Verification of Ship Energy Efficiency Improvement by Antifouling Coating Performance

해운업에 있어서 선박은 가장 큰 부분을 차지하고 있으며 선박 운영시 지출되는 비용은 해운업의 경영성과에 많은 영향을 미친다. 통상적으로 선박운영비용의 50%이상을 차지하는 연료비는 선박의 에너지효율에 따라 차별되며 이는 해운사의 경쟁력과 직결된다. 본 논문은 선박이 운항함에 따라 발생되는 Biofouling(선체 오손)으로 인한 선체성능저하 최소화의 방안인 Antifouling coating의 성능을 ISO19030의 방법으로 시계열 분석하고 Antifouling coating선택의 중요성을 입증하고 연구하였다. 본 연구는 해운업에서 우선적으로 고려해야 할 경영성과 및 Global Regulation에 동시에 부합할 수 있는 가장 효과성 있는 방법은 Antifouling coating의 선택임을 제시한다. 전 세계적으로 더욱 더 중요시되고 있는 지구온난화 및 이상기후 등을 지연 또는 막기위해 선박에서 배출되는 탄소배출을 저감하기 위해 IMO에서는 저황선박연료유(Low Sulphur cap) 사용 및 선박의 에너지효율에 대한 EEDI, EEOI, EEXI, CII등의 규제를 발효 또는 발효 예정이며, 이는 선박의 에너지효율을 규제이상의 효율로 유지해야 하거나 혹은 LNG, LPG, 암모니아, Biofuel등의 대체 연료를 사용하여 탄소배출을 줄임으로서 규제에 부합할 수 있다. 선박에너지 효율관련해서 연료의 품질, 선박의 디자인 (선박의 엔진효율성, 프로펠러디자인, 선체 디자인 등)에 대한 선행연구는 있었으나 선박이 운항 함에 따라 주어진 선체의 선형 디자인에서 최상의 성능을 기대하기 위해 Biofouling으로 인해 발생하는 선체 성능저하를 최소화 하기 위한 Antifouling coating의 성능분석에 대한 연구는 부족함으로 본 연구를 진행하게 되었다. 또한, IMO에서는 선박의 선체에 부착되는 해양생물로 인해 해양생물의 서식지에 따른 교차오염에 대한 가이드라인으로 Biofouling management guideline을 발표 예정이다. 이는 Biofouling이 발생하지 않도록 미연에 방지하는 Antifouling coating이 Biofouling management guideline에 부합 할 수 있는 가장 매력적인 대안으로 많은 관심을 가질 것이다. 본 연구에서 ISO19030 (Measurement of changes in hull and propeller performance) 분석방법을 통해 벌크선 1척의 9.5년 데이터를 분석하여 입거 수리 기준으로 서로 다른 Antifouling coating의 In-service performance를 분석하였고 컨테이너선 5척의 입거 수리 후 25~35개월 동안의 In-service performance를 전체 시장평균성능 대비 비교 분석하였다. 분석결과Antifouling coating의 성능에 따라 벌크선의 경우 17.7%(60개월기준), 컨테이너선의 경우 6.97~10.32%(25~35개월기준)의 효율차이를 입증 하였다. 이는 주어진 선체의 최상의 성능을 유지하기 위해서는 Antifouling coating의 성능이 중요한 지표라는 것을 입증하였고 본 연구가 해운종사자들에게 Antifouling coating선택의 중요성을 인지시키고 실무에 적용 가능한 중요한 연구자료가 되었으면 한다. 후행 연구에서는 더 많은 선박의 분석을 통해 시장의 어떠한 Antifouling coating이 가장 좋은 성능을 제공하는지 그리고 어떠한 한계를 가지고 있는지에 대한 연구가 요구 되어 진다.Ships are most important assets in shipping business and reducing operational expenditure is crucial for running a profitable business. Fuel cost which takes normally 50% of operational expenditure depends on ship energy efficiency and it is directly related with ship operator’s competitiveness. This study proves that the choice of antifouling coating, a solution to prevent biofoulings during in-service sailing period, is critical by analyzing reliable method ISO19030. This study proposes that high-performance antifouling coating is one of the most attractive solutions to running profitable business while complying with global regulations. The IMO has enforced regulations to controlling Co2 emissions such as low Sulphur fuel cap and EEDI, EEOI, EEXI and CII for the purpose of preventing global warming and abnormal climate. Therefore, ship operators are required to manage ship energy efficiency to comply with regulations or reduce Co2 emission by burning alternative fuel sources like LNG, LPG, Ammonia, biofuel, and so on. A ship’s overall energy efficiency is determined by its design (i.e., engine, propeller, and hull design) and the way how it is operated. While there are studies for ship’s design, only few studies have addressed underwater hull and propeller surfaces, which are prone to mechanical surface damages and biofouling. To this end, this study proves that managing sustainable clean hull condition by antifouling coating increases ship energy efficiency compared to average hull efficiency during ships in-service period caused by deterioration of hull and biofouling. Additionally, while the IMO plans to release biofouling management guidelines, less biofouling would mean a lower risk of spread of non-native invasive aquatic species that may be transported on ship hulls. According to the biofouling management guidelines, antifouling coating performance becomes an issue in the shipping industry. In this study, the dataset is collected for 1 Bulk carrier analyzed by ISO19030 in-service performance and compared to dry docking intervals for 9.5 years. In addition, five (5) Container carriers are analyzed by ISO19030 in-service performance and compared to market average performance during 25Month to 35Month after dry dock. The analysis results show the efficiency differences of 17.7% and 6.97~10.32% for a bulk carrier (60Month) and container carriers (25~35Months), respectively. The results of analysis prove that antifouling coating performance contributes hull efficiency based on given hull design. Therefore, choice of antifouling coating is one of the solutions to maximize hull efficiency in given hull design while complying with new regulations and guidelines. Therefore, it is of utmost importance for ship operators to take proper actions for the competitive edge and decarbonization. This study can show the importance of choice of antifouling to practitioners when they exercise daily business. Further study is required to evaluate which is best performance antifouling coating by more case studies and to find out the limitations of antifouling coating.Contents i List of tables iii List of figures iv Abstract v 국문초록 vii I. Introduction 1 1. Purpose of study 1 2. Study structure 2 II. Literature Review 4 1. Shipping Industry (Overall industry background) 4 2. Comply with regulations 5 2.1 Biofouling management – spreading invasive aquatic species 6 2.1.1 AFS convention 7 2.1.2 BWM convention 7 2.1.3 Glofouling partnership 7 2.2 Green House Gas 7 2.2.1 EEDI 8 2.2.2 SEEMP & EEOI 9 2.2.3 EEXI & CII 11 3. Shipping Business – Running a profitable and successful business 13 3.1 Ship energy efficiency 13 III. Hull performance 15 1. Biofouling 15 1.1 Introduction 15 1.2 Increase OPEX and GHG 19 2. Antifouling coatings 20 2.1 Introduction 20 2.2 Antifouling coating history 20 IV. Methodology 20 1. Antifouling performance 20 1.1 ISO19030 20 1.1.1 Introduction 20 1.1.2 ISO19030-1 21 1.1.3 ISO19030-2 22 1.1.4 ISO19030-3 24 1.2 Sample & Data Collection 24 V. Finding and discussion 25 1. Define market average speed loss by hull and propeller performance 26 2. Antifouling performance analysis 27 VI. Conclusion 49 1. Contribution of the study 49 2. Limitations and future research 49 3. Implications for practitioners 50 Reference 51 Appendix I 54 Appendix II 59 Appendix III 64 Appendix IV 69 Appendix V 74Maste