최근 함정 내에 설치되는 각종 장비/시스템의 첨단화, 대형화 및 자동화에 따라 함정 내 전력 소요가 급격히 증가하여 함정 내 전력과 추진체계 동력을 일원화하여 동력의 효율성 증대가 가능한 전기추진체계의 함정 적용이 확대 되고 있다. 또한 낮은 소음/진동 및 수중방사소음 특성으로 함 생존성 향상이 용이한 점, 연료비 절감, 운전효율 향상, 정비소요 감소, 운용인력 최소화를 통한 함정 운용유지비 절감이 가능한 점과 황산화물, 질소산화물 등 대기오염물질 배출을 감소 가능한 친환경성으로 향후 전기추진체계의 함정 적용은 더욱 확대 될 것이며 향후 함정의 표준 추진체계로 자리 잡을 것으로 전망되고 있다[1].

Figure 1은 전투함의 전기추진체계 적용 경향을 나타내는데 복합식 전기추진체계의 경우 영국 해군이 대잠작전 강화를 위해 Type23 함에 세계 최초로 적용한 이후 독일, 프랑스, 이탈리아 등 유럽해군 함정에 확대 적용하기 까지는 약 20년이 경과되었다. Type 23 함 운용을 통한 우수한 함 성능 입증과 치솟는 원유 가격과 국방예산 감축에 따른 연료비 절감 필요성에 따라 독일, 프랑스 등 선진 유럽해군은 약 10년 전부터 복합식 전기추진체계 적용 검토 및 관련 기술을 개발하여 최근에 건조하고 있는 함정에 적용하고 있다. 복합식 전기추진체계의 함정 적용은 타 해군에도 확대되어 전투함 추진체계의 대세가 될 것으로 보인다. 복합식 전기추진체계는 2,000 ~ 4,000톤 범위의 디젤기관을 적용한 비교적 작은 초계함(Patrol corvette) 또는 호위함(Frigate)에서부터 가스터빈기관을 적용한 5,500 ~ 8,500톤 사이의 구축함에 적용되었는데 복합식 전기추진체계는 소형전투함에서 대형 전투함까지 다양한 크기의 함정에 적용되고 있다.

Figure 1: 
The status of electric propulsion for combat ship[1]

반면, 완전 전기추진체계는 영국 해군 Type 45 및 미 해군 DDG 1000 함에 적용되었는데 추진전동기 소형화를 위해 지속 연구개발 중임에도 불구하고 경하 5,000톤 이하 함정에 30 kts 이상의 최대속력을 만족하도록 완전 전기추진체계를 적용하는 것은 현재의 기술수준으로는 중량 및 설치 공간 제한으로 불가하다. 따라서 향후 함정에 확대 적용은 추진전동기 등 구성장비의 소형화, 경량화 기술 개발 수준에 따라 좌우 될 것으로 판단되며, 기술발전 추세 고려 시 복합식 전기추진체계 경우처럼 타 해군에 확대 적용은 20년 이상은 걸리지 않을 것으로 전망된다.

Figure 2는 연도별 세계 원유(두바이, 영국 브랜트, 미국서부 텍사스) 평균 가격[2]과 전기추진체계 적용 함정의 건조 계약시점[3]의 관계를 나타낸다.

Figure 2: 
Relationship between the average price of oil and construction contract year of electric propulsion ship

Type 23 함에 복합식 전기추진체계 적용이 결정된 시점은 1985년으로 제2차 오일쇼크의 영향이 가시지 않은 상태로 원유 가격이 높게 형성된 시점이었다. 또한 독일, 프랑스 등 유럽 해군 및 한국 해군에서 복합식 전기추진체계 적용을 결정한 2010년대 초반에도 원유 가격은 급등한 상태로 연료비 절감은 함정 추진체계 결정의 중요한 요소 중에 하나였음을 알 수 있다. 향후 원유가격 상승은 미국 및 유럽 이외 전 세계 해군 함정에 대한 전기추진체계 급속한 확대에 직접적인 영향을 줄 것으로 예상된다.

최근에는 연료비 절감을 위해 복합식 전기추진체계를 탑재한 해외 군수지원함에 양방향 전력변환 기술을 적용하여 추진전동기를 발전기로도 이용하는 시도가 진행되고 있는데 양질의 전력 품질과 높은 전력부하가 요구되는 함정에 양방향 전력변환 적용 시 에너지 효율을 상당히 향상시킬 것으로 기대된다. 본 논문에서는 복합식 전기추진체계를 적용한 세 가지 대표 함정, 대형전투함인 구축함, 중형전투함인 호위함 및 전투지원함인 군수지원함에 대해 복합식 전기추진체계 양방향 전력변환 적용에 따른 연간 연료 소비량을 LabVIEW를 기반으로 한 시뮬레이션을 통하여 분석하여 함정의 에너지 효율을 향상 시킬 수 있는 방안에 대해 연구한다.

시뮬레이션은 NI사의 LabVIEW를 사용하여 프로그램을 작성하였다. 공개된 함정 소요마력 자료 및 장비 데이터에서 선형 회귀분석 및 보간법을 통해 선형적인 수식을 도출하고 이를 시뮬레이션에 적용하였다. 구축함은 DDG-51급 함속에 따른 소요마력 및 추진기관/발전기의 연료소모율 자료를 활용하여 선형적인 수식을 도출하여 시뮬레이션을 수행하였다[10][11]. 호위함과 군수지원함도 공개된 유사함정 자료를 활용하여 동일한 방법으로 시뮬레이션을 수행하였다. 호위함의 추진기관을 모델링한 LabVIEW 프로그램과 산출된 연료소모율 그래프는 Figure 9와 같다.

Figure 9: 
Engine SFC of Frigate

호위함의 발전기를 모델링한 LabVIEW 프로그램과 산출된 연료소모율 그래프는 Figure 10과 같다.

Figure 10: 
Generator SFC of Frigate

호위함의 함속에 따른 소요마력을 모델링한 LabVIEW 프로그램과 산출된 소요마력 그래프는 Figure 11과 같다.

Figure 11: 
Required shaft propulsion power of Frigate

산출된 모델을 기반으로 LabVIEW 프로그램을 통해 각 함정 종류 및 운용개념 별 연간 연료소비량을 산출한다.

양방향 전력변환 적용에 따른 연료 절감효과 확인을 위해 함속별 운항 비율에 따른 연간 연료소비량을 분석한다. 다음 비교 그래프에서 막대그래프는 운항 속도별 연간 연료소비량을 나타내며, 위의 꺾은선그래프는 연료소비량의 차이를 나타낸다. 기존 기계식추진체계(COGAG)에 추진전동기를 추가 적용한 구축함의 운항 속도별 연간소비량을 나타낸 Figure 12에 기계식 모드(Mac) 대비 추진전동기모드(HED M)와 양방향 전력변환 발전기모드(HED MG)의 연간 연료소비량을 비교하였다.

Figure 12: 
Annual fuel consumption by speed of Destroyer

구축함은 가스터빈발전기를 사용하는 특성에 따라 저속에서 높은 연료소비량을 보이며 추진전동기모드 적용을 통해 약 250톤의 연료가 절감됨을 확인할 수 있다. 또한 발전기모드를 추가로 적용하였을 때는 13~16 kts 사이에서 연료절감량이 많은 것을 확인할 수 있다. 전반적으로 추진전동기 모드 적용 시 기계식 대비 연료소비량이 현저히 줄어들며, 발전기 모드 추가 적용을 통해 연료소비량이 더욱 줄어든 것을 알 수 있다.

Figure 13은 호위함의 추진전동기모드, 양방향 전력변환 발전기모드의 함 속도별 연료소모율을 나타낸다. 발전기모드는 발전기 1대를 운용하는 경우(HED MG 1)와 발전기 가동 없이 양방향 전력변환 발전기 모드만 사용하는 경우(HED MG 2) 두 가지를 고려하였다. 디젤발전기가 저 부하에서 연료소모율이 높은 특성에 따라 약 5 kts 이하에서는 높은 연료소모율을 나타내며, 16 kts에서 급격히 연료소모율이 상승하는데 이는 대용량의 가스터빈기관으로 함을 추진하기 때문이며, 함 속력이 증가하면서 추진부하 증가에 따라 연료소모율이 떨어지는 특성을 보여주고 있다.

Figure 13: 
Fuel consumption rate by speed of Frigate

Figure 14는 호위함의 함 속도별 운항비율을 고려한 속도별 연간 연료소비량을 나타내는데 발전기모드가 작동하는 16 kts부터 연료절감 효과가 나타나며 발전기 가동 없이 양방향 전력변환 발전기 모드만 사용하는 경우 연료절감 효과가 더 높은 것을 확인 할 수 있다.

Figure 14: 
Annual fuel consumption by speed of Frigate

Figure 15는 군수지원함의 추진전동기모드, 양방향 전력변환 발전기모드의 함 속도별 연료소모율을 나타낸다. 저 부하에서 연료소모율이 높은 대용량 디젤발전기의 특성에 따라 6 kts 이하 낮은 속도에서는 연료소모율이 높으며, 대용량의 전력이 소요되는 해상보급장치를 운용하는 12~14 kts에서 연료소모율이 상승하는 것을 알 수 있다. Figure 16은 군수지원함의 함 속도별 운항비율을 고려한 속도별 연간 연료소비량을 나타내는데 발전기모드가 작동하는 9 kts부터 연료절감 효과가 나타나며 10~11 kts에서 연료절감효과가 높은 것 알 수 있고, 발전기 가동 없이 양방향 전력변환 발전기 모드만 사용하는 경우 연료절감 효과가 더 높은 것을 확인 할 수 있다.

Figure 15: 
Fuel consumption rate by speed of LSV

Figure 16: 
Annual fuel consumption by speed of LSV

구축함, 호위함, 군수지원함의 양방향 전력변환 발전기모드 적용에 따른 연간 연료절감량은 Figure 17에 나타내었다. 가스터빈기관과 가스터빈발전기를 사용하는 구축함의 경우 연간 약 360톤으로 연료절감량이 가장 많고, 대용량의 디젤기관과 디젤발전기를 적용한 군수지원함도 연간 약 240톤의 연료를 절감하며, 호위함의 경우 상대적으로 연료절감 효과는 낮으나 연간 약 100톤의 연료를 절감함을 알 수 있다. 또한 발전기 가동 없이 양방향 전력변환 발전기모드만을 사용할 경우 호위함의 경우 연간 약 190톤, 군수지원함의 경우 연간 약 340톤의 연료를 절감하여 연료 절감 효과는 더 높은 것을 알 수 있다.

Figure 17: 
Annual fuel saving in Bidirectional power conversion

본 연구에서는 복합식 전기추진체계의 양방향 전력변환 적용에 따른 연료 절감 효과 분석을 위해 함 속도별 운용비율, 연간 함 운용시간, 발전기 운용개념 등을 고려하여 구축함, 호위함 및 군수지원함의 연간 연료소비량을 알아 보았다. 복합식 전기추진체계 함정에 양방향 전력변환 적용 시 구축함의 경우 연간 약 360톤, 호위함의 경우 연간 약 100톤, 군수지원함의 경우 연간 약 240톤의 연료절감 효과가 있고, 발전기 사용 없이 양방향 전력변환 발전기 모드만 사용 시 호위함의 경우 연간 약 190톤, 군수지원함의 경우 연간 약 340톤의 연료를 절감하여 더 많은 연료절감 효과가 있음을 확인 하였다. 이와 같은 연간 연료소비량 분석을 통해 복합식 전기추진체계를 탑재한 함정에 양방향 전력변환을 추가 적용 시 함정의 에너지 효율을 향상 시킬 수 있음을 확인 할 수 있다. 일반적으로 함정 연료소비량은 함 속도별 운용비율, 추진기관/발전기 연료소모율, 추진체계 구성, 추진체계/발전기 운용개념 등에 따라 변경되기에 양방향 전력변환을 함정에 적용하여 최상의 연료절감효과를 얻기 위해서는 이에 대한 최적화가 함께 고려되어야 할 것이다.