LNG선의엔진

안녕하세요. 오늘은 LNG선의 엔진에 대해 자세히 알아보겠습니다.

 

조선업계 취업을 준비하시는 분들이라면 최근 많은 인기를 끌고 있는 LNG 선박에 대해 많이 들어보셨을 텐데요. 이 선박의 특성이 무엇인지, 이에 따라 엔진은 어떤 특성이 있는지 알아보겠습니다. 앞으로 알아볼 내용은 천연가스를 연료로 사용하는 엔진이 등장하기 때문에, 연료에 대해 작성했던 아랫글을 먼저 보시면 이해가 더 쉬울 것 같습니다.

2023.05.12 - [취준생을 위한 전공정보/조선,해운] - 선박전통연료 - 중유

선박전통연료 - 중유

 

1. LNG 선박의 특성

LNG 선박은 LNG를 실어 나르는 선박입니다. 그래서 LNG의 특성에 많은 영향을 받습니다. LNG는 liquified natural gas. 즉 천연가스를 액화시킨 것입니다. 기체 상태의 천연가스를 영하 163℃로 냉각해 액체 상태로 만든 것입니다. 

 

이렇게 천연가스가 액화 상태가 될 경우 부피는 약 1/600로 줄어들게 됩니다. 이렇게 되면 기체 상태로 운반할 때보다 훨씬 많은 양을 운반할 수 있기 때문에 많이 활용되고 있습니다.

LNG가 영하 163℃로 냉각된 상태다 보니, 이를 운송하는 데에도 특별한 장치가 필요하겠죠. 이를 화물창이라고 하는데요. LNG 선박의 화물창은 니켈 합금강 또는 스테인리스강으로 제작되어 영하의 극저온에서도 견딜 수 있게 됩니다.

2. 화물창과 BOG

화물창의 내부 온도가 만약 올라가게 된다면 어떻게 될까요? 액화되었던 천연가스가 다시 기화됩니다. 따라서 영하의 온도를 유지하는 것이 중요합니다. 액화 상태를 유지할 수 있게 외부로부터의 열을 차단하는 방열제가 사용됩니다. 하지만, 아직 현재의 기술로는 외부의 열을 100% 차단하는 것이 불가능합니다. 그래서 약간의 열이 유입되다 보니 화물창에 있는 액화천연가스의 일부는 운송 중에 기화됩니다.

이렇게 기화된 LNG를 BOG(Boil Off Gas, 증발 가스)라고 합니다. 이는 LNG 선박의 고질적인 문제이기도 한데요. 화물창 내부에 발생한 BOG는 밖으로 빼내지 않으면 화물창 내부 압력을 지속해 상승시켜 화물창이 폭발하게 되는 문제가 발생할 수 있습니다. 여기서 빼낸 BOG는 선박의 연료로 사용하거나, 다시 액화시켜서 화물창 내에 보관해야 합니다. 만약  연료로 사용하거나 재액화가 불가능하다면 폭발 방지를 위해 태워버려야 합니다.

 

3. 스팀터빈 엔진

이러한 BOG의 문제를 해결하기 위해 가장 먼저 등장한 해결책은 스팀터빈 엔진이었습니다. LNG 선박에 스팀터빈 엔진을 장착하고, BOG를 그 엔진의 연료로 사용하게 되는 것입니다. 스팀터빈 엔진의 작동방식은 간단합니다. BOG가 발생하면 이걸로 보일러의 물을 끓여서 고압의 스팀을 발생시키고, 이 회전력을 바탕으로 프로펠러를 돌리는 것입니다.

 

간단한 해결책인 만큼 40여 년간 LNG에 가장 널리 사용되었는데요, 하지만 스팀터빈 엔진에는 문제가 있었습니다. 바로 열효율이 30% 정도밖에 안 된다는 것이었습니다. 열효율이란 연료가 100이 사용되었을 때 이 중에서 30만이 실제 프로펠러 구동에 사용되는 것이죠. 낮은 열효율뿐만 아니라 안전 문제도 있었습니다. 고압의 스팀 가스를 사용하는 과정에서 사고 위험이 커지고, 또한 이산화탄소 배출도 심각했습니다. 이러한 문제로 인해 오늘날에는 거의 사용되지 않고 있습니다.

4. DFDE

스팀터빈엔진의 문제가 해결되지 않자, 바칠라 사에서는 DF 엔진을 활용한 DFDE(Dual Fuel Diesel Electric)시스템을 개발하였습니다. DF 엔진은 천연가스와 경유를 둘 다 연료로 사용하는 이중연료 추진엔진으로 열효율이 우수한 내연기관입니다. 천연가스를 엔진의 연료로 사용하므로 BOG를 연료로 사용할 수 있습니다. 작동방식은 BOG로 DF를 돌려 전기를 생산한 뒤, 이 전기로 프로펠러와 연결된 모터를 돌려 선박을 구동하는 방식입니다. 즉, DF 엔진은 발전용으로 사용하는 것입니다.

DFDE의 열효율은 스팀터빈 엔진보다 30% 이상 개선된 40% 수준입니다. 덕분에 선사들은 연료 빌 많이 절감할 수 있습니다. 그뿐만 아니라 스팀터빈 엔진보다 안전성이 탁월하고, 운항 과정에서 발생하는 산화 탄소화합물이 상당한 수준으로 감소합니다. 이러한 장점 덕분에 2000년대 이후 DFDE가 LNG 선박의 메인 추진 시스템으로 자리 잡았습니다.

 

다음 글에 계속 ...

 

(출처:삼성중공업 블로그)