레저선박의 전기추진 시스템 적용 가능성 평가 프로세스

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레저선박의 전기추진 시스템 적용 가능성 평가 프로세스

2014-05-23

정용국, 남승훈(서울대학교 조선해양공학과)

이동건, 오대균(목포해양대학교 조선해양공학과)

신종계(서울대학교 조선해양공학과 및 해양시스템공학연구소)

2014년도 한국해양과학기술협의회 공동학술대회

2014.05.21 ~ 05.23, BEXCO, 부산

An Applicability Evaluation Process of the Electric Propulsion System for Leisure Boats

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목차

서론

연구 배경

관련 연구 현황

연구 내용

전기추진 시스템 적용 가능성 평가 프로세스

전기추진 선박의 운항시간 추정 방법

DMU 모델을 활용한 전기추진 시스템 적용 가능성 평가 프로세스

소형 레저선박의 전기추진 시스템 적용 가능성 평가

대상선박 정의 및 DMU 모델 구축

전기추진 시스템 적용 가능성 평가 사례

결론

결론

향후 연구 계획

3

연구 배경

IMO, 선박 온실가스 배출 규제 시행

2013년 1월 이후, 총톤수 400GT 이상 선박에 대하여 규제 시행

− 신조선 : 에너지효율 설계지수(EEDI) 규제

− 현존선 : 에너지효율 운항지수(EEOI) 규제, 선박 에너지효율 관리계획서(SEEMP) 의무화

모든 선박을 대상으로 시장기반 조치(MBM) 시행

− 경제적, 시장적 접근방안(탄소세 등) 시행

2015년까지 10%, 2020년까지 20%, 2030년까지 30% 감축 계획 수립

CO2 배출 감축을 위한 친환경 선박(Green ship) 수요 증가 예상

선박의 운항속도가 아닌 운임비용의 중요성이 부각되고 있음

기존에 건조된 친환경 선박의 연비 개선효과가 실증적으로 입증됨

운임비용 절감, 에너지 절약 및 온실가스 감축 목적의 친환경 선박 수요 증가 예상

EEDI : Energy Efficiency Design Index EEOI : Energy Efficiency Operational Indicator

SEEMP : Ship Energy Efficiency Management Plan MBM : Market-Based Measures

LNG 추진 선박, 전기추진 선박과 같은 친환경 선박에 대한 관심 증가

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연구 배경

전기추진 시스템을 탑재한 레저선박 설계 및 건조

대형 상선에 비하여 요구되는 출력이 낮기 때문에 전기추진 시스템을 적용하기 용이함

전기추진 시스템은 소음 및 진동이 작기 때문에 레저선박에 적용하기 알맞음

일본, 미국 등에서는 전기추진 시스템을 적용한 레저선박이 운영되고 있음

전기추진 레저선박 추진시스템 설계 과정의 특징

레저선박 설계의 특징

− 요구사항이 복잡하고, 설계 변경이 잦음

− 선형 및 디자인이 다양하기 때문에 실적선 자료를 참고하기 어려움

− 대형 상선에 비하여 공간이 협소하여 구성요소 선정 시 제약조건이 발생함

− DMU 모델을 레저선박 설계에 활용하는 방안이 연구됨* (Oh, et al., 2011)

전기추진 시스템 설계의 특징

− 배터리가 매우 무겁기 때문에 평형자세를 고려한 구성요소 배치가 필요함

− 전기추진 시스템 구성요소의 배치에 따른 설계 결과의 검증이 필요함

*Oh, D. K., Lee, K. W., and Lee, C. W, Basic Design of 40ft Class Pleasure Boat based on Digital Mock-up, 2011.

DMU 모델을 활용한 전기추진 선박 설계 결과 검증 수행

5


DMU 모델을 이용한 레저선박 설계 프로세스* (Oh, et al., 2011)

레저선박의 특징을 고려하여 3차원 모델 기반 설계 시스템 구축을 위한 초기 연구 수행

초기 요구 조건을 이용하여 기본설계 수행 후 DMU 모델을 이용하여 설계 검증 수행

기존 설계 방법론에 비하여 상세한 설계 검증 결과를 얻을 수 있음

초기 요구조건

선형 설계 / 구조 설계

주요 기관 배치 1차 주기관 선정 일반 배치

중량 추정

초기 DMU 모델 생성

유체 정역학적 계산 수행

평형자세 조절

하중 조건 결정 설계 결과 출력 DMU 모델 수정

<DMU 모델을 이용한 레저선박 설계 프로세스 순서도>

*Oh, D. K., Lee, K. W., and Lee, C. W, Basic Design of 40ft Class Pleasure Boat based on Digital Mock-up, 2011.

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전기추진 선박의 운항성능 평가 프로세스* (Jeong, et al., 2013)

전기추진 레저선박의 운항성능 정의

− 정해진 시간 동안 주어진 구역에서 운항이 가능 해야 함

− 1회 충전 시 운항할 수 있는 시간 또는 거리로 정의함

운항성능 평가 프로세스

− 전기추진 선박의 초기 설계 과정에서 추진시스템을 설계하기 위한 기준

− 운항 시나리오(발전기 가동 시간, 운항 속도)에 따른 운항성능 추정

− 전기추진 시스템 구성요소의 사양과 선체 주요 제원 결정

*Jeong, Y. K., Lee, D. K., Jeong, U. C., Ryu, C. H., Oh, D. K., and Shin, J. G., Study on Operating Performance Estimation Process of Electric Propulsion Systems for 2.5 Displacement ton Class Catamaran Fishing Boat, 2013.

배터리 용량 (kWh)

선내 전원 사용량 (kW)

속도-DHP 곡선

𝑡 =𝐵𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑦 𝑐𝑎𝑝𝑎.

𝐷𝐻𝑃 𝑣 + 𝑆ℎ𝑖𝑝𝑏𝑜𝑎𝑟𝑑 𝑐𝑜𝑛𝑠.

속도-운항시간 곡선

속도-운항거리 곡선

<전기추진 선박의 운항성능 평가 프로세스> <전기추진 선박의 운항성능 평가 결과>

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연구 내용

레저선박의 전기추진 시스템 적용 가능성 평가 프로세스

DMU 모델을 활용한 전기추진 레저선박 초기설계 결과 검증

− 추진 시스템 구성요소 변경 사항을 DMU 모델에 반영하여 설계 결과 검증에 사용함

− DMU 모델을 이용하여 중량 조건에 따른 선박의 평형자세 계산

− 선박계산 시뮬레이션 프로그램(Maxsurf)를 활용한 설계 결과 검증 수행

소형 레저선박의 전기추진 시스템 적용 가능성 평가 사례

− 노후 된 디젤추진 레저선박을 전기추진 시스템으로 설계 변경이 가능한 지 검증 수행

− As-Is DMU 모델과 To-Be DMU 모델을 구축하여 선박계산 결과 비교

Heel (deg)

GZ

(m)

0 20 40 60 80 100 120

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Before(Full load)

After(Full load)

<DMU 모델을 활용한 전기추진 레저선박 설계 검증 사례>

8




9

전기추진 선박의 운항시간 추정 방법*

운항시간 추정을 위한 입력 변수

요구 운항 시간 : 𝑡𝑟𝑒𝑞. (ℎ𝑜𝑢𝑟)

초기 배터리 용량 : 𝐸1 (𝑘𝑊ℎ)

선내 전원 사용량 : 𝐸2 (𝑘𝑊)

배터리 State-of-charge : 𝑆𝑂𝐶 (%)

최대 속도 : 𝑉𝑚𝑎𝑥 (𝑘𝑡𝑠)

DHP 추정식 (속도의 함수) : 𝐷𝐻𝑃 𝑣 (𝑘𝑊)

운항시간 계산 및 요구조건 만족 여부 확인

특정 속도 조건에서 운항시간 계산 : 𝑡𝑜𝑝𝑒𝑟 =𝑆𝑂𝐶 × 𝐸1

𝐸2+𝐷𝐻𝑃(𝑉𝑛)

요구조건 만족 여부 확인 : 𝑡𝑜𝑝𝑒𝑟 > 𝑡𝑟𝑒𝑞.

최종 배터리 용량 결정 : 𝐸𝑏 =𝐸2+𝐷𝐻𝑃(max (𝑉𝑛))

𝑆𝑂𝐶𝑡𝑚𝑎𝑥

운항속도에 따른 전기추진 선박의 운항시간 도출

*Jeong, Y. K., Lee, D. K., Jeong, U. C., Ryu, C. H., Oh, D. K., and Shin, J. G., Study on Operating Performance Estimation Process of Electric Propulsion Systems for 2.5 Displacement ton Class Catamaran Fishing Boat, 2013.

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𝑉𝑛에서 𝑡𝑜𝑝𝑒𝑟 > 𝑡𝑟𝑒𝑞.를

만족하는가?

𝑉𝑛에서의 운항시간 계산 𝑡𝑜𝑝𝑒𝑟 =𝑆𝑂𝐶 × 𝐸1

𝐸2 + 𝐷𝐻𝑃(𝑉𝑛)

𝑉𝑛 를 운항시간 후보군에 추가 𝑉𝑜𝑝𝑒𝑟 = {𝑉𝑛, 𝑉𝑛+1, … 𝑉𝑚}

배터리 용량 계산 𝐸𝑏 =𝐸2 + 𝐷𝐻𝑃(𝑉𝑚)

𝑆𝑂𝐶𝑡𝑚𝑎𝑥

운항시간 후보군 중 가장 큰 값 선정 𝑉𝑚 = max (𝑉𝑜𝑝𝑒𝑟)

요구 운항시간

𝑡𝑚𝑎𝑥 (ℎ𝑜𝑢𝑟)

초기 배터리 용량

𝐸1 (𝑘𝑊ℎ)

선내 전원 사용량

𝐸2 (𝑘𝑊)

State-of-charge

𝑆𝑂𝐶 (%)

최대 속도

𝑉𝑚𝑎𝑥 (𝑘𝑡𝑠)

전기추진 선박 운항시간 추정을 위한 변수 정의

배터리 용량 도출 운항시간 도출

N

Y

모터 사양 도출

선박의 저항 (속도의 함수)

DHP (속도의 함수)

𝐷𝐻𝑃 𝑣 (𝑘𝑊)

모터의 최대 출력 > 𝑃𝑚𝑎𝑥?

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8

DH

P (

kW

)

Speed (knots) 𝑉𝑚𝑎𝑥

𝑃𝑚𝑎𝑥

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초기 설계 단계

− 요구사항을 바탕으로 전기추진 시스템 구성요소

사양 결정

− 유사선박 실적을 바탕으로 Lines, 일반배치 수행

설계 결과 검증 단계

− 설계선의 DMU 모델 구축

− 사양이 결정된 전기추진 시스템 구성요소의 배치

− 선박계산 소프트웨어를 활용하여 적용 가능성 평가

(선박의 안정성, 저항성능, 운항시간 등)

− 요구조건을 만족하지 않는 경우 구성요소의 배치

변경 혹은 DMU 모델 수정

요구사항

전기추진 시스템 구성요소 사양

Lines, 일반배치

설계선의 DMU 모델 구축

전기추진 시스템 구성요소의 배치 (DMU 모델 활용)

전기추진 시스템 적용 가능성 평가

요구조건을 만족하는가?

종료

초기 설계 단계

설계 결과 검증 단계

<전기추진 시스템 적용 가능성 평가 프로세스>

선박계산 소프트웨어 활용

(Maxsurf)

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소형 레저선박의 전기추진 시스템 적용 가능성 평가



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대상선박 정의

50ft급 디젤 추진 레저선박

노후 된 추진시스템을 전기추진 시스템으로 전환하는 사례

− 전기추진 시스템으로 전환 시 주기관, 연료탱크 제거

− 배터리, BMS, 모터, 모터 드라이브, 감속기어, PMS 추가 탑재

항목 값

L.O.A (m) 16.40

Bmld (m) 4.50

Dmld (m) 1.90

DWT (ton) 18.53

LWT (ton) 13.70

<대상선박의 DMU 모델 구축 결과>

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DMU 모델 구축 결과

Tank 배치 분석 (청수 탱크, 연료 탱크 각 2개)

구분 밀도 (ton/m3) 부피 (m3) 무게 (ton) COG from A.P.

Gx (m) Gy (m) Gz (m)

F.O.T (S) 0.84 0.890 0.748 8.13 -1.10 1.34

F.O.T (P) 0.84 0.890 0.748 8.13 1.10 1.34

F.W.T (S) 1.00 0.889 0.889 2.00 -0.92 1.03

F.W.T (P) 1.00 0.889 0.889 2.00 0.92 1.03

<DMU 모델을 이용한 대상선박의 Tank 배치 분석 결과>

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중량 조건에 따른 선박의 평형자세 계산 (경하중량, 만재중량)

− 전기추진 시스템으로 전환하였을 때 제거되는 주기관과 연료유 탱크를 중심으로 중량 조건 정의

− 선박계산 소프트웨어(Maxsurf)를 이용하여 중량 조건에 따른 평형자세 계산

항목 중량 (ton) Long. Arm (m) Trans. Arm (m) Vert. Arm (m)

Light ship (Main engine 제외)

12.457 6.585 0.000 1.298

Main engine 1.243 6.200 0.000 0.963

Total 13.700 6.550 0.000 1.268

<선박계산 소프트웨어를 이용한 경하중량 조건에서의 평형자세 계산>

중량조건 Disp. (ton) Draft(FP) (m) Draft(AP) (m) Trim (m)

경하중량 조건 13.700 0.826 0.722 -0.104

(i) 경하중량 조건

평형자세 계산

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중량 조건에 따른 선박의 평형자세 계산 (경하중량, 만재중량)

− 전기추진 시스템으로 전환하였을 때 제거되는 주기관과 연료유 탱크를 중심으로 중량 조건 정의

− 선박계산 소프트웨어(Maxsurf)를 이용하여 중량 조건에 따른 평형자세 계산



12.457 6.585 0.000 1.298

Main engine 1.243 6.200 0.000 0.963

F.W.T (S/P) 0.900 2.000 ±0.925 1.025

F.O.T (S/P) 0.850 8.112 ±1.100 1.340

Human + etc. (추정) 1.330 7.480 0.000 0.610

Total 18.530 6.318 0.000 1.204

<선박계산 소프트웨어를 이용한 만재중량 조건에서의 평형자세 계산>

평형자세 계산

중량조건 Disp. (ton) Draft(FP) (m) Draft(AP) (m) Trim (m)

만재중량 조건 18.530 0.858 0.891 0.033

(ii) 만재중량 조건

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추진시스템 전환에 따른 구성요소 변경

기존 추진시스템 : 주기관, 연료탱크 등

전기추진 시스템 : 배터리, BMS, 모터, 모터 드라이브, 감속기어, PMS 등

구성요소 변경에 따른 중량 및 무게중심 변화

− 전기추진 시스템에서는 경하중량 조건과 만재중량 조건 간 연료유에 의한 중량 변화 없음

− 중량 및 무게중심은 기존 추진시스템과 전기 추진시스템 간 큰 차이가 없도록 배치 수행

<추진시스템 전환에 따른 구성요소 변경>

기존 추진시스템 구성요소

• Main Engine • F.O.T (P/S) • etc.

전기추진 시스템 구성요소

• Battery Package • BMS • Motor • Motor Drive • Reduction Gear Box • PMS • etc.

추진시스템 전환

BMS : Battery Management System PMS : Power Management System

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DMU 모델을 이용한 전기추진 시스템 구성요소 배치

전기추진 시스템 구성요소의 형상, 부피 등을 고려하여 DMU 모델에 배치 수행

DMU 모델 배치 결과를 바탕으로 전기추진 시스템 구성요소의 무게중심 도출

1 : Battery Package, BMS 2 : Motor + Motor Drive 3 : Reduction Gear Box 4 : PMS

1

2 3

4

1 2 3

4

<전기추진 시스템 구성요소의 배치 결과>

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<전기추진 시스템 구성요소의 무게중심 도출 결과>



12.457 6.585 0.000 1.298

Main engine 1.243 6.200 0.000 0.963

F.W.T (S/P) 0.900 2.000 ±0.925 1.025

F.O.T (S/P) 0.850 8.112 ±1.100 1.340

Human + etc. 1.330 7.480 0.000 0.610

Total 18.530 6.318 0.000 1.204

디젤추진 레저선박 구성요소의 무게 및 무게 중심 위치

전기추진 시스템으로 전환 시 Main engine, F.O.T 제거

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<전기추진 시스템 구성요소의 무게중심 도출 결과>



12.457 6.585 0.000 1.298

Main engine 1.243 6.200 0.000 0.963

F.W.T (S/P) 0.900 2.000 ±0.925 1.025

F.O.T (S/P) 0.850 8.112 ±1.100 1.340

Human + etc. 1.330 7.480 0.000 0.610

Battery (S/P) 0.594 6.983 ±1.534 1.287

Motor (S/P) 0.167 6.207 ±0.912 0.932

Motor Drive (S/P) 0.021 6.207 ±0.913 1.137

Reduction Gear (S/P) 0.050 5.478 ±0.900 0.931

PMS 0.240 8.029 0.000 1.264

Total 17.491 6.214 0.000 1.215

전기추진 레저선박 구성요소의 무게 및 무게 중심 위치

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DMU 모델을 활용한 전기추진 시스템 적용 가능성 평가 사례

선박계산 소프트웨어를 활용한 결과 도출

− 경하중량 조건, 만재중량 조건에 대하여 비교 수행

− 기존 추진시스템 탑재 시 평형자세와 전기추진 시스템 탑재 시 평형자세를 중점적으로 비교함

추진시스템 변경에 따른 중량조건 비교

− 기존 추진시스템 탑재 시 중량조건 (LWT : 13.700ton, DWT : 18.530ton)

− 전기추진 시스템 탑재 시 중량조건 (LWT : 14.360ton, DWT : 17.491ton)

− 전기추진 시스템은 연료를 대체할 배터리 등이 탑재 되었기 때문에 경하중량 증가 확인

− 전기추진 시스템 구성요소의 전체 중량이 주기관과 연료유의 중량보다 가볍기 때문에 만재중량 감소 확인

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추진시스템 변경에 따른 평형자세 계산 결과 비교

− 경하중량 조건에서는 배수량이 증가하고, Trim 값의 크기도 증가함

− 만재중량 조건에서는 오히려 배수량이 감소하고, Trim 값도 감소하여 기존의 추진 시스템과 비교하여

더 안정적인 자세를 유지함을 확인하였음

중량 조건 추진 시스템 Disp. (ton) Draft(FP) (m) Draft(AP) (m) Trim (m)

경하중량 디젤추진 13.700 0.826 0.722 -0.104

전기추진 14.360 0.861 0.722 -0.139

만재중량 디젤추진 18.530 0.858 0.891 0.033

전기추진 17.487 0.842 0.855 0.012

DWLDWL

(i) 경하중량 조건 (ii) 만재중량 조건

디젤추진

전기추진

<중량조건에 따른 평형자세 계산 결과 비교>

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선박계산 소프트웨어(Maxsurf)에서 제공하는 기능을 활용하여 복원성능 비교 수행

경하중량 조건에서는 복원성능이 감소하였지만, 만재중량 조건에서는 복원성능 증가 확인

전반적으로 만재중량 조건에서는 전기추진 시스템을 적용한 결과가 더 우수한 성능을 보임

Heel (deg)

GZ

(m)

0 20 40 60 80 100 120

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Before(Light ship)

After(Light ship)

Heel (deg)

GZ

(m)

0 20 40 60 80 100 120

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Before(Full load)

After(Full load)

(i) 경하중량 조건 (ii) 만재중량 조건

디젤추진

전기추진

디젤추진

전기추진

24

결론

결론


25

결론

결론

레저선박의 전기추진 시스템 적용 가능성 평가 프로세스 제안

− 레저선박의 특징을 고려하여 DMU 모델 활용

− 전기추진 선박 운항성능 평가 프로세스 활용

− 전기추진 시스템 설계 결과 검증 방안 정립

전기추진 시스템 전환 시 성능 개선 확인

− 노후 된 디젤추진 선박을 전기추진 선박으로 전환 하는 과정에

본 연구에서 제안한 프로세스 적용함

− DMU 모델 및 선박계산 소프트웨어를 활용하여 전기추진 선박으로

전환이 가능한지 확인

− 전기추진 선박으로 전환하여도 성능에 큰 문제 없음을 확인하였음

요구사항

전기추진 시스템 구성요소 사양

Lines, 일반배치

설계선의 DMU 모델 구축

전기추진 시스템 구성요소의 배치 (DMU 모델 활용)

전기추진 시스템 적용 가능성 평가

요구조건을 만족하는가?

종료

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결론


본 연구에서 개발한 프로세스의 신조선 설계 시 적용 방안 연구

평형자세를 고려한 전기추진 시스템 구성요소의 최적배치 연구

전기추진 시스템 적용 가능성 평가 기준 연구 (경제성, 이산화탄소 배출량 등)

<평형자세를 고려한 전기추진 시스템 구성요소의 최적배치 연구>

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참고문헌

Hideki, Y., Hiroaki, M. & Aiichiro, S., 2011. Energy Saving Technology of the Diesel-

Electric Propulsion System for Japanese Coastal Vessels, IHI Engineering Review,

44(1), pp.12-16.

Jeong, Y. K., Lee, D. K., Jeong, U. C., Ryu, C. H., Oh, D. K. & Shin, J. G., 2013. A

Study on the Operating Performance Estimation Process of Electric Propulsion

Systems for a 2.5 displacement ton Class Catamaran Fishing Boat, Journal of Ocean

Engineering and Technology, 27(3), pp.1-9.

Oh, D. K., Lee, K. W. & Lee, C. W., 2011. Basic Design of 40ft Class Pleasure Boat

based on Digital Mock-up, Journal of the Korean Society of Marine Environment &

Safety, 17(3), pp.283-289.

Younes, Z., Boudet, L., Suard, F., Gerard, M. & Rioux, R., 2013. Analysis of the main

factors influencing the energy consumption of electric vehicles, 2013 IEEE

International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC), Chicago, IL, USA,

12-15 May 2013.

http://casper.snu.ac.kr.

Thank you for listening : )

2014-05-23

Yong-Kuk Jeong / 정용국 ([email protected])

Ph.D. Student in CASPER Lab.

Department of Naval Architecture & Ocean Engineering

Seoul National University

2014년도 한국해양과학기술협의회 공동학술대회

2014.05.21 ~ 05.23, BEXCO, 부산

An Applicability Evaluation Process of the Electric Propulsion System for Leisure Boats