Techno-economic and environmental analysis of alternative marine propulsion systems through chemical process modeling

Abstract

The rapid tightening of IMO greenhouse gas and air-pollutant regulations has accelerated the demand for low-carbon marine propulsion systems. However, existing studies typically assess alternative fuels and propulsion technologies in isolation, making it difficult to identify optimal decarbonization pathways under a unified analytical framework. This study develops an integrated platform combining Aspen Plus–Cantera engine simulation, SOFC system modeling, techno-economic analysis, and Well-to-Wake life-cycle assessment to consistently evaluate diesel, methanol, LNG, ammonia, and hydrogen propulsion systems. Modeling results showed that engine CO₂eq emissions followed the order of diesel, followed by methanol, LNG, and ammonia, while SOₓ emissions scaled directly with fuel sulfur content. LNG exhibited low NOₓ emissions, and ammonia engines required SCR to meet Tier III limits. TEA indicated that hydrogen-based SOFC systems exhibited the highest life-cycle cost due to cryogenic storage and fuel production costs, whereas LNG engines achieved the lowest cost because of reduced fuel consumption. LCA revealed that gray methanol, ammonia, and hydrogen produced higher Well-to-Wake emissions than diesel and LNG because upstream natural-gas-based production dominated total emissions, while green ammonia and green hydrogen reduced emissions by 87–91%. These findings provide quantitative guidance for selecting optimal fuel–propulsion configurations and highlight the critical role of renewable-energy-based fuel production, after-treatment technologies, and system-level optimization in achieving maritime decarbonization.;운송 부문의 온실가스 감축은 탄소중립 달성을 위한 핵심 과제이며, 도로 운송뿐만 아니라 해운, 철도, 항공 분야 전반에 걸친 감축 노력이 요구되고 있다. 이에 따라 국제해사기구(IMO)는 2050년까지의 탄소중립 목표를 설정하고, 이를 달성하기 위한 친환경 선박 연료로의 전환을 촉구하고 있다. 관련 규제는 지속적인 개정을 통해 감축 기준을 강화하고 목표 달성 시점을 앞당기고 있으며, 이러한 규제 환경 변화는 선박 제조업에 장기적인 비용 부담을 가중시키는 요인으로 작용하고 있다. 이러한 배경에서 메탄올, 암모니아, 수소와 같은 대체 연료와 이중연료 엔진, 연료전지와 같은 에너지 변환 장치가 주요 대응 기술로 주목받고 있다. 기존의 선박 엔진 개발은 주로 기계적 유동 해석에 초점을 맞추어 왔으나, 점차 강화되는 환경 규제에 대응하기 위해서는 배출가스 조성을 정량적으로 평가하고 대기오염물질 배출 저감을 위한 화학적 반응 기반의 분석이 필요하다. 본 연구는 Aspen Plus 및 Cantera 소프트웨어를 활용하여 대체 연료 기반 선박 추진 시스템을 모델링하고, 이를 토대로 기술-경제성 및 환경성을 종합적으로 분석하였다. 연구 결과는 강화되는 환경 규제에 효과적으로 대응할 수 있는 친환경 선박 추진 시스템을 제안하고, 경제적·환경적 관점에서 대체 연료의 타당성을 종합적으로 평가함으로써 미래 친환경 선박 기술 발전에 기여할 것으로 기대된다.