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IMO의 MARPOL 부속서 VI 및 NOx 기술 규격 소개
국제해사기구(IMO)의 MARPOL 부속서 VI는 선박 엔진에서 배출되는 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 및 미세입자(PM)에 대해 전 세계적으로 엄격한 규제를 시행하고 있습니다. 이 규정은 2005년 처음 도입된 이후 여러 차례 개정되었습니다. 주로 출력이 130kW를 초과하는 대형 엔진에 적용되며, 엔진의 제조 또는 설치 시기에 따라 NOx 배출 기준이 서로 다른 등급(Tier)으로 구분됩니다. 2020년 국제적인 유황 함량 기준이 해상용 연료의 황 함유량 0.50%로 급격히 하향 조정되면서, 선사들은 배기 가스 세척장치(스크러버)에 막대한 투자를 하거나 액화천연가스(LNG)와 같은 대체 연료로 전면 전환할 수밖에 없었습니다. 이러한 규제 변화는 해운 산업 전반에 걸쳐 거대한 시장 변혁을 촉발시켰습니다.
해양 디젤 발전기 배출가스 규제에서 국제해사기구(IMO)의 역할
국제해사기구(IMO)는 전 세계 175개 회원국의 배출 규제를 표준화하기 위해 노력하고 있습니다. 이는 전 세계 선박들이 유사한 테스트를 거치고, 비슷한 방식으로 인증을 받으며, 해양 디젤 엔진과 관련하여 일관된 규제 집행을 받는다는 것을 의미합니다. 이 기구의 NOx 기술 규격은 제조업체가 실제 운전 조건에서의 성능을 반영하는 형식 승인을 통해 엔진이 규정 기준을 충족함을 입증하도록 요구합니다. 기업들은 엔진이 다양한 부하 조건에서 어떤 배출물질을 얼마나 배출하는지에 대한 상세한 정보를 제공해야 합니다. 이러한 요구사항은 미국 환경보호청(EPA)과 같은 기관들과의 협력을 조율하는 데 도움이 되며, 글로벌 기준과 지역 규제 간의 원활한 협력을 가능하게 합니다. 국제 기준과 국가별 규정이 더욱 잘 조율될수록 전 세계 선박 운항사들의 법규 준수가 보다 쉬워집니다.
배출 기준이 해양용 디젤 발전기 설계 및 운영에 미치는 영향
요즘 현대적인 해양 디젤 발전기는 엄격한 Tier III 기준을 준수해야 하므로, 제조업체들은 선택적 촉매 환원 시스템, 개선된 연소실 설계, 그리고 연료 분사에 대한 훨씬 정밀한 제어와 같은 장치들을 도입하기 시작했습니다. 이러한 모든 개선 조치들은 질소산화물 배출을 크게 줄였으며, Raju와 동료들이 2021년에 수행한 연구에 따르면 오래된 엔진이 배출하던 수준보다 약 80% 정도 감소되었습니다. 또 다른 큰 변화는 산업 전반에서 초저유황 디젤(ultra low sulfur diesel) 사용이 일반화된 것입니다. 이 청정 연료는 해상에서 매일 지속적으로 요구되는 운용 신뢰성을 해치지 않으면서도 미세입자 물질 배출을 약 4분의 3가량 감축하는 데 기여합니다.
등급 분류 체계: Tier 1에서 Tier 3 준수까지
해양 디젤 엔진의 Tier 1, Tier 2, Tier 3 배출 한도 비교
국제해사기구(IMO)가 설정한 질소산화물 배출 기준에 따라 선박용 디젤 엔진은 세 가지 서로 다른 등급으로 분류된다. 첫 번째 등급은 2000년 이전에 제작된 엔진으로, 당시에는 NOx를 킬로와트시당 최대 14.4그램까지 배출할 수 있었다. 2011년 이후에는 연소 기술의 개선으로 허용 배출량이 7.7g/kWh로 약 절반 수준으로 낮아진 Tier 2 기준이 적용되었다. 이후 2016년부터는 특정 지역에서만 적용되는 Tier 3 규제가 시행되어, 선박이 NOx 배출량을 2.0g/kWh로만 제한해야 한다. 이는 초기에 허용되던 수준 대비 약 80% 감소한 것으로 매우 인상적인 수치이다. 이러한 최신 엔진들은 종종 선택적 촉매환원장치(SCR) 또는 배기가스 재순환(EGR) 기술을 활용하여 엄격한 배출 기준을 충족한다. 미세입자 물질(PM) 배출 한도를 살펴보면 유사한 추세를 보이며, Tier 1에서는 0.40g/kWh이었던 것이 Tier 3 엔진에서는 0.10g/kWh로 줄어들었다.
| 레벨 | NOx 한도 (g/kWh) | PM 한도 (g/kWh) | 시행 기간 |
|---|---|---|---|
| Tier 1 | ≤ 14.4 | ≤ 0.40 | 2000–2011 |
| 2단계 | ≤ 7.7 | ≤ 0.20 | 2011–2016 |
| 3급 | ≤ 2.0 | ≤ 0.10 | 2016–현재 |
배출 통제 지역(ECAs)에서의 Tier 3 규정 준수 요건
북미 해안 및 발트해와 같은 배출 통제 지역에서 운항하는 선박은 이전의 Tier 1 엔진 대비 질소산화물 배출을 80% 줄여야 하는 Tier 3 기준을 충족해야 합니다. 대부분의 선사들은 이 요구사항에 대응하기 위해 두 가지 방법 중 하나를 선택합니다. 일부는 기존 발전기에 선택적 촉매 환원 시스템을 설치하는 반면, 다른 일부는 액화천연가스(LNG) 기반 하이브리드 선박으로 전환합니다. 이러한 지역에서는 황 함량 규제도 매우 엄격하여 최대 허용 한도가 0.10%에 불과합니다. 이를 준수하기 위해 선박들은 특수한 저황 연료를 사용하거나 배기가스가 굴뚝을 빠져나가기 전에 정화하는 고가의 스크러버 기술에 투자해야 합니다.
사례 연구: 북미 ECA 내 운항 선박에 대한 Tier 3 시행
2023년에 연구자들은 북미 ECA 지역에서 운항 중인 24척의 화물선을 조사한 결과 흥미로운 사실을 발견했다. 엔진을 Tier 3 기준으로 업그레이드한 선박들의 질소산화물 배출량은 이전의 Tier 1 모델 대비 약 92% 감소했다. 그러나 많은 선사들에게는 문제가 있었다. 새로운 시스템은 정기적인 SCR 필터 교체가 필요해 약 3분의 1에 달하는 선사들이 더 큰 수리 비용을 부담하게 되었으며, 이러한 추가 비용은 매년 약 1만 8천 달러에서 4만 5천 달러 사이로 발생했다. 그럼에도 불구하고 국제해사기구(IMO)의 작년 점검 결과, 전체 선박의 약 100대 중 89대는 규정을 준수하고 있는 것으로 나타났다. 규정을 준수하지 않은 선박들은 위반 건당 평균 약 32만 달러의 과징금을 부과받았다. 이러한 복잡한 시스템을 보다 효과적으로 관리하기 위해, 해운 업계에서는 예지정비 소프트웨어를 도입하는 사례가 늘고 있으며, 이는 후처리 시스템이 제대로 작동하도록 유지하면서 중요한 운항 중에 예기치 못한 고장을 최소화하는 데 도움을 준다.
선박용 디젤 발전기의 Tier 4 기준 적용 가능성 평가
최종 Tier 4 규제: 육상 엔진 기준에서 비롯된 유래
Tier 4 배출 기준은 처음에 육상 비도로용 엔진에 대한 요구사항으로 시작되어, 제조사들이 새로운 후처리 기술을 통해 질소산화물과 미세입자 물질을 줄이도록 촉진했습니다. 국제해사기구(IMO)는 아직 이러한 기준을 선박에 적용하지는 않았지만, 향후 해양 규제에 동일한 개념 중 일부를 도입하는 방안에 대해 지속적으로 논의하고 있습니다. 그러나 공간 제약과 해상 운용을 위한 서로 다른 엔지니어링 요구조건으로 인해 육상용 솔루션을 선박에 직접 적용하는 데에는 실질적인 어려움이 존재합니다.
해양 응용 분야에 Tier 4 요건을 적용할 때의 기술적 과제
해양용 디젤 발전기에 Tier 4 수준의 시스템을 적용하는 것은 그리 간단한 일이 아니다. 선택적 촉매 환원(SCR) 장치 및 디젤 입자 필터(DPF)와 같은 후처리 장치는 Tier 3 구성에 비해 약 18~25% 더 많은 공간을 차지한다. 게다가 이러한 부품들은 해상의 혹독한 환경에 노출될 경우 내구성을 유지하기 어렵다. 북미 해양 디젤 엔진 시장에 대한 최근 보고서는 또 다른 중요한 점을 지적하고 있다. 배 안에서는 바닷물이 곳곳으로 침투하게 되며, 끊임없는 진동으로 인해 부품들이 더 빨리 마모된다. 특히 SCR 촉매의 경우, 육상에서 사용되는 유사 장비에 비해 수명이 약 40% 정도 단축된다. 이는 시간이 지남에 따라 해양 환경이 기계 시스템에 훨씬 더 큰 부담을 준다는 점을 고려하면 타당한 결과이다.
업계 논의: Tier 4가 해양용 디젤 발전기 시스템에 실현 가능한가?
해운업계는 현재 이 문제에 대해 의견이 분분한 상황이다. 운항사들을 대상으로 실시한 설문조사를 살펴보면, 약 62%가 기존 선박 설계에는 Tier 4 규정 시스템에 필요한 적절한 전력 분배를 위한 공간이 부족하다고 답했다. 이러한 규제의 지지자들은 오히려 하이브리드 엔진의 사용을 촉진할 것이라고 주장하지만, 현장에서 일하는 사람들은 디젤 입자 필터를 450~500시간의 운전 시간마다 청소해야 한다는 점에 우려를 표하고 있다. 이런 정기적인 유지보수는 작업 일정에 상당한 차질을 빚게 한다. 모듈식 배기가스 처리 장치에 대한 기대도 있지만, 대부분의 전문가들은 아직까지는 널리 fleet에 도입하기 전에 최소 2~3년간 실제 해상 운항 테스트가 필요하다고 동의하고 있다.
선박용 압축착화 엔진에 대한 인증 및 규제 체계
출력별 해양용 압축착화 엔진에 대한 EPA 분류
해양용 압축착화 엔진은 출력에 따라 다양한 범주로 분류되며, 이는 EPA가 특정 배출 규제 조치를 시행할 수 있도록 하기 위함이다. 37킬로와트를 초과하는 출력을 내는 엔진의 경우, 비도로용 엔진 규정에 따라 질소산화물 및 미세입자 물질에 대한 더욱 엄격한 제한이 적용된다. 상업용 선박 운항에서 사용되는 대형 엔진은 이러한 요구사항을 준수하기 위해 매우 정교한 기술을 도입해야 한다. 예를 들어, 배기가스 재순환 시스템 또는 선택적 촉매환원 장치와 같은 설비는 해상에서 법적 기준을 준수하면서도 효율적으로 운항하려는 선박들에게 필수적인 추가 장치가 되었다.
미국 연방 규정에 따른 해양용 디젤 발전기 인증 절차
미국의 인증 절차는 해양 응용 분야에 대해 상당히 엄격한 테스트를 요구하며, 보트가 수상에서 실제로 겪는 다양한 특정 운전 주기를 모두 포함합니다. 이는 엔진에 과도 부하를 가하는 시험과 시간이 지남에 따라 실제 해수 조건에 노출되었을 때 발생하는 현상을 시뮬레이션하는 것을 의미합니다. 최신 연방 규정에 따르면 제조업체는 엔진이 주장하는 출력 성능의 최소 80퍼센트 이상에서 기준을 충족함을 입증해야 합니다. 또한 몇 가지 중요한 검토 단계가 존재합니다. 첫째, 생산 시작 전에 다양한 엔진 제어 기술에 대한 승인을 받는 것입니다. 둘째, 장비의 전체 수명인 10,000시간 동안 배출가스가 허용 한도 내에 유지되도록 구성 부품들이 자연적으로 열화되는 정도를 반영해야 합니다. 이러한 일련의 절차를 통해 인증된 해양용 엔진이 혹독한 환경에서 수년간 지속적으로 작동한 후에도 신뢰성 있게 성능을 발휘할 수 있도록 보장합니다.
국가 및 국제 규제 요건의 조율
EPA 티어 4 기준은 이전 티어 1 장비 대비 약 90% 정도 낮은 NOx 배출을 요구하고 있습니다. 한편 국제해사기구(IMO)는 MARPOL 부속서 VI 규정을 통해 SOx와 NOx 배출을 통제하기 위해 활발히 노력하고 있습니다. 오늘날 선박용 디젤 발전기는 종종 다양한 규제 요건을 충족할 수 있도록 듀얼 연료 옵션과 모듈식 처리 시스템을 갖추고 있습니다. 전 세계적으로 사용되는 엔진을 제조하는 기업들에게 있어, 이러한 다양한 시험 방법과 배출 목표를 일치시키는 것은 단순히 유리한 것을 넘어, 제품을 지역마다 새로 설계하지 않고도 각기 다른 지역에서 경쟁력을 유지하기 위해 필수적입니다.
자주 묻는 질문
MARPOL 부속서 VI의 주요 목적은 무엇입니까?
MARPOL 부속서 VI의 주요 목적은 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 및 미세입자(PM) 배출을 통제함으로써 선박 엔진에서 발생하는 대기오염을 줄이는 것입니다.
Tier 3 배출 기준이 중요한 이유는 무엇인가요?
Tier 3 배출 기준은 오래된 기준에 비해 NOx 배출을 약 80% 크게 줄이기 때문에 중요하며, 배출 통제 지역(ECAs) 내에서 깨끗한 공기를 보장하고 규정을 준수할 수 있도록 합니다.
선박 운항사들이 Tier 4 기준에서 직면하는 어려움은 무엇인가요?
선박 운항사들은 디젤 입자 필터의 공간 제약과 정기적인 유지보수가 필요하다는 점 때문에 Tier 4 기준에서 어려움을 겪고 있으며, 이는 운항 일정에 차질을 줄 수 있습니다.
LNG와 같은 대체 연료가 배출 기준 준수에 어떻게 도움이 되나요?
액화천연가스(LNG)와 같은 대체 연료는 기존 선박용 연료에 비해 배출물질을 적게 발생시켜 황 및 질소산화물 배출 한도를 준수하는 데 도움을 줍니다.