[디지털비즈온 이호선 기자] 저탄소 사회를 향하여 일본에서 대형선박이 돛단배형 풍력추진장치인 윈드챌린저(wind challenger)를 개발했다.

일본 미쓰이상선과 도후쿠 전력(東北電力)은 나가사키현 니시카이시의 오시마 조선소에서 건조를 진행하고 있던 ‘윈드 챌린저’ 석탄 수송선 ‘마츠카와마루’가 준공 운항을 개시했다고 일본 매체들이 10월 7일 발표했다.

아사히신문은 세계 최초의 윈드챌린저는 석탄 수송선 ‘마츠카와마루’ 는 주로 호주나 인도네시아, 북미 등으로부터의 석탄 수송에 운행된다고 전했다.

프로젝트는 2009년 도쿄대학이 주도하는 산학 공동 연구프로젝트인 '윈드 챌린저 계획'으로 시작됐다. 윈드챌린저(Wind Challenger)는 풍력 에너지 를 추진력으로 운행되며, 해운 회사는 그로 인해 온실 가스 배출량이 약 5-8% 감소할 것으로 추정한다.

◇윈드첼린저, 선박 연구개발

윈드챌린저 프로젝트 웹사이트 자료에 따르면, 돛은 선내의 바람 조건에 자동으로 적응하여 단축 및 높이가 확장 된다. 바람 (풍속 약 12m/s)의 경우 이 돛은 엔진 동력 없이 14 노트의 해상 속도로 운행 할수 있다. 엔진 출력과 돛을 동시에 사용하는 실제 해상 항해(일본/북미 서해안 항로)에서는 연간 약 30%의 연료 소모량을 줄이는 것이 시뮬레이션을 통해 확인 되었다고 밝혔다.

자료에 따르면, 2011년 10월부터 실제 돛 설계 및 시공 단계까지 연구를 해왔으며. 2013년 겨울 사세보 인근 언덕 정상에 대형 돛 모형(1/2 축척 모형: 25m x 10m)을 건설하여 다양한 기상 조건에 따른 강도, 공기역학적 데이터를 획득했다.

특히 무역풍과 편서풍에 대한 최적의 항로 등 지구풍을 이용한 해운방식은 새로운 해운 비즈니스 모델의 개발에 기여했다고 설명했다. 돛은 전동식 슬라이딩 마스트로 크기를 높였다 낮출수 있다. 일반적인 돛의 치수는 높이 50m, 너비 20m, 넓이 1,000㎡ 이며, 완전히 높인 상태가 된다.

돛의 날개 부분은 돛의 성능에 중요하며, 압력면은 다양한 바람 방향에 대한 종합적인 검토를 고려하여 캠버가 있는 속이 빈 모양의 날개 부분을 채택했다. 두께 비율은 0.2로 채택되어 스톨 각도를 더 크게 만들 수 있었다. 돛의 재질은 GFRP(유리 섬유 강화 플라스틱) 또는 알루미늄 합금으로 구성되었으며, 리지드 돛의 무게는 재질에 따라 다르지만 약 40톤 이며 슬라이딩 마스트의 무게는 약 60톤이라 설명했다.

◇최적의 경로선택, 라우팅 연구

자료에 의하면, 기존 선박의 경우 바람 저항을 줄이는 방법이 가장 중요하지만, 윈드챌린저 선박은 풍력이 필요 하기 때문에, 프로젝트에서는 윈드 챌린저 항해 시뮬레이션(Wind Challenger Sailing Simulation)를 개발하여 최적의 항로를 쉽게 제공할 수 있었다.

선박이 유리한 바람(바람 조건에 따라 빔 또는 1/4)을 탐색하여 순항할 때 경로는 대권 항로(최단 거리)에서 크게 이동한다. 지구에 부는 바람은 위치나 계절에 따라 크게 변화하는 요인을 데이터로 기록했다.

남쪽 홋카이도의 동쪽에 위치한 강한 저기압의 유리한 바람을 이용하는 경우 최적의 경로를 이용하여 운행한다. 따라서 바람을 잘 잡아서 저주거리가 길어지지만 대권 항로(약 23%)보다 더 큰 에너지 절약(30%)을 얻을 수 있다고 연구결과 데이터를 이용한다.

이러한 시뮬레이션을 1년 동안 수행함으로써 북미 노선(요코하마-시애틀)의 에너지 절약율의 월별 기대값을 계산할 수 있었다.

편서풍이 강해지는 겨울에는 에너지 절약율이 더욱 높아진다. 따라서 서풍이나 무역풍대가 있는 기존 선박과 마찬가지로 한쪽이 유리하더라도 단순한 양방향 항로에서는 반대 항로가 불리해질 수 있다고 윈드첼린저 프로젝트 에서 밝혔다.