LNG 냉열을 활용한 LNG 연료추진 냉동운반선의 냉동 및 발전시스템에 관한 연구

Abstract

전 세계적으로 이슈가 되고 있는 기후 변화에 따른 환경규제 강화로 조선 산업 또한 예외 없이 해상운송에 대한 환경규제가 근원적으로 강화되고 있다. 국제해사기구(IMO)에서는 지난 2016년 10월 해양환경보호위원회(MEPC) 70차 회의에서 2020년 1월 1일부로 선박연료유에 대한 황(SOx) 함유량 허용치를 기존 3.5%에서 2020년부터 0.5%로 강화하기로 결정한 바 있으며 2018년 4월에 개최된 72차 총회에서는 선박에기인한 온실가스 배출량을 2008년 대비 2050년 까지 50%가량 감소시키기로 결정한바 있다.

또한, 발틱해, 북해, 미국의 일부 해역에 배출가스 통제구역(ECA)을 설정하여 황 함유량이 적은 연료를 사용하도록 규제 하고 있으며, 청정 해역에 대한 요청 증가로 대상 지역이 확대될 전망이다. 이처럼 강화되고 있는 환경 규제에 대한 대표적인 대응방안으로는 황산화물후처리장치(SOx Scrubber)적용 또는 저유황유사용, LNG를 연료로 하는 LNG 연료추전선이 조명되고 있다. 저유황유를 사용할 경우, 기존 시스템에서 추가적인 설비를 요구 하지 않아 규제를 만족하기 위한 가장 간단한 대안이지만, 현재 연료유 대비 상당히 값비싼 연료라 선박 운영비용 측면에서, 타 방식에 비해 크게 증가하게 되므로, 후처리 방법과 LNG 연료추진선박이 각광받고 있다.

특히 액화천연가스(LNG)를 선박의 연료로 사용하는 선박의 경우 기존 HFO에 비해 황산화물(SOx), 입자상물질(PM)은 거의 배출되지 않으며, 이산화탄소(CO2) 약 25%, 질소산화물(NOx)약 85%저감 가능하여 차세대 청정연료로 각광받고 있다. 실제로 2018년 4월 기준 전 세계 액화천연가스(LNG) 연료 추진선은 약 121척이 바다를 항해하고 있으며 약 126척이 건조 중으로 2014년 64척 대비 약 309% 증가되어 그 보급이 빠르게 진행되고 있는 상황이다.

현존하고 건조 중에 있는 LNG 연료추진선의 선종을 분류하면 대부분 여객선과 LNG 수송선 및 오일/화학 탱커이며 최근 상선 부문에도 가속화가 이뤄지고 있지만, 냉동운반선에 대한 건조 및 연구개발은 수행된바가 없다.

냉동운반선은 주로 식품을 적재하고 원산지로부터 수요지로 대량 수송하기 위한 선박으로 적재물의 신선도 유지를 위해 화물창 내 냉장화물을 운송하도록 냉동장치를 설비한 선박이다. 영국 조선·해운시황 분석기관 클락슨(Clarksons) 통계자료에 따르면 전 세계 냉동운반선 799척중 약 42%인 342척 가량이 선령 30년 이상 노후선박이며 10년 이하의 선령을 보유한 선박들은 단 30척에 불가하며 최근 10년간 건조된 냉동운반선은 30척인 반면, 노후화로 인하여 해체 및 손실된 냉동운반선은 약 390척으로 가파르게 감소하고 있는 실정이다. 또한, 해당선박의 경우 화물선으로 분류되어 2020년 1월부터 시행되는 황산화물(SOx) 배출규제를 만족하기 위한 대응책 모색이 시급하다.

본 연구에서는 현존하는 노후화된 냉동운반선 그리고 다가오는 황산화물 배출규제를 만족하기 위한 대응의 일환으로 액화천연가스(LNG)를 연료 사용하고 기존의 LNG 연료추진 선박에서 활용하지 못한 LNG 냉열을 효과적으로 활용하여 냉동운반선의 화물창 냉각뿐만 아니라 유기랭킨사이클을 이용한 발전시스템을 LNG 연료 추진 냉동운반선에 적용하는 것을 제안하며, 냉동시스템에 있어 기존 압축식 냉각 방식대비 소요동력 비교와 발전시스템에 있어 5종류의 유기냉매를 선정하여 응축온도, 압력, 과열도 변화에 따른 사이클의 성능을 분석을 통해 최적 냉매를 선정하여 적용 하고자 한다.|As a part of environment regulation reinforcements to deal with the

worldwide issue of climate change, environment regulations for marine

transportation are fundamentally getting strengthened without exceptions. In

the 70th MEPC meeting which took place in October of 2016, the

International Maritime Organization (IMO) decided to lower the Sulphur

Oxide(SOx) content limit for the ship fuel oil from 3.5% to 0.5%, starting

from January 1st of 2020. Also, in the 72nd general meeting that took

place on April of 2018, it was decided to reduce the vessels' greenhouse

gas emission to approximately 50% of 2008's figure by 2050. Due to such

strengthening of environmental regulations, LNG-fueled vessels that use

LNG as fuels are taking the spotlight. However, when the types of

LNG-fueled vessels that are currently in existence or being constructed are

classified, they are mostly passenger ships, LNG carrier and oil/chemical

tankers. Accelerations are taking place for merchant vessels as well, but

constructions and researches on refrigerated cargo carriers are non-existent.

Refrigerated cargo carriers are used mostly to load groceries and conduct

mass transportation from the places of origin to the demand areas, and

they have refrigerating systems installed in order to transport refrigerated

cargos inside of cargo hold to maintain the freshness of payload.

According to the statistics from Clarksons, the U.K. firm that specializes

in analyzing the market conditions for shipbuilding and marine

transportation, 342 carriers(42%) out of 799 global refrigerated cargo

carriers are more than 30 years old, and only 30 carriers are less than 10

years old. Also, while there are only 30 refrigerated cargo carriers that

were constructed during the past 10 years, 390 carriers were either

dismantled or lost due to deterioration, which shows precipitous decline.

Also, since such carriers are classified as cargo carriers, countermeasures

are urgent in order to satisfy the Sulphur Oxide(SOx) emission regulation

which goes into effect starting from January of 2020.

In order to deal with deteriorating refrigerated cargo carriers and

upcoming Sulphur Oxide emission regulation, this study proposes using the

liquefied natural gas(LNG) as fuel, and efficiently utilizing LNG cold energy

that was previously not used in existing LNG-fueled vessels for cooling

refrigerated cargo carrier's cargo hold and applying the power generating

system that uses organic rankine cycle to LNG-fueled refrigerated cargo

carriers.

Also, in regard to the required power and generation system compared to

the cooling system's existing compression cooling method, this study aims to

select 5 types of organic fluids, analyze the cycle's performance depending

on the changes in the condensing temperature, pressure and degree of

superheat and apply the most optimal refrigerant.