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1. 서 론

선박온실가스배출 규제를 위해 2005년 교토의정서 발효이 후 해상운송에서의 온실가스 배출 절감을 위한 국제해사기구 (IMO, International Maritime Organization)의 노력이 이어지 고 있다. 이와 관련하여 IMO는 MARPOL협약을 개정하여 선 박의 온실가스 저감에 대한 기준을 강제하는 상황이다. 최근 들어 발효된 선박온실가스 규제를 위한 대표적인 국제규정은 현존선의 선박운항효율에 초점을 맞춘 선박에너지효율관리계 획 (SEEMP, Ship Energy Efficiency Management Plan)이 있다(IMO, 2013). 선박온실가스 규제를 위한 SEEMP 기술 중 선박 에너지절감을 위한 조치는 하드웨어적인 장비를 선박에 탑재하여 구현하거나, 항로최적화 및 선속최적화 등의 운항패 턴 개선을 통한 소프트웨어적인 방식으로 구현 가능하다 (Ballou, 2008; Pyorre, 2012). 선체저항 향상을 위한 선박개조 등의 하드웨어적인 기술구현은 신조 선박에는 도입이 용이하 지만 현존선에 적용하기에는 장비의 규모 등에 의한 제약이 발생할 수 있다(IMO, 2013). 반면 소프트웨어적인 에너지절감 기술의 구현은 선종에 크게 구애받지 않고 현존선에 적용이 용이하다는 장점을 가지고 있어 IT기술을 이용한 선박 에너 지절감기술이 요구되어지고 있다. IMO에서는 SEEMP 가이드 라인에서 제시한 수단들이 어느 정도 효과를 가지는지 연구를 수행하였고, 그 결과를 MEPC 63/INF.2 문서에 보였다(IMO, 2011). 결과에 따르면 대표적인 10개의 에너지절감수단에 대 한 효과평가를 실시하고 총 10개의 서로 다른 선종에 적용한 결과를 보였다. SEEMP 가이드라인에서 제시한 절감수단 중 가장 큰 절감효과를 보인 것은 선속과 관련된 부분이었다. 본 논문에서는 IT기반의 선속최적화 기술에 대한 에너지절감효 과를 분석하고 소프트웨어적인 에너지절감시스템의 성능검증 수행 및 그 결과를 보인다.

2. 성능시험 절차

선박에너지절감시스템의 에너지절감기술 검증을 위한 성능 시험은 크게 도면검토, 해상시험, 육상시험으로 나누어 수행한 다. 도면검토는 시스템의 설계검증을 위한 필요자료 즉, 제품 사양서, SW기능/모듈 명세서, 입출력 명세서, DB명세서 등의 자료를 통해 시행한다. 해상시험은 실선에 에너지 절감기술 적용후 운항데이터와 적용전 기존데이터를 일정기간 수집한 후 각각 에너지 사용량의 경향을 산출하고 평균적인 연료소모 량 (FOC, Fuel Oil Consumption)의 비교·분석을 통하여 절감 효과를 검증한다. 육상시험은 연료소모량 산출 기능을 제공하 는 선박모델을 이용하여 선박조종시뮬레이터를 이용하여 에 너지절감기술 적용 전후의 결과를 비교·분석하고, 기준 이상 의 연료소모량 절감효과가 있는지 검증한다. 성능시험은 1) 개발업체 자료제출 2) 검증기관 도면심사 3) 실선 장비설치 4) 실선/시뮬레이터 성능검증의 절차를 따라 수행한다.

연료절감을 위해 개발되는 시스템의 성능검증 수행을 위해 해상에서의 실선시험은 선박에너지절감시스템의 효율검증에 효과적이지만, 모든 해역에서 모든 선박에 대한 다양한 환경 조건을 설정하여 절감효율을 산출하기에는 현실적인 제약이 따른다. 따라서 본 논문에서는 실선을 기초로 모델링한 선박 조종시뮬레이터를 이용하여 통상 운항선박의 항해 시 해상조 건을 설정하여 선박에너지절감시스템의 성능평가를 수행한다.

운항선박은 통상 엔진 회전수를 고정하여 운항하게 되며, 도착예정시간 (ETA, Estimated Time of Arrival)에 맞추어 목적지에 도착할 수 있도록 최적의 분당회전수 (RPM, Revolution Per Minute)를 도출해야 한다. 선박에너지절감시 스템에서 권고하는 RPM은 구간별 해상상황에 따른 선속 변 화량을 고려하여 RPM 변화에 따른 속력저하 및 FOC 절감율 이 가장 경제적인 RPM을 구간별로 다르게 권고한다. 단, 이 때 총 항해시간은 ETA ±5%가 되도록 RPM을 권고하게 된 다. 선박에너지절감시스템의 구간별 최적 RPM 권고를 위한 최적화 문제는 다음과 같이 정의될 수 있다. Fig .1

Fig. 1

Energy efficiency evaluation procedures of ship energy-saving system

여기서 P _i는 i번째 구간에서 소모되는 선박의 동력으로 과 거 운항선박의 항차데이터 경험식으로부터 구해지고, δt_i는 i 번째 구간에서 소요되는 시간, ρ는 해수밀도, D는 프로펠러 직경, n은 프로펠러 회전수, K_Q는 토크계수, E_TA는 도착예 정시간을 나타낸다.

선박이 항해 시 선속 감소에 영향을 주는 부가저항 성분은 바람에 의한 부가저항, 파랑에 의한 부가저항, 타각에 의한 영 향, 표류각에 의한 영향, 수온과 염도에 의한 영향, 배수량에 의한 영향, 천수효과, 선체 및 프로펠러 거칠기에 의한 영향 등이 있다(ISO15016, 2002).

본 논문에서는 선박이 통상 대양항해를 한다는 가정 하에 선박 운항 시 선속 감소에 주요한 영향을 주는 바람, 파랑 조 건에 따라 선박에너지절감시스템 권고 RPM 적용 전후의 연 료사용량에 대한 평가를 선박조종시뮬레이터를 사용하여 수 행하였다. 일반적인 선박의 대양항해에서는 통상 급선회를 하 지 않는다고 가정하였으며, 선박조종시뮬레이터에서 설정한 바람, 파랑 조건에 의한 부가저항은 선체에 작용하는 부하로 환산될 수 있다. 이는 또한 선속감소에 주요한 영향을 미치는 요소이다. 선박조종시뮬레이터에서 사용된 바람에 의한 부가 저항 모델식은 다음과 같다(Fujiwara, 2009; Transas, 2009).

여기서 F_{X A ,Y A}는 선박 전후·좌우방향 풍압력, M_ZA는 바 람에 의한 z축 주변 모멘트, C_{X A ,Y A ,ZA}는 선박 전후·좌우방 향 풍압력 계수 및 z축 주변 풍압력 모멘트 계수, θ_R은 상대 풍향, ρ_A는 공기밀도, V _RW는 상대풍속, A _T ,A _L은 각각 선 체수선상부 정면·측면 투영면적을 나타낸다. 선박조종시뮬레 이터에서 사용된 파랑중 부가저항 모델식은 1,2차 파강제력으 로 구분되며 다음과 같이 표현된다(Transas, 2003; Transas, 2009).

여기서 F_{X W ,Y W}는 파랑에 의한 선박 전후·좌우방향 부가 저항, M_ZW는 파랑에 의한 z축 주변 모멘트, m은 선박질량, κ_{X W ,Y W ,ZW} (λ_i, ξ_i )는 무차원화 감소계수로 i-성분파의 파 장 λ_i과 선체길이 L의 비 및 흘수에 관계되는 함수, ξ_i는 i- 성분파 입사각, γ_i (t )는 i-성분파의 시간 t에서의 파면 경사, g는 중력가속도, J_Z는 z축 주변 모멘트, ζ_i (t )는 i-성분파의 시간 t에서의 파면, k_i는 i-성분파의 파수, I_{X W ,Y W ,ZW}는 선 박규모에 대한 무차원화 계수, H _1/3은 유의파고, V는 선속, ΔX (ζ,H _1/3,V )는 황파에 의한 부가저항을 나타낸다.

대양 항해시 조류의 속도는 선박에 대한 상대속도로 작용 하여 선속에 직접적으로 영향을 미친다(Park, 2014). 조류 조 건을 바람, 파랑과 같이 고려하였을 경우 조류에 의한 선속변 화가 바람 및 파랑에 의한 선속 감소에 비교하여 지배적으로 영향을 미치기 때문에 바람, 파랑에 의한 선속 감소를 구분하 여 평가하기가 어려웠다. 따라서 금번 연구에서는 선박조종시 뮬레이터를 이용한 성능검증 수행 시 바람, 파랑 환경에 따른 에너지절감시스템 연료절감효과를 평가하기 위하여 조류 조 건은 고려하지 않았다.

SEEMP는 선박의 경제운항 지표 및 선박의 온실가스 배출 량 지표로써 선박에서 배출되는 CO₂ 배출량을 나타내는 EEOI (Ship Energy Efficiency Operation Indicator)의 자발적 인 사용을 권고하고 있다. 온실가스 배출 저감을 위한 EEOI 는 항차별 배출되는 CO₂ 배출량으로 정의되며 다음 식으로 표현되어진다(IMO, 2009).

여기서, j는 연료유 종류, i는 항차번호, F C _ij는 i번째 항 차에서의 연료유 j의 소모량 [ton], C_{F j}는 연료유 j의 CO₂ 환산인자, m_{car g o}는 총톤수 [ton], D는 항해거리 [NM]를 나 타낸다. C_{F j}는 측정된 연료소모량에 대해 탄소함유량에 근거 한 CO₂ 배출량 [g]의 무차원화된 환산인자를 나타낸다. 본 연 구에서 EEOI는 에너지절감시스템 사용으로 인한 연료절감율 과 더불어 선박조종시뮬레이터를 이용한 에너지절감시스템 사용 전후의 검증방안 지표 중 하나로 사용되었다.

3. 시뮬레이터를 이용한 성능검증

에너지절감시스템 성능검증을 위해 사용한 선박조종시뮬레 이터는 해상환경 조건의 변화에 따른 외력이 선속에 반영되어 시스템 적용전의 운항결과와 시스템 적용후의 운항결과를 비 교·분석하고 에너지 절감효과를 산출하여 시스템 효율 검증을 수행한다(Transas, 2009). Fig .2

Fig. 2

Ship handling simulator test configuration

3.1. 시나리오 설계

시뮬레이터를 이용한 에너지절감시스템의 성능검증은 2013 년 Port-MIS 부산항 입출항 선박 데이터를 기반으로 하여 가 장 많은 입항 척수를 나타낸 벌크, 컨테이너, VLCC의 3가지 선종에 대해서 수행했다(Port-MIS, 2013). 각 모델선은 한국 부산항을 출항하여 필리핀 다바오항으로 입항하는 총 6개의 구간을 각기 다른 해상환경 조건으로 항해하도록 설정하였으 며, 각 구간의 거리는 300해리로 설정하여 1항차가 1800해리 를 항해하는 10배속 시나리오로 수행하였다. 선박에너지절감 시스템 적용후 선속은 시스템 적용전 ETA ±5% 이내로 도착 할 수 있는 최적 RPM으로 권고하였다. 선박에너지절감시스 템 적용전 항해조건은 황천항해를 제외한 통상 항해 상황으로 6개의 환경조건에서 최대연속정격출력 (MCR, Maximum Continuous Revolution)의 75%로 동일하게 항해하는 시나리 오이다. 선박에너지절감시스템 적용후 항해조건은 6개 구간별 환경조건 변화에 따라 선속 변화량을 고려하여 RPM 조종에 따른 속력저하 및 FOC 절감율이 가장 경제적인 권고 RPM 으로 항해하고 두 결과의 연료소모량을 비교·분석 하였다.

1, 3, 5구간은 BF (Beaufort Scale) 3의 해상상태를 적용하 고, 2, 4, 6구간은 BF 6의 해상상태를 적용하여 시스템 적용 전후의 운항결과를 비교·분석 하였다. 해상환경 파라미터는 선속 감소에 주요한 영항을 미치는 바람, 파랑정보를 적용하 였고, 선속감소요인으로 작용하는 선수파, 선수사파, 횡파에 대해서만 고려하였다. 바람 및 파랑의 진행방향은 1, 2구간에 서 선수파를 적용하고 3, 4구간에서 선수사파 5, 6구간에서 횡 파를 적용하였다. 실험에 사용된 모델선박의 제원은 Table 1 과 같다. Fig .3

Table 1

Ship model specification

Fig. 3

Sea-state scenario during simulation voyage

3.2. 시뮬레이터 검증결과

선박조종시뮬레이터를 이용한 선박에너지절감시스템 적용 전후의 연료소모량 추정을 위해 모델선박의 선속, 엔진출력, RPM에 따른 Table 2의 주기관 텔레그레프 표를 이용하였다.

Table 2

Engine telegraph table of model ships

선박조종시뮬레이터에서 설정한 해상 환경조건에 따라 구 간별 선속 감소를 산출하기 위해 선박에너지절감시스템 적용 전후의 RPM 설정값으로부터 환산한 선속 V _{s e t} , 시뮬레이션 항해를 수행하여 얻어진 관측선속 V _obs의 차이로부터 선속 감소량 V _{dr op}을 추정하고 주기관 엔진텔레그래프 표로부터 V _{dr op}에 대한 엔진 출력을 환산하였다. 연료소모량 계산을 위 한 축마력은 제동마력의 1% 마찰손실로 추정하여 FOC를 산 출하였다(MAN Diesel and Turbo, 2012).

(13) Vdrop=Vset−Vobs=Padd_load

(14) Pload=Pset_load+Padd_load

(15) FOC=FOCR×Pload×24h1,000kg/kWh

여기서 P _{add_load}는 해상 환경조건에 따른 선속 감소량으로 부터 환산한 부하, P _{s e t _load}는 RPM 설정값으로부터 환산한 부하, P _{l oad}는 P _{s e t _load}와 P _{add_ lo ad} 합으로 이루어진 전체 부하, FOC는 1일 동안의 연료소모량, FOCR은 연료소모율 (Fuel Oil Consumption Rate)을 나타낸다.

시스템 적용 전후의 선종별 선박조종시뮬레이터 운항결과 를 Fig.4, Fig.5에 나타낸다. 시스템 적용 전후의 선종별 RPM 변화 및 선속 변화는 세 선박 모두 BF 3의 해상상태를 적용 한 1, 3, 5구간에서는 선속 및 RPM 변화가 작지만, BF 6구간 의 해상상태를 적용한 2, 4, 6구간에서는 선속 및 RPM 변화 가 비교적 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 특히, 시스템 적용 후의 선속 및 RPM 변화가 시스템 적용전과 비교하여 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 선수사파가 적용된 시나리오 4구간에서 선속 변화율이 가장 크게 나타나고 있음을 알 수 있다.

Fig. 4

RPM comparison results before and after energy-saving system applied

Fig. 5

Ship speed comparison results before and after energy-saving system applied

해상상태가 양호한 1, 3, 5구간의 선속 및 RPM은 벌크와 VLCC 선종의 경우 시스템 적용 전후 뚜렷한 차이가 보이지 않지만, 컨테이너선의 경우 해상상태가 양호한 구간에서 시스 템 적용후에 전체적으로 더 높은 RPM으로 권고하였음을 알 수 있다. 한편, 해상상태가 좋지 않은 2, 4, 6구간에서는 시스 템 적용전에 비해 적용후 더 낮은 RPM으로 권고하였음을 알 수 있다.

시스템 적용 전후 구간별 선속 감소 및 FOC 결과를 Fig.6, Fig.7에 각각 나타냈다. BF 6 해상조건이 적용된 시나리오 2, 4, 6 구간의 선속 감소량이 BF 3 해상조건 시나리오 1, 3, 6 구간에 비해 크고, 기상·해상 조건이 선수사파로 작용하는 시나리오 4 구간의 선속 감소율이 가장 크게 나타나는 것을 알 수 있다. Fig.7 결과로부터 시스템 적용전 구간별 FOC 결 과는 선수사파가 적용된 4 구간에서 세 선박 모두 연료소모량 이 가장 높게 나타났다. 시스템 적용후 연료소모량 차이는 벌 크선은 선수파가 적용된 2 구간에서 크게 나타났고, 컨테이너 와 VLCC는 선수파와 선수사파가 적용된 2, 4 구간에서 크게 나타났다.

Fig. 6

Speed loss comparison results before and after energy-saving system applied

Fig. 7

Sectional FOC comparison results before and after energy-saving system applied

선박에너지절감시스템 적용 전후의 전체 연료소모량 및 항 해시간 결과를 Fig.8에 나타냈다. 시스템 적용전 벌크, 컨테이 너, VLCC의 선종별 연료소모량은 각각 266.6[ton], 653.1[ton], 373.1[ton]이 소모되었으며, 시스템 적용후 선종별 연료소모량 은 각각 245.4[ton], 581.5[ton], 350.4[ton]으로 시스템 적용전 과 비교하여 각각 -21.2[ton], -71.6[ton], -22.7[ton]의 연료절 감을 나타냈다. 시스템 적용전 벌크, 컨테이너, VLCC의 선종 별 전체 항해시간은 각각 137.7[hr], 83.3[hr], 128.4[hr]이며, 시 스템 적용후 선종별 전체 항해시간은 각각 144.7[hr], 87[hr], 136.3[hr]로 시스템 적용후에 항해시간이 각각 +7[hr], +3.7[hr], +7.9[hr] 늘어났음을 알 수 있다.

Fig. 8

Overall FOC and voyage time comparison results before and after energy-saving system applied

선박에너지절감시스템 적용 전후의 선종별 항차 종합결과 를 Table 3에 나타냈다. 선박의 온실가스 배출량 지표를 나타 내는 EEOI 지표는 모든 선종에 있어서 시스템 적용후에 감소 하였음을 알 수 있다. 벌크, 컨테이너, VLCC 선종별 연료소모 량은 시스템 적용전과 비교하여 적용후에 각각 8%, 11%, 6.1%의 절감율을 보였다. 선종별 항해시간은 시스템 적용후에 세 선박 모두 ETA의 약 5% 정도로 증가하였다.

Table 3

Overall results of simulator test

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