신소재 적용 친환경 HDPE 소형 선박의 경제성 분석 및 설계에 관한 연구 = A Study on the Economic Analysis and Design of Eco-Friendly HDPE Small Boats Using New Materials

국문 초록 (Abstract)

해양 환경오염 및 온실가스로 인한 선박규제가 빠르게 진행되면서 발생되는 문제점 중 노후 선박의 폐선 처리 및 재활용이 국제사회의 화두로 거론되고 있다. 대양을 항해하는 선박에 관해서 IMO(국제해사기구)는 2050년에 2008년 기준으로 탄소 집약도 70%, 온실가스 50% 절감하기 위해 EEDI(에너지효율설계지수), EEXI(에너지효율지수), CII(탄소집약도지수규제)를 도입하고 있다. 이에 여러 선종에 걸쳐 폐선 시기를 앞당길 것으로 예상되며 대형선박에 대한 새로운 수요가 증가될 것이다. 2022년 산업통상자원부 통계자료에 따르면 한국 조선은 대형선박의 친환경 고부가 선박을 건조하며 세계 조선 1위 글로벌 선도국가로 세계 조선 산업의 국제적 경쟁력을 확보하고 있다. 하지만 이에 반하여 연근해 어업 및 레저 활동을 하는 소형선박에 관하여 친환경 및 신소재를 사용하는 비율이 낮다. 국내외의 이러한 해양 환경 변화에 맞추어 국내 소형선박의 건조에 쓰이는 소재를 비교해 보고, 그에 따라 생산 경제성을 기준으로 연안어선 선질로서의 가능성을 확인하고 전 세계의 ESG에 대한 요구에 맞는 친환경, 신소재를 적용한 소형선박의 Life Cycle을 확인하여 건조 타당성을 확인하고자 한다.
본 논문에서는 친환경 및 비용 최소화를 위한 신소재를 1.99톤, 2.99톤 연안어선에 적용하여 비강도에 따른 제조 단가 및 연료 비용, 엔진 비용, 폐선박 재활용 비율을 산출하여 비교하였다. 그 결과 알루미늄, 타이타늄, HDPE, 3가지의 선질을 비교해 보면 초기 비용이 많이 지출되고 용접성 및 제조환경의 제한이 많은 타이타늄을 제외하면 알루미늄과 HDPE 2가지 선질로 선박을 제조하는 것이 유리하고, 구조평가를 통한 재료비를 보면 HDPE 연안어선 1.99톤에서는 AL에 비해서 약 29.4%의 비용으로 산출되며 연안어선 2.99톤은 약 29.6%의 비용으로 자재를 구매할 수 있어 건조단가가 가장 저렴한 것을 확일 수 있다. 1.99톤은 구조평가를 통해 AL에 비해서 약 18.6%까지 자재 비용을 줄일 수 있다. HDPE에 대한 법적 규정이 없으므로 ISO12215-5를 기준으로 하중을 적용하고 다양한 소재의 구조평가를 통하여 최적의 생산성을 확인하기 위한 안전율(S.F)을 기준으로 안전성을 확인하였고, 이를 기준으로 경제성을 평가하였다. HDPE 선박 용접과 조립에 관련한 규정이 없어 선박 건조시 안전성을 확인하기 어렵지만 국내외의 사례를 통하여 용접방법이 아닌 회전 성형 방법을 이용한 건조 방법을 조사하여 제시하였으며 그에 따른 비용을 산출하여 비교 분석하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As regulations on ships due to marine pollution and greenhouse gas emissions rapidly progress, the scrapping and recycling of aging vessels are becoming a hot topic internationally. For ocean-going vessels, the International Maritime Organization(IMO) is introducing the Energy Efficiency Design Index (EEDI), the Energy Efficiency Index (EEXI), and the Carbon Intensity Index (CII) to reduce carbon intensity by 70% and greenhouse gas emissions by 50% by 2050 compared to 2008 levels. This is expected to accelerate the scrapping of various ship types, leading to increased demand for large vessels. According to 2022 statistics from the Ministry of Trade, Industry and Energy, South Korea is securing its global competitiveness as a leading country in the shipbuilding industry by building large, eco friendly, high value added vessels. However, the use of eco-friendly and new materials in small vessels used in coastal fishing and leisure activities is low. In response to these changing marine environments both domestically and internationally, this study aims to compare materials used in the construction of small domestic vessels. Based on this analysis, we will assess their potential as coastal fishing vessels based on production cost efficiency. Furthermore, we will examine the life cycle of small vessels utilizing eco-friendly, new materials that meet global ESG demands, thereby confirming their feasibility.
In this study, we applied eco friendly, cost effective new materials to 1.99ton and 2.99ton coastal fishing vessels, calculating and comparing manufacturing costs, fuel costs, engine costs, and scrap recycling rates based on specific strength. As a result, when comparing the three ship qualities of aluminum, titanium, and HDPE, excluding titanium which requires a lot of initial cost and has many restrictions on weldability and manufacturing environment, it is advantageous to manufacture ships with two ship qualities of aluminum and HDPE, and when looking at the material cost through structural evaluation, the cost of a 1.99ton HDPE coastal fishing boat is calculated to be about 29.4% of that of AL, and the cost of a 2.99ton coastal fishing boat can be purchased at about 29.6%, confirming that it has the lowest unit construction cost. The material cost of the 1.99ton boat can be reduced by about 18.6% compared to AL through structural evaluation. Since there are no legal regulations for HDPE, the load was applied based on ISO12215-5, and the safety was evaluated based on the safety factor(S.F) to confirm the optimal productivity through structural evaluation of various materials, and the economic feasibility was evaluated based on this. Since there are no regulations regarding the welding and assembly of HDPE ships, it is difficult to confirm safety during shipbuilding. However, based on domestic and international examples, a construction method using the rotational molding method rather than the welding method was investigated and presented, and the corresponding costs were calculated and compared.

목차 (Table of Contents)

• Contents
• 국 문 초 록 ⅹⅲ
• 제1장 서론 1
• 제1절 연구 배경 및 필요성 1
• 제2절 국내⦁외 연구현황 4
• 제3절 연구의 목표 10
• 제2장 친환경 신소재 적용을 위한 선박 11
• 제1절 국내 어로 활동 동향 11
• 1. 국내 선박 분포 11
• 2. 국내 선질 톤수별 분포 12
• 3. 국내 어로 활동 분류 14
• 4. 감척 사업 동향 15
• 제2절 폐선박 재활용 현황 19
• 1. 국내 선박 폐선 정책적 방향 19
• 2. FRP 현황 20
• 3. 알루미늄 현황 23
• 4. 타이타늄 현황 24
• 5. HDPE 현황 26
• 제3절 연안어선 선체 적용 가능한 신소재 30
• 1. 알루미늄 30
• 2. 타이타늄 31
• 3. HDPE 33
• 4. 신소재 적용 선박의 고찰 36
• 제3장 신소재 적용 선박의 기본설계 38
• 제1절 적용 기준 38
• 1. FRP, 알루미늄 선박 적용 규정 38
• 2. 타이타늄, HDPE 선박 적용 규정 38
• 제2절 연안어선 1.99톤, 2.99톤 선박의 기본설계 40
• 1. FRP 연안어선 주요 제원 41
• 2. 알루미늄 연안어선 주요 제원 43
• 3. 타이타늄 연안어선 주요 제원 45
• 4. HDPE 연안어선 주요 제원 46
• 제3절 선박의 비강도에 따른 평가 47
• 1. 재료물성치 47
• 2. 비강도 평가 54
• 3. 비강도에 따른 구조설계 54
• 제4절 비강도에 따른 신소재 적용을 위한 기본설계 62
• 1. 전체배수량 산정 62
• 2. 배수량 산정 63
• 3. 유효 마력 산정 69
• 4. 엔진 모델에 따른 연료 소비량 산정 86
• 제5절 비강도 평가에 따른 신소재 선박 경제성 평가 88
• 1. 선체 자재 비용 88
• 2. 엔진 비용 89
• 3. 운항 연료 비용 90
• 4. 폐선 비용 91
• 5. 분석 및 고찰 92
• 제4장 HDPE, 타이타늄 적용 선박의 구조 강도 평가 95
• 제1절 적용 기준 95
• 1. 적용 규정 95
• 2. 구조해석 조건 96
• 3. 하중 조건 98
• 4. 경계 조건 103
• 제2절 HDPE 소재 적용 선박의 구조 강도 평가 105
• 1. 1.99톤 연안어선 구조 강도 평가 106
• 2. 2.99톤 연안어선 구조 강도 평가 110
• 제3절 타이타늄 소재 적용 선박의 구조 강도 평가 114
• 1. 1.99톤 연안어선 구조 강도 평가 114
• 제4절 구조해석에 따른 처짐 및 안전성 평가 118
• 제5절 구조 강도 평가에 따른 경제성 분석 121
• 제5장 HDPE 연안어선 제조방법에 따른 구조설계와 경제성 분석 127
• 제1절 용접(Welding) 제조공정 127
• 1. 용접 선박 제조공정 127
• 2. 용접 기준 128
• 3. 용접기 종류 129
• 4. 용접 슈의 형상 및 개선 132
• 5. 용접 방법 133
• 6. 용접제조의 단점 135
• 제2절 회전 성형(Rotational Moulding) 제조공정 140
• 1. 회전 성형 제조 방법 140
• 2. 국내·외 사례 검토 141
• 3. 회전 성형 설계 및 구조평가 148
• 4. 회전 성형 분류 154
• 5. 회전 성형 생산공정 155
• 6. 회전 성형 몰드 156
• 7. 회전 성형용 로터 기계 157
• 8. 회전 성형용 HDPE 재료 및 혼합비율별 특성 158
• 9. 회전 성형물 수축 및 이중 접합에 관한 연구현황 159
• 10. 회전 성형 제조 방법의 경제성 비교 분석 160
• 제6장 결 론 163
• 참 고 문 헌 166
• 영 문 초 록 173