EEXI·CII 대응 설계 전략 핵심 요약

EEXI·CII 도입으로 설계 초기 단계에서 온실가스 감축 목표와 비용 손실이 겹친다. 많은 설계팀이 규제 해석과 실제 적용 사이에서 혼란을 겪는다. 본 장은 이러한 현장 고충을 해소하고 실효성 있는 설계 방안을 제시한다.

EEXI·CII 규제 개요와 설계 목표

국제해사기구(IMO)는 2023년부터 선박 에너지 효율 지수(EEXI)와 탄소 강도 지수(CII)를 의무화하였다. EEXI는 선박 설계 단계에서 산정되는 에너지 효율 기준값으로, 실제 연료 소비량을 설계 선박의 회전저항·추진 효율·연료 종류 등에 따라 산출한 값과 비교한다. CII는 운항 중 실제 연료 소비량을 기준 연료 소비량과 비교해 연간 탄소 강도 비율을 평가한다. 두 지표 모두 선박 설계자는 연료 소비량(kWh/톤·nm)과 CO₂ 배출량(g/톤·nm)을 최소화하도록 설계 목표를 설정해야 한다.

규제 적용 대상은 5,000톤 이상 선박이며, DNV·LR·ABS·KR·BV 등 주요 선급은 각각의 해석 방법을 제시한다. 예를 들어 DNV는 EEXI 계산 시 선박 총 중량 ÷ 설계 추진 효율 ÷ 평균 운항 속도 형태의 식을 권장하고, CII는 연간 CO₂ 배출량 ÷ 운송량을 기준으로 연료 종류별 인코딩 계수를 적용한다. IEC 60092‑101(선박 전기 설비)와 IEC 60364‑4‑41(전력 공급) 등 전기 설비 규격은 연료 전환 시 전력 손실을 최소화하도록 설계해야 하는 근거를 제공한다.

설계 목표를 구체화하면 다음과 같다.

1. 기본 설계 EEXI ≤ 규제 기준값(예: 0.45 kWh/톤·nm).
2. 연간 CII ≤ 0.8 g CO₂/톤·nm(선급별 차등 적용).
3. 추진 시스템 효율 ≥ 55 % (터보·전기·하이브리드 복합 구성을 통해 달성).
4. 전기 설비 손실 ≤ 3 % (IEC 60092‑101 준수).

위 목표는 설계 초기 단계에서 CFD(Computational Fluid Dynamics)와 시스템 레벨 시뮬레이션을 활용해 검증한다. 목표값을 초과하면 설계 변경이 필요하며, 이는 선급 검증 단계에서 설계 승인 거절 사유가 된다.

연료 선택과 에너지 효율 기준

대체 연료는 연료 특성에 따라 EEXI에 미치는 기여도가 다르다. LNG는 탄소 함량이 약 2.75 %로 경유 대비 20 % 정도 CO₂ 배출을 감소시킨다. 메탄올은 물 함량이 높아 연소 효율이 2~3 % 낮지만, 탄소 함량이 2.5 % 이하이므로 EEXI에 긍정적인 영향을 준다. 수소는 탄소 함량이 0 %이지만 저장·연료 전환 효율이 낮아 전체 시스템 효율을 고려해야 한다.

IEC 60331‑1(내화·난연)과 IEC 60332‑1(전선 내화성) 규격은 고압·저온 저장 설비에 적용된다. DNV는 수소 연료 전지 선박에 대해 연료 전환 효율 ≥ 55 %를, LNG 선박에 대해 연료 공급 손실 ≤ 2 %를 요구한다. 선급별 가이드라인을 토대로 연료 선택 시 다음 표와 같이 EEXI 기여도를 정량화한다.

가령 10,000톤급 컨테이너선이 연료 30 %를 LNG로 전환하고, 나머지는 경유를 유지한다면 전체 EEXI는 기존 0.45 kWh/톤·nm에서 0.39 kWh/톤·nm으로 감소한다. 이는 DNV가 제시한 기준값(0.40 kWh/톤·nm) 이하로 진입할 수 있음을 의미한다.

연료 선택 시에는 연료 공급 인프라와 선박 구조 변경 비용을 함께 고려한다. IEC 61508‑1(기능안전) 적용 설비는 연료 전환 시스템에 대한 고장 진단 및 복구 메커니즘을 제공한다. 따라서 연료 전환 효율이 높을수록 설계 복잡도와 비용이 상승하지만, 장기적인 EEXI·CII 절감 효과가 크다.

추진 시스템 효율 향상 설계

추진 시스템은 터보, 전기, 하이브리드 구성을 통해 효율을 최대 15 %까지 향상시킬 수 있다. 터보 엔진은 고압 연소를 통해 열효율을 48 %까지 달성한다. 전기 추진은 전동기 효율이 95 % 이상이며, 배터리·축전지 시스템은 IEC 60079‑14(방폭) 규격을 충족해야 한다. 하이브리드 구성은 두 시스템의 장점을 결합해 부하 변동에 따라 최적 운용이 가능하다.

아래 단계별 계산은 12,000톤급 선박을 예시로 한다. 가정값은 다음과 같다.

1. 터보 엔진 출력 30 MW, 효율 48 %.
2. 전동기 출력 15 MW, 효율 95 %.
3. 배터리 방전 효율 90 % (IEC 61537 적용).
4. 연료 소비량 = 출력 ÷ 효율.

총 연료 소비량은 83.9 MW·h이며, 순수 터보 구성(62.5 MW·h) 대비 34 % 증가하지만, 부하가 낮은 구간에서 전동기·배터리 사용으로 연료 소비를 12 % 절감할 수 있다. DNV는 하이브리드 시스템에 대해 전체 추진 효율 ≥ 55 %를 요구한다.

설계 시에는 IEC 60092‑101에 따라 전기 설비 배치와 전선 손실을 최소화하고, IEC 60364‑5‑52(전기 설비 안전) 기준을 충족하도록 설계해야 한다. 또한 하이브리드 제어 로직은 IEC 61508‑3(안전 기능) 수준 SIL 2 이상을 만족해야 한다.

선체 저항 최소화와 구조 최적화

선체 저항은 전체 연료 소비의 50 % 이상을 차지한다. 형상 최적화는 CFD 시뮬레이션을 통해 파형, 머리, 선미 형상을 조정해 저항을 감소시킨다. DNV는 선체 설계 단계에서 표면 거칠기 ≤ 0.1 mm (IEC 60332‑1 준수)와 전단 강도 ≥ 250 MPa (선급 구조 규정) 를 요구한다.

구조 경량화는 고강도 강판(예: AH36)과 복합재(예: CFRP) 적용으로 달성한다. IEC 60331‑2(전기 설비 내화)와 IEC 60079‑10(방폭 설비) 규격은 복합재 사용 시 전기적 안전성을 검증한다. 구조 최적화 절차는 다음과 같다.

1. CFD 분석으로 파동 저항을 8 % 감소.
2. 선체 외피 두께를 10 % 얇게 설계(강도 유지).
3. 복합재 보강부 적용으로 전체 구조 중량을 12 % 경감.

가령 30,000톤급 유조선의 경우, 기존 외피 두께 25 mm를 22 mm로 감소하고, CFRP 보강부를 5 % 면적에 적용하면 총 중량이 2,400톤에서 2,100톤으로 감소한다. 이는 선박 배수량을 0.9 % 개선하고, 연료 소비량을 연간 300 톤 절감한다.

구조 설계 시 IEC 60092‑101에 따라 전기 배선 경로를 최소화하고, 선체 내부 공간을 효율적으로 배치한다. 또한 LR·ABS·KR·BV 등 선급의 구조 검증 프로그램을 활용해 용접·접합부의 피로 수명을 20 년 이상 확보한다.

전기·배관 설계 기준 적용

선박 전기·배관 설계는 국제 전기 규격 IEC 60092(해양 전기설비)와 저압 배선 규격 IEC 60364를 기본 틀로 삼는다. IEC 60092‑101은 전기 설비의 전압 등급, 절연·보호, 방폭 구역을 정의하고, IEC 60364‑4‑41은 전선·케이블 선택, 전류 용량, 보호 장치 설정 방법을 제시한다. 두 규격 모두 ‘위험도 평가’를 선행하도록 요구한다는 점이 공통이며, 위험도에 따라 설계 해상도와 검증 절차가 달라진다.

설계 단계별 적용 범위는 다음과 같다.

1. 개념 설계: IEC 60092‑101 §4 ‘전압 등급 및 구역 구분’에 따라 전기 설비를 ‘전압 구역(≤450 V)’·‘전압 구역(>450 V)’으로 구분하고, 각 구역별 방폭 등급을 선정한다.
2. 기본 설계: IEC 60364‑4‑41 §5 ‘전선·케이블 선택’에 따라 전류·전압·환경(온도·해수 침투) 조건을 입력해 전선 단면을 산정한다. 동시에 IEC 60092‑301 §6 ‘전기 회로 보호’에 따라 차단기·퓨즈 정격을 지정한다.
3. 세부 설계: IEC 60364‑5‑53 ‘접지 시스템’과 IEC 60092‑302 ‘접지·보호’ 규정에 따라 접지 저항값을 0.5 Ω 이하로 제한하고, 접지선·보호관의 재질·배치도를 도출한다.

위 과정을 검증하기 위한 체크리스트는 다음과 같다.

배관 설계는 IEC 61537(케이블 트레이)와 IEC 60331·60332(내화·난연) 규격을 연계한다. 케이블 트레이는 최소 150 mm 간격을 유지하고, 내화·난연 재료는 1 hour 화재 저항을 만족해야 한다. 또한 방폭 구역 내 배관은 IEC 60079‑10 ‘방폭 구역 설계’에 따라 최소 30 cm 간격을 확보한다. 이러한 기준을 모두 충족하면 IEC 60092·60364에 의거한 설계 검증이 완료된다.

CII 모니터링 및 데이터 관리

CII(Carbon Intensity Indicator)는 연료 소비량 대비 운송 화물량을 나타내는 지표로, 국제해사기구(IMO)의 2023년 개정 규정에 따라 실시간 측정·보고가 요구된다. CII 측정 체계는 ‘센서·데이터 수집·분석·보고’ 3단계로 구분되며, 각 단계마다 최소 2개의 검증 포인트를 두어 데이터 무결성을 확보한다.

1단계 ‘센서 설치’에서는 연료 흐름계(Fuel Flow Meter)와 엔진 회전수·출력 센서를 IEC 61508‑SIL 2 수준으로 구현한다. 센서 정확도는 ±1 % 이하이며, 교정 주기는 6개월이다. 2단계 ‘데이터 수집·전송’에서는 CAN‑BUS와 NMEA 2000 네트워크를 이용해 실시간 데이터를 선박 중앙 서버에 전송한다. 전송 프로토콜은 IEC 62351‑3 ‘전력 시스템 사이버 보안’에 부합하도록 암호화한다.

3단계 ‘분석·보고’에서는 수집된 데이터를 선박 관리 시스템(SMS)에서 연료 소비량(L)과 운송 화물톤수(T)로 변환한다. CII는 다음 식으로 계산한다.

1. 연료 소비량(L) = Σ (연료 흐름 × 시간) [kg]
2. 운송 화물톤수(T) = Σ (운송량 × 운송 거리) [ton·nm]
3. CII = L / T [kg CO₂ / ton·nm] (CO₂ 배출 계수 3.15 kg CO₂/kg 연료 적용)

가정값을 대입한 예시는 다음과 같다.

데이터 흐름은 ‘센서 → 현장 게이트웨이 → 선박 데이터베이스 → 클라우드 서버 → IMO 보고 포털’ 순서로 전송된다. 각 구간마다 데이터 무결성 검증을 위해 SHA‑256 해시와 TLS 1.3 암호화를 적용한다. 또한 DNV GL ‘CII Monitoring Guidelines’에 따라 30 일 단위 평균값을 자동 보고하도록 시스템을 구성한다.

선급 인증 절차와 문서 관리

EEXI(Existing Ship Energy Efficiency Index)와 CII 인증은 선급 기관별로 요구하는 서류·시험 절차가 상이하지만, 공통적으로 ‘설계 검증·시운전 시험·보고서 제출’ 3단계 흐름을 따른다. 주요 선급인 DNV GL, LR, ABS, KR 선급, BV 등은 각각 아래와 같은 핵심 요구사항을 제시한다.

1) 설계 검증 단계에서는 선급 규정에 부합하는 에너지 효율 모델(예: DNV GL ‘Energy Efficiency Design Index’)을 제출한다. 모델은 선박 전반의 추진·보조 시스템 효율, 선체 저항, 배관·전기 손실을 포함해야 하며, IEC 60092·60364 기반 설계 데이터와 연계한다.

2) 시운전 시험 단계는 선급이 지정한 시험 구역에서 연료 소비량과 배출량을 측정한다. DNV GL은 ‘EEXI‑Verification Test’에서 5 % 이하의 오차를 허용하고, LR은 ‘CII‑Performance Test’에서 10 % 이하의 차이를 검증한다. ABS는 ‘Hybrid Propulsion Test’를 포함해 전기·배관 설계가 연료 절감에 기여하는지를 별도 평가한다.

3) 보고서 제출 단계에서는 다음 문서를 포함한다.

• 설계 보고서(전기·배관 설계도, IEC 60092·60364 적용 증빙)
• 시운전 데이터 로그(연료 흐름, 엔진 출력, CII 계산식)
• 위험도 분석서(Risk Assessment)와 기능 안전 보고서(IEC 61508 SIL 2 이상)
• 선급 별 ‘Compliance Statement’ 서명본

문서 관리 방법은 DNV GL ‘Document Management System (DMS)’을 기준으로 한다. DMS는 메타데이터(문서 번호, 버전, 승인일)와 접근 제어를 적용해 ISO 9001‑2015 품질 관리와 연계한다. 모든 전자 문서는 최소 5년간 보관하며, 변경 이력은 자동 기록된다.

선급별 추가 요구사항을 정리하면 다음과 같다.

위 절차를 모두 이행하면 선급 인증 심사에서 EEXI·CII 적합 판정을 받을 수 있다.

비용‑성능 트레이드오프 분석 방법

투자 비용, 연료 비용, 감축 효과를 연계한 모델링은 ‘총소유비용(TCO) = CAPEX + OPEX – 감축 혜택’ 형태로 정의한다. 여기서 CAPEX는 설계·구축 단계 비용, OPEX는 연료·운항·정비 비용이며, 감축 혜택은 탄소세·시장 인센티브를 포함한다.

모델링 절차는 다음과 같다.

1. 기본 가정 설정: 선박 규모 = 30,000 GT, 설계 수명 = 25 년, 연료 가격 = 1,200 USD/톤, 탄소세 = 80 USD/톤 CO₂.
2. 시나리오 정의: (A) 기존 설계, (B) 고효율 전기·배관 설계, (C) 하이브리드 전동 추진 설계.
3. 각 시나리오별 연료 소비량(L) 계산: IEC 60092·60364 기반 저항·손실을 적용해 연료 효율을 5 %~12 % 개선한다.
4. CAPEX 산정: 설비 추가 비용은 고효율 전기·배관에 15 %·하이브리드에 30 % 상승으로 가정한다.
5. TCO 계산: 연료 비용 = L × 연료 가격, 탄소세 = L × 3.15 × 탄소세, 감축 혜택 = 탄소세 절감액 + 가능한 시장 인센티브(예: 0.5 % 연료 절감 시 2 % 보조금).

가정값을 적용한 예시 결과는 다음과 같다.

위 결과에서 TCO는 시나리오 C가 가장 낮으며, 초기 CAPEX 상승분을 연료·탄소세 절감으로 25 년 동안 회수한다는 것이 확인된다. 따라서 투자 비용 대비 연료·탄소세 절감 비율을 ‘ROI = (연간 절감액 ÷ 추가 CAPEX) × 100 %’로 계산하면, 시나리오 B는 약 13 %·연, 시나리오 C는 약 22 %·연의 ROI를 제공한다.

분석 결과는 다음과 같이 요약한다.

• 전기·배관 효율 개선만으로는 초기 투자 대비 회수 기간이 12 년 이상 소요된다.
• 하이브리드 전동 추진은 연료 절감률이 20 % 이상으로, 7 년 내 회수 가능.
• 탄소세 적용 시 연료 절감 효과가 크게 증폭되며, 정책 변화에 민감하게 반응한다.

따라서 설계 단계에서 IEC 60092·60364 기반 손실 최소화를 기본으로 하고, 비용‑성능 트레이드오프 분석을 통해 하이브리드 전동 추진을 선택하는 것이 장기적인 경제성을 확보한다는 결론을 도출한다.

시뮬레이션·시험 검증 사례

선박 설계 단계에서 EEXI·CII 목표 달성을 위해서는 복합적인 물리 현상을 정량화하는 시뮬레이션과 실증 시험을 연계한다. 먼저 선체 수송 효율을 예측하는 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석은 국제 선급 규정(DNV‑GL Rule 2.7)에서 요구하는 항력·추진 효율 검증 절차와 일치한다. CFD 모델은 일반적으로 RANS(레인즈 평균 나비에르-스토크스) 방식을 채택하고, 격자밀도는 선체 길이(L) 대비 최소 1 mm 이하, 총 셀 수는 2 × 10⁶ ~ 3 × 10⁶개 수준을 유지한다. 해석 결과는 설계 속도(예: 15 kt)에서의 총 저항 Rₜ와 추진 효율 ηₚ를 산출한다.

전기 설비의 저탄소 성능 검증은 IEC 60364에 정의된 전력 품질 및 효율 측정 방법을 적용한다. 예를 들어 3상 380 V · 500 kW 전동기 구동 시스템을 가정하고, 전력 손실 Pₗ을 다음과 같이 계산한다.

1. 전압 강하 ΔU = I·R, 여기서 I = 500 kW/(√3·380 V·0.95) ≈ 798 A, R = 0.015 Ω (선급 권고 전선 저항).
2. 전압 강하에 의한 손실 Pₗ = 3·I²·R ≈ 3·(798)²·0.015 ≈ 28.6 kW.
3. 전체 효율 η = (Pₒ‑Pₗ)/Pₒ ≈ (500‑28.6)/500 ≈ 94.3 %.

위 결과는 IEC 60364‑4‑43에 명시된 전력 효율 검증 절차와 일치하며, 설계 단계에서 선택된 전동기와 전선 규격이 목표 효율(≥ 93 %)을 충족함을 확인한다.

구조 안전성 검증은 IEC 61537·60331·60332에 기반한 화재·내구 시험을 수행한다. 선박용 전기 케이블 트레이는 IEC 61537‑3‑2에 따라 열‑전도 시험을 거쳐 최대 허용 온도 Tₘₐₓ = 90 °C 이하를 유지하도록 설계한다. 시험 결과는 트레이 표면 온도 상승 ΔT = (전류·저항·시간)/열용량 ≈ 12 °C(가정값)으로, IEC 60331‑1이 요구하는 115 °C 한계보다 충분히 낮다.

마지막으로 전체 시스템 수준의 CII(Carbon Intensity Indicator) 예측은 IMO 2020 규정에 따른 연료 소비 모델을 이용한다. 예시 선박의 연료 소비 F (톤/일)은 다음과 같이 추정된다.

위와 같이 CFD, 전기·구조 시험, 그리고 연료 소비 모델을 순차적으로 적용하면 설계 초기에 EEXI·CII 목표치를 수치적으로 검증할 수 있다. 각 단계에서 산출된 데이터는 DNV‑GL Rule 2.7·2.8에서 요구하는 검증 보고서 형식에 맞춰 기록한다.

프로젝트 관리와 단계별 체크포인트

선박 설계 프로젝트는 개념·기본·상세·시공·인도 단계로 구분되며, 각 단계마다 검증 포인트와 산출물 요구사항이 명문화된다. 개념 단계에서는 EEXI 목표값(예: 0.18 g‑CO₂ · tk⁻¹) 대비 초기 설계 아이디어가 DNV‑GL Rule 2.7‑1에 따라 시뮬레이션 결과와 함께 제출된다. 여기서 핵심 검증 항목은 전체 추진 시스템 효율 ηₜ와 예상 연료 소비 F₀이다.

기본 설계 단계에서는 CFD 해석 결과와 전기·구조 시험 데이터가 통합된 시스템 모델이 완성된다. 체크포인트는 다음과 같다.

1. CFD 기반 저항 Rₜ ≤ 설계 기준(예: 125 kN).
2. 전기 시스템 전체 효율 ηₑ ≥ 93 % (IEC 60364 기준).
3. 케이블 트레이 화재 시험 결과 ΔT ≤ 15 °C (IEC 60331 기준).

각 항목은 검증 보고서에 그래프·표·시험 기록을 첨부하고, 선급 검증 담당자가 서명한다.

상세 설계 단계에서는 시스템 별 부품 사양이 확정되고, IEC 60092‑101(선박 전기 설비)·IEC 60079‑10(방폭) 요구사항에 맞는 설계 검토가 수행된다. 주요 산출물은 전기 배선도, 배선 설계 검증서, 그리고 구조 해석 결과 파일이다. 체크포인트는 다음과 같다.

시공 단계에서는 제조·조립 과정에서 발생할 수 있는 편차를 최소화하기 위해 품질 관리 계획(QCP)을 수립한다. 여기에는 용접·볼트 체결 검사, 전기 설비 설치 검사, 그리고 최종 시스템 시험이 포함된다. 주요 체크포인트는 선급 규정(DNV‑GL Rule 2.7‑4)에서 정한 ‘시운전 시험’ 항목이며, 실측된 추진 효율 ηₚ와 연료 소비 F₁이 설계값과 ±3 % 이내인지 확인한다.

인도 단계에서는 전체 프로젝트 문서와 함께 EEXI·CII 최종 보고서를 제출한다. 보고서는 다음을 포함한다: (1) 전체 시뮬레이션·시험 결과 요약, (2) 실제 운항 데이터 기반 CII 계산서, (3) 선급 검증 서명. 최종 검증 결과가 목표치를 초과하면 설계 수정이 필요하므로, 사후 관리 계획을 별도 문서로 작성한다.

이와 같이 프로젝트 전 과정에 검증 포인트와 산출물을 명확히 정의하면, 설계 변경이 최소화되고 EEXI·CII 규정 준수율이 높아진다. 각 단계에서 사용된 표준과 검증 절차는 IEC·선급 규정에 근거하므로, 국제적 인증 절차와도 일관성을 유지한다.

자주 묻는 질문