선박 운항 특성 분석 기반 전기추진체계 전환 적합성 평가에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

국제해사기구(IMO)의 온실가스 감축 규제 강화와 국내 「친환경선박법」의 시행은 노후화된 공공선박 및 여객선의 친환경 추진체계 전환을 중요한 과제로 제시하고 있다. 특히, 내수면 및 연안(연해)에서 운항하는 중·소형 공공선박과 여객선은 운항 구간이 비교적 짧고 운항 패턴이 반복적이며 부하 특성이 안정적인 특성을 지니고 있어, 기존 내연기관 기반 기계식 추진체계를 전기추진체계로 전환하기에 유리한 선박군으로 보고되고 있다.
본 연구의 목적은 국내 공공선박 및 여객선을 대상으로 기관별로 분산 관리되고 있는 선박 정보를 통합하여 대규모 데이터베이스를 구축하고, 이를 바탕으로 운항 특성과 주요 제원을 정량적으로 분석함으로써 배터리 전기추진체계 및 하이브리드 전기추진체계 전환에 대한 적합성을 체계적으로 평가하는 데 있다. 이를 위해 중앙정부 및 지방자치단체, 공공기관 및 공기업이 보유·운영하는 내수면 및 연·근해 운항 선박 중 공개 및 분석이 가능한 858척을 대상으로 데이터를 수집·정규화하여 통합 데이터베이스를 구축하였다. 본 데이터베이스는 공공선박과 여객선을 대상으로 다기관·다선종 선박 정보를 체계적으로 통합한 사례로서, 전기추진체계 전환 연구를 위한 객관적 분석 기반을 제공한다.
구축된 통합 데이터베이스를 바탕으로 선종, 총톤수, 선령, 추진 출력, 항해 구역, 항해 속력, 운항 시간 및 임무 특성 등 전기추진체계 전환에 영향을 미치는 주요 항목을 분석하고, 각 항목의 상대적 중요도를 반영한 다기준 의사결정기법(MCDM) 기반의 전환 적합성 평가를 수행하였다. 분석 결과, 내수면 및 연안(연해)에서 정기적·반복적 운항을 수행하는 저속·저출력 공공선박군은 배터리 전기추진체계 적용에 대한 적합성이 높은 것으로 나타났으며, 중속·중출력 조건을 갖는 일부 선박군은 하이브리드 전기추진체계 적용이 상대적으로 적합한 것으로 분석되었다.
본 연구는 대규모 공공선박·여객선 통합 데이터베이스를 구축하고, 운항 특성 기반의 정량적 분석을 통해 전기추진체계 전환 적합성을 체계적으로 평가하였다는 점에서 학술적 의의를 지닌다. 또한, 연구 결과는 향후 친환경 공공선박 도입 정책 수립, 전기추진체계 전환 대상 선별, 단계적 전동화 전략 마련을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 주제어 : 공공 선박, 여객선, 통합 데이터베이스, 운항 특성 분석, 전기추진체계, 전환 적합성 평가

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The strengthening of greenhouse gas (GHG) emission reduction regulations by the International Maritime Organization (IMO), together with the enforcement of Korea’s Eco-Friendly Ship Act (Greenship-K), has increased the necessity of transition aging public vessels and passenger ships to environmentally friendly propulsion systems. In particular, small- and medium-sized vessels operating in inland waters and coastal areas are characterized by relatively short operating distances, regular and repetitive operational patterns, and stable load conditions, indicating a high potential for conversion from conventional internal combustion engine-based mechanical propulsion systems to electric propulsion systems. The objective of this study is to integrate vessel information that has been independently managed by multiple institutions in Korea and to establish an integrated database of public vessels and passenger ships. Based on this database, operational characteristics and principal vessel particulars are quantitatively analyzed to assess the suitability for electric propulsion system conversion, including battery-electric and hybrid configurations. To achieve this objective, operational and technical data from 858 vessels operated by central and local governments, public institutions, and public enterprises in inland waters and coastal areas were collected, standardized, and normalized to construct a unified database. Using the integrated database, key parameters influencing the applicability of electric propulsion systems-such as vessel type, gross tonnage, vessel age, engine output, navigation area, service speed, operating time, and mission characteristics – were quantitatively analyzed. A multi-criteria decision making (MCDM) -based analysis was subsequently conducted by incorporating the relative importance of these parameters to assess propulsion system suitability. The results indicate that low-speed and low-power public vessels operating under regular and repetitive service conditions in inland and coastal waters exhibit high suitability for battery-electric propulsion systems. In contrast, vessel groups operating under medium-speed and medium-power conditions show relatively higher suitability for hybrid propulsion system applications. This study contributes to the systematic assessment of electric propulsion system conversion by establishing an integrated of public vessels and passenger ships and by conducting a quantitative evaluation based on operational characteristics. The findings are expected to provide fundamental reference data for the selection of candidate vessels for electric propulsion conversion and for the development of phased electrification strategies for public vessel fleets. Keywords : Public vessels, Passenger ships, Integrated database, Operational characteristics, Electric propulsion system, Suitability assessment

목차 (Table of Contents)

• List of Tables·ⅲ
• List of Figuresⅳ
• Nomenclature·ⅴ
• ABSTRACT·ⅵ
• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 내용 2
• 1.3 논문의 구성 3
• 2. 전기추진체계 개요 5
• 2.1 선박 추진체계의 분류 5
• 2.2 전기추진체계의 유형· 7
• 2.3 국내·외 전기추진 선박 개발 동향 9
• 3. 국내 공공선박 및 여객선 통합 데이터베이스 구축 12
• 3.1 연구 대상 선박 및 데이터 수집 범위 12
• 3.2 통합 데이터베이스 구성 항목 정의 15
• 3.3 데이터 정규화 및 처리 방법 17
• 4. 공공선박 및 여객선 운항 특성 분석 20
• 4.1 선종 및 항해 구역별 분포 특성 20
• 4.1.1 선종별 분포 특성 20
• 4.1.2 항해 구역별 분포 특성 21
• 4.1.3 여객선의 선종 및 항해 구역 분포 특성 22
• 4.2 총톤수·선령·기관출력 특성 분석 23
• 4.2.1 총톤수 분포 특성 23
• 4.2.2 선령 분포 특성 25
• 4.2.3 기관 출력 분포 특성· 26
• 4.3 운항 패턴 및 시간·속력 특성 분석· 27
• 4.3.1 운항 패턴의 정기성 및 반복성 27
• 4.3.2 운항·정박 시간 특성 29
• 4.3.3 항해 속력 특성 분석· 30
• 5. 전기추진체계 전환 적합성 평가· 32
• 5.1 적합성 평가 개요 32
• 5.2 전환 적합성 평가 항목 및 가중치 설정· 34
• 5.3 전기추진체계 유형별 적합성 평가 결과· 43
• 5.3.1 배터리 전기추진체계 43
• 5.3.2 하이브리드 전기추진체계 46
• 5.3.3 기존 기계식 추진 유지 대상 49
• 6. 전기추진체계 전환 시뮬레이션 51
• 6.1 시뮬레이션 개요· 51
• 6.2 배터리 전기추진 적용 사례 분석· 54
• 6.3 적합성 평가 결과와의 비교 및 논의· 58
• 7. 결과 및 고찰 59
• 참고문헌· 61
• 국문초록· 65