청정에너지 LNG 생산을 늘리려면?
청정에너지 LNG 생산을 늘리려면?
  • 윤상국 한국해양대학교 기계공학과 교수
  • 승인 2019.05.22 10:51
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LNG 해수식 기화기(ORV)의 해수 2단 공급 기술

▶ 인천 LNG기지 연간 117억원 이상 운전비용 절감 가능

▲ 윤상국 한국해양대학교 기계공학과 교수.

청정에너지인 LNG는 깨끗하고 편리하면서 가격까지 저렴해 세계 교역량이 매년 증가하고 있다. 국내 이용물량도 연 3000만톤 정도로 매년 늘어나는 추세다. 도입된 LNG는 한국가스공사 공급기지의 액체온도인 -162℃부터 0℃까지 온도를 상승시켜야 한다.

LNG 기화에 적용되는 기화장치 종류에는 해수식 기화기(Open-rack vaporizer, ORV), 수중 연소기(Submerged vaporizer, SMV) 등이 있다. 해수식 기화기는 해수를 이용해 LNG를 기화시키는 방식이고, 수중 연소기는 해수식 기화기 효율이 감소하면 이미 기화된 천연가스를 연소시켜 LNG를 기화시키는 방식이다.

두 방식 모두 장단점이 분명하다. 해수식 기화기는 자연에너지인 해수온도를 사용하기 때문에기화비용이 적게 소요되는 반면, 겨울철 해수온도가 낮은 인천 지역에서는 공급 천연가스의 온도를 0℃까지 상승시킬 수 없어 기화 효율이 급격히 감소하는 문제를 갖는다.

이런 경우 가스화된 천연가스를 연소시켜 LNG를 기화시키게 되는데, 이 기화기가 ‘수중 연소기’다.

수중 연소기는 연소 효율은 높지만 천연가스의 소비 비용이 크게 발생한다는 문제점이 있다. 때문에 대량의 LNG를 기화시키기 위한 효과적 방법은 해수가 보유한 자연에너지를 최대한 활용하는 것이다.

이번 테스트는 해수에너지를 최대한 이용하기 위해 현재의 ORV 공정인 1단식 해수공급 시스템을 2단식 해수공급 공정으로 적용했으며, 이 공정을 인천 LNG 공급기지에 적용할 때의 운전 비용 절감 효과를 분석했다.

▲ 현재의 해수식 기화기 (ORV)
▲ 현재의 해수식 기화기 (ORV)

▶ 현재의 인천 공급기지 해수식 기화기의 운전비용 분석

사진은 인천 공급기지 해수식 기화기 모습이다. ORV는 해수를 상부에서 하부로 적하되고 LNG는 하부에서 상부로 흐르면서 기화된다. ORV 1기당 LNG 기화용량은 180T/h이고, 기화튜브 길이는 6m다. 해수온도차는 5℃가 발생한다.

겨울철 해수온도가 5℃이하로 저하되면 기화돼 배출되는 천연가스의 온도를 0℃이상으로 유지하기 위해 기화기의 LNG 기화량이 급격히 감소하게 된다. 감소되는 양은 천연가스를 연소시켜 LNG를 기화시키는 SMV를 가동하는 것이다.

국립해양조사원이 측정한 인천 공급기지 연안의 2018년 동계 일평균 해수온도를 보면 해수온도가 5℃ 이하가 되는 푸른색 구간은 2017년 12월 13일부터 2018년 3월 15일까지 91일간 지속됐다.

▲ 해수 온도에 따른 현재 ORV의 LNG기화량 및 SMV의 가동량
▲ 해수 온도에 따른 현재 ORV의 LNG기화량 및 SMV의 가동량

이 기간은 ORV의 기화율이 감소한 만큼 SMV를 가동하게 된 것이다. 적색으로 표시된 구간은 보상이 요구되는 온도로 총 누적온도는 284.2℃가 된다. 이에 SMV 가열에 소요된 총열량은 이를 수식화해 SMV의 천연가스 연소량을 산정했다.

인천 공급기지의 2018년 겨울철 3개월 동안 공급하는 LNG량인 500만톤을 기준하면, SMV를 이용해 공급한 양은 65.2%인 326만 726톤이다.

이를 위한 SMV의 LNG 연소량은 3만 2607 톤이며, 이는 연 326억원을 소요한다.(참고로 SMV의 LNG 연소량과 비용의 기준은 LNG 100 Ton/h 기화 공급시 LNG 1 Ton/h 연소가 필요하며, LNG 1 Ton의 가격은 100만원이다.)

▲ 해수 2단 공급 경우 온도에 따른 ORV의 LNG기화량 및 SMV의 가동량
▲ 해수 2단 공급 경우 온도에 따른 ORV의 LNG기화량 및 SMV의 가동량

▶ 해수 2단 공급 공정 적용시 절감 비용분석

2단계 해수 공급 공정의 ORV는 해수가 상부와 중간부로 공급돼 각 3m 구간을 흐르면서 하부에서 공급되는 LNG를 가열하는 방식이다.
2단계 해수 공급의 경우에 해수온도가 2.5℃이하가 될 때 ORV의 공급량 감소에 따른 SMV 가동량을 보여준다. 이는 해수온도가 5℃이하가 돼 2.5℃까지도 ORV가 180T/h를 공급한다. 
2단계 해수 공급 공정의 ORV을 적용할 경우, 해수온도 2.5℃이하가 될 때 SMV를 가동하며, 인천은 2017년 12월 27일부터 2018년 3월 14일까지 54일간 SMV를 가동했다.
이때 SMV의 LNG 처리 유량은 41.7%인 208만 3700 Ton로, 이 기간 동안 SMV가 소비하는 비용은 208억 3000만원이다. 그러므로 SMV 운전비용 연간 절감액은 117억 6000만원이다.

▶겨울철 ORV 해수 2단 공급에 따른 비용절감 ‘117억’

▲ 해수 2단 공급 공정을 적용때 일별 SMV의 LNG 공급유량.
▲ 해수 2단 공급 공정을 적용때 일별 SMV의 LNG 공급유량.

만약 2단계 해수 공급 공정을 인천 공급기지에 적용한다면 겨울철 해수 온도 저하와 함께 발생하는 비용 중 117억 6000만원이란 막대한 LNG 기화비용을 매년 줄일 수 있다. 이를 위한 시설 확충 비용을 비교해보면, SMV을 설치하는 데 910억원이 소요된다. 하지만 해수펌프 설비비는 90억원 정도가 든다.

물론 해수 주입시 입구 측의 동결을 우려하는 지적도 있다. 하지만 현재 ORV에서 해수온도 5℃이하 1℃에서도 -162℃의 LNG를 50T/h가 공급되면서 입구 축이 동결되지 않아 문제가 없음을 알 수 있을 것이다.

이러한 분석은 해수온도만을 기준한 것으로 만약 ORV의 실제 열교환 효율을 고려한다면 절감액은 더 큰 금액이 될 것이며, 절감비용은 매년 수요 증가와 함께 늘어날 것이다. 

때문에 이 기술을 적용한다면 LNG를 전량 수입하는 국내 여건에서는 막대한 에너지와 비용절감 효과를 얻을 수 있다고 판단된다.

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