1.1. 연구의 필요성

소형 및 중형 선박에서는 조명, 항해·통신장비, 공조설비, 소형 전열기기 등 다양한 생활·운항 부하용 전원으로 통상 3~7kW 디젤 발전기를 사용한다. 이러한 디젤 발전기는 구조가 단순하고 신뢰성이 높다는 장점이 있으나, 연료 연소에 따른 배출가스, 소음, 진동 문제로 인해 선원 작업환경을 저해하고 항만 및 정박지 주변의 대기환경에도 부정적인 영향을 미친다. 국제해사기구(IMO)의 온실가스 및 대기오염 물질 배출 규제 강화, 각국의 친환경 항만 정책 도입에 따라 정박 중 디젤 발전기 운전을 최소화하고 대체할 수 있는 저소음·무배출 전원 시스템의 필요성이 증대되고 있다^[1].

한편, 전기자동차 보급 확대에 따라 일정 수준의 잔존 용량을 보유한 사용후 EV 배터리가 대량으로 발생하고 있다. 이러한 배터리는 차량 주행용으로는 사용이 제한되지만, 정격 출력과 에너지 밀도가 상대적으로 낮은 분산형 ESS나 비상용 전원으로 재사용할 경우 경제성과 환경성을 동시에 확보할 수 있는 자원으로 평가된다. 특히 선박 분야에서는 공간 제약과 해양 환경에 대한 내환경성이 중요하므로, 규격화된 모듈 단위의 재사용 배터리는 선박용 ESS 구현에 적합한 후보군이다^[2].

기존 연구에서는 3kW 소형 ESS 또는 7kW 중형 ESS를 적용한 실증 사례가 보고되었으나, 실제 연안용 작업선·어선·서비스 보트 등의 실 부하 특성과 설치 공간, 장비비를 종합적으로 고려한 최적 용량대에 대한 분석 사례는 제한적이다. 본 논문에서 제안하는 5kW 선박용 ESS는 조명·공조 부하를 포함한 일반적인 생활전력 수요에 대응하면서, 디젤 발전기의 직접 대체를 목표로 하는 실용적인 정격 용량을 제시한다는 점에 의의가 있다.

1.2. 연구의 목적 및 방법

본 연구의 목적은 재사용 전기차 배터리를 활용한 5kW 선박용 ESS 시스템의 구성과 설계 방법을 제시하고, 실제 선박에 탑재하여 운전 시험을 수행함으로써 디젤 발전기 대체 가능성을 검증하는 데 있다. 이를 위해 다음과 같은 세부 목표를 설정하였다.

첫째, 2.4kWh급 EV 재사용 배터리 모듈을 이용하여 7.2kWh 저장 용량을 갖는 5 kW ESS 시스템 구조를 설계하고, 배터리 관리 시스템(BMS), DC-AC 인버터, 보호계전기, 외함 및 냉각 구조를 포함한 전체 시스템 구성을 제시한다.

둘째, 실선 적용 대상 선박의 조명·공조 및 기타 부하 특성을 조사하여 시간대별 부하 프로파일을 작성하고, 이를 바탕으로 3kW, 5kW, 7kW 시스템 간 용량 대비 운전 시간, 설치 공간 및 비용 측면의 비교 분석을 수행한다.

셋째, 제작된 5kW ESS를 실제 선박에 적용하여 출력 전압·전류, 배터리 온도, 에너지 상태(SOC) 변화, 운전 시간 등을 측정하고, 디젤 발전기 대비 환경성·경제성 측면에서의 장점을 정량적으로 평가한다.

연구 방법으로는 기존 3kW와 7kW ESS 실증 결과를 참고하여 5kW 시스템 설계 기준을 도출하고, 상용 BMS 및 인버터를 활용한 시제품 제작 후 실선 실증 시험을 통해 데이터를 수집·분석하였다.

1.3. 논문의 구성

본 논문은 다음과 같이 구성된다. 2장에서는 선박용 5kW ESS 시스템의 구성과 설계 규격을 설명한다. 3장에서는 대상 선박의 부하 특성을 분석하고, 5kW 용량 선정 과정과 3kW 및 7kW 시스템과 비교 결과를 제시한다. 4장에서는 실선 실증 시험 구성과 측정 결과를 기술한다. 5장에서는 디젤 발전기와의 경제성·환경성 비교 및 운용 측면의 고려 사항을 정리하고, 6장에서 결론과 향후 연구 과제를 제시한다.

2.1. 시스템 구성 개요

제안하는 선박용 ESS는 Fig. 1과 같이 재사용 EV 배터리 모듈, DC 보호 차단기 및 퓨즈, DC-AC 정현파 인버터, BMS, 충전기, 모니터링 HMI로 구성된다. 시스템은 IP65 등급 이상의 방수·방진 성능을 갖는 알루미늄 또는 스테인리스 외함에 탑재되며, 선박의 기관실 또는 전기실 내에 설치된다^[3].

Fig. 1. 5kW marine ESS using reused EV battery modules

ESS는 정박 중 육상전원으로부터 충전되며, 장기적으로는 선체 상부에 설치된 태양광(PV) 모듈과 연계하여 부하 일부를 재생에너지로 공급할 수 있도록 확장 가능하게 설계되었다. 방전 시에는 인버터를 통해 AC 220V, 60Hz의 정현파 전압을 생성하여 조명, 소형 공조, 통신장비, 콘센트 부하 등에 전원을 공급한다. Table 1은 5kW ESS 시스템의 주요 규격을 정리한 것이다.

2.2. 배터리 및 전력변환부 설계

배터리 시스템은 2.4kWh급 모듈 3개를 직렬 연결하여 구성하였다. 각 모듈은 리튬이온(NMC 계열) 셀을 기반으로 하며, 모듈 내 보호회로와 온도 센서를 포함한다^[4]. 시스템 전압 범위는 인버터 입력 조건을 고려하여 약 90~150V로 설정하였으며, SOC 10~90% 구간을 유효 사용영역으로 정의하여 셀 수명과 안전성을 확보하였다.

전력변환부는 정격 5kW, 순간 최대 출력 6kW 이상을 지원하는 상용 정현파 인버터를 사용하였다. 인버터 출력은 소형 분전반을 통해 조명 회로, 콘센트 회로, 공조 회로로 분기되며, 각 회로에는 과전류 차단기 및 누전차단기를 설치하여 선박 전기설비 기준을 만족하도록 하였다^[5]. DC 측에는 차단기와 퓨즈를 병용하여 단락 사고 시 안전하게 차단되도록 설계하였다.

2.3. BMS 및 보호 기능

BMS는 각 배터리 모듈의 전압, 전류, 온도, 충전상태(SOC), 수명상태(SOH), SOE를 실시간 측정하며, 셀 밸런싱 기능을 통해 셀 간 전압 편차를 허용 범위 이내로 유지한다. 이상 상태(과충전, 과방전, 과전류, 과온도, 셀 불균형) 발생 시 BMS는 인버터와 DC 차단기에 차단 명령을 전달하여 시스템을 보호한다^[6].

또한, 선박의 접지 시스템과 연계하여 누설전류 감시 기능을 구현하였다. 절연 감시 장치는 DC 링크와 선체 사이의 절연 상태를 상시 모니터링하며, 누설전류 또는 절연 저항 저하 시 경보를 발령하도록 구성하였다.

2.4. 외함 및 열 관리 구조

외함은 해양 환경에 적합하도록 염분·습기·진동에 대한 내환경성을 고려하여 설계하였다. 외함 내부에는 공기 흐름을 위한 통풍 채널을 형성하고, 배터리 및 인버터 상부에 강제 통풍 팬을 배치하였다. BMS는 모듈 온도와 인버터 온도 정보를 기반으로 팬을 단계적으로 제어하여 필요시에만 냉각을 수행함으로써 소음과 소비전력을 최소화하도록 하였다.

외함 외부에는 내식성 분체 도장을 적용하였으며, 선체 고정용 진동 흡수 마운트를 사용하여 기계적 스트레스를 완화하였다. 이와 같은 구조를 통해 항만 및 연안 환경에서의 장기 운용 신뢰성을 확보하였다.

3.1. 대상 선박 및 부하 프로파일

실증 대상 선박은 연안 작업 및 어로 지원을 수행하는 20톤급 소형 선박으로, 주 운항 패턴은 낮 시간대 항해 및 작업, 야간 정박 후 작업 대기 형태이다. 선내 주요 부하는 Table 2와 같이 조명, 소형 공조, 통신·항해 장비, 콘센트 부하로 구성된다.

야간 정박 시에는 조명 및 통신·항해 장비가 지속적으로 사용되며, 필요 시 공조 및 환기 부하가 추가 운전된다. 실측 결과 평균 부하는 약 3.5~4.0kW, 단시간 피크 부하는 약 5kW 수준으로 나타났다.

3.2. 5kW 용량 산정 근거

ESS 용량 E kWh와 평균 부하 Pavg kW가 주어졌을 때 이론적 연속 운전 시간 t [h]는 다음과 같이 계산된다^[7].

본 시스템에서 총 저장 용량 E는 7.2kWh이며, 유효 사용영역(SOC 10~90%)을 고려한 실제 사용 가능 에너지는 약 5.8kWh로 가정하였다. 평균 부하를 3.5~4.0kW로 설정할 경우, 식 (1)에 의해 이론적 운전 시간은 약 1.4~1.7h 수준이다.

그러나 실제 운전에서는 부하가 시간에 따라 변동하고, 피크 부하가 지속되지 않기 때문에 실측 운전 시간은 이론값보다 길어질 수 있다. 본 연구에서 수행한 실선 실험에서는 평균 4.0kW 수준의 부하 조건에서 약 2.6h 연속 운전이 가능함을 확인하였다(4장 참조). 이는 야간 정박 시간 동안 디젤 발전기 대신 ESS만으로 조명 및 필수 부하를 공급할 수 있는 수준이다.

선행으로 연구된 3kW ESS 시스템(4.8kWh)은 피크 부하 대응 능력과 운전 시간이 부족할 수 있으며, 7kW ESS 시스템(9.6kWh)은 충분한 성능을 제공하지만 설치 공간과 비용 측면에서 부담이 크다. 이에 비해 5kW ESS는 대부분의 소형 선박에서 요구되는 피크 부하를 수용하면서 설치 공간과 비용의 균형이 우수하여, 실용적인 표준 용량대로 판단된다.

3.3. 3kW, 5kW 그리고 7kW 시스템 비교

Table 3은 동일한 부하 조건을 가정했을 때 3kW, 5kW, 7kW ESS 시스템의 주요 특성을 비교한 것이다.

3kW 시스템은 레저선이나 부하가 적은 소형 어선에 적합하고, 7kW 시스템은 대형 부하가 존재하는 선박에 적합하다. 5kW 시스템은 이들 사이의 중간 영역을 담당하며, 연안 작업선·어선·서비스 보트 등 다양한 선종에 범용적으로 적용 가능하다는 장점이 있다.

4.1. 시험 구성 및 조건

실선 실증 시험은 대상 선박에 5kW ESS 시스템을 설치한 후, 항만 정박 상태에서 수행하였다. 시험 조건은 다음과 같다.

• 충전 조건: 육상전원을 이용하여 SOC 90% 수준까지 완충

• 부하 조건: 조명 + 공조 + 통신·항해 장비를 단계적으로 투입하여 평균 4.0kW 부하 유지

• 측정 항목: DC 전압·전류, AC 출력 전압·전류, 배터리 및 인버터 온도, SOC, 운전 시간 등

4.2. 운전 시간 및 전압 안정도

운전 시간에 따른 SOC 변화와 AC 출력 전압 특성을 분석한 결과, ESS는 약 2.6h 동안 평균 4.0kW 수준의 부하를 안정적으로 공급하였다. 이 기간 동안 배터리 SOC는 약 90%에서 15%까지 감소하였으며, 방전 말기 구간에서도 급격한 전압 강하나 출력 불안정은 나타나지 않았다.

출력 전압은 정격 220V를 기준으로 전체 운전 시간 동안 ±2% 이내에서 유지되었으며, 조명 부하의 점·소등 및 공조 부하의 기동 등 부하 변화 시에도 짧은 시간의 경미한 변동만 관측되었다. 정밀 측정 결과 AC 출력의 전고조파왜율(THD)은 3% 이하 수준을 유지하여, 조명 플리커 및 통신·항해장비와 같은 민감 부하의 운전에도 문제가 없는 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 재사용 EV 배터리 기반 5kW ESS가 소형·중형 선박의 정박 시 생활·운항 부하를 안정적으로 공급할 수 있는 전원으로 활용 가능함을 보여준다.

4.3. 온도 특성 및 BMS 동작

Table 4는 실선 시험에서 측정된 배터리 및 인버터 온도 특성을 요약한 것이다.

운전 초기에 팬이 저속으로 동작하다가, 배터리 온도가 40°C를 초과할 경우 고속으로 전환되도록 설정하였다. BMS 기록에 따르면 과전압, 과전류, 과온도, 셀 불균형 경보는 발생하지 않았으며, 셀 전압 편차는 30mV 이하로 유지되었다. SOC 추정값과 실제 방전 에너지 간의 오차는 5% 이내로 나타나, 재사용 배터리 기반 시스템에서도 BMS의 추정 알고리즘이 유효함을 확인할 수 있었다.

4.4. 실선 시험 결과 요약

Table 5는 주요 실증 결과를 요약한 것이다.

5.1. 연료비 및 유지보수 측면

디젤 발전기의 경우 운전 시간에 비례하여 연료비가 발생하며, 오일 및 필터 교체, 정기점검 등의 유지보수 비용도 상당하다. ESS는 초기 투자비가 필요하지만, 운전 중 연료비가 발생하지 않고 유지보수 항목이 상대적으로 단순하여 장기 운전 시 총비용 측면에서 경쟁력이 있다^[7]. 특히 정박 시간이 긴 연안 운항 선박의 경우 ESS를 활용한 디젤 발전기 정지 시간이 늘어날수록 경제적 효과가 커질 것으로 예상된다.

5.2. 환경성 및 작업환경 개선 효과

ESS는 운전 중 CO₂, NOx, SOx 등 배출가스를 발생시키지 않으며, 소음 수준이 낮아 항만·정박지의 환경 개선과 선원 작업환경 향상에 기여한다^[1]. 야간 정박 시 디젤 발전기를 정지하고 ESS만으로 조명과 필수 부하를 공급함으로써, 선체 진동과 배기 열에 의한 불쾌감을 줄일 수 있다. IMO의 온실가스 배출 규제 강화 추세를 고려할 때, 선박용 ESS는 단기적으로는 항만 대기오염 저감 수단으로, 장기적으로는 선박 탈탄소화 전략의 한 축으로 활용될 수 있다.

5.3. 운용 및 안전 측면의 고려 사항

재사용 배터리를 선박용 ESS로 활용하기 위해서는 배터리 등급 선정, 수명 평가, 안전 기준 준수가 필수적이다. 본 연구에서는 선행 평가를 통해 일정 기준 이상의 잔존 용량 및 내부 저항 특성을 만족하는 모듈만을 사용하였으며, BMS를 통해 실시간 상태 감시와 보호 기능을 구현하였다. 향후에는 선박용 재사용 배터리 적용을 위한 별도의 인증·검사 기준이 필요할 것으로 판단된다.