Ⅰ. 메탄올 선박

1. 메탄올의 특성

(1) 연료로서의 특성
메탄올은 메틸알코올(methyl alcohol)로 불리며 1661년에 보일(Robert Boyle)이 회양목 증류 과정에서 최초로 분리해 냈고 나무로부터 많이 얻어진다고 하여 목정(wood spirit)이라고도 한다. 메탄올의 물리적 특징은 증기가 공기와 잘 혼합되어 폭발성 있는 혼합체를 쉽게 형성하며, 화학적 특징은 산화제와 격렬하게 반응하고 반응 시 화재와 폭발의 위험이 존재한다. 무색인 메탄올과 에탄올은 맛과 냄새에서 매우 유사한 성질을 나타내는데 에탄올이 주류의 원료로 사용되는 반면 메탄올은 소량이라도 섭취할 경우 실명을 초래할 수 있는 매우 위험한 알코올이다.

(2) 그린 메탄올의 정의
메탄올은 공급 원료와 제조 방식에 따라 브라운·그레이·블루·그린 메탄올로 구분할 수 있다. 석탄을 원료로 하는 경우는 브라운, 천연가스를 원료로 하는 경우는 그레이, 그레이 메탄올 생산과정에서 이산화탄소를 포집하면 블루, 마지막으로 재생에너지와 바이오매스를 원료로 생산되는 e-메탄올과 bio-메탄올을 그린 메탄올이라고 한다. 다양한 메탄올 가운데 선박연료의 탄소 중립 실현을 위해서는 그린 메탄올의 공급과 사용이 매우 중요하다.

2. 메탄올 추진선 건조 동향

최근 몇 년 동안 글로벌 선사들이 메탄올을 선박연료로 고려하게 된 이유는 탄소 배출을 줄이기 위한 선박의 대체연료(alternative fuel) 식별 과정에서 기술적 요인과 경제성을 고려한 현실적인 선택의 결과이다.
메탄올은 분자 구조에 탄소, 수소, 산소가 모두 포함되어 있어서 무탄소 연료가 될 수 없지만, 생산 과정에서 신재생 에너지를 이용해서 생산된 그린 수소를 이용하는 e-메탄올과 바이오매스(biomass)를 이용해서 생산되는 bio-메탄올의 경우 연소과정에서 발생하는 탄소 배출을 상쇄시켜 주기 때문에 무탄소에 가까운 저탄소 연료로 간주된다.
따라서 선박 연료로 고려되는 메탄올은 석탄, 천연가스 등 화석연료를 원료로 생산되는 일반 메탄올이 아닌 신재생 에너지를 사용하는 e-메탄올과 바이오매스를 이용한 bio-메탄올이 주요 대상이 된다.
그린 메탄올(e-메탄올, bio-메탄올)의 가장 큰 문제점은 현재 전 세계적으로 공급량이 제한적이며 선박 연료로 사용하기에는 공급량이 매우 부족하고, 단기적으로 공급량 증가에 한계가 있다는 점이다. 하지만 현재 기준 제한된 공급량을 가진 그린 메탄올의 문제점에도 불구하고 머스크(Maersk)를 선두로 주요 컨테이너 선사들은 최근 2년 동안 메탄올 추진선 발주에 집중하고 있다.
메탄올 추진선은 LNG 추진선 대비 열량당 효율이 낮은 관계로 LNG 탱크 대비 2.75배 큰 탱크 용량이 필요하지만, LNG 탱크와 같은 고온·고압이 필요 없기 때문에 카펙스(CAPEX) 측면에서 LNG 추진선보다 나쁘지 않은 것으로 산정되며, 오펙스(OPEX)는 그린 메탄올을 사용하는 관계로 LNG 추진선보다 높을 것으로 전망된다.
머스크는 글로벌 선사들 가운데 가장 먼저 메탄올 추진선 발주에 나섰는데 2021년 7월 현대미포조선에 2,100TEU 메탄올 추진선(컨테이너선) 발주를 시작으로, 2021년 8월 한국조선해양(현대중공업)에 16,000TEU 컨테이너선 8척, 2022년 1월 4척(16,000TEU), 2022년 10월 6척(17,000TEU) 등 총 19척의 메탄올 추진선을 발주한 상태이다.
머스크 외에도 프랑스 선사인 CMA-CGM과 중국 선사인 COSCO와 같은 계열사인 OOCL도 메탄올 추진선 발주에 동참했는데, CMA-CGM은 2022년 6월 중국 대련조선소(DSIC)에 15,000TEU 메탄올 추진선 6척을 발주했으며, COSCO와 OOCL은 2022년 10월 2만 4,000TEU 메탄올 추진선 각각 5척과 7척을 중국 DACKS와 NACKS에 발주했다.
HMM도 2023년 2월에 9,000TEU 메탄올 추진선 9척을 한국조선해양(현대삼호중공업, 7척)과 HJ중공업에 발주하였다. 이로써 우리나라도 선박 연료의 탄소 중립 실현을 위한 글로벌 선사들과의 경쟁에 본격적으로 동참하게 되었다.

3. 메탄올 벙커링 구축 동향

(1) 메탄올 수급 동향
2022년 기준 전 세계 메탄올 생산량은 약 1억 581만 톤이며, 수요의 대부분은 Methyl tert-Butyl Ether(MTBE) 생산, MTO(Methanol-to-Olefins) 공정, 가솔린 블렌딩 등에 사용되고 있다.
하지만 대부분의 메탄올이 석탄과 천연가스를 이용해서 생산된 브라운 메탄올 또는 그레이 메탄올이며, 저탄소 연료로 간주되는 그린 메탄올은 현재 전 세계 생산량이 전체 생산량의 1% 이하일 정도로 극히 미미한 수준이다.

(2) 선박연료로써의 전망
머스크(Maersk)는 메탄올 추진선 발주와 병행해서 자사 선박에 대한 그린 메탄올의 원활한 공급을 위하여 e-메탄올/bio-메탄올 생산업체들과 공급 의향서(LOI)를 체결하는 파트너쉽을 구축한 결과 2025년까지 연간 93~103만톤 확보를 예상하고 있다.
머스크가 파트너쉽을 체결한 업체들을 지역별로 보면 중국, 북미, 남미 등으로 다양하게 분포하고 있는데, 이는 미주항로와 유럽항로 운항에 필요한 주요 항만들에서의 벙커링을 고려한 조치로 파악된다. 머스크는 선두 업체로서의 이점을 누리기 위해서 전 세계 그린 메탄올 생산업체들과의 공급 의향서 체결을 지속적으로 확대해 나가는 전략을 채택할 것으로 전망되고 있다.
국적선사인 HMM은 2023년 2월에 9,000TEU급 메탄올 추진선 9척의 건조 계약을 발표하면서 메탄올 연료의 안정적 수급을 위해서 Proman, PTTEP, European Energy, 현대코퍼레이션 등 국내외 5개사와 메탄올 생산 및 공급에 대한 양해각서(MOU)를 체결했다는 사실을 함께 공표했다. 또한 이들 업체들과 글로벌 주요 항만에서의 메탄올 공급에 대한 타당성 조사와 친환경 메탄올 생산에 대한 협력을 공동으로 진행할 예정이다.
2021년부터 머스크가 메탄올 이중연료(D/F) 추진선을 시리즈로 발주한 것은 현재 시점 기준으로 그린 메탄올 연료가 탈탄소를 실현할 수 있는 최적의 선택이라는 현실적인 판단이 내렸을 것으로 예상된다.
암모니아 연료의 독성 문제에 대한 처리 방안이 제시되고 기타 기술적인 문제가 해결되기 전까지 메탄올 추진선은 당분간 지속적으로 발주가 증가할 것으로 예상되며, 전 세계 그린 메탄올 공급망이 계속해서 확충되어 나간다면 다수의 글로벌 선사들이 메탄올 추진선 발주를 확대해 나갈 가능성이 매우 높다.
하지만 전 세계 e-메탄올과 bio-메탄올 공급량이 획기적으로 증가해서 가격 변동성이 안정적인 흐름을 유지하지 못할 경우 장래 선박 대체연료의 대세로 자리 매김 하는 것에는 분명한 한계가 있을 것으로 예상된다.

4. 메탄올 선박 기술 동향

메탄올은 지금도 기존 선박으로 널리 운송되는 원료이며 메탄올을 선박의 원료로 활용하는 경우에도 상온에서 액체 상태이기 때문에 LNG처럼 고압과 극저온을 견디는 탱크가 필요하지 않으며, 일반 탱크를 조금만 개조하면 얼마든지 메탄올을 연료로 이용할 수 있다. 또한 연료가 바다에 유출되는 경우에도 해양 오염을 발생시키지 않는다.
하지만 벙커유에 비해 연료 효율이 상대적으로 낮은 관계로 연료 탱크의 사이즈가 2.2배~2.5배 이상 증가하게 되고 메탄올 추진선의 건조 단가 역시 일반 선박을 건조하는 경우보다 약 10%~15% 더 들어가게 된다.
 (1) 메탄올 연료 탱크
메탄올, 암모니아, LPG 연료는 물성이 비슷하여 저인화점(low flash point) 연료로 분류된다. 또한 메탄올은 극저온 저장을 필요로 하지 않기 때문에 일반 탱커선과 유사한 설계와 배치가 가능하고 액체연료 요건을 적용할 수 있다. 다만, 인체에 유해한 독성이 있기 때문에 가스 배출을 차단하는 밀폐공간에 연료 장치를 설치해야 하고, 부식성을 고려하여 저장 탱크나 연료 수송관은 스테인레스강 등 부식에 강한 재료를 사용해야 한다.
(2) 메탄올 연료공급시스템
메탄올 연료공급시스템은 메탄올 추진선의 엔진 특성에 맞추어 연료인 메탄올을 지정된 유량, 압력, 온도 및 여과 매개변수 내에서 안전하게 공급하도록 지원하는 장치를 말한다.
메탄올 연료의 특성에서 언급된 것처럼 메탄올은 기존 디젤유와 마찬가지로 상온에서 액체 상태를 유지하기 때문에 기본적으로 기존의 선박 연료 공급시스템을 크게 변경하지 않고 이용할 수 있다. 다만 메탄올 연료의 특성에 맞추어 유량, 압력, 온도 등을 선박에 탑재된 엔진에 맞추어 최적 연소가 가능한 조건을 만들어 주어야 한다. 또한 이 부분에서 연료공급시스템에 관한 전문적인 기술과 축적된 데이터를 기반으로 한 고도의 전문성이 요구된다.

(3) 메탄올 엔진

① 현대중공업
현대중공업은 초기에는 세계적인 엔진 업체인 독일의 만(MAN SE)으로부터 사용권을 받아 선박용 중형엔진을 생산해 왔다. 하지만 현대중공업은 엔진 사용료로 매년 막대한 로열티를 지불하는 문제점을 해결하기 위해서 1900년부터 독자 모델의 엔진을 개발하기 시작했고, 이후 10여 년의 연구를 거쳐 독자적인 중형엔진 힘센(HiMSEN) 엔진 개발에 성공했다. 이후 지금까지 힘센 엔진은 우리나라를 대표하는 중형엔진으로 자리매김을 해오고 있다. 또한 2020년에는 세계 최대 에너지 기업인 아람코와 공동으로 사우디아라비아에 힘센엔진 생산 합작법인 SEMCO를 설립하면서 라이선스 사업까지 진출하고 있다.
현대중공업 엔진기계사업부는 2022년 9월 28일부터 30일 기간 동안 메탄올과 디젤 연료를 이중으로 사용하는 5천 400마력급 선박엔진용 메탄올 이중연료 힘센엔진(H32DF-LM)을 대상으로 한국선급(KR), 미국선급(ABS), 노르웨이선급(DNV) 등 7개 선급 입회하에 형식승인 심사(TAT: Type Approval Test)를 성공적으로 수행했다. H32DF-LM 엔진은 특수 재질로 부식을 막고 메탄올 모드에서 디젤사이클 연소 및 전자제어식 연료 분사 방식인 커먼레일(common rail) 방식을 적용해 안정적인 고출력 운전이 가능하다.

② HSD엔진
국내에서 대형 선박용 디젤 엔진과 발전용 디젤 엔진을 전문으로 하는 엔진 전문회사이며 선박용 엔진 시장에서는 국내에서 현대중공업 다음으로 큰 규모를 차지하고 있는 업체이다.
HSD엔진은 2022년 9월에 스위스 선박 엔진 제조업체인 WinGD와 메탄올 추진선용 저속엔진 공동개발 프로젝트(JDP)를 발표하였다. WinGD는 메탄올 연소 및 연료 분사기술, 배기가스 후처리(EGR), 엔진 개념설계 등을 맡고 HSD엔진은 엔진 최적화 업무와 테스트를 위한 연료공급 장치 등을 지원하기로 했다. HSD엔진은 WinGD와의 공동개발 프로젝트(JDP)를 통해서 X92와 X82 규모의 대형엔진 개발에 우선 순위를 두어 초대형 컨테이너선용 엔진을 가장 먼저 최적화할 계획이다.
HSD엔진은 2023년 2월 17일에 한화임팩트와 주식매매계약 양해각서와 신주인수계약 양해각서를 체결했다. 이번 계약이 마무리되면 한화임팩트는 HSD엔진의 총 33% 지분을 확보하게 되어 최대 주주가 된다. 한화그룹이 계열사인 한화임팩트를 통해서 HSD엔진을 인수하는 것은 대우조선해양 인수와 연계해서 자체 기술력으로 선박 건조부터 엔진 제조 까지 전공정에 걸친 제조 노하우를 확보하려는 차원으로 파악된다. HSD엔진 인수 후 한화는 한화임팩트 산의 가스터빈 개조회사인 미국 PSM, 산업용 가스 압축 기술 보유 한화파워시스템과의 시너지를 극대화할 것으로 예상되며, 메탄올, 암모니아, 수소 등 대체연료를 사용하는 선박 엔진 개발에서 더 큰 영향력을 발휘할 것으로 기대된다.

Ⅱ. 암모니아 선박

1. 암모니아의 특성

(1) 연료로서의 특성
암모니아는 질소와 수소로 이루어진 화합물로, 연소 반응에서 이산화탄소가 발생하지 않아 무탄소 연료로 주목받고 있다. 암모니아는 대기압 기준으로 –33°C에서 액화되며, 저온 유지 기술을 적용된 저압 탱크(low pressure tanker)를 사용할 수 있기 때문에 탱크 설계와 제작이 용이하다. 이 외에도 암모니아는 수소 대비 저장, 수송과정이 단순하고 비용이 저렴하며 폭발 가능성이 낮아 안전해 장거리 운송에 최적화되어 있어 이미 대량 생산, 운송 및 취급 기술의 성숙도가 높다는 특징을 강점으로 들 수 있다.
또한 암모니아는 상온에서도 압력을 가하여 액상으로 유지되는 특성이 LPG와 비슷하여 LPG의 인프라를 그대로 사용할 수 있다. 그러나 상대적으로 낮은 체적 에너지밀도로 인해 기존 디젤 연료 대비 약 4배에 달하는 체적의 저장탱크가 필요하고, 암모니아가 공기 중의 황산 또는 질산 등의 물질과 결합할 경우 초미세먼지를 발생하는 주요성분이 되기 때문에 엔진 또는 저장탱크로부터 배출되지 않도록 주의해야 한다.
암모니아는 인체 점막을 자극하고 심할 경우 질식사에 이르게 하는 독성이 있으므로 누출에 주의해야 하며, 구리. 아연 및 그 합금과 고무에 부식성이 존재하기 때문에 암모니아에 내식성이 있는 재료를 사용해야 누출에 대한 위험을 최소화할 수 있다. 이처럼 암모니아는 독성의 위험성을 지니고 있으나 무색의 강한 냄새로 누출 시 신속한 발견이 가능하며 제거가 용이하고 폭발성이 거의 없어 안전하게 사용할 수 있다.
또한 암모니아 연료는 가솔린과 비교시 kg당 0.4배의 열량인 18.6MJ/kg이나, 가솔린 연료 대비 전파속도가 현저히 떨어지고 연료 특성에 의해 질소산화물(NOx)이 발생할 수 있으며 엔진 제어에 따라 암모니아슬립이 발생해 가스와 함께 배출될 수 있는 단점이 있다.

(2) 청정 암모니아의 정의
암모니아는 결합하는 수소의 종류에 따라 그레이·블루·그린 암모니아로 분류할 수 있다. 이 중 제조에서 활용에 이르는 전 과정에서 온실가스를 배출하지 않는 블루·그린 암모니아를 청정 암모니아로 지칭하며, 블루 암모니아는 천연가스 수증기 개질을 통해 생산된 블루 수소를 사용해 암모니아를 합성하는 것으로, 하버-보슈 공정(Haber-Bosch process)에 블루수소를 공급하며 천연가스 가격 변동에 영향을 받고 탄소 포집·활용·저장(CCUS, Carbon Capture, Utilization and Storage) value chain 구축이 동반되어야 한다.
추가적인 고성능 수전해 설비가 요구되는 그린 암모니아 대비 블루 암모니아는 기존 시설에 암모니아 제조 공정과 CCUS 설비만 추가하면 된다는 장점이 있다. 관련 업계가 블루 암모니아 사업에 박차를 가하는 이유도 현실적으로 탄소배출량을 저감하면서 가장 경제적으로 암모니아를 생산할 수 있어 수소경제 전환 과도기에 효율적인 수단이 될 것으로 전망되기 때문이다.
그린 암모니아는 재생에너지를 이용한 수전해를 통해 생산된 그린 수소를 하버-보슈 공정에 공급해 생산되며 재생 전력 사용을 최대화하여 생산 도중 배출되는 CO2 농도를 최소화한다.
따라서 태양광과 풍력 등 신재생 에너지로부터 생산된 전기 가격과 수전해 생산 용량에 크게 영향을 받으며, 현재 전 세계에서 진행중인 그린 수소생산 프로젝트의 85% 이상이 그린 암모니아 생산과 연계되어 진행되고 있다.
액화하여 저장이 쉬운 암모니아를 수소 밸류체인에 연계해 공기 중의 질소와 전기화학적 방법으로 생산해 이용하게 되면, 수소의 저장 및 운송 매체로서 이용은 물론 에너지원으로서의 연료 등 폭넓게 활용할 수 있다.

2. 암모니아 추진선 건조 동향

선박 연료로서 암모니아를 활용하기 위해서는 액체 상태인 액화 암모니아가 필요하며, 암모니아는 LPG와 같이 상온에서도 일정 압력을 가하게 되면 액화가 돼 비교적 액화하기 쉬운 가스이다.
기존 화석 연료와 액화 암모니아 비교 시, 약 4.1배 정도의 탱크가 요구되며, 상대적으로 큰 저장탱크를 단점으로 들 수 있으나 저렴한 운송 비용과 이미 운송 기술이 확보되어 있다는 점을 장점으로 꼽을 수 있다.
선박에 적용 가능한 암모니아 연료 기관은 바르질라(Wärtsilä)사와 만에너지솔루션(MAN Energy Solution)사에서 개발이 진행 중이다. 국내에서는 삼성중공업, 현대미포조선, 대한조선 등 국내 조선업계 또한 만에너지솔루션 등과 공동으로 암모니아 추진선박 공동개발 프로젝트를 진행 중이다.
대우조선해양 또한 암모니아 연료 선박 관련 기술적, 경제적 타당성 조사연구를 수행했으며, HFO, LNG 등과 암모니아 연료의 온실가스 감축 경쟁력을 비교, 분석한 바 있다.
현재 개발하고 있는 암모니아 엔진은 LPG, LNG 연료 엔진 등과 개념이 유사한 것으로 파악되며, 암모니아는 연료속도가 느리고 자연발화 온도는 높아 점화시키기 위해서는 파일럿 오일(pilot oil)이 필요하다. 암모니아는 내연기관의 연료로서 직접 연소하는 방식 외에 연료전지 연료로도 활용되고 있다.
클락슨 리서치에 따르면, 2022년 신조선시장의 전체 발주량에서 점유하는 대체연료선박의 비율이 CGT(Compensated Gross Tonnage, 표준화물선환산톤) 기준으로 61%에 달했으며, 전년 31% 대비 대폭 상승하며 사상 최고치를 기록한 바 있다.
대체연료선 중 LNG 연료선이 397척(3,670만GT)로 과반을 차지했으며, 이어 암모니아 연료 추진선박으로 개조 가능한 암모니아 레디 사양이 90척, 770(GT)로 11%, 메탄올 연료이 43척, 500만GT로 5%를 점유했다.
중국 최대 조선소그룹 CSSC와 일본 NSY 등에서 암모니아 추진선박을 개발하고 있으며, 국내 조선 3사도 암모니아 추진 탱커, 컨테이너선의 개발을 알리는 등 암모니아 추진 선박 개발이 국내·외에서 활발히 진행되고 있다. 현재 암모니아 연료 선박의 개발이 신속하게 진행되고 있어 2024~2025년 엔진 개발, 2026~2027년경 상용화되어 2035년 이후에는 암모니아 연료 추진선이 LNG 연료 추진선을 대체하는 주력 선박이 될 것으로 전망되고 있다.

3. 암모니아 벙커링 구축 동향

(1) 벙커링 동향 및 전망
현재 천연가스가 풍부한 곳을 위주로 암모니아를 생산하여 수출하기 위한 터미널이 위치하고 있으며, 이미 전 세계에 수출입 항구와 기반 시설이 구축되어 있어 암모니아 생산 및 수출 프로젝트의 증가와 함께 암모니아 벙커링 항만은 더욱 증가할 것으로 예상된다. 우리나라는 인천 15,000톤, 여수 50,000톤, 울산 93,000톤의 저장시설을 가진 터미널을 보유하고 있다.
싱가포르, 네덜란드, 노르웨이, 호주 등 다양한 국가에서 신규 그린 암모니아 터미널 및 공급 인프라 개발 프로젝트를 적극적으로 추진하고 있으며 관련 산업 또한 급속도로 성장하고 있다. 향후 암모니아 생산과 수출 프로젝트 증가와 더불어 암모니아 벙커링 항만은 점진적으로 증가할 것으로 예상된다. <그림7>은 그레이 암모니아 터미널로, 38개의 수출 터미널, 88개의 수입 터미널, 이중 6곳은 수출입이 모두 가능한 터미널이다.

암모니아 벙커링 시설은 이미 구축된 암모니아 그리드와 저장 시설을 기반으로 소형 유조선 및 가스 선박을 벙커 바지선으로 전환함으로써 신속하고 효율적인 비용으로 벙커링 네트워크를 구축할 수 있다. 기존의 저장시설을 기지국으로 활용할 수 있으며, 벙커링 바지선을 이용하여 벙커링이 필요한 선박에 접근하여 작업을 수행할 수 있는 것이다. 온실가스 배출감축 압박에 비해 탈탄소화가 어려운 선박 및 석탄가스 발전소에서 암모니아를 직접 활용할 수 있는 기술개발이 본격화되는 추세로 무탄소 연료로써의 암모니아 수요가 급격히 확대될 것으로 예상된다. 현재 글로벌 해운사, 조선사, 중공업 등의 주도로 암모니아 추진 엔진, 암모니아 연료전지, 선박 실증 등에 대한 연구가 활발히 추진 중이다.
최근에는 일본 자원개발 기업인 인펙스 코퍼레이션(INPEX Corporation)이 상업용 선박에 암모니아 연료를 공급할 수 있는 암모니아 벙커링 선박의 개념 연구를 완료했다고 밝힌 바 있다. 이번 연구는 미쓰비시 조선과 공동으로 진행되었으며, 향후 확산될 것으로 예상되는 암모니아 선박의 연료 공급수요에 부응할 것으로 기대된다.
우리나라 또한 2021년 10월, 부산을 암모니아 친환경에너지 규제자유특구로 지정하여 친환경에너지인 암모니아를 활용한 실증을 통해 탄소중립 신사업 생태계를 구축하고 있다. 특구 지정을 통해 정부는 친환경선박 개발, 이동형 표준용기 개발, 이동형 기반 선박용 암모니아 연료충전 실증을 목표로 하고 있다.

탄소중립으로의 전환을 위해서는 친환경에너지 사용이 중요한 역할을 담당하고 있으며, 특히 암모니아는 수소보다 저장성이 좋고 상온에서 이송이 용이해 선박 연료로 주목받고 있고, 향후 수요 증대로 신사업 창출도 유도할 수 있다. 정부는 부산의 암모니아 친환경에너지 특구 지정을 통해 탄소중립 연료인 암모니아를 활용한 선박 신기술 조기 확보와 사업화의 기초 토대를 마련하고, 친환경선박, 벙커링 등 핵심 기자재 관련 기업들이 집적된 지역으로 국내 친환경 조선산업의 역량 강화 및 지역균형발전을 도모하고 있다.
현재 암모니아는 비료 산업을 위해 180million ton이 중국, 러시아 미국 등에서 생산되고 있으며, 전 세계에 공급망이 갖추어져 있는 것으로 파악되었다. 이처럼 많은 암모니아 생산 프로젝트들이 신재생 수소 프로젝트와 함께 추진되고 있다.
비료 산업 외 석유화학과 발전 분양에서 수요가 증가하고 있어 암모니아 생산 용량과 공급 인프라는 <그림8>과 같이 향후 더욱 확장될 것으로 전망된다.

(2) 선박연료로써의 전망
현재 글로벌 경제구조가 탄소중립으로 전환되는 과정에서 암모니아는 재생에너지의 시간적 가변성과 지역적 편재성을 해결할 수 있는 에너지 캐리어(energy carrier)로써, 수송, 발전 등의 분야에서 활용 가능한 탄소 중립 연료로 각광받고 있다.
세계에서 암모니아는 2018년 기준 수소 생산량의 30% 이상을 활용하여 약 175백만톤 생산되고 있다. 액상암모니아는 액화수소보다 동일 부피에서 1.7배 수소 저장 밀도가 높고 이미 확립되어 있는 국제 공급망 활용이 가능하여 대규모 장거리 수소 저장 및 운송에 적합한 저장체로 주목받고 있는 추세이다.
해운산업은 세계 CO2 배출량의 약 2.5%를 차지하면서 탈탄소화가 어려운 산업 분야로 간주되어 왔으나 IMO 규제가 강화되면서 수소, 암모니아, 바이오 연료 등의 저탄소 연료가 감축수단으로 부상하고 있다.
국제에너지기구(IEA)는 ‘2020 에너지 전망 보고서’를 통해 암모니아, 수소 등이 선박 연료로 활용되는 비중이 점진적으로 확대되어 2060년경에는 60% 이상의 신조선이 저탄소 연료를 도입할 것으로 예상한 바 있다. 특히 암모니아의 비중이 절반 가까이 차지할 것으로 분석하면서 선박에 한해 차세대 에너지원은 수소 보다 암모니아가 더 각광받을 것으로 전망했다. 또한 IEA는 넷제로(Net Zero) 2050 시나리오에서도 선박연료 부문에서 암모니아가 차지하는 비중이 2030년 8%, 2050년 46%로 확대될 것으로 예측하기도 했다.
향후 선박연료로서 암모니아가 시장에 진입하기 위해서는 생산과 공급 인프라가 확충되어야 하며, 선박 추진을 위해 필요한 연료 탱크, 연료 공급 시스템, 엔진 기술 등이 개발되어야 한다. 석탄 가스화로부터 얻어지는 그레이 암모니아는 LSFO보다 비싸므로 시장 진입이 곤란하다. 블루 암모니아는 CO2 배출이 있어 탄소세 부과 여부가 가격에 영향을 미칠 것으로 전망되며, 그린 암모니아는 신재성 에너지원으로부터 셍산된 전기 가격에 따라 생산 단가에 큰 영향을 받을 것으로 예상된다.
신재생 에너지 비용이 지속적으로 감소하면서 중장기적 관점에서 청정 암모니아는 탈탄소를 위한 매력적인 연료로 고려된다. 탄소세는 연료와 관련된 선박 운항 비용에 큰 영향을 미치며, LNG로 운항하는 선박에 탄소세가 적용되는 경우 연료비용은 지속적으로 증가하게 된다.
탄소세가 적용되는 경우 그린 암모니아의 연료가격은 감소하는 반면 탄소세가 적용된 LNG 가격은 단계적으로 증가하게 된다. 기간의 경과에 따라 탄소세가 증가하는 반면 그린 암모니아 생산 단가가 꾸준히 낮아지면서 2045년경 암모니아를 연료로 사용하는 갓이 연료 가격면에서 유리하다는 것을 의미한다.
선박용 연료로서 대체연료의 적용을 검토할 때 경제성 및 친환경성에 대한 검토가 우선되어야 한다. 또한 제한된 선박 공간에서 연료적재량의 증가 정도를 검토하기 위해 부피 또는 무게당 연료의 에너지밀도에 대한 확인이 필요하다.
이 외에도 온실가스는 물론 대기오염물질 배출 규제 만족을 위해 투입되어야 하는 경제적 손실 및 대양 항해선박을 위한 연료 병커링 등의 공급 측면에서의 가능성도 고려되어야 할 것이다.

4. 암모니아 선박 기술 동향

현재 암모니아의 해상연료서의 가능성을 기반으로 하여 조선업계가 필두로 글로벌 조선, 선박용 엔진 제조사 등과 암모니아 추진선과 엔진 개발을 추진하고 있다. 그러나 암모니아가 선박 연료로 최초로 적용되는 상황에서 선박 관련 기본 인증은 대부분 선박 설계에 관한 것으로 암모니아 연료 기관과 관련한 선박 기술 개발은 아직 초기 단계에 있는 것으로 파악된다.
조선 시장에서 우위를 점하고 있는 국내 조선산업의 상황을 고려할 때 에너지의 다변화와 선박 온실가스 저감을 위해 국가차원의 적극적인 검토와 암모니아 선박 및 엔진의 핵심부품 개발이 선행되어야 할 것이다. 본절에서는 현재 암모니아 선박에 도입되고 있는 개략적인 기술 사항을 서술하며, 세부적인 내용은 부록에서 자세하게 다루도록 한다.

(1) 암모니아 연료 탱크

① 설계 특징
IGC Code 상에서는 암모니아 탱크는 타입 A, B, C, 멤브레인(membrane) 타입을 사용할 수 있다고 정의되어 있으나, 실제로는 타입 A와 C가 주로 사용된다.
암모니아 연료 탱크 설계 시 쉽게 부식되는 구리 및 구리 합금 재질을 사용해서는 안 되며, 철판의 설계 인장 강도는 최대 허용치를 초과해서는 안 된다. 암모니아 저장 탱크는 누출 방지를 위하여 비파괴 검사 및 후열처리도 필요하다. 암모니아 저장설비의 용접 이음 부위에 대하여 100% 비파괴 검사를 수행하고 비파괴 검사에 합격하면 용접 이음 부위에 후열처리를 실시해야 한다.

② 배치 특성
탱크와 연료 파이프의 배치 제한은 LPG 연료에 대한 요건과 유사하다. 탱크 위치는 손상 위험을 제한하기 위해 선박 측면과 바닥으로부터 최소 거리가 설정되어야 한다. 또한 화재 위험도가 높은 공간에서 떨어져 있어야 하며 손상 위험 영역으로부터 보호되어야 한다. 개방갑판에 위치한 저장 탱크와 장비들 또한 태양 복사열로 인해 상승할 수 있는 최대온도를 고려하여 자연 통풍이 확보되는 곳에 설치되어야 한다.

(2) 연료공급시스템

① 연료공급시스템의 구성
가. 연료공급장치
연료 공급장치(Fuel Supply System, FSS)는 펌프, 열교환기, 밸브, 필터 및 계기로 구성된다. MAN에서 개발 중인 암모니아 연료 추진 엔진 연료 공급장치에서는는 암모니아가 펌프로 80bar로 가압되고 열교환기를 통해 엔진에서 요구되는 온도(25°C 〜55°C)의 범위 내에 진입하도록 한다.

나. 연료 밸브 트레인
연료 밸브 트레인(Fuel Valve Train, FVT)은 엔진과 보조 시스템 사이의 인터페이스로, 이상 상태 및 유지보수 중에 엔진에 연료를 안전하게 차단하고 질소를 퍼지해 잔존 연료를 배출하여 연료공급시스템의 안전성을 보장한다.

다. 재순환 시스템
재순환 시스템(Recirculation system)구현을 위해서는 재순환된 암모니아가 2상 조건으로 공급되지 않도록 상분리를 해야 한다. 엔진에서 리턴되는 암모니아는 다른 물질에 의해 오염된 상태일 수 있어 연료공급시스템 내에서 재순환된다. 재순환 시스템에서 분리된 암모니아 기체는 넉아웃 드럼으로 배출되고 안정화된 암모니아 기체가 포집 시스템에 유입된다.

라. 질소퍼지 시스템 및 넉아웃 드럼
이중 연료 작동 후 엔진 퍼지, 유지 관리 전 연료 배출 및 유지 관리 후 기밀성 테스트를 위해 질소를 공급해주기 위해서는 충분한 크기의 질소퍼지 시스템(N2 purge system)이 필요하다. 넉아웃 드럼(Knock-out drum)은 암모니아 누출이나 셧다운 상황에서 암모니아가 액체 상태로 배출되는 것을 방지하는 역할을 한다.

마. 암모니아 포집 시스템
암모니아는 강한 유독성과 부식성을 가지고 있으므로, 배출되는 암모니아는 반드시 포집되어야 하며, 물에 잘 흡수되는 특성을 이용하여 암모니아 포집 시스템에 적용할 수 있다.

② 암모니아 연료공급시스템의 작동 원리
엔진이 암모니아 이중 연료로 작동 중이 아닐 시에는 연료 밸브 트레인을 통해 엔진과 연료공급시스템을 감압하고, 공급 및 리턴 시스템과 엔진룸을 완전히 차단한다. 엔진을 암모니아 연료로 작동하기 직전에는 가스 누출 여부를 확인하기 위해 질소로 가압하여 시스템의 기밀성을 확인한다.
암모니아 누출 등 비상 상황에서 섯다운 상황 발생 시, 암모니아 연료공급시스템 내에 있는 암모니아가 신속히 배출되어야 한다. 따라서 암모니아 포집 시스템 설계 시 가장 많은 유량의 암모니아를 포집해야 하는 상황을 기준으로 암모니아 포집 시스템 용량을 설계해야 한다.
(3) 연료추진 엔진 개발 현황

① 현대중공업
현대중공업은 MAN-ES, WinGD의 2행정 선박 엔진 및 자체 개발한 4행정 힘센 엔진 생산 사업을 영위하고 있으며, 현대중공업그룹 중간지주사인 한국조선해양과 함께 친환경 엔진 연구개발을 수행하고 있다. 현대중공업 엔진기계사업부는 2022년 MAN-ES와 암모니아 운반선용 2행정 암모니아 엔진 개발 협력을 위한 M0U를 체결하여 2024년 세계 최초 2행정 암모니아 엔진 출시를 목표로 하였다.
2022년 6월 Posidonia 2022에서는 WinGD와 암모니아 엔진 공동연구 MOU를 체결하여 2025년 2행정 암모니아 엔진 출시를 목표로 하는 등 대형 선박 추진을 위한 2행정 암모니아 엔진의 설계, 안전, 연료 공급 솔루션 및 배기 후처리 시스템 등 개발에 대한 협력 개발 프로젝트를 진행하고 있다.
이 외에도 현대중공업그룹은 암모니아를 연료로 구동하는 4행정 힘센엔진을 자체 개발하여 2024년에 출시한다고 발표했다. 암모니아 힘센엔진에는 2행정 암모니아 엔진과 마찬가지로 디젤모드 운전이 가능한 이중연료(Dual Fuel) 개념이 적용되며, 암모니아 연료 도입의 궁극적 목적인 GHG 저감 최대화를 위한 연구 및 기술개발이 진행 중이다.
현대중공업그룹은 2021년 암모니아를 비롯한 저인화점 액체연료 분사 시스템 개념설계에 대해 한국선급과 DNV로부터 AIP 인증을 획득하는 등 암모니아 엔진 기술개발을 위해 한국선급, 한국기계연구원 등 국내외 유관 기관들과 협력하고 있다.

② STX 엔진
STX엔진은 MAN-SE의 2행정 저속엔진 및 4행정 중속 엔진 사업 등을 영위하고 있으며, 2019년에 국내 최초로 천연가스 연료를 사용하는 선박 추진용 순수 가스엔진을 독자 기술로 개발하여 한국선급으로부터 형식승인을 취득하였다고 발표한 바 있다.
STX엔진은 정부의 온실가스 감축 전략 및 IM0의 온실가스 규제에 대응하기 위해 단기통 엔진을 활용한 암모니아 연료 내연기관 프로젝트를 수행중인 것으로 파악되었다. 이와 동시에 STX엔진은 2021년 정부 지원을 통해 디젤-암모니아 이중연료 엔진 개발 프로젝트에 착수하였으며, 참여기관과 협력하여 엔진 개발 및 암모니아 연료의 안전성 평가 등을 수행할 계획이다. STX엔진에서 개발 중인 암모니아 엔진은 기존 중속 엔진의 이중연료 엔진 개념과 유사하나, 암모니아 연료 운전시에는 디젤과 암모니아 연료의 흔소점이 기존과 차이가 있다. STX엔진은 2023년에 암모니아 첫 시제 엔진을 제작하고 2024년까지 육상 실증시험을 진행하여 C02 배출량을 최소화하고 엔진의 내구성에 대한 신뢰성을 확보하는 것을 목표로 하고 있다.
이와 함께 암모니아 연소 시 발생하는 질소산화물과 유독성 물질인 미연소 암모니아 가스를 동시에 제거할 수 있는 피드백 제어 기반 배기 후처리 시스템을 독자 기술로 개발하여 시장에 출시할 계획이다.
또한 STX엔진은 개발 중인 암모니아 엔진을 2024년에 암모니아 혼소 연료추진시스템 선박에 탑재하여 해상 실증시험을 진행할 계획이며, 암모니아 연료에 대한 Safety System 등을 실증 평가함으로써 암모니아 엔진에 대한 안전성을 확보할 계획이다.

③ MAN Energy Solutions
독일 MAN ES사는 2행정 암모니아 이중 연료 엔진을 개발하고 있으며, 2024년까지 개발을 완료하는 것으로 계획하고 있다. 2행정 디젤 엔진은 압축 착화 방식을 사용하는 엔진으로, 대형 선박에 선호되는 주요 추진 시스템이다. MAN ES사에서는 암모니아의 점화 및 연소 특성의 단점에도 불구하고, 선박 엔진은 속도가 느리고 부피가 크므로 연소 시 시간적 여유를 가질 수 있으며, 오히려 열손실이 적게 설계할 수 있어 암모니아의 연소 특성을 장점으로 활용할 수 있다고 강조하고 있다.
MAN ES 사는 2행정 LPG 이중 연료 엔진인 ME-LGIP 엔진을 기반으로 암모니아 엔진을 개발하고 있다. LPG와 암모니아의 엔진 구동 조건은 유사하지만, 발열량이나 부식성에 차이가 있어서 이를 고려해야 한다. MAN ES사에서 발표한 자료에 의하면 암모니아는 80bar의 압력으로 엔진에 공급되어 연료 주입 밸브에서 600~700bar의 압력으로 가압 되어 연소실 내에 주입된다.
또한 암모니아의 연소 특성을 보완하기 위하여 암모니아의 점화를 돕는 파일럿 연료가 필요하며 파일럿 연료는 기존 이중 연료 엔진과 동일하게 MDO/HF◦를 파일럿 연료로 사용한다. 파일럿 연료의 비율은 에너지 기준으로 5%를 목표로 개발이 진행되고 있으며, 완전한 무탄소 연료가 되기 위해서는 바이오 연료 또는 E-diesel을 파일럿 연료로 사용해야 할 것으로 판단된다.

④ WinGD
스위스 엔진 개발업체 WinGD(빈터투어가스앤디젤)는 2024년 메탄올, 2025년 암모니아로 연료로 사용할 수 있는 엔진 개발 계획을 발표했다.
WinGD는 디젤 연료 X 엔진과 이중 연료 X-DF 엔진을 기반으로 다중 연료 솔루션을 확립할 예정이다. WinGD는 암모니아와 메탄올과 같은 무탄소 또는 저탄소 연료를 핵심 엔진 유형에 모두 적용하려고 하며, 이를 통해 선박 운항자들이 배기가스를 줄이기 위해 다양한 옵션을 확보할 수 있을 것이라고 주장했다. 또 2030년까지 주문 받을 엔진의 50% 이상이 탄소중립 연료로 작동할 수 있는 다중 연료 엔진이 될 것으로 예상했다.
또한 WinGD는 2022년에 현대중공업과 MOU를 체결하여 2025년까지 암모니아로 구동할 수 있는 최초의 WinGD 엔진을 개발하여 인도하겠다고 발표했다. 이 사업에는 암모니아 엔진의 안전성, 배출가스 저감, 연료 공급 솔루션 개발 등이 포함될 예정이다. WinGD는 해당 프로젝트가 WinGD와 현대중공업이 선박용 암모니아 연료 엔진 개발에 상당한 이점을 줄 것이며, 향후 수십 년 내 다양한 선박에 적용할 수 있는 차세대 2행정 엔진 기술을 개발할 것이라고 발표했다.

⑤ J-ENG
J-ENG, NYK Line, IHI Power Systems, Nihon Shipyard는 일본 경제산업성 신에너지산업기술개발기구(NEDO)의지원을 받아 협력 사업단을 구성했다. 이후 2024년까지 일본 최초의 국산 암모니아 연료 엔진을 개발하여 예인선에 탑재하고, 2026년에는 암모니아 화물선에 암모니아 연료 엔진을 탑재하여 실증할 예정이라고 발표했다.
해당 사업 협력단은 글로벌 경쟁력을 확보할 수 있는 암모니아 연료 선박을 개발하고, 암모니아 연료 선박과 관련된 안전 가이드라인, 법률 및 규정 개발 주도를 목표로 하고 있다.
예인선에 암모니아 연료 엔진을 탑재하는 A-Tug 프로젝트에서는 암모니아 혼합 연소율을 80% 이상 달성을 추진하고자 하며, 더 큰 규모의 암모니아 추진 가스운반선(ammonia-fuelled ammonia gas carrier, AFAGC)에서는 주 엔진의 최대 암모니아 혼합 연소율 95%를 달성하고, 보조엔진은 최대 암모니아 혼합 연소율 80% 이상을 달성하여 온실가스 배출량 저감을 목표로 하고 있다.

※ 다음 달에 계속됩니다.