부산대학교 연구진이 초대형 선박의 표면에 칠하는 도료만 바꿔도 바다에서 선박의 속도가 개선되고 이에 따른 연료 절감 효과를 무려 11% 이상 볼 수 있다는 연구결과를 발표했습니다. 부산대학교 조선해양공학과 이인원·박현 교수팀은 저마찰 선박 방오도료를 재화중량 17만6천 톤급 벌크선에 적용해 실제 해역 운항 시 3.7%의 속도 개선 효과(연료 절감 효과 11.7% 상당)를 검증한 연구 결과를 국제학술지 'Scientific Reports'에 게재했습니다.
- 벌크선
곡물·광석·석탄 등 포장하지 않은 화물을 그대로 적재할 수 있는 화물선입니다.
연료절감형 방오도료 적용한 선박의 5년간의 기록
특히 이번 연구결과는 부산대가 개발한 연료절감형 방오도료를 적용한 선박의 5년간 실제 해역 운항 데이터를 분석한 것입니다. 부산대는 2015년부터 실선 적용을 염두에 두고 방오도료 신소재 개발에 성공한 데 이어 제품 적용, 이번에 발표한 국제 표준에 의한 실제 환경에서의 성능 검증까지 일련의 연구를 수행해왔습니다.
'방오도료'는 해조류나 패각류 등의 해생물이 선체 혹은 해양구조물 표면에 착생하는 오손현상을 막는 선박도료입니다. 해생물이 선체에 착생하면 선체의 표면 거칠기가 증가해 물과의 마찰저항이 증가합니다. 소요동력과 연료소모가 커지고 동일한 속력에서는 선속이 줄어드는 경제적 피해를 야기합니다.
마찰저항 감소시키는 저마찰 방오도료 적용했다
선박 방오도료는 물속에 잠기는 표면에 도장해 해생물 착생을 억제하기 위한 도료로서 모든 선박에 필수적으로 사용됩니다. 마찰저항은 선박 전체 저항의 70% 이상을 차지하기 때문에 전 세계 모든 선박의 마찰저항을 10% 줄이면 연간 47억 달러(한화 5조 원 이상)의 연료비 절감 효과가 있을 것으로 예상된다.
부산대 이인원·박현 교수팀은 앞서 2015년에 저마찰 방오도료를 개발해 해생물 착생으로 인한 저항 증가를 막는 종전의 방오도료 개념을 확장, 해생물이 부착하지 않은 상태에서도 다른 도료에 비해 마찰저항을 줄이는 신기술을 구현했습니다.
이는 마찰저항을 감소시키는 신소재 고분자 수지인 FDR-SPC (Frictional Drag Reducing Self-Polishing Copolymer)를 2015년 세계 최초로 개발해 연구팀의 방오도료에 적용함으로써 가능해졌습니다. FDR-SPC는 마찰저항의 주요인인 난류 소용돌이의 에너지를 흡수하는 고분자 저항저감 성분이 화학적으로 합성된 고분자 물질인데, 물과 접촉하면 가수분해 반응을 통해 고분자 저항저감 성분을 일정한 속도로 수중으로 방출하는 기능을 발휘합니다. FDR-SPC는 매끈한 표면보다 마찰저항이 13.5% 감소하는 결과를 나타낸 바 있습니다.
이인원·박현 교수팀은 FDR-SPC를 기반으로 한 저마찰 방오도료를 개발해 해상 및 선박 침적 시험으로 방오성능을 시험했으며, 조선소 현장 평가를 통한 선박 도장 공정 호환성 시험 등 실선 적용성을 검증했습니다. 아산화동(Cu2O) 방오제를 함유하지 않는 이 방오도료를 2015년 11월 재화중량 17만6천 톤급 벌크선(길이 292m)의 수선 하부 전체 면적에 도장한 시점 이전 1년과 이후 4년, 총 5년간 실 해역 운항 데이터를 수집, 선박의 속도 성능을 분석한 결과가 이번 논문에 게재된 겁니다.
이번 논문의 특징은 다음 두 가지로 요약된다. 첫째, 선박의 운항에 큰 영향을 미치는 조류와 바람, 파도 등의 기상 조건의 영향을 제거하고 선박의 성능을 정량적으로 분석하기 위해 제정된 국제 표준인 ISO19030을 기반으로 저마찰 방오도료가 적용된 선박의 실해역 성능을 검증했다는 점입니다. 두번째로는 3년의 간격을 두고 첫 번째 운항 기간에는 저마찰 방오도료, 두 번째 운항 기간에는 일반 방오도료를 적용함으로써 입거수리(정기검사) 직후의 동일한 선박 상태에서 방오도료만 교체된 객관적인 비교평가 조건을 재현했습니다.
온실가스 배출 줄이는데 도움 될 듯
또한 이 논문에는 2014년 12월부터 약 5년간 570만 회에 걸쳐 계측된 선박 운항 빅데이터를 분석한 결과가 기술돼 있습니다. 저마찰 방오도료와 일반 방오도료가 도장된 직후 각각 1년간의 데이터만을 상호 비교한 결과, 저마찰 방오도료를 도장했을 때 선속이 평균 3.72% 증가하는 것으로 나타납니다. 이를 동일 선속으로 환산하면 소요 동력과 연료 소모량이 11.7% 감소하며, 온실가스 배출량도 동일하게 감소함을 의미합니다.
기후변화를 막기 위해 국제해사기구(IMO)에서는 2050년까지 선박의 온실가스 배출을 종전 수준의 절반으로 감축하는 목표를 설정, 국제적 규제 적용에 나서고 있습니다. 23,000TEU 급 초대형 컨테이너선의 일일 연료 소모량은 약 230톤, 일일 온실가스 배출량은 약 720톤에 달합니다. 연구팀의 저마찰 선박 방오도료를 이러한 선박 단 한 척에만 적용해도 연간 온실가스 배출을 2만 톤 이상 줄일 수 있으며, 이는 승용차 3,500대가 연간 배출하는 양에 필적합니다.
부산대 조선해양공학과 이인원 교수는 "선박의 마찰저항을 줄였을 때의 막대한 경제적·환경적 파급 효과 때문에 지난 30여 년 동안 수많은 기술이 제안돼, 실험실 내 이상적인 평가 환경 속에서 효과를 입증한 논문이 다수 출판됐다"며 "하지만 대부분의 기초 연구들이 방오성능이나 선박 적용성 측면에서 한계점을 갖고 있어 제한된 사례만이 제품 응용이나 실선 적용까지 진행됐을 뿐, 이번 연구와 같이 완벽한 실선 성능 비교 검증 환경을 재현해 시험한 경우는 드물다"고 설명했습니다.
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