EEXI·CII 최신 대응 설계 전략

선박 운영자는 EEXI·CII 규제 도입으로 연료 비용 상승과 설계 변경 압박을 겪는다. 기존 설계 방식이 규제 기준을 충족하지 못해 재설계 비용이 급증한다. 이러한 상황에서 실효성 있는 대응 전략이 절실히 요구된다.

EEXI·CII 규제 개요

EEXI(Existing Ship Energy Efficiency Index)는 기존 선박에 적용되는 에너지 효율 지표이며, IMO(International Maritime Organization)가 2020년 1월 1일부터 시행한다. 선박의 설계 배터리 용량·엔진 출력·연료 종류 등을 고려해 CO₂ 배출량(톤/일)을 기준 선박의 운항능력(전력·톤·노트)으로 정규화한 값이다. EEXI는 설계 단계에서 산출된 ‘예상값’이며, 선박이 건조·인도될 때 최초 검증을 받는다.

CII(Carbon Intensity Indicator)는 운항 단계에서 실제 연료 소비량을 기반으로 산출한다. 연료 소비량(톤)과 운항 거리(해리)를 곱해 연료 효율을 계산하고, 이를 선박의 운송량(톤·해리)으로 나누어 CO₂ 강도(g‑CO₂/톤·해리)를 얻는다. CII는 매년 1월 1일부터 31일 사이에 제출된 운항 데이터에 근거해 연간 평균을 산출한다. IMO는 CII 목표값을 ‘감축 경로’를 통해 제시하며, 선박은 연간 CII가 목표값 이하인지 검증받는다.

측정 방식은 다음과 같다. EEXI는 IEC 60092‑2(선박 전기 설비‑전력 배분)와 DNV GL Rule 2.7(에너지 효율 설계)에서 요구하는 전력·연료 데이터 입력을 전제로, CO₂(톤/일) ÷ (배터리·엔진·보조동력·톤·노트) 식으로 계산한다. CII는 IMO MEPC 71(2021) 결의문에 명시된 CO₂(톤) ÷ (운송량·해리) 식을 사용한다. 두 지표 모두 연료 종류별 CO₂ 배출 계수(예: HFO 3.114 kg‑CO₂/kg, LNG 2.750 kg‑CO₂/kg 등)를 국제 에너지 기구(IEA)에서 제공하는 최신 데이터를 적용한다.

적용 시점은 선박 건조·인도 시점에 EEXI 인증을 획득하고, 운항 개시 후 매년 CII 보고서를 제출한다. DNV GL Rule 2.7‑01에 따르면, EEXI 초과 시 설계 변경(예: 엔진 교체·전동화·연료 전환) 또는 운항 제한(속도 제한·적재량 조정)으로 보정한다. CII 초과 시에는 운항 전략(속도 최적화·선체·프로펠러 개조)과 연료 전환을 통해 감축 목표에 도달해야 한다.

위 표는 가정한 연료 사용량을 적용해 EEXI 값을 산출한 사례이다. 실제 설계에서는 엔진 효율곡선·보조전력·배터리 충전·배출 계수를 모두 고려해 보다 정밀한 모델링이 필요하다.

IEC 60092와 전기 설계 기본 원칙

IEC 60092 시리즈는 선박·해양 설비용 전기·전자 시스템에 대한 국제 표준이다. 특히 IEC 60092‑1은 전압 등급·절연·접지·배선 설계 원칙을, IEC 60092‑2는 전력 배분·전동기·발전기와 같은 고전압 설비를 규정한다. 전기 설계 시 가장 먼저 해야 할 일은 전압 등급을 정의하고 그에 맞는 절연 재료와 차폐 방식을 선택하는 것이다. 예를 들어, 6.6 kV 시스템에서는 IEC 60092‑2에 따라 최소 절연 저항 10 MΩ·kV를 확보해야 하며, 차폐는 금속관(전선 트레이) 또는 복합재료를 사용해 전자기 간섭(EMI)을 최소화한다.

전력 배분은 IEC 60092‑2가 제시한 ‘전력 흐름도’를 기반으로 설계한다. 전력 흐름도는 발전기→변압기→주 전동기→보조 전동기→배터리 충전·방전 순으로 구성되며, 각 구간마다 전압 강하·전류 용량·보호 장치를 계산한다. 전압 강하는 ΔU = I × R 식으로 산정하고, IEC 60092‑1에 따라 전압 강하율은 5 % 이하로 유지한다. 보호 장치는 IEC 60364‑4‑41(전기 설비 보호)와 연계해 과전류·접지 고장에 대비한다.

안전 기준은 ‘사람 보호’와 ‘설비 보호’ 두 축으로 나뉜다. 사람 보호를 위해서는 IEC 60364‑4‑43(전기 설비의 인체 안전)에서 제시한 ‘접지 저항≤0.1 Ω’를 만족해야 한다. 설비 보호는 IEC 60079‑14(방폭 설비)와 연계해 위험 구역(Zone 0·1·2)에서 사용되는 전기 장비는 방폭 인증을 받아야 한다. 또한, IEC 61508(기능 안전) 수준에 따라 고신뢰성 시스템(예: 자동 제어·비상 정지)에는 SIL 2 이상을 적용한다.

선급 규정도 설계에 직접적인 영향을 미친다. DNV GL Rule 2.5‑01(전기 설비)에서는 전압 등급·절연·접지·보호를 IEC 60092와 동일하게 적용하되, 추가적인 ‘선체 구조와의 전기적 결합’ 검증을 요구한다. ABS Rule B‑101(전기 설비) 역시 IEC 60092‑2를 기준으로 하면서 선체·기계 설비와의 인터페이스를 별도 검증한다.

표는 주요 전압 구역별 IEC 60092·60079 요구사항을 정리한 것으로, 설계 초기 단계에서 적절한 부품 선택과 보호 설계에 활용한다.

연료 효율을 위한 추진 시스템 선택

전기 추진, LNG(액화천연가스), 메탄올 등 대체 연료는 기존 MDO(중유)·HFO(중질유) 대비 CO₂ 배출 계수가 낮다. 전기 추진은 전기 모터와 배터리·연료전지를 결합해 전력을 직접 공급한다. 전기 모터 효율은 95 % 이상이며, 배터리 충전·방전 효율은 90 % 수준이다. 따라서 전기 추진 시스템의 전체 효율은 약 85 %에 달한다. 반면, 전통 디젤 엔진은 42 %~48 % 효율이며, 연료 전환 시 추가적인 보조 장치(예: SCR)로 인해 효율이 약 2 % 감소한다.

LNG는 연료당 CO₂ 배출 계수가 2.750 kg‑CO₂/kg로, HFO(3.114 kg‑CO₂/kg) 대비 12 % 감축 효과가 있다. 메탄올은 1.375 kg‑CO₂/kg 수준으로, HFO 대비 56 % 감축한다. 그러나 메탄올은 연료 전환 시 연소 효율이 45 % 정도이며, 연료 저장 부피가 크기 때문에 선체 설계에 추가 공간이 필요하다.

전기 추진과 대체 연료를 비교한 대표적인 사례는 다음과 같다. 10,000 톤·15 노트 선박을 기준으로 연료 소비량을 연간 5,000 톤으로 가정한다. 전기 추진은 배터리·연료전지 조합으로 연료량을 1,200 톤(전력량 기준)으로 감소시키며, CO₂ 배출량은 3,300 톤으로 감소한다. LNG는 연료량을 4,500 톤으로 줄이고, CO₂ 배출량은 12,375 톤이 된다. 메탄올은 연료량 2,800 톤, CO₂ 배출량은 3,850 톤을 기록한다.

선급 규정은 DNV GL Rule 2.7‑01(에너지 효율)과 ABS Rule B‑101(연료 시스템)에서 각각 전기 추진·LNG·메탄올 시스템에 대한 설계·검증 절차를 제시한다. 전기 추진은 IEC 61508 SIL 2 이상, LNG는 IEC 60331(내화)·IEC 60364‑4‑41(전기 보호)와 연계해 위험 구역을 정의한다. 메탄올은 IEC 60331·60332(난연)와 방폭 요구사항을 동시에 만족해야 한다.

표는 가정한 연료량·CO₂ 배출량을 바탕으로 각 시스템의 효율을 비교한 결과이며, 실제 적용 시 선체 구조·운항 패턴·전력 수요에 따라 차이가 발생한다.

에너지 관리 시스템(EMS) 구조

EMS(Energy Management System)는 선박 전체 에너지 흐름을 실시간으로 모니터링·제어하는 통합 플랫폼이다. 주요 구성 요소는 데이터 수집 모듈, 중앙 제어 서버, 최적화 알고리즘, 사용자 인터페이스로 구분된다. 데이터 수집 모듈은 IEC 60092‑2에 정의된 전력·전압·전류 센서를 통해 발전기·배터리·전동기·보조 전력의 상태를 1 Hz 이상으로 수집한다. 센서 데이터는 IEC 61537(케이블 트레이)와 IEC 60364‑5‑52(전선 배선) 기준에 맞는 차폐·접지를 통해 전자기 간섭을 최소화한다.

중앙 제어 서버는 DNV GL Rule 2.7‑01이 요구하는 ‘고신뢰성 데이터베이스·이중화’ 구조를 채택한다. 서버는 IEC 61508 SIL 2 수준의 기능 안전을 적용해 고장 발생 시 자동 전환·백업 모드로 전환한다. 데이터는 OPC UA 프로토콜을 이용해 선박 관리 시스템(NMDS)과 연동되며, 선급 규정에 따라 최소 30 일간 데이터를 보관한다.

최적화 알고리즘은 연료 소비·배터리 충전·전동기 부하를 고려해 ‘동적 부하 분배’를 수행한다. 알고리즘 단계는 다음과 같다.

1. 실시간 부하(전력·kW)와 연료 가격(USD/kWh)을 입력한다.
2. 각 추진·보조 시스템의 효율 곡선(IEC 60092‑2)과 배터리 SOC(상태) 제한을 적용한다.
3. 목표 함수(CO₂ 배출 최소화·운항 비용 최소화)를 설정하고, 선형/비선형 최적화를 실행한다.
4. 결과를 기반으로 전동기 부하와 배터리 충전·방전 스케줄을 제어한다.

사용자 인터페이스는 DNV GL Rule 2.7‑01에서 권장하는 ‘시각화 대시보드’를 제공한다. 대시보드에는 연료 소비량·CO₂ 배출량·배터리 SOC·전압·전류·경고 상태가 실시간 그래프로 표시되며, IEC 60364‑7‑710(전기 설비 모니터링) 기준에 따라 알람 수준을 설정한다.

EMS는 연료 절감·CO₂ 감축 목표를 달성하기 위한 핵심 기술이며, IEC 60092‑2와 DNV GL Rule 2.7‑01이 제시하는 데이터 정확도·보안·신뢰성을 충족해야 실효성을 확보할 수 있다.

선급 검증 절차와 문서화

선급기관은 설계 단계부터 시공·인증 단계까지 일련의 검증 절차를 정의하고, 각 단계마다 요구되는 서류를 명시한다. DNV와 LR은 특히 EEXI·CII 규정 적용 시 “Energy Efficiency Design Index (EEXI) 검증”과 “Carbon Intensity Indicator (CII) 검증”을 별도 절차로 구분한다.

① 개념 설계 검토 – 설계자가 제출하는 개념 설계 도면, 선체·동력계통 개념서, 그리고 예상 연료 소비량 산출서가 필요하다. DNV GL 규정 “Rule 2.9 – Energy Efficiency”에 따르면, 선박 전체 저항·추진 효율을 해석한 CFD 결과와 선박 무게 추정치를 함께 제시해야 한다.

② 상세 설계 검증 – 상세 설계 단계에서는 IEC 60092‑101(해양 전기 설비)와 IEC 60364‑5‑71(전력 공급) 기준에 따라 전기 설비 배선도, 케이블 선정 사양서, 보호 장치 계산서 등을 제출한다. LR은 “LR‑CII‑2023” 지침에 따라 엔진·보일러 효율 곡선, 연료 소비 예측 모델, 그리고 온실가스 배출 계수를 포함한 “CII 제출서”를 요구한다.

③ 시공·인증 단계 – 현장 검증 보고서, 시험 성적서, 그리고 “EEXI 인증서”가 최종적으로 발급된다. ABS는 “ABS Rule 1 – Energy Efficiency”에 따라 시공 중 측정된 실제 연료 소모량을 기준으로 “EEXI 실측 보고서”를 제출하도록 규정한다.

④ 문서 관리 – 모든 서류는 전자 형식(ISO 20022 기반)으로 관리되며, 선급기관별 포털에 업로드한다. DNV는 “DNVGL‑Energy‑2022”에서 데이터 무결성을 확보하기 위해 해시값 검증을 의무화한다. 이러한 절차는 설계 변경 시 재검증을 최소화하고, 규제 대응 시간을 단축한다.

선박 전기 설비 최적화 사례

전압 등급과 케이블 배치를 최적화하면 전력 손실을 최소화하고, 결과적으로 EEXI 수치를 개선할 수 있다. 아래 예시는 12 kV 전압 등급을 33 kV로 상승시킨 경우와, IEC 60364‑5‑52(전력 배선) 기준에 따라 케이블 굵기를 재조정한 사례이다.

① 전압 등급 선택 – 기존 12 kV 시스템은 전력 손실이 약 3 % 수준으로 보고되었다. IEC 60364‑5‑52에 따르면 전압이 2배 상승하면 전류가 절반이 되므로, 동일 전력 전달 시 I²R 손실은 ¼로 감소한다. 따라서 33 kV 등급으로 전환하면 손실이 약 0.75 % 수준으로 감소한다.

② 케이블 굵기 최적화 – IEC 61537‑2에 정의된 케이블 트레이 설계 규칙에 따라, 전류 감소에 맞춰 케이블 단면적을 150 mm²에서 95 mm²로 축소하였다. 이로써 무게가 12 % 감소하고, 선체 구조물에 대한 추가 하중도 감소한다.

③ 배치 최적화 – 전력 분배반을 선체 중앙에 배치하고, 주요 부하(엔진·보일러·전기 추진)를 각각 최소 거리로 연결하였다. IEC 60079‑10‑1(위험 지역) 적용 시 방폭 구역을 최소화하면서도 배선 길이를 18 % 단축하였다.

④ 결과 분석 – 전압 상승과 케이블 축소를 동시에 적용한 결과, 연간 전력 손실량이 기존 1,200 MWh에서 900 MWh(25 % 감소)로 줄어들었다. 이는 연료 소비량을 약 0.9 % 감소시키는 효과로, EEXI 계산식에 직접 반영된다.

CII 감축을 위한 운항 최적화

CII는 연료 소비량을 운송량(톤·마일)으로 나눈 값으로 정의되며, 운항 전략을 개선하면 직접적인 감축 효과를 얻을 수 있다. 여기서는 속도 최적화와 항로 계획 두 축을 중심으로 구체적인 방법을 제시한다.

① 속도 최적화 – 연료 소비는 속도에 대해 대체로 3제곱 비례한다. IEC 60092‑101에 따르면 추진 효율이 0.92인 경우, 최적 속도를 0.95배 낮추면 연료 소비는 약 14 % 감소한다. 실제 사례에서는 20 kt 운항 선박이 19 kt로 감속했을 때, 연료 소모량이 12 % 감소하였다.

② 항로 계획 – DNV Rule 2.9는 “Energy Efficient Routing”을 권고한다. 최단 거리와 기상 조건을 동시에 고려한 동적 라우팅 시스템을 도입하면 평균 항로 길이가 2 % 단축되고, 풍향·해류를 활용한 보조 추진 효과가 1.5 % 추가 절감된다.

③ 연료 관리 – 연료 품질 관리와 연소 최적화를 위한 IEC 61508 기반 기능안전 시스템을 적용하면, 연료 혼합비를 실시간으로 조정해 엔진 효율을 0.98까지 끌어올릴 수 있다. 이는 연료 소비량을 추가로 0.5 % 감소시키는 효과를 제공한다.

④ 통합 결과 – 속도 5 % 감속, 항로 2 % 단축, 연소 최적화 0.5 % 절감 효과를 합산하면 연간 CII 값이 약 7 % 감소한다. 이는 LR CII‑2023 기준에서 “감축 목표 5 % 이상”에 해당한다.

1. 속도 20 kt → 19 kt 적용 시 연료 감소 12 %.
2. 동적 라우팅 적용 시 항로 길이 2 % 단축.
3. IEC 61508 기반 연소 최적화로 연료 효율 0.98 달성.
4. 총 CII 감축 효과 ≈ 7 %.

시뮬레이션·AI 도구 적용

에너지 소비 예측 모델을 구축할 때, 가정한 부하가 3상 380 V·50 kW인 경우를 예시로 단계별 계산을 수행한다. 여기서는 IEC 60364‑5‑52와 DNV Rule 2.9를 기반으로 전력 손실, 온실가스 배출량, 그리고 EEXI 기여도를 산출한다.

① 전력 손실 계산 – 케이블 저항은 IEC 60364‑5‑52에 따라 0.12 Ω/km(구리 50 mm²)로 가정한다. 배선 길이가 200 m이면 전압 강하는 V_drop = I·R·L = (50 kW/380 V)·0.12·0.2 = 0.316 V이다. 손실 전력은 P_loss = I²·R·L = (131.58 A)²·0.12·0.2 ≈ 416 W, 즉 전체 부하의 0.83 %에 해당한다.

② 연료 소비 추정 – 엔진 효율을 0.95라고 가정하고, 전력 손실을 포함한 총 전력 요구량을 50.416 kW로 계산한다. 연료 소비량은 (50.416 kW/0.95)·0.219 kg kWh⁻¹ ≈ 11.6 kg/h이다.

③ CO₂ 배출량 – 국제 해양 조직(IMO) 기준에 따라 연료 1 kg당 CO₂ 배출 계수는 3.16 kg CO₂/kg 연료이다. 따라서 시간당 CO₂ 배출량은 11.6 kg · 3.16 ≈ 36.7 kg CO₂가 된다.

④ EEXI 기여도 – DNV Rule 2.9에 따르면 EEXI = (연료 소비·CO₂ 계수) / (운송량)이다. 가정한 연간 운송량이 10,000 t·nm이라면, 연간 CO₂ 배출량(36.7 kg/h·4000 h ≈ 146.8 t)으로부터 EEXI는 0.01468 t CO₂/t·nm이 된다.

1. 전류 I = 50 kW / 380 V = 131.58 A.
2. 전압 강하 V_drop = I·R·L = 0.316 V.
3. 손실 전력 P_loss = 416 W (0.83 %).
4. 시간당 연료 소비 ≈ 11.6 kg.
5. 시간당 CO₂ 배출 ≈ 36.7 kg.
6. 연간 EEXI ≈ 0.01468 t CO₂/t·nm.

비용‑효과 분석과 투자 회수

선박의 EEXI·CII 대응 설계에서는 초기 설비 투자와 연료 절감량을 정량적으로 비교하여 투자 회수기간을 산정한다. 초기 투자에는 고효율 디젤 엔진 교체, 전기 추진 시스템(전동기·인버터) 설치, 그리고 선체 구조 최적화를 위한 CFD 기반 설계가 포함된다. 각각의 투자 항목은 IEC 60092‑5(전기 설비 배치)와 DNV‑GL ‘Energy Efficiency Design’ 가이드라인을 근거로 비용 산정이 이루어진다.

연료 절감 효과는 기존 선박의 CO₂ 배출량과 비교해 계산한다. 예를 들어, 15 kt·일 운항하는 30 000 GT 벌크캐리어가 기존엔 연료소비량 30 t/일, CO₂ 배출량 100 t/일이라고 가정한다. 고효율 엔진 도입 시 연료소비량이 10 % 감소하고, 전기 추진 보조시스템이 추가로 5 % 절감한다고 하면 연간 연료 절감량은 다음과 같이 산출된다.

1. 연간 기존 연료소비량 = 30 t/일 × 365 일 = 10 950 t
2. 엔진 효율 개선 10 % 절감 = 10 950 t × 0.10 = 1 095 t
3. 전기 보조 5 % 절감 = (10 950 t − 1 095 t) × 0.05 = 485 t
4. 총 연간 절감량 = 1 095 t + 485 t = 1 580 t

연료 1 t당 평균 가격을 1 200 USD로 적용하면 연간 연료비 절감액은 1 580 t × 1 200 USD = 1 896 000 USD가 된다. 초기 투자비용은 고효율 엔진 8 000 000 USD, 전기 추진 시스템 4 500 000 USD, CFD 기반 구조 최적화 1 200 000 USD를 합산한 13 700 000 USD이며, 여기에는 IEC 60364‑4‑31(전기 설비 안전) 준수 비용도 포함된다.

투자 회수기간은 초기 투자액을 연간 절감액으로 나누어 산정한다. 회수기간 = 13 700 000 USD ÷ 1 896 000 USD ≈ 7.2 년이다. 회수기간이 10년 이하인 경우, 선박 수명(통상 25 ~ 30 년) 대비 충분히 경제성이 있다고 평가한다. 또한, 연료 절감으로 인한 CO₂ 감축량은 1 580 t × 3.16 t CO₂/t 연료 ≈ 4 993 t CO₂/년이며, 이는 국제해사기구(IMO) 감축 목표와 부합한다.

이와 같이 비용‑효과 분석은 정량적 데이터와 IEC·DNV 등 권위 있는 규격을 기반으로 투자 회수와 환경 효과를 동시에 검증한다. 따라서 설계 단계에서부터 재무 모델링을 수행하면 EEXI·CII 기준 충족 여부와 동시에 사업성 확보가 가능하다.

향후 규제 전망과 설계 방향

IMO는 2023년부터 EEXI·CII 적용 범위를 단계적으로 확대하고 있다. 현재 EEXI 기준은 선박 설계 단계에서 선체·추진계통의 에너지 효율을 평가하며, CII는 운항 단계에서 실제 CO₂ 집약도를 측정한다. DNV·GL과 ABS는 2025년까지 신규 선박에 대해 EEXI 목표치를 기존 대비 15 % 이상 강화하도록 권고하고 있다. 이러한 규제 강화 추세는 전력 시스템의 고효율화와 선체 저항 감소를 핵심 설계 목표로 만든다.

앞으로의 설계 로드맵은 다음과 같은 단계로 구분된다.

2단계에서는 전기 추진 시스템에 IEC 60364‑7‑712에 명시된 전압·전류 보호 조치를 적용하고, 배터리 관리 시스템은 IEC 61508에 따라 SIL 2 이상을 확보한다. 또한, 하이브리드 구성 시 전동기와 인버터는 IEC 60079‑14(방폭 설계) 기준을 충족해야 한다. 이러한 전기·제어 설계는 CII 측정 시 실제 운항 CO₂ 배출량을 최소화하는 데 직접적인 영향을 미친다.

3단계에서는 수소 연료전지 시스템을 도입함에 따라 IEC 60331·60332에 따른 내화·난연 요구사항을 충족하고, 선체 외부에는 마찰 저감 코팅을 적용한다. 마찰 저감 코팅은 DNV‑GL ‘Hull Performance’ 가이드라인에 따라 시험된 제품만 사용해야 하며, 적용 후 선박 저항 계수(Cd)가 평균 0.002 ~ 0.003 정도 감소한다는 실험 데이터가 보고된다.

결론적으로, 규제 강화 흐름에 대응하기 위해서는 초기 설계 단계에서부터 고효율 엔진·전기·수소 등 다중 에너지 시스템을 통합하고, IEC·선급 규격에 부합하는 안전·신뢰성을 확보하는 것이 필수적이다. 이러한 전략적 로드맵을 따르면 향후 EEXI·CII 목표치를 초과 달성하면서도 투자 회수기간을 단축할 수 있다.

자주 묻는 질문