International maritime organization (IMO) is regulating the $CO_2$ emissions from ships by energy efficient design index (EEDI). Although the conventional LNG-fuelled propulsion has significantly reduced the green-house gas emissions, it cannot fully satisfy the emission regulations that will be strengthened gradually with time. This study proposed an $LNG-LH_2$ (liquid hydrogen) hybrid propulsion system for an LNG carrier to keep the ship in compliance with the $CO_2$ emissions regulations. The hybrid system was designed for a 267K LNG carrier and evaluated in terms of the EEDI, hybrid fuel ratio, installation space, safety, and economics. System design parameters were determined to satisfy the EEDI of Phases 4 and 5, which should be reduced by 14 and 28 % from the current level, respectively. In Phase 4, the mass ratio of $LH_2$ to LNG was estimated 3% with the power of 6 MW and the LH2 tank of 700 $m^3$. In Phase 5, those values were increased to 6%, 13 MW and 1,500 $m^3$, respectively. However, the volume growth induced by the fuel cells and $LH_2$ tank was insignificant because they should have been installed in the open space on the deck as per the rules. The economic feasibility presented the price of $LH_2$ fuel, which secured economic operation of the hybrid system. The life cycle cost (LCC) of the hybrid system was estimated higher by 8% than the LNG system, and the breakeven price of $LH_2$ should be reduced to the level of 2.0 $/kg for Phase 4. In Phase 5, the LCC increased to 19% with the breakeven price decreased to 1.6 $/kg. In order to apply the feasible hybrid systems, $LH_2$ infrastructure should be built and LH2 fuel prices should be lowered.
국제해사기구는 에너지효율설계지수를 통해 선박의 이산화탄소 배출량을 규제하고 있다. 기존의 액화천연가스 연료추진 방식은 온실가스 배출량을 현저하게 감소시켰지만, 미래의 강화되는 이산화탄소 배출 규제를 충분히 만족할 수 없다. 본 연구는 액화천연가스 운반선의 액화천연가스와 액화 수소를 연료로 사용하는 혼합 추진 시스템을 제안하여 선박의 이산화탄소 배출 규제를 만족할 수 있다. 본 사례연구는 267,000 $m^3$의 액화천연가스 운반선으로 설계되었으며, 에너지효율설계지수, 혼합 연료의 비율, 설치공간, 안전성 및 경제성을 평가하였다. 주요 결과로 액화천연가스 운반선은 에너지효율설계지수 3 단계까지 만족하며, 혼합시스템은 에너지효율설계지수 4단계와 5단계를 만족하는 시스템으로 설계하였다. 따라서 규제 4단계를 만족하기 위해서는 3단계의 에너지효율설계지수를 14% 감소시켜야 하고 규제 5단계를 만족하기 위해서는 28% 감소시켜야 한다. 이에 따른 혼합추진 시스템의 설계 결과 4단계에서는 액화 수소의 혼합연료 추진 비율은 3%이고, 필요한 추진 동력은 6 MW이며, 필요한 액화 수소탱크의 크기는 700 $m^3$이다. 5단계에서는 혼합연료 추진 비율은 6%로 추정되었으며, 필요한 추진 동력은 13 MW, 액화 수소탱크의 크기는 1500 $m^3$로 추산되었다. 혼합추진 시스템의 추가된 시스템에 따라 설치공간은 증가하지만, 규정상 액화 수소와 연료전지는 갑판 위에 설치되어야 하므로 큰 영향을 미치지 못한다. 또한, 경제성 평가를 통해 혼합 추진 시스템의 수명주기 비용은 4단계에서는 기존 액화천연가스 연료시스템대비 8% 높게 추산되었으며, 5단계에서는 19% 높게 추산되었다. 혼합 추진 시스템의 경제적인 운영을 위한 액화 수소 가격은 4단계의 경우 2.0 $/kg, 5단계는 1.6 $/kg 수준으로 줄여야 한다. 따라서 실현 가능한 혼합 추진 시스템을 적용하려면 액화 수소의 인프라를 구축하고 액화 수소 연료 가격을 낮춰야 한다.
