선박 평형수 탱크 내·외부를 유동하는 공기를 이용한 발전 시스템 개발

Abstract

지난 100여 년에 걸친 산업화와 도시화로 인해 지구의 온실가스는 급격히 증가하였다. 전체 온실가스 중 98%에 이르는 CO2(이산화탄소)는 지구 온난화의 주범이라 할 수 있다. 이 CO2는 1970~2004년 사이 80% 증가하였고, 배출 속도 또한 1970~1994년 대비 1995~2004년 기간이 2배 이상 더 높아졌다. 이러한 상황 속에서 국제해운 분야를 관장하는 국제해사기구 IMO에서는 해운 탈탄소 정책을 지속적으로 강화하고 있다. 선박에서 배출되는 온실가스를 줄이기 위한 다양한 방법이 적용되고 연구되고 있으며, 그중 하나는 선내에서 새로운 에너지원을 발굴 및 사용하여 기존 선박 연료유의 사용량을 절감하는 것이다. 선박의 평형수 탱크 내 평형수는 선박이 운항함에 따라 파랑 등 외부요인에 의해 항시 동요한다. 이로 인해 평형수 탱크 내외부로의 공기 흐름이 발생하게 되는데, 이러한 유동 공기를 활용한다면 선박에서 사용할 수 있는 유효 전력을 생산할 수 있을 것이다. 이는 IMO의 탈탄소 정책에 부합할 수 있고, 생산된 유효전력 만큼의 기존 연료유 사용량을 절감할 수 있는 효과가 있을 수 있다. 본 연구에서는 평형수 탱크 내외부를 유동하는 공기를 이용한 발전 시스템 개발을 다룬다. 이를 위해 우선 분석 대상 탱크를 설정하였고, 롤링 운동에 따른 예상 발전량을 알아보기 위해 이론 계산을 수행하였다. 평형수 탱크가 롤링하는 각도에 따라 변화하는 탱크 내 평형수의 수직 변위 Z를 계산하였고, 일정 롤링 각도와 주기 조건하의 예상 발전량을 산출해냈다. 발전에 유효한 최대 롤링 각도는 탱크 높이 만큼의 평형수 수직 변위가 발생했을 때이다. 계산 결과 대상 탱크의 최대 롤링 각도는 약 28도임을 알 수 있었고, 그 범위 안에서 5도 간격으로 롤링 각도를 설정했을 때, 도출 할 수 있는 발전량을 계산하였다. 계산은 세 가지 주기 조건 (5초, 10초, 15초)에 대한 계산 결과이다. 또한, 계산한 발전량의 실효치를 기준으로 선박용 비상 배터리(12V / 100AH)를 충전할 경우 소요되는 시간을 계산하였다. 이론 계산에서 도출한 전력량과의 비교를 위해 모형 실험을 수행하였다. 평형수 탱크 모형을 구성하고 인위적인 공기의 흐름을 발생시키기 위해 송풍기를 사용하였다. 이때 공기는 단방향 흐름만을 구현하였다. 공기 흐름의 세기인 풍속 값은 앞선 이론 계산에서 도출한 값을 적용하였으며, 두 가지 주기에 대한 세 가지 롤링 각도에서 발생하는 유속치를 기준으로 실험하였다. 선박 배출 온실가스 저감 방법중 하나로 평형수 탱크 내·외부를 출입하는 에너지를 고려하는 선주, 관리사 및 기자재 업체는 본 연구의 결과를 참고할 필요가 있다고 사료된다.