선박이 배출가스 제로 추진 시스템으로 전환하려면 어떻게 해야 합니까?

단거리 항로를 위한 전기 배터리와 심해 운송을 위한 녹색 수소 연료 전지를 통해 오늘날 무공해 선박 추진이 가능해졌습니다.

전환은 단일 기술 교환이 아니라 체계적인 리엔지니어링입니다. 200해리 미만 선박의 경우 해안 충전 기능을 갖춘 배터리 전기 시스템 92-96%의 Well-to-Wake 효율성 . 원양항해 선박의 경우, 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)와 결합된 액체 수소(LH2) 확장 가능한 유일한 탄소 제로 솔루션을 제공합니다. CO2, SOx 또는 PM 배출 제로 . 그러나 LH2는 동일한 에너지 함량에 대해 해양 경유(MGO)보다 3.7배 더 많은 탱크 용량이 필요하므로 연료 저장 및 처리 시스템을 완전히 재설계해야 합니다.

배출가스를 전혀 배출하지 않는 단일 "드롭인" 연료는 존재하지 않습니다. 실용적인 경로가 결합됨 녹색 메탄올 (이미 Maersk의 16,200TEU 선박에서 사용됨) 암모니아 (Fortescue의 2026년 목표) 수소 운반체로 사용되지만 선택적 촉매 환원과 짝을 이루지 않는 한 여전히 배기관 NOx 또는 N2O를 생성합니다. 연안 선박을 위한 가장 성숙한 무공해 추진 장치는 완전 전기식으로 유지됩니다. 노르웨이의 야라 버클랜드 6.5노트로 충전당 120해리를 보여줍니다.

보조 장비 해양연료인 액화수소(LH2)에 필요한 기술과

LH2를 사용하려면 연료전지를 넘어 완전한 벙커-추진 생태계가 필요합니다. 안전하고 효율적인 작동을 위해서는 6가지 중요한 하위 시스템이 필수입니다.

• 진공 재킷 극저온 탱크 – LH2를 -253°C로 유지하십시오. 끓는점 비율은 일일 0.2% 미만이어야 합니다. 현재 IMO Type C 탱크는 0.1-0.15%를 달성합니다.
• 냉에너지 회수 시스템 – 공조 또는 예냉 화물에 LH2의 극저온 엑서지(kg당 약 1.2kWh)를 사용하여 전체 시스템 효율을 12~18% 향상시킵니다.
• 이중벽, 기밀 환기 마스트 – 누출 감지 및 분산 설계; 수소의 화염 속도(2.7m/s)에는 IECEx/ATEX Zone 1 등급의 방폭 구역이 필요합니다.
• 고압 극저온 펌프(최대 700bar) – LH2를 기화기로 전달합니다. 500-2000kg/h의 유량 10MW 추진에 일반적입니다.
• 안전 인터록 및 수소 불꽃 감지기 – 응답 시간은 3초 미만입니다. IEC 60079-29에 따라 자외선/적외선(UV/IR) 센서가 필요합니다.
• 증발가스(BOG) 관리 – 재액화(에너지 패널티 8-10%) 또는 보조 연료 전지에 직접 공급. 장거리 항해의 경우 BOG는 48~72시간마다 연소되거나 재응축되어야 합니다. .

환경 표준을 충족하기 위해 기존 디젤 구동 장비 업그레이드: 실용적인 개조 경로

기존 디젤 엔진은 폐기되지 않습니다. 3가지 개조 계층을 통해 30~60%의 교체 비용으로 IMO Tier III 및 EPA 2027 표준을 준수할 수 있습니다. NOx 저감을 위해서는 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템 85-95% 감소를 달성하여 2000년형 엔진을 14g/kWh에서 < 2g/kWh로 줄입니다. SOx의 경우, 폐쇄 루프 스크러버 SO2의 98%를 제거하지만 가성소다 및 슬러지 처리가 필요합니다. 개방 루프 스크러버는 2025년 현재 전 세계 80개 항구에서 금지됩니다.

미세먼지(PM)의 경우, 디젤 미립자 필터(DPF) 0.5% 미만의 유황 연료를 사용하는 엔진에서만 활성 재생 작업을 수행합니다. 그렇지 않으면, 연료 기반 촉매(FBC) 연료 내 물 에멀젼과 결합하여 PM을 50-60% 줄입니다. 구체적인 예: Stena Line의 RoPax 선박 12척 개조 SCR DPF를 사용하면 엔진당 €850,000의 비용으로 NOx를 12.4에서 1.8g/kWh로, PM을 92% 줄일 수 있습니다. 새로운 이중 연료 엔진 설치의 38% .

• 엔진 제어 시스템 재플래시 – 분사 시기를 조정하여 NOx 형성을 줄입니다(일반적으로 크랭크 각도 2~4° 지연).
• 가변 밸브 타이밍(VVT) 개조 – 연소 최고 온도를 낮추고 후처리 없이 NOx를 15~20% 낮춥니다.
• 고압 커먼레일 업그레이드 – 다중 파일럿 분사가 가능하여 소음과 NOx를 30% 줄이면서 연료 소비를 5~7% 줄입니다.

그러나 25년이 넘은 엔진은 수익 감소에 직면해 있습니다. SCR 개조 이후 1995년 중속 엔진은 여전히 ​​2020년 기준보다 8% 더 높은 연료 소비를 보여주기 때문에 과도한 요소 소비 없이 배출 제한을 충족하기 위해 작동 제한(예: 최대 60% 부하)이 부과될 수 있습니다.

연료 소비를 줄이기 위한 선박 추진 시스템 최적화: 검증된 개입

연료 소비 감소는 선체, 프로펠러, 엔진 및 작동 조치의 포트폴리오입니다. 가장 효과적인 단일 조치는 속도를 줄이는 것입니다. 속도를 24노트에서 18노트로 낮추면 필요한 출력이 58% 감소합니다(출력 ∝ 속도³이므로). 14,000TEU 컨테이너 선박의 경우 이는 비용을 절감합니다. 하루 80~100톤의 연료 – VLSFO 톤당 $800로 일일 $64,000의 가치가 있습니다.

속도 외에도 5가지 개조는 3년 미만의 투자 회수 기간을 제공합니다.

1. 프로펠러 보스 캡 핀(PBCF) – 허브 와류 손실을 2-4% 연료 절감으로 줄입니다. 프로펠러당 비용은 ~$20,000입니다.
2. 사전 소용돌이 고정자 또는 항적 등화 덕트 – 프로펠러로의 물 유입을 개선합니다. 일반적으로 4~7% 절약됩니다(예: Mitsubishi의 Mewis 덕트).
3. 공기 윤활 시스템(ALS) – 선체 아래에 기포를 주입합니다. 설계 속도에서 5~12% 절약 . Silverstream Technologies는 25개 선박에서 평균 8.5%를 보고합니다.
4. 오염 방지 실리콘을 사용한 선체 코팅 재생 – 거칠기를 150μm에서 30μm로 줄입니다. 연료를 6~10% 절약합니다. 60개월마다 신청하세요.
5. 트림 최적화 소프트웨어 – 실시간 동적 트림으로 저항이 2~5% 감소합니다. 6개월 미만인 경우가 많습니다.

엔진 측 최적화에는 다음이 포함됩니다. 폐열 회수(WHR) ORC(유기 랭킨 사이클) 사용 - 배기 에너지의 8~12% 회수 - 경감 (전자적으로 최대 출력을 제한) 가장 효율적인 부하(일반적으로 공칭 부하의 75~85%)에서 엔진을 작동합니다. 50개 벌크선을 대상으로 한 2023년 연구에 따르면 ALS, PBCF, 트림 최적화 및 15% 감소를 결합한 것으로 나타났습니다. 주 엔진 교체 없이 총 연료 24~31% 절감 .

항만 화물 처리 장비의 배출 기준이 규제되는 방식

항구 화물 처리 장비(CHE) – 야드 트랙터, 리치 스태커, 고무 타이어 갠트리(RTG) 및 지게차 – 비도로 이동 기계(NRMM) 해양 IMO 규칙이 아닌 규정입니다. 유럽연합(EU)에서는 5단계(규정(EU) 2016/1628) 2019년부터 적용되며, 56kW를 초과하는 엔진의 경우 PM을 0.015g/kWh로, NOx를 0.67g/kWh로 제한합니다. 미국에서는 EPA Tier 4 최종 (40 CFR Part 1039)에서는 ≥56kW 엔진에 대해 PM ≤0.02g/kWh 및 NOx ≤0.67g/kWh를 의무화하며, 2015년부터 시행이 전면 시행됩니다.

그러나 항구에서는 점점 더 많은 것을 채택하고 있습니다. 지역 “그린 포트” 조례 국가 표준을 뛰어 넘는 것입니다. 예를 들어, 로스앤젤레스 항의 청정 공기 실행 계획(CAAP) 2030년까지 배출가스 100% CHE를 요구하므로 운영자는 배터리 전기 또는 수소 연료 전지 장치로 전환해야 합니다. 2025년 현재 POLA의 RTG 중 42%는 팬터그래프 또는 케이블 릴 시스템을 갖춘 전기식입니다. 캘리포니아 대기자원위원회(CARB)는 다음을 통해 이를 시행합니다. 월별 운영 보고서 및 온보드 텔레매틱스 , 위반 단위당 하루 최대 $10,000의 벌금이 부과됩니다.

기존 디젤 CHE의 규정 준수 경로는 다음과 같습니다. 엔진 교체 Stage V/Tier 4 인증 장치(비용: $30,000-$80,000) DOC DPF로 개조 (디젤 산화 촉매 미립자 필터) PM 90% 감소 달성, 또는 리튬이온 전기로 재가동 – 초기 비용은 더 높지만(리치 스태커 전환의 경우 $150,000) 디젤에 비해 전기로 인해 운영 비용이 70% 절감됩니다. 항만 당국은 일반적으로 다음을 제공합니다. 저배출 장비 인센티브 : 예를 들어, 로테르담 항의 A-Sub 계획은 배출가스 제로 CHE 개조를 위해 40% 공동 자금 조달을 제공합니다.