350kW 급 40 인승 수소추진선박의 위험도 기반 구조 안전성 연구

Abstract

국제해사기구(IMO)의 2023 온실가스 배출 규제는 현대 선박 산업에 중대한 영향을 미치고 있다. 이에 따라 2023 온실가스 배출 규제의 2050 년 목표인 탄소 순 배출량 ‘0’을 달성하기 위한 방안 중 하나인 수소추진선박에 대한 기술 개발과 도입이 활발히 진행 중에 있다. 수소추진선박은 전통적인 선박과는 다른 특성을 가진다. 수소추진선박을 구성하는 시스템은 수소 저장 및 공급 시스템, 수소연료전지(Fuel cell) - 에너지저장장치(ESS)시스템, 추진 및 제어 시스템 등으로 분류할 수 있다. 이러한 시스템을 갖춘 수소추진선박은 선박 내 설치된 연료전지에 수소 가스가 공급되어 전기를 생산하고, 생산된 전기를 추진용 모터에 공급하여 추진하는 선박이다. 수소 가스는 수소 농도, 공기와의 혼합 비율, 온도, 압력 등 특정 조건에서 폭발 위험이 있다. 따라서 수소 가스 누출 및 화재와 같은 상황에 직면하면 탑승객 및 승무원의 안전에 영향을 줄 수 있다. 이러한 수소추진선박에 대한 구조 안전성 연구는 기초 단계이며 새로운 안전 고려 사항이 필요하다. 본 논문은 수소추진선박에 대한 구조 안전성 평가 시 탑승객의 안전을 고려하기 위해 위험구역을 구분하고, 위험 시나리오에 따라 영향을 받는 구역을 분석한다. 그 후 구조 안전성 평가 시 해당 구역이 구조적으로 충분한 강도를 갖는지 분석한다. 위 과정을 통해 여객형 수소추진선박의 위험도 기반 구조 안전성 평가에 대한 기초 연구가 될 수 있도록 하는 것이 본 논문의 목적이다. 선박의 구조적 안전성을 평가하기 위하여 여객형 쌍동선에 대한 구조 규정 중 해양수산부의 ‘알루미늄선의 구조기준’을 검토하였다. 규정에서 제시하는 설계하중(선저와 쌍동선 연결구조에 작용하는 슬래밍 압력, 해수압력, 호깅·새깅 모멘트, 횡방향 수직 굽힘모멘트, 종비틀림 모멘트 설계하중)을 계산하여 수소추진선박에 대한 유한요소해석 시 하중조건으로 적용하여 구조 안전성 평가를 수행하였다. 유한요소해석을 통한 응력 및 변형 결과를 통해 보강이 필요한 곳을 분석하였다. 또한 앞서 서술한 것처럼 여객형 선박에 대한 구조 안전성의 중점은 승객의 안전이며 이에 따라 수소추진선박은 화재 및 폭발 시 승객 및 승무원이 안전하게 대피할 수 있도록 충분한 강도를 갖춰야 한다. 따라서 수소 가스의 누출 및 배터리 화재 등 수소추진선박의 잠재적 위험 시나리오와 한국선급의 ‘선박용 연료전지 시스템 지침’을 통한 위험구역을 검토하였다. 검토된 위험구역과 위험 시나리오에 따라 승객의 안전을 위해서 우선적으로 안전성을 확보할 구역은 수소 저장탱크, 연료전지실, 여객실, 선체라고 판단하였다. 따라서 각 설계하중에 대한 유한요소해석 시 우선적으로 안전성을 확보할 구역에 대한 응력 및 변형 결과 분석을 통해 구조 안전성 평가를 수행하였다. 수행된 연구를 통해 수소추진선박의 구조 안전성 평가 절차에 대한 기초 연구를 제공할 것으로 기대된다.