온실가스 저감을 위한

바이오중유 선박용
연료 적용 검토 연구

전화연 석유기술연구소 연구처 연구개발팀 연구원
1973년 IMO에서는 선박의 운항으로 배출되는 오염물질에 의한 해양오염을 방지하기 위하여 해양오염 방지협약(Marine Pollution Treaty, MARPOL)을 채택하여 1983년에 발효되었고, 현재는 조문과 6개의 부속서(Annex I ~ VI)로 구성되어 있다. 이중 Annex VI는 선박에서 배출되는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx)의 기준을 정하고, 오존을 파괴하는 물질의 의도적 배출을 금지하는 내용 등으로 구성되어 있다. 부속서 체계를 <그림 1>에 나타냈다.

<그림 1> IMO MARPOL 부속서 체계도

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MARPOL의 Annex VI는 1997년에 처음 채택되었으며 이는 SOx 및 NOx를 포함한 선박의 배출가스에 포함된 대기오염 물질 제한과 오존층 파괴물질의 고의적 배출금지가 주요 내용이다. 이후 2005년 5월 19일에 Annex VI가 발효되고 해양환경보호위원회(Marine Environment Protection Committee, MEPC)를 통해 몇 차례 개정된 후 2010년 7월 1일부터 시행하였다.
Annex VI의 주요 개정 사항은 SOx, NOx 및 이산화탄소(CO2) 배출을 전 세계적으로 점차 감소시키고 지정된 해역에서 대기오염 물질의 배출량을 줄이기 위한 선박배출가스 규제구역(Emission Control Area, ECA)의 도입이다. 이에 따라 운송 분야 배출가스 규제는 당면과제로서 해운업계에서도 정책적 노력을 기울이고 있다. 전 세계 항만에서는 Annex VI 시행 이전에 이미 ECA를 설정하여 선박에서 사용되는 연료에 대한 황 함량을 규제하였다. ECA에서 운행하는 선박은 연료유 교환절차서 및 저황유 연료 전환 과정이 기록된 로그북을 선박에 비치하여야 하고, 스크러버와 같은 황 저감장치를 설치할 경우 황산화물 배출기준 준수 증서를 발급받은 제품을 사용해야 한다.
또한 Annex VI에서는 2020년 1월 1일부터 전 세계 공해상에서 선박에 사용되는 연료의 황 함량을 3.5%에서 0.5%로 낮추는 내용이 포함되어 있고, UNFCCC(United Nations Intergovernmental Panel on Climate Change)의 교토의정서와 파리협정에서 합의된 온실가스 감축목표를 이행하기 위하여 선박업계에서는 IMO 사무국을 통하여 해운분야 감축목표를 UNFCCC에 보고하는 상황이다. 2012년 IMO의 3차 GHG(Green House Gas) 연구조사에 따르면 해운부분에서 GHG 배출은 전체 배출량의 약 2.2% 정도이다. 감축에 대한 구체적인 방안을 세우지 않는다는 가정에 따라 이 수치는 2050년까지 약 50%에서 250%까지 계속 증가할 것으로 전망된다.
국제 해운분야의 CO2의 배출량은 2012년 기준 약 7.96억 톤으로 전 세계 배출량의 약 2.2%를 차지한다<표 1>. 이에 따라 IMO는 해운분야 온실가스 감축 전략 수립을 지속해서 하고 있다. 2011년에 해양오염방지협약 Annex Ⅵ의 제4장(에너지 효율관리)을 개정 및 채택을 통해 2030년 이후로는 40% 감축을 내용으로 삼고 있다. 추가적인 감축 전략 목표는 단기부터 중장기까지 기간이 정해진 14가지 내용의 프로그램으로 구성되어 있는데, 장기적인 조치 중 하나로 저탄소/무탄소 연료의 사용 확대가 필수적이라고 나타냈다. 이러한 연료로는 차세대 바이오연료, LNG, 수소, 암모니아, 메탄올이 있는데 이 중 차세대 바이오연료는 CO2 배출 감소 수준이 약 25 ~ 100% 정도로 파악된다. IMO에서 시행하는 선박으로부터의 직접적인 온실가스 감축 협약은 2023년에 확정될 예정이다.

<표 1> 전 세계 배출량 대비 해운업계에서의 CO₂ 배출량

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출처 : World Energy Outlook 2019 Annex A Pollutants Tables for Scenario Projections(IEA)
우리나라는 수출입 화물의 99%가 항만을 통해 운송되고 이에 따라 선박용 연료유가 매우 중요하다. 국내에서 공급되는 연료는 「해양환경관리법」제45조에 따라 연료유공급서, 연료유 견본 등의 서류를 구비해야 한다. 또한 소형 선박의 급유는 「한국해운조합법」제6조에 따라 조합원들에게 정유사로부터 공급받은 선박 연료유를 공급하고 있다.
국내에서 사용하는 선박용 연료의 명칭 및 유종은 매우 다양하며 이에 따른 품질기준도 다양하게 존재한다. 내항선에서 사용하는 연료는 「석유 및 석유대체연료 사업법」에서 명칭 및 품질기준이 정해져 있지만, 외항선에 대해서는 해외에서 범용적으로 사용되는 국제기준인 「ISO 8217- Petroleum products-Specifications of marine fuels(ISO 8217)」로 분류되어 있어 품질기준 검토에 대한 필요성이 꾸준히 제기되어 왔으며, 「석유 및 석유대체연료 사업법」에서는 선박용 경유를 세탄값, 색, 동점도 등 10개의 품질항목으로 규정하고, 중유의 경우 선박용으로서 따로 분류되어 있지는 않으나 A, B, C로 구별하여 내연기관용, 보일러용 및 각종 노용 등으로서 인화점, 동점도 등 7개의 품질항목으로 규정되는 연료로 분류된다.
국내의 선박 중 연안 화물선을 제외한 외항선박(외항 화물선 및 외항 여객선), 원양어선, 어선 및 연안 여객선이 선박용 연료유를 면세로 공급받고 있고, 한국석유공사에 따르면 2017년 기준 면세유 적용대상 선박은 192,417척이며, 이 중 입항은 94,982척, 출항은 97,435척이다. 외항선박의 면세는 「교통·에너지·환경세법」, 「개별소비세법」, 「교육세법」, 「부가가치세법」, 「지방세법」을 근거로 하고 있다. 연안여객선은 오직 「조세특례제한법」 제106조2의 제1항에 따라 유류세(교통에너지환경세, 개별소비세, 교육세, 지방주행세)와 부가가치세가 면제되고 있어 외항선박과 근거법이 상이하다.
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우리나라의 선박용 연료유 급유는 주로 정유사에서 생산된 연료유를 항만 터미널의 저유소로 운반하고 이를 선박 연료 공급업자의 급유선으로 실어서 해운업체의 도선에 벙커링하는 구조이다. 물론 유통구조는 중간에 급유대리점이나 트레이더가 개입하는 경우도 있어서 이보다 훨씬 복잡하다. 복잡한 유통구조 때문에 우리나라의 벙커링 단가는 주요 벙커링 항만이 있는 네덜란드, 싱가포르 등 국제 벙커링 단가에 비하여 높다. 또한, 500 ~ 1,000kL급 소형연료유 공급선을 통한 일대일 공급이 주를 이루고 있으며, 선박이 노후화된 것이 특징이다. 이러한 국내 선박연료업의 특징은 우리나라의 항만경쟁력을 약화하는 원인으로 작용하고 있다.
해외에서 바이오디젤은 물론 바이오중유와 유사한 성상의 바이오연료를 선박용 엔진에 적용 및 관련 선박을 건조하여 운용하려는 움직임을 보인다. 2006년 코펜하겐의 MAN Engine 社에서 실험실 규모의 단일 실린더엔진을 통해 바이오연료를 이용한 실험을 수행하였다. 2007년에는 2행정 저속 엔진을 이용하여 엔진 실린더 및 기타 부품들의 표면에 대한 변형 여부 테스트를 100,000시간가량 실시하였다.
2015년부터 핀란드의 엔진 제조사인 Wartslia 社와 네덜란드의 연료 공급사인 Good Fuels 社 그리고 네덜란드의 선박 건조회사인 Boskalis 社는 바이오연료의 해양 사용을 위한 협의체를 구성하여 선박용 바이오연료 실증 테스트를 수행하였다. 실증 테스트의 주요 내용은 적합한 바이오연료 선정, 산업표준 확보 및 대규모 연료 생산을 위한 체계 및 산학연 컨소시엄 구축이다. 실증테스트 초기에는 MGO(Marine Gas Oil)형 바이오연료 사용을 주된 목표로 진행하였고 추후 HFO(Heavy Fuel Oil)형 바이오연료로 실증 범위를 확대할 계획이다. 또한 2016년에 핀란드의 산림산업사인 UMP 社는 Boskalis 社와 함께 2세대 목질계 바이오연료와 HFO를 50 : 50으로 혼합하여 네덜란드 마르커스호에서 선박을 통한 테스트 수행을 완료하였다. 결과적으로 2018년 11월 37,000 재화중량톤수의 Nord High-lander호를 통해 북해와 발트해의 항로에서 바이오연료를 통한 선박 운항 테스트를 수행하였다. 엔진 구동 및 초기 운행에는 기존 연료를 사용하였고, 운행 중간에 바이오연료로 교체하여 항해하였다. 운행 후 엔진의 육안검사에서 문제점이 발견되지 않았다.
이후 유럽의 다양한 선사 및 연료공급사에서 바이오연료를 사용하여 운항테스트를 실시한 사례가 있다. 2019년 3월에 프랑스의 운송회사인 CMA CGM社의 White Shark호가 로테르담항에서 세계 최초로 바이오연료 급유에 성공한 이후로 9월에서 10월까지 CMA CGM社의 Alexander Von Humboldt호가 HFO와 바이오연료를 혼합한 연료(Good Fuels 社 공급)를 공급받아 북유럽-아시아 항로를 운항하였다. 또한 2019년 4월 Good Fuels 社와 네덜란드의 벙커링 회사인 Reinplus Fiwado Bunker 社는 내항선인 For Ever호를 대상으로 엔진 등의 개조를 하지않고 최소 50%에서 최대 100% 바이오연료를 공급하여 운행을 성공적으로 수행하였다. 2019년 3월에서 6월까지 세계 1위 규모의 덴마크의 선주회사인 Maersk 社는 네덜란드의 정유사인 Shell 社에서 공급받은 UCO(Used Cooking Oil) 기반의 바이오연료 20%를 혼합한 연료로 현존 최대 크기의 선박인 Triple E급 210,019 재화중량톤수의 Mette Maersk호를 성공적으로 운행하였다. 그리고 이탈리아의 세계 2위 해운업체인 MSC 社는 2019년 12월부터 로테르담의 벙커링 선박에 바이오연료 혼합비율을 10%에서 30%로 늘리겠다고 발표하였다. 이러한 선사 및 연료공급사의 선박에서 바이오연료 사용은 해운업계에서 요구되는 환경 규제 및 배출량 감축 목표를 달성할 수 있는 하나의 방법으로서 더욱 확대될 전망이다.
선박용으로 바이오연료를 사용한 사례를 살펴보았을 때 엔진의 큰 개조 없이도 바이오연료를 사용할 수 있다는 것을 알 수 있다. 하지만 선박용 연료에 대한 국제표준은 ISO 8217로써 해당 표준은 화석연료에 대한 품질기준과 소량의 바이오연료가 포함된 경질유(distillate fuel)의 품질만 제시하고 있을 뿐 바이오연료, 특히 바이오중유에 관하여 규정하지 않는다. 따라서 연구를 통해 선박용 연료인 벙커A유 및 벙커C유를 바이오중유와 혼합하여 사용할 때 연료의 품질이 어떻게 변화하는지 관찰하였다. 기존의 바이오중유의 품질기준은 발전용으로 사용되는 기준이며, 선박용 연료 품질기준인 ISO 8217은 2017년 바이오디젤을 혼합한 연료 기준이 추가되는 등의 개정이 되었지만, 대상연료는 석유계 경·중질 증류연료이다. 따라서 중대형 선박에 사용되는 벙커유의 품질기준인 ISO 8217 RMF(Residual Marine Fuels) 항목에는 바이오중유 등의 바이오연료 혼합에 대한 품질기준이 마련되어 있지 않아 혼합된 연료의 품질평가를 통한 기초자료 마련 연구가 필요하다.
본 연구를 진행하기 위해서 가장 먼저 검토해야 할 사안은 연료의 혼합비율이다. 혼합비는 연료의 황 함량을 0.5% 이하로 조절하기 위한 혼합비로 설정하였다. 이를 바탕으로 국내에서 생산되는 벙커A유의 제품인 A정유사의 B-A 2.0(황 함량 약 1.5%)과 벙커C유 제품인 B-C 4.0(황 함량 약 2.8% 이하)을 대상으로 선정하였다. 또한, 바이오중유는 한국석유관리원에서 2019년 3월부터 12월까지 [산업통상자원부 고시 제2019-36호]에 따른 발전용 바이오중유 석유대체연료 사업자 등록을 위한 품질시험을 받은 11개의 업체 중 적절한 전산가, 황분, 동점도 등의 연료 특성을 나타낸 B회사에서 생산한 바이오중유를 실험 연료로 사용하였다.
이렇게 선정된 ①벙커A유, ②벙커C유, ③바이오중유, ④벙커A유 30%와 바이오중유 70%를 혼합한 연료, ⑤벙커C유 17%와 바이오중유 83%를 혼합한 연료까지 총 5종의 실험 연료를 대상으로 품질분석을 수행하였다<그림 2>.

<그림 2> 품질최적화 도출을 위한 실험 연료 선정


벙커A유
A정유사
B-A 2.0

벙커C유
A정유사
B-C 4.0

바이오중유
B사
바이오중유

벙커A유 30%
+
바이오중유 70%

벙커C유 17%
+
바이오중유 83%
선박용 연료는 명칭 및 유종이 매우 다양하며 이에 따른 품질기준도 다양하게 존재하는데 이 중 벙커A유 및 벙커C유는 ISO 8217의 RMF로 분류되는 연료로서 시험항목은 인화점, 동점도 등 총 16개 항목이다. 위 항목은 바이오중유와 12개의 시험항목이 중복되는데 품질기준 및 방법은 상이하다. 따라서 총 5개의 실험 연료를 분석하기 위한 기준으로 발전용 바이오중유 품질기준과 ISO 8217의 RMF 품질기준 중 장비가 갖추어지지 않은 총 침전물(total seidment-aged)을 제외한 총 23항목을 설정하였고, 추가로 선박의 부식에 영향을 미치는 강산가 및 엔진구동성을 알아보기 위한 동점도(100℃)도 측정하여 총 24항목의 품질항목을 분석하였다.
벙커C유는 동점도가 325.4mm2/s로 ISO 8217 RMF 기준으로 RMG-380에 해당하며 분석 결과, 품질기준에 모두 만족하였다. 벙커A유는 동점도가 7.224mm2/s로 ISO 8217 RMF 기준으로 RMA-10 등급에 해당하며 분석 결과, 잔류탄소가 2.97%로서 품질기준인 2.5%에 벗어났다. 또한 밀도도 924.1kg/m3로 품질기준인 920kg/m3을 벗어났다. 그 이외의 품질기준은 모두 만족하였다. 바이오중유도 동점도가 29.17mm2/s로 벙커A유와 마찬가지로 RMA-10 등급에 해당한다. 바이오중유의 품질기준 분석 결과, 동점도가 겨울철을 기준으로 품질기준에 벗어났고 이 외에는 모두 정상 품질기준으로 나타났다. 벙커A유 30%와 바이오중유 70% 혼합연료는 동점도 기준으로 RMA-10 등급에 해당하며 분석 결과, 황분을 포함한 다른 항목들도 품질기준에 만족하였다. 벙커C유 17%와 바이오중유 83% 혼합연료는 RMB-30 등급에 해당하며 분석 결과, 모든 품질기준이 만족하는 것으로 나타났다<표 2>.

<표 2> 실험연료 품질기준 분석 결과

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해당 실험 연료는 선박용으로 사용하는 것이 주요 목적이므로 ISO 8217 품질기준에 적합한지를 중점적으로 살펴보았다. 기존의 선박 연료유로 사용되는 벙커C유와 벙커A유에 황 함량 0.5% 이하로 혼합하였을 경우 문제가 되는 시험항목은 없었다. 또한, 실험 연료로 선정한 바이오중유의 전산가가 ISO 8217 품질기준을 만족하기 때문에 혼합연료의 전산가도 이상이 없었으며 오히려 품질기준이 벗어났던 잔류탄소 및 밀도는 정상범주로 확인이 되었다. 따라서 벙커C유 및 벙커A유를 혼합한 바이오중유는 품질기준 상 선박용 연료로 사용하기에 문제가 없으며 특히 실제로 유통되는 벙커C유 및 벙커A유는 황분의 함량이 더 낮아 혼합비가 줄어듦에 따라 품질상 선박용 연료로 사용 가능하다고 판단된다.
본 연구에서는 온실가스 및 황산화물 규제에 대응하기 위해 선박용 연료로서 황 함량이 거의 없는 바이오중유를 검토하였다. 이를 위해 바이오중유를 벙커유에 혼합하여 실험 연료를 만들었으며, ISO 8217-Residue Oil의 품질기준에 따른 품질분석 결과, 대부분의 품질기준을 만족하였다. 따라서 실제 선박용 바이오중유를 운영하였을 때 품질기준으로 인한 문제는 발생하지 않으리라고 판단된다. 다만 실험에 사용한 바이오중유는 국내에서 유통되는 발전용 바이오중유와 비교해 전산가 및 금속분이 상당히 낮은 고품질의 연료로 사용하였기 때문에 실제 유통되는 바이오중유를 혼합하여 연료로 사용하였을 경우 전산가는 ISO 8217의 품질기준에 부합하지 못할 가능성이 크고, 알칼리금속 및 실리콘+알루미늄+철 항목은 품질기준에는 적합하겠지만 지속적인 관리가 필요할 것으로 판단된다. 그러므로 선박용으로 바이오중유를 사용하기 위해서는 해당 품질에 대한 생산 공정 및 원료의 관리를 통하여 현재 유통되고 있는 제품에 비교해서 전산가, 알칼리금속 및 실리콘+알루미늄+철 함량을 낮출 필요가 있고 중장기적으로는 고산가, 고요오드가 및 높은 금속분의 연료에 대한 대응 방안을 마련할 수 있는 지속적인 연구와 품질기준(안) 제정을 위한 바이오중유 생산사와 해운사 간의 이견 조율이 필요할 것으로 판단된다.

참조

1. World Energy Outlook 2019 Annex A Pollutants Tables for Scenario Projections(IEA)

2. 2020년 황산화물 규제 시행 대비 해운부문 체계적 대응 필요(한국해양수산개발원, KMI 동향분석 제107호)

3. 국제해사기구(IMO), 2030 온실가스 40% 감축 목표, 新추진연료(화석 연료-OUT) 개발 및 사용을 의미(한국해양수산개발원, KMI 동향분석 제137호)

4. 「친환경선박 전환 지원 방안 연구」(김태일·박한선·최영석·김보람, 한국선주협회·한국조선해양플랜트협회, 2017)

5. IMO(http://www.imo.org/en, 2020.3.23.)

6. MARPOL 73/78, “Regulation for the preventsion of Air Pollution from ship,” Annex Ⅵ Ch3 Reg. 14,

7. Emission control areas and their impact on maritime transport(Tansportation Research Part D: Transport and Environment, 28, 1–5, Cullinane, K., & Bergqvist, R. 2014)

8. MAN B&W Stationary Engines, Alternative Fuels

9. 국제해사기구 환경안전규제 동향 파악 및 대응방안 정책연구보고서(한국조선해양플랜트협회 2017.12)

10. 국제해사기구(IMO) 해양환경규제 협약들 관련 법률안(법제처 법제조정법제관실, 2019. 12)

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