A study on appropriate ship power system for pulse load combine with secondary battery

2.1 전력시스템 구성

선박의 전력체계에 있어 발전기 용량 및 설치대수를 선정하는 것은 매우 중요한 부분이다. 선박의 발전기 선정은 선박의 운항 및 거주를 위해 다양한 전자기기의 운용이 가능한 발전기 출력을 가져야 한다. 따라서 선박의 발전기 용량의 결정은 전력 부하 분석(Electric power load analysis), 부하여유(Load margin), 발전기 안정성(순시 및 과도 현상에 대한 분석) 및 부하 용량에 대비한 발전기 적정 운전율 등을 종합적으로 반영하여 선정하게 된다[5]. 따라서 정확한 용량선정을 위해서는 발전기의 과도 리액턴스, 발전기 초기 과도 리액턴스, 최대 출력을 가지는 전동기의 출력 또는 전동기 군의 출력의 합, 시동 전력, 시동계수 등이 필요하지만 본 연구에서는 발전기 안정성에 대한 부분이 모두 만족한다는 가정아래 선내부하 및 발전기 부하를 기준으로 연구를 진행하였다.

Figure 1은 일반적인 상선에서 적용되고 있는 전력구성으로 디젤발전기로 이루어진 발전부, 각 장비들의 전압, 및 주파수에 맞도록 변환시켜주는 변환부, 최종 전력 소비자인 부하부로 나뉜다. 이 외에도 대용량 전동기를 사용함으로서 필요한 역률 보상기 등의 추가적인 전력시스템이 필요하다.

Figure 1

Typical power system

Figure 2

Proposed power system

최근 전동기 기술의 발전으로 추진 디젤엔진을 대용한 전기추진선박에 대한 관심이 증가하면서, 선박 내 전동기 등으로 인한 전력 변동률은 더 커질 것으로 예상된다. 이에 따라 본 연구에서는 Figure 2와 같이 기존의 전력시스템에 이차전지를 연동한 전력시스템을 제안한다. 제안하는 전력시스템의 설계를 위하여 본 연구에서는 펄스부하(B/T)의 발생빈도가 높은 컨테이너 선박을 대상으로 전력시스템을 설계하고자 한다.

Figure 3

Diesel generator SFC curve[6]

선박은 독립적인 전원체계를 가지므로 선박 초기 설계 건조비용, 운항비용 및 장비의 유지비 등을 고려하여야 전력시스템을 구성해야 한다. 선박에 설치되는 4행정 발전기의 효율은 Figure 3과 같이 나타낼 수 있다. Figure 3은 발전기 출력별 SFC(Specify Fuel Consumption) 곡선을 나타내며, 발전기 부하율(%)이 높을수록 효율이 좋다는 것을 확인할 수 있다.

선박에 설치되어 운전되는 발전기의 경우 Figure 3에서 나타나듯이 높은 부하율에서 운전되는 것이 유리하지만, 펄스부하로 인한 갑작스런 과부하 등에 대한 대비가 필요하므로 선박의 전력체계를 설계할 때는 다양한 운항환경을 고려하여 설계하게 된다. 이처럼 발전기 용량 선정에 있어서 선박 운항환경을 고려하여야하기 때문에 실제 운항중인 컨테이너 선박을 대상으로 운항 특성을 조사하였다.

Table 1은 H 선박회사의 컨테이너 선박의 대표적인 표본을 추출하여 선박의 전력사용량을 나타낸 것이다. 컨테이너 선박의 일반적인 운항 특성을 파악하기 위해 9대의 컨테이너 선박에 대하여 데이터 수집, 분석을 진행하였으며 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

Table 1

Vessel operated power status (H Shipping company)

Table 2

Container vessel operation properties

Table 2에서 나타내듯이 선박의 총 운항 기간 중 입∙ 출항 기간은 매우 짧은 시간이며, 입∙출 항시 사용되는 기기들(B/T, 송풍기(Aux. Blower), 각종 펌프 및 팬(Fan) 등)의 운전을 위해 피크부하에 대응 가능한 비교적 큰 용량의 발전기가 설치됨을 확인할 수 있다[7].

식 (1)에 따라 발전기 용량을 선정함에 있어 입∙출항시 사용되는 바우 스러스터 구동용 전동기의 경우 대용량 전동기이므로 큰 용량의 발전기가 필요하게 된다. 이외에도 컨테이너 선박의 경우 일반 항해에 있어 선박부하에 큰 영향을 주는 것은 냉동 컨테이너(Reefer container, REF)로 냉동 컨테이너 화물 수에 따라 발전기 부하율은 많이 변동하게 된다. 이에 따라 대부분의 컨테이너 선박은 발전기 부하율 50%이하의 저부하 운전을 하게 된다.

이러한 발전기 저부하 운전은 발전기 운전 효율(SFC)이 좋지 않을 뿐만 아니라 발전기에 좋지 않은 영향을 미치게 된다[8].

선박에 이차전지를 고려하여 발전기 용량 선정 및 전력시스템을 설계한다면, 발전기 저부하 운전을 방지하며, 펄스부하에 대한 전력 안정성 및 전력 품질을 개선시킬 수 있으며, 보다 효율적인 발전기 부하율에서 발전기 운전이 가능하다.

3.1 시뮬레이션 조건

선박에 이차전지 적용성 검토를 위해 기존에 일본에서 진행되었던 이차전지를 적용한 하이브리드 선박 조건을 분석하였다. Figure 4는 실 선박의 사진이며, Table 3은 Emerald Ace의 기초 자료를 나타낸다.

Table 3과 같이 2.2MWh의 용량을 가지는 이차전지를 적용한 선박이 2012년 시운전을 적용한 사례가 있다.

Figure 4

Hybrid vessel emerald ace

Table 3

Emerald ace specification

본 장에서는 S중공업에서 제작되었던 컨테이너 선박을 대상으로 하여 이차전지 적용 방안에 대하여 검토한다. Table 4는 검토 대상 선박 조건을 나타낸다.

Table 4

Target vessel specification

선박에 이차전지의 적용을 위해서는 이차전지에 충∙방전 비율(C-rate)를 참고하여 적용 타당성을 검토하여야 한다.

충∙방전 비율(C-rate)이란 식 (2)와 같이 이차전지의 총 충∙방전 전류/전지의 정격용량을 계산한 값으로, 이차전지의 다양한 사용조건 하에서의 전류값 설정 및 전지의 사용가능 시간을 예측하거나 표기하기 위해 사용된다. 따라서 이차전지의 출력은 이차전지 셀(Cell)의 직∙병렬 개수와 충∙방전 비율(C-rate)에 따라 결정되게 된다. 이차전지의 경우 제품에 따라 셀(Cell)용량과 충∙방전 비율(C-rate)이 다양함으로 필요 이차전지 용량에 맞는 제품을 사용하면 될 것으로 판단된다.

3.2 시뮬레이션

시뮬레이션은 NI사의 LabVIEW 프로그램을 이용하여 진행하였다. 시뮬레이션 조건은 Table 4에 나와 있는 선박을 기준으로 선박에 설치되는 발전기 용량을 변경시킴으로 필요한 발전기 대수와 이차전지 용량에 대하여 검토하였다. 발전기의 최대 부하율은 전력여유분(Load margin)을 두어 85%이상의 과부하 운전을 방지하기 위하여 과부하 운전이 되지 않는 범위 내에서 시뮬레이션이 진행되도록 하였다. Figure 5는 시뮬레이션의 블록다이어그램을 나타낸다.

Figure 5

Simulation block diagram

시뮬레이션에 있어 이차전지 출력 C-rate는 무한대로 가정하였고, 바우 스러스터의 유휴상태(unload)에서는 발전기의 부하율이 낮을 경우 이차전지를 충∙방전 비율(C-rate)로 충전하도록 하여 필요한 이차전지 용량을 선정하였다. Figure 6은 시뮬레이션의 프런트패널을 나타낸다.

Figure 6

Simulation front panel

3.3 시뮬레이션 결과 및 고찰

시뮬레이션은 Table 4와 같이 S중공업에서 건조된 컨테이너 선박의 SEL(Ship Electric Load)분석 결과표를 바탕으로 하여 실현가능한 발전기 용량을 적용, 변경시켜가면서 이차전지 용량선정을 하였다.

Table 5

Result of simulation

시뮬레이션 결과 S중공업에서 기존에 설계 시 설치하였던 발전기 4대에서 이차전지를 적용함으로서 설치 발전기 대수를 3대 또는 그 이상 줄일 수 있음을 확인하였다. 또한, 이차전지 용량 결과 Emerald ace 자동차 운반선에 비하여 필요한 LIB용량이 크지 않음으로 충분히 이차전지 적용 타당성이 있다고 판단된다. Table 5는 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

발전기 용량을 크게 하여 설치 대수를 줄일 경우 선박의 공간적인 부분과 적은 초기 투자비 면에서 장점을 가지나 선박 부하가 작은 항해 및 정박시에 발전기 부하율이 50%이하의 저부하 운전으로 발전기 문제 발생가능성이 있다. 발전기 용량을 줄이고 발전기 설치 대수를 늘렸을 경우 낮은 부하에서도 높은 효율을 보장하므로 운항유지비 측면에서 유리하나 다수의 발전기 설치에 따른 공간적 문제, 초기 설치비용 등의 단점을 가진다.

본 연구의 결과를 바탕으로 추후 연구에서는 선박의 초기 투자비, 이차전지를 적용함으로서 연료수비율 감소로 인한 유지비, 이차전지 수명, 연료유 가격 등 여러 환경조건을 고려한 최적의 발전기 용량, 대수 및 이차전지용량을 선정하는 연구가 이루어 져야 할 것으로 판단된다.