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목포해양대학교에서 2018년도에 건조하여 운영중인 9,196톤의 실습을 목적으로 하는 선박을 대상으로 하였다. 전장 133 m, 폭 19.4 m의 선박으로 총 239명의 인원을 수용할 수 있다. 대상 선박의 상세 제원은 Table 3과 같다.

주 추진 엔진으로 MAN B&W사의 HYUNDAI-MAN B&W 6S40ME가 탑재되어 있고, 최대 출력은 146 rpm에서 6,618 kW를 낼 수 있다. 또한, 추진을 위한 Propeller로 일반적인 상선과는 달리 CPP(가변 피치 프로펠러, Controllable Pitch Propeller)가 장착되어 있어, 피치를 조절하여 선박의 추진 없이 일정한 RPM에서 공회전이 가능하다.

측정 기간 동안 주 추진 엔진에 사용된 연료는 경유유분 70 %와 Bunker C 유분 30 % 혼합유인 경질중유(Bunker A)를 사용하였다. 대상 선박의 주 추진 엔진에 대한 상세 사양은 Table 4와 같고, Table 5에 사용된 연료유 성상과 자동차에 사용되는 일반적인 경유의 성상을 비교하여 나타내었다.

대상 선박으로부터 배출되는 배기가스 중 CO₂를 측정하기 위해 주로 차량 등의 배출가스 인증평가에 사용되는 Sensors 사의 SEMTECH DS+ 장비를 사용하였다. NDIR(Non-Dispersive Infrared Detector) 방식을 통해 배기가스 중의 CO₂ 및 CO 배출 농도를 측정할 수 있고, 또한 FID(Flame Ionization Detector) 방식으로 THC 농도를 측정할 수 있다. 이외의 측정 장비의 상세 사양은 Table 6과 같다.

장비의 오차를 최소화하기 위해 측정 전⋅후로 KTL(한국산업기술시험원, Korea Testing Laboratory)에서 『환경분야 시험⋅검사 등에 관한 법률』에 따라 인증 받은 교정가스(CO₂: 12.33 %, CO: 4.74 %, C₃H₈: 987 ppmC)를 사용하여 측정장비를 교정하였다.

실시간 연료 유량 데이터 측정을 위해 선박에 탑재되어 있는 VZFA ⅱ 40 FL 130/25 모델의 연료 유량계를 사용하였다. VZFA ⅱ 40 FL 130/25의 측정 범위는 225-9,000ℓ/h로, 225ℓ 이하 연료 유량 측정을 위해 UF-7000 Series 모델의 초음파 유량계를 별로도 설치하여 데이터를 수집하였다.

VZFA ⅱ 40 FL 130/25 모델의 연료 유량 데이터는 선박에 탑재되어 있는 ACONIS(선박 감시 제어 시스템, Advanced Control and Integrated System)으로부터 취득할 수 있으며, UF-7000 Series 모델의 유량 데이터는 DAQ(Data Acquisition System)를 구축하여 수집하였다.

대부분 선박의 주 추진 엔진의 배기가스 통로에는 ｢NO_X Technical Code 2008｣에 명시된 규정을 충족하고, 주 추진 엔진으로부터 배출되는 NO_X를 측정하기 위한 IMO Flange가 설치되어 있다. 대상 선박의 배기가스 통로에도 IMO Flange가 설치되어 있어, Fig. 1과 같이 PEMS 장비의 Sampling Line을 배기가스 통로에 연결하여 대상 선박의 주 추진 엔진으로부터 배출되는 CO₂를 실시간으로 측정하였다.

Fig. 1 
PEMS connection layout

해당 선박의 엔진은 IMO Tier 2를 만족하여NECA(NO_X Emission Control Area)를 항해하는 경우를 제외하고 통상적으로 SCR을 사용하지 않으며, 실측 기간에도 사용하지 않았다.

선박의 엔진과 구동 장치의 연결 방식은 일반적인 자동차와 차이가 있다. 자동차의 경우 가속 패달을 사용하여 엔진 RPM을 증가시키고 감속 기어를 통해 구동축을 회전시키나, 선박의 경우 엔진과 Propeller가 감속 기어 없이 직접 연결되어 있다. Telegraph라 불리우는 가⋅감속 Lever를 통해 주 추진 엔진의 RPM과 전⋅후진을 제어한다. Telegraph를 사용하여 Table 8과 같이 전⋅후진 시 각각 Dead Slow, Slow, Half, Full, Navigation Full 단계로 RPM을 조절할 수 있다. 일반적인 중대형 선박의 경우 FPP(고정 피치 프로펠러, Fixed Pitch Propeller)를 사용하므로 프로펠러 날개 각도를 변경 시킬 수 없으나, 대상 선박의 경우 가변 피치 프로펠러가 탑재되어 있어 프로펠러의 날개 각도를 변경함으로써 일정 속도 범위에서 RPM 변동 없이 속도 제어가 가능하다.

Fig. 2와 같이 목포항 도선구를 벗어나 국내 연안을 항해하고 목포해양대학교 실습선 부두로 돌아오는 항로에서 대상 선박의 주 추진 엔진으로부터 배출되는 배기가스 중의 CO₂ 배출량을 측정하였다.

Fig. 2 
Navigation area during experiment

Table 9와 같이 한 시점에서 측정이 아닌 Dead Slow ~ Navigation Full의 각 단계별로 일정 기간 동안 지속적으로 측정함으로써 데이터의 재현성을 확보하였으며, 측정을 위해 별도의 운항 조건을 추가하지 않고 평소 운항 조건에서 실측을 진행하였다.

Telegraph 모드별 % 단위의 CO₂ 배출 추이는 Fig. 3과 같다. Navigation Full → Dead Slow로 RPM이 낮아질수록 CO₂ 배출 농도 또한 5 % → 1.7 %로 단계적으로 감소하는 경향을 나타낸다. 순간적으로 RPM의 변동이 있는 구간에서 CO₂ 배출 농도도 순간적으로 급격하게 감소하거나 증가한 후 일정한 배출 농도를 나타내는 것을 확인하였다.

Fig. 3 
Measuring result

특히 Dead Slow 모드 구간 중 부두에 접안하기 위해 급격히 RPM을 증가시키는 시점에서 CO₂ 배출 농도가 급격히 증가한다.

실시간 연료소모량과 배출가스 중의 CO₂, CO 및 THC 배출 농도를 사용하여 카본 밸런스(Carbon Balance)법으로 배기가스 유량을 계산하고,¹⁴⁾ % 단위의 CO₂ 배출량을 kg/tonne_fuel 단위의 배출량으로 환산하여 Table 10과 같은 결과를 도출하였다.

연료 소모량당 CO₂ 배출량은 Half, Full, Slow, Navigation full, Dead Slow 순으로 높으나, 그 차이는 최대 0.48 % 정도로 매우 미미하다. 이는 CO₂의 경우 연료 중 탄소 성분의 완전연소로 인해 생성되는 연소 생성물로, 선박용 중대형 디젤엔진의 경우 연소 효율이 매우 높아 대부분의 연료가 완전연소되어 연료 중 탄소 성분이 대부분 CO₂ 상태로 배출되기 때문이다.^12,15-17)

따라서, 디젤 엔진에서 CO₂ 배출량은 연료 소모량에 선형으로 비례하여 배출되나, 엔진의 연식, 연소 상태 등에 의해 일부 차이가 발생할 수 있을 것으로 사료된다.¹⁸⁾

측정 기간 동안 총 배출된 CO₂는 총 4,591.884 kg이고, 각 구간별 측정 시간을 가중치로 적용하여 전체 배출량을 산출한 결과는 3,153.79 kg/tonne_fuel이다.

현재 우리나라의 연안 여객선, 연안 화물선과 같은 해운부문에서 발생하는 CO₂ 배출량 산정을 위해 에너지산업 부문에 사용되는 배출계수와 산정식을 동일하게 적용하도록 ｢2019 국가 온실가스 인벤토리 보고서｣에 명시되어있다. 에너지산업 부문의 CO₂ 배출량 산정식은 아래와 같다.⁹⁾

여기서,

E = CO₂ 배출량(x10³ ton)
TA : 총 연료 사용량(x10³ ton)
NA : 비연료 사용량(x10³ ton)
FCS : 탄소몰입률
41.868 : Joule-TOE 환산계수(TJ/10³ ton)
CF : 전환계수(순발열량/총발열량)
EF : 배출계수(t C/TJ)
OF : 산화율
44/12 : 탄소기준 배출량을 이산화탄소 기준으로 전환 (kg CO₂/kg CO)
i : 연료 유형
j : 부문

2007년 이후 탄소배출계수는 기존의 1996 IPCC GL에서 제시하는 기본 배출계수가 아닌 국가고유 배출계수를 사용한다. 유종별 CO₂ 배출계수는 Table 11과 같고, 대상 선박은 주 추진 엔진의 연료로 Bunker A를 사용하여 배출계수 20.657tC/TJ를 적용하였다.

이외에 연료소비량과 ｢2019 국가 온실가스 인벤토리 보고서｣에 명시되어 있는 산정식에 필요한 인자들은 Table 12와 같고, 모드별 연료소비량은 Table 10에 나타낸 Total Fuel Consumption을 사용하였다.

｢2019 국가 온실가스 인벤토리 보고서｣의 해운부문의 CO₂ 배출량 산정식을 통한 대상 선박의 측정 기간 동안 발생한 계산된 모드별 CO₂ 배출량은 Table 13과 같다. 계산식 과정상 계산된 연료 소모량당 CO₂ 배출량은 모드에 상관없이 같은 값을 나타내고, 측정 기간 동안 소모된 연료 소모량을 사용하여 계산된 CO₂ 배출량은 4,265 kg이고, 시간 가중치를 고려한 평균 배출량은 2,929.12 kg/tonne_fuel이다.

각 모드별로 측정된 g/s 단위의 CO₂ 배출량과 연료 소모량을 사용하여 계산된 값과의 차이는 Fig. 4와 같다. ① ~ ⑤ 구간은 각각 Navigation Full, Full, Half, Slow, Dead Slow를 나타낸다. 전 구간에 대해서 약 7 % 정도의 배출량 차이를 보이며, 측정된 CO₂ 배출량이 더 높게 나타났다. 특히, 배출량이 가장 높은 ① 구간에서 배출량의 절대값 차이는 평균 55.71 g/s 정도다.

Fig. 4 
Comparison of real time emission results

경향성 측면에서는 두 방법의 배출량은 아주 유사한 배출 경향을 보이고, ③과 ⑤ 구간에서 순간적으로 RPM을 급변하는 시점에서도 Peak를 형성하는 양상이 비슷하게 나타났다.

같은 기간 동안에 g 단위의 측정된 CO₂ 배출량과 계산된 CO₂ 배출량을 Fig. 5와 같이 비교 결과, 모든 구간에서 측정된 CO₂ 배출량이 계산된 CO₂ 배출량보다 더 많았다. 특히 Half 모드에서 약 7.97 % 정도로 가장 높은 오차율을 보이며, Dead Slow 모드에서 7.45 % 정도로 가장 낮은 오차율을 나타냈다.

Fig. 5 
Comparison of total emission results for each mode

두 결과에 따른 연료 소모량당 CO₂ 배출량의 오차율은 Table 14와 같다. 각 모드별로 7.45-7.97 % 정도의 오차율을 나타내고, 각 모드별로 측정 시간 가중치를 적용하여 도출한 총 배출량에서 약 7.67 %의 오차율을 나타냈다.