친환경 하이브리드 추진 시스템 적용을 위한 실선박 데이터 분석 : 연료 절감과 경제적 타당성 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Achieving carbon neutrality is urgent for the shipping industry, yet research on small vessels remains scarce compared to large-scale simulations. This study addresses this gap by analyzing five days of actual sea trial data from a 575-ton buoy maintenance vessel.
The research involved integrating data-logging hardware, defining operational load profiles, and deriving Specific Fuel Consumption curves. These empirical data were used in a MATLAB/Simulink model to simulate fuel efficiency across different propulsion scenarios.
Results showed that the electric hybrid system achieved a 2.02% reduction in both fuel consumption and CO2 emissions, outperforming the mechanical hybrid system (0.66%). Based on VLSFO prices, the electric hybrid system could save up to $1,053.24 annually over 12 voyages.
While providing technical justification for the ‘2030 Eco-friendly Government Vessel Conversion Plan’ this study is limited by its single-vessel scope and exclusion of environmental variables and initial investment costs. Future research should expand to diverse vessel types and incorporate AI-based predictive EMS and Total Cost of Ownership evaluations.

국문 초록 (Abstract)

해운산업의 탄소중립 목표 달성과 IMO 환경규제 강화에 대응하기 위해, 중소형 작업 선박의 친환경 전환이 시급한 과제이다. 그러나 기존 연구는 대부분 대형 상선 중심의 시뮬레이션에 집중되어 있어, 잦은 부하 변동과 저부하 운전이 빈번한 중소형 작업 선박의 독특한 운항 특성을 반영하지 못하고 있으며, 실제 운항 데이터 기반의 실증 연구가 절대적으로 부족한 실정이다.
본 연구는 실제 운항 중인 575톤급 부표정비선의 30시간 분량 실제 해상 운항 데이터를 기반으로 기계식 추진시스템과 하이브리드 추진시스템의 연료 효율성 및 경제성을 정량적으로 비교 분석하였다. 연구 방법론은 4단계로 구성되었다. 먼저, 부표정비선에 직접 계측장비를 설치하여 주기관 RPM, 연료 유량, 발전기 출력 등의 핵심 운항 정보를 5일간 수집하였다. 수집된 데이터는 연료 소모량 곡선 도출 및 운항 모드별 부하 프로파일 구성을 위해 가공되었다. 다음으로, MATLAB/Simulink 환경에서 기계식, 기계식 하이브리드, 전기식 하이브리드 추진시스템의 연료 소모량 예측 모델을 구축하였다. 하이브리드 시스템 모델링을 위해 실측 데이터 분석을 통해 도출된 무부하 운전 요구사항 대비 13.4%의 안전여유를 확보한 100 kWh 용량의 배터리 시스템을 선정하였다. 마지막으로 각 시스템의 성능지표 계산 및 경제성 분석을 통해 정량적 비교분석을 수행하였다.
시뮬레이션을 통해 전기식 하이브리드 시스템이 기계식 시스템 대비 2.02%의 연료 절감 효과를 달성하여 가장 우수한 성능을 보였으며, 기계식 하이브리드 시스템은 0.66%의 절감 효과를 나타냈다. 이러한 결과는 규칙기반 에너지관리시스템의 적용을 통해 발전기 운전을 부하 최적 효율점(75-85%)에서 운전하고, 저부하 구간에서 주기관을 정지시키는 제어 전략이 핵심 요인으로 분석되었다.
경제성 분석에서는 연료비에 국한하여 검토하였으며, 선박용 저유황유 연료 기준으로 전기식 하이브리드 시스템이 연간 12항차 운행 시 최대 $1,053.24의 연료비를 절감할 수 있음을 확인하였다. 환경성 측면에서는 연료 소모량 감소에 따라 이산화탄소 배출량이 2.02% 저감되는 효과가 나타났다.
본 연구는 중소형 작업 선박의 하이브리드 시스템 도입 가능성을 실증 데이터로 검증하였으며, 대한민국의 '2030 친환경 관공선 전환 계획'에 대한 기술적 근거를 제시하였다. 그러나 단일 선박의 제한된 데이터, 해상 환경 변수 미반영, 배터리 장기 열화 특성 및 초기 투자비용 미포함 등의 한계가 존재한다. 향후 다양한 선종으로의 연구 확대, AI 기반 예측형 EMS 개발, 총소유비용 관점의 종합적 경제성 평가가 필요하다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• List of Tables ⅴ
• List of Figures ⅵ
• Nomenclature ⅷ
• Abstract ⅸ
• 1. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.1.1. 해운 산업의 환경 문제 1
• 1.1.2. 국제해사기구(IMO)의 규제 강화 3
• 1.1.3. 주요국의 정책 대응과 국내 추진 현황 6
• 1.1.4. 중소형 작업 선박의 특수성과 하이브리드 추진시스템의 필요성 7
• 1.2. 연구 내용 및 목적 8
• 1.2.1. 기존 연구의 한계 8
• 1.2.2. 연구 목적 9
• 1.3. 논문의 구성 10
• 2. 전기추진선박의 이론적 배경 11
• 2.1. 선박 추진시스템의 분류 및 특성 11
• 2.1.1. 기계식 추진시스템 11
• 2.1.2. 기계식 하이브리드 추진시스템 12
• 2.1.3. 전기식 하이브리드 추진시스템 13
• 2.2. 하이브리드 추진시스템 선박의 핵심 기술 15
• 2.2.1. 에너지 저장 장치 15
• 2.2.2. 에너지관리시스템(EMS) 15
• 2.2.3. 배터리관리시스템(BMS) 16
• 2.2.4. 전력변환장치 18
• 3. 연구방법 20
• 3.1. 대상 선박 선정 및 데이터 수집 21
• 3.1.1. 대상 선박 선정 21
• 3.1.2. 데이터 측정 방법 및 분석 22
• 3.2. 선박 데이터 가공 방법 23
• 3.2.1. 데이터 측정 방법 및 분석 23
• 3.2.2. 연료 소모량(SFOC) 산정 25
• 3.2.3. 기준 RPM 설정 및 출력 계수 산정 25
• 3.2.4. 실시간 출력 산정 방법 26
• 3.2.5. 연료 소모량 분석 기법 27
• 3.2.6. 선박 운항 부하 프로파일 분석 27
• 3.2.7. 추진시스템 구성 및 운전 특성 분석 28
• 3.2.8. 기존 대상선박의 연료 소모량(SFOC) 분석 31
• 3.3. 배터리 용량 산정 기준 33
• 3.3.1. 배터리 시스템 규정 및 설계 요구사항 33
• 3.3.2. 데이터 기반 배터리 용량 산정 기준 33
• 3.3.3. 배터리 용량 계산 34
• 3.3.4. 배터리 용량의 적정성 34
• 3.3.5. 배터리 운용 전략 35
• 3.4. 시뮬레이션 모델링 35
• 3.4.1. 기계식 추진시스템 연료 소모량(SFOC) 분석 35
• 3.4.2. 기계식 하이브리드 추진시스템 연료 소모량(SFOC) 분석 36
• 3.4.3. 전기식 하이브리드 추진시스템 연료 소모량(SFOC) 분석 40
• 3.5. 시뮬레이션 결과 분석 44
• 3.5.1. 시뮬레이션 실행 조건 44
• 3.5.2. 성능지표 계산 44
• 3.5.3. 경제성 타당성 분석 및 평가 45
• 4. 결과 46
• 4.1. 시뮬레이션 결과 분석 46
• 4.1.1. 추진시스템별 연료 소모량 비교 46
• 4.2. 경제성 분석 결과 47
• 4.3. 배출가스 저감 효과 49
• 4.3.1. 이산화탄소 배출량 산정 49
• 4.3.2. 시스템별 이산화탄소 저감 효과 분석 49
• 4.3.3. 연간 이산화탄소 저감량 추정 50
• 4.3.4. 환경 규제 대응 측면의 의의 50
• 5. 고찰 및 결론 51
• 5.1. 연구 결과의 종합적 해석 51
• 5.1.1. IMO 규제 대응의 기술적 현실성 51
• 5.1.2. 국내 2030 친환경 관공선 전환 계획의 타당성 검증 51
• 5.1.3. 중소형 작업 선박의 하이브리드 추진시스템 적용 가능성 52
• 5.2. 연구의 한계 53
• 5.3. 향후 연구의 방향 54
• 5.4. 결론 55
• 참고문헌 57
• 초록 61