탄소중립 달성을 위한 LNG냉열에너지활용 저탄소·고효율 에너지순환구조에 대한 관심이 커지는 가운데 현황과 관련 연구를 소개하며 산업적용을 함께 고민하는 세미나가 개최됐다.
산업교육연구소는 8월29일 ‘LNG냉열에너지를 활용한 자원화 전략과 최신 기술개발 동향 및 상업화 전략 세미나’를 개최했다고 밝혔다.
세미나는 △냉열에너지 자원화 전략 및 사업화 방향 (방효중 한국가스안전공사 가스안전교육원 실장) △LNG냉열활용 ‘ESG경영’ 잠열 설계기술과 사업화 사례 (이동건 선유이앤씨 대표) 등이 발표됐다.
LNG냉열 활용 콜드체인⋯냉동기 운영비 70%↓방효중 한국가스안전공사 가스안전교육원 실장은 ‘냉열에너지 자원화 전략 및 사업화 방향’에 대해 발표했다.
LNG는 메탄을 주성분으로 한 천연가스를 압축해 만든 액화가스다. 압축과정에서 부피가 1/600으로 감소하면서 -162°C의 초저온 상태로 저장된다. 기화기를 통해 액체상태 가스를 기체로 변환한다. 이 과정에서 –162°C의 LNG가 상온의 천연가스가 될 때까지 흡수할 수 있는 에너지가 냉열에너지다.
LNG 1kg당 약 200kcal의 에너지가 발생하며 약 0.23kwh의 전기에너지가 대체 가능하다. 국내 연간 LNG 소비량은 2017년 기준으로 약 3,200만톤으로 일본, 중국에 이어 세계 3위다. 하지만 냉열에너지 이용규모는 1%도 미치지 못하며 버려지고 있다.
방 실장은 “국가적 에너지절감 및 인프라개발을 위해 LNG냉열 활용을 확대해야 한다”라며 “LNG냉열산업 활성화로 에너지원의 다양성 확보하며 저탄소 고효율 에너지 소비구조로 전환할 수 있다”고 말했다.
LNG냉열 이용방법은 크게 △냉동창고, 저온분쇄, 지역냉방, 데이터센터 등 저온활용 △공기분리, 탄산제조, 수소액화 등 액화분리 △냉열발전 등이 있다.
이중 가장 활발하게 사용되는 분야는 저온을 활용한 콜드체인이다. 농수산물, 의약품 등을 운반하기 위한 냉동창고를 포함해 공급체인에 냉열을 활용, 온도를 유지한다. 특히 LNG 터미널 인근 항구에 위치한 냉동·냉장창고에 활용이 용이하다. 또한 냉동트럭 연료와 냉매 냉각 등 다양하게 적용가능하다.
LNG냉열을 활용한 콜드체인은 냉동기, 응축기, 냉각탑이 필요하지 않아 건설비의 약 10%를 절감한다. 냉동기의 전기구동 운영비 역시 약 70% 절감할 수 있다. 또한 기계실이 불필요해 창고 유효면적이 증가하며 압축기를 사용하지 않아 소음 및 진동이 없다.
저온을 활용한 LNG냉열기술은 분쇄 시 발열로 연화·용융이 일어나는 재료를 분쇄할 때 쓰인다. 폐타이어, 폐전선 등의 금속, 섬유, 고무 등 복합재료에 효과적이다. 또한 데이터센터에서 발생하는 열을 LNG 기화에 활용하며 냉열은 냉각제로 활용할 수 있다.
저온활용 외 액화분리기술도 유용하게 활용돼 공기를 압축하고 냉각시켜 분별증류를 이용해 산소, 질소, 아르곤으로 분리하는 공기액화 분리장치(ASU) 등에도 쓰인다. ASU에 LNG냉열을 이용할 경우 기존 에너지대비 약 38.5% 에너지를 절약할 수 있다.
LNG냉열을 이용한 액화분리기술은 액화탄산포집에도 적용된다. 기존방법은 냉각에 의한 액화를 통해 CO₂포집을 위해 냉동기, 압축기를 사용하지만 LNG의 기화열과 CO₂의 액화열 교환을 통한 액화는 저온, 저압운전이 가능해 냉동기, 압축기의 동력절감이 가능하다.
국내 대표적인 LNG냉열 이용사례에는 한국초저온이 있다. 한국 초저온은 2018년 국내 최초로 LNG냉열 활용 물류센터를 준공했다. 초저온창고와 콜드체인 인프라를 바탕으로 코로나19 백신을 -85℃의 초저온 보관창고에서 보관·유통했다.
이외 인천신항에 대규모 LNG냉열활용 친환경 콜드체인클러스터가 구축될 예정이며 이미 구축된 보령 LNG터미널도 증설공사를 진행하고 있다.
방 실장은 “최근 가스공사, 민간기업 등 LNG 인프라 보유기업을 중심으로 사업진출이 검토되고 있다”라며 “LNG냉열이 국가적으로 자원화되기 위해서는 기술 외에도 제도적 뒷받침이 필요하다”고 강조했다.
LNG냉열 관련 법령은 ‘도시가스사업법’에 따르며 LNG냉열 이용자 정의, 냉열이용자의 품질검사 수검의무, LNG제조소·공급소의 시설기준 등을 포함한다.
하지만 냉열공급배관 정의, 배관설치, 안전기준 등은 아직 부족한 실정이다. 현행법에 따르면 배관에 관한 상세기준이 없어 제조소 밖은 LNG배관 설치가 불가하다. 이를 위해 국내·외 사례연구를 통한 LNG배관 설치기준안 마련과 사업소 외 LNG배관에 대한 단열, 보냉재 시공, 신축흡수조치 등에 대한 안전기준 정립 등이 수반돼야 한다.
이에 따라 가스안전공사는 △LNG배관 설치기준 △도시가스 품질기준 △안전성 검증방안 등을 마련할 방침이다.
방 실장은 “가스안전공사는 LNG배관 특성을 반영한 배관설비재료, 안전장치 등 실증 안전기준을 수립하며 사업자는 이를 반영해 자체 안전관리계획을 마련하도록 할 방침”이라며 “사업자와 사전협의를 통해 실증사업에 맞는 품질검사 기준과 수검여부를 결정할 예정”이라고 밝혔다.
2030년 탄소세 대비, 잠열 LNG냉열 활용 필요이동건 선유이앤씨 대표는 ‘LNG 냉열활용 ‘ESG경영’ 잠열 설계기술과 사업화 사례’에 대해 발표했다.
이동건 대표는 동원그룹 기술고문 및 한국초저온 연구소장 및 기술고문을 맡고있는 등 저온물류센터에 대한 풍부한 운영관리 경험을 가지고있다. 과학기술정보통신부 연구사업인 ‘액화가스 냉열을 이용한 데이터센터 냉각시스템의 개발 및 성능평가’와 산업통상자원부 연구사업 ‘보일러 대체 산업용 180℃급 고온 스팀히트펌프 기술개발 및 실증’에 참여하고 있다.
이 대표는 “LNG를 도시가스로 공급하는 과정에서 바다로 버려지는 LNG냉열을 활용하는 설계기술이 활성화되고 있으며 이는 지구온난화지수를 낮추는데 중요한 기술로 주목받고 있다”라며 “국내에서도 LNG냉열을 공기액화분리, 콜드체인산업, 데이터센터에 이용하기 위해 많은 R&D예산을 투입하고 있지만 지금까지 LNG냉열 이용기술의 대부분은 1973년 일본 동경가스가 개발한 현열 냉열이용시스템을 적용하고 있어 개선이 필요한 시점”이라고 지적했다.
이어 “1970년대 LNG냉열 이용기술들은 에너지절약과 유지관리비용 부분 관점에서 적용 운영했다면 현재는 지구온난화계수나 CO₂ 배출권과 탄소세를 고려한 설계·시공을 해야한다”라며 “보편화된 선진국기술이라고 해서 과학적분석 없이 시대상황과 맞지않게 받아들여 설계·시공해 되레 에너지절약사업에 걸림돌이 될 수 있어 이를 개선하고자 잠열설계기술을 공유한다”고 발표의 의의를 전했다.
LNG는 가스 인수기지에 하역 후 해수식 기화기를 이용해 재기화시켜 수요처인 발전소나 도시가스사에 공급하게 된다. 현재 국내 대부분의 생산기지에서 주로 해수식 기화기를 적용하고 있다. 해수식 기화기를 사용하면 기화시 LNG냉열은 회수되지 않아 바닷물이 냉열을 보유한 채로 바다로 방출돼 결국 에너지를 낭비하게 된다.
이 대표는 현재 보편화돼 있는 LNG냉열 이용 현열시스템을 잠열시스템으로의 전환을 제안했다.
LNG는 크게 메탄·에탄·프로판·부탄·이소부탄·펜테인·이소펜테인·니트로겐 등 8가지 혼합물질로 메탄함량 기준에 따라 크게 Lean·Rich·Typical로 분류하며 일반적으로 ‘Typical LNG’의 열 물성치로 분석한다. 여기서 모든 물질들이 보유하고 있는 총열량은 잠열(Latent-Heat)과 현열(Sensible-Heat)로 구성된다. LNG의 총열량 약 202Kcal/kg(1 bara, 0℃) 중 온도와 압력에 따른 차이는 있지만 일반적으로 1kg당 잠열이 약 120kcal, 현열이 약 82kcal/kg의 열량을 가지고 있다.
잠열과 현열이 가진 열량 차이를 기반으로 이 대표는 잠열시스템과 현열시스템에 대한 비교를 진행했다. 대표적으로 1970년대 일본 동경가스가 개발한 현열 냉열이용시스템의 냉열이용률은 약 55~60%다. 하지만 잠열 냉열이용시스템을 적용할 시 약 77%로 냉열이용률이 향상된다.
이 대표가 발표한 잠열 냉열이용시스템은 2가지다. 먼저 ‘잠열시스템1’은 LNG냉열과 R-407C냉매의 열 교환 시 R407C냉매의 최적압력을 제어해 기체 냉매온도 –25℃열교환기로 흡입되도록 한다. 이를 통해 C급온도까지 냉열을 이용하는 시스템이다. ‘잠열시스템2’는 LNG냉열과 R407C냉매의 열 교환 시 R407C와 부하측 냉장실온도 부하에 맞춰 각각 급별(S/F, F, C, D급)로 열을 교환한다. 이를 통해 열원측 냉매 충진량과 부하측 냉매충진량을 줄일 수 있는 시스템이다.
이러한 잠열시스템에서 LNG냉열은 시간당 40ton/h 송출할경우 냉열 총열량은 약 8,080,000kcal이며 냉열 이용열량은 623만1,400kcal에 달해 약 77%의 냉열을 이용하게 된다. 나아가 냉열을 사용함으로써 전력비를 절감할 수 있으며 탄소배출 톤수도 줄일 수 있는 것으로 파악됐다.
연간 탄소배출 톤수를 보면 현열방식은 7만7,655ton/CO₂e, 잠열시스템1은 2만3,112ton/CO₂e, 잠열시스템2는 1,631ton/CO₂e로 나타났다. 잠열방식으로 시스템을 설계할 시 현열시스템에 비해 잠열시스템1은 70%, 잠열시스템2는 97%의 연간 탄소배출을 줄일 수 있다.
이 대표는 “LNG냉열 이용 시엔 건축비용 10%, 전력비 약 50~70%가 절감되는 등 유지관리가 용이하다는 측면이 있지만 2030년 이후 탄소세를 시행할 경우에는 설비설계 방식에 따라 LNG냉열 이용효과보다 연간 지불해야 할 탄소배출권 금액과 냉열비가 더 많을 것으로 분석된다”라며 “현재 설계시공하는 사업장에서는 탄소저감·족생성장 시대상황에 맞는 잠열이용방식으로의 전환을 꾀해 냉매충진량은 Low-Charging-System으로 재고해 설계시공해야 할 것”이라고 강조했다.
끝으로 LNG냉열을 이용한 사업화 실적소개도 있었다. △평택 한국초저온의 LNG 연료전지 발전 △평택‧오성 한국초저온 물류센터 △베트남 티바이 LNG냉열 이용물류센터 등이 소개됐다.
평택‧오성 한국초저온 물류센터는 냉동기없이 LNG냉열교환으로만 열 교환기를 통해 –60~-80℃를 가동 중이다. 베트남 티바이 물류센터는 설계기획 단계로 전기 운영비용 약 70%를 줄일 수 있는 친환경·저비용 센터로 운영을 준비 중이다. 이외에도 데이터센터 및 스노우파크와 식물공장 등의 사례도 언급했다.
