선박용 LED 등기구의 적용에 따른 경제성 분석
Copyright © The Korean Society of Marine Engineering
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0), which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
초록
본 논문에서는 실습선과 함정의 광원으로 80% 이상을 차지하는 백열등 및 형광등기구를 대체하기 위한 선박용 LED 등기구의 경제성 분석에 관하여 기술하였다. 소비전력, 초기투자비용, 유지비용 및 유류비에 대한 절감률을 분석하였고, 탄소배출량과 손익분기점을 산출하였다. 실습선의 초기투자비용은 3.8배 상승하였지만, 5년간 유지비용은 51% 절감되었다. 40%, 50% 및 60%의 점등률에 따른 손익분기점은 각각 11개월, 9개월 및 7개월로 산출하였다. 함정의 초기투자비용은 3.5배 상승하였지만, 5년간 유지비용은 55% 절감되었다. 40%, 50% 및 60%의 점등률에 따른 손익분기점은 각각 15개월, 12개월 및 10개월로 산출하였다. 또한 실습선과 함정의 탄소배출량은 각각 69% 및 65% 절감되었다. 이러한 결과를 통하여 실습선과 함정에 LED 등기구를 적용한다면, 50% 이상의 유지비용 절약과 60% 이상의 소비전력, 유류비 절감 및 탄소배출량이 감소될 것으로 판단된다.
Abstract
This paper dealt with the economic analysis on the application of shipboard LED (Light Emitting Diode) luminaires to replace incandescent and fluorescent lamps, which account for over 80 % of light source on a training or naval vessel. The rates of savings achieved in the power consumption, initial investment, maintenance cost, and fuel cost were analyzed. The break-even points and the CO2 emissions were also calculated. For the training vessel, the initial investment was increased by 3.8 times, while the maintenance cost over five years was reduced by 51 %. When 40 %, 50 %, and 60 % of luminaires were turned on, the calculated break-even points were 11 months, 9 months, and 7 months, respectively. On the other hand, the initial investment was increased by 3.5 times while the maintenance cost over five years was saved by 55 % for the naval vessel. The break-even points were calculated as 15 months, 12 months, and 10 months, respectively. Moreover, the CO2 emissions of the training and the naval vessels were reduced by 69 % and 65 %, respectively.
From the results, it was revealed that the maintenance cost can be reduced by more than 50 %, and that the power consumption, fuel cost, and CO2 emissions can be reduced by more than 60 % if LED luminaires are used on two types of vessels.
Keywords:
Economic analysis, Shipboard, LED, Training vessel, Naval vessel키워드:
경제성 분석, 선상, LED, 실습선, 함정1. 서 론
고출력 고휘도 LED(Light Emitting Diode)는 조명용 광원으로 혁신적 결과물을 만들어내고 있으며, 기존 백열등과 형광등의 대체 광원으로 상용화가 활발하다[1]-[4]. 소비전력은 50%~90%의 절감이 가능하며, 수명도 백열등 대비 40배 이상, 형광등 대비 5배 이상 길어 경제성 측면에서도 큰 효과가 있다[5][6]. 이들 장점으로 육상은 물론 선박에서도 LED 조명이 급속히 적용되고 있으나, 단순 교체에 불과하다.
선박에서는 백열램프(Incandescent lamp, IL), 할로겐 램프(Halogen lamp), 형광램프(Fluorescent lamp, FL), 메탈 할라이드 램프(Metal halide lamp, MHL), 고압나트륨 램프(High pressure sodium lamp, HPS) 및 제논 램프(Xenon lamp) 등의 광원을 사용한다. LED 등기구는 내진동 및 내충격성이 우수하여 특히, 선박에서 장수명이 보장된다[1]-[3][7]. 그러나 LED 등기구의 최적 설계와 적용을 위해서는 경제적 대체효과에 대한 분석이 요구되므로, 본 논문에서는 지금까지 해양산업분야에서 한 번도 시도되지 않은 기존의 등기구를 LED 등기구로 대체 시 적용 효과를 정량적으로 제시하였다. 기존 선박 조명계통과 등기구의 특성을 분석하고, 상용화되어 있는 LED 등기구로 대체 시 초기 투자비용, 소비 전력량 및 연료 소비량 등을 분석하여 손익분기점을 찾아내고 동시에, CO2 배출량도 산출하였다.
2. 선박용 등기구
선박용 등기구는 환경적인 특성에 대한 KS V 8427, KS C 7653 및 KS C IEC 60598-1을 만족해야 한다. 또한, 실외 등기구는 IP56을 만족하도록 방진, 방수 성능을 향상시켜 적용한다[8]. 선박용 등기구는 일반조명, 신호조명 및 특수조명으로 구분되고 이는 백열등기구, 형광등기구, 항해등, 신호등, 투광등 및 탐조등으로 용도에 따라 분류한다. 등기구의 분류를 Figure 1에 나타내었다.
Classification of shipboard luminaires
광원 중 백열램프는 연색성이 100에 근접하지만, 15lm/W 이하로 전 세계적으로 단계적인 퇴출이 시행되고 있다[9]. 국내에서는 2014년부터 생산과 수입이 전면 중단되었다. 백열램프의 수요가 많은 선박에서 이를 대체할 수 있는 LED를 이용한 조명개발이 진행 중이다[1][10].
3. 경제성 분석
선박 조명 부하 중 백열등 및 형광등기구가 차지하는 비중이 80%이상으로 매우 높기 때문에 이를 대상으로 경제성을 분석하였다. 형광등기구는 안정기 손실을 포함하므로 소비전력은 FL 40W는 48W와 FL 20W는 26W로 적용하였다. 선종은 실습선과 함정을 대상으로 비교하였다.
선박용 등기구의 부하설비분석과 초기투자비용, 운용비용인 유지비용 및 소비전력에 따른 유류비를 산출하였다. 등기구 점등률은 40%, 50% 및 60%로 구분하였다. 선박용 발전기 연료는 벙커C유가 사용되므로, 유류비는 변환 효율 4.3kWh/ℓ를 기준으로 한국석유공사에서 2015년 7월 기준으로 제시한 세전가격 521원을 적용하였다.
대체 광원 및 등기구는 백열등 및 형광등기구의 광학적 성능을 만족하는 LED 등기구만으로 하였으며, 등기구별 광속은 Table 1과 같다.
Luminous flux by luminaires
기존 등기구 대비 높은 광속을 나타내며, 백열등기구 및 형광등기구는 빛이 전반 확산하므로 반사갓을 적용하여 광효율을 높인다. 그러나 LED 등기구는 직하 광원으로 모든 빛을 필요한 영역에 조사할 수 있다.
3.1 실습선
실습선은 Bridge, Boat deck, Shelter deck, Main deck, 2ND deck 및 Engine room으로 나누어지며, 각 구역의 실내⋅외 조명으로 백열등기구 및 형광등기구가 배치되어 사용한다. 이러한 실습선의 구역별 기존 등기구의 종류 및 수량을 바탕으로 소비전력을 산출하여 Table 2에 나타내었다.
Types of luminaires by area
비율적으로 소비전력이 증가하므로 실습선의 전 구역 대신 기존 등기구의 적용이 많은 Main deck구역을 선정하였고, 기존 광원에 광학적 성능을 만족하는 LED 등기구를 동일한 수량으로 대체 한 결과를 Table 3에 나타내었다. 이 때, 20W, 40W 및 60W의 백열등기구를 8W LED 등기구로 대체하고, 48W를 20W로, 26W를 10W로 각각 형광등기구에서 LED 등기구로 대체하였다.
Types of LED luminaires on main deck
Main deck 구역에서 기존 등기구 및 LED 등기구의 소비전력은 각 15,414W 및 4,834W로 산출되었다.
실습선의 등기구 종류별 가격을 바탕으로 기존 등기구와 LED 등기구의 단가와 초기투자비용을 각각 Table 4 와 5에 나타내었다.
Initial investment cost of IL and FL luminaires
Initial investment cost of LED luminaires
기존 등기구 및 LED 등기구의 초기투자비용은 각 3,618천원 및 13,747천원이며, 10,129천원 증가하였다.
실습선을 연간 24시간을 지속 운용 했을 시, 기존 등기구와 LED 등기구의 수명 및 단가에 따라 5년간 유지비용을 Table 6 과 7에 나타내었다.
Replacement cost of IL and FL luminaires
Replacement cost of LED luminaires
실습선을 5년간 운용했을 시, 등기구 유지비용의 차액은 점등률에 따라 5,878천원, 6,490천원 및 7,894천원이다. 365일 24시간 기준으로 발전기를 운용 할 경우, 연간 유류비는 Table 8과 같다.
Annual fuel consumption
점등률에 따라 연간 유류비 차액이 12,786천원, 15,983천원 및 19,179천원으로 산출되었다. LED 등기구로 대체 하였을 시, 점등률을 고려하여 손익분기점을 산출하기 위해 미리 산출했던 초기투자비용과 점등률에 따른 유지비용 및 유류비를 합산하여 손익분기점을 Figure 2에 나타내었다.
Break-even point
실습선의 손익분기점은 40%, 50% 및 60%의 점등률에 따라 각각 11개월, 9개월 및 7개월 후에 초기투자비용을 회수할 수 있다.
3.2 함정
함정은 실습선과 달리 등화관제를 실시하므로 1개가 홍등인 3등용 형광등기구를 사용한다. 실습선과 비교하기 위해 기존 등기구와 LED 등기구의 부하를 Table 10 과 11에 나타내었다.
Total power consumption by IL and FL luminaires
Total power consumption by LED luminaires
실습선과 동일한 방식으로 기존 등기구는 74,490W이며, LED 등기구를 대체하면 총 26,494W으로 산출되었다.
등기구 종류별 가격으로 기존 등기구와 LED 등기구의 단가와 초기투자비용을 각각 Table 12 와 13에 나타내었다.
Initial investment cost of IL and FL luminaires
Initial investment cost of LED luminaires
기존 등기구의 초기투자비용은 9,089천원이고, LED 등기구는 31,635천원이며, 22,546천원 증가하였다.
등화관제로 야간에 홍등을 점등하므로 3등용 형광등기구는 일반조명을 16시간 사용하며, 홍등을 8시간 사용한다. 연간 운용하였을 때, 3등용 형광등기구는 5,840시간, 홍등은 2,920시간을 점등하며, 나머지 조명은 8,760시간을 점등한다. 그리고 실습선과 동일한 방법으로 각 등기구의 5년간 교체 비용을 Table 14 와 15에 나타내었다.
Replacement cost of IL and FL luminaires
Replacement cost of LED luminaires
함정을 5년간 운용했을 시, 등기구 유지비용의 차액은 점등률에 따라 8,097천원, 10,000천원 및 12,147천원으로 산출되었다. 유류비는 실습선과 동일한 방법으로 산출하였으며, Table 16과 같다.
Annual fuel consumption
LED 등기구로 대체하였을 시, 손익분기점을 산출하기 위해 미리 산출했던 초기투자비용 차액 22,546천원이며, 유류비의 차액은 점등률에 따라 연간 16,600천원, 20,750천원 및 24,900천원으로 산출되었다. 따라서 초기투자비용, 유지비용 및 유류비를 합산하여 손익분기점을 Figure 3에 나타내었다.
Break-even point
손익분기점은 40%, 50% 및 60%의 점등률에 따라 각각 15개월, 12개월 및 10개월 후에 초기투자비용을 회수한다.
4. 결 론
본 논문에서는 선박 조명의 80%를 차지하는 백열등 및 형광등을 LED광원으로 대체 시, 소비전력, 초기투자비용, 유지비용 및 유류비에 대한 절감률을 분석하여 손익분기점을 산출하였으며, 결과는 다음과 같다.
실습선의 소비전력 및 탄소배출량은 68% 감소하였으며, 초기투자비용은 3.8배 증가되었다. 유지비용은 5년동안 51% 절감되었고, 손익분기점은 40%, 50% 및 60%의 점등률에 따라 11개월, 9개월 및 7개월로 분석되었다.
함정의 소비전력 및 탄소배출량은 65% 감소하였으며, 초기투자비용은 3.5배 증가되었다. 유지비용은 5년동안 55% 절감되었고, 손익분기점은 40%, 50% 및 60%의 점등률에 따라 15개월, 12개월 및 10개월로 분석하였다. 따라서 점등률이 높을수록 단기간에 초기투자비용을 회수하며, 장기간 운용할수록 경제적 효과가 크게 나타난다. 한편, 등기구의 수량이 많은 함정에서는 초기투자비용이 높지만, 유지비용의 절감효과가 더 큰 것으로 나타났다. 백열등기구의 비율이 높은 실습선에서 손익분기점은 빨라지며, 탄소배출량은 더 감소하였다.
Acknowledgments
본 연구는 미래창조과학부 및 한국연구재단 BK21플러스 사업의 지원으로 수행되었음.
References
- N. W. Jang, “The recent trends of shipboard LED luminaires”, Proceedings of the KIIEE, 29(1), p9-13, (2015), (in Korean).
- D. G. Nam, S. H. Lee, C. I. Jung, H. P. Yoon, and H. H. Jo, “Development trend of element technology for shipboard LED light production”, Proceeding of the KSNRE Fall Conference, p164, (2010), (in Korean).
- H. E. Cho, S. J. Kim, H. K. Cha, G. S. Kil, and H. S. Kwon, “Analysis of vibration durability requirements for a shipboard LED luminaire”, Proceeding of the KOSME Second Conference, p409-410, (2010), (in Korean).
- A. R. Lee, Y. M. Yu, I. S. Her, and J. K. Yeo, “The thermal design of high-power LED module for development of LED searchlight”, Proceeding of the 44th KIEE Summer Annual Conference, p1441-1442, (2013), (in Korean).
-
S. J. Kim, S. J. Kim, H. J. Ha, G. S. Kil, and I. K. Kim, “Design and fabrication of a high power LED searchlight”, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, 38(6), p737-743, (2014), (in Korean).
[https://doi.org/10.5916/jkosme.2014.38.6.737]
-
S. K. Choi, S. J. Kim, D. W. Park, G. S. Kil, C. Y. Choi, and S. B. Song, “Design and Fabrication of an Energy Saving LED-Fishing Lamp”, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, 34(4), p515-521, (2010), (in Korean).
[https://doi.org/10.5916/jkosme.2010.34.4.515]
- Y. S. Kim, J. S. Sim, and G. S. Lee, “The economical efficiency analysis of LED illuminator application at subway station”, Proceeding of the Korean Society for Railway Spring Conference, p1868-1872, (2010), (in Korean).
-
G. S. Kil, I. K. Kim, H. E. Cho, H. S. Kwon, and H. G. Cho, “Design Guide of Surface and Watertight LED Luminaires for Naval Vessels”, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, 35(5), p654-660, (2011), (in Korean).
[https://doi.org/10.5916/jkosme.2011.35.5.654]
- S. H. Jhin, S. J. Seong, J. H. Kim, J. W. Jung, G. S. Cho, and S. Kim, “Comparative analysis of the LED A-19 lamp for suitable replacement of 60 [W] light bulb”, Proceedings of the KIIEE Annual Conference, p105-108, (2012), (in Korean).
- W. Y. Cheon, J. H. Kim, J. H. Kim, B. J. Gu, J. S. Jeon, and Y. C. Kim, “Research of demonstration for LED lighting in ship”, Proceedings of the KIIEE Annual Conference, p83-85, (2011), (in Korean).