연안용 전기추진선박을 위한 Si 및 SiC 인버터의 성능 및 수명주기 통합 평가에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The maritime sector, which accounts for approximately 80% of global freight transport, has been actively pursuing environmentally friendly vessels to reduce carbon emissions, and interest in electric propulsion ships has been increasing. The inverter, a core component of electric propulsion ships, is a power conversion device that controls the propulsion motor, and its performance affects the efficiency and operational characteristics of the ship propulsion system. Since the power conversion performance of an inverter is largely governed by the power semiconductor devices, device selection is critical. In recent years, inverters equipped with SiC MOSFETs featuring high efficiency and high power density have been increasingly adopted across commercial applications, leading to continued comparative studies with conventional Si IGBT inverters. However, given that the primary objective of adopting electric propulsion ships is the reduction of environmental pollutants, it is necessary to verify whether performance improvements translate into environmental benefits from a life cycle perspective. Accordingly, this study conducts a Life Cycle Assessment (LCA) of Si IGBT inverters and SiC MOSFET inverters. To overcome the limitations of conventional ship and inverter LCA, which typically assume fixed or representative loads during the operational phase or apply inverter efficiency as a standardized static coefficient, a dynamic LCA is performed by incorporating actual operating profiles of three types of coastal ships (a passenger and car ship, a cruise ship, and a recreational boat) along with experimentally obtained inverter efficiency data. Based on this approach, time-resolved power losses of the inverter system are calculated, and global warming potential, fossil fuel depletion, and cumulative energy demand are evaluated. The results show that, across all operating profiles and environmental impact categories, the SiC MOSFET inverter consistently reduces environmental impacts compared to the Si IGBT inverter, with reduction rates of approximately 57% for the cruise ship, 52% for the passenger and car ship, and 34% for the recreational boat. Furthermore, the overall LCA results indicate that the contribution of the operational-phase-based dynamic LCA exceeds 99%, while that of the static LCA is less than 1%, demonstrating the importance of applying dynamic LCA that reflects real operating conditions.

국문 초록 (Abstract)

전 세계 물동량의 약 80%를 담당하는 해운 부문에서는 탄소배출 저감을 위해 친환경 선박에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 그중 전기추진선박에 대한 관심이 증가하고 있다. 전기추진선박의 핵심 구성 요소인 인버터는 추진용 전동기를 제어하는 전력변환장치로서, 선박 추진 시스템의 효율과 운용 특성에 영향을 미친다. 인버터의 전력변환 성능은 전력반도체 소자에 의해 좌우되므로 소자 선택이 중요하며, 최근 고효율·고전력밀도 특성을 갖는 SiC MOSFET을 탑재한 인버터가 상업 분야 전반에 적용됨에 따라 기존 Si IGBT 인버터와의 비교 연구가 지속되고 있다. 그러나 전기추진선박의 도입 목적이 환경오염물질 저감에 있는 만큼, 성능 향상이 수명주기 관점에서 환경적 이점으로 이어지는지에 대한 검증이 필요하다.
이에 본 연구는 Si IGBT 인버터와 SiC MOSFET 인버터를 대상으로 생애주기평가(Life Cycle Assessment, LCA)를 수행하였다. 특히 기존 선박 및 인버터 LCA가 운용 단계 부하를 고정 또는 대표 부하로 가정하거나, 인버터 효율을 표준화된 정적 계수로 적용한다는 한계를 극복하기 위하여, 차도선, 유람선, 레저보트 세 가지 연안 선박의 실제 운항 프로파일과 실험을 통해 획득한 인버터 효율 데이터를 반영한 동적 LCA를 수행하였다. 이를 기반으로 시간에 따라 변동하는 인버터 시스템의 전력손실을 산출하여 지구온난화잠재력, 화석연료고갈, 누적에너지요구량을 평가하였다.
분석 결과, 모든 운항 프로파일 및 환경영향 범주에서 SiC MOSFET 인버터는 Si IGBT 인버터 대비 환경영향을 감소시켰으며, 감소율은 유람선 약 57%, 차도선 약 52%, 레저보트 약 34%로 나타났다. 또한 전체 LCA 결과에서 운용 단계 기반 동적 LCA의 기여도가 99% 이상, 정적 LCA의 기여도는 1% 미만으로 나타났으며, 이는 실제 운항 조건을 반영한 동적 LCA 적용의 중요성을 입증한다.

목차 (Table of Contents)

• List of Tables ⅲ
• List of Figures ⅳ
• ABSTRACTⅵ
• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 내용 5
• 1.3 논문의 구성 6
• 2. 이론적 배경 8
• 2.1 전기추진선박의 개요 8
• 2.2 연안 선박의 운항 특성 10
• 2.3 인버터 및 전력반도체 소자의 개요 11
• 2.3.1 인버터 11
• 2.3.2 전력반도체 소자 12
• 2.3.3 냉각 시스템 13
• 2.4 LCA의 개요 15
• 3. LCA 연구 방법 18
• 3.1 대상 선박 및 시스템 구성 19
• 3.1.1 대상 선박 및 전기추진 시스템 정의 19
• 3.1.2 운항 프로파일 21
• 3.2 목적 및 범위 정의 22
• 3.3 전과정 인벤토리 구성 24
• 3.3.1 제조 단계: 정적 LCI 25
• 3.3.2 운용 단계: 동적 LCI 28
• 4. 결과 및 분석 37
• 4.1 결과 37
• 4.2 분석 59
• 5. 결론 62
• 참고문헌 63
• 국문초록 67