[조선] 3. 주요 규제 (2) : 대기배출물에 관한 규제

3.대기배출물에 관한 규제(배기가스 관련 규제)

MARPOL convention Annex VI 규정에 따라서 대기배출물에 대한 규제가 시행·계획되고 있습니다. 규제대상이 되는 대기배출물은 SOx(황산화물), NOx(질소산화물), PM(부유성 고형물, 흔히 미세먼지) 등입니다. 그중에서도 직접 규제가 되는 대상은 SOx와 NOx 입니다.

3.1ECAs

사실 대기배출물에 대한 규제는 어제·오늘 갑자기 나온 이야기가 아닙니다. 이미 꽤 오래전인 1997년 MARPOL 73/78 VI 규정을 통해 배출량에 대한 규제가 시작되었습니다. 초기 규제는 전체 해역에 대해서 적용되는 것이 아니라 ECA(Emission Control Area, 배출통제해역)라는 지상과 가까운 거리에 있어서 대기배출물이 무방비하게 배출될 경우 실질적인 피해를 초래하는 특정 지역에 적용되는 형태였습니다. ECA 지역은 대표적으로 발틱해역, 북해해역, 북미(미국/캐나다)해역이 있습니다. 해당 해역을 항해하기 위해서는 NOx, SOx 배출량이 ECA 해역 배출 규제를 만족시키도록 조치를 취한 후 항해해야만 합니다. NOx 에 대한 ECA와 SOx에 대한 ECA는 겹치는 지역도 있고 겹치지 않는 지역도 있습니다.

ECA, 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

다만, 대기배출물에 대한 규제가 비ECA 해역에 대해서도 확대적용될 계획입니다. SOx 의 경우 2020년부터 모든 해역에 적용될 예정이며, NOx의 경우 북아메리카 지역은 16년 이후 건조된 선박부터, 북유럽의 경우 21년 이후 건조된 선박부터 적용될 예정입니다.

3.2NOx

NOx(질소산화물) 배출에 대한 규제는 특정 선박에 한정됩니다. 규제 대상이 되는 선박은 '디젤 엔진을 사용하는 선박' 입니다. 11년 이후 건조된 선박의 경우 모든 해역에서 Tier2 기준을 만족해야하며, 16년 이후 건조된 선박의 경우 일반 해역에서 Tier 2, ECA 해역에서 Tier 3 기준을 충족시켜야 합니다.

각 Tier에 따른 배출량 기준은 다음과 같습니다.

NOX emission limits according to MARPOL Annex VI , 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

3.2.1방법 1 : EGR 장착

질소산화물(NOx) 배출 규제를 만족시키는 방법은 크게 2가지 방법이 있습니다. EGR을 장착하는 방법이 그 첫번째입니다. EGR(Exhaust Gas Recirculation, 배기가스 재순환 장치)은 엔진 내부적인 프로세스인 연소 프로세스를 조절함으로써 배기가스의 질소산화물 농도를 낮추는 장치입니다.

Principle of EGR , 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

구체적으로 EGR 시스템은 다시 Bypass 방식과 TC Cut-out matching 방식으로 나눌 수 있습니다. 두 방식 중 선택은 엔진의 TC(TurboCharger) 갯수와 bore(압축기 실린더 내경) 등 장착된 엔진의 조건에 따라서 결정됩니다.

Bypass 방식은 1개의 TC, 70 bore 이하의 내경을 갖고 있는 압축기를 장착한 엔진에 주로 사용되며, TC Cut-out matching 방식은 2개 이상의 TC, 80 bore 이상의 내경을 갖고 있는 압축기를 장착한 엔진에 주로 사용됩니다. 각 방식에 따른 구동 방식은 이하와 같습니다.

1)Bypass 방식

EGR process diagram. Bypass matching , 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

Example_of_EGR_System_on_a_182,000_DWT_Bulk_carrier,_arrangement_by_Odense.png
Example of EGR System on a 182,000 DWT Bulk carrier, arrangement by Odense ,출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

2)TC cut-out matching 방식

EGR process diagram. TC cut-out matching , 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

Schematic arrangement of EGR installation , 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

EGR 장착에 따른 이점은 환경규제(NOx 배출량)를 충족시킬 수 있다는 것입니다. 하지만 단점도 존재합니다. EGR 장착 이전과 비교해서 엔진의 연료 소비량이 증가할 뿐만 아니라 전력소비, 슬러지 발생, NaOH 소비 등의 이유로 선박의 운행비용이 증가합니다. 관련 정보 사항은 아래와 같습니다.

EGR fuel consumptions , 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

EGR operating values ,출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

Accumulated EGR operating values , 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

투자 대상이 EGR 관련 장비업체는 아니기 때문에 더이상 자세하게 다루지는 않겠습니다. 관심이 있으신 분들은 문서 하단에 첨부하는 MAN의 기술문서 또는 구글에 해당 키워드로 검색하시면 추가적인 정보를 얻을 수 있습니다.

3.2.2방법 2 : SCR 장착

배기가스의 NOx 농도를 줄이는 두번째 방법은 SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택적 환원촉매) 장착입니다. SCR 방식은 EGR 방식과 달리 촉매 반응을 통해서 화학적으로 NOx 배출량을 저감시키는 방법입니다. SCR 방식은 기본적으로 엔진 내에서 연소 과정에서 NOx 를 처리하는 EGR 방식과 달리 엔진에서 연소는 기존과 같은 방식으로 이루어지고, 이 연소로 인해 발생한 배기가스를 배출하는 배기가스관에서 NOx 배출량을 저감시키는 방식입니다.

The SCR system , 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

SCR 장치의 화학적 원리 , 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

구체적으로 SCR 방식은 high pressure 방식과 low pressure 방식으로 구분할 수 있습니다. SCR 방식의 2가지 방법은 NOx 저감 과정에서 요구되는 배기가스 온도와 관련이 있습니다. 그리고 이 배기가스 온도는 다시 연료 내 황함유량과 관련되어 있습니다. 앞서 언급한 EGR 방식과 SCR 방식 중 HP(high pressure) 방식의 경우, 황함유량이 높은 연료를 사용할 수 있습니다. 물론 대신 아래에서 알아볼 SOx 배출규제로 인해 SOx 배출저감장치를 장착해야겠지만 말입니다. 반면에 SCR 방식 중 LP(low pressure) 방식의 경우 SOx 배출저감장치 장착 여부와 무관하게 황함유량이 높은 연료를 사용할 수 없습니다.

각 방식에 따른 구동은 다음과 같습니다.

1)SCR-HP system 방식

SCR-HP system, 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

Layout_of_a_high-pressure_SCR_system,_as_supplied_by_Hitachi_Zosen.png
Layout of a high-pressure SCR system, as supplied by Hitachi Zosen , 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

2)SCR-LP system 방식

SCR-LP system , 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

Layout_of_a_low-pressure_SCR_system,_as_supplied_by_Doosan.png
Layout of a low-pressure SCR system, as supplied by Doosan, 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

SCR 방식과 연료 내 황함유량에 대한 설명 , 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

EGR 시스템의 경우와 마찬가지로 SCR 시스템 역시 시스템 장착을 통해 NOx 배출량에 대한 규제를 만족시킬 수 있지만, 요소수 등 추가적인 투입요소 추가 및 연료 사용량 증가 증으로 인해 운행 비용 증가를 초래합니다. 해당 사항에 대한 정보는 다음과 같습니다.

Fuel consumptions in Tier II and Tier III mode, 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

Additional SCR operating values, 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

Accumulated SCR operating values, 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

3.3SOx

SOx(황산화물) 배출에 대한 환경규제는 NOx(질소산화물) 배출에 대한 환경규제와 달리 '모든 선박'에 대해서 규제하고 있는 규제안입니다. SOx ECA 해역 내에서는 2015년부터 0.1% 이하의 황함유 연료를 사용할 것을 규정하고 있으며, 모든 해역에서 2020년부터 0.5% 이하의 황함유 연료를 사용할 것을 규정하고 있습니다.

시기별 규제함량은 다음과 같습니다.

Fuel sulphur limits according to MARPOL Annex VI , 출처 : MAN Diesel & Turbo 보고서

3.3.1방법 1 : 연료 변경

위 SOx 규제에 대한 설명 부분에서 언급했다시피, 사실 SOx 에 대한 규제는 원칙적으로 저황함유 연료를 사용함으로써 SOx(황산화물) 배출량을 저감할 것을 규정하고 있습니다. 따라서 원칙적으로는 원료 자체를 저황함유 연료로 교체하는 것이 규제를 충족시키기 위한 방법입니다.

구체적으로는 두 가지 연료를 사용할 수 있습니다. 디젤 연료와 가스 연료입니다. 그 중에서 추진기관을 변경하지 않고 그대로 사용할 수 있는 경우는 디젤 연료를 사용하는 경우입니다.

디젤 연료를 사용하는 경우, ECA 지역 내에서는 0.1% 이하의 함유량 규제를 충족시키기 위해서 0.1% 이하의 유황함유량을 가진 MGO(Marine gas oil) 연료를 사용하고, ECA 지역 바깥에서는 0.5% 이하의 유항함유량을 가진 MDO 등을 2020년부터 사용함으로써 규제를 충족시킬 수 있습니다. 하지만 기존에 사용하던 벙커C유(HFO 등)에 비해서 MGO, MDO는 가격이 비싸서 운항비용 상승을 초래한다는 단점이 있습니다.

가스 연료를 사용하는 경우, LNG(liquified natural gas, 액화천연가스)의 경우 황함유량이 없다시피 하기 때문에 LNG 연료를 사용하는 엔진(예컨데 MAN B&W ME-GI DF 엔진)을 장착하여 ECA 지역 내에서는 LNG 연료를 사용함으로써 규제를 충족시키고, ECA 지역 바깥에서는 0.5% 이하의 저황함유 연료를 사용함으로써 규제를 충족시킬 수 있습니다. 추후 LNG 추진 선박에 대해서 다루면서 알아보도록 하겠습니다.

3.3.2방법 2: 황산화물배출장치 장착 (EGCS)
앞서 언급했다시피 원칙적으로 SOx 환경규제를 만족시키는 방법은 연료를 바꾸는 방법입니다. 하지만 기존 선박의 추진기관을 바꾸는 것은 상당한 어려움이 따르기 때문에 LNG 추진 선박으로의 개조 등은 현실적이지 못합니다. 또한 MGO, MDO 등 저황함유 연료유의 경우, HFO 등 황함유량이 높은 연료유에 비해서 가격이 비싸서 경제성이 떨어진다는 단점이 있습니다.

비교적 적은 비용으로 환경규제를 충족시키기 위한 대안이 존재합니다. 'SOx Scrubber' 라고 불리는 EGCS(Exhaust Gas Cleaning System, 배기가스 세정장치)를 설치하는 방법입니다.

SOx Scrubber, EGCS는 2가지 방식으로 분류됩니다. Dry 방식과 Wet 방식입니다. 선박의 EGCS 장비의 경우, 선박이 주로 활동하는 지역인 바다에서 물을 구하기 쉽기 때문에 주로 Wet 방식을 채택하는 편입니다.

SOX scrubber from Alfa Laval

기본적으로 Wet 방식의 EGCS 장치는 황산화물(SOx)이 물에 잘 녹는다는 성질을 이용해서, 배기가스에 물을 분사하여 황산화물을 물에 용해시키고, 추가적으로 황산화물이 용해된 해당 물을 정화하는 방식으로 작동합니다. 이때 황산화물을 용해시킬 때 어떤 물을 사용하느냐에 따라서 Wet 방식을 다시 Seawater을 사용하는 SW 방식과 화학적 첨가제를 추가한 freshwater를 사용하는 FW 방식으로 분류할 수 있습니다.

바닷물(SW,Seawater)을 사용하는 방식을 다른 말로 'Open Loop System' 이라고 하고, 화학적 첨가제를 추가한 민물(FW,freshwater)을 사용하는 방식을 다른 말로 'Closed loop system' 이라고 합니다.

1)Open loop system의 경우, 바닷물에 존재하는 자연적인 성분을 활용해서 SOx 배출을 저감하도록 만듭니다. 따라서 SOx 저감에 필요한 물을 바다에서 바로 취해서 탈황에 사용합니다. 그리고 탈황에 사용된 바닷물은 추가적인 처리없이 바다로 버려집니다.

Open loop system

기본적으로 선박이 활동하는 바다에서 바로 취수해서, 탈황작업을 하고, 작업 후 추가적인 처리 없이 바다에 바로 방류하기 때문에 시스템이 간단하고 비용이 적게 드는 편입니다. 하지만 기본적으로 바닷물의 자연적인 성분을 활용하기 때문에, 알칼리성이 낮은 바다의 경우 탈황에 효율이 낮아질 가능성이 존재하고, 지역에 따라서 탈황에 사용한 물을 방류하는 것에 대한 규제가 존재할 수 있다는 점이 단점으로 지적됩니다. 2.7%의 황이 함유된 HFO를 사용할 때, 탈황을 위해서는 약 45m3/MWh의 해닷물이 필요하다고 합니다.

2)Closed loop system의 경우, 화학적 첨가제를 첨가한 민물을 활용해서 탈황작업을 수행하는 시스템입니다. 기본적인 화학반응식은 다음과 같습니다.

Closed_loop_system_화학.png
Closed loop system 화학적 원리

다만, 탈황작업을 반복할 경우 EGCS 장비의 물 속에 황산염(sulphate)과 미세먼지가 축적되어 장치 내에 염분과 오염도가 높아지게 됩니다. 그래서 지속적으로 황산염과 미세먼지를 제거해줘야만 하는데, 이 과정에서 물의 손실이 발생합니다. 그래서 추가적으로 물탱크를 장착하여 손실을 보충할 물을 저장하고 다녀야합니다. 사용되는 물이 민물이기 때문에 당연히 바다에서는 구할 수 없고, 육지에서 조달해야합니다.

Closed loop system

기본적으로 Closed loop system은 탈황작업에 사용되는 물을 육지에서 조달하고, 바다에 방류하는 물이 없기 때문에 지역별 해역의 알칼리도 등에 제한을 받지 않으며, 지역별 해역의 규제의 대상이 되지 않습니다. Open loop system에 비해서 높은 유연성을 갖춘 것입니다. 하지만 시스템이 훨씬 복잡하기 때문에 초기 설비 투자 비용이 크게 들어가고, 운영비용 또한 화학적 첨가제를 지속적으로 사용하기 때문에 상대적으로 비쌉니다.

3)마지막으로 Open loop 방식과 Closed loop 방식을 혼합한 Hybrid system이 존재합니다. Hybrid system은 open loop 방식과 closed loop 방식 장비를 모두 탑재한 형태로 가장 복잡한 시스템입니다. 하지만 동시에 상황에 따라서 탈황방식을 변경할 수 있기 때문에 가장 유연한 방식입니다. 항해 중인 해역의 바닷물의 알칼리도가 탈황에 사용하기에 충분한 수준이고, 탈황에 사용한 물을 방류하는데 문제가 없는 지역이라면 운용비용이 저렴한 open loop 방식으로 탈황을 수행하고, 조건을 충족시키지 못하는 상황에서는 closed loop 방식을 사용하여 화학적 첨가제 사용을 최소화할 수 있다는 점이 강점입니다.

Hybrid system

당연히 두 시스템의 장비를 모두 장착하기 때문에 초기 설비 투자비용이 가장 비쌉니다. 하지만 운용비용이 저렴하고, 유연성이 높다는 점에서 메리트가 있는 방식입니다.

EGCS 장치의 방식은 배의 크기와 감당할 수 있는 저항에 따라서 크기의 제한이 따릅니다. 해당하는 상세 정보는 다음과 같습니다.

Typical dimensions of an Alfa Laval SOX scrubber

EGCS는 비교적 저렴한 비용으로 IMO의 SOx 환경규제를 충족시킬 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 원칙적으로 SOx 환경규제는 연료 변경을 통해서 달성해야하는 규제입니다. 그래서 EGCS를 설치한다고 해도, 기본적으로 요구되는 효율성 기준(SO2/CO2비율로 측정)을 충족시켜야합니다. 각 연료의 황함유량에 따른 효율성은 아래와 같습니다

Required SOX scrubber efficiency

위와 같은 기준 외에도 EGCS 장착은 몇가지 문제를 초래합니다. back pressure 증가, 엔진 퍼포먼스의 하락(back pressure 증가의 영향), 전력 소모, NaOH 소모, 슬러지 생성, 무게 증가에 따른 연료 소모 등입니다. 관련 내용은 아래와 같습니다.

Total_back_pressure_acceptable_in_the_exhaust_gas_system.png
Total back pressure acceptable in the exhaust gas system