HMM 무탄소 대전환 한화·KR과 암모니아 가스터빈+연료전지로 실선 상용화 시동

왜 지금, ‘무탄소 추진’인가

해운의 탄소 규제가 연차적으로 강화되면서, ‘효율’을 넘어 ‘연료 전환’이 현실 과제가 되었다. 국제해사기구(IMO)의 중장기 목표와 각국 항만의 저배출 요구가 겹치며, 신조선 설계 단계부터 무탄소 연료 호환성을 요구하는 분위기다. HMM은 자체적으로 2045 넷제로를 선언했고, 이는 LNG·메탄올을 포함한 과도기 연료를 넘어, 암모니아 같은 무탄소 연료에 대한 실증을 앞당기겠다는 뜻과 맞물린다.

여기에 한화그룹 계열사의 추진·발전 기술, 그리고 KR의 안전·인증 역량이 더해지며, 연구의 무게중심이 ‘파일럿’에서 ‘실선 상용화’로 이동한다. 이번 파트너십의 핵심은 기술을 단일 부품이 아닌 ‘통합 추진체계’ 관점으로 묶어 검증한다는 점이다.

무탄소 추진체계의 구성 암모니아 GT + 연료전지 + 배터리

암모니아 가스터빈의 역할

암모니아 가스터빈은 무탄소 연료인 암모니아를 연소해 전력을 생산한다. 고출력 구간에서 가스터빈이 베이스 전력을 담당하면 추진체계의 반응성과 항속 안정성이 확보된다. 최근에는 연소 안정성과 N₂O/NOx 저감 기술 진전으로 해상 적용 가능성이 빠르게 높아지고 있다.

연료전지의 장점

연료전지는 화학 반응으로 전력을 생산해 효율과 저소음·저진동 측면에서 유리하다. 부하 변동 대응과 정숙 운항, 항만 대기 구간에서의 제로 에미션 운영에 강점이 있다. 암모니아 직접연료전지(DFAFC)와 암모니아 크래킹 기반 수소 연료전지 중 어느 경로를 선택하든, 시스템 통합 설계가 관건이다.

배터리 하이브리드의 쓰임

피더급 컨테이너선처럼 기항·이·접안이 잦고 부하 변동이 큰 운항 패턴에서는 배터리가 피크 시 정격을 보조하거나, 저부하/정박에서 연료전지와 조합해 연료 사용을 최소화한다. 에너지 관리시스템(EMS)이 세 소스를 유연하게 섞는 전략이 핵심이다.

공동 개발 프로그램의 범위와 로드맵

이번 협력은 두 축으로 진행된다. 첫째, 7~8K급 컨테이너선에 암모니아 가스터빈과 연료전지를 결합한 통합 추진 시스템 적용. 둘째, 2K급 피더 컨테이너선에 연료전지+배터리 하이브리드 적용이다. 두 플랫폼을 병행해 규모·운항패턴·기항 빈도별 최적조합을 도출한다.

주요 단계

• 개념설계: 에너지 밸런스, 공간·중량 배분, 통합 제어 구조 설계
• 경제성 평가: 연료비·CAPEX/OPEX·탄소가격·항만 인센티브를 포함한 TCO 분석
• 신선형 개발: 추진기·선체 저항 최적화, 전력추진과의 매칭
• 리스크·안전 설계: 위험성 평가(HAZID/HAZOP), 격납·통풍·감지·비상대응 체계
• 인증·규제 정합: AIP 자문, 규정 적용 범위 정의, 시험·검사 계획
• 실증·피드백: HMM 실운항 데이터 기반 성능 보정과 운용 지침 확립

각 사의 역할과 검증 체계

한화그룹은 암모니아 가스터빈과 연료전지를 결합한 통합 솔루션 개발을 주도한다. 시스템 아키텍처, 발전 모듈, 인터페이스 표준을 맡아 상용화까지 끌고 가는 역할이다. HMM은 실제 항차 데이터로 운항 시나리오를 제공하고, 시운전과 실증 과정에서 운영 기준을 정교화한다. KR은 초기 위험성평가, 안전성 검토, AIP 자문 및 인증·규제 요건 검토 등 전체 검증의 가드레일을 담당한다.

기술·운영·인증의 삼박자가 초기 설계부터 함께 움직이면, 설계 변경 리스크와 시간 비용이 줄어든다. 이 ‘동시엔지니어링’이 상용화 속도를 가르는 포인트다.

기술 쟁점 깊이 보기 연료·안전·신선형

암모니아의 저장과 취급

암모니아는 영하 온도에서 액화해 저장할 수 있고, 에너지 밀도와 공급망 측면에서 해운에 매력적이다. 다만 독성과 부식성에 대한 관리가 필수다. 이중 격납, 누설 감지, 긴급 통풍, 배출 저감 및 대피 시나리오를 설계 단계에서 체계화해야 한다.

NOx와 N₂O 제어

암모니아 연소는 CO₂를 배출하지 않지만, NOx와 아산화질소(N₂O) 관리가 관건이다. 저온 연소, 연소기 구조 최적화, 후처리(SCR)와의 조합이 표준화될 전망이며, 연료전지 구간을 활용해 배출 피크를 분산하는 시스템적 접근도 병행된다.

연료전지 선택지

크래킹-수소 연료전지는 성숙도가 높고, 직접암모니아 연료전지는 밸런스오브플랜트 단순화의 여지가 있다. 양안의 트레이드오프를 선형·운항 패턴에 맞춰 최적화하는 것이 개발의 핵심 과제다.

신선형과 전기추진의 결합

전력추진 기반에서는 추진기-모터-인버터의 효율 곡선이 선체 저항과 호흡을 맞춰야 한다. 신선형 개발은 저속 효율뿐 아니라 파랑 중 속도 유지와 갑작스런 부하 변동에 대한 대응성까지 포함한다.

경제성 포인트 TCO와 연료 시나리오

무탄소 연료는 초기 CAPEX가 높다. 하지만 연료비, 탄소가격, 항만 인센티브, ETS/SEEMP 규정 대응 비용까지 합산한 TCO로 보면 계산이 달라진다. 연료전지+가스터빈의 하이브리드 운영은 효율 영역을 넓혀 연료비 변동 리스크를 완화한다.

• 연료 시나리오: 그린/블루 암모니아 가격 범위, 장기 PPA·e-암모니아 전환 가능성
• 운영 최적화: 항만 대기 시간 제로 에미션, 저부하 구간 배터리 우선
• 잔존가치: 무탄소 호환 선대는 규제 강화 시 프리미엄을 유지할 가능성

현실적으로는 단계적 도입이 합리적이다. 피더급에서 운용모델을 확정하고, 중형선급으로 스케일업하며 공급망·정비 생태계를 병행 구축하는 방식이다.

실운항 관점 성능·운항 데이터 전략

실선 성능은 시험 수치만으로 설명되지 않는다. 항로별 파고, 기상 변동, 부하 프로파일, 항만 대기 시간 등이 복합적으로 영향을 준다. HMM의 운항 데이터는 가스터빈과 연료전지의 역할 배분, 배터리 피크셰이빙 전략, 예비전력 설정에 직접 반영된다.

운영 시나리오 예시

• 크루즈 속항: 가스터빈 베이스 부하 + 연료전지 보조, 배터리 피크 커버
• 항만 접근/대기: 연료전지 단독 또는 연료전지+배터리로 저소음·무배출 운항
• 급가감속 구간: 배터리 우선 응답, 가스터빈 램프업 동기화

이런 시나리오는 실제 연료소비 개선뿐 아니라 장비 수명 관리에도 유리하다. 부하 사이클을 매끄럽게 다듬으면 유지보수 주기가 길어지고 예비품 관리도 예측 가능해진다.

국제 규제 정합성과 인증 전략

한국선급의 참여는 개발 초기부터 안전성과 규제 적합성을 반영한다는 의미다. 위험성 평가와 AIP 자문을 통해 설계 변경 리스크를 줄이고, 국제 인증 취득의 경로를 명확히 한다. 암모니아 관련 선급 가이드라인, 저장·취급 설계 기준, 누설·환기·소화 체계 요구사항이 초기부터 반영된다.

한편, 암모니아 가스터빈 분야에서의 선급 기본승인(AIP) 사례 축적은 상용화 설득력을 높인다. 규제의 불확실성을 낮추는 것이 실제 발주와 금융 조달로 이어지는 지름길이다.

산업 파급효과와 향후 과제

무탄소 추진체계의 상용화는 조선·기자재·운항·정비 전 밸류체인의 재편을 촉발한다. 특히 연료 공급 인프라와 항만 안전 프로토콜의 표준화가 핵심 과제다. 선사-조선-선급의 공동작업이 표준을 선점하면, 국내 해양 산업의 경쟁력이 한 단계 올라선다.

남은 과제

• 그린 암모니아 공급망 연계 및 가격 안정화
• 연료전지 내구성·출력밀도 향상과 BOP 단순화
• 선원 교육·안전 매뉴얼 표준화, 비상대응 체계 구축
• 보험·금융 섹터와의 리스크 공유 모델 개발

결국 관건은 ‘빠른 실증’과 ‘반복 학습’이다. 피더선에서의 운영 지식을 중형선으로 이식하는 속도가 경쟁력으로 직결된다.

자주 묻는 질문 7가지

1. 암모니아는 정말 무탄소 연료인가

연소 시 CO₂를 배출하지 않는다. 다만 생산 과정의 탄소발자국은 공급망에 따라 달라진다. 그린 암모니아 사용 비중을 높일수록 전주기 배출이 줄어든다.

2. 안전성은 어떻게 담보하나

이중 격납, 누설 감지, 비상 통풍, 대피·소화 체계를 설계 초기부터 반영하고, KR의 위험성평가로 취급 절차와 레이아웃을 검증한다.

3. 연료전지와 가스터빈을 왜 함께 쓰나

가스터빈은 고출력·기동성, 연료전지는 고효율·저소음에 강점이 있다. 하이브리드로 운영하면 실항해 전 영역에서 시스템 효율을 끌어올릴 수 있다.

4. 배터리는 필수인가

피크전력 대응과 회생·부하 평준화에 유용하다. 피더선처럼 빈번한 조선소 입출항과 변동 부하가 많은 노선에서 특히 효과가 크다.

5. 경제성은 언제 확보되나

탄소가격, 항만 인센티브, 연료 수급 계약에 좌우된다. 초기에는 파일럿과 정부·금융의 그린 파이낸싱 연계가 현실적이다.

6. 정비는 복잡해지지 않나

시스템이 늘어나지만, 예측정비와 모듈화로 가용성을 높일 수 있다. 통합 EMS의 진단 기능이 정비 계획을 표준화한다.

7. 언제쯤 실선에서 볼 수 있나

개념설계-인증-실증 과정을 병행하면 상업 운항까지의 시간은 크게 단축된다. 피더급 선종에서 먼저 시장 등장이 예상된다.