The Effects of the Variable-Speed Operation of 4-Stroke Generator Engine for DC Grid Ship on the Exhaust Gas and the Fuel Consumption

Abstract

국제사회에 환경문제가 대두됨에 따라 국제해사기구(IMO)는 선박에 의한 육해상 환경오염 뿐만 아니라 대기오염에 관해서도 1997년부터 MARPOL 73/78 부속서(Annex)를 개정하여 선박으로 부터의 배기가스 규제를 시작하였다. 또한, 선박에 더욱 높은 에너지효율이 요구되는 규칙들을(EEDI, SEEMP & DCS) 제정하여 지속적이고 더욱 강도 높은 환경보호에 앞장서고 있다. 특히, 국제 사회의 요구에 따라 배기가스로 부터 배출되는 온실가스(GHG), 질소산화물(NOX) 그리고 황산화물(SOX)에 대한 규제를 단계적으로 시행하는 계획을 발표하여, 미래를 위한 환경보호에 앞장서고 있다. 이러한 해상에서의 환경규제에 대응하여, 기술적으로 보다 깨끗하고 효율적인 전력에 대한 시장 수요가 증가하게 되었고, 특히 최근 전력반도체 소자(Power Electronics), 재생 에너지 그리고 에너지 저장 시스템의 점진적 발전이 과거의 기술적 한계를 넘어설 수 있도록 하고 있다. 또한, 교류전력보다 더 큰 전력을 더 먼 거리에 보다 효율적인 방식으로 전송하기 위한 기가와트(Giga Watt)급 초고전압 직류송전시스템이 세계 여러 곳에 설치 운용되어지고 있으며, 최신의 여러 선박에서 에너지 효율향상을 위해 전기추진방식을 채택함에 따라 전통적인 AC Grid뿐만 아니라 변속형 발전기를 이용한 DC Grid의 효과를 검증하여 적용되어지고 있다. 이러한 흐름으로 미루어 보아 여러 분야에서 DC Grid의 성장이 계속 이루어지고 있다고 볼 수 있으며, 이 DC Grid는 육해상의 다양한 분야에서 여러 미래 문제에 대한 유망한 해결방안 중 하나가 될 것으로 보인다. 본 논문은 일반적으로 DC Grid선박에 맞게 조정이 된 전자식 디젤 분사 방식의 가변속발전기 엔진이 아닌, 캠 구동형 디젤 분사 시스템이 장착 된 4행정 발전기엔진에서 배기가스 배출 및 연료소비에 있어서의 엔진 감속 전략의 유효성에 대한 실험적 연구를 제시하고 있다. 따라서 통상의 DC Grid 가변속발전기에서는 본 실험과 다른 결과가 도출될 수 있음을 전제로 하고 있다. 본 실험은 상용화된 DC Grid전용 가변속발전기 엔진이 아닌 캠 구동형 디젤분사 방식의 엔진을 사용하였기 때문에, 캠 구동형 엔진으로 DC Grid선박의 개조 또는 사용을 고려할 경우 실험논문의 결과를 참고할 수 있겠다. 본 실험은 국내 유일의 선박 전기 추진 시스템 실증 시험대인 MASTC에 설치된 8기통 V형 4행정 발전기 엔진에서 실험을 진행하였다. 실험 결과, 정격속도로 실험엔진을 운전할 경우 부하가 증가함에 따라 배기가스내 질소산화물과 이산화탄소의 비율은 증가하는 반면 일산화탄소와 산소의 비율은 줄어들었다. 반면, 엔진출력을 유지하면서 엔진회전수를 감소시키는 경우 질소산화물, 이산화탄소 그리고 일산화탄소의 배출 질량 분율이 증가하는 것으로 나타났다. 더불어, 상기의 엔진회전수 변화조건으로 기존자료에 대한 검증 차 진행한 연료소비변화 결과는 주요부하에서 엔진회전수 감소에 따라 연료소비도 감소함을 확인하였다. 즉, 본 연구는 캠 구동 플런저 디젤 분사 시스템이 장착 된 4행정 발전기 엔진에 엔진 회전수 감소 전략을 적용했을 때, 연료 소비를 줄이는데 있어 경제적 이점을 보여 주었지만 배기가스 배출에 있어서는 약점을 가지고 있음을 확인 할 수 있었다.