탄소중립을 위한 친환경 선박 연료

친환경 선박연료의 필요성

매년 증가하는 온실가스 배출량에 의한 기후변화 등 환경문제가 대두되고 있다. 전 세계는 이런 문제를 인식하고 ‘2050 탄소 중립’을 선언하였다. 국제 총 수출입 물량의 95%가 선박에 의존하기 때문에, 해운 활동으로 배출되는 온실가스 감축 역시 필수적이다. 국제해사기구(IMO)는 2050년까지 2008년 대비 온실가스 배출량을 50% 이상 감소시키는 것을 목표로 설정하였다.[1] 이에 발맞춰, 우리나라도 ‘2030 그린쉽-K 추진전략’ 및 ‘제1차 친환경 선박 개발, 보급 기본계획(2021~2030)’을 발표하며, 2030년까지 선박에서 배출되는 온실가스를 최대 70%를 감축하는 중간 목표를 세웠다. 단순하게 선박의 에너지 소비 효율을 증가시키는 방법으로는 목표를 달성하기 부족하므로, 기존 화석연료에서 CO2 배출량이 적거나 없는 연료로의 교체가 필요하다. 

친환경 선박연료의 종류

친환경 선박 연료의 종류는 LNG, 바이오 연료, 메탄올, 수소, 암모니아 등이 있으며, 각 연료의 장단점은 표1에 정리되어 있다. 위 연료 중, 최근 암모니아가 친환경 선박 연료로 주목을 받고 있다. 그 이유는 화석연료를 암모니아로 100% 대체하면, CO2 배출을 획기적으로 저감할 수 있고 대량생산을 통해 타 연료대비 경제성 확보 및 안정적인 공급이 가능하기 때문이다. 게다가, 암모니아는 1bar, -34℃ 또는 10bar, 20℃에서 액체 상태로 존재하기에 저장 및 운송이 용이하다는 점을 통해 경제성을 더욱 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

암모니아의 단점인 질소산화물(NOX) 및 N2O 배출은 후단에 분해 촉매를 설치하여 해결할 수 있도록 촉매 연구가 진행중이며, 높은 발화점 및 낮은 연소속도는 디젤 혹은 수소와 같은 타 연료와 섞어 사용하는 것을 통해 해결할 수 있다.

암모니아 연료 제조 기술

암모니아는 질소와 수소를 반응시켜 Bosch-Haber 공법으로 생산할 수 있다. 현재는 철(Fe) 계열의 촉매를 사용하여 대량생산이 가능하지만, 에너지 소비량(450℃, 200~400bar)이 높다는 단점이 있다.[3] 이를 해결하기 위해 100℃, 10bar 이하에서 운전이 가능한 전기화학적 합성방법이 최근 보고되었다.[4]
이제 주목해야할 것은 탄소 발자국(Carbon Footprint)이다. 수소 및 암모니아를 제조할 때 소비되는 전기에너지를 신재생 에너지로 활용해야만 진정한 의미의 탈탄소 연료라고 할 수 있다. 그러나, 아직까지 신재생 에너지 기반의 전기는 공급량이 적고 고가이므로 경제성을 확보할 수 없다. 이를 해결하기 위해서, 수상태양광 및 해양풍력발전 시설을 설치하는 아이디어가 제시되었다. 이는 충분한 부지 확보와 효율적인 운전을 통해 공급량과 가격적 측면을 해결할 수 있을 것으로 판단된다. 게다가, 해안에서 전력을 생산하면, 항만에서 암모니아를 생성하여 운송과정 없이 선박에 연료를 바로 공급할 수 있다는 장점이 있다.[2] 이는 운송과정에서 발생할 수 있는 비용 및 온실가스 배출 역시 줄일 수 있다는 것을 시사한다.

참고문헌

[1] S. Chambers, Zero emissions by 2050 target gains greater backing among IMO member states, Splash247, 2021.11.30, Zero emissions by 2050 target gains greater backing among IMO member states - Splash247
[2] D. H. Kim, K. Y. Lee, D. W. Kwon, Trend of clean alternative marine fuels and exhaust emission abatement technology for carbon neutrality, KIC News, 25, 8-27, (2022)
[3] Y. Bicer, I. Dincer, C. Zamfirescu, G. Vezina, F. Raso, Comparative life cycle assessment of various ammonia production methods, J. Clean. Prod., 135, 1379-1395 (2016).
[4] C. Smith, A. Hill, L. Torrente-Murciano, Current and future role of Haber-Bosch ammonia in a carbon-free energy landscape, Energ. Environ. Sci., 13, 331-344 (2020).