[비즈월드] #. 본 발명에 따른 선박용 연료 공급 시스템은 암모니아 연료를 저장하는 하나 이상의 연료 저장 탱크; 상기 하나 이상의 연료 저장 탱크에 연결되며 선박의 암모니아 엔진에 상기 암모니아 연료를 공급하는 연료 공급 탱크; 상기 암모니아 엔진에서 회수되는 잉여 암모니아 연료를 액체 상태의 액체 암모니아와 기체 상태의 기체 암모니아로 분리하는 제1 기액 분리기; 상기 제1 기액 분리기에 의해 분리된 상기 기체 암모니아를 분해하는 암모니아 분해기; 상기 제1 기액 분리기에 의해 분리된 상기 기체 암모니아와 상기 연료 저장 탱크 또는 상기 연료 공급 탱크에서 발생된 증발 가스를 열교환 시키는 제1 열교환기; 그리고 상기 암모니아 엔진의 배기 가스와 상기 암모니아 분해기 내부의 상기 기체 암모니아를 열교환시키는 제2 열교환기;를 포함한다.

대우조선해양㈜이 2020년 5월 13일 출원(출원번호 제1020200057160호)하고 2021년 11월 23일 공개(공개번호 제1020210141817호)한 ‘선박용 연료 공급 시스템’이라는 특허의 요약 설명문이다.

해당 특허는 LNG(liquefied natural gas)나 LPG(liquefied petroleum gas) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 가운데 액화가스는 육상 또는 해상의 가스배관을 통해 가스 상태로 운반되거나 또는 액화된 상태로 액화가스 운반선에 저장된 채 원거리의 소비처로 운반되고 있는 상황에서 운송에 이용되는 선박의 연료를 효율적으로 활용해 대기오염을 줄이도록 하는 기술에 대한 것이다.

LPG 운반선 등에는 선박의 추진 연료로 상대적으로 가격이 저렴한 벙커C유 등의 중유를 사용하는 연료공급 시스템을 채용하고 있다. 이런 중유 연료 공급 시스템은 중유 연료 사용에 대한 국제적인 배기가스 배출 규제 강화로 황 성분이 적은 중유 연료 탱크(LSHFO tank)를 별도로 설치해야 했고 국제적인 환경규제 기준에 적합한 친환경적인 연료공급 시스템의 요구가 급증하고 있다. 

이에 따라 LPG 또는 LNG 운반선에서 LPG 또는 LNG와 그로부터 발생하는 증발 가스를 추진 연료로 사용하는 연료공급시스템을 사용하고 있다. 

그러나 액화천연가스는 황산화물 규제 대응은 물론 미세먼지 및 이산화탄소 저감이 가능하지만 화석연료로 이산화탄소를 배출하기 때문에 완전한 탈탄소화에 한계가 있다.

대우해양조선 연구진은 강화된 국제해사기구(IMO, international maritime organization)의 선박 GHG(greenhouse gas)와 CO2 저감 규정을 따르기 위해 LPG 또는 LNG 이외의 연료로 암모니아 가스를 주목하기 시작했다.

반면 암모니아를 연료로 사용 때 연소 반응성이 다른 연료에 비해서 낮아 배기가스에 미연소 암모니아(암모니아 슬립)를 포함하고 있으며, 미연소 암모니아는 독성 물질의 하나로 알려져 있으며 또 다른 환경 오염의 원인이 될 수 있어 이를 감소시키는 기술개발에 나선 것이다.

이 발명에 위한 선박용 연료 공습 시스템을 대형 LPG 또는 LNG 운반선에 적용할 경우 암모니아 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용해 암모니아 분해기에서 필요한 열을 공급할 수 있으므로 암모니아 연료를 효율적으로 사용할 수 있다는 장점이 생기게 된다.

또 암모니아 분해기에 연결된 암모니아 보일러를 이용해 암모니아 분해기 내부의 기체 암모니아의 온도와 유량을 조절할 수 있어 암모니아 연료를 효율적으로 사용할 수 있으며, 암모니아 엔진에서 연소되지 않고 남은 잉여 암모니아 연료를 회수하고 제1기액 분리기에 의해 분리된

액체 암모니아를 연료공급 탱크 또는 제2암모니아 배관으로 다시 공급할 수 있으므로 암모니아 연료를 효율적으로 사용할 수 있게 된다.

이와 함께 수소나 질소의 사용량이 증가하는 경우 연료 저장 탱크 또는 연료공급 탱크에서 발생하는 증발 가스(Boil Off Gas)와 제2기액 분리기에서 분리된 추가 기체 암모니아의 혼합 기체 암모니아, 잉여 암모니아 연료 중 제1기액 분리기에서 분리된 기체 암모니아를 암모니아 분해기에 공급해 수소와 질소를 생산할 수 있으므로 암모니아 연료를 효율적으로 사용할 수 있다.

해당 특허 기술처럼 최근 선박 건조의 트렌드는 친환경이다.

실제로 특허청(청장 이인실)이 지난 2010년부터 2019년까지 최근 10년 동안 전 세계 특허출원의 85%를 차지하는 우리나라를 비롯해 미국과 유럽연합(EU), 중국, 일본 등 선진 5개국(IP5)의 수소선박 관련 특허 출원 현황을 집계한 결과 연평균 100여건씩 꾸준한 것으로 나타났다.

이 기간 관련 특허 출원인을 국적별 보면 우리나라가 560건으로 수소선박 관련 가장 많이 출원했다. 이어 중국 124건, 미국 123건, 일본 102건, 유럽 92건 순이었다.

10대 다출원인을 보면 대우조선해양이 182건으로 1위에 올랐고 삼성중공업 125건, 한국조선해양 113건으로 국내 대형 조선 3사의 특허출원이 가장 많았다. 이어 독일의 지멘스(76건)와 HDW(35건)으로 상위 5위에 랭크됐다. 

주요국(IP5)의 10대 다출원인의 항목별 출원 점유율을 보면 ▲선박 또는 해양구조물 관련이 절반(48.8%)가량으로 가장 많았으며 ▲연료전지·배터리 분야가 27.3% ▲공업가스 등 연료가 4.5% ▲기타가 19.4% 순이었다.

수소선박 관련 국내 특허 출원의 경우 2010년 이후 점차 증가하는 양상을 보였다. 이 분야에서도 국내 대형 조선 3사가 전체 특허 출원의 대부분을 차지했다.

특허청 측은 “수소시장의 성장과 수소선박 수요 증가가 예상됨에 따라 이를 선점하기 위한 해외 기업들과의 경쟁을 위해 특허 출원의 증가와 국내 기자재업체들의 참여도 예상된다”라고 전망했다.

선박용 수소에너지는 크게 ▲수소생산 ▲수소운반 ▲수소엔진 ▲연료전지 등으로 나뉘는데, 대부분의 특허출원은 연료전지(336건, 54.5%)에 국한되어 있으며, 다음으로 수소생산(187건, 30.3%), 수소운반(73건, 11.8%), 수소엔진(21건, 3.4%) 순으로 나타났다. 

선박용 수소에너지기술 관련 5대 다출원인을 살펴보면 역시 우리나라 대형 조선 3사가 강세를 보였다. 대우조선해양(166건), 삼성중공업(104건), 한국조선해양(93건)으로 상위 3위를 독식했고 일본의 가와사키중공업(22건) 독일의 지멘스(18건) 순으로, 수소에너지기술도 국내 대형 조선 3사가 특허 출원을 주도했다. 

한편 특허청은 수소사회로의 전환에 대비하는 조선업계의 기술개발과 특허전략 수립에 도움을 주기 위해 ‘수소선박’을 발간했다고 14일 밝혔다.

이 책자는 국내 조선사, 조선관련 협회·학회·연구소, 각 대학의 조선 관련 학과 등에 책자로 배포될 예정이며, 특허청 누리집(www.kipo.go.kr)의 간행물 게시판을 통해 내려받을 수 있다.

김학수 특허청 운송기계심사과 심사관은 “‘이번에 발간한 ’수소선박‘은 기후 위기에서 수소선박, 산업 동향, 특허에 이르는 폭넓은 주제와 그래프, 사진 등 다양한 시각적인 데이터를 통해 독자들의 종합적이고 입체적인 이해를 높인 것이 특징이다”라고 말했다.

[비즈월드=정영일 기자 / zprki@bizwnews.com]