선박의 하이브리드화를 통해 필요한 작업에 가장 적합한 에너지원을 사용할 수 있으므로 소음 감소는 물론 유해물질 배출이 줄어들고 유지보수에 드는 노력이 감소하는 장점이 있습니다.
실질적으로 전력은 프로펠러 축에 연결된 큰 전기 모터를 구동하는 데 사용됩니다. 이러한 방식은 연료 구동식 엔진이 설계점에 더욱 근접하여 구동할 수 있게 하며 결과적으로 연료 경제성이 확보됩니다. 잉여 에너지는 향후 이용을 위해 배터리에 저장되므로 연료 구동식 엔진이 매끄러운 구동 곡선을 유지할 수 있습니다.
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목차
- 소개
- 엔진 및 발생 동력 이해하기
- 하이브리드 추진
- 결론
1. 소개
조선소 및 선박 소유주는 설계 및 설치 유연성을 높이고 (에너지 및 전력 소비와 관련하여) 운전 성능을 최적화하며 환경에 미치는 영향을 최소화하기 위해 선박 하이브리드 시스템에 대한 투자를 점차 확대하고 있습니다.
엄격한 효율 및 배출 규제 관련 요구사항 덕분에 지난 수십년간 신규 선박이 크게 개선되었으며, 개보수를 통해 기존 선박을 추가로 개선하여 당사가 해당 업계에 맞게 설정한 목표의 충족을 보장할 것입니다 1.
이 기사에서는 하이브리드 추진을 다루며, 하이브리드 시스템이 더욱 지속가능한 해운 선박으로의 전환에 있어 중요한 이유를 다룹니다.
1 http://www.imo.org/en/MediaCentre/HotTopics/GHG/Pages/default.aspx
2. 엔진 및 발생 동력 이해하기
쉽게 말해, 디젤 엔진의 효율은 연료를 기계적인 에너지로 전환하는 능력입니다. 엔진 특성의 일반적인 내용은 그림 1에 묘사되어 있습니다.
그림 1 상대적 엔진 부하의 함수로서의 상대적 특정 연료-석유 소비
보는 바와 같이 소비는 엔진 부하의 비선형 함수이며, 이 함수는 특정 부하에서 최소값을 가집니다. 브랜드에 따라 약 65-80% 수준을 보입니다. 따라서 연료 소비를 최소화하기 위해서는 엔진 부하가 최대 용량의 약 2/3 수준을 보여야 합니다 2.
하지만 적어도 소형 해운 선박의 전형적인 운전 시간에는 저속으로 선회하는 시간이 상당히 포함되어 있습니다. 예를 들면 예인되는 경우가 이에 해당합니다. 이러한 경우 (매우 큰) 주 엔진을 구동하지 않고 반응을 준비하는 서비스 시간을 매우 많이 소비합니다. 이는 심각한 에너지 낭비입니다.
그림 1에서 보는 바와 같이 엔진이 설계 규격을 벗어나서 운전하므로 저속 운전은 추진 시스템 비효율을 의미합니다.
2 https://www.researchgate.net/figure/The-relative-specific-fuel-oil-consumption-SFOC-as-a-function-of-the-relative-engine_fig2_252392578 3 http://www.imo.org/en/MediaCentre/HotTopics/GHG/Pages/default.aspx
2.1 연료의 다이나믹 성능
순수 디젤 및 해운용 가스 석유는 상당히 신속한 다이나믹 성능(2 MW 발전기의 경우 100 kW/초)을 갖고 있습니다. 하지만 2050년까지 배출규제해역 확대와 IMO의 배출량 50% 감축 이행을 목표로 한 파리 협정은 선박 연료 소비의 상당한 개선과 배출량 수준을 요구합니다 3. 새로운 연료 유형과 배기 가스 세정을 위한 스크러버 사용은 앞으로 널리 확대될 것입니다.
액화 천연 가스(LNG) 및 기타 바이오 연료와 같은 환경에 영향을 덜 주는 연료는 SOx 가스나 분진을 배출하지 않습니다. LNG를 사용하면 NOx 배출량이 최대 85%까지 감소하며, CO2 배출량은 최소 20%까지 감소합니다 3. 하지만 이러한 연료 유형은 변화에 대한 대응 속도가 느린 것이 특징입니다. 이러한 유형은 갑작스런 부하 변화에 제대로 적응하지 못합니다. 따라서 엔진에서 발생하는 부하조차 감당할 수 없습니다. 예를 들어, 직기동 스러스터 또는 선내 압축기는 몇 초만에 매우 큰 부하를 필요로 할 수 있습니다.
전통적으로 이러한 문제를 해결하는 방법은 피크 부하에 대비해 예비회전력을 확보하는 차원에서 여러 대의 발전기를 계속해서 구동하는 것이었습니다. 이러한 발전기는 단순히 동력이 확장될 가능성에 대비해 구동할 뿐입니다. 하지만 더 나은 피크 수요 해결 방법이 있으며, 그것이 바로 이러한 저배출 연료를 실제로 사용하는 방법입니다.
3 https://www.skangas.com/lng/lng-for-marine/
3. 하이브리드 추진
위에서 본 바와 같이 연료 구동식 엔진은 브랜드에 따라 다르지만 약 65-80% 용량 수준의 정적 부하에서 최적으로 구동할 수 있습니다. 하지만 선내에서는 동력 변동이 항상 발생합니다. 추진에 영향을 미치는 바람과 파도, 선내 기계 설비의 전원 리셋, 그리고 방향 전환 또는 정지를 위한 순간 추진 등이 모두 시스템의 다이나믹 성능에 영향을 줍니다.
전자부품은 다이나믹 성능에 영향을 받지 않습니다. 전자부품은 몇 초가 아닌 몇 밀리초 내에 반응하는 순간 반응 부품으로, 급속한 동력 수요 변화 요구사항을 충족할 수 있습니다.
또한 사용 중인 시스템에 배터리 저장장치를 도입하면 이를 활용하여 부하가 감소할 때 부하를 축적하도록 배터리를 충전할 수 있으며, 일관성 있고 정적인 조건에서 연료 구동식 엔진이 작동할 수 있도록 보장할 수 있습니다. 시스템에 배터리를 도입하는 것을 또한 하이브리드화라고도 합니다.
3.1 하이브리드 선박
하이브리드 선박은 2가지 이상의 전력원으로 구동합니다.
주 엔진과 발전기는 배터리 또는 슈퍼 컨덴서 형태의 통합 에너지 저장장치와 주로 결합됩니다. 에너지 생산을 하이브리드화하여 발전기 최적화를 보장(위에서 설명)하거나 에너지를 소비하는 기계 설비를 하이브리드화하여 기계 설비의 작동을 최적화하는 것이 목적입니다.
3.2 하이브리드 시스템의 장점
하이브리드 솔루션을 사용하면 공회전, 운항, 방향 전환, 기동 또는 정지 시 배터리와 소형 디젤 발전기를 동시에 사용하여 선박에 에너지를 공급할 수 있습니다. 주 엔진은 멈춰도 상관 없습니다.
연료 구동식 엔진을 최적 수준에서 구동하고 전자부품으로 피크 수요에 대비하게 하면 엔진 기반 예비회전력은 필요 없게 됩니다. 이러한 방식을 적용하면 발전기가 최전의 동력점에서 작동하고 필요한 발전기 수가 감소하므로 발전기에서 더 많은 동력을 확보할 수 있습니다. 이렇게 하면 중량뿐만 아니라 설치, 운전 및 유지보수 관련 비용과 수고를 줄일 수 있습니다. 선박 동력 관리 시스템은 최적의 엔진 회전수를 지속적으로 자동 계산하며 전체 시스템에 대한 최적의 동력원 조합을 지속적으로 자동 정의합니다. 구동하는 엔진 및 발전기 수가 감소하기 때문에 소음 수준도 최소화되고 연료 소비량도 감소합니다. 게다가 엔진/발전기의 마모 또한 감소하며, 그에 따라 유지보수 간격이 최대 50%까지 연장될 수 있습니다.
장점:
- 선박 성능 향상
- 배출량 감소
- 낮은 연료 소비에 따른 낮은 운전 비용
- 엔진과 관련하여 낮은 유지보수 비용
- 선내 소음 수준 및 진동 감소 - 해저 소음 또한 감소
- 전력 공급 시스템의 장기적 효율 향상
- 이중화 향상
다음은 전력망 컨버터, 직류 저장장치 및 육상 전력을 포함한 선박 교류 전력망의 예입니다.
그림 2 직류 저장장치 및 육상 전력을 포함한 선박 교류 전력망의 예.
3.3 피크 수요 감축 - 발전기의 다이나믹 부하 감소
선내 교류 전력망을 위한 에너지 저장장치 시스템은 그림 2에서 보는 바와 같이 양뱡향입니다. 이러한 양방향성은 부하가 감소할 때 연료 구동식 엔진에서 발생한 잉여 전력이 배터리 충전에 사용되고, 이를 통해 발전기가 갑작스런 변화에 대응할 필요가 없도록 보장합니다.
예를 들어, 디젤 발전기에 매우 큰 부하를 가하면 발전기 보호 메카니즘이 발전기를 보호하기 위해 발전기를 차단하는 위험에 처하게 됩니다. 이렇게 되면 다른 발전기에 과도한 부하가 가해지고, 파급 효과가 발생하여 최악의 경우 전력 시스템이 무효화되며 이는 전체적인 정전을 의미합니다.
그림 3 원치않을 뿐만 아니라 선박의 정전으로 이어질 수 있는 엔진/발전기의 갑작스런 변화.
그 대신 에너지 저장장치 시스템이 이렇게 급속한 변화에 대응하게 하면 엔진과 발전기는 전력 필요에 따라 매끄러운 상승 및 하락을 경험하게 됩니다. 선내 관리 시스템은 특정 엔진의 변화 특성에 적합한 제어 방식으로 부하가 점차 감소하도록 보장합니다.
그림 4 전자 저장장치 시스템을 통해 제어되는 갑작스런 변화.
이러한 경우, 급속한 부하 변화를 감당하기 위해서는 저장장치 시스템에 대한 전력 제어/기본 전류 지령(AC 드라이브)이 필요합니다.
3.4 부하 공유
장비를 최상으로 활용하기 위해서는 디젤 발전기와 에너지 저장장치 간에 부하 공유가 필요합니다.
부하 공유는 주파수와 전압의 수하 기능을 통해서나 동시동기 모드를 사용하여 확보할 수 있습니다 4.
모든 동력원 간에 균등하게 활성 부하를 공유할 때는 시스템 내 다른 동력원과 그 설정이 동일해야 합니다.
4 VACON® NXP Grid Converter - 피크 수요 감축 셋업, https://www.youtube.com/watch?v=DJ1B4C8PLHI&index=8&list=PLEpz8AOKe-rWlVVCNUx_GNREZiQB_1Q58
그림 5 부하 공유.
3.5 안전 보호 장비 및 선박 제어 보장
전기 시스템을 사용하면 단락이 발생할 수 있습니다. 단락이 발생하는 경우 드라이브가 손상되어 전체 시스템이 무효화되지 않도록 결함 영역을 격리하려는 경우가 많습니다.
그림 6 유지 전류.
퓨즈를 단락 또는 트립하게 하려면 퓨즈가 단락될 때까지 충분한 시간 동안 충분히 높은 수준의 전류(x로 표시)를 유지해야 합니다. 퓨즈의 이러한 특성을 쉽게 활용하기 위해 당사는 이러한 임계값을 충족하도록 드라이브를 프로그래밍합니다.
결함이 발생하면 단락 전류가 급속히 상승합니다. 전류가 드라이브의 하드웨어 트립 수준(과전류 트립 한계)에 도달하면 하드웨어를 보호하기 위해 드라이브가 정지되고 완전한 정전 상태로 이어집니다. 이는 아무도 원치 않는 결과입니다.
그림 7 단락 시나리오.
드라이브를 사용하여 전류를 관리하면 상승 전류를 감지할 수 있고 사전 정의된 단락 수준에서 차단할 수 있습니다. 이 수준은 조정 가능하며 HW 트립 수준에 대한 안전 여유로 설정해야 합니다. 전류는 0까지 강하합니다. 그리고 나서 전류 컨트롤러는 전류를 단락 전류 한계(또한 퓨즈 특성에 따라 조정 가능한 파라미터)까지 이끕니다. 단락 시간 또한 퓨즈 특성에 따라 설정됩니다. 따라서 시간량과 그에 따른 전류 모두 미리 알 수 있습니다.
이제 전체 시스템을 정전시키지 않고도 결함 있는 회로의 퓨즈만 단락할 수 있습니다.
4. 결론
선박에 에너지 저장장치를 도입하면 연료 소비 및 수명 비용을 상당히 줄일 수 있습니다. 그와 동시에 배출 수준에 상당히 긍정적인 영향을 줄 수 있으며, 이를 통해 국제사회가 설정한 목표 달성이 보장됩니다.
배터리 저장장치는 자체 사양에 따라 엔진 또는 발전기를 최적으로 활용할 수 있으므로, 과도한 예비회전력 및 과도한 치수 결정이 필요 없습니다.
백업 기능을 하는 배터리 저장장치는 주 엔진 고장 시 이용 가능한 동력원 역할을 보장합니다. 선내 주방을 예로 들면, 선장이 추가적인 동력을 필요로 하는 시점과 동시에 주방장이 주전자, 조리기 및 오븐을 사용하면 주방 내 퓨즈만 단락됩니다.