거대한 배의 심장
전 세계적인 물류 시스템에서 결코 빼놓을 수 없는 것이 있다면 바로 해상 운송입니다. 그리고 해상 운송의 중심에 거대한 규모의 컨테이너선들이 있습니다. 해상 운송은 물류의 상당 부분을 육로가 아닌 해로를 통한 국제 무역의 핵심이 됩니다. 한 번에 많은 양의 화물을 운반할 수 있어서 운송 단가를 낮추고, 시간과 비용을 절약할 수 있어 경제적 이익이 많습니다. 또한, 물류 산업의 중추적인 역할을 하며, 항만과 부수적인 하역 시스템을 필요로 하여 관련 산업도 함께 성장을 하고 있습니다. 어떻게 거대한 배가 움직일까? 거대한 배를 움직이는 심장은 엔진입니다. 도로를 달리는 차량과 같이 내연기관을 통해 움직이고 있습니다. 최근에는 환경적인 영향을 고려하여 고도의 기술을 가진 친환경 엔진을 개발하고 장착하는 것이 시대적 흐름이 되었습니다. 이와 같은 엔진의 발전은 해상의 운송의 핵심적인 역할을 합니다. 무엇보다 해상 운송의 역할이 중요하게 나타나면서 선박 엔진도 발전하며, 산업의 규모가 증가하고 있기 때문입니다. 2024년 기준으로 약 260억 달러에서 280억 달러 규모로, 연평균 약 4~5% 정도 성장하는 추세입니다. 이런 수치는 선박 엔진을 포함한 해상 운송의 주요 기술 및 인프라에 대한 수요를 반영하고, 친환경 연료나 스마트 기술을 포함한 새로운 엔진 시스템의 도입도 시장 성장을 촉진하고 있습니다. 선박의 종류와 유형에 따라 각각의 엔진 사양과 시스템에 따라 고유한 특징들과 한국의 기업들의 현황을 자세히 알아보겠습니다.
선박 엔진의 종류와 특징
선박 엔진은 운항 효율성, 연료 소비, 환경 영향 등을 결정짓는 중요한 요소입니다. 연료 종류, 엔진 구조, 용도에 따라 다양한 종류로 구분이 됩니다. 각 엔진은 특정 환경과 목적에 맞게 설계되며, 선박의 크기, 속도, 효율성 등의 요구사항을 충족하기 위해 선택이 됩니다. 크게 6가지로 나누어 볼 수 있으며 각 특징들은 다음과 같습니다.
1. 디젤 엔진 (Diesel Engine)
디젤 엔진은 선박 엔진에서 가장 일반적으로 사용되는 유형으로, 대형 상업용 선박, 여객선, 탱커선, 컨테이너선 등에서 주로 사용됩니다. 주요 특징은 열효율이 높고, 연료 소비가 상대적으로 낮습니다. 그래서 상업용 대형 선박에 매우 적합하게 사용됩니다. 내구성이 뛰어나고, 장기적인 운항에 적합하며, 가장 많은 해상 운송 선박에서 쓰이고 있습니다. 무엇보다 고출력 장점을 활용하여 대형 선박을 구동하는 시스템을 적용하고, 저속 회전을 사용하면서도 높은 토크(힘)를 제공하는 특징이 대형 선박에 유리하게 작용하는 이유입니다. 종류는 2 행정 엔진과 4 행정 엔진으로 나누어집니다. 2 행정 엔진은 단순하고 효율적인 구조를 통해 낮은 회전수와 높은 출력으로 대형 선박들이 사용하며, 연료 소비가 다소 적은 것과 작동이 단순하여 효율성을 갖고 있습니다. 4 행정 엔진은 연료소비가 상대적으로 높지만, 소형 선박이나 특수 목적 선박에 적합합니다. 더 높은 회전수를 낼 수 있고, 연료 효율이 떨어지는 대신 작은 크기와 정밀 제어가 가능한 특징 있습니다.
2. 가스 터빈 엔진 (Gas Turbine Engine)
가스 터빈 엔진은 항공기와 군용 선박에 주로 사용되며, 고속 선박이나 군함에서 사용됩니다. 디젤 엔진보다 빠른 속도를 요구하는 선박에서 만족할 만한 성능을 발휘합니다. 주용 특징은 고속으로 회전하기 때문에 빠른 속도를 요구하는 선박에 적합합니다. 비교적 작은 크기임에도 높은 출력을 제공하며, 디젤 엔진에 비해 가볍습니다. 반면, 구조가 복잡하고 유지 보수에 어려움과 비용이 많이 발생합니다. 주로 군함, 고속 여객선, 고속 크루즈선 등에 사용되며, 특히, 해상 군용 선박에서 많이 활용되고 있습니다.
3. LNG 연료 엔진 (LNG-Fueled Engine)
LNG(액화천연가스)는 각국의 환경 규제에 대응하는 친환경 연료 사용되고 있습니다. IMO 2020 규제에 의해 그 사용이 증가하고 있습니다. 최근의 선박들은 이 엔진을 통하여 건조가 되어 가는 추세입니다. 무엇보다 대체 연료로서 배출가스를 줄이는 데 큰 역할을 합니다. 주요 특징은 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOₓ) 즉, 탄소배출을 크게 줄일 수 있는 점이 매우 큰 장점입니다. 가스 연료는 디젤보다 효율이 높고, 더 깨끗한 연소를 가능하게 합니다. 대신 상대적으로 연료 비용이 비싸고, 인프라 구축에 많은 비용이 발생합니다. 이런 단점을 극복하기 위해 디젤과 액화천연가스를 동시에 사용할 수 있는 이중연료 엔진 시스템을 많이 사용하고 있습니다. 주로 LNG운반선, 컨테이너선, 탱커선 등에서 많이 사용되고 있습니다.
4. 암모니아 연료 엔진 (Ammonia-Fueled Engine)
암모니아 연료는 탄소 배출 제로의 연료로 자리 잡을 가능성이 높습니다. 특히, LNG 연료를 사용하는 선박에 비해 배출가스 저감이 뛰어나고, 각종 환경 규제에 대응할 수 있는 대안으로 떠오르고 있습니다. 주요 특징은 탄소 배출이 없는 연료로, 질소산화물(NOx) 배출은 있지만 이산화탄소(CO2) 배출이 없습니다. 가벼운 기체 형태로 존재하지만, 고온에서 연료로 사용될 때 높은 에너지 밀도를 제공합니다. 즉 높은 출력을 낼 수 있습니다. 이산화탄소(CO₂)를 배출하지 않기 때문에, 탄소 배출 제로 목표에 적합한 연료로 주목받는 점이 가장 큰 특징입니다. 상온에서 액체 상태로 저장되기 때문에, LNG와 비슷한 방식으로 관리할 수 있습니다. 무엇보다 IMO 2050의 탄소 배출 감축 목표를 달성하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 황산화물(SOx) 및 질소산화물(NOx) 배출이 발생하긴 하지만, 이를 제어하는 기술이 점차 개선되고 있어, 환경적으로 우수한 선택으로 간주됩니다. 반면, 질소산화물(NOx)을 배출하기 때문에 저감기술 개발과 안전하게 취급하고, 선박에 적합한 연료 공급 시스템을 구축하는 기술 개발이 필수적입니다.
5. 수소 연료 엔진 (Hydrogen Fuel Engine)
미래의 친환경 선박에 필수적인 연료로 수소연료를 들 수 있습니다. 탄소 배출 제로의 기대를 받고 있는 엔진기술로 환경친화적인 선박을 위한 기술로 꾸준히 연구되고 있습니다. 주요 특징은 이산화탄소 배출이 없고, 오직 물만 배출이 됩니다. 매우 효율적이고, 가벼운 연료로 긴 항속거리를 제공합니다. 반면, 인프라와 저장 기술의 발전이 따르지 않게 되면 비용이 높아질 수 있습니다. 그래서 전기 시스템과 결합하여 하이브리드 시스템으로의 사용도 가능할 것으로 보고 있습니다. 주로 친환경적인 요구가 높은 곳에서 미래형 선박으로 선호하고 있습니다.
선박의 종류와 기술, 연료의 종류에 따라 고유하면서도 다양한 형태와 특징들을 갖고 있습니다. 디젤 엔진은 여전히 가장 많이 사용되는 유형이며, LNG, 암모니아 및 수소 연료 기반의 친환경 엔진이 점차적으로 선박 엔진 시장에서 중요해지고 있습니다. 두 엔진을 결합한 하이브리드화와 디지털화된 시스템 또한 효율성과 친환경성을 고려한 선택지로 떠오르고 있습니다.
한국 기업들의 역량
최근의 시장 동향을 통해 친환경적인 선박의 수요가 급증하고 있습니다. 국내에서는 HD현대중공업과 환화엔진이 조선 산업의 필수적인 고부가가치 품목인 엔진에 많은 개발을 집중하고 있습니다. 전 세계 선박 엔진 시장은 2024년 기준 약 128억 달러(한화 약 18조 6,000억 원)에서 2029년 약 152억 달러( 한화 약 22조 400억 원)로 성장할 것으로 예상을 하고 있습니다. 무엇보다 친환경적 트렌드의 변화로 인해 HD현대중공업과 한화엔진은 조선 업계의 슈퍼사이클을 등에 업고 대규모 수주를 기록하며 글로벌 시장을 선도하고 있습니다. HD현대중공업은 명실상부한 선박엔진의 슈퍼 강자로 자리매김하고 있습니다. 2024년 11월까지 31억 8,000만 달러(한화 약 4조 6,200억 원)의 선박 엔진 수주액을 기록하고, 시장 점유율 35%로 독보적 1위를 지키고 있습니다. HD현대중공업이 조선 산업 규모에 비해 매출 비중은 매우 낮지만, 영억 이익률은 2개 이상 높아 지속적인 연구와 개발을 통해 시장의 지배력을 넓혀 가고 있습니다. 한화엔진은 2025년 올해 수주 목표를 1조 7,500억 원으로 설정하였습니다. 지난해에 기록한 1조 6500억 원을 상회하는 최대 실적을 기록할 것으로 보고 있습니다. 주력인 친환경 이중연료 엔진의 비중이 전체에 90%를 차지해 기술 경쟁력을 강화하고 있습니다. 미국 기업과의 협력을 통한 암모니아 연료전지 시스템 개발에 집중을 하고 있는 것도 호재로 작용할 것으로 예측하고 있습니다. 이처럼 한국의 두 기업은 친환경 연료 기술을 확보하기 위한 총력전을 벌이고 있습니다. 각 업체들의 상황을 살펴보도록 하겠습니다.
[HD현대중공업]
HD현대중공업은 디젤 엔진을 포함한 IMO 규제를 준수하는 친환경 엔진 기술을 가지고 있습니다. MAN Diesel Turbo와 제휴하여 MAN B&W 디젤 엔진을 생산하고 있으며, 선박 엔진 세계 시장에 공급하는 주축 엔진입니다. 디젤 엔진은 고출력, 고효율성, 내구성을 중시하는 기술력으로, 대형 상업용 선박에 적합한 반면, IMO 2020 규제와 관련된 배출가스 저감 기술이 큰 장점으로 부각되고 있습니다. MAN B&W ME-GI 엔진은 이중연료 엔진으로, LNG와 디젤을 동시에 사용할 수 있는 특징이 있으며, 환경규제를 준수하면서 연료 효율성을 극대화할 수 있습니다. 환경 규제에 맞는 다양한 친환경 기술을 개발과 더불어 배출가스 저감 시스템(SCR, EGR 등)과 저배 출 LNG 엔진을 포함한 기술들 한몫을 하고 있습니다. 또한, 암모니아 연료 엔진 개발을 위해 MAN Energy Solutions와 협업하여 2 행정 엔진 및 이중연료 엔진에서 암모니아를 연료로 사용할 수 있도록 설계하고 있습니다. 이 엔진은 기존 디젤 엔진의 구조를 기반으로 하여 암모니아 연료를 처리할 수 있게 개발되고 있습니다. 선박 엔진의 디지털화와 스마트 시스템에도 집중하고 있으며, 이를 통해 운항 효율과 유지보수 효율성을 극대화하고 있습니다.
[한화엔진]
한화엔진은 환경 규제에 대응하기 위해 친환경 엔진 기술을 지속적으로 개발하고 있습니다. 특히, 배출가스 저감 기술 및 친환경 연료 시스템이 강조되고 있습니다. 배출가스 저감 시스템 (SCR, EGR) 시스템을 통해 질소산화물(NOₓ)을 효과적으로 저감 할 수 있는 기술을 적용하고 있습니다. 이 시스템을 통해 질소산화물 (NOₓ)을 80% 이상 저감할 수 있으며, EGR 시스템은 배출가스의 재순환을 통해 추가적인 저감을 제공합니다. 최신 모델인 IMO Tier III는 배출가스 기준을 준수하며, 질소산화물(NOₓ) 배출을 80% 이상 감소시키는 기능을 제공합니다. ME-GI와 같은 LNG 이중연료 엔진을 사용하게 되면, 황산화물(SOx) 배출을 100% 저감 하고, 질소산화물(NOₓ)은 80% 이상 저감할 수 있습니다. 또한, 기존의 디젤 엔진에 암모니아 연료 시스템을 통합할 수 있는 가능성을 테스트하고 있으며, 고온 연소기술을 통한 연료 효율성을 극대화하려는 노력을 기울이고 있습니다. 이와 동시에 디지털화와 스마트 시스템을 통해 엔진 성능 최적화와 운항 효율성을 개선하고 있습니다. 이 기술은 선박 운항 데이터를 실시간으로 분석하여 연료 절감과 운항 최적화를 지원합니다. 자체 기술력과 통합 솔루션 제공 능력을 빠르게 성장시키고 있습니다.
현재 한국의 두 기업은 경쟁을 통한 시장 점유율 싸움이 아니라 친환경 기술을 필두로 향후 발생할 수 있는 수요에 따른 장기적인 관점에서 수익률 확보를 위한 대결 구도로 나타나고 있습니다. 무엇보다 암모니아 연료 추진 기술 개발은 친환경 규제에 따른 IMO 2050 목표에 부합하기 위한 탄소 배출 제로의 역량을 보여줄 수 있는 핵심 기술로 평가하고 있습니다. 현재의 LNG선박의 수요가 점차적으로 저탄소 배출을 위한 연료로 이동할 것을 감안한다면 상용화를 이루기 위한 많은 노력이 필요할 것으로 보입니다.