으로 타 구간 대비 저조하게 나타났다. 이는 입거시 선체 오손 제거에 따른 선체저항 감소로 인해 시스템 적용후와 유 사한 연료유 절감 효과가 나타난 것으로 판단된다.

Fig. 6.

AB-log data comparison before and after energy-saving system applied

Fig. 6(b)는 연료절감시스템 적용전 NCR 기준 시스템 적용 전후 단계별 연료절감률 결과를 나타낸다. NCR 구간에서 연 료절감시스템 적용전 NCR 대비 시스템 적용후에 14.6%의 연 료유 절감 효과를 나타냈다. SLOW-1 구간에서는 시스템 적 용전 NCR 대비 시스템 적용 전후 각각 6.5%, 15.9%로 연료절 감시스템 적용후에 9.4% 더 높은 절감효과를 나타냈다. SLOW-2 구간에서는 시스템 적용전 NCR 대비 시스템 적용 전후 각각 19.3%, 18.5%의 절감률을 보였으며, 근사한 차이지 만 시스템 적용전 절감효과가 0.8% 더 높은 결과를 나타냈다. 이는 입거시 선체오손 제거에 따른 선체저항 감소로 인한 연 료유 절감 효과가 선박에너지절감시스템 적용에 따른 연료유 절감 효과와 더불어 현저한 절감효과를 나타내고 있음을 알 수 있다.

Fig. 6(c)는 NCR, SLOW-1 및 SLOW-2 구간에서의 연료 절감시스템 적용 전후의 평균선속 결과를 나타낸다. NCR 구 간에서의 시스템 적용 전후 평균선속은 각각 12.3[kts], 12.4[kts]이며, 전체적인 차이는 0.1[kts]로 근소한 차이를 나타 낸다. SLOW-1 구간에서의 시스템 적용 전후 평균선속은 두 구간에서 모두 12[kts]로 동일하게 나타났다. SLOW-2 구간에 서도 시스템 적용 전후 평균선속은 각각 11.5[kts], 11.9[kts]로 큰 차이를 나타내지 않고 있음을 알 수 있다.

결과적으로 시스템 적용 전후 구간별 평균선속은 NCR, SLOW-1 구간에서 현저한 Slow-steaming을 하지 않았음에 도 불구하고 시스템 적용후의 연료유 절감 효과는 두드러지게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이는 시스템 적용후 전체적인 평 균선속은 시스템 적용전과 큰 차이가 없지만 실제 항해에서는 시스템 적용시 해상상태에 따른 권고 RPM으로 구간별 항해 하여 연료유 절감효과를 가져온 것으로 판단된다.

또한, 시스템 적용전 SLOW-2 구간 결과로부터 선체오손 제거에 따른 선체저항 감소가 연료절감시스템 적용과 유사하 게 에너지 절감 효과를 나타내고 있음을 유추할 수 있다. 이는 SEEMP에서 제시한 선박 연료유 효율 개선방안의 여러 방법 들 중 하나로 선체오손 제거가 실제적인 연료유 절감 효과를 가져 올 수 있음을 나타낸다.

통상 선체오손 제거에 따른 선체저항 감소는 약 15% 정도 로 알려져 있으며, 이는 Beaufort 0 해상에서 14[kts]의 속력 으로 만재 항해시 일평균 약 6[ton]의 연료유 절감을 가져오며 연료소모량으로 환산시 약 12%의 연료유 절감효과를 나타낸 다(Hellio & Yebra, 2009; Kane, 2013). Fig. 6 및 Table 4의 SLOW-1, 2 결과로부터 연료절감시스템 적용전 SLOW-1 (선체오손 제거전) 절감률은 6.5%, 연료절감시스템 적용전 SLOW-2 (선체오손 제거후) 절감률은 19.3%로 나타났으며, 이는 선체오손 제거후 약 12.8%의 절감률을 나타낸다.

Table 4.

Mean speed, FOC and FOC save rate results according to slow-steaming phase before and after energy-saving system applied (after energy-saving applied results with boldface)

Fig. 7은 선박에너지절감시스템 적용 전후 항차별 EEOI 지 표를 나타낸다. 시스템 적용전 4항차분 결과로부터 1,2 항차의 EEOI가 각각 3.0165e-06, 3.2259e-06으로 가장 높은 값을 나 타냈다. 입거후 3,4 항차는 각각 2.5949e-06, 2.6088e-06으로 1,2 항차와 비교하여 크게 감소하였음을 알 수 있다. 연료절감 시스템 적용후 18항차 결과는 여러 항차의 데이터가 SLOW 단계별로 포함되므로 이전 항차보다 FOC가 매번 절감된다고 보기는 어렵지만, 시스템 적용후 전반적으로 EEOI 지표가 항 차가 진행됨에 따라 감소하는 경향을 나타내고 있음을 알 수 있다. 연료절감시스템 적용 전후 및 입거 전후 각 항차별 EEOI 에너지 효율지표 결과를 Table 5에 나타냈다.

Fig. 7.

EEOI comparison results before and after energy-saving system applied

Table 5.

EEOI comparison results according to voyage no. before and after energy-saving system applied