HD한국조선해양이 세계 최초로 중형 암모니아 추진선 수주에 성공했다. 세계 최초 타이틀 다는데 R&D 선봉장 역할을 한 서재엽 미래기술연구원 첨단추진시스템연구실 책임연구원 만나 개발 뒷이야기를 들어봤다.

13일 <녹색경제신문>은 HD한국조선해양의 머리이자 심장 역할을 하고 있는 미래기술연구원을 찾아 서재엽 첨단추진시스템연구실 책임연구원을 만났다. 그는 당사가 세계 최초로 수주한 암모니아 추진선은 2026년까지 건조될 예정이고, 2025년까지 암모니아 엔진이 개발될 것이라고 말했다.

암모니아 추진선 개발 초기, 양질의 정보도 없어 무(無)에서 유(有) 창조

서재엽 첨단추진시스템연구실 책임연구원은 암모니아 엔진 개발 과정에서 어려움은 없었는지 그리고 수소‧메탄올 엔진 등도 동시다발적으로 연구하는 것에 대해 어떤 부담이 있는지 묻는 기자의 질문에 "암모니아는 몇 년 전까지는 주요 연료로 고려되지 않아 그동안 연료 분사, 연소, 배기 배출물, 부식, 윤활 등 암모니아 엔진 개발을 위해 필요한 주요한 특성들에 대한 기초연구가 충분치 않았다"며 "이 때문에 연구개발 초기에는, 양질의 정보를 확보하는 데 어려움이 있었다"고 밝혔다.

이어 수소‧메탄올 엔진 등도 동시다발적으로 연구하는 것에 대해 서재엽 책임연구원은 "암모니아 외에도 메탄올, 수소와 같은 연료 역시 유사한 어려움을 가지고 있고 이를 극복하기 위해 HD현대 내부적으로 역량을 강화하고 있다"며 "국내 산학연 기관들과 기초연구부터 엔진 실증시험까지 넓은 범위에서 협력해 연구 개발을 진행하고 있다"고 말했다.

서 책임연구원은 연구개발에 있어 관련 기관들의 유기적 연구개발을 강조했다. 그는 "높은 역량을 보유한 정부출연연구소들과 국내 대학들이 최근 선박엔진 연구개발을 강화하고 있으므로, 앞으로도 세계 최고 수준의 조선소들과 중대형 선박엔진 제조사들, 관련 기자재 및 부품 업체, 한국선급과 국내 조선해양산업 관련 기관들이 유기적으로 연결돼 연구개발을 지속한다면 친환경 선박 연료 엔진 산업 경쟁력은 강화될 것"이라고 했다.

이외에도 HD현대의 연구개발에 대한 진심은 연구개발비의 증가세에서도 엿볼 수 있다. HD현대는 그룹 차원에서 매출액 대비 연구개발 비율을 늘리고 있다. 올해 반기 기준으로 보더라도 0.075%를 기록했다. 이는 전기 대비 0.022%p 증가한 수치다. 연구개발비는 전전기부터 당 반기까지 우상향 하고 있다.

선박 관련 주요 연구기관, HD한국조선해양 중심으로 모여

암모니아 추진선은 세계 최초이기 때문에 제약이 많았다. 국내 메이저 조선업계 관계자는 "암모니아 추진선 개발은 정주영 회장의 개척 정신이 없으면 이루지 못했을 국내 조선의 쾌거"라며 "상황이 이렇다 보니 국내 주요 연구기관이 HD한국조선을 중심으로 뭉치는 현상이 일어나는 것으로 보인다"고 했다.

서 책임연구원은 "HD한국조선해양 첨단추진시스템연구실은 암모니아 엔진 연소시스템 개발을 위해 HD현대중공업 엔진연구소와 함께 자체적인 개발 과제를 수행하고, 국내 주요 국책 연구소 및 대학 등과도 협력해 왔다"며 "첨단추진시스템연구실은 저인화점 대체연료 분사시스템 기술개발, 암모니아  시험설비 구축 등을 함께 진행하고 있고, 2023년 말에는 MW급 출력의 암모니아 연소시험을 한국선급, 한국기계연구원, HD현대중공업과 함께 수행할 예정"이라고 했다.

그러면서 그는 "암모니아 엔진의 배기가스 조건에 따라 암모니아(NH3) 및 아산화질소(N2O)를 저감할 수 있는 촉매와 제어시스템도 개발하고 있고, HD현대중공업에서 선박엔진 연구개발을 담당하는 엔진연구소는 국내외 주요 연구기관과 암모니아 연소 및 성능 설계 기술 개발에 성공했다"며 "암모니아 연소특성을 고려한 내구 설계, 엔진 주요 부품의 경량화 최적 형상 설계 기술, 암모니아와의 접촉에 의해 오염되거나 열화되는 윤활유의 특성 분석 기술, 암모니아 엔진 제어 기술 등 다양한 분야의 엔진 기술 개발을 지속하고 있다"고 덧붙였다.

HD한국조선해양을 중심으로 한 암모니아 엔진 연구를 통해, HD현대는 2024년 하반기, 1.5 MW급(2000 마력급) 모델과 3~5 MW급(5400 마력급) 모델을 출시할 계획이다.

암모니아의 고질적 문제인 유독성, 운전조건 고려한 소재로 잡아

암모니아는 친환경 에너지원이지만 유독성 물질이기 때문에 취급에 주의가 필요하다. 이에 따라 선박의 구조 및 설비 등을 검사하고 인증하는 선급기관(Classification Society)들은 선박 내의 암모니아 배출규제 및 가이드라인을 제정했다.

서 연구원은 안정성을 담보하기 위해 선박 설계 단계부터 암모니아 독성을 고려한 안전장치와 기술 적용이 무엇보다 중요하다고 강조했다.

서 연구원은 "선박 및 제품, 시스템 등의 설계 단계에서 위험도 평가(Risk Assessment)와 선급기관으로부터 안전성을 인증 등을 받는 것이 필수"라며 "당사는 암모니아 연료공급시스템, 암모니아 추진 운반선, 암모니아 추진 벙커링선을 개발해 한국선급(KR)로부터 개념설계승인(AIP)을 취득했고, 또한 부식성을 가진 암모니아에 적합한 소재 연구를 통해, 암모니아 저장 시스템, 연료 시스템, 엔진 연소시스템, 배기 후처리시스템 등 운전조건을 고려해 적합한 소재를 선정했다"고 설명했다. 

이렇게 선정된 소재는 실증시험 등을 통해 최종 양산 제품에 반영될 예정이다.

암모니아 엔진, 2025년까지 상용화 가능

HD현대중공업의 힘센(HiMSEN)엔진은 2001년 디젤엔진을 시작으로 2012년 LNG DF(이중연료, Dual Fuel)엔진, 2022년 메탄올 DF엔진으로 확장됐다.

HD현대중공업은 지난 2021년부터 WinGD사(스위스)와 MAN Energy Solutions사(덴마크) 2022년부터 2행정 암모니아 대형엔진 공동 개발을 해왔다. 

서 연구원은 " 힘센 암모니아 DF엔진은 1.5 MW급(2000 마력급) 모델이 2024년 8월에 3~5 MW급(5400 마력급) 모델이 2024년 12월에 출시될 예정"이라며 "무엇보다 글로벌 선주들에 의해 암모니아 추진 선박은 이미 발주가 시작됐다"고 전했다.

이와 함께 그는 "HD한국조선해양이 세계 최초로 수주한 암모니아 추진선은 2026년까지 건조될 예정이며, 해당 선박에 탑재될 암모니아 엔진은 HD현대중공업 엔진기계사업부에서 2025년까지 제작될 예정이고, 암모니아 엔진 배기가스에는 독성 물질이 포함될 수 있어 유해 배기 배출물을 처리할 수 있는 배기 후처리시스템이 적용될 것"이라고 말했다.

HD한국조선해양은 현재 암모니아 엔진과 병행해 암모니아 엔진 배기 후처리시스템도 개발하고 있다.

HD한국조선해양, 암모니아 엔진으로 탄소중립 선박 엔진 시장의 선두 유지할 것

HD현대중공업의 힘센 암모니아 엔진은 엔진 출력과 연비 등이 뛰어나고, 고위험 온실가스인 아산화질소(N2O) 발생을 최소할 뿐만 아니라 모니아가 연소되지 않고 배기가스로 배출되는 현상 또한 최소화 된다.

서 연구원은 "HD현대는 이러한 암모니아 엔진뿐만 아니라 배기 후 처리 시스템도 개발 중이기 때문에, 향후 고품질의 암모니아 엔진 패키지를 제공, 해외 경쟁사 대비 고성능의 암모니아 DF엔진으로 탄소중립 선박 엔진 시장의 선두를 유지할 것으로 기대하고 있다"며 "향후 암모니아 엔진은 친환경 선박의 주요 동력원으로 자리매김할 것"이라고 밝혔다.

서 연구원에 따르면 암모니아(NH3)는 연료 내에 탄소(C)를 포함하고 있지 않아 연소 시에 이산화탄소(CO2)가 발생하지 않는다.

국제해사기구(IMO)는 2023년 7월, 해양환경보호위원회(MEPC) 제80차 회의를 통해 2050년경 탄소중립(Net-Zero)을 달성하기로 했고, 유럽연합(EU)은 이에 앞선 2023년 3월, EU 내 해양 활동에서 발생하는 온실가스 배출량을 감축하기로 했습니다. 온실가스 감축 목표를 달성하는 가장 효과적인 방식 중 하나가 선박의 연료를 탄소중립 연료로 변경하는 것이다.

[약력] 서재엽 첨단추진시스템연구실 책임연구원
▲2003년~2013년 포항공과대학교 기계공학 학사·석사·박사 ▲2013년 HD현대중공업 책임연구원 입사 ▲2019년~현재 HD한국조선해양 책임연구원

[주요연구분야]
선박용 LNG엔진, 수소엔진, 암모니아엔진 등 기술 개발 

다음은 서재엽 책임연구원과의 인터뷰 전문이다.

◆서재엽 미래기술연구원 첨단추진시스템연구실 책임연구원 인터뷰 전문

Q. 암모니아 엔진 개발 과정에서 어려움은 없으신가요? 추가로, 수소/메탄올 엔진 등도 동시다발적으로 연구하는 부분에 관해서 부담은 없으신지 궁금합니다. 

서재엽 : 암모니아는 몇 년 전까지는 주요 연료로 고려되지 않아 그동안 연료 분사, 연소, 배기 배출물, 부식, 윤활 등 암모니아 엔진 개발을 위해 필요한 주요한 특성들에 대한 기초연구가 충분치 않았습니다. 이 때문에 연구개발 초기에는, 양질의 정보를 확보하는 데 어려움이 있었습니다. 

암모니아 외에도 메탄올, 수소와 같은 연료 역시 유사한 어려움을 가지고 있었습니다. 이를 극복하기 위해 HD현대 내부적으로 역량을 강화하고, 국내 산학연 기관들과 기초연구부터 엔진 실증시험까지 넓은 범위에서 협력하여 연구 개발을 진행하고 있습니다. 

특히, 높은 역량을 보유한 정부출연연구소들과 국내 대학들이 최근 선박엔진 연구개발을 강화하고 있으므로, 앞으로도 세계 최고 수준의 조선소들과 중대형 선박엔진 제조사들, 관련 기자재 및 부품 업체, 한국선급과 국내 조선해양산업 관련 기관들이 유기적으로 연결되어 연구개발을 지속한다면 친환경 선박 연료 엔진 산업 경쟁력은 강화될 것으로 기대됩니다.

Q. 그간 HD현대 암모니아 엔진 연구 개발은 어떻게 진행되고 있나요?

서재엽 : HD한국조선해양 첨단추진시스템연구실은 암모니아 엔진 연소시스템 개발을 위해 HD현대중공업 엔진연구소와 함께 자체적인 개발 과제를 수행하고, 국내 주요 국책 연구소 및 대학 등과도 협력해왔습니다. 

첨단추진시스템연구실은 저인화점 대체연료 분사시스템 기술 개발, 암모니아 시험설비 구축 등을 진행하고 있습니다. 2023년 말에는 MW급 출력의 암모니아 연소시험을 한국선급, 한국기계연구원, HD현대중공업과 함께 수행할 예정입니다. 또한 암모니아 엔진의 배기가스 조건에 따라 암모니아(NH3) 및 아산화질소(N2O)를 저감할 수 있는 촉매와 제어시스템도 개발하고 있습니다. 

HD현대중공업에서 선박엔진 연구개발을 담당하는 엔진 연구소는 국내외 주요 연구기관과 암모니아 연소 및 성능 설계 기술 개발을 완료했습니다. 또한 암모니아 연소특성을 고려한 내구 설계, 엔진 주요 부품의 경량화 최적 형상 설계 기술, 암모니아와의 접촉에 의해 오염되거나 열화되는 윤활유의 특성 분석 기술, 암모니아 엔진 제어 기술 등 다양한 분야의 엔진 기술 개발을 지속하고 있습니다. 

이러한 다양한 분야의 암모니아 엔진 연구를 통하여, HD현대는 2024년 하반기, 1.5 MW급(2000 마력급) 모델과 3~5 MW급(5400 마력급) 모델을 출시할 예정입니다. 

Q. 암모니아가 친환경 에너지원으로 주목받고 있는 건 맞지만 유독성 등 우려가 여전히 존재하는데, 이런 문제는 어떻게 해소할 수 있나요?

서재엽 : 암모니아는 친환경 에너지원이지만 유독성 물질이기 때문에 취급에 주의가 필요합니다. 이에 따라 선박의 구조 및 설비 등을 검사하고 인증하는 선급기관(Classification Society)들은 선박 내의 암모니아 배출 규제 및 가이드라인을 제정했습니다. 

암모니아 선박의 안전성을 담보하기 위해서는 선박 설계 단계부터 암모니아 독성을 고려한 안전장치와 기술 적용이 중요합니다. 선박 및 제품, 시스템 등의 설계 단계에서 위험도 평가(Risk Assessment)와 선급기관으로부터 안전성을 인증 등을 받는 것이 필수적입니다. 

이에 따라 HD현대는 암모니아 연료공급시스템, 암모니아 추진 운반선, 암모니아 추진 벙커링선을 개발해 한국선급(KR)로부터 개념설계승인(AIP)을 취득했습니다. 또한 부식성을 가진 암모니아에 적합한 소재 연구를 수행했고, 암모니아 저장 시스템, 연료 시스템, 엔진 연소시스템, 배기 후 처리 시스템 등 운전조건을 고려하여 적합한 소재를 선정하였습니다. 선정된 소재는 실증시험 등을 통하여 최종 양산 제품에 반영됩니다.

Q. 암모니아 엔진은 언제쯤 상용화 가능하고 남은 개발 과제는 어떤 게 있는지 궁금합니다.

서재엽 : HD현대중공업의 힘센(HiMSEN)엔진은 2001년 디젤엔진을 시작으로 2012년 LNG DF(이중연료, Dual Fuel)엔진, 2022년 메탄올 DF엔진으로 확장되었습니다. 힘센 암모니아 DF엔진은 1.5 MW급(2000 마력급) 모델이 2024년 8월, 3~5 MW급(5400 마력급) 모델이 2024년 12월 출시 예정입니다. 또한 HD현대중공업은 MAN Energy Solutions사(덴마크)와 2021년부터, WinGD사(스위스)와 2022년부터 2행정 암모니아 대형엔진 공동 개발을 해왔습니다.

무엇보다 글로벌 선주들에 의해 암모니아 추진 선박은 이미 발주가 시작되었습니다. HD한국조선해양이 세계 최초로 수주한 암모니아 추진선은 2026년까지 건조될 예정이며, 해당 선박에 탑재될 암모니아 엔진은 HD현대중공업 엔진기계사업부에서 2025년까지 제작될 예정입니다.

암모니아 엔진 배기가스에는 독성 물질이 포함될 수 있어 유해 배기 배출물을 처리할 수 있는 배기 후 처리 시스템이 적용됩니다. 이에 따라 HD현대는 현재 암모니아 엔진과 병행하여 암모니아 엔진 배기 후처리시스템도 개발하고 있습니다. 

Q. HD현대 암모니아 엔진의 강점은 무엇이고, 향후 암모니아 엔진 시장의 시장성 또는 확장 가능성을 어떻게 보시나요?

서재엽 : HD현대중공업의 힘센 암모니아 엔진은 엔진 출력과 연비 등이 뛰어나고, 고위험 온실가스인 아산화질소(N2O) 발생을 최소화합니다. 또한 암모니아가 연소되지 않고 배기가스로 배출되는 현상을 최소화합니다. 

HD현대는 이러한 암모니아 엔진뿐만 아니라 배기 후처리시스템도 개발 중이기 때문에 향후 고품질의 암모니아 엔진 패키지를 제공, 해외 경쟁사 대비 고성능의 암모니아 DF엔진으로 탄소중립 선박 엔진 시장의 선두를 유지해 나갈 계획입니다.  

또한 향후 암모니아 엔진은 친환경 선박의 주요 동력원으로 자리매김할 것으로 예상됩니다. 

국제해사기구(IMO)는 2023년 7월, 해양환경보호위원회(MEPC) 제80차 회의를 통해 2050년경 탄소중립(Net-Zero)을 달성하기로 했고, 유럽연합(EU)은 이에 앞선 2023년 3월, EU 내 해양 활동에서 발생하는 온실가스 배출량을 감축하기로 했습니다. 온실가스 감축 목표를 달성하는 가장 효과적인 방식 중 하나가 선박의 연료를 탄소중립 연료로 변경하는 것입니다. 암모니아(NH3)는 연료 내에 탄소(C)를 포함하고 있지 않아 연소 시에 이산화탄소(CO2)가 발생하지 않습니다.