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자동차 산업에서 전기차가 빠르게 확산되고 있는 것처럼 조선·해운 산업에서도 큰 변화가 일어나고 있습니다. 바로 선박의 친환경화와 전동화(Electrification)입니다.
과거의 선박은 대형 디젤엔진으로 프로펠러를 돌리고, 별도의 발전기를 운전해 선박에서 필요한 전기를 공급하는 구조가 일반적이었습니다. 하지만 최근에는 엔진 하나의 효율만 높이는 방식으로는 연료 소비와 배출가스를 충분히 줄이기 어렵습니다.
그래서 최근 친환경 선박에서는 주기관, 발전기, 추진전동기, 축발전기, 배터리, 전력변환장치 등을 하나의 시스템으로 연결하고, 운항 상황에 따라 가장 효율적인 방법으로 에너지를 생산·저장·사용하는 기술이 중요해지고 있습니다.
이번 글에서는 친환경 선박 기술 시리즈의 첫 번째 글로 축발전기(Shaft Generator), ESS, VFD, PMS를 중심으로 친환경 선박의 전체적인 전력·에너지 시스템을 쉽게 살펴보겠습니다.
1. 왜 선박에도 친환경 기술이 필요할까?
대형 선박은 한 번 출항하면 수일에서 수개월 동안 운항하며 상당한 양의 연료를 소비합니다. 연료 소비가 많다는 것은 운항비가 증가한다는 의미이기도 하지만, 동시에 이산화탄소를 비롯한 배출가스가 증가한다는 의미이기도 합니다.
따라서 최근 조선·해운 산업에서 가장 중요한 기술적 과제 중 하나는 다음과 같습니다.
이를 해결하기 위해 LNG, 메탄올, 암모니아, 수소 등 새로운 연료가 연구되고 있으며 동시에 선박의 전력 시스템 자체를 고효율화하는 기술도 빠르게 발전하고 있습니다.
그중 중요한 변화가 바로 선박 전동화(Marine Electrification)입니다.
2. 기존 선박의 에너지 구조는 어떻게 되어 있을까?
기존 선박의 추진 시스템을 아주 단순하게 표현하면 다음과 같습니다.
주기관에서 만들어진 기계적 에너지가 추진축을 통해 프로펠러로 전달되고, 프로펠러가 회전하면서 선박을 움직입니다.
하지만 선박에는 추진 동력만 필요한 것이 아닙니다. 펌프, 팬, 조명, 냉난방장치, 항해장비, 통신장비 등 수많은 전기 부하가 있습니다.
따라서 일반적으로 별도의 디젤 발전기(Diesel Generator)를 운전하여 선박 내부에 필요한 전력을 공급합니다.
즉 기존 선박에서는 대체로 추진을 위한 기계 에너지와 선내 사용을 위한 전기 에너지가 분리된 구조라고 이해할 수 있습니다.
하지만 친환경·하이브리드 선박에서는 이 두 영역의 경계가 점점 사라지고 있습니다.
3. 친환경 선박의 핵심은 '에너지 통합'
하이브리드 선박과 전기추진 선박에서는 엔진, 발전기, 배터리, 전동기, 전력변환장치가 서로 연결됩니다.
대표적인 에너지 흐름 중 하나는 다음과 같습니다.
여기에 ESS가 추가되면 다음과 같은 전력 흐름도 만들어집니다.
이렇게 구성하면 운항 상황에 따라 에너지의 흐름을 다양하게 변경할 수 있습니다.
항해 중에는 주기관의 동력을 이용해 전기를 생산할 수 있고, 전력이 부족할 때는 ESS에서 전력을 공급할 수도 있습니다.
또 시스템 구성에 따라서는 전동기가 추진축에 추가적인 토크를 공급해 주기관을 보조할 수도 있습니다.
결국 친환경 선박에서 중요한 것은 각각의 장비 자체보다 언제, 어떤 에너지를, 어느 방향으로, 얼마나 사용할 것인가입니다.
4. 축발전기(Shaft Generator)란?
축발전기는 이름 그대로 선박의 추진축 회전을 이용해 전기를 생산하는 발전기입니다.
일반적인 선박에서는 디젤 발전기를 별도로 운전하여 선내 전력을 공급합니다. 하지만 주기관이 운전되고 있는 상황에서 추진축의 동력을 이용해 전력을 생산할 수 있다면 별도의 발전기 운전 시간을 줄일 수 있습니다.
이를 통해 연료 소비와 운전시간을 줄이고 전체 시스템의 에너지 효율을 높일 수 있습니다.
다만 여기에는 중요한 문제가 하나 있습니다.
선박의 주기관 회전속도는 운항 조건에 따라 달라질 수 있습니다. 주기관 속도가 변하면 추진축과 축발전기의 회전속도도 달라지고, 발전기에서 발생하는 전원의 주파수도 영향을 받습니다.
하지만 선박의 전력계통은 일정한 전압과 주파수를 요구합니다.
이 문제를 해결하는 핵심 장치가 바로 VFD입니다.
5. VFD는 왜 필요한가?
VFD는 Variable Frequency Drive의 약자로, 전압과 주파수를 변환해 전동기의 속도와 토크를 제어하는 전력변환장치입니다.
산업현장에서는 일반적으로 인버터라고 부르는 경우도 많습니다.
선박의 축발전 시스템에서 VFD는 매우 중요한 역할을 합니다.
주기관의 회전속도가 변하더라도 VFD를 이용하면 선박 전력계통에서 요구하는 안정적인 전원을 구성할 수 있기 때문입니다.
또한 양방향 전력변환이 가능한 시스템에서는 하나의 전동기가 상황에 따라 발전기 또는 추진 보조 전동기로 동작할 수도 있습니다.
Motor Mode : 전기에너지를 이용해 추진축에 토크를 공급
이 때문에 최근에는 단순한 Shaft Generator보다 Shaft Generator/Motor System이라는 개념이 중요해지고 있습니다.
6. ESS는 선박에서 어떤 역할을 할까?
친환경 선박의 또 다른 핵심 장비가 ESS(Energy Storage System)입니다.
ESS를 간단하게 표현하면 대용량 배터리 시스템이지만, 선박에서는 단순히 전기를 저장하는 것보다 훨씬 다양한 역할을 합니다.
예를 들어 선박의 전력 사용량이 갑자기 증가했다고 가정해 보겠습니다.
기존 시스템에서는 부족한 전력을 공급하기 위해 새로운 발전기를 기동해야 할 수도 있습니다. 하지만 ESS가 있다면 발전기를 추가로 기동하기 전에 배터리에서 필요한 전력을 빠르게 공급할 수 있습니다.
반대로 발전 전력이 남을 때는 배터리를 충전할 수 있습니다.
전력이 남을 때 → ESS 충전
이러한 방식을 활용하면 Peak Shaving, Load Leveling, Spinning Reserve 등 다양한 에너지 관리 전략을 구현할 수 있습니다.
7. PMS는 선박의 전력을 어떻게 관리할까?
축발전기, ESS, 디젤 발전기, VFD가 모두 설치되어 있다고 해서 자동으로 효율적인 친환경 선박이 되는 것은 아닙니다.
각 장비의 상태와 선박의 전력 사용량을 실시간으로 판단하여 전체 시스템을 제어하는 장치가 필요합니다.
그 역할을 담당하는 것이 바로 PMS(Power Management System)입니다.
PMS는 일반적으로 다음과 같은 정보를 감시하고 제어합니다.
- 발전기 운전 상태
- 선박 전력 부하
- ESS 충전상태(SOC)
- Main Bus 전압 및 주파수
- 발전기 투입 및 차단
- 발전기 간 Load Sharing
- 전력 부족 및 과부하 상태
- Blackout 방지
예를 들어 선박의 전력 부하가 증가하면 PMS는 시스템 상태를 판단하여 ESS의 출력을 증가시키거나 추가 발전기를 기동할 수 있습니다.
반대로 부하가 감소하면 발전기를 정지하거나 ESS를 충전할 수도 있습니다.
따라서 친환경 선박에서는 개별 장비의 효율뿐만 아니라 PMS의 제어 로직과 Energy Management Strategy가 매우 중요합니다.
8. 축발전기·ESS·VFD·PMS는 결국 하나의 시스템이다
지금까지 살펴본 네 가지 기술의 역할을 정리하면 다음과 같습니다.
| 기술 | 주요 역할 |
|---|---|
| 축발전기 | 추진축의 기계 에너지를 전기에너지로 변환 |
| VFD | 전압·주파수 변환 및 전동기 속도·토크 제어 |
| ESS | 전기에너지 저장 및 충·방전 |
| PMS | 발전·부하·ESS를 통합 관리 |
중요한 것은 이 장비들이 독립적으로 운전되는 것이 아니라는 점입니다.
예를 들어 발전 운전에서는 다음과 같은 에너지 흐름이 가능합니다.
반대로 추진 보조 운전에서는 다음과 같은 흐름도 가능합니다.
따라서 친환경 선박 기술을 제대로 이해하려면 각 장비의 기능뿐만 아니라 전체 시스템에서 에너지가 어떻게 이동하는가를 이해해야 합니다.
9. 앞으로 연재할 친환경 선박 기술 시리즈
이번 글은 앞으로 이어질 친환경 선박 기술 시리즈의 전체적인 입문편입니다.
이후에는 다음과 같은 주제를 하나씩 자세히 다룰 예정입니다.
- 친환경 선박의 전력계통은 기존 선박과 무엇이 다른가?
- 축발전기(Shaft Generator)는 어떻게 전기를 만드는가?
- PTO·PTI·PTH란 무엇인가?
- 축발전기와 VFD는 왜 함께 사용되는가?
- ESS는 선박에서 어떤 역할을 하는가?
- 선박용 배터리와 BMS의 역할
- PCS와 DC/DC Converter의 원리
- PMS는 발전기를 어떻게 제어하는가?
- PMS와 ESS 연동 운전
- 하이브리드 선박의 실제 운전모드
- Shaft Generator의 Generator Mode와 Motor Mode
- 친환경 선박 전력 시스템 시운전과 Protection
10. 친환경 선박은 결국 에너지를 어떻게 제어하느냐의 문제
친환경 선박이라고 하면 흔히 배터리 선박이나 수소·암모니아·메탄올과 같은 대체연료부터 떠올리기 쉽습니다.
하지만 실제 선박의 에너지 효율을 높이기 위해서는 어떤 연료를 사용하는가 못지않게 생산된 에너지를 얼마나 효율적으로 변환하고 저장하고 사용할 것인가가 중요합니다.
축발전기는 기계 에너지를 전기에너지로 변환하고, VFD는 그 에너지를 원하는 형태로 제어합니다.
ESS는 필요한 순간 사용할 수 있도록 에너지를 저장하고, PMS는 이 모든 장비가 최적의 조건에서 운전되도록 관리합니다.
앞으로 이 시리즈에서는 단순한 이론 설명을 넘어 실제 선박에서 축발전기, VFD, ESS, PMS가 어떻게 연결되고, 각 운전모드에서 어떤 방식으로 제어되는지 하나씩 살펴보겠습니다.
다음 글에서는 친환경 선박 전동화의 핵심 장비 중 하나인 축발전기(Shaft Generator)의 구조와 동작원리를 자세히 알아보겠습니다.
다음 편
축발전기(Shaft Generator)란? 선박의 추진축으로 전기를 만드는 원리