해운산업의 탄소감축과 일본 차세대 선박 개발 동향

2050년 온실가스 총배출량 50% 감축 목표 제시

글로벌 주요국 제로에미션 선박 개발 및 실용화 박차

글로벌 교역에서 90% 이상은 해상 운송을 통해 이뤄지고 있으며, 선박 산업은 세계 무역에서 핵심 역할을 담당하고 있다. 세계 경제가 계속해서 성장함에 따라 해상 물동량도 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. 전 세계적으로 탄소감축 요구가 높아지면서 조선산업에서도 온실가스(GHG)를 줄여 나가기 위한 노력이 이어지고 있다. 현재 세계 주요국들은 친환경 선박 개발을 추진하면서 향후 조선 시장의 주도권을 잡기 위해 경쟁을 펼치고 있다. 한일산업·기술협력재단의 일본 산업리포트 ‘제로에미션 선박 실용화를 위한 차세대 선박 개발 프로젝트’(’24.10.25), 한-EU연구협력센터의 KERC R&I News ‘EU 연구혁신 정책 및 연구 동향’(’24.04.24), 한국해운신문 기사 ‘MAN, 암모니아 엔진 100% 부하 테스트’(25.1.31) 등을 통해 최근 조선 산업의 동향을 살펴봤다. 

일본 이마바리조선의 LNG 운반선                                                                                                                                                          | 출처_이마바라조선 webpage 

국제기구 해운산업의 온실가스 감축 전략 제시

해양환경보호위원회(Marine Environment Protection Committee)에 따르면 해운산업 부문의 이산화탄소(CO2) 배출량은 전 세계 배출량의 약 3%(11억톤)를 차지하는 것으로 나타났다.

현재 항공, 해운, 도로 등 운송 부분의 탄소 배출량은 전체 온실가스(Green House Gas, GHG)의 약 5분의 1에 달하는 것으로 추정되며, 2050년에는 30%까지 증가할 것으로 전망된다. 해운 산업에서 발생하는 CO2 배출량에 대한 대책을 강구하지 않으면 배출량은 점차 증가해, 2050년에는 전체 수송부분 에너지 소비의 약 17%에 이를 것으로 예상된다. 

해양 안전과 선박 설비 기준을 정하는 UN 국제해사기구(IMO)는 2018년 해운 산업의 온실가스 배출량을 줄이기 위한 방향을 제시한 바 있다. 

IMO는 강력한 규제사항인 “GHG 감축 전략”을 도입하고 3가지 GHG 감축 목표를 내놓았다. 첫째, 2030년까지 평균 연비 40% 이상 개선(2008년 대비), 둘째, 2050년까지 GHG 총배출량 50% 이상 감축(2008년 대비), 셋째, 이번 세기 중 가능한 한 조기에 GHG 배출량 제로를 목표로 내세웠다. 

국제 해운은 여러 나라가 관련되어 있어 GHG 배출에 대한 책임 관계가 복잡하다. 그런 이유로 GHG 감축 목표를 UN 기후변화협약이 아닌 IMO의 목표로 설정하고, 배출량은 국가 별이 아닌 국제 해운 전체로 계산하고 있다. IMO의 감축 목표는 전 세계 해운 업계가 직면한 중요한 과제이며, 각국 정부와 기업들은 목표 달성을 위해 다양한 노력을 기울이고 있다. 최근 온실가스 배출 감소를 위한 해결책으로 수소, 암모니아, LNG를 연료로 사용하는 차세대 선박 개발에 관심이 쏠리고 있다.  

2023년 7월 IMO는 기존 ‘GHG 감축 전략’을 개정해 해운 산업의 온실가스 배출량 제로 달성 시기를 2050년으로 앞당겼다. 전반적인 목표 달성 시기가 조정됨에 따라 주요국들은 대응책 마련과 함께 다양한 기술 개발에 착수하며 연료 전환 및 에너지 효율 개선에 초점을 맞추고 있다.

바이오, LNG 등 선박 연료의 탄소저감화 추진

현재 대다수 선박은 연료로 중유를 사용하고 있으며, 탄소배출의 주요 원인이 되고 있다. 최근 몇 년간 선박 연료가 급속하게 전환되면서 바이오 연료 혼합, LNG(액화천연가스), 메탄올과 같은 대체 연료가 도입되는 추세다.  

선박의 기존 연료인 중유는 C02 배출량이 높지만, LNG, 수소, 암모니아 등과 같은 차세대 연료는 더 낮은 온실가스를 배출한다. 이런 이유로 완전한 탄소 배출 제로를 실현하기 위해서는 차세대 연료의 개발과 보급은 필수적이라고 할 수 있다. 

특히 대형 선박의 경우 LNG, 암모니아, 수소와 같은 가스 연료의 도입이 관심을 끌고 있다. 소형 선박의 경우 배터리나 수소 연료 전지를 활용한 전기 추진 기술이 향후 유망할 것으로 보인다. 차세대 연료를 사용하는 차세대 선박은 온실가스 감축 외에도 경제적, 환경적인 이점을 제공한다. 중형 선박의 경우, 당분간 배터리와 발전기를 조합한 하이브리드 선박이 보급될 것으로 예상되며, 배터리와 수소 FC(Fuel Cell)의 기술 발전과 비용 절감에 따라 이들 연료의 적용이 확대될 것으로 보인다. 선박 연료의 전환은 환경 문제 해결을 넘어, 연료비 절감 및 에너지 자립과 같은 경제적 이점도 함께 제공할 것으로 기대를 모으고 있다.   

기존 연료와 차세대 연료를 비교해 보면 각 연료는 CO2 배출, 비용, 상용화 수준에서 다양한 차이가 존재한다. 예를 들어 수소의 경우, 저장 및 운송이 어렵고 폭발 위험성이 높으며, 암모니아 연료는 독성 및 부식성이 강하기 때문에 안전한 연소 기술이 요구된다. 또한 LNG는 가스 상태의 메탄이 대기 중에 방출되는 ‘메탄 슬립(Methane Slip)’이라는 문제를 해결할 필요가 있다. 현재 글로벌 주요국들은 선박의 온실가스 배출 제로 목표를 달성하기 위해 다양한 대응책을 마련하고 연구 개발을 진행 중이다. 

해상수송 의존 높은 일본의 ‘차세대 선박 개발 추진’

섬나라인 일본은 무역량의 99.6%가 해상 수송에 의존하고 있으며, 자원이나 식료품 자급률이 낮기 때문에 안정적인 해상 수송 확보가 중요하다.   

일본 조선업체들은 글로벌 경쟁력을 보유하고 있으며, 대부분의 선박용 기기는 지방에 생산 거점을 두고 있다. 일본 조선업은 지방권 생산 비율이 90% 이상을 차지하고 있고, 1,000여개 사업소에는 약 6만명이 고용되어 지역 경제에 긍정적인 영향을 미치고 있다. 일본의 조선업체들은 지속적인 기술 혁신과 연구개발을 통해 선박의 연비 개선과 환경친화적 기술을 도입하는 등 세계 시장에서도 경쟁력을 유지하고 있다. 

일본 정부는 제로에미션(Zero-Emission), 즉 무배출 시스템을 위한 GHG 감축 시나리오 및 실현을 위해 2020년 3월 “국제 해운 제로에미션을 위한 로드맵”을 수립한 바 있다.  

로드맵에서는 외항선의 수명을 고려해 2030년부터 80% 이상 효율을 개선한 선박을 투입한다는 계획이다. 또한 개선된 선박이 운항함으로써 2050년까지 2008년 대비 CO2 총배출량을 50% 이상 감소시킨다는 목표를 설정했다. 목표 달성을 하게 되면 연간 약 5.5억톤 이상의 CO2 감축 효과가 있을 것으로 예상된다.  

이후 일본 정부는 2023년 7월 개정된 IMO의 전략을 반영한 새로운 개정안을 제시했다. 제로에미션 연료 활용을 확산시킬 필요가 있다고 판단하고, ‘차세대 선박 개발’ 프로젝트를 통해 국제 해운의 제로에미션을 실현한다는 방침이다. 2050년까지 제로에미션 선박을 상용화하기 위해 수소 및 암모니아 연료 선박의 기술력 확보를 독려하고 있다. 2028년까지는 제로에미션 선박의 상업 운항을 목표로 삼았다. 이 프로젝트가 원활하게 진행된다면 단기적으로는 2030년까지 약 33톤, 2050년까지 약 5.6억톤의 CO2 감축이 가능할 것으로 예상되며, 경제적 파급효과도 기대된다. 

일본 ‘차세대 선박 개발’ 프로젝트 과제...불확실성 상존     

일본이 추진하는 차세대 선박 개발은 아직 초기 단계로 해결 과제들이 다수 존재한다. 연료 선택의 불확실성, 인프라 구축의 미비, 안전성 문제, 비용 부담, 기술 개발 등의 문제를 들 수 있다.  

일본이 추진하는 제로에미션 선박에 사용될 것으로 예상되는 연료는 각각의 장단점이 존재한다. 일본 정부와 조선업계는 수소와 암모니아 같은 차세대 연료가 높은 잠재력이 있다고 판단하고 있다. 하지만 각각의 장단점으로 인해 차세대 선박에 사용될 연료를 확정하는 것도 문제라고 할 수 있다. 그 이유는 2030년대 본격적으로 제로에미션 선박이 투입되기 위해서는 수소 및 암모니아의 국제 공급망 인프라가 구축되어야 하지만 전망이 불확실하기 때문이다.   

특히, 수소 연료의 경우 생산, 저장, 운송 과정에서 안전 문제와 비용 문제 해결이 중요한 사항이다. 이외에도 다양한 연료 개발 옵션을 모색하면서 기업들이 기술 개발에 착수할 수 있도록 더 많은 지원이 요구된다. 

일본은 제로에미션 선박 관련 기술 개발을 지원하면서 2가지 시나리오를 설정하고 있다. 첫째는 ‘수소 및 암모니아 공급이 확대될 시나리오’, 둘째는 ‘LNG, 바이오메탄, 카본 사이클 메탄 공급이 확대될 시나리오’다. 

수소와 암모니아 연료의 사용은 폭발, 부식 등의 안전 문제가 동반되지만, 문제 해결을 위한 규제와 기술이 아직 완벽하게 마련되지 않은 상태다. 탄소 저감에 기여할 수 있는 수소와 암모니아 연료는 기존 중유에 비해 비용이 매우 높은 편이다. 수소와 암모니아 연료의 상용화 기술 개발에는 막대한 투자가 요구된다. 수소 및 암모니아 엔진 기술 개발은 아직 개발 초기 단계로 상용화를 위한 신뢰성을 확보하기까지는 많은 시간이 필요할 것으로 예상된다. 

일본의 차세대 연료별 선박기술 연구 및 개발 현황 

수소 엔진 개발 현황 및 과제

선박의 제로에미션화를 달성하기 위해서는 수소를 100% 활용할 수 있는 엔진, 연료탱크, 연료공급 시스템과 관련된 요소 기술을 개발하는 것이 중요하다. 일본 정부는 2030년까지 수소 연료 선박의 실증 운항 완료를 목표로 하고 있다.  

수소를 연료로 활용하는 선박 엔진은 전 세계에 아직 존재하지 않으며, 육상 엔진에서도 실험용으로 소형 엔진에 대한 기초 개발이 진행되는 단계다. 선박용 엔진은 육상 엔진보다 대형이고 출력이 높으며 파도에 의한 부하 변동이 심하므로 이러한 특수성을 반영한 별도의 기술이 요구된다. 

선박에서 수소 연료를 활용할 경우 최소 착화 에너지가 적고, 최고 연소속도가 크기 때문에 질소산화물(NOx) 배출 증대나 노킹 발생 등의 문제를 해결해야 한다. 연소 제어와 관련된 연료공급시스템을 포함해 배관이나 접합 부위 등의 누출 방지 대책, 화재 및 폭발 방지 대책, 수소취화로 인한 재료 열화 방지 대책 등의 안전대책도 필요한 상황이다. 연료 소비, 탑재 공간 관점에서도 액체수소 활용은 이점이 많을 것으로 기대를 모은다. 하지만 액화 상태에서도 부피가 기존 연료의 약 4.5배이므로 253℃의 극저온 상태에서 공간 절약, 온도 관리, 저온 취화 방지 등의 안전대책을 고려한 액체 수소용 연료탱크 개발이 필수적이다. 

암모니아 엔진 개발 현황 및 과제

암모니아 엔진 연구개발의 경우 암모니아 연소와 관련한 문제 해결이 우선 과제라고 할 수 있다. 암모니아 연소를 위해서는 높은 효율의 분사 및 연소제어 기술과 CO2보다 약 300배  높은 온실효과를 발행하는 N2O(아산화질소)의 발생을 줄이는 방안이 시급한 상황이다. 암모니아 엔진은  연소 제어가 가능한 연소공급 시스템을 포함해 부패 식성, 독성 등의 문제가 있어 안전방안 등의 과제 해결이 필요하다.

일본 정부가 추진하는 암모니아 연료용 엔진의 주요 목표는 GHG를 합리적으로 감축할 수 있는 범위에서 암모니아 연료 사용 비율이 높은 엔진과 연료공급 시스템을 개발하는 것이다. 2028년까지 가능한 한 조기에 상업 운항을 실현한다는 계획이다. 현재 일본 정부의 주요한 연구개발 내용은 암모니아 연료 엔진 개발을 필두로 암모니아 연료 탱크/연료 공급 시스템 개발, 선박용 암모니아 연료 공급 체제 구축(벙커링 선박 개발) 등이다. 

암모니아 엔진은 전 세계적으로 개발된 사례가 없지만 주요국들이 기술개발과 함께 상용화를 목표로 기술개발을 서두르고 있다. 

LNG 엔진 개발 현황 및 과제

LNG 연료 선박의 탈탄소 목표를 달성하기 위해서는 온실효과가 높은 메탄의 배출량 감축이 관건이다. 

일본 정부는 2026년까지 LNG 연료 선박의 메탄 슬립 감축률을 60% 이상 실현하는 것을 목표로 하고 있다. 메탄 배출량 감축을 위해 LNG 연료 엔진에 대해 촉매 방식과 엔진 개발 방식의 메탄 슬립 대책에 관한 기술 개발을 추진하고 있다. 주요 연구개발 내용은 메탄 슬립을 극적으로 감축시키는 엔진 기술을 확립하는 것이다. 

LNG 연소 선박은 수소 및 암모니아 연소 선박보다 앞서 이미 상용화된 상황이다. 하지만 일본 정부가 추진하는 제로에미션을 달성하기 위해서는 메탄 슬립을 획기적으로 저감할 수 있는 기술 개발이 필요하다. 이를 위해 촉매 방식과 엔진 개량 방식이 필요하지만, 현재 각 방식의 적용 가능성이 불확실하므로 두 방식 모두 연구 개발이 요구된다. 메탄은 CO2보다 약 25배 강한 온실효과가 있으므로 향후 IMO에서 메탄 슬립에 관한 국제기준을 두고 논의를 시작할 것으로 예상된다. 

국제해사기구(IMO) 선박 연비 규제로 친환경 강화 

IMO에서는 신규 건조되는 선박에 대한 연비 성능 규제인 EEDI(Energy Efficiency Design Index)를 도입하고 규제 값을 단계적으로 강화해 나가고 있다. 하지만 기존 선박에 대한 GHG 배출규제가 따로 없는 상황이다. 향후 환경성능이 뛰어난 신규 선박들이 기존 선박들을 대체하더라도 탄소 감축 목표 달성에는 못 미친다. 따라서 기존 선박에 대한 연비 규제를 정비하고 성능이 쇠퇴한 선박의 교체를 촉진할 필요성이 있다. 2021년 6월 IMO는 기존 선박의 연비 성능 규제(EEXI: Energy Efficiency Ship Index) 및 연비 실적 등급 제도를 개정했다. 2023년 1월부터 기존 선박에 신조선급 연비 기준이 의무화되면서 등급 제도에 따라 에너지 절약 및 CO2 감축 선박으로 교체할 경우 인센티브를 부여하고 있다. 

저인화점 연료를 사용하는 선박의 안전에 대한 국제 규제가 있기 때문에 LNG 연료 선박에 대한 안전 기준은 마련되어 있다. 반면, 수소나 암모니아에 대한 상세한 안전 규제는 현재 존재하지 않는 실정이다.  

액화 가스 운송을 위한 국제 규제에 따라 현재 암모니아 화물을 운반하는 선박에서 화물의 암모니아를 연료로 사용하는 것은 금지되어 있다. 수소나 암모니아를 연료로 도입하기 위해서는 안전을 확보하면서 이를 사용할 수 있도록 안전 규제를 개정할 필요가 있으며, 정비 기준도 검토돼야 한다. 

일본 가와사키가 개발 중인 상용 액화수소 운반선의 조감도                                                                                                                | 출처_가와사키 중공업 webpage

글로벌 주요 기업들 차세대 선박 개발 경쟁적 추진

국내 조선 관련 기업들은 암모니아 연료 선박을 상용화하기 위해 연구 개발을 서두르며 시장 선점에 나선다는 계획이다. 한화오션은 한화파워시스템과 함께 100% 암모니아 연료로 구동되는 가스터빈 발전기를 기반으로 한 선박모델을 개발했으며, 미국 선급 ABS와 정량적 위험도 평가 수행을 통해 안전성 검증을 했다. 삼성중공업은 유럽연합 선급들로부터 9,300TEU급 암모니아 추진 컨테이너선 기본인증을 받고, 독일의 만-에너지 솔루션(MAN-Energy Solution)과 암모니아 엔진을 개발 중이다. 

독일은 세계 최대 선박 엔진 업체인 MAN-ES가 암모니아 연료의 대형 엔진 개발을 진행 중이며, 2023년 7월 단기통 연소실험에 성공했다. 2024년 11월부터는 2행정 암모니아 엔진 테스트를 시작했으며, 2026년에는 상용화 엔진을 글로벌 조선업계에 공급한다는 계획이다. 

노르웨이 기업 Havyard, Wilhelmsen 등은 수소 연료전지 페리 프로젝트를 진행 중이다. 스위스 기업 WinGD는 2023년 1월 벨기에 기업 CMB의 엔지니어링 자회사인 CMB.tech와 암모니아 연료의 대형 엔진 개발을 위한 협정을 체결한 바 있다. 이 두 기업은 공동개발 중인 엔진을 2025~26년경에 시공될 대형 산적화물선에 탑재하는 것을 목표로 하고 있다. 핀란드 기업인 Wartsila는 GHG 배출을 70% 감축할 수 있는 암모니아 연료 대형 선박 개발을 추진 중이며, 또한 수소 전소 엔진의 컨셉을 2025년 내로 개발 완료할 계획이다. 

신흥 조선 강국인 중국은 대형 조선기업인 중국선박집단이 내륙 운하 항행을 위한 수소 연료 전지 화물선의 실증을 진행 중이다. 

세계 주요 국가들 차세대 선박 개발 정책적 지원

한국은 암모니아 연료 선박과 관련한 연구개발에 정부 차원의 지원을 진행하고 있다. 2021~25년 5년간 364억원을 투자해 기업들의 암모니아와 LNG 혼합 연소 엔진 기술개발 및 실증을 지원하고 있다. 또, 2025년까지 중소형 선박용 암모니아/LNG 연소 엔진 개발과 해상 실험 및 실증, 안전성 평가 등을 위한 연구 인프라를 구축할 계획이다. 

독일, 네덜란드, 유럽은 수소 연료 선박 개발에 정부 차원의 지원을 하고 있다. 2024년까지 네덜란드 로테르담과 독일 뒤스부르크 항구에서 10~15척의 수소 연료 선박을 운항할 계획을 세웠고, 2024년 2월 라인강에서 수소 동력 선박 ‘H2 Barge 2’를 진수하기도 했다. 

노르웨이 정부와 유럽은 수소 연료 전지 선박 개발에 대해 지원 중이다. 연료 전지 시스템을 탑재한 신규 선박 건조, 액체수소 제조 등을 포함한 연료 공급망 구축을 목표로 하고 있다. 노르웨이 정부기관인 ENOVA는 2,500만달러를 지원하고, EU에서 약 800만유로를 지원한다. 이외에 노르웨이 정부는 2015년부터 친환경선박 및 해운 전략과 계획을 세우기 위해 민관 파트너십 녹색 해운프로그램을 진행하고 있다. 60여개 해운 관련 기업들이 친환경항만 설계, LNG/VOC/Battery-powered shuttle tanker, 수소연료 선박 및 자율운항 선박 등을 친환경적으로 개발하는 프로젝트에 참여하고 있다.

미국도 수소 연료 전지 선박 개발에 대해 정부가 지원 중이다. 샌프란시스코만에서 연료전지를 탑재한 페리를 운항하는 프로젝트(SF-BREEZE)가 진행 중이다. 

민관 협력체계 적극 가동해 미래 조선산업 주도해야 

우리나라 정부와 조선업계는 친환경 차세대 선박 개발을 미래 성장동력으로 삼고 글로벌 시장 선점을 위해 박차를 가하고 있다. 국내 기업들의 연구개발 노력도 활발하지만, 수소, 암모니아 등 새로운 연료를 활용한 차세대 선박의 완전한 상용화까지는 해결해야 할 과제들이 존재한다. 먼저 적극적인 기술 개발과 국제 협력이 요구된다. 일본, 유럽, 미국 등과의 기술협력을 강화해 차세대 선박 연료와 관련된 국제적인 연구 개발 네트워크를 구축해 나갈 필요가 있다. 또한 안전 기준 강화 및 규제 정비 역시 요구되며, 환경 규제에 대한 선제 대응이 필요한 상황이다. 

향후 정부와 민간이 협력해 국내 수소 및 암모니아 저장 및 운송 인프라를 조성하고, 이를 통해 선박 운용 시 차질 없는 연료 공급 체계를 마련해야 하는 것도 필수적이다. 

아직까지 친환경 에너지 선박의 완전한 상용화에는 시간이 걸릴 것으로 예상된다. 한국 역시 LNG와 바이오 연료 기술을 병행 개발해 차세대 연료의 본격 도입 전까지 탄소 중립 목표 달성을 위한 유연한 대책도 모색해야 할 것으로 보인다. 아울러 차세대 선박의 안전성을 담보하기 위한 국내 안전 규제 및 기술 표준을 강화해 나갈 필요가 있다.