월간전기

10월 1일부터 시행된 「친환경 선박법」에서는 해양오염을 저감하는 기술을 적용하거나 에너지 효율을 높일 수 있는 기술을 사용하여 설계된 선박, 액화천연가스·전기에너지·연료전지추진 선박 및 연료와 전기에너지를 조합하여 동력원으로 사용하는 하이브리드 선박 등을 ‘친환경 선박’으로 정의하고 있다. 그중 전기추진차도선과 함께, 최근 가장 주목받고 있는 원자력추진선의 원리와 국내 개발 현황 등을 살펴보았다.

기후변화 대응과 지속 가능한 미래를 위한 국제사회의 움직임은 조선 및 해운산업에도 중대한 전환을 요구하고 있다. 국제해사기구(International Maritime Organization, 이하 IMO)는 「IMO 2050」 전략을 통해

에서는 선박 배출 온실가스 감축을 위한 초기 전략 개정안과 선박 연료의 전 과정 평가 지침서 초안 검토 및 승인 등이 채택되었다. 국제 해운의 탄소중립을 달성하기 위한 다양한 제도들이 정비 및 개정됐으며, 감축 전략의 목표 달성을 위해 지난 4월에 개최된 「MEPC 83」에서 기존의 벙커유 대신 대체연료로의 사용 전환을 촉진하는 중기 조치 도입에 관한 협약 개정안을 승인했다.

한편, 10월 1일부터 시행된 「환경친화적 선박의 개발 및 보급 촉진에 관한 법률」(약칭 친환경 선박법)에서는 ▶해양오염을 저감하는 기술을 적용하거나 선박에너지효율을 높일 수 있는 기술을 사용하여 설계된 선박으로서, 산업통상부와 해양수산부의 공동부령으로 정하는 기준에 적합한 선박 ▶액화천연가스 등 공동부령으로 정하는 환경친화적인 에너지를 동력원으로 사용하는 선박 ▶충전기 공급원으로부터 충전 받은 전기에너지를 동력원으로 사용하는 전기추진 선박 ▶휘발유·경유·액화석유가스·천연가스 또는 공동부령으로 정하는 연료와 전기에너지를 조합하여 동력원으로 사용하는 하이브리드 선박 ▶수소 등을 사용하여 발생시킨 전기에너지를 동력원으로 사용하는 연료전지추진 선박 등 다섯 가지를 ‘친환경 선박’이라고 정의하고 있다.

오랫동안 군사적 목적의 선박에서만 활용되던 원자력 기술이 이제 ‘기후변화 대응’이라는 시대적 요구에 따라 상업용 화물선으로 확대 적용될 가능성이 커지고 있다. 원자력추진 선박은 배기가스 배출량이 없고 연료 보급 시간이 크게 줄어들며, 엔진 출력의 최대치를 활용하여 빠른 속도로 운항할 수 있다. 게다가 연료탱크가 필요 없기 때문에 선박 내 화물 공간이 약 10% 증가하는 경제적 효과도 기대된다.

삼성중공업(이하 삼성)과 한국원자력연구원(이하 원자력연)이 공동으로 개념설계를 진행한 원자력추진 LNG선이 지난 9월 미국선급협회(ABS)와 라이베리아 기국으로부터 기본승인(Approved in Principle, AiP)을 획득했다.

기본승인이란 선급이 새로운 선박의 설계나 기술을 심사해 국제 규정과 안전 기준에 적합하다고 인정하는 상징적인 절차로, 실제 선박 개발로 나아가기 위한 첫 단계다. 기본승인을 받았다는 것은 상업적 적용을 위한 프로토타입 설계 착수가 가능하고, 향후 선박건조·시험운항·대량생산을 위한 국제협력의 길이 열렸음을 의미한다.

삼성이 개발한 MSR 추진 LNG 운반선은 174,000㎥ 규모이며, 100MW 용량으로 단 1기만 설치해도 선박 수명 동안 연료 교체가 필요하지 않도록 설계되었다. LNG선인 이유는, 원자로에서 나오는 폐열을 LNG의 냉각 유지에 활용할 수 있는 데다, 선박이 대부분 외항에 머무는 특성상 방사능 안전 관리에 유리하며, 연료 보충이 필요 없어 장거리 항로에 최적화되었고, 전력 충전이나 연료 설비에 대한 부담이 없는 등 기술적·비용적으로 가장 효율적인 조합이기 때문이다.

삼성과 원자력연은 ’23년부터 과학기술정보통신부와 해양수산부의 지원을 받아 추진 중인 『MSR 원천·혁신기술개발사업』에 주관연구개발기관으로 참여해왔다. 원자력연이 설계·안전 기준 개발을 주도하고, 삼성이 선박 통합 설계 및 적용 최적화를, 그리고 정부는 인증 및 상용화 지원을 위한 법·제도 기반을 마련 중이다. ’26년 해양용 MSR 개념설계 완성, ’30년 내 실선 건조 및 시운전을 목표로 하고 있다.

삼성과 원자력연이 선택한 소형모듈형 용융염원자로(Molten Salt Reactor, 이하 MSR)는 핵연료를 고체 형태가 아니라 고온 액체 상태인 용융염에 녹여 사용한다. 기존의 일반적인 원자로는 핵연료를 고체 상태의 연료봉에 담아 사용하며, 그 연료봉에서 나오는 열을 물과 같은 냉각재를 통해 전달하는 방식이었다.

반면, MSR은 액체 상태인 용융염 자체가 핵연료와 냉각제 역할을 동시에 수행하는 혁신적인 원자로이다. 용융염은 주로 리튬, 베릴륨 등의 불소 기반 염화물을 사용하게 되는데, 높은 열용량을 갖추고 있어 기존의 물이나 중수보다 낮은 증기압과 안정성으로 더욱 효율적인 열 전달이 가능하다.

또한 MSR은 약 600~1,000℃의 고온에서도 저압 상태를 유지할 수 있기 때문에 두꺼운 압력용기나 대형 격납고가 필요 없으며, 구조적으로 간단하게 설계할 수 있는 장점이 있다. 여기에 핵연료 교체 없이 30년 이상 지속적인 운영이 가능하고, 전력과 함께 수소(핑크수소)도 생산할 수 있어 에너지 효율성 면에서도 매우 우수한 것으로 평가받고 있다.

MSR의 또 다른 장점으로 뛰어난 안전성을 들 수 있다. 만약 사고가 발생하더라도 핵연료가 이미 액체 상태라서 노심융해(Melt Down)의 위험이 없으며, 온도가 가열되면 스스로 핵분열 반응이 멈추는 구조이다. 이러한 혁신적인 기술 덕분에 MSR은 소형모듈원전(Small Modular Reactor, SMR) 형태로 제작되어 해양플랜트나 선박과 같은 제한된 공간에서도 적용 가능성이 높다.

이처럼 수많은 우수한 장점이 있음에도 불구하고, MSR 상용화를 위해서는 해결해야 할 기술적 과제가 존재한다. 대표적으로 부식 문제가 있다. MSR은 고온에서 강한 부식성을 가진 용융염을 사용하기 때문에, 이를 담는 원자로 용기나 배관이 장기간 견디기 어렵다. 따라서 고내열·내부식 특성을 갖춘 신소재 개발이 반드시 병행되어야 한다. 또한, MSR에서 사용되는 용융염은 수소의 방사성 동위원소와 같은 방사성 물질이 일부 발생할 수도 있어, 이를 안전하게 관리할 수 있는 기술도 필요하다.

이처럼 MSR 기술이 글로벌 에너지 전환의 핵심 기술로 떠오르는 가운데, 선박해양플랜트연구소(KRISO)는 과학기술정보통신부와 해양수산부의 지원 아래 삼성중공업과 HD한국조선해양과 함께 『MSR 해양 적용 기술 개발』 과제를 추진하고 있다.

KRISO는 해당 과제를 통해 MSR을 선박 및 부유식 원자력 발전 설비에 적용하기 위한 다양한 연구를 진행하고 있다. 극한의 해상 환경에서도 MSR 시스템이 안전학도 효율적으로 운영될 수 있도록 설계 기준을 마련하고, MSR 추진선에 적합한 추진시스템과 특화된 전력 네트워크를 설계하고 있다.

’24년에는 MSR 적용 선박 및 부유식 원전에 필요한 외부 환경 조건을 설정하고 설계 기준을 확립했으며, ETAP 모델링1)을 통해 전력 네트워크를 성공적으로 구성했다. 이 과정에서 특허 4건을 출원했으며, 국내외 학술대회에서 성과를 발표하는 등 활발한 연구 활동을 이어가고 있다. KRISO는 향후 MSR 기술을 활용하여 친환경 선박과 부유식 원자력 설비를 상용화하여 극지방 및 원격 지역의 에너지자립도를 향상시키고, 그린수소 생산기지 구축할 계획이다.

’25년 이탈리아에서 개최된 세계 최대 규모의 조선·에너지 전문 전시회인 『가스텍(Gastech) 2025』에서 해당 프로젝트가 공개된 이후, 유럽과 아시아의 주요 조선사와 글로벌 해운기업들도 본격적인 MSR 도입에 나섰다. 해양 원자력 동력의 상용화를 향한 경쟁이 본격 시작된 가운데, 그 출발선에 한국이 가장 앞서나가고 있다.

향후 ▶조선산업 부문에서 삼성중공업, HD현대중공업, 대우조선해양 등 ▶원전기술 부문에서는 두산에너빌리티, 한전원자력연료 등 기업들이 수혜를 입을 것으로 기대된다. 또 ▶에너지펀드 부문에서 ESG, 원전, 친환경 테마형 펀드 관련 테마주의 호재가 기대되며, 수출금융의 지원도 강화될 것으로 예상된다.

전기추진 선박은 세계 선박 개발의 트렌드다. 선박이 뿜어내는 이산화탄소가 지구온난화를 일으키는 주범으로 지목됐기 때문이다. IMO의 보고서에 따르면, 선박 운항으로 인한 이산화탄소 배출량은 전 세계 배출량의 3.3%를 차지한다. 전기추진 선박은 뿜어내는 이산화탄소가 없다. 현재 유럽을 중심으로 전기추진 선박의 상업 운항이 이뤄지고 있다.

전기추진 시스템은 친환경 선박 인정을 위한 필수 기저 기술요소로 ▶전기에너지를 생성하는 발전시스템 ▶발전된 전기에너지를 추진 모터까지 전달하는 배전시스템 ▶항해사가 설정한 선박 속도 지령에 맞춰 추진 모터의 출력을 제어하는 추진시스템으로 구성된다.

기존의 엔진 직결 추진과의 가장 큰 차이는 발전시스템과 추진시스템이 분리된 것으로, 전기에너지를 생성할 수 있다면 어떤 에너지원도 연계할 수 있으며 선속별로 가장 높은 에너지 효율을 가지는 에너지 조합으로 최적 효율 운항이 가능하다.

전기추진 선박은 정박하는 동안 고전압, 고전류 충전 시스템을 통해 선박 내 배터리를 효율적이고 안정적으로 충전하여 선박이 운항을 지속적으로 수행할 수 있어야 한다. 피오르(Fjord) 같은 정온수역에 있는 유럽 국가들과 달리, 국내 연안 환경은 큰 조석 차이, 잦은 태풍 내습, 경사 물량장과 같은 특성으로 인하여 항만에서 충전 시설의 설치나 운영에 어려움이 있다.

이동식 전원공급시스템은 교체할 수 있는 ‘롤온롤 오프(Roll-on-Roll-off)’ 배터리 시스템으로 국내 연안부두 환경의 제약을 극복할 수 있는 시스템이며, 연안에서 운용되는 차도선에 적용하여 전기추진화가 가능하다.

’22년 ‘KRISO’ 주관하에 15개 산·학·연 기관이 개발에 참여한 전기추진차도선(전기선)은 길이 60m에 폭 13m, 420톤 규모로 약 120명의 승객과 차량 20대를 적재할 수 있다. 800kWh 용량의 교체할 수 있는 이동식 전원공급시스템 2기를 장착하여 10노트(kts)의 속도로 왕복 2시간 운항이 가능하다.

해당 전기선의 국산화율은 90%에 달하는데, 핵심 기술이 되는 모터나 프로펠러 기술 등을 모두 국산화해서 그렇다. 전기선은 최대 30km까지 운항 가능하며, 30km 운항에 전기료 약 16만원이 소요된다.

전기선의 운영 개념은 다양한 경사형 부두에 교체형 배터리 시스템을 공급하기 위해 중앙집중식 권역 충전 스테이션을 통해 교체형 배터리 시스템의 실시간 상태를 모니터링하고, 필요한 유지보수를 수행하며 충전을 관리하는 허브 역할을 수행한다.

충전이 완료된 교체형 배터리 시스템은 일반 도로를 통해 전기선이 정박해있는 부두로 이동되며, 이동 중에도 배터리 시스템의 상태는 실시간으로 모든 데이터를 모니터링하여 운송 및 대기 중에 발생하는 잠재적 위험을 신속하게 해결할 수 있도록 권역 충전 스테이션으로 무선 전송된다.

항구에 도착한 충전된 배터리 시스템은 사용된 것과 교체되어 전기선 운용 중단 시간을 최소화한다. 사용된 배터리 시스템은 충전과 유지보수를 위해 권역 충전 스테이션으로 돌아가며, 교체된 것은 전기선의 운항에 필요한 전력을 공급한다. 이를 통해 전기선은 순수하게 전기만을 사용해 운용이 가능하다.

교체형 배터리 시스템은 차도선의 후미에 배치되어 고정된 이후 전원접속장치를 통해 전기추진 시스템으로 전력을 공급하며, 시스템의 상태가 실시간으로 모니터링된다. 전기선은 직류 배전 시스템으로 구성되어 있으며, 설치된 추진 장치와 기타 필요한 장치 간의 전력 분배를 조절하기 위한 전력관리시스템(PMS)과 선박의 전체 에너지 소비를 관리한다. 더불어 에너지 효율을 극대화하기 위한 에너지관리시스템(EMS)을 통해 추진 모터(500kWh급 2기)와 인버터를 포함한 전기추진시스템을 효율적으로 관리 및 제어한다.

이 전기선은 ’22년 3월에 진수하여 이듬해인 ’23년 5월부터 목포에서 40회 이상의 실증 운항을 성공적으로 완료했다. 다양한 기상 조건에서도 교체형 배터리 시스템이 안정적으로 운항할 수 있음을 입증한 것이다. 실증 운항 중 전기선의 전기 구성 요소에서 수집된 데이터는 추후 국내 전기추진 선박의 운영 최적화에 중요한 기반이 될 것으로 기대를 모으고 있다.

해양 분야의 탈탄소 기술은 단순히 실험실 수준에서 검증되는 것을 넘어, 실제 바다 환경에서의 운용성·안정성·신뢰성까지 입증되어야 실용화될 수 있다. 따라서 먼저 실증을 통해 탈탄소 기술의 성능을 확인해야 하며, 그 결과를 바탕으로 기술 표준화 및 상용화 절차가 이어져야 한다.

KRISO는 전남 목포 지역을 거점으로 삼아 육상통합시험플랫폼(Land-Based Test Site, LBTS)를 구축하고, 해상 실증용 시험선 ‘K-GTB’를 건조했다. 탈탄소 기술의 육상 시험평가와 해상 실증을 연계해 기술을 상용화 및 국산화하는 것은 물론, 국제협력 및 공동 연구개발을 통한 표준화를 진행하겠다는 계획이다.

연구개발된 기술을 곧바로 해상에서 실증하는 것은 비용과 기술적 위험이 크기 때문에 관련 표준, 형식승인 기준에 따라 육상 시험평가를 우선적으로 실시한다. 이를 통해 성능과 신뢰성, 안전성이 일정 수준 이상 확보된 후 해상 실증을 진행하게 된다.

KRISO는 중소형 선박부터 대형 여객선 및 함정의 전동화 추세에 대응하기 위해 축당 2MW까지 시험평가가 가능한 연안선박용 LBTS를 구축하고 있는데, 한국전기연구원과 함께 대형선박용 30MW급 LBTS를 동시에 구축 중이다. 30MW급 LBTS는 직접 연결형 전동발전기 2기와 전력변환장치를 활용한 Back-to-Back 방식 전력변환 시스템을 구성하여, 운항 부하 특성에 맞춘 부하 모사 및 에너지 회생 시험을 수행할 수 있도록 구성된다.

또한 LBTS와 연결되는 대용량 선박용 배터리, 연료전지의 선박 적용성을 검증하기 위해 실제 해상상태를 모사할 수 있는 ‘6 자유도 모션 플랫폼’을 함께 구축해 연동할 예정이다.

친환경 대체연료 실증 선박(K-GTB)은 현재 7종 이상의 신규 방오도료 성능 테스트와 친환경 선박용 사고대응 시스템, 부력보조시스템의 탑재 및 실증을 진행 중이다. ’50년까지 MW급 선박용 배터리, 연료전지, 혼소엔진을 포함해 다양한 탈탄소 기술의 실증과 운용실적 확보, 국제 공동연구와 표준화 과정 등에 활용될 예정이다.

K-GTB는 길이 82.6m에 폭 18m, 2,600톤 규모로 1.1MW 추진전동기 2기와 1.5MW LNG 이중연료 엔진 2기를 주 발전기로 탑재하고 있으며, 최대 12.5노트(kts)의 속도로 920해리를 운항할 수 있다. 모듈화된 시스템 구성으로, 선체를 제외한 모든 구성품을 교체·변경할 수 있다.

이 선박은 특히 1,100V급 DC 배전반을 활용해 MW급 배터리, 연료전지, 혼소엔진 등 다양한 추진동력원을 주(主)추진동력과 병렬로 연결하고, 추진 부하를 분담할 수 있는 세계 최고의 기술을 포함하고 있다. 또한 선상 탄소포집시스템(CCS) 및 풍력 보조 추진시스템(WAPS)은 물론, 자율운항기술과 직접 관련되는 추진제어 하드웨어 및 소프트웨어 실증도 가능하다.

상기 언급된 다양한 규모의 LBTS와 K-GTB를 활용해 친환경 선박 기자재들의 성능 및 안전성을 검증하여, 향후 해양산업에서의 친환경 기술 도입과 친환경 선박 시장 창출을 촉진하는 중요한 역할을 것으로 기대된다.