Fig. 1에서 MAN B&W엔진을 대상으로 연료 연소 과정에서 발생하는 폐열을 WHRS의 유무에 따라 구분하여 제시하였다. 또한, Fig. 2에서는 각 선박 엔진별 규모에 따른 배기가스의 온도 및 유량 특성과 Fig. 3에서는 엔진 냉각수의 온도 및 유량 특성을 나타내었다.

Fig. 1. 
Heat balance for large-bore MAN B&W engine types without and with WHRS

Fig. 2. 
Waste heat from ship’s exhaust gas

Fig. 3. 
Waste heat from ship’s jacket water

분석 결과, 선박에서 발생하는 배기가스 온도는 약 200~400°C 범위에 분포하며, 엔진 냉각수의 온도는 80~95°C 범위에 분포하는 것으로 확인되었다. 두 폐열원 모두 엔진 출력에 비례하여 유량이 증가하는 경향을 보였다.

WHRS 시스템의 발전 효율 향상을 위해서는 가능한한 높은 온도와 풍부한 유량을 가진 열원을 활용하는 것이 유리하다. 이에 본 연구에서는 배기가스 폐열을 주요 열원으로 선정하였으며, 이코노마이저(Economizer)를 통해 배기가스의 열에너지를 증기의 형태로 회수하여 WHRS에 공급하는 구성으로 채택하였다.

CoolProp V7.2을 통해 작동유체별 물성치와 안전성을 Table 1에 정리하였다. 물을 제외한 작동유체들은 열원이 90~200°C 범위에서 활용 가능하다. 이에 따라, 친환경성 및 환경 규제를 고려하여 가장 우수한 성능을 나타내는 R‑1233zd(E)를 작동유체로 선정하였다.

Fig. 4는 단순사이클과 중간열교환기를 적용한 사이클의 구성도이다. 두 사이클을 Aspen사의 HYSYS 프로그램을 활용하여 비교 분석하였다. 동일한 열원(170°C, 1.5 ton/h, 스팀)과 열침(30°C, 138 ton/h, 냉각수) 조건에서는 기본사이클은 88.5 kW의 출력을 나타내지만, 중간열교환기를 적용한 사이클은 100 kW의 출력을 얻을 수 있는 것으로 확인하였다. 또한, 두 사이클이 100 kW 출력이 나올 경우, 기본사이클에서는 170°C 스팀 열원이 약 2 ton/h 필요하지만 중간열교환기를 적용한 사이클은 약 1.5 ton/h이 필요하며, 30°C 냉각수 열침을 사용할때 기본사이클은 약 138.5 ton/h이나, 중간열교환기 적용 사이클은 약 138 ton/h이 필요한 것으로 확인하였다.

Fig. 4. 
Organic rankine cycle diagram

선박의 전력 수요 중 일부를 WHRS가 대체할 경우, 보조발전기의 연료 소비량이 감소하며 이는 곧 연료비 절감으로 이어진다. 절감되는 연료량은 연료 단가를 곱하여 연료비 저감 금액으로 환산하였으며, 운항 1회당 선박 연료비 저감의 편익은 식 (1)과 같이 정의할 수 있다.

WHRS적용으로 선박 연료 소비량이 감소하면, 이에 따른 CO₂등 온실가스 배출량 또한 감소하게 된다. 본 연구에서는 각 연료별 CO₂배출계수를 활용하여 운항 1회당 배출 저감량을 산정하여, 편익을 식 (2)와 같이 정의하였다.

배출 저감량은 각 국의 탄소 규제 정책에 따른 단위 배출량당 부과되는 사회적 비용을 기반으로 경제적 가치를 부여하였다.

본 연구에서는 선박 연료비와 온실가스 배출 저감의 편익 요소를 합산하여, WHRS 적용에 따른 총 편익을 산정하였다. 운항 1회당 총 편익은 식 (3)과 같이 정의할 수 있다.^[17,18]

편익 식을 작성한 결과, 시스템의 순 출력 변화가 편익에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 따라서, 시스템의 성능(출력, 효율)모두 편익에 일정 부분 영향을 미치는 것으로 확인되었다.

총 편익을 계산하기 위해서는 선박 엔진의 SFC 정보가 필요하다. Table 2는 선박에서 사용하는 일부 엔진의 제원을 정리하였다.

선박이 미국에서 영국까지 정기적으로 운항하는 정기선 항로에서 약 390시간이 소요된다고 가정하였다. 또한, 엔진 로드 100%는 92시간, 80%는 263시간, 60%는 13시간, 40%는 11시간, 20%는 11시간으로 운전된다고 가정할 때, 100 kW 출력의 중간열교환기를 적용한 사이클을 Engine_5S50ME와 Engine_7S50ME에 적용한 경우 1회 운항에 따른 연료 및 온실가스 저감량을 Table 3과 Table 4에 정리하였다.

고비용의 친환경 연료를 사용할 경우, 선박 연료비 절감 부분에서 높은 편익을 보였으나, 온실가스 배출 저감 측면에서는 상대적으로 낮은 편익을 보였다. 반대로 저비용 연료를 사용할 경우, 선박 연료비 저감에서의 편익은 상대적으로 낮은 반면, 온실가스 배출 저감에서는 높은 편익을 보이는 것으로 나타났다.

연간 선박이 10번의 운항을 진행한다고 가정한 경우, 엔진과 연료타입 그리고 사이클별 연료 및 온실가스 저감에 따른 총 편익을 원화로 환산할 결과를 Fig. 5에 나타내었다.

Fig. 5. 
Total annual benefits

5S50ME엔진에서 100kW출력의 기본사이클을 적용한 경우, 중유(HFO, Heavy Fuel Oil)에서 약 89.93 ton/년 연료 저감과 약 280 ton/년 온실가스 저감이 발생하여 총 61,501,115원/년으로 가장 낮은 값을 보였다. 반대로 7S50ME엔진에서 100 kW 출력의 중간열교환기를 적용한 사이클을 적용한 경우, 암모니아(NH₃, Ammonia)에서 약 241.65 ton/년 연료 저감 효과만으로 총 286,841,571원/년으로 가장 높은 값을 보였다.^[11,12]

또한, 엔진 규모와 사이클에 따른 비용 상승률 보다는 연료의 변경에 따른 금액 상승률 폭이 더욱 큰 것으로 확인되었다.