해양 산업의 패러다임이 급격히 변화하고 있습니다. 환경 규제 강화와 디지털 혁신의 물결 속에서 선박 설계는 이제 단순한 공학적 작업을 넘어 AI와 빅데이터가 주도하는 첨단 기술의 영역으로 진입했습니다. 특히 생성형 AI와 같은 혁신 기술이 적용된 미래형 선박은 어떤 모습일까요? 지구 환경을 생각하는 선박 설계의 미래를 함께 들여다보겠습니다.
생성형 AI가 바꾸는 선박 설계의 혁신
선박 설계 분야에서 가장 주목할 만한 변화는 인공지능, 특히 생성형 AI의 적극적인 도입입니다. 최근 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어는 컴퓨트 마리타임(Compute Maritime)과 협력하여 선박 설계와 시뮬레이션을 혁신하고 있습니다. 이 프로젝트는 컴퓨트 마리타임의 뉴럴쉬퍼(NeuralShipper)와 지멘스의 전산 유체 역학(CFD) 소프트웨어인 Simcenter STAR-CCM+를 연결하는 데 중점을 두고 있죠.
“선박 설계의 패러다임 전환을 의미합니다.” 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어의 드미트리 폰크라토프 디렉터는 이렇게 말합니다. “뉴럴쉬퍼와 Simcenter STAR-CCM+의 결합은 다분야 설계 최적화를 수행하는 방식을 재정립하는 것을 목표로 합니다.”
실제로 이 기술은 몇 분 만에 수백 가지의 설계 옵션을 신속하게 생성해 팀이 개념 개발을 가속화하고 세부 설계 단계로 빠르게 진행할 수 있도록 지원합니다. 복잡한 선박 거동을 정확하게 모델링하는 능력은 기존 설계 방식으로는 상상하기 어려웠던 혁신을 가능하게 합니다.
국내 기업들도 이런 흐름에 동참하고 있습니다. HD한국조선해양은 업계 최초로 인공지능을 활용한 선박 설계 기술을 개발하고 있습니다. 기존의 선박 도면과 건조 사례를 빅데이터로 가공하고, 인공지능이 이를 바탕으로 가장 적합한 부품의 수량이나 결합 방법을 제안하는 기술이죠. 이러한 접근 방식은 효율성을 높이고 인적 오류를 줄이면서 보다 혁신적인 설계를 가능하게 합니다.
미래형 친환경 선박의 개념과 종류
친환경 선박은 크게 ‘오염저감·고효율 선박’과 ‘저탄소·무탄소 추진 선박’으로 나눌 수 있습니다. 전자는 기존 내연기관에 오염물질 저감장치를 설치하거나 에너지 효율을 향상시키는 기술을 적용한 선박이고, 후자는 LNG, 수소, 암모니아와 같은 친환경 연료나 전기, 하이브리드, 연료전지 등 차세대 추진시스템을 갖춘 선박을 말합니다.
특히 국제해사기구(IMO)의 환경규제 강화로 인해 선박의 온실가스 배출량을 2050년까지 2008년 대비 50% 이상 감축해야 하는 상황에서, 이러한 친환경 선박으로의 전환은 선택이 아닌 필수가 되었습니다.
1. LNG 추진 선박
현재 가장 현실적인 대안으로 주목받는 LNG 추진 선박은 질소산화물(NOx)을 85-90%, 황산화물(SOx)을 99% 감축하는 효과가 있습니다. 다만 이산화탄소(CO2) 감축 효과는 15-30%에 그쳐, 장기적인 온실가스 감축 목표 달성에는 한계가 있습니다. 그럼에도 불구하고 2025년에는 신조 선박의 약 50%가 LNG 추진 선박으로 건조될 것으로 예상됩니다.
중국 산업에서는 ‘Northern Pioneer호’와 같은 액체 이산화탄소 운반선이 LNG와 선박용 경유 이중 연료 추진 시스템을 도입해 황산화물과 질소산화물 배출량을 크게 줄이면서 최신 환경 기준인 에너지 효율 설계 지수(EEDI Phase III) 요구사항을 충족시키는 사례도 등장했습니다.
2. 수소연료전지 추진 선박
수소연료전지 선박은 수소 또는 화석연료를 공급하여 전기를 생산하고, 이 전기로 모터를 구동하여 추진하는 선박입니다. 수소는 질량 에너지 밀도가 높지만, 체적 에너지 밀도가 낮고 극저온(-253℃)에서 저장해야 하는 기술적 어려움이 있습니다.
우리나라에서는 2019년 발표된 ‘수소경제 활성화 로드맵’과 ‘환경친화적 선박의 개발 및 보급 촉진에 관한 법률’을 통해 수소·암모니아 연료전지 등 핵심 기자재 기술과 연료저장탱크 및 연료공급ㆍ추진 시스템 개발을 추진하고 있습니다.
3. 전기 및 하이브리드 추진 선박
전기추진 선박은 충전받은 전기에너지를 동력원으로 사용하는 선박으로, 현재는 에너지 집적도가 낮아(배터리 용량↓, 부피↑) 주로 연안선박에 제한적으로 사용됩니다. 하이브리드 선박은 연료와 전기에너지를 조합하여 동력원으로 사용하는 선박으로, 연료 효율성과 환경 친화성을 동시에 추구합니다.
빈센에서 개발한 수소연료전지와 배터리가 탑재된 수소 전기 하이브리드 추진 시스템은 이러한 접근 방식의 좋은 예입니다.
4. 암모니아 및 메탄올 추진 선박
암모니아와 메탄올은 수소를 기반으로 생산이 가능해 수소 운송의 다른 형태로 볼 수 있으며, 수소보다 저장 특성이 좋은 연료입니다. 메탄올은 수소(H2)와 이산화탄소(CO2), 암모니아는 수소(H2)와 질소(N2)를 합성하여 생성 가능합니다.
2024년 중국 선박산업의 혁신 제품 중 하나인 ‘라벤더(薰衣草)호’는 글로벌 최초로 계약이 체결된 메탄올 연료 전용 급유선 중 하나로, 일반 정유 제품 수송뿐만 아니라 메탄올, 지방산 메틸 에스테르(FAME), 바이오연료 등 친환경 연료의 안전한 수송이 가능합니다.
자율운항과 스마트 선박 기술의 발전
미래형 선박은 친환경성뿐만 아니라 자율운항 능력도 갖추게 될 것입니다. 자율운항 선박은 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI), 빅데이터, 센서 등을 융합해 선원의 의사결정을 지능화·자율화된 시스템으로 대체할 수 있는 차세대 고부가가치 선박을 의미합니다.
현대미포조선이 건조한 자율운항 선박 ‘포스 싱가포르(POS SINGAPORE)’호는 이미 실증에 돌입했으며, 날씨나 주변 장애물을 자동으로 인식하여 대처하고 최적의 경로를 실시간으로 판단할 수 있는 기능을 갖추고 있습니다.
이런 자율운항 기술은 단순히 편의성을 높이는 것을 넘어 선박 운용 비용 절감에도 큰 효과가 있습니다. 선박 운용 비용 중 연료비와 인건비가 차지하는 비중이 약 80%에 달하기 때문에, 자율운항 시스템을 통한 최적 경로 운항과 인력 감축은 상당한 비용 절감 효과를 가져올 것으로 기대됩니다.
친환경 선박 추진 시스템의 혁신
친환경 선박의 핵심은 추진 시스템에 있습니다. HD한국조선해양은 다양한 친환경 선박 추진 솔루션을 개발하고 있으며, 이 중에는 엔진 기반 발전기(배터리 융합 가능)의 선내전력으로 추진모터를 구동하는 전기추진 시스템과 발전엔진 없이 오직 배터리와 연료전지 등의 전력을 이용하는 시스템이 포함됩니다.
전기추진시스템은 내연기관이 아닌 전기모터를 구동하여 추진하는 방식으로, 정밀 속도 제어 및 장비의 분산배치가 가능합니다. 또한 전기추진 선박에 적용되는 발전원은 다양하게 구성될 수 있습니다.
태양광 패널과 같은 재생에너지 시스템을 도입한 ‘오로라(Aurora)급’ 자동차 운반선은 최상층 데크에 1500㎡ 규모의 태양광 패널을 설치해 발전기 사용량을 최대 30~35% 절감할 수 있으며, 항만 전력 시스템 연동을 통한 무배출 항만 작업도 가능합니다.
미래 선박 시장의 전망과 패러다임 변화
선박 산업의 미래는 친환경, 자율화, 지능화의 키워드로 요약할 수 있습니다. 선박 시장은 LNG 추진선박 증가 가속화(~’25), 무탄소선박 출현(’30~) 및 기존연료 선박 퇴출(’40~)의 단계적 변화를 거칠 것으로 예상됩니다.
2025년에는 신조 선박 기준 LNG 선박이 50%, 기존연료 선박이 49%, 무탄소 선박이 1% 미만을 차지할 것으로 전망됩니다. 그리고 2050년에는 신조 기준 무탄소 선박이 67%, LNG 선박이 33%를 차지하고, 기존연료 선박은 0%가 될 것으로 예상됩니다.
이런 변화 속에서 디지털화와 스마트화 전환도 가속화되고 있습니다. 산업 인터넷, 디지털 트윈 기술이 선박 설계 및 제조에 적용되면서 연구개발-설계-제조-부품 공급을 아우르는 산업 생태계가 구축되고 있습니다.
미래형 선박 기술의 도전과제
미래형 선박 기술 발전에는 여전히 많은 도전과제가 남아 있습니다. 친환경 연료 전환을 위한 인프라 구축, 자율운항 시스템의 안전성 확보, 기술 표준화, 그리고 법·제도적 장치 마련 등이 그것입니다.
특히 수소 연료와 같은 무탄소 에너지원의 경우, 체적 에너지 밀도가 낮고 극저온(-253℃) 저장이 필요해 운송효율 제고 등의 기술적 난이도가 높습니다. 메탄올과 암모니아는 수소보다 저장 특성이 좋지만, 여전히 기존 연료 대비 탱크 크기가 각각 2.3배, 4.1배 필요하다는 한계가 있습니다.
또한, 자율운항 선박의 도입에는 안전성과 신뢰성 확보가 필수적입니다. 해상에서의 예측 불가능한 상황에 대응할 수 있는 고도의 인공지능 기술 개발이 필요하며, 이를 위한 국제적 표준과 제도적 지원이 뒷받침되어야 합니다.
결론: 한국 조선업의 미래와 기회
선박 설계 혁신과 미래형 선박 개념은 환경 보호와 경제성을 동시에 추구하는 방향으로 발전하고 있습니다. 생성형 AI와 같은 첨단 기술의 도입, 친환경 추진 시스템의 개발, 자율운항 능력의 향상은 모두 이러한 목표를 달성하기 위한 수단입니다.
한국은 조선 강국으로서 이러한 변화의 물결에 적극적으로 대응하고 있습니다. 대우조선해양, 한국조선해양, 현대미포조선 등 국내 주요 조선사들은 친환경 선박과 자율운항 선박 개발에 박차를 가하고 있으며, 정부도 ‘수소경제 활성화 로드맵’과 ‘환경친화적 선박의 개발 및 보급 촉진에 관한 법률’ 등을 통해 이를 지원하고 있습니다.
미래 선박 기술의 발전은 단순한 기술 혁신을 넘어 해양 환경 보호와 지속 가능한 발전이라는 인류의 과제를 해결하는 데 중요한 역할을 할 것입니다. 한국의 조선업이 이러한 변화를 선도하며 글로벌 해양 산업의 새로운 패러다임을 만들어가길 기대합니다.
자주 묻는 질문
Q: 친환경 선박은 어떤 종류가 있나요?
A: 친환경 선박은 크게 LNG, 수소, 암모니아 등 친환경 연료를 사용하는 선박과 전기, 하이브리드, 연료전지 등 차세대 추진시스템을 갖춘 선박으로 나눌 수 있습니다. 또한 기존 내연기관에 오염물질 저감장치를 설치하거나 에너지 효율을 향상시킨 선박도 친환경 선박에 포함됩니다.
Q: 자율운항 선박은 언제쯤 상용화될까요?
A: 자율운항 선박 기술은 이미 단계적으로 도입되고 있습니다. 한국은 2025년까지 선원이 승선하지 않은 선박을 원격으로 제어하는 자율화 단계에 도달하는 것을 목표로 하고 있으며, 현대미포조선이 건조한 자율운항 선박이 실증에 돌입한 상태입니다. 완전한 무인 자율운항 선박의 상용화는 2030년대부터 본격화될 것으로 전망됩니다.
Q: 생성형 AI는 선박 설계에 어떤 혁신을 가져오나요?
A: 생성형 AI는 수백 가지의 설계 옵션을 신속하게 생성하고, 복잡한 선박 거동을 정확하게 모델링할 수 있어 설계 시간을 단축하고 최적화된 설계를 가능하게 합니다. 예를 들어 지멘스의 뉴럴쉬퍼와 Simcenter STAR-CCM+ 소프트웨어는 선박 설계와 시뮬레이션을 혁신하여 다분야 설계 최적화를 수행하는 방식을 재정립하고 있습니다.
Q: 미래 선박 시장은 어떻게 변화할 것으로 예상되나요?
A: 미래 선박 시장은 LNG 추진선박 증가 가속화(~’25), 무탄소선박 출현(’30~) 및 기존연료 선박 퇴출(’40~)의 단계적 변화를 거칠 것으로 예상됩니다. 2050년에는 신조 기준 무탄소 선박이 67%, LNG 선박이 33%를 차지하고, 기존연료 선박은 0%가 될 것으로 전망됩니다.
Q: 수소연료전지 선박의 장단점은 무엇인가요?
A: 수소연료전지 선박의 장점은 운항 중 오염물질 배출이 없고, 에너지 효율이 높다는 점입니다. 반면 단점으로는 수소의 체적 에너지 밀도가 낮아 저장 공간이 많이 필요하고, 극저온(-253℃) 저장이 필요해 기술적 난이도가 높으며, 수소 충전 인프라가 부족하다는 점을 들 수 있습니다.