액화천연가스(이하 LNG: Liquefied Natural Gas)는 대량 수송 및 저장을 위해 천연가스를 -162℃로 냉각시킨 무색, 투명한 액체로 LNG냉열은 천연가스를 사용하기 위해 수입된 LNG를 -162°C에서 0°C로 기화 시 발생하는 냉열(Cold Energy)의 미활용에너지를 말한다. LNG를 기화시킬 때 1kg당 약 200kcal의 냉열에너지가 발생하며 이 에너지를 효과적으로 활용하는 것이 LNG냉열사업의 핵심이다.
연료 사용을 목적으로 액화된 LNG는 기화 과정을 거치게 되며 기화 과정에서 바다 또는 대기 중으로 버려지는 LNG냉열을 회수해 재활용하는 시스템이 LNG냉열 이용시스템이다. 기화과정에서 버려지는 냉열에너지가 LNG 1kg당 200kcal 수준으로 2019년 LNG사용량 기준 연간 약 850만Gcal로 추산된다. 이는 연면적 5,000평 수준의 냉동창고를 약 1,000개 이상 운영할 수 있는 엄청난 열량으로 –162℃의 냉열에너지를 활용하게 되면 상당량의 전력소모도 대체할 수 있다.
냉열에너지를 활용해 콜드체인 물류센터를 가동할 수 있으며 LNG 공급방식에 따라 직배관 방식과 탱크로리 방식으로 구분된다. LNG냉열을 활용한 냉동·냉장 물류센터는 기존 기계식(전기)을 활용한 물류센터대비 낮은 전력비와 함께 보다 우수한 냉동능력에 기반해 고품질의 보관서비스 제공이 가능하다.
가스공사의 관계자는 “그동안 냉열에너지는 바다나 공기 중으로 버려지는 에너지였다”라며 “하지만 최근 기존 화석연료에서 천연가스 등 친환경에너지로 에너지전환이 이슈가 되면서 LNG냉열사업도 주목받고 있다”고 밝혔다.
가스기술공사의 관계자는 “LNG냉열은 기존에는 바다에 버려지던 에너지로 이를 활용할 경우 친환경에너지를 재활용한다는 측면에서 2차 오염을 방지하는 등 환경적인 기여가 높다”라며 “LNG냉열 이용은 탄소배출 감축은 물론 일반전기식 냉동창고대비 전력비가 약 70% 절감된 고효율 물류센터 운영이 가능해 에너지효율 및 비용절감 효과가 매우 크다”고 강조했다.
LNG냉열은 에너지효율화에 기여할수 있다. 미활용 냉열에너지를 활용해 에너지원 다양성 확보와 국내 에너지소비의 저탄소 고효율 소비구조로의 전환을 촉진할 수 있으며 활용기술의 발전에 따라 냉열에너지의 에너지원으로써의 효율성 및 효과성은 증대할 것으로 전망된다.
특히 에너지 신산업의 틈새(Niche)분야인 초저온 냉열기술의 개발과 조기 사업화를 통해 신규 수익원도 발굴할 수 있다.
LNG냉열 사업 가능성은
대한민국은 2019년 기준 4,075만톤(가스공사 기준 3,300만톤)의 LNG를 수입하고 있는 세계 3위의 수준의 구매력을 갖춘 나라다. 또한 국내 LNG 터미널은 한국가스공사의 평택, 인천, 삼척, 통영, 제주를 포함해 민간기업들의 보령, 광양까지 총 7개가 존재하므로 LNG냉열을 활용할 수 있는 인프라 환경에 장점을 가져 잠재력이 매우 크다.
LNG냉열은 LNG 도입과정에서 자연적으로 발생하는 에너지로 우리나라는 카타르, 호주, 오만 등 여러 나라에서 천연가스를 들여오고 있다. 천연가스 자체는 기체로 부피가 커 선박수송이 어려워 생산지에서 액화(LNG)시켜 국내로 도입한다. 도입된 LNG는 국내 LNG터미널에서 하역돼 공급되기 전 기회작업을 거친다. 이 과정에서 냉열에너지가 발생한다.
이에 따라 지속적인 LNG냉열에너지의 공급을 위해서는 해안가에 위치한 터미널 인근 부지가 LNG냉열의 활용을 극대화할 수 있다.
LNG 인수기지지역 및 민간투자 LNG저장시설(보령, 광양) 근교에 신항이 있을 경우 콜드체인 물류센터 개발이 가능하며 LNG 인수기지 인근지역은 직배관방식을 선택할 수 있다. 이외의 지역에는 탱크로리차를 이용한 탱크로리방식을 선택하고 있다.
가스기술공사의 관계자는 “저온창고의 위치는 LNG 공급방식에도 영향을 미친다”라며 “LNG냉열 활용이 용이한 위치를 선정하는 것이 중요하며 LNG 공급방식에 따라 직배관 방식과 탱크로리 방식으로 구분될 수 있다”고 밝혔다.
초저온 열교환기 설계 및 구축 등 LNG냉열 활용 기술개발은 이미 LNG 주요 수입국인 일본에서 입증됐다. 특히 LNG냉열 활용 기술 및 융·복합 사업을 위한 기술은 상용화돼 있으며 한국초저온의 경우 저온창고에 LNG냉열을 활용하고 기화된 NG를 통해 연료전지로 발전하는 융·복합 사업을 영위하고 있다.
LNG냉열산업 이용분야는 다양하다. 냉동창고의 경우 냉매 열교환 후 냉매배관을 통해 냉열을 공급하는 방식의 활용사업으로 급속냉동, 초저온 및 냉장보관까지 가능하다. 의료바이오(-60℃ 이하), 냉동 SF급(-40℃ 이하), 냉동 F급(-20℃ 이하), 냉장 C급(0℃ 이하), 일반냉장(0~10℃ 이하) 등 다양한 영역대의 온도를 제공할 수 있다.
국내에 가장 먼저 도입된 냉열이용 사업인 공기액화분리사업도 주목받고 있다. 압력 엑서지 회수와 차압을 활용해 대기 중 공기의 부산물을 제거하고 액화해 정제하는 활용방식이다.
또한 액화탄산가스, 드라이아이스, 액화수소 등의 제조공정에 LNG 냉열이 활용될 수 있으며 기존방식보다 온실가스배출량을 감축하거나 에너지효율을 개선할 수 있다.
데이터센터의 경우 폐열을 LNG기화에 활용하고 냉열은 냉각제로 활용하는 복합이용 방식으로 활용할 수 있다. 데이터센터 시장 규모 증가가 예상됨에 따라 유망분야로 떠오르고 있다.
냉열발전 & 지역냉방은 온도, 압력 두 형태로 엑서지를 회수하는 냉열이용 방식으로 일본은 오사카가스의 센보쿠기지 한 곳에 두 방식 모두 상용화돼 운영중이다. 스포츠파크의 경우 LNG냉열을 이용해 실내 스키장, 아이스링크 등의 시설을 운영하는 동계 스포츠센터사업에도 활용할 수 있다.
가스기술공사의 관계자는 “LNG냉열활용 사업인 저온창고, 액화탄산제조, 액화수소 등과 연계시키기 위한 안정성 및 경제성에 중점을 두고 있다”라며 “LNG냉열은 초저온 및 저온냉동 냉장창고, 초저온 의약품 보관창고, 공기액화분리, 탄산제조, 저온분쇄, 수소연료전지발전, 데이터센터 및 클린룸(반도체), 냉열발전, 지역냉방, 스포츠파크 등 다양하게 활용할 수 있다”고 강조했다.
특히 냉동창고에 효과적이다. 전기식 냉동창고보다 에너지소비가 적고 -100℃까지 도달하는 시간이 짧기 때문에 급속 냉동효과를 거둘 수 있다. LNG냉열 공급을 통해 냉동창고에 활용하게 된다면 기존 전기식 냉동창고대비 전기료를 30~50% 절감할 수 있으며 설비 투자비와 유지관리비도 대폭 절감할 수 있다.
가스공사는 현재 한국초저온, 가스기술공사 등과 컨소시엄을 구성해 인천신항 콜드체인 클러스터 사업 참가 중이며 냉장냉동물류센터 건설공사를 추진할 계획이다.
데이터센터사업에도 활용가능성이 커지고 있다. 전 세계 데이터센터사업은 매년 19% 이상 성장하고 있는 매력적인 사업이나 운영 시 많은 열이 발생됨에 따라 많은 전력을 냉각시스템 가동에 쓰고 있어 LNG냉열 활용을 통해 운영비 절감에 효과를 볼 수 있다.
가스공사의 관계자는 “LNG냉열을 이용한 데이터센터 구축 및 운영사업을 위한 비즈니스 모델을 새로 추진할 예정”이라며 “LNG터미널 인근 유휴부지 중심의 데이터센터 유치를 추진하는 등 LNG냉열을 활용한 데이터센터 비즈니스 모델을 개발할 계획”이라고 강조했다.
업계의 한 관계자는 “현재 한국은 LNG사용량대비 LNG냉열 활용에서는 불모지인 상황”이라며 “친환경 LNG냉열을 장려할 수 있는 법제도 및 규정의 보완이 필요하다”고 밝혔다.
이 관계자는 “LNG냉열 이용분야와 연계된 정부에서 주도하는 수소경제 활성화 정책에 알맞은 수소연료전지 발전시스템도 장려할 수 있도록 혜택과 관련법·규정 조율 및 협조가 시급하다”고 강조했다.
열교환 최적 냉매는
LNG 냉열을 이용하는 시스템에서 냉매는 LNG의 -150℃ 냉열과 열교환해 -85℃로 냉동저장고로 공급돼 저장고에 설치된 메인 열교환기에서 열교환하고 –25℃로 회수되는 사이클이다.
이때 냉매는 사이클 내에서 반드시 액으로만 존재해야 하기 때문에 높은 액체적 비열과 낮은 점도의 냉매가 시스템 효율에 유리하다. 또한 장기간 운전에서도 매립된 배관 및 열교환기에서의 누설을 피하기 위해서는 되도록 낮은 압력을 유지해야 한다.
이러한 요구조건에 맞는 냉매 선택이 중요하다. 인천항만 콜드체인 클러스터 프로젝트의 경우 약 450톤의 냉매가 필요한 알려지고 있다. 이에 따라 압력, GWP, 가격 등 다양한 조건을 충족할 수 있는 냉매를 적용하는 것이 관건이다.
압력이 가장 낮은 냉매는 R515b이지만 낮은 비열과 높은 점도로 액펌프의 효율과 열교환기 사이즈가 커지게 돼 비록 GWP와 압력은 가장 낮지만 전체 운전기간에서는 효율성이 떨어진다.
R448A의 경우 점도와 비열은 5% 내외의 범위에서 비슷한 것으로 확인되지만 현재 가격에서 R407C대비 차이가 많이 나기 때문에 현재로서는 고객들이 사용하기에 많은 부담이 된다. 특히 LNG 냉열시스템은 사이클 내부가 액상으로만 충진돼야 하기 때문에 필요한 양이 많아시행사 입장에서는 비용이 큰 부담이 될 수밖에 없다. 이를 해소하기 위해서는 낮은 GWP냉매에 대한 지원 정책이 꼭 필요한 상황이다.
이에 반해 R407F의 경우 R407C대비 점도와 비열이 우수해 유량과 펌프동력을 줄이면서도 R407C와 가격적으로도 크게 차이가 나지 않기 때문에 비록 R407C대비 약 3%의 GWP가 상승되지만 장기적인 운전 측면으로는 에너지절감 효과로 상쇄가 가능한 차선책으로 여겨진다.
하니웰의 관계자는 “냉매 충진량이 많기 때문에 누설에 대한 대비가 철저하게 이뤄져야 할 것”이라며 “특히 해당 시스템은 고압가스안전법에서 다루는 고압가스 제조시설은 아니지만 많은 양의 냉매를 충진해 사용하기 때문에 시스템 및 추진 냉매에 대한 철저히 관리할 수 있도록 제도 마련도 필요하다”고 지적했다.
인천신항 콜드체인 클러스터 구축 활기
한국가스공사 인천생산기지(LNG기지)에서 배출하는 초저온 냉열에너지를 이용해 고부가가치 화물 창출이 가능한 냉동·냉장 물류센터 9개소 및 관련 LNG냉열 공급시설을 인천신항배후단지에 건설, 운영하는 ‘인천신항 배후단지 콜드체인 클러스터 구축사업(이하 인천신항 콜드체인)’이 본격 시작됐다.
이번 사업은 항만배후단지라는 지역적 특성과 LNG냉열이라는 기술적 특성을 감안한 수준 높은 물류센터 개발을 통해 미활용 후 폐기되는 냉열에너지를 재사용하는 ‘그린포트’를 실현하고 인천신항 활성화와 경쟁력 강화 및 국가물류발전에 기여하기위해 추진되고 있다. 사업대상지 면적은 무려 23만697m²에 이르며 인천항만공사(IPA)가 총괄한다.
사업자는 LNG냉열 공급시설의 개발을 위한 총사업비를 부담하고 20년간 LNG냉열 사용 권한을 가지며 관리와 운영을 책임진다. 사업자 중 ‘A-Type사업자’는 LNG냉열 공급시설 관리와 운영을 총괄하며 LNG냉열을 사용하는 물류센터 1개소에 대한 개발·시공업무를 수행하며 물류센터 9개소에 관계된 LNG냉열 공급시설의 관리와 운영(관리운영비 부담 포함)을 총괄적으로 책임진다. 특히 인천신항 콜드체인은 냉동·냉장 물류센터 취급화물 외 일반화물관리를 위한 혼합형 물류센터 건설은 허용되지 않는다.
A-Type사업자는 냉열사용 설비로부터 공급받은 냉열을 2차 열교환해 각 냉동·냉장물류센터에 분배(공급) 및 제어를 총괄하는 클러스터 내 공급관리소를 시공·관리·운영 총괄한다. 냉열 공급량은 LNG 100t/h를 기준으로 공급되며 공급량 배분은 전체 용량 내에서 A-Type 사업자가 각각의 B-Type, C-Type 사업자들 사이에 합의해 자율적으로 공급량을 조정해 배분한다.
또한 LNG냉열 공급시설과 관련 발생하는 온실가스저감 실적, 탄소배출권 등에 대한 모든 권한 및 권리는 인천항만공사와 가스공사가 가지며 냉동·냉장물류센터 옥상층에 신재생에너지 활성화를 위해 태양광발전시설을 설치하는 등 친환경·신기술이 반영될 계획이다.
또한 주변 자연환경의 특성 등 환경보존을 위한 대책 및 기타 재해방지 계획 기술은 물론 냉동·냉장 화물 처리 특성에 따라 발생이 예측되는 오폐수의 효과적인 처리 및 악취 저감을 위한 시설물도 설치될 계획이다.
인천항만공사는 지난해 12월22일 콜드체인 특화구역에 대한 최초 투자제안서를 제출한 ‘A’ 컨소시엄의 사업제안을 심의한 결과, 적격사업으로 채택한 데 이어 오는 4월7일까지 콜드체인 특화구역전체 23만1,822m² 중 일부 구역인 11만8,650m²에 대해 입주기업을 모집(제3자 공모)하고 있다.
‘콜드체인 특화구역’ 투자유치는 두 차례 실패(2018년 5월, 2020년 6월)한 바 있었으나 각종 규제가 차례대로 해소되면서 기업 유치에 탄력이 붙었다.
먼저 m²당 임대료를 월 2,518원에서 22% 인하한 1,964원을 적용하고 입주기간도 기존 최대 30년(20+10년, 최대 30년)에서 50년(30년+20년, 최대 50년)까지 입주할 수 있도록 관련 규제를 풀어 투자환경을 개선해 왔다.
특히 지난 8월 해양수산부와 협의를 통해 ‘콜드체인 클러스터(22만9,000m²)’ 부지가 특화구역으로 지정됨에 따라 대규모 투자유치 걸림돌도 상당부분 해소됐다.
현재 A-사업자로 미국 사모펀드 EMP Belstar가, 한국초저온, 희창물류 등이 B-사업자로 참여하는 것으로 알려지고 있다.
