“바이오연료 산화안정성 낮아…3개월 이상 보관금지, 벙커링 횟수 늘려야”

11월 8일 KR본사, 바이오연료, 암모니아 생산·공급, 엔진 개발 현황 논의

“암모니아 가격 탄력 높아, ’25~’35년 수요 53% 급성장, 인프라 확대해야”
 

전 세계 바이오연료 시장에서 수송 부문의 액체 바이오연료가 30년까지 10% 이상으로 확대될 것으로 전망되는 가운데 육상 경유차에서 사용하고 있는 ‘FAME 바이오디젤’을 해운업계가 선박연료로도 사용할 수 있어 바이오연료 경쟁에서 우위를 점할 수 있는다는 긍정적인 목소리가 나온다. 다만 바이오 연료 특성 상 산화안정성이 낮아 슬러지로 인해 내연기관에 영향을 줄 것으로 분석한 서대식 HMM R&D팀 책임매니저는 이번 세미나에서 “3개월 이상 보관을 금지하고 샘플 분석 및 첨가제 사용, 벙커링 횟수 확대해야 한다”고 강조했다.

이 같은 제언이 (사)해양산업통합클러스터(MacNet)가 11월 8일 부산 강서구 KR본사 3층에서 개최한 ‘2023년 MacNet 전략세미나-II, Bio연료와 암모니아, 선박대체연료로서 불확실성을 어떻게 극복할 것인가?’에서 나왔다.

MacNet이 주최하고, 부산광역시와 한국선급(KR)이 지원하는 이번 세미나는 2050년 국제해운의 탈탄소 목표인 Net-Zero달성을 위한 선박 대체연료 중 바이오 연료와 암모니아 생산과 공급,엔진 개발 현황 및 선박 실증 그리고 목표 달성을 위한 최적의 해법을 모색하기 위해 정부와 관련 업·단체 전문가들이 모여 깊이 있는 토론의 장으로 펼쳐졌다.

이날 세미나는 바이오 연료와 암모니아 관련한 6개의 주제발표와 종합토론으로 나눠 진행됐다. 제1세션은 △바이오연료 현황과 전망(차형민 GS칼텍스 팀장) △바이오연료 선박 사용 관련 국제 규정 및 기술 이슈(문건필 KR 팀장) △바이오연료 선박 활용 및 실증(서대식 HMM R&D팀 책임매니저) 3개 주제 발표, 제2세션은 △암모니아 생산과 공급 전망 및 산업계 수요 분석(권준경 롯데정밀화학 수석) △4행정 암모니아 엔진 개발 현황(김기두 HD한국조선해양 상무) △2행정 암모니아 엔진 개발 현황(차상배 MAN Energy Solutions 부문장)에 대한 주제 발표가 진행됐다. 마지막 3세션은 1·2세션에서 발표한 주제에 대하여 종합토론을 이어갔다. 송강현 KR 친환경선박해양연구소장이 좌장을 맡아 해양수산부 해사산업기술과장과 각 주제발표자가 토론을 진행했다.

올해 7월 국제해사기구(IMO)는 해양환경보호위원회(MEPC) 80차 회의에서 2050년까지 국제해운의 탈탄소 목표를Net-Zero로 설정했다. 해운업계는 이러한 목표 달성을 위해 다양한 대체연료 선택에 고심하고 있으며, 기술적 장단점, 생산과 공급 및 가격 예측의 어려움, 벙커링 인프라 등 여러 불확실한 요소로 많은 어려움을 겪고 있다. 이러한 가운데 바이오 연료는 기존의 화석연료와 혼합하여 현존선의 탄소집약도를 효과적으로 낮출 수 있다고 평가되고 있으며,암모니아의 경우 장기적으로 탈탄소 목표를 달성할 수 있는 보편적인 선박 연료로 꼽히고 있다.

이형철 KR 회장은 개회사를 통해 “해운업계는 IMO 규제목표 달성을 위해 다양한 대체연료 중 기술적 장단점, 생산과 공급 및 가격 예측의 어려움, 벙커링 인프라 등의 불확실성으로 최적의 연료 선택에 많은 어려움을 겪고 있다. 바이오 연료는 해운산업의 수요에 비해 충분하지 못한 공급의 불확실성, 암모니아는 독성과 부실성 등의 기술적인 문제를 우선 해결하는 것이 급선무”라며 “이번 세미나로 엔진 개발 현황 및 선박 실증 그리고 해운산업의 넷째로 달성을 위한 최적의 해법을 고민하는 자리인 만큼 실질적이고 의미 있는 방안이 제시되기를 바란다”고 말했다.

차형민 “해운업계 바이오연료 ’50년 20~30% 차지…‘FAME 바이오디젤’ 가격경쟁력 우수”

차형민 GS칼텍스 팀장은 정유업계 입장에서 육상과 항공·해운의 바이오연료 수급을 전망하고 GS칼텍스가 개발한 ‘B30’ 바이오선박유를 설명했다.
 

IEA가 ’50년까지 전망한 에너지원의 변화 그래프에 따르면, 태양, 풍력, 바이오 등의 사용 증가로 ’50년까지 에너지원의 상당 부분이 재생에너지로 전환될 전망이다. 이중 바이오에너지는 전체 에너지 공급에서 현재 6%에서 30년 13%, 50년 18%로 비중이 증가할 것으로 예상된다. 특히 수송 부문의 액체 바이오연료는 현재 4%에서 30년까지 10% 이상으로 확대될 것으로 전망됐다. 차 팀장은 “전기차 보급으로 육상에서는 바이오연료 수요가 빠르게 축소될 것으로 예상되나, 상대적으로 전동화가 어려운 항공과 해운에서는 바이오연료 수요가 50년까지 증가하여 중장기 바이오연료의 주요 시장이 될 것”이라며 “다만 해운 시장은 암모니아, 그린 메탄올, 수소 등 대체연료가 많이 있으므로 50년에는 하나의 연료보단 여러 가지 연료의 믹스 형태로 전환될 것이다. 이중 바이오연료는 30년까지 다른 대체연료 대비 빠르게 확대되어 8%를 차지하고 50년에는 20~30% 정도를 차지할 것으로 전망된다”고 밝혔다.

차 팀장은 항공 업계도 바이오연료의 전환은 불가피하여 해운업계과 연료수급의 경쟁구도를 전망하면서 “해운업계에서 긍정적인 것은 현재 경유차에 사용하는 경유에는 3.5%의 바이오디젤이 섞여 있는데 ‘FAME 바이오디젤’이라고 불리는 바이오 연료로 선박에 쓸 수 있다. 해당 연료는 생산비용이 기존 바이오디젤보다 낮아 가격경쟁력이 있다”며 “특히 육상에서는 이미 전기라는 효율적인 에너지원을 쓰고 있으므로 해당 바이오연료 수급은 원활할 것”이라고 전망했다.

특히 GS칼텍스의 자회사인 GS바이오가 ‘B30 바이오선박유’를 개발하여 MEPC80차 이후 스크러버를 장착한 선박들과도 협력을 확대하고 있다. 차 팀장은 “스크러버를 쓰는 선박이 저유황유(VLSFO)를 쓰고 있는데 여기에 바이오 연료까지 쓰면 두 배의 비용이 들기 때문에 스크러버 선사를 대상으로 한 바이오선박유를 개발했다. 유럽과 한국의 바이오연료 규격에 대한 지침을 토대로 개발한 바이오 디젤로 최대한 탄소 감축률을 높였다”며 “올해 9월 GS칼텍스는 ‘B30’ 바이오선박유를 HMM 선박에 공급한 것을 시작으로 울산항에서 현대글로비스의 자동차운반선에 급유를 성공적으로 마쳤다. 10월에는 포스코와 에이치라인해운과 업무협약도 맺었다”고 밝혔다. 향후 GS칼텍스는 ‘B30’의 안정성을 높이기 위해 석유품질관리원과 협력하여 더 많은 선사와 운항 시간을 늘려갈 계획이다.

문건필 “바이오 연료 B30 9%, B50 16%, B100 33% CII 등급 개선…연료제조사에 품질 확인해야”

문건필 KR 팀장은 바이오 연료에 대한 IMO, EU 규정을 제시하면서 바이오 연료 특성에 맞는 기술적 대응 방안을 발표했다.
 

문 팀장은 IMO와 EU에서 바이오연료의 적용 방법에 대해 설명했다. 문 팀장에 따르면, IMO는 MEPC 80차 회의에서 바이오연료에 관한 임시 지침을 승인했다. 국제 3자 인증 시스템을 통해 바이오 연료에 대한 지속 가능성을 증명받고 선박용경유(MGO) 대비 연료의 원료 생산, 이송 그리고 배출에 이르는 웰 투 웨이크 방식으로 온실가스 저감량을 65% 충족해야 한다. LCA 가이드라인이 확정되면 해당 임시 지침은 폐지될 예정이다. 또한 24년부터 도입될 EU ETS에서 바이오 연료는 신재생에너지 지침에 따라 인정받을 수 있으며 저·무탄소 연료로의 전환을 강제하는 Fuel EU Maritime에서는 바이오 연료를 현존선에 적용할 경우 페널티 없이 운항 시기를 연장할 수 있다.

문 팀장은 “중요한 것은 바이오 연료가 가지는 탄소 집약도에 따라 페널티 없이 사용 기간을 연장할 수 있는 것이 관건”이라고 강조하고 KR이 22년 데이터를 바탕으로 2,000척에 대한 CII 등급 분석 결과를 발표했다. KR 자료에 따르면, 전체 선박 중 68%가 C~E등급에 할당되어 있다. 만일 22년부터 D등급을 받은 선박이 올해는 C등급, 27년에는 D등급, 28년에는 E등급으로 하락하는 것으로 나타났다. 문 팀장은 “지금 D등급을 받는 선박도 미래의 C등급을 유지하기 위해서는 지금부터라도 선사들은 대체연료 적용 방안에 대한 계획을 수립해야 한다”며 “바이오 연료를 적용하면 현존선의 내연기관의 엔진 개조 없이 그대로 적용할 수 있고 메탄올, 암모니아 등과 동등하게 사용할 수 있어 단·중기적으로 탄소 규제에 대응할 수 있다고 설명했다. 국내에서 생산하는 바이오 중유는 육·해상 실증을 마쳤으며 향후 시범 사업을 통해 확대될 것으로 판단된다”고 전망했다.

또한 바이오 연료는 질소산화물(NoX)을 배출하기 때문에 지난 MEPC 78차 회의에서 바이오 혼합유에서 바이오 연료 함유량이 30% 미만일 경우 NoX 검증 절차 없이 사용할 수 있는 관련 규정이 승인됐다. 30%를 초과해도 엔진 제조사에서 증서를 받아 엔진 변경없이 사용할 수 있다. 다만 문 팀장은 “바이오연료 자체가 발열량이 적기 때문에 사용량을 증가시킬 수 있겠지만, 엔진 성능이 저하될 수 있는 부분이 있어 엔진 변경은 필수적”이라며 “FAME 바이오디젤 자체는 Nox를 20% 증가시킬 수 있다고 하는데 제조 공정에 따라 감소한다는 보고도 나오고 있어 사용 전에 연료 공급사로부터 확인이 필요할 것”이라고 강조했다.

특히 FAME 바이오 연료의 경우 산소 성분을 포함하고 있어 산화안정성이 낮고 산화로 인한 슬러지를 생성하여 엔진의 필터, 세퍼레이터, 분사기 등에 영향을 미칠 수 있다고 문 팀장은 우려하면서 “산화물질로 분사 개통에 부식을 일으킬 가능성이 있지만 탱크 코팅, 클리닝 또는 벙커링 주기를 짧게 가져가서 산화를 억제할 수 있다”며 “미생물도 번식할 수 있기 때문에 연료 탱크 내 워터 레벨을 자주 체크하고 탱크 내 연료의 수분 함량을 자주 샘플링을 해서 체크해야 한다”고 설명했다. 또한 연료 제조 공정 과정에서 글리세린 등 중간 생산 물질이 발생하여 엔진 성능에 영향을 미칠 수 있는 것으로도 나타났다.

특히 KR의 연구 결과 각 바이오 연료에 대한 CII 등급 개선율이 차이가 나는 것으로 밝혀졌다. KR 자료에 따르면, B30은 9%, B50은 16%, B100은 33%의 CII 개선율을 보였다. 만약 탄소집약도가 10~15 값이면 저감률은 더 클 것으로 보인다. 문 팀장은 “바이오 연료를 사용하기 전에 각 선사들은 CII 등급을 확인 후 목표를 설정하고 기술 적용 방향을 정해야 한다. 또한 바이오 연료 제조사로부터 웰 투 웨이크(WtW) GHG Intensity와 낮은 발열량 LCV(Lower Calorific Value), 품질 기준 등을 확인해야 한다”고 강조했다. 한편 KR은 그린쉽 기자재 시험인증센터 내에서 엔진 테스트베드를 진행 중으로 육상에서 바이오 연료 사용 가능성을 확인할 수 있는 서비스를 제공하고 있다. 또한 산업통상자원부와 해수부, 한국석유관리원과 바이오 연료 실증 사업을 통해 관련 법규, 품질 기준 정립 등을 진행하고 있다.

서대식 “바이오 연료 안정성 위해 3개월 보관 금지, 벙커링 횟수 늘려야”

서대식 HMM R&D팀 책임매니저는 HMM이 개발한 바이오 연료 관리 지침을 소개했다.
 

서 책임매니저는 “바이오연료를 사용하면 HFO 대비 23.3% 연간 온실가스를 감축할 수 있고 CII등급 하락을 약 8년 정도를 지연시킬 수 있다”고 강조하면서 CII 개선 비용에 대해 “한국과 싱가포르에서 1톤의 CO2를 줄이는데 325달러, 로테르담에서는 177달러로 나타났다. 로테르담의 경우 바이오 연료에 대한 정부 보조금을 지원하고 있어 단가가 낮다”고 분석했다.

지난 9월 15일에 성공한 HMM의 현대타코마호에 대한 바이오 연료 벙커링 실증에 대해서 서 책임매니저는 설명하면서 “해당 선박의 기관장은 기존 연료와 큰 차이가 없다는 입장이었는데 바이오 연료에 대한 실증 기간이 짧고 부족한 레코드가 문제였다. HMM도 앞으로 계속 사용해 보면서 운용 지침을 개발할 계획”이라며 “특히 장기간 보관에 따른 불안정한 산화 안전성을 관리하기 위해 3개월 이상 보관 금지 관리 지침을 만들고 그 이상 보관 시 샘플 분석 결과를 확인 후 사용하도록 하고 있다. 또한 첨가제 사용과 벙커링 횟수를 늘리고 저장탱크 내 수분이 발생하지 않도록 탱크 내 적정 온도를 유지하도록 관리하고 있다”고 밝혔다.

다만 바이오 연료 및 혼합 바이오 연료에 대한 명확한 규정이 없어 운영 지침의 필요성을 강조한 서 책임매니저는 “ISO 규정은 5년마다 개정되는데 2017년 이후 개정본이 안 나오는 상태이고 바이오 연료에 대한 규정을 수립 중이다. 내년 상반기에 나올 것으로 예상된다”며 “특히 바이오 연료의 혼합 비율이 증가할 경우 연료 계통의 재질에 대한 적합성 평가가 필요할 것으로 보인다. 아직은 바이오 연료에 대한 트랙 레코드가 부족하기 때문에 지금까지 크게 안전성 문제는 발견하지 못했는데 명확한 모니터링을 통해 관리 방안을 수립하는 것이 중요하다”고 평가했다.

권준경 “암모니아 가격 탄력성 높아…’25~’35년 암모니아 수요 53% 급성장”

권준경 롯데정밀화학 수석은 글로벌 암모니아 시장을 전망하고 향후 울산항 등 인프라 구축 현황을 설명했다.
 

글로벌 암모니아 시장 현황에 대해 권 수석은 “생산량은 약 2억톤, 약 1800만톤의 거래량이 발생하고 있다. 아시아에서는 사우디아라비아와 인도네시아, 호주가 공급하고 있고 한국, 중국, 일본이 전 서계 거래량의 20%인 350만톤을 수입하고 있다. 최근 가스 운반선과 벙커링 가격이 높아지면서 미국과 유럽으로 암모니아 시장이 넘어가고 있다”며 “한국의 경우 롯데정밀화학이 연간 한 70만톤을 수입하고 있고 중국에서는 대표적으로 바스프(BASF)가 질산을 원료로 암모니아를 수입하고 있다. 일본의 경우 아사이카세(Asahi Kasei)가 AN을 원료로 수입하고 있다. 특히 한국은 암모니아를 생산하지 않고 있어 연간 130만톤을 수입하고 있다”고 설명했다.

또한 권 수석은 수에즈 운하를 기점으로 암모니아 시장을 나눠 설명했다. 권 수석에 따르면, 수에즈 운하를 기점으로 동, 서로 나눠 암모니아 시장을 분간하는데 서쪽에는 유럽이 핵심 수요처이고 동쪽에는 동북아 또는 인도가 핵심 수요처이다. 이 같은 시장 이원화는 현재 국제 암모니아 유가는 300~500달러, 해상운임이 50~100달러를 감안했을 때 암모니아의 원가의 30~40%를 차지하고 있어 장거리 운항 시 경제성을 구분하기 위해 나눈 것이다. 이와 관련 암모니아는 물질 특성상 대용량 저장에는 고비용이 필요하여 지난 ’10~’23년까지 200~1,500달러로 가격 탄력성이 높은 것이 특징이다. 권 수석은 “울산항에 아시아 최대의 암모니아 저장 설비를 구축하고 있지만, 설비를 구축·관리·운영하는 비용이 소요되기 때문에 연료 생산자나 수요처나 저장 설비를 최소화하려고 하는 경향으로 비축량이 부족한 것이 유가에 반영된 것으로 보인다”며 “22년에 우크라이나 전쟁으로 암모니아 최대 수입국 중 하나인 러시아가 흑해 지역이 막히면서 항만이 폐쇄돼 암모니아 가격이 폭등했다. 이후 사우디 마덴이라는 연료공급사가 100만톤의 신규 생산 물량을 증대하고 시장으로 유입하면서 가격이 안정화됐다. 다만 ’22년 말부터 올해 초까지 마덴의 공급망에 문제가 생겨 또 가격이 폭등했는데 업체하나의 애로사항이 생기면 가격이 폭등하는 시장 특성이 있다”고 우려했다.

향후 ’25~’35년 암모니아 수요는 53% 급성장하고 청정수소 캐리어, 암모니아 혼소, 선박연료 등 에너지 수요가 ’35년까지 1억톤 이상 성장할 것으로 권 수석은 전망하면서 “현재는 블루 암모니아에 초점을 맞춰져 있고 ’35년을 기점으로 그린암모니아 생산 확대가 전망된다. 동아시아 연료용 암모니아의 경우 ’30년에 1,100만톤, ’35년에 3,100만톤까지 신규 수요가 생길 것으로 전망되고 있다”며 “현재로서는 청정수소를 생산하기 위해서 청정 암모니아의 도입을 통해 개질하여 최종적으로 수소를 생산하는 방법이 가장 경제적이다”고 내다봤다. 이처럼 청정수소를 생산하기 위해 암모니아가 필요한데 수요와 생산 간의 간극을 줄이기 위해 청정 암모니아 프로젝트가 진행 중이다. 권 수석은 “’35년까지 약 1억 2,000만톤의 청정 암모니아가 생산될 것으로 예상이 되는 데 큰 문제는 없을 것으로 판단된다. 그린 암모니아의 경우 태양광이나 물, 질소 등으로 생산할 수 있기 때문에 사실상 무한정이라고 볼 수 있다”고 전망했다. 향후 글로벌 청정 암모니아 공급망에 대해선 △유럽 CBAM(탄소국경세) 실시 및 수소경제 시스템 구축 등 암모니아 수입 확대 △한국, 일본, 대만 청정암모니아 최대 수요 지역 예상 △인도, 호주, 동남아 블루·그린 암모니아 프로젝트 검토 진행 중 △미국 IRA 지원 등 정부의 저탄소수소 생산 지원 정책 기반 대규모 프로젝트 진행 △미서부의 동아시아, 미동부의 유럽 양 지역으로 수출 확대 계획 중인 것으로 나타났다.

롯데정밀화학은 롯데케미칼과 함께 청정 암모니아 생산·조달에 대한 검토를 진행 중이고 울산항 등 역내 및 기타 지역에 내년부터 ’30년까지 암모니아 인프라 투자 확대를 통해 안정적인 공급망을 형성할 계획이다. 또한 암모니아 공급을 위해 석탄 혼소 발전시장에 MOU를 체결하고 있고 ’21년 5월에는 KR, HMM, HD한국조선해양, 롯데글로벌로지스틱스와 그린 암모니아 해상 운송 및 벙커링에 대한 컨소시엄을 체결했다. ’27~’28년부터는 청정수소를 생산하는 것을 목표로 기술 개발과 제반 사항을 검토 중이다.

김기두 “암모니아 엔진 유해 배출가스 기술 개발돼”

차상배 “암모니아 엔진 ’25년 출시 ’27년 상용화 예정”

김기두 HD한국조선해양 상무는 암모니아 엔진 개발 현황을 발표했다.

DNV 자료에 따르면, ’20년 이후 LNG는 운반선 추진 연료로 증가했지만, 최근 증가 폭이 둔화했으며, 메탄올은 지난해부터 ‘컨’선 추진 연료로 급격한 증가세를 보이고 있다. 암모니아 선박의 경우 현재 58척이 레디로 발주됐다. 김 상무는 “암모니아 연료에 지속해서 나오는 문제는 독성 및 엔진의 부식 문제이다. 현재 암모니아 유해 배출가스 저감 기술 중 탱크에서 BOG 가스를 제약하는 기술은 충분히 마련되어 있고 연료 공급 설비에서 퍼징과 벤팅되는 가스도 충분히 스크러버로 처리 가능한 기술이 개발된 상태이다”며 “질소산화물(Nox)와 아산화질소(N2O) 슬립에 대해서는 SCR 환원제로 처리 가능하다”고 설명했다.

이어진 발표에서 차상배 MAN에너지 솔루션 코리아 부문장은 MAN사의 암모니아 엔진 개발 현황에 대해 발표했다.
 

MAN사의 엔진 실적 자료에 따르면, LNG DF MEGI 엔진은 최근 발주되는 LNG추진선에 적용되고 있고 LNG 운반선 전용인 ME-GA 엔진은 270대를 수주했다. 또한 친환경 엔진 라인업 중 메탄올 ME-LGIM 엔진, LPG ME-LGIP 엔진, 에탄 ME-GIE 엔진이 1,250대 이상을 수준된 상태이다. 차 부문장은 “암모니아 엔진의 경우 ’19년부터 개발 중으로 올해 원 실린더 테스트와 내년에 풀 스케일 테스트를 하고 2024년 말에 첫 상업용 암모니아 엔진을 조선소에 인도할 계획”이라며 “개발 기간이 약 5년 첫 상업용 엔진이 조선소에 인도되면 조선 공정에 보통 6~8개월 정도 소요되어 약 6년의 개발 기간이 걸릴 것으로 판단된다. 선박 인도는 ’25년 말 정도로 예상된다”고 밝혔다.

대형선에 탑재되는 엔진의 경우 R&D 엔진으로 실 해역에서 사용할 때와 차이가 발생하면서 문제를 일으킬 수 있다. 이 같은 문제를 보완하기 위해 MAN사는 암모니아 엔진을 독성과 부식성을 우려하여 ’25년 해상 서비스를 시작으로 ’26년 해상 검증 ’27년 상용화 단계로 구상하고 있다. ’30년에는 암모니아와 메탄올 연료의 사용량이 해상에서 절반 이상 차지하고 ’35년부터 암모니아 선박의 발주가 앞지를 것으로 MAN사는 내다보고 있다. 차 부문장은 “’50년에는 단일연료 34%, 암모니아 27%, 메탄올 21%, LNG 15%의 비중을 차지할 것으로 보고 있다. 결국 암모니아 연료의 잠재력이 크기 때문에 생산 공정도 다른 대체 연료 대비 간단하고 이로 인한 원가 절감과 선박 연료로서의 가격 경쟁력이 생길 것”으로 내다보면서 “메탄올 엔진과 동일 연소 기술을 적용하고 컨벤셔널 엔진과 동일한 엔진 효율을 낼 수 있도록 연구개발 중이다.