선박 연료로서 LPG의 효용성 분석과 해상용 LPG 엔진의 위험성 평가에 관한 연구

Abstract

선박에서 발생하는 오염물질로 인한 환경피해로 대기오염 규제가 지속 강화되고 있으며, 다양한 친환경 연료의 사용을 위한 기술 개발이 진행 중에 있다. 2050년까지 온실가스 저감 목표 달성을 위해 장기적으로는 수소, 암모니아와 같은 무탄소 선박으로의 전환이 예상되나, 무탄소 선박의 상용화가 되기 전까지 브릿지역할의 친환경연료로서 액화석유가스(LPG)는 매력적이라 할 수 있다. LPG는 액화천연가스(LNG)와 유사한 수준의 대기오염물질 저감이 가능할 뿐만 아니라, 기존 연료 대비 연료 소모량과 연료 소모 비용을 저감시킬 수 있다. 또한, 연료 저장·수송의 용이성, 풍부한 공급 인프라, 소형부터 대형까지 선박 크기 제한 없이 광범위하게 적용 가능한 점 등의 많은 이점이 있다. 아울러, 선박에서 주로 사용하는 기존 연료와 비교해서는 누출 시 해양오염의 발생 위험이 없다. 하지만, 지금까지 선박 연료로서 LPG 사용에 대한 종합적인 연구 및 개발은 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 대한민국에 등록된 선박의 통계를 분석하여 LPG 연료로 전환 가능성이 높은 선박들을 분류하였다. 분류된 대상별 운항 형태(sailing profile)를 마련하고 연간 연료 사용 비용과 대기오염물질 저감효과를 산술적으로 분석한 결과, 모든 선박에서 연간 연료 사용량이 7.5%—10.4%까지 감소하였고, 연료비용 부문에서는 9.8%—59.8%까지 감소 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한, LPG 연료 전환 시 기존 사용연료 대비 황산화물(SOX), 미세먼지(PM10), 초미세 먼지(PM2.5) 등 유해물질을 대부분 제거할 수 있고, 이산화탄소(CO2) 배출량도 모든 선박에서 약 10%—14% 내에서 저감효과가 있는 것을 알 수 있었다. 이러한 LPG 연료의 경제적·환경적 효과 및 경쟁력을 토대로, 특히, 어선 및 소형 선박에 있어 대체연료로서 충분히 고려해 볼 만하다. 국내 최초 LPG 추진선박에 장착하기 위해 개발 중인 200 kW 급 해상용 LPG 엔진 시스템을 대상으로 안전성 검증을 위해 공식안전성평가(FSA) 절차를 기반으로 3단계의 위험성 평가를 진행하였다. 1단계에서는 그룹 워크숍을 통해 전통방식의 고장 유형 및 영향분석(FMEA)을 수행하였고, 그 결과 총 89개의 위험요소를 식별하였다. 2단계에서는 1단계에서 수행한 FMEA의 주관성을 보완하기 위해 fuzzy TOPSIS FMEA 기법을 적용하였고, 근접도 계수의 크기에 따라 28개 그룹으로 위험 순위를 세밀하게 선정할 수 있었다. 3단계에서는 위험 순위가 높은 주요 위험요소에 대한 위험성 제어 방안을 마련하고 비용편익분석을 수행하였다. 그 결과, 주요 위험요소(부품)에 대한 주기적인 정비(교환)는 안전 요건으로 고려될 수 있는 경제적 기준의 범주 내에 있는 것으로 분석되었다. 본 연구에서 제시한 위험성 평가 절차는 기존의 공식안전성평가 절차 와 비교하여 위험성 제어 수단이 필요한 주요 위험요소를 보다 객관적이고 효율적으로 선정하여 위험성 평가에 소비되는 시간을 단축시킬 수 있었다. 본 연구 결과가, 국내 연안선박의 대체연료로서 LPG를 고려할 수 있도록 국가 해운정책에 널리 활용되길 기대한다. 아울러, 본 연구에서 제안한 위험성 평가 기법의 경우, 앞으로 출현하게 될 다양한 LPG 연료 엔진 시스템에 대하여 위험성 평가를 수행하는 데 표준절차로 활용될 수 있을 것이다.