태양광 발전장치 도입에 따른 소형어선 출어경비 절감 연구

Ⅰ. 서 론

1992년부터 UN 산하 국제기구에서 유엔기후변화협약 (United Nations Framework Convention on Climate Change: UNFCC)이 중심이 되어 국제적으로 논의해 온 온실가스 감축 방안으로 온실가스 배출권 거래제 (Emission Trading Scheme: ETS)라는 국제협약이 체결되었다. 우리나라의 경우는 2015년 1월부터 이 제도를 시행함으로써 중요 기업들은 새로운 제도에 따라 온실가스 감축을 위한 자국적인 노력을 하지 않으면 안 되게 되었다. 이러한 분위기 속에 각 산업분야에서는 온실가스 배출량을 줄이기 위한 노력으로 수소자동차, 전기자동차, 자기부상열차, 전기추진선박, 태양광에너지 등과 같은 친환경에너지기술 등을 지속적으로 개발하고 있다.

이와 같은 각 산업들 중 수산업에서는 온실가스 배출량을 줄이기 위한 노력으로 어업에서 발생되는 온실가스를 정량적으로 분석하는 방법(Yang et al., 2015), 어선의 선체 저항을 최소화하여 유류소모량을 절감하는 선형(Sterling and Goldsworthy, 2007; Sterling and Klaka, 2007), 전기모터 힘으로 추진하는 전기추진선박(Choi et al., 2016; Zahedi et al., 2014)과 가스, 전기에너지, 유류 등을 복합적으로 사용하는 하이브리드 선박 등의 연구가 수행되고 있다(Alfonsin et al., 2014).

특히 어선의 선형에 대한 연구는 많은 인력과 예산이 필요할 뿐만 아니라, 연구결과가 사회에 적용이 되기 위해서는 정책과 제도적으로 많은 시간이 요구된다. 따라서 기존의 어선 형태 및 구조를 최대한 유지하고, 엔진에서 배출되는 배기가스의 열에너지와 같이 어선 내에서 버려지는 에너지(Elsheikh et al., 2014; Zhang et al., 2016; Date et al., 2015; Twaha et al., 2016)를 활용하는 한편, 태양광, 풍력 등 해상에서 활용 가능한 에너지를 찾아, 유류절감을 통해 온실가스배출량을 줄일 수 있는 방안을 강구하여야 한다.

그 방안으로 최근에는 선미 후위에 설치된 전기모터로 추진하는 레저보트를 태양광 발전장치로부터 생산된 전기에너지로 추진시키는 기술(Oh Kyoung-Gun et al., 2016)이 개발되는 한편, 3톤급 연안어선에 설치된 태양광 발전장치의 전원공급성능을 분석한 연구가 수행되었다(Jeong Seong-Jae et al., 2014). 또한 태양광 발전장치가 설치된 선박의 복원성능 등을 분석하는 연구도 수행되었다(Choi Han-Kyu et al., 2012).

본 연구에서는 200W급 태양광 발전장치가 설치된 시험선별로 일일 기준으로 최대 사용할 수 있는 전력량, 사용부하가 소비하는 전력량, 그리고 잉여전력량을 조사하였다. 출어경비 절감 방안은 시험선별로 잉여전력량과 조업방식을 분석한 결과를 바탕으로 최대한 잉여전력을 활용할 수 있는 방법으로 마련하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 시험대상 선박

시험대상 선박은 [Fig. 1]과 같이 해상에서 태양광 모듈의 내구성과 전원공급 효율분석 등에 관련한 연구를 수행하기 위해 이미 태양광 발전장치가 설치된 연안어선 2척(진주호, 동삼호)을 대상으로 시험선 Ⅰ과 시험선 Ⅱ로 선정하였다(Jeong Seong-Jae et al., 2014).

[Fig. 1]

Fishing vessels for experiments Ⅰ(a) Jinju-ho and Ⅱ (b) Dongsam-ho equipped with photovoltaic power generation system

시험선Ⅰ, Ⅱ는 표선 인근해역에서 조업하며, 시험선Ⅰ은 3톤급 연안복합어선(진주호)으로 참돔, 방어, 벵에돔 등 회유성 어종을 대상으로 하는 낚시어업 어선이다. 시험선Ⅱ는 4톤급 연안복합어선(동삼호)으로, 옥돔을 주 어종으로 하는 주낙어업 어선이다.

2. 태양광 발전장치

가. 선박별 태양광 발전장치 사양

시험선Ⅰ, 시험선Ⅱ에 설치된 태양광 발전장치 사양은 <Table 1>과 같다.

<Table 1>

Specifications of photovoltaic power generation system

시험선Ⅰ의 경우 배터리 12 V/200 Ah를 병렬로 결선하여 시스템 전압 12 V, 배터리 용량 400 Ah로 구성하였다. 시험선Ⅱ는 12 V/200 Ah를 직렬로 결선하여 시스템 전압 24 V, 배터리 용량 200 Ah로 구성하였다.

시험선별로 일일 최대 사용할 수 있는 소비전력은 수식1, 2를 이용하여 산정할 수 있으며, 설치된 태양광 모듈 용량을 기준으로 산정결과, 약583.3Wh임을 알 수 있다.

$\[ \mathrm{P}\mathrm{V}\mathrm{ }\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{e}\mathrm{ }\left(\mathrm{W}\right) \]$

(1)

$\[ =1\mathrm{일}\mathrm{ }\mathrm{필}\mathrm{요}\mathrm{한}\mathrm{ }\mathrm{발}\mathrm{전}\mathrm{량}\times 1.2\mathrm{ }\left(\mathrm{출}\mathrm{력}\mathrm{손}\mathrm{실}\mathrm{보}\mathrm{존}\mathrm{ }\mathrm{계}\mathrm{수}\right) \]$

$\[ 1\mathrm{일}\mathrm{ }\mathrm{필}\mathrm{요}\mathrm{한}\mathrm{ }\mathrm{발}\mathrm{전}\mathrm{량}\mathrm{ }\left(\mathrm{W}\right) \]$

(2)

$\[ =1\mathrm{일}\mathrm{ }\mathrm{소}\mathrm{비}\mathrm{전}\mathrm{력}\mathrm{ }\left(\mathrm{W}\mathrm{h}\right)\mathrm{ }/\mathrm{ }3.5\mathrm{ }\mathrm{h}\mathrm{ }\left(\mathrm{한}\mathrm{국}\mathrm{의}\mathrm{ }\mathrm{평}\mathrm{군}\mathrm{일}\mathrm{조}\mathrm{시}\mathrm{간}\right) \]$

배터리 용량은 일일 최대 사용할 수 있는 소비전력을 기준으로 수식 3을 이용하여 산정할 수 있다. 부조일수는 하루 종일 태양이 비치지 않는 날의 수를 의미하며, 통상적으로 3일에서 7일 정 도로 계산한다. 부조일수를 5일로 가정하여 배터리 용량을 산정해 보면 시험선Ⅰ, Ⅱ 각각의 배터리 용량은 약 364, 182 Ah임을 알 수 있다. 이와 같이 산정된 배터리 용량은 시험선별로 이미 설치된 배터리 용량 대비 91% 로 충분히 사용가능한 용량으로 설치되어 있음을 알 수 있다.

$\[ \mathrm{배}\mathrm{터}\mathrm{리}\mathrm{ }\mathrm{용}\mathrm{량}\mathrm{ }\left(\mathrm{A}\mathrm{h}\right) \]$

(3)

$\[ =1\mathrm{일}\mathrm{ }\mathrm{소}\mathrm{비}\mathrm{전}\mathrm{력}\left(\mathrm{W}\mathrm{h}\right)/\mathrm{ }\mathrm{배}\mathrm{터}\mathrm{리}\mathrm{ }\mathrm{전}\mathrm{압}\times \mathrm{부}\mathrm{조}\mathrm{일}\mathrm{수}\times 1.25\mathrm{ }\left(\mathrm{배}\mathrm{터}\mathrm{리}\mathrm{ }\mathrm{방}\mathrm{전}\mathrm{ }\mathrm{손}\mathrm{실}\mathrm{ }\mathrm{보}\mathrm{정}\mathrm{계}\mathrm{수}\right) \]$

나. 태양광 발전장치 구성

태양광 발전장치 [Fig. 2]와 같이 조업과정 또는 정박 중에 태양광 모듈, 배터리 및 부하의 전압, 전류를 각각 측정하여 태양광 모듈에서 생산하는 전력량, 배터리로 충전되는 전력량, 그리고 부하가 소비하는 전력량을 측정할 수 있도록 설계하여 시험선별로 설치하였다.

[Fig. 2]

Schematic diagram of the photovoltaic power generation system

Ⅲ. 실험결과 및 고찰

1. 조업방식과 태양광 발전장치 사용현황

가. 시험선Ⅰ

시험선Ⅰ은 선착장에서 출항하여 제주도 표선 인근해역에서 참돔, 방어, 벵에돔 등과 같은 어종이 서식하는 어장에 도착한 후, 닻을 내려놓고 엔진을 꺼놓은 상태에서 낚싯대를 이용하여 조업하는 방식이다. 어선의 규모와 조업인원에 따라 사용하는 낚싯대 수는 다르지만 시험선Ⅰ의 경우는 조류에 의한 낚싯줄 엉킴을 방지하기 위해 현측에 수동 낚시 릴 1대와 선미에 전동낚시 릴 2대를 사용하는 것이 보편적이다. 조업시간은 어종과 계절에 따라 차이가 있지만 보통은 오전 5시에 출항하여 오후 12시까지 총 7시간 동안 조업한다.

시험선Ⅰ이 태양광 발전장치를 전원공급원으로 사용하는 부하는 전동낚시 릴(SHIMANO, 9000 Beast master ZB) 2대이다. 전동낚시 릴은 기어박스와 모터로 구성되어 있어, 모터가 소비하는 전력량은 어종, 어류의 중량, 조업시간, 시험선과 어획되는 지점과의 거리, 수심, 조류의 세기 및 방향 등에 따라 복합적으로 영향을 받기 때문에 정량적인 데이터 수집과 분석이 어렵다.

따라서 본 연구에서는 전동낚시 릴의 일일 최대 소비전력량을 추정하기 위해서 <Table 2>와 같이 실제 해상에서 3일간을 조업하여, 어획물 중량(kg)과 전동낚시 릴이 사용한 소비전력(Wh)을 측정한 후, 수식 4와 같이 어획물 단위 중량당 전동낚시 릴이 소비하는 전력량을 환산하여 일일 최대 어획량을 기준으로 추정하였다.

일일 최대 어획량은 [Fig. 3]과 같이 시험선Ⅰ이 2012년 8월부터 2014년 12월까지 전동낚시 릴로 어류를 어획하고 판매한 실적자료를 활용하였다.

$\[ \mathrm{일}\mathrm{일}\mathrm{ }\mathrm{최}\mathrm{대}\mathrm{ }\mathrm{소}\mathrm{비}\mathrm{전}\mathrm{력}\mathrm{ }\left(\mathrm{W}\mathrm{h}\right) \]$

$\[ =\mathrm{소}\mathrm{비}\mathrm{전}\mathrm{력}\mathrm{ }\left(\mathrm{W}\mathrm{h}\right)\mathrm{ }/\mathrm{ }\mathrm{어}\mathrm{획}\mathrm{물}\mathrm{ }\mathrm{단}\mathrm{위}\mathrm{ }\mathrm{중}\mathrm{량}\mathrm{ }\left(\mathrm{k}\mathrm{g}\right)\times \mathrm{일}\mathrm{일}\mathrm{ }\mathrm{최}\mathrm{대}\mathrm{ }\mathrm{어}\mathrm{획}\mathrm{량}\mathrm{ }\left(\mathrm{k}\mathrm{g}\right) \]$

(4)

<Table 2>

Catch composition of test fishing vessel Ⅰ: Fish species, distance(between test fishing vessel and fishing area), weight, power consumption of electric fishing reels

[Fig. 3]

Comparison between catch amount and composition of fishing days from fishermen’s logbook

<Table 2>는 2016년 6월 16, 26, 29일 총 3일간 어획한 어종, 어획물 중량, 소비전력량을 나타낸다. 기간 중 어종은 부시리, 참돔, 벤자리, 벵어돔, 쥐치였으며, 총 어획량과 전동낚시 릴에서 각각의 어종별로 소비하는 전력량은 각각 17.5 kg, 22.9Wh 이었으며, 어획물 단위 중량 당 전동낚시 릴이 소비하는 전력량을 환산하면 약 1.3 Wh 임을 알 수 있었다.

어획량은 [Fig. 3]과 같이 조업기간 중 기상과 어장상태가 좋지 않아 어획량이 없는 경우도 있었으며, 이와 반대로 방어가 많이 어획되는 시기인 겨울철에는 일일 최대 어획량이 160 kg임을 알 수 있었다.

전동낚시 릴이 일일 기준으로 최대 소비하는 전력량은 어획물 단위 중량 당 전동낚시 릴이 소비하는 전력량 1.3Wh와 조업기간 중 일일 최대 어획량인 160 kg을 기준으로 산정해 보면 약 208Wh임을 알 수 있었다.

나. 시험선Ⅱ

옥돔주낙어업의 조업기간 및 시간은 규모에 따라 다르다. 대규모 옥돔주낙어업은 어장마다 다소 차이가 있겠지만, 일반적으로 1항차에 약 4~5일이 소요되며, 실제 조업일수는 약 2~3일이다. 1일 2회 조업을 하며, 1회 투승 소요시간은 약 1시간 30분, 양승 소요시간은 약 4~5시간이다.

실험대상 선박인 시험선Ⅱ는 부부가 소규모로 옥돔주낙어업을 하는 형태로 대규모 옥돔주낙어업과 조업방식은 동일하며, 조업량과 조업시간에서 차이가 난다. 시험선 Ⅱ의 경우, 조업 1일전 미끼가 끼어진 주낙을 준비한다. 미끼를 끼는 시간은 30통 기준으로 약 1시간 30분이다. 그 다음날 해가 뜨기 전 약 30분전에 조업어장에 도착하여 전날 미끼를 끼운 주낙을 투승과 양승을 6회 반복한다. 투승 소요시간은 약 2시간, 양승 소요시간은 약 5시간이다.

시험선Ⅱ는 태양광 발전장치에서 충전된 배터리는 엔진을 끈 상태에서 조업 전날 야간에 미끼를 끼우기 위해 30W 작업등 2개를 켤 때와 조업 후, 선내를 청소하기 위해서 190W 수중펌프 1대를 사용하는데 이용되고 있다. 작업등, 수중펌프를 일일 평균적으로 사용한 시간은 각각 1시간 30분, 15분이었다. 작업등과 수중펌프를 소비하는 전력량은 일일 기준 각각 90Wh, 47.5Wh이고, 총 소비 전력량은 137.5Wh이었다.

2. 잉여전력 분석결과

[Fig. 4] 는 시험선별로 일일 최대 사용할 수 있는 전력량을 기준으로 소비전력량(Power consumption)과 잉여전력량(Surplus power)을 나타낸 것이다.

[Fig. 4]

Power consumption and surplus power by each test fishing vessel: (a) test fishing vesselⅠ and (b) Ⅱ

시험선 Ⅰ, Ⅱ가 일일 최대 사용할 수 있는 전력량은 583.3Wh로 동일하며, 일일 소비전력량은 각각 208Wh, 137.5Wh로 일일 최대 사용할 수 있는 전략량 대비 약 35.7%, 23.6% 수준으로 파악되었다. 시험선별로 잉여전력량은 각각 375.3Wh, 445.8Wh임을 확인할 수 있었다.

이와 같이 현재 시험선들은 선내 설치되어있는 태양광 발전장치를 최대로 이용하지 못하고 있는 수준으로 파악되었다. 따라서 시험선별로 조업 또는 정박 중에 태양광 발전장치를 전원공급원으로 사용할 수 있는 부하들을 파악하는 한편, 잉여전력을 최대한 활용하여 출어경비를 절감할 수 있는 방안 마련이 필요하다.

3. 출어경비 절감 방안

어선의 출어경비를 효과적으로 절감하는 방법은 유류 사용량을 줄이는 것이며, 유류 사용량을 최대한 줄일 수 있는 방법은 엔진 사용시간을 줄이는 것이다.

본 연구에서는 출어경비를 절감하는 방안으로 [Fig. 5]와 같이 시험선별로 엔진이 꺼진 상태에서 설치된 태양광 발전장치의 잉여전력을 최대한 사용할 수 있는 부하를 조사하였다.

[Fig. 5]

Investigation method for electric load

가. 시험선Ⅰ

시험선Ⅰ은 평소 유류비 절감과 엔진 소음 때문에 엔진을 꺼놓은 상태에서 태양광 발전장치로 부터 충전된 배터리와 전동낚시 릴을 이용하여 낚시어업을 한다. 그리고 조업 중, 통신장비, 현등, 정박등, 어탐기와 같이 선내 설치된 전기부하들도 함께 꺼놓고 조업한다. 특히, 통신장비와 현등 그리고 정박등은 선박 안전사고와 관계되는 부하인 동시에 필수적으로 사용해야함에도 불구하고 조업 중에 꺼놓는 것으로 파악되었다.

이러한 이유는 엔진을 꺼놓은 상태에서 장시간 부하를 사용하게 되면 선내 배터리가 과방전 되어, 엔진 시동불량으로 해상에서 표류될 수 있는 상황이 발생하기 때문에 이들 부하들을 조업 중에 사용하기 위해서는 항상 엔진이 켜져 있는 상태에서 사용해야 한다.

따라서 시험선Ⅰ의 경우는 조업 중 엔진을 꺼놓은 상태에서 태양광 발전장치의 잉여전력을 선박 안전사고와 관계되는 부하들을 사용할 수 있도록 하여, 유류절감과 온실가스 배출 저감은 물론 선박 안전사고를 미연에 예방할 수 있을 것이라고 기대된다.

나. 시험선Ⅱ

시험선Ⅱ는 주로 엔진을 꺼놓고 태양광 발전장치를 전원공급원으로 사용하는 부하는 정박상태에서 야간에 미끼 끼울 때와 입항 이후 선내 청소할 때 사용하는 작업등과 수중펌프였다. 따라서 본 연구에서는 현재 태양광 발전장치의 잉여전력을 최대한 활용하여 출어경비를 절감할 수 있는 방안을 마련하기 위해 조업과정을 조사하는 한편, 엔진을 꺼놓고 태양광 발전장치의 잉여전력으로 사용할 수 있는 부하를 조사하였다.

조사결과, 시험선Ⅱ는 조업과정에서 엔진을 켜놓은 상태에서 주낙을 투승한 후, 주낙의 침지와 옥돔이 어획되기까지 해상에서 대기하는 것으로 파악되었다. 그리고 대기하는 시간동안에는 작업등, 정박등, 현등 그리고 통신장비 등을 항상 켜놓고, 식사해결 또는 수면을 취한 것으로 파악되었다.

이러한 조업과정에서 시험선Ⅱ의 경우는 주낙의 침지와 옥돔이 어획되기까지 해상에서 대기할 때 닻을 놓고, 엔진을 꺼놓은 상태에서 태양광 발전장치의 잉여전력으로 평소 조업에 사용하는 작업등, 정박등, 현등, 그리고 통신장비 등의 사용이 가능할 수 있을 것으로 기대된다. 단지, 닻을 내리고 올리는 작업이 힘들 수 있을 것으로 판단되지만, 엔진을 사용하지 않기 때문에 유류절감으로 인한 가계부담과 온실가스 배출 저감으로 환경오염을 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 매연 및 소음발생을 원천적으로 막을 수 있어 어업환경을 개선할 수 있을 것이라고 판단된다.

Ⅳ. 결 론

본 연구에서는 200W급 태양광 발전장치가 설치된 낚시어업, 옥돔주낙어업 선박을 시험선으로 선정하여, 시험선별로 일일 최대 사용할 수 있는 전력량, 일일 소비전력, 잉여전력 등을 분석하였다. 분석결과 시험선Ⅰ과 Ⅱ 각각 일일 최대 사용할 수 있는 전력량 대비 35.7%, 23.6% 수준으로 태양광 발전장치의 활용도가 매우 낮은 것으로 확인되었다. 따라서 본 연구에서는 시험선별로 잉여전력을 최대한으로 활용하여 출어 경비를 절감할 수 있는 방안들을 제시하였다. 이뿐만 아니라, 시험선별로 조업방식과 태양광 발전장치 설치효과 분석 등을 통해 선박 안전사고 예방과 어업인 어업환경 개선을 위한 활용방안을 제시하였다.

향후 유류절감과 온실가스 배출 저감을 위해서는 어업별로 태양광 발전장치를 최대한 활용할 수 있는 방안뿐만 아니라, 출어 경비의 절감, 선박 안전사고의 예방, 어업인들의 어업환경까지 개선시킬 수 있는 방안들을 지속적이고 적극적으로 마련해야 할 것이다. 그리고 태양광 발전장치 이용을 확대하기 위해서는 태양광 발전장치 설치에 따른 경제성 및 사회적인 파급효과 등에 대한 연구도 추가적으로 되어야 할 것이다.

Acknowledgments

이 논문은 해양수산부 정책과제(연근해어선 온실가스 배출저감 장치 산업화) 및 2017년 국립수산과학원 수산시험연구사업(R2017041)의 지원에 의해 수행되었습니다.

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