연료전지 선박 기술, 국내 조선·전장 실무에 미치는 파급효과

국내 조선그룹가 최근 유럽 해양 컨퍼런스에서 1 MW 급 수소 연료전지를 탑재한 선박 시연을 공개했다. 시연을 통해 연료전지 시스템의 실운항 출력, 연료 소모량, 전력 변환 효율이 국제 기준에 부합함을 입증했으며, 이는 탈탄소 목표를 앞당기는 중요한 전환점으로 평가된다.

시사점: 국내 조선·전장 실무 관점

연료전지 선박이 상용화 단계에 진입함에 따라 국내 조선소와 전장 설계팀은 기존 디젤 기반 설계와는 다른 구조적·전기적 요구사항을 반영해야 한다. 특히 수소 저장 탱크는 고압(700 bar)·저온(−20 °C) 조건을 만족해야 하며, IEC 61892‑1·2 규격에 따라 배관·밸브 설계가 이루어진다. 선체 구조는 수소 탱크와 연료전지 모듈의 무게 중심 변화를 고려해 보강이 필요하고, 전력 계통은 800 V DC 고전압 변환 장치와 전력 관리 시스템(PMS)을 추가해야 한다.

연료전지 시스템 개요

시연 선박에 적용된 연료전지는 PEM(Polymer Electrolyte Membrane) 타입으로, 수소 연료당 최대 55 %의 전기 변환 효율을 기록했다. 연료전지 모듈은 총 12개 스택으로 구성돼 1 MW 연속 출력을 제공하며, 연료 소비는 1 kg당 0.6 kWh 수준이다. 이 수치는 기존 디젤 엔진 대비 30 % 이상 연료 절감 효과를 의미한다.

전력계통 및 전장 설계 변화

연료전지의 직류 전압은 800 V 수준으로, 선내 전력망에 직접 연결하기 위해 고전압 변환 장치와 DC‑AC 인버터가 필요하다. 또한, 전력 피크와 부하 변동을 안정화하기 위해 500 kWh 규모의 축전지(BESS)를 병행 배치한다. 전장 설계팀은 DNV‑GL 및 KR 선급의 전기 안전 인증 절차를 사전 검토하고, IEC 61400‑22(해양용 전력 시스템) 기준에 맞춰 전력 보호 장치를 설계한다.

디지털 트윈 활용 방안

디지털 트윈은 연료전지·전력망·배터리 시스템을 가상으로 모델링해 실시간 데이터를 기반으로 성능을 예측한다. 이를 통해 설계 단계에서 최적의 배터리 용량, 냉각 시스템 흐름, 전력 부하 분배를 산정할 수 있다. 또한, 운항 중 발생하는 전압·전류 변동을 시뮬레이션해 유지보수 시점을 사전에 파악함으로써 가동 중단을 최소화한다.

규제·선급 승인 경로

연료전지 선박은 IMO 2023 ‘Green Shipping’ 가이드라인과 SOLAS 부속서 II‑1/5에 따라 수소 저장·배관 안전성을 검증받아야 한다. 국내에서는 해양수산부와 산업통상자원부가 공동으로 인증 절차를 운영하고, KR·DNV·ABS 등 주요 선급이 설계 검토·인증을 수행한다. 승인 과정은 설계 검증, 시험 운항, 안전성 평가 순으로 진행되며, 전체 기간은 평균 12~18개월이다.

시장 전망 및 정책 지원

IMO는 2030년까지 선박 CO₂ 배출량을 40 % 감축하고, 2050년까지 탄소 중립을 목표로 하고 있다. 이에 따라 연료전지 선박 주문이 증가할 것으로 예상되며, 국내 정부는 수소 연료 공급 인프라 구축과 연료전지 선박 프로젝트에 대한 보조금을 확대하고 있다. 초기 고비용을 완화하기 위해 친환경 조선에 대한 세제 혜택과 R&D 지원도 강화될 전망이다.

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