[기고] 저평가된 LNG냉열 회수 사업성, 재검토해야

Exergy값 기준 LNG냉열량 회수 무용론 대두는 ‘큰 오류’
버려지는 극저온 열에너지 회수와 이용 노력 필요하다

Exergy는 고온이나 저온의 에너지원 상태로부터 우리가 생활하고 있는 환경까지 실질적으로 얻을 수 있는 일 형태의 최대 유효 에너지량을 의미한다. 이용하지 못하고 버려지는 에너지량을 무효 에너지(Anergy)라 하며, 에너지 총량은 Exergy와 Anergy의 합으로 나타내진다. 즉, Exergy는 Energy 총량에서 얼마만큼을 일 형태로 유용하게 얻어질 수 있는가의 일(Work) 에너지량의 척도인 것이다.

그러면, 이 Exergy량은 무엇을 기준해 산정할까? 에너지의 형태는 열과 일이 있으며, 우리는 일상에서 천연가스 에너지원을 소비할 때 발생하는 열에너지를 난방, 취사나 발전에 사용한다. 이러한 에너지 사용에는 필수적으로 손실이 있게 마련인데, 이 에너지인 열과 일의 변환과 손실을 해석하는 이론으로 열역학 제 1법칙과 제 2법칙이 있다.

제 1법칙은 ‘에너지보존 법칙’으로 열과 일의 변환에 손실이 없이 전량 변환되는 것을 기준해 해석하는 것이고, 제 2법칙은 ‘비가역의 법칙’인데 에너지 사용시 손실을 고려해 실제 이용 가능량을 추산하는 것으로, Exergy는 이 제 2법칙을 기준해 대기압과 대기온도까지 일(Work) 형태로 사용할 수 있는 에너지량을 산정한다.

밀폐계의 경우 어떤 과정이 등온(Isothermal) 과정으로 발생한다면 Exergy값과 Energy값이 동일하게 된다. 고온이나 극저온의 에너지원이 보유하고 있는 Exergy량, 즉 일을 할 수 있는 에너지 potential은 298.15K(25℃), 101.3kPa으로 계산된다.

동일한 에너지량(Quantity)을 이용하지만, 에너지의 질(Quality)을 보면 고온이 훨씬 많은 유효 일을 얻는 데 유리하다는 뜻이며, 이와 같이 Exergy값은 같은 에너지량이라 하더라도 어떻게 적용하는 것이 유용하고 에너지 손실을 줄일 수 있는가 하는 에너지 질을 판단하는 기준이 되는 것이 바로 ‘Exergy’이다. 다만 밀폐계와 달리 질량의 입출이 있는 개방계(Open system) 정상상태의 경우, 산출 공식은 조금 달라 질 수 있다.

그렇다면 우리가 Energy를 일의 형태가 아닌 열의 형태로 이용할 때의 Exergy량은 어떻게 될까? 열을 이용하는 열매체 간의 열전달 공정은 열교환기를 통해 이루어지며, 질량의 입출이 있으므로 개방계가 된다. 여기서 실제 전열량 산정은 열전달 과정 중 입출 유체의 운동에너지와 위치에너지를 무시하면 열역학 1법칙에 기준한 열전달 해석은 고온유체와 저온 유체의 엔탈피차로 계산하게 된다.

그러면 열전달에 있어 Exergy는 무엇이고, 개방계의 열전달 Exergy 산정은 어떻게 될까? 열전달에 있어 Exergy 분석은 열을 제공하는 유체의 유효 에너지량과 제공받는 유체의 유효 에너지량을 분석함으로써 열전달 유체의 에너지 질(Quality)을 평가해 열전달의 비효율성을 제거해 보다 많은 질 높은 에너지가 전열되도록 분석하는 데 Exergy가 사용된다.

Exergy 산정기준을 25℃, 1atm으로 하고 운동에너지와 위치에너지가 무시되면 △Exhi= 0.1014 kcal/kg △Exho= 22.45 kcal/kg △Exci= 114.99 kcal/kg △Exco= 85.09 kcal/kg으로 계산되며, 열전달 효율(Heat Transfer Effectiveness)은 ε=0.916로 도출된다. 열교환기의 열전달량 관점에서는 잘 설계된 것으로 보이지만, 메탄가스의 기준 조건인 25℃, 1 atm 조건에서 Exergy 값으로 산정한 효율은 좋은 것은 아니다.

이 열교환에서 비가역적인 열전달 손실을 최소화하고 Exergy 손실을 줄이기 위해 저온 측 유량을 증가시키거나 열전달 면적을 넓혀 cold-side 온도차를 줄이면 Exergy 효율이 증가하게 된다. 즉, 유량을 1.1kg/s로 하면 흡수 Exergy량이 24.4kcal/kg이 되어 효율은 82.2%가 되는 것이다.

다시 말해 냉열이용에서 열을 이용하고자 한다면, 열교환기를 이용해 열을 회수 이용할 수 있는 실질적 에너지량은 Exergy가 아닌 엔탈피차 값이 되며, 만약 냉열을 일의 형태로 사용하고자 한다면, 되도록 많은 유효한 일을 얻기 위해 질(Quality)인 Exergy를 평가해 손실부를 줄이는 노력이 필요하게 되는 것이다.

이를 바탕으로 LNG냉열의 Exergy량은 얼마나 되는지 알아보자. 통상 우리가 나타내는 에너지량은 1법칙에 기준해 표현한다. 예를 들면, LNG냉열이 갖고 있는 극저온 에너지량 즉 기화에 필요한 열량은 1기압에서 1kg당 200kcal, 72기압에서는 약 160kcal가 된다.

LNG 냉열의 Exergy량 즉 실제 얻을 수 있는 최대 유효 일 에너지량은 얼마가 될까? LNG는 우리가 익히 알고 있듯이 천연가스 산지에서 -162℃까지 온도를 저하시켜 액체 상태로 생산, 운송 후 인천 등 생산기지의 탱크에 저장된다. 그후 1, 2차 펌프를 이용해 72기압까지 가압한 후 다시 해수로 기화시켜 공급하고 있다.

LNG는 극저온의 상변화 잠열을 포함한 온도 에너지와 고압의 압력 에너지가 이미 가해져 있는 셈이다. 따라서 LNG냉열 이용량 분석은 고압 극저온 액체가 되어 있는 상태로부터 회수 이용 가능한 차가운 열에너지량을 분석하는 것이지, 상온의 천연가스로부터 시작해 극저온을 만들고 압력을 가하는 데 투입된 다량의 에너지를 고려하면서 이를 기화시켜 얻을 수 있는 유효 이용량을 분석하는 것이 아니다.

LNG(메탄 90%, 에탄 7%, 프로판 3%로 가정)의 Exergy를 분석해 보면, 72기압, -155℃(Exergy : 230.7kcal/kg)에서 0℃ (Exergy : 139.0kcal/kg)까지 Exergy량은 91.74kcal/kg가 된다. 이는 일로 변환될 수 있는 최대 유효 에너지량을 의미이며 에너지의 질(Quality)일 뿐이지 에너지의 양(Quantity)이 아닌 것이다.

LNG냉열의 이용형태를 살펴보면 일이나 열 형태의 에너지로 이용이 가능하다. 즉, 일의 이용에는 LNG로부터 전기를 얻는 ‘직접팽창식’ 혹은 ‘랜킨사이클 냉열발전’ 공정을 들 수 있고, 극저온의 열을 이용하는 것은 냉동창고, CO2 액화, 공기액화분리 공정 등이 있다.

LNG생산기지에서 저온 열이용 공정의 예를 들자면 LNG 기화기를 들 수 있다. 해수기화기(ORV)나 수중연소기화기(SMV)는 LNG의 Exergy량 만큼만을 주입하는 것이 아니라, 기화에 필요한 열에너지 만큼 해수나 천연가스를 연소시켜 열을 공급하는 것으로 알 수 있을 것이다.

역으로 얘기하면 해수가 저온 열을 가져오는 것으로, 냉열이용 공정도 이와 동일하게 열교환 유체가 Exergy량이 아닌 저온 열에너지(Energy)를 동일량 회수해 오는 것이다. 앞서 분석한 것을 살펴보면 LNG냉열이용 공정들의 열에너지(Energy) 이용량 추정에 Exergy량을 기준으로 분석하는 것은 큰 오류를 범하는 것임을 알수 있다. 따라서 Energy값이 아닌 Exergy 값을 기준해 LNG냉열량 회수 이용의 무용론이 대두되는 것은 매우 안타까운 일이다.

그러므로 우리는 Exergy의 명확한 인식과 함께, 이미 액화비용을 지불하고 도입하였음에도 불구하고 바다에 버려지고 있는 극저온 열(Cold-heat) 에너지를 액화천연가스(LNG)의 안전 공급에 영향을 받지 않는 범위 내에서 회수해 이용하는 노력을 해야 한다. 이는 에너지 빈국으로써 매우 바람직하고 뜻 깊은 일일 것이다.