1. 개요

빈 인류는 고대 시대부터 다양한 상품, 자원, 문화와 지식의 교류를 해상 무역을 통하여 지속적으로 발전시켜왔다. 해상 무역의 확장은 영국, 프랑스, 포르투갈 등 유럽의 대양 제국의 형성을 가능하게 하였고, 세계적인 교역 네트워크를 구축하는 기반이 되었다. 하지만 해상 무역은 목선으로 제작되거나 바람에 의하여 운항할 수 밖에 없는 기술적 제한으로 선박의 톤수를 증가시키는데 어려움이 있어 화물을 대량으로 수송하거나, 장기간 항해가 필요할 경우에는 파손과 전복의 위험 등으로 효율적인 화물의 운송에는 많은 제약이 있었다. 그러나 18세기 영국의 산업 혁명으로 철강 생산과 19세기 증기 기관의 발명으로 인한 동력원의 변화로 기술적인 한계를 극복하고 20세기 이후에는 철강을 이용한 대형선박의 건조 및 증기기관 및 액체연료를 이용한 추진시스템의 개발을 통하여 해상무역 혁명이 이루어진다

빈 그러나 해상무역 혁명은 전 세계 인류에게는 물질적인 풍요와 삶의 수준을 높이는 역할을 하였지만, 선박의 추진시스템에 사용하는 액체연료의 과도한 사용은 이산화탄소(CO2)와 미세먼지(PM)의 과다 배출을 통하여 지구온난화를 가속화시키고 있으며, 인체에 유해한 방재와 보험 Vol.196 21 질소산화물(NOχ)배출, 산성비의 원인으로 지목되는 황산화물(SOχ)의 배출로 인하여 해상에서의 대기환경규제를 강화하는 계기가 되었다. 우선 선박에 사용하는 연료에 대하여 2016년부터 질소산화물 배출규제를 Tier III(3.4g/ kwh)로 강화하고, 2020년부터는 선박연료유 황 함유량 상한선을 3.5%에서 0.5%로 규제를 시작하였다.

빈 특히 국제운송은 해상운송, 육상운송, 항공운송이 있으며 해상운송이 통상적으로 가장 많이 이용된다. 해상운송은 전 세계 교역량의 약 90%를 차지하고 있으며, 전체 온실가스 배출량의 약 3%, 운송수단에서 발생하는 온실가스의 약 75%를 배출하고 있다. 해상운송에 사용하는 선박은 해양을 통하여 국가와 국가를 이동하면서 온실가스를 배출하기 때문에 특정 국가의 국내법으로 배출가스를 규제할 수 없고 국제기구에 의하여 합의된 규제를 지켜야 한다. IMO(International Maritime Organization)는 선박에 관련된 모든 국제법규를 논의하고 제정하는 국제해사기구로서 영국런던에서 열린 제81차 해양환경보호위원회(MEPC:Maritime Environment Protection Committee)에서는 2050년까지 국제해운부분에서 발생하는 온실가스를 전혀 배출하지 않는 탄소중립을 실현하기 위하여 서로 합의하고, 선박 배출량에 대하여 탄소세를 부과하는 방안을 추진 중이다

[표 1] 에너지효율 향상장치(로터세일)

빈 따라서 해운사는 2050년까지 탄소중립을 위하여 선박의 추진시스템에 사용되는 연료를 저탄소(LNG, LPG, 메탄올, 바이오디젤 등) 및 무탄소(암모니아, 수소, 전기, 원자력 등) 연료로 전환하는 계획을 수립하고 친환경선박 대체연료 추진시스템을 설계, 건조할 수 있는 조선소에 선박을 발주하고 있다. 또한 2030년까지 탄소배출을 50% 저감하기 위하여 저탄소 연료를 사용하면서 선박의 에너지효율을 극대화하여 연료소비량을 줄여 탄소배출을 줄이기 위하여 로터세일을 설치하는 방안도 함께 고려하고 있다. 로터세일은 선박의 갑판에 설치된 회전하는 기둥 구조물로서 선박이 전진하는 추진력에 기둥의 회전력으로 회전하는 전면부는 저항이 적어 Lower Pressure가 형성되고, 후변부에는 저항이 높아 Higher Pressure가 형성되어서 추진력이 발생하는 마그누스효과 (Magnus effect)를 이용하여 선박이 뒷 바람 또는 순방향의 조류를 받으면 연료효율이 높아지는 효과와 유사한 방법으로 선박의 에너지효율을 높여 연료소비량을 줄여 탄소배출을 줄이는 방법이다.

[그림 1] 로터세일의 추진력 발생 원리(마그누스효과)

빈 로터세일 및 윙세일은 선박의 종류 및 항로, 운항패턴, 속도 등에 따라 6.0 ~ 29.8% 까지 에너지 효율이 향상된다고 알려져 있다.

[그림 2] 에너지효율 향상장치(로터세일)

빈 선박의 화재는 육상에서와 같이 외부의 도움을 받을 방법이 없으며, 자체적으로 선박에 설치되어 있는 소화설비를 이용하여 감지 및 소화를 진행해야 하며, 추진시스템에 사용되는 대량의 연료를 저장하고 있으며 대량의 화물(컨테이너, 유류, LNG, 포장되지 않은 가연성 화물)을 운송하므로 화재 발생시 조기 진압하지 않을 경우 재산 및 인명 피해가 매우 큰 특징을 가지고 있다. 특히 온실가스 규제에 따른 친환경선박 대체연료 추진시스템으로 전환할 경우 비교적 착화점이 높은 디젤연료에서 인화점이 매우 낮고 폭발성이 매우 높은 메탄올, 암모니아, 수소 등의 연료 사용으로 선박의 화재위험성은 매우 높아진다. 본 기고문에서는 해양대기환경규제 강화에 따른 친환경선박 대체연료별 특성과 함께 화재위험성을 분석하고 안전대책에 대해 알아보고자 한다

2. 친환경선박 대체연료 종류별 특성 및 로터세일의 폭발위험성

빈 저탄소 연료 중 대표적인 LNG는 주성분이 메탄으로(독일어: Methan, 화학식 CH4) 가장 간단한 탄소 화합물로, 탄소 하나에 수소 4개가 붙어 있다. 분자량은 16이며, 녹는점은 -183 °C, 끓는점은 -162 °C로 상온에서 기체이다. LNG 운반선 또는 LNG 추진선에서 연료로 사용되며, 인화점은 –188°C, 폭발한계 는 산소농도 4.4%∼17%로 화재 및 폭발의 위험성이 매우 높은 연료이다.

빈 메탄올은 메탄올(영어: methanol, 독일어: Methanol), 화학식 CH3OH), 메틸알코올, 목정(木精)은 가장 간단한 알코올 화합물로 무색의 휘발성, 가연성, 유독성 액체이다. 인화점은 11°C∼12°C, 폭발한계는 산소농도 6%∼36%로 화재 및 폭발의 위험성이 매우 높은 연료이다. 또한 메탄올은 혐기성 생물의 대사 과정에서 자연적으로 만들어지기도 한다. 조금 마시면 눈이 멀고, 많이 마시면 사망에 이르는 경우도 있다. 인체 내에 흡수 시, 폼알데하이드라는 물질로 변환되어 인체에 치명적이다.

빈 또한 산소농도 범위가 넓어 화재 및 폭발의 위험성이 매우 높은 연료이다. 무탄소 연료 중 대표적인 암모니아는(영어: ammonia)는 질소와 수소로 이루어진 화합물로 분자식은 NH3이다. 끓는점이 약 -33°C이므로 실온에서 기체 상태로 존재한다. 암모니아는 강한 부식성이 있는 맹독성 물질이며, 물에 잘 흡수되는 특성이 있다. 따라서 고농도의 암모니아에 노출될 경우에 점막에 급격히 흡수되어 세포 조직을 치명적으로 파괴하기 때문에 눈, 코, 입, 귀를 막고 신속히 현장을 이탈해야 한다. 인화점은 132°C, 폭발한계는 산소농도 15%∼28%로 화재 및 폭발의 위험성이 매우 높은 연료이다.

[표 2] 연료별 장단점 요약

빈 로터세일은 선박의 갑판에 설치되어 회전하면서 추진력을 발생시키는 장비이며, 회전할 경우에 정전기 발생으로 선박 화물(LNG, 유류의 VOC 등)에 폭발의 원인이 될 수 있는 특성을 가지고 있다. 따라서 로터세일을 선박에 설치하기 전에 전수 검사를 실시하여 정전기 발생 및 모터의 과열로 인한 화재위험성을 평가하도록 되어 있다

빈 친환경선박 대체연료 추진시스템 및 에너지효율 향상 장치는 “친환경선박”단어와 다르게 역설적이게도 화재 및 폭발의 위험성이 매우 높은 연료이기 때문에 가스 누설 감지기, 화재 및 폭발 예방설비 및 진압설비에 대한 기술개발이 매우 필요하다.

3. 친환경선박 대체연료 및 로터세일 화재위험성 안전대책

빈 현재 운영되고 있는 대형 선박에서의 화재진압 설비는 폼소화설비, CO소화설비, 미분무수소화설비 중 선박의 화물 및 사용연료 및 화재특성에 따라 설치 운영하고 있다. 그러나 친환경선박 대체연료는 기체연료를 사용하기 때문에 폭발이 먼저 발생한 이후 화재확산 및 2차 폭발로 이어지는 새로운 화재특성을 가지고 있으므로 단순한 소화설비만으로 화재 및 폭발의 위험성을 제어할 수 없다. 따라서 친환경선박 대체연료 추진시스템의 기관실을 실제로 구현하여 감지기 및 폭발예방설비, 소화설비, 폭발방지설비, 폭발피해 예방 구획설비 등에서 실증 시험평가가 매우 필요한 상황이다.

[표 3] 대형 선박에서의 화재진압 설비 요약

빈 따라서 방재시험연구원에서는 2022년부터 산업통상자원부 산업혁신기반구축사업으로 “친환경선박 대체연료 추진시스템 실증 플랫폼 구축사업”을 참여기관으로 진행하고 있으며, 2025년 12월에는 실증 플랫폼이 구축 완료되어 실제 친환경선박 대체연료에 대한 화재위험성 및 폭발 안전설비 실증을 진행하여 소화설비 개발업체에 서비스를 제공할 수 있도록 준비하고 있다. 또한 2022년부터 산업통상자원부 산업혁신기반구축사업으로 “선박운항 중 에너지 저감을 위한 풍력추진 기술개발 인프라”구축사업을 주관기관으로 진행하고 있으며, 2025년 12월에는 실증 플랫폼이 구축 완료되어 로터세일의 정전기 및 모터의 과열에 따른 화재위험성 실증 평가를 진행하여 선박의 폭발 및 화재위험성 경감 대책을 수립할 수 있도록 준비하고 있다

[그림 3] 친환경선박 대체연료 및 로터세일 화재안전성 평가설비

4. 맺음말

빈 해상운송은 전 세계 무역의 90% 이상을 담당하고 있는 주요 운송 수단이다. 최근 지구온난화에 따른 온실가스 저감을 위하여 해양대기환경규제가 강화되고 있다. 2050년까지 해상에서 배출되는 온실가스의 탄소중립을 실현하기 위해서 각국에서는 기술개발을 위하여 많은 비용을 투입하고 있다. 또한 디젤연료는 산유국에서 국내에 전량 수입해서 사용하고 있는 연료이다. 그러나 친환경선박 대체연료 중 암모니아는 질소와 수소를 결합하여 생산이 가능한 연료이기 때문에 국내에서 생산이 가능하여 향후 에너지 자립을 위한 중요한 전환점이다. 또한 우리나라는 2025년 3월 현재 LNG 운반선, LNG 추진선, 암모니아 추진선, 메탄올 추진선박을 건조할 수 있는 세계적인 기술을 가지고 있는 기술 강국이며, 향후 배터리 추진선박도 건조할 수 있는 배터리 기술 강국이다. 그러나 친환경선박 대체연료는 기체연료로서 폭발 및 화재위험성이 매우 높고, 배터리 역시 화재 위험성이 매우 높은 시스템이다. 따라서 화재에 대한 위험성 및 인식이 강화됨과 동시에 새로운 가스누설 센서, 시스템, 폭발 예방 장비, 화재 진압시스템을 위한 기술개발이 반드시 필요하다.

빈 방재시험연구원은 “친환경선박 대체연료 추진시스템 실증 설비”와 “선박 운항 중 에너지 저감장치 실증 설비”를 2025년에는 구축 완료하고 2026년부터 본격적인 서비스를 제공함으로서 선박에 대한 화재위험성 및 안전성 향상에 기여할 수 있도록 노력하겠다.