현재 해군함정이나 잠수함의 추진력은 일부 원자력을 제외하고는 대부분 디젤기관이다. 값싼 고유황 중유(벙커C유)를 연료로 사용해 디젤 왕복엔진 이나 증기터빈이나 가스터빈 엔진을 사용하고 있다. 그런데 요즘 점차 군함의 추진방식으로 전기추진방식이 대두하고 있다. 연료나 엔진은 같지만 엔진이 직접 스크류를 돌리는 대신 발전기를 돌리고 그 전력으로 전기모터로 스크류를 추진하고 있다. 설계나 운용의 융통성 등 여러 장점이 있다고 한다.
그렇다면 연료를 중유 대신 LNG 가스를 쓰고 내연 기관이나 터빈 대신 LNG-수소-연료전지로 발전하는 건 어떨까? LNG 를 변환장치로 수소로 변환시키고 이 수소로 고온연료전지 (고체산화물 연료전지 SOFC)로 발전을 하고 그 전력으로 전동모터를 돌린다면 에너지 효율을 획기적으로 올릴 수 있다. 고온 연료전지는 수소기체에서 직접 전기에너지를 만들어 낼 수 있다.
장점은
1) LNG ->수소 -> SOFC 연료전지 -> 전기모터 추진의 에너지 효율은 종합적으로 60%가량이라 디젤 추진의 30-40%보다 최소 1.5배 이상 효율적이다. 따라서 같은 연료를 실어도 훨씬 장거리 항해가 가능하다.
2) 수소 변환장치나 SOFC 연료전지나 구조가 간단하고 기계적으로 움직이는 부분이 거의 없는 정적인 전기화학장치이므로 고장이 거의 나지않고 신뢰성 정비성 등이 크게 올라간다. 정비수요나 부품교체율도 크게 낮아진다.
3) 이로 인해 고장율이나 기지에서 정비일수도 대폭 단축되어 연간 가동일수가 크게 늘어 연간 바다에 나가있는 가용성이 크게 높아진다. 기관실 인원이나 기지정비인원과 부품교체나 기관관련 유지비도 대폭 절약할 수 있다. 사실 이게 가장 큰 장점이자 경제성이다.
4) 또 기계적 소음이 거의 사라져 매우 정숙한 함정이 될 수 있다. 거의 전기배터리로 움직이는 잠수함 정도로 정숙성을 유지할 수 있다.
5) 연료전지는 크게도 작게도 만들 수 있다. 연료전지를 모듈화하여 다수의 모듈을 분산 배치하면 정비나 교체하기 쉬워지고 일부고장에도 강해지고 무게 배분등 설계에도 훨씬 융통성이 있다. 함급이 달라도 모듈 수를 달리해 출력을 조절하는 등 연료전지 설계를 공용화 할 수 있다.
6) 연료를 LNG 로 교체함으로서 오염물질이나 탄소배출을 크게 줄일 수 있다는 장점도 있다. 군함에게 이런 오염물질 저감은 크게 중요하지 않지만 현재 상선들이 점차 LNG 추진선으로 교체되는 것에 동참할 수 있다.
단점은
1) 아직 SOFC 전지는 대규모로 상선 등에서 쓰이고 있지않아 연구개발이 필요하다. 하지만 이미 대우해양조선이나 삼성중공업 등 국내조선 기업에서도 대형컨테이너선에 적용해 설계중일 정도로 실용화에 가깝다.
2) 아직 상선 등에 널리 쓰이지 않는 기술이라 건조비 중 추진기관 비용은 비쌀 것으로 예상된다. 하지만 기관관련 운용 정비인력과 정비시간 감축 및 연간 가동일수 향상으로 가동일수 당 또는 연간 운영비를 낮춰서 경제성을 높일 수 있디. 함정 건조비가 10% 높아져도 유지비가 덜들고 가동일수가 20% 늘어나면 그게 더 이익이다.
3) LNG 는 고급연료라서 가장 값싼 연료인 벙커C유보다 에너지당 연료비가 비싸다. 하지만 에너지 효율이 높아서 실제 운항거리 당 연료비는 벙커C유 보다 더 낮을 가능성이 충분히 있다.
4) 또 벙커 C유보다 무게당 부피당 에너지 밀도가 낮아 더 큰 연료탱크가 필요하다. 하지만 역시 에너지 효율이 높아서 같은 크기의 연료탱크로도 더 먼 운항거리를 낼 수 있다.
5) 아직 일반 항구에 LNG 충전 설비가 널리 보급되지 않아 해군기지에 LNG 저장 설비와 충전 인프라를 건설해야 한다. (해상 급유도 해결해야하는 문제이다) 하지만 LNG 추진 상선이 크게 늘고 있어서 이런 문제도 머지 않아 해결될 것이다.
이미 국내기업 들도 관련 기술 등을 확보하거나 연구중이므로 제일 먼저 군함에 적용하는 것은 어떨지? 다소 비용이 비싸도 군함이라면 먼저 첨단기술을 적용 할수 있을 것이다. 물론 해운업계와 해군이 100년 가까이 사용해온 연료와 엔진기술을 근본적으로 바꾸는 데 그게 쉬운 일일 리가 없고 많은 개발과 노력과 시행착오가 필요할 것이다. 하지만 이미 상선과 해운업계에서는 그러한 변화를 시도하고 있는데 해군과 군함이 이를 도입하지 못한다는 건 말이 되지 않는다. 현재 한국은 세계최강의 조선기술 강국이니 충분히 이를 해낼 수 있는 기술과 저력을 보유하고 있다. 중소형 함부터 기술을 축적하며 이 100년만의 선박 기술혁신을 성공시킨다면 미일 해군도 하지못한 역사적 업적으로 한국해군력과 조선기술수준을 크게 높일 수 있을 것이다.
특히 이런 LNG 연료전지는 정숙성과 신뢰성이 중요한 잠수함에는 최적의 추진기관 기술이라고 할 수 있다. 따로 액체산소를 싣거나 산소부화장치+ 고압공기탱크 또는 산소액화장치등을 부설한다면 수중에서도 발전이 가능해 AIP 기관으로서 운용할 수 있을 을 것이다. 그러면 연속 잠수시간을 획기적으로 늘리는 것도 가능해 원자력 잠수함에 버금가는 성능을 가질 수도 있다. 한국해군의 손원일급 잠수함인 도산안창호함은 액체수소+액체산소를 이용한 수소연료전지 AIP 기술을 도입해서 디젤잠수함으로는 이미 세계최장 연속잠수기록을 세운 바가 있다. 이 기술에 수소 저장탱크 대신 LNG 저장탱크 + 수소개질장치만 추가하면 LNG AIP 기술로 진화시키는 것은 합리적 다음 단계로 큰 어려움이 없을 것이다. 이런 경험이 축적되면 단지 AIP 기관으로서가 아니라 메인 디젤엔진을 대체하는 잠수함의 주동력기관으로 LNG연료전지를 적용할 수 있을 것이다.
