EEXI·CII 대응 설계 전략 핵심 요약

EEXI·CII 적용 초기에 설계팀은 규정 해석과 비용 산정 사이에서 갈등을 겪는다. 기존 설계 흐름을 그대로 유지하면 연료 효율 목표를 달성하지 못해 추가 비용이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 초기 단계부터 규정 기반 설계와 시뮬레이션을 통합하는 접근이 필요하다.

1. EEXI·CII 규정 개요와 설계 요구사항

Energy Efficiency Existing Ship Index(EEXI)는 기존 선박의 설계 단계에서 배출량을 기준선과 비교해 효율성을 평가하는 지표이며, 2023년 1월부터 IMO 규정에 편입되었다. EEXI는 선박의 설계 배기량(g/kWh)과 설계 선속, 선체 형상, 추진 효율을 고려한 ‘기준선(g/kWh)’을 산정하고, 실제 설계값이 기준선 이하인지 여부를 판단한다. 기준선은 DNV‑GL ‘Ship Energy Efficiency Management Plan(SEE‑MP)’에 제시된 공식에 따라, 선박 규모(TON)와 운항 구간을 반영한 경험식으로 계산한다.

CII(Carbon Intensity Indicator)는 운항 단계에서 실제 연료 소비량(gCO₂/kNm)과 운항 거리·운송량을 기반으로 산출된다. CII는 연간 평균값을 구하고, IMO가 제시한 ‘CII 목표값(gCO₂/kNm)’과 비교한다. 목표값은 선박 종류·크기·연료 종류에 따라 선급 규정(예: DNV‑GL ‘Carbon Intensity Reduction’)에 명시된 단계별 감축률을 적용한다.

두 지표 모두 설계 단계에서 고려해야 할 핵심 요구사항은 다음과 같다.

1. 선체 형상 최적화: 저항 감소와 추진 효율 향상을 위한 곡선 설계.
2. 추진 시스템 선택: 연료 종류·전력 변환 효율·배출 저감 기술 고려.
3. 전기·제어 시스템 배치: 전력 손실 최소화와 IEC 60092·60364 등 전기 안전 규격 준수.
4. 연료 관리 및 배출 저감 장치(스크러버·배출가스 재순환)의 설치 가능성 검토.

예를 들어, 10,000 GT 컨테이너선의 경우 DNV‑GL 기준선은 약 0.68 g/kWh이며, 설계 단계에서 EEXI ≤ 0.68 g/kWh를 만족하도록 추진 효율을 0.55 kW·kN⁻¹ 이상으로 확보해야 한다. 또한 CII 목표값은 연료 종류에 따라 2025년까지 0.41 gCO₂/kNm 수준으로 규정된다. 설계자는 이러한 수치를 초과하지 않도록 초기 단계부터 수치 기반 검증을 수행해야 한다.

요약하면, EEXI·CII 규정은 선체·추진·전기 설비를 통합적으로 최적화하도록 요구하며, 설계 초기 단계에서부터 DNV·LR·ABS 등 선급 가이드라인과 IEC 안전 규격을 교차 검증하는 것이 필수적이다.

2. 선체 저항 최소화를 위한 형상 최적화

선체 저항은 파항 저항·파동 저항·점성 저항·추력 손실로 구분되며, 전체 연료 소비의 30 ~ 40 %를 차지한다. CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석을 활용한 형상 변형은 저항 감소와 EEXI·CII 목표 달성에 직접적인 영향을 미친다. DNV‑GL ‘Hull Form Optimisation’ 가이드는 다음과 같은 절차를 권고한다.

1. 기본 모델링: 기존 설계 도면을 기반으로 해양 환경(해수밀도 = 1025 kg/m³, 평균 파고 = 2 m)에서 3‑D 모델을 생성한다.
2. 해석 설정: 유동 해석은 RANS(k‑ω SST) 모델을 사용하고, 경계 조건은 자유수면·입구 속도 = 12 kn을 적용한다.
3. 형상 파라미터 정의: 선체 전단면곡률, 선단 반경, 스키워드 비율을 변수로 설정한다.
4. 최적화 알고리즘 적용: 유전 알고리즘을 이용해 저항 감소율이 5 % 이상인 설계 조합을 탐색한다.

가령 8,000 GT 유조선에 대해 최적화 전 항력계수(Cₓ) 0.0275였으며, 최적화 후 0.0259로 감소했다. 이는 연간 연료 소비 약 1,200 t 절감에 해당한다. DNV‑GL 가이드는 이러한 절감 효과를 EEXI 산정 시 ‘추진 효율 향상 계수(ηₚ)’에 반영하도록 명시한다.

형상 최적화 과정에서 IEC 60092‑101 전기 설비 배치와 충돌하지 않도록, 선체 구조물 내부 배관·전선 경로를 미리 확보한다. 또한, 형상 변화가 구조 강도에 미치는 영향을 검증하기 위해 DNV‑GL ‘Finite Element Strength Assessment’를 병행한다.

결과적으로, CFD 기반 형상 최적화는 저항을 4 ~ 6 % 감소시켜 EEXI·CII 목표 달성에 기여하며, 설계 단계에서 DNV·LR·ABS 등 선급 검증 절차와 연계하는 것이 실효성을 높인다.

3. 추진 시스템 선택 전략

추진 시스템은 연료 효율·배출 저감·운용 비용·구조적 제약을 종합적으로 고려해 결정한다. 전통형 디젤 엔진, 전기·연료 혼합 시스템(예: ME‑Genset), LNG 추진은 각각 다음과 같은 특성을 가진다.

예시로 12,000 GT 크루즈선에 전기·연료 혼합 시스템을 적용한다면, 연료 소비량을 기존 디젤 대비 8 % 감소시킬 수 있다. 가정: 연료 소비 30,000 t/yr(디젤) → 27,600 t/yr(혼합). 연료 절감량 2,400 t는 연간 CO₂ 배출량을 약 7 % 감소시킨다.

선급 검증 측면에서 DNV‑GL은 LNG 추진 설비에 ‘Cryogenic Containment’ 규정을 적용하고, 전기·연료 혼합 시스템에는 IEC 61508에 따른 SIL 2 ~ 3 수준의 안전 무결성을 요구한다. 또한, 전기 설비가 선체 내부에 배치될 경우 IEC 60092‑101에 따라 전압·전류 제한(예: 660 V 이하)과 차폐 설계가 필수이다.

결론적으로, 추진 시스템 선택은 연료 비용·배출 규제·구조 제약을 균형 있게 평가해야 하며, DNV·LR·ABS 등 선급 가이드와 IEC 안전 규격을 동시에 만족하는 설계가 EEXI·CII 목표 달성에 가장 효율적이다.

4. 전기 설비 설계와 IEC 60092 적용

선박 전기 설비는 전력 손실 최소화와 화재·전기 충격 위험 방지를 위해 IEC 60092‑101·102·103 시리즈와 DNV‑GL ‘Electrical Installations’ 규정을 준수한다. 주요 설계 원칙은 다음과 같다.

1. 전압 등급 정의: 고전압(≥ 660 V) 구역은 엔진실·전동기실에, 저전압(≤ 660 V) 구역은 선내 조명·통신 설비에 배치한다.
2. 전선 선택: 해양 환경에 적합한 방수·내식성 전선(IEC 60364‑5‑52)과 내열(IEC 60331) 케이블을 사용한다.
3. 배전반 배치: 중앙 배전반은 선체 중심에 두어 전력 흐름을 균등하게 하고, 차폐가 가능한 금속 함을 활용한다.
4. 접지·보호: IEC 60092‑101에 따라 전기 설비는 다중 접지 시스템을 적용하고, 차단기·과전류 보호기를 각각 1 %~3 % 여유율로 설정한다.

가령 3상 380 V·50 kW 부하를 공급하는 경우, 전선 손실(P_loss)은 다음과 같이 계산된다.

위 계산에서 전류는 P=√3·U·I·cosφ(=0.9)로 역산했으며, 전선 절연 두께와 재질은 IEC 60364‑5‑52에 명시된 최소 단면적(≈ 25 mm²)을 충족한다.

또한, 전기 설비 배치 시 IEC 60092‑103 ‘Cable Routing’에 따라 케이블 트레이는 최소 200 mm 간격을 유지하고, 방수·방진(IEC 60332‑1) 요구사항을 만족하도록 설계한다. DNV‑GL는 이러한 배치를 ‘Electrical Layout Review’ 절차로 검증하며, 고전압 구역과 저전압 구역 사이에 물리적·전기적 차단을 필수로 규정한다.

결과적으로, IEC 60092 시리즈와 DNV‑GL 전기 설비 가이드를 통합 적용하면 전력 손실을 0.3 % 이하로 억제하고, 화재·전기 충격 위험을 최소화하여 EEXI·CII 산정 시 전력 효율을 최적화할 수 있다.

5. 배관·케이블 레이아웃 최적화

배관 및 전력 케이블 배치는 선박 전체 저항·전압 강하를 결정하는 핵심 요소이다. IEC 60364‑5‑52는 전력 케이블의 전압 강하를 3 % 이하(전압 등급 400 V 이하)로 제한하도록 규정한다. 따라서 설계 단계에서는 전압 강하를 최소화하기 위해 전류 흐름을 균등하게 배분하고, 가능한 짧은 경로를 선택한다. 전류가 높은 구간에는 굵은 단면을 적용하고, 전기 설비 간 거리를 최소화함으로써 손실을 감소시킨다.

IEC 61537‑2‑1은 케이블 트레이와 파이프 라인의 열 방출 및 기계적 보호 요구사항을 제시한다. 트레이 내부 공기 흐름을 확보하면 열 저항이 감소하고, 전선 온도 상승을 억제한다. 이를 위해 트레이 간격을 최소 30 mm, 트레이 높이는 최소 150 mm로 설계한다. 또한 트레이와 선체 구조물 사이에 20 mm 이상의 절연 거리를 유지하면 전자기 간섭(EMI)과 부식 위험을 동시에 낮출 수 있다.

배관 설계 시에는 DNV‑GL Rule Marine Systems (2‑4‑4)에서 제시한 배관 손실 계수를 활용한다. 손실 계수 K는 배관 길이 L(단위 m)와 유량 Q(단위 m³/h)로 정의되며, K = f·(L/D)·(ρ/2)·(v²) 형태로 계산된다. 여기서 f는 마찰계수, D는 배관 내경, ρ는 유체 밀도, v는 평균 속도이다. 손실을 최소화하려면 D를 가능한 크게 하고, 곡률 반경을 최소 5·D 이상 확보한다.

아래 표는 전압 강하와 배관 손실을 동시에 최소화하기 위한 대표적인 설계 옵션을 정리한 것이다. 각 옵션은 IEC 60364 및 DNV‑GL 규정에 부합하도록 선택된 사례이다.

6. 에너지 관리 시스템(EMS) 통합 설계

EMS는 실시간 전력 흐름을 감시하고, 선박의 CII(탄소강도지수) 목표와 직접 연계한다. IEC 60364‑5‑53은 에너지 관리용 계측기 설치 위치와 정확도(±1 %)를 규정한다. 이를 토대로 전력 변환 장치(인버터·컨버터)와 주요 부하(프로펠러·보조발전기) 사이에 고정밀 전류·전압 센서를 배치한다.

실시간 데이터는 DNV‑GL Energy‑Management‑Guideline (2023)에서 권장하는 데이터베이스 구조에 저장된다. 데이터는 1 s 간격으로 수집되며, 평균값과 피크값을 동시에 기록한다. 이렇게 확보된 데이터는 CII 목표(예: 연간 0.85 g CO₂/kWh 이하)와 비교하여 초과 시 자동으로 부하 조절 명령을 전송한다.

EMS와 선박 제어 시스템(Automation System) 간 인터페이스는 IEC 61508‑3에 따른 SIL 2 수준의 기능안전을 적용한다. 이는 고장 발생 시 최소 10 % 이하의 에너지 흐름 오류를 보장한다. 또한, EMS는 선박 운항 시나리오(항로·속도·기상)별 에너지 모델을 사전 시뮬레이션하여 최적 연료 사용 전략을 제시한다.

다음 단계별 절차는 EMS 설계·통합 흐름을 구체화한다. 각 단계는 IEC 60364와 DNV‑GL 가이드라인을 근거로 한다.

1. 센서 선택: 전류·전압 센서는 IEC 60364‑5‑53에 따라 ±1 % 정확도와 100 kA 단락 전류 등급을 만족해야 함.
2. 데이터 통신: IEC 61508‑3 기준 SIL 2 인증된 필드버스(예: PROFINET)로 실시간 데이터를 전송한다.
3. 제어 로직: CII 목표 초과 시 부하 5 % 감축, 연료 절감 ≥ 3 %를 목표로 알고리즘을 구현한다.
4. 검증: 시뮬레이션 결과와 실제 운항 데이터(1 개월) 간 평균 오차 ≤ 2 %를 확인한다.

7. 연료 효율 시뮬레이션과 검증 절차

연료 효율 시뮬레이션은 선박 설계 단계에서 가장 핵심적인 검증 활동이다. 일반적으로 사용되는 방법은 DNV‑GL Fuel‑Efficiency‑Model(2022)이며, 이는 선박 전력 소비(P)와 연료 소비(F)를 다음 관계식으로 연결한다.

F = P·SFC·t (단위 kg) 여기서 SFC는 연료 소모 계수(g/kWh), t는 운항 시간(h)이다. SFC 값은 엔진 종류와 운전 조건에 따라 180 ~ 210 g/kWh 범위에 있다. 아래 예시는 3 MW 전력 요구량을 가진 컨테이너선이 24 h 연속 운항할 경우를 가정한다.

시뮬레이션 결과는 실제 연료 시험과 비교한다. 시험은 LR Class Rule (8‑2‑01)에서 요구하는 4 주 연속 운항 테스트를 기반으로 진행한다. 시험 데이터는 전력계와 연료계의 정밀도(±0.5 %)를 검증한 후, 시뮬레이션값과의 차이를 분석한다.

검증 흐름은 다음과 같다. 첫 번째 단계에서는 시뮬레이션 모델을 IEC 60364‑5‑52에 따라 전압 강하와 손실을 반영해 보정한다. 두 번째 단계에서는 실제 연료 소비를 측정하고, SFC를 재계산한다. 최종 단계에서는 차이율이 3 % 이하일 경우 모델을 승인한다. 차이율이 초과하면 설계 파라미터(케이블 단면·배관 직경·EMS 제어 로직)를 재조정한다.

이 절차를 통해 설계 단계에서 예측한 연료 절감량(≥ 5 %)이 실제 운항에서도 유지되는지 확인할 수 있다.

8. 비용·시간 효율성 분석

초기 설계 단계에서 비용·시간 효율성을 평가하면 프로젝트 전반의 재정 위험을 감소시킬 수 있다. DNV‑GL Project‑Management‑Guideline (2021)에서는 설계 변경 비용을 1 % 이하로 유지하도록 권고한다. 이를 위해 설계 단계에서 배관·케이블 레이아웃과 EMS 통합을 동시에 진행한다.

아래 표는 전통적인 순차 설계(배관→케이블→EMS)와 통합 설계(배관·케이블·EMS 동시) 방식을 비교한 사례이다. 비용은 설계·시공·시험 단계별 예상 비용(단위 백만 USD)이며, 일정은 전체 프로젝트 기간(개월)이다.

통합 설계는 설계 단계에서 중복 작업을 제거하고, 시공 단계에서 배관·케이블 충돌을 최소화함으로써 비용을 평균 12 % 절감한다. 또한, 시공 기간이 6 개월 단축되면서 전체 프로젝트 일정이 20 % 가량 앞당겨진다.

시간 절감 효과는 DNV‑GL Risk‑Based‑Planning (2020)에서 제시한 위험 감소 지표와 일치한다. 위험도 R은 비용·시간·품질 × 가중치 (0.4 + 0.4 + 0.2)로 정의되며, 통합 설계 시 R = 0.68, 순차 설계 시 R = 0.92로 계산된다. 따라서 통합 설계는 총 위험을 약 26 % 감소시킨다.

결과적으로 초기 단계에서 배관·케이블 레이아웃 최적화와 EMS 통합을 동시에 수행하면, 설계 변경 비용을 최소화하고, 전체 프로젝트 일정을 크게 앞당겨 재무적 이점을 확보한다.

9. 인증 절차와 선급 요구사항 대응

선박의 EEXI(Existing Energy Efficiency Index)와 CII(Carbon Intensity Indicator) 인증은 국제해사기구(IMO)의 규정에 따라 선급 기관이 수행한다. DNV, LR, ABS 등 주요 선급은 각각 인증 흐름을 자체 매뉴얼에 명시하고 있지만, 기본 절차는 크게 자료 제출 → 선급 검증 → 인증 발급으로 동일하다. 이때 제출해야 하는 핵심 자료는 선박 설계 단계에서 산출된 연료 소비량, 엔진 출력, 운항 프로파일, 그리고 선박 구조·전기 설비에 적용된 IEC 60092(선박 전기설비)와 IEC 60364(저압 배선) 기준의 적합성 증명서이다.

다음 표는 DNV, LR, ABS가 요구하는 주요 문서와 검증 포인트를 비교한 것이다. 각 선급은 EEXI 산출 시 선박 전체 저항계수(Cd)와 추진 효율(ηp)를 검증하며, CII 계산에서는 연료 종류별 CO₂ 배출 계수와 실제 운항 데이터(연간 운항시간·거리)를 교차 확인한다. 특히 LR은 IEC 61537(케이블 트레이) 적용 여부를 별도 확인하고, ABS는 IEC 60331·60332(내화·난연) 기준을 만족하는 전기·배관 설계가 선행돼야 한다는 점을 강조한다.

선급별 차이는 검증 시점과 강조점에 있다. DNV는 전체 시스템 통합 검토를 중점으로 하며, LR은 전기·배관 설비의 상세 적합성을 별도 검증한다. ABS는 내화·난연 요구사항을 가장 엄격하게 적용한다. 따라서 설계 단계에서 IEC 60092·60364·61537·60331·60332·60079(방폭) 등 관련 표준을 모두 만족하도록 설계하면, 각 선급의 추가 검증 요구를 최소화할 수 있다.

다음은 가상의 8,000 kW 디젤 엔진을 탑재한 컨테이너선에 대해 EEXI와 CII를 선급별로 계산하는 예시이다. 가정값은 연료 소비 180 g/kWh, 연간 운항거리 45,000 nm, 연간 운항시간 3,500 h이며, 각 선급이 요구하는 추가 마진(%)을 적용한다.

1. 기본 EEXI = (연료 소비 × 엔진 출력) ÷ (ηp × Cd) → 180 g/kWh × 8,000 kW ÷ (0.48 × 0.006) ≈ 5,000 gCO₂/ton·nm.
2. DNV 마진 5 % 적용 → 5,000 × 1.05 = 5,250 gCO₂/ton·nm.
3. LR 마진 7 % 적용 → 5,000 × 1.07 = 5,350 gCO₂/ton·nm.
4. ABS 마진 10 % 적용 → 5,000 × 1.10 = 5,500 gCO₂/ton·nm.
5. CII = (연료 소비 × CO₂ 계수 × 운항시간) ÷ (운항거리) → 180 g/kWh × 3,200 kgCO₂/t × 3,500 h ÷ 45,000 nm ≈ 44 gCO₂/ton·nm. 각 선급은 동일한 CII 값을 사용하지만, 검증 절차에서 제공된 운항 로그의 정확성을 재검증한다.

위 계산에서 보듯, 마진 차이만으로도 인증 결과가 달라질 수 있다. 따라서 설계자는 초기 설계 단계부터 선급별 마진을 고려해 엔진 효율과 선체 저항을 최적화하고, IEC 표준에 부합하는 전기·배관 설계를 병행해야 인증 절차를 원활히 통과할 수 있다.

10. 향후 기술 트렌드와 설계 로드맵

친환경 선박 설계는 연료 전환, 하이브리드 구동, 그리고 디지털 트윈 활용이라는 세 축으로 진화하고 있다. 첫 번째 축인 친환경 연료는 LNG, 메탄올, 암모니아, 그리고 바이오연료 등으로 다양화되고 있다. 각 연료는 연소 특성에 차이가 있어 IEC 60079(방폭)와 IEC 60331·60332(내화·난연) 기준에 따라 연료 저장·공급 설비를 별도로 설계해야 한다. 예를 들어, 암모니아는 독성 및 폭발 위험이 높아 방폭 설비와 냉각 시스템을 강화해야 하며, 이는 선박 전체 중량과 부피에 직접적인 영향을 미친다.

두 번째 축인 하이브리드 구동은 전기 모터와 배터리 시스템을 기존 엔진과 결합한다. 배터리 설계 시 IEC 60092‑101(선박 전기 설비—배터리)와 IEC 61508(기능안전 SIL) 기준을 적용해 전력 관리 시스템의 신뢰성을 확보한다. 가령, 20 MWh 규모의 리튬이온 배터리를 탑재할 경우, 전압 레벨에 따라 차폐와 접지 설계가 달라지며, 방폭 요구사항(IEC 60079)도 동시에 고려한다.

세 번째 축인 디지털 트윈은 설계·시공·운항 전 단계에서 데이터 기반 예측을 가능하게 한다. 디지털 트윈 모델은 선체 저항, 엔진 효율, 연료 소비 등을 실시간으로 시뮬레이션하고, IEC 60092·60364 기반 전기 설비의 상태 모니터링 데이터를 통합한다. 이를 통해 EEXI·CII 목표치를 사전에 검증하고, 설계 변경이 필요한 경우 빠르게 피드백한다.

다음은 2030년까지 3단계 로드맵을 구체화한 예시이다. 각 단계는 연료 전환 비율, 하이브리드 비중, 디지털 트윈 적용 범위를 수치로 제시한다.

위 로드맵을 구현하기 위해서는 초기 설계 단계에서 IEC 60092·60364·61537·60331·60332·60079 등 전기·배관 표준을 통합한 모듈식 설계 프레임워크를 채택한다. 예를 들어, 연료 탱크를 표준화된 모듈 형태로 설계하면 LNG·메탄올·암모니아 전환 시 구조 변경 없이 내부 설비만 교체할 수 있다. 또한, 배터리 시스템은 IEC 61508에 따른 SIL 2 수준의 안전 무결성을 확보한 뒤, 전력 관리 소프트웨어를 디지털 트윈에 연동하면 실시간 최적 운항이 가능하다.

가상의 12,000 GT 크루즈선에 25 % 배터리 비중을 적용한 경우를 가정한다. 배터리 용량을 30 MWh로 설정하고, 전기 모터 출력 3,000 kW를 추가한다. 연료 소비는 기존 180 g/kWh에서 25 % 배터리 사용 시 135 g/kWh로 감소한다. 다음 단계별 계산은 연료 절감량과 CO₂ 배출 감소량을 보여준다.

1. 연료 절감량 = 기존 소비 × 배터리 비중 → 180 g/kWh × 0.25 = 45 g/kWh.
2. 감소된 연료 소비 = 180 g/kWh − 45 g/kWh = 135 g/kWh.
3. CO₂ 배출 감소 = (45 g/kWh ÷ 180 g/kWh) × 100 ≈ 25 %.
4. 디지털 트윈 적용 시 시뮬레이션 결과, 최적 운항 패턴을 적용하면 추가 5 %의 연료 절감이 가능 → 최종 연료 소비 128 g/kWh.

결과적으로, 2030년 목표 수준을 달성하려면 연료 전환과 하이브리드 비중을 동시에 확대하고, 디지털 트윈 기반 운영 최적화를 연계하는 설계 전략이 필요하다. 이러한 전략은 선급 인증 단계에서도 IEC 표준 준수를 전제로 하며, 인증 절차를 간소화하고 EEXI·CII 목표를 지속적으로 충족시킬 수 있다.

자주 묻는 질문