[에너지] 청정 해상운송을 위한 풍력 이용
- Rick Laezman
- 4월 17일
- 6분 분량
최종 수정일: 1일 전
풍력발전으로 해상운송의 탄소 배출을 줄이는 방법
원문 링크 보기: Setting Sail to Clean Shipping
*릭 라즈먼(Rick Laezman)
지구 온난화에 대응하려는 노력이 치열해지면서 더 많은 업계가 여기에 동참하고 있다. 해운 업계에서 풍력발전 기술을 비롯한 다양한 혁신 기술을 도입하고 있는 것이다.
풍력을 도입한다고 해서 현대의 항해 선박이 과거 수백 년 전의 거대한 돛과 거대한 돛대로 돌아간다는 의미는 아니다.
대신 바람의 힘을 활용하여 연소 엔진의 효율성을 보완하고 개선하는 최신 기술 발전을 활용한 하이브리드 접근 방식을 사용한다. 이를 통해 해상 선박은 연료 소비와 탄소 배출을 크게 줄일 수 있으며, 다른 청정 에너지 개선과 결합하면 업계가 더 친환경적으로 변모하는 데 도움이 된다.
수 세기에 걸친 항해 혁신
인류는 수천 년 동안 범선을 사용해 왔지만 1800년대 후반부터 기차와 공장, 이후 자동차에 연소기관 기술이 널리 사용되면서 선박이 연소기관으로 전환되기 시작했다. 이제 탄소 배출 감축에 대한 관심이 높아지면서 해운업계가 새롭고 깨끗한 형태의 동력원을 찾게 되면서 풍력이 다시 주목받고 있다.
아이러니컬하게도 연소기관이 다시 활기를 띠고 있을 때, 해운업의 청정 동력원으로 바람의 복귀를 위한 씨앗이 심어지고 있었다.
1852년 베를린 대학교의 실험과학자 하인리히 구스타프 마그누스(Heinnrich Gustav Magnus) 박사는 빠르게 움직이는 공기 흐름 속에서 회전하는 황동 실린더를 사용한 실험에서 관찰한 현상을 설명했다. 그는 회전하는 실린더와 움직이는 공기 사이의 상호작용으로 인해 실린더의 양쪽에 압력 차이가 발생한다는 점에 주목했다.
바람이 부는 방향으로 회전하는 원통의 측면은 높은 압력을, 바람과 같은 방향으로 회전하는 원통의 측면은 낮은 압력을 나타냈다. 이 압력 차이로 인해 원통은 기압이 낮은 쪽을 향해 움직였다.
마그누스 효과는 테니스, 축구, 야구, 농구 등 회전하는 공과 관련된 스포츠에서 가장 흔히 관찰할 수 있다. 예를 들어, 야구 투수가 공을 던질 때 공에 스핀을 가하면 마그누스 효과로 인해 공이 타자에게 향할 때 공중에서 휘어지는데, 이를 ‘커브볼’이라고 한다. 마찬가지로 테니스 선수가 공을 칠 때 마그누스 효과로 인해 공이 네트를 넘어 상대방 선수에게 빠르게 떨어지는데, 이를 ‘톱 스핀’이라고 한다.
이 물리적 현상의 이점은 스포츠에만 국한되지 않는다. 동력 및 추진력에도 사용할 수 있다. 1920년대에 독일의 엔지니어이자 발명가인 안톤 플레트너는 기존의 돛보다 훨씬 효과적인 장치를 개발해 바다를 항해하는 선박의 추진력을 높였다. 현재 플레트너 로터로 알려진 이 장치는 마그누스 효과에 의해 생성된 압력 차를 활용하여 선박에 전진 운동을 부여했다.
선박 표면에 장착된 높은 회전 실린더는 이동하는 테니스 공이나 투구한 야구 공에 가해지는 것과 동일한 압력 차이를 만든다. 공이 경로를 벗어나 휘어진다면, 선박은 압력 차이 또는 ‘양력’으로 인해 앞으로 나아가는 방향으로 추진된다.
로터 돛
현재 여러 현대적 해운 회사들이 연료 효율을 높이고 배기가스를 줄이기 위해 플레트너 기술을 활용하고 개선하고 있다. 예를 들어, 핀란드의 조선업체 노르스파워(Norsepowe)는 선박 갑판에 설치할 수 있는 로터 돛을 제조하는데, 이 돛은 노르스파워 로터 세일로 알려져 있다.
이 회사는 "현대식 풍력 추진 시장의 시작"이라는 자부심을 가지고 있으며, 현재 다른 많은 회사에서 사용하고 있는 ‘로터 세일’이라는 용어를 만들어냈다고 자랑하고 있다. 이 회사는 2014년부터 다양한 유조선, 화물선, 여객선에 18대의 노르스파워 로터 세일(Norsepower Rotor Sails™)을 설치했으며, 향후 1년 반 동안 35대의 추가 주문이 이루어질 것이라고 보고했다.
연기를 뺀 높은 굴뚝을 닮은 노르스 파워 로터 세일은 재활용 플라스틱으로 만든 커다란 원통으로 구성되어 있다. 강철 타워에 장착된 이 실린더의 폭은 약 5m(15피트), 높이는 30m(100피트 미만)에 달한다. 선박의 크기에 따라 갑판에 하나 이상의 돛을 장착할 수 있다. 돛의 스핀은 바람 자체에서 발생하는 것이 아니라, 전기 모터에 의해 스핀이 생성된다.
노르스파워는 로터 세일이 갑판을 가로질러 불어오는 바람에 회전할 때 생성되는 마그누스 효과로 인해 발생하는 추가 추력이 선박의 주 모터를 다시 돌릴 수 있게 해준다고 설명한다. 이를 통해 연료 소비와 탄소 배출을 줄일 수 있다. 또는 돛을 사용하면 연료 소비를 늘리지 않고도 선박의 속도를 높일 수 있다.
노르스파워는 자사의 돛이 기존 돛보다 10배 더 효율적이어서 선박이 연료 소비와 배기가스를 5%에서 25%까지 절감할 수 있다고 말한다. 노르웨이 해운 회사인 시카코(Sea-Cargo)는 화물 적재 트럭이나 트레일러를 싣고 내릴 수 있는 로로(RoRo) 선박 중 한 척에 35미터 x 5미터(114.8피트 x 16.4피트) 크기의 노르스파워 로터 세일(Norsepower Rotor Sails™) 2개를 개조했다. 노르스파워는 2021년 설치로 선박의 배기가스 배출량을 약 25% 줄일 수 있을 것이라는 예측이 정확했음을 보고했다.
로로 선박은 자동차, 건설 장비, 트랙터 및 기타 대형 바퀴가 달린 차량을 운송한다. 2025년 3월, 시카고는 다른 두 척의 로로 선박인 미시나(Misina)와 마사나(Masana)에 이 기술을 장착한다고 발표했다. 각 선박에는 태양 전지판 및 배터리 에너지 저장장치와 결합하여 각 선박의 연료 소비를 50%까지 저감할 수 있는 노르스파워 로터 세일이 세 개씩 장착될 예정이다.
로터 돛과 관련하여 이 기술을 사용하는 조선업체는 노르스파워만이 아니다. 예를 들어 런던에 본사를 둔 아네모이 마린 테크놀로지스는 21미터(66피트)에서 35미터(114피트)까지 다양한 높이의 5가지 로터 돛 라인을 제공한다. 이 회사는 자사의 돛으로 선박의 연료와 배기가스 배출량을 최대 30%까지 절감할 수 있다고 자랑한다. 또한 로터 세일 타워는 접어서 다른 곳으로 옮기거나, 선박 갑판에 설치된 레일을 따라 이동하거나, 같은 회사 소유의 다른 선박으로 이동하여 제거할 수 있어 활용도와 비용 효율성이 뛰어나며, 해운 회사는 화물 선적 공간을 극대화할 수 있다.
아네모이에 따르면, 2018년에 건조된 아프로스호는 세계 최초로 로터 돛을 장착한 벌크선이다. 그리스 해운사 블루 플래닛 쉬핑(Blue Planet Shipping)이 소유한 6만4000 dwt(재화중량톤)의 이 거대한 선박에는 16미터(52피트) 높이의 로터 돛이 4개 장착되어 있으며, 갑판에 설치된 레일을 따라 이동하여 화물을 싣고 내릴 수 있는 공간을 확보할 수 있다.
아네모이는 최근 정기 항로 중 하나에서 로터 돛을 사용하여 연료 73톤과 CO2 235톤을 절감하는 등 12.5%의 연료 저감 효과를 거둔 것으로 추정하고 있다. 이 항로는 2019년 11월부터 2020년 1월까지 중국 난퉁과 캐나다 밴쿠버 사이의 약 1만 1,800해리를 항해했다.
윈드윙스
로터 돛은 마그누스 효과를 활용하지만, 다른 풍력 기술도 선박의 효율성을 개선하는 데 도움이 된다.
2023년 미국 식품 회사 카길, 영국 해양 엔지니어링 회사 바 테크놀로지스(Barr Technologies)는, 일본 다국적 기업 미쓰비시, 노르웨이 친환경 해양 기업 야라 테크놀로지스가 협력하여 바람을 활용하는 새로운 기술인 이른바 '윈드윙'을 출시한다고 발표했다.
윈드윙스는 비행기가 날 수 있는 바람의 추진력과 동일한 추진력을 활용한다. 비행기 날개는 날개의 윗면과 아랫면 사이에 압력 차이를 만들도록 설계되어 있다. 이렇게 하면 비행기를 하늘로 끌어올리는 '양력'이 발생하여 비행기가 충분한 속도로 이동하는 한 그 상태를 유지한다.
윈드윙을 선박 표면에 설치하면 비슷한 양력을 발생시킨다. 하지만 선박을 공중에 띄우는 대신 선박에 전방 추진력을 부여하여 더 빠르게 이동하고 연료 연소 모터의 동력을 낮출 수 있다.
전통적인 돛과 전혀 닮지 않은 윈드윙은 배의 갑판에 직각으로 장착된 비행기 날개와 더 비슷하다.
전통적인 돛과 전혀 닮지 않은 윈드윙은 선박 갑판에 직각으로 장착된 비행기 날개에 더 가깝다. 강철과 복합 건축 자재로 구성된 이 날개는 높이가 최대 37.5m(123피트)에 이른다. 특수 설계된 세 개의 섹션이 있으며, 각 섹션은 바람에 따라 각기 다른 각도로 조정하여 최대 양력을 얻을 수 있다. 바 테크놀로지스(Barr Technologies)는 이 날개가 새로 건조된 선박에서 평균 30%의 연료를 절감할 수 있으며 대체 연료와 함께 사용할 경우 이보다 더 많은 연료를 절감할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
해상 운송 혁신
해상 운송산업은 세계에서 가장 탄소 집약적인 산업 중 하나이다. 2022년 다른 산업에 비해 전 세계 총 배출량에서 차지하는 비중은 2~3%로 상대적으로 낮다. 하지만 여전히 상당한 수치이며, 연간 약 1000억 톤의 총 배출량을 고려할 때 업계는 탈탄소화에 대한 압박에 직면해 있다.
2023년, 해운 부문을 담당하는 유엔 기구인 국제해사기구(IMO)는 배출량 감축을 위한 새로운 기준을 채택했다. 2008년 배출량을 기준으로 삼은 IMO의 새로운 기준은 2030년까지 최소 20%를 감축하되, 30%를 목표로 하고 있다.
IMO의 기준은 2040년까지 최소 70, 80%까지 감축하고 "2050년경 즉 2050년에 가까운 시기에 온실가스 순배출 제로를 달성"할 것을 요구하고 있다.
해운업의 탈탄소화는 쉬운 일이 아니다. 긴 항해, 무거운 적재 화물, 제한된 공간으로 인해 업계에는 효율성을 개선할 수 있는 옵션이 거의 없다.
그러나 주로 액화천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG), 메탄올, 수소, 암모니아, 바이오 연료 등 대체 연료로의 전환을 통해 업계의 탈탄소화를 위한 노력('제로로 가는 모든 길' - 해상 운송, 탈탄소화를 향한 항로, The Earth & I, 2024년 4월 참조)이 진행 중이다.
맨체스터 대학교 틴들 센터의 해운 연구원 사이먼 불럭 박사는 "선박에서 대체 연료로의 전환에는 시간이 걸릴 수 있으므로 돛, 카이트(연), 로터를 장착하는 선박 개조 등 기존 선박의 운영 대책에 모든 것을 쏟아 부어야 한다."면서 "풍력발전은 큰 변화를 가져올 수 있다."라고 덧붙인다.
풍력 기술의 가장 큰 장점 중 하나는 이 천연자원을 풍부하게 공급할 수 있다는 점이다. 미국 내무부 해양에너지관리국에 따르면 해상의 바람은 "육상보다 더 강하고 균일하게 부는 경향이 있다"고 한다. 해상 선박은 이러한 일관된 동력원을 활용하기에 이상적인 위치에 있다.
단점은 비교적 새로운 기술이고 초기 비용이 많이 든다는 점이지만, 기술이 발전함에 따라 비용은 낮아질 것이다. 또한 다른 형태의 풍력발전과 마찬가지로 돛은 바람이 불 때만 작동한다. 또한 이 기술은 복잡하고 선박은 수익을 창출하는 화물 적재 공간을 확보하기 위한 공간적 제약에 직면해 있다.
마지막으로, 해운 회사는 기존 선박 개조와 신규 건조 선박 설치 비용과 대비한 이점을 비교 검토해야 한다. 개조는 비용이 많이 들 수 있지만 더 즉각적인 이점을 제공한다. 풍력 기술을 신규 건조 선박에 설치하면 업계에 혜택을 주기까지 시간이 더 걸릴 수 있지만, 선박 인프라에 보다 포괄적이고 효율적으로 통합할 수 있다.
모두 손을 모아 돕다
풍력 이용 선박에 대한 초기 진전은 더디지만, 비교적 단기간에 업계 전반의 전환이 이루어질 것으로 예상된다. 개빈 올라이트 국제풍력선박협회(IWSA) 사무총장은 "지금이야말로 해상 탈탄소화를 위해 풍력을 선박 연료로 사용할 때"라고 말한다.
IWSA는 2030년까지 전 세계적으로 약 1만 척, 2050년까지 최대 4만 척의 선박에 풍력(보조) 추진장치가 설치될 것으로 전망하고 있다.
지구 온난화와의 싸움에서 모두가 힘을 합쳐야 한다.
◇릭 라즈먼은 캘리포니아주 로스앤젤레스에서 프리랜서 작가로 활동하고 있다. 그는 에너지 효율과 혁신에 대한 열정을 갖고, 10년 이상 재생 에너지 및 기타 관련 주제를 다루고 있다.
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