[기획기사] 융복합에너지 NGH 응용기술
[기획기사] 융복합에너지 NGH 응용기술
  • 김나영 기자
  • 승인 2011.04.05 09:41
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NGH, 국가에너지 안보 ‘해결책

고유가 및 자원민족주의 시대로 접어들면서 에너지원을 대부분 수입에 의지하고 있는 우리나라와 일본 등 대표적 자원빈국들의 에너지고갈에 대한 위기의식이 고조되고 있다. 최근 정부는 국가에너지 안보 강화에 NGH(Natural Gas Hydrate)가 해결책이 될 수 있을 것으로 보고 정부출원금 약 50억원을 투자해 기술개발에 박차를 가하고 있다.

현재 전 세계적으로 각국의 에너지확보 전쟁은 가속화 되고 있기 때문에 일본 등 선진국들은 물론 중국도 무서운 기세로 산업의 원동력인 에너지 자원을 찾아 곳곳을 누비고 있다. 중국의 경우 앙골라에 30억달러 차관 제공, 나이지리아에 10억달러 차관 제공, 적도기니엔 정부청사 건물을 지어 무상 증여하는 등 아프리카의 자원을 노린 중국의 원조공세는 에너지 자원 확보에 그 목적이 있는 것으로 알려졌다. 이에 따라 우리나라도 에너지 확보 및 생산에 국가적인 지원과 전략이 필요하다는 지적이 나오면서 차세대융복합에너지인 NGH에 대한 관심이 높아지고 있다.


우리나라는 현재 일본에 이어 세계 2위의 LNG 수입국이다. 최근 고유가는 천연가스의 가격 상승을 유도하고 있으며 LNG 플랜트의 가격 또한 동반 상승하고 있는 실정이다.

안정적인 천연가스 수급을 위해서는 동남아의 중·소규모 가스전에 대한 적극적인 개발이 필요하며 여기에 NGH를 이용한 천연가스 수송 및 저장 기술은 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 보인다.

우리나라가 보유한 세계 최고의 LNG선 건조 기술을 바탕으로 NGH 수송선 건조 기술과 NGH플랜트 기술을 패키지로 향후 중·소규모 가스전 개발에 뛰어들 경우 국가에너지 자립에 기여할 수 있을 뿐만 아니라 고부가가치 산업의 창출이 가능할 것이다.

LNG를 대신해 NGH를 이용한 천연가스 수송, 저장 기술은 중소형 가스전 개발 등 청정에너지 확보에 우리나라의 인프라가 가장 큰 영향력을 줄 것으로 내다봤다. 조선·해양·건설분야에서 우위를 점하고 있는 우리나라의 인력·기술 인프라도 기술개발의 추진에 탄력적으로 대응 할 수 있을 것으로 기대했다.

국내 특성상 단기적으로 실현 가능한 에너지자원 확보 전략은 선박건조분야와 엔지니어링, 건설부분을 강화하는 것이다. 우리나라의 인프라를 산유국에 지어주고 그 대가로 자원을 확보하는 ‘패키지 딜’ 방식이 국가에너지 안보를 강화하는 방안으로 유력하다는 판단이다.

NGH는 천연가스를 고체형태인 가스하이드레이트로 전환·제조한 것으로 이를 다시 이용할 경우 1cc의 하이드레이트가 약 170cc의 천연가스를 방출할 수 있어 경제성과 효율성측면에서도 높은 기대를 모으고 있다.

또한 기존 LNG는 -162℃의 저장조건이 필요한 반면 NGH는 상압 -20℃에서 저장이 가능해 운반·저장이 용이하다.

따라서 천연가스의 고밀도 저장이 가능하고 제조과정에서 에너지절감뿐만 아니라 비용, 온실가스 감축에 이르기까지 NGH는 다방면에서 기술을 인정받고 있다. 아울러 전 세계 천연가스량의 40%를 차지하고 있는 중소형 가스전을 개발해 이용할 수 있기 때문에 가스전확보도 수월하며 이에 NGH기술을 접목하게 되면 에너지·자원의 안정적 확보가 가능하게 된다는 주장이다.

1단계에서 NGH제조기술, 즉 효율적인 에너지 이용이 가능하도록 많은 양의 가스를 빠른 속도로 하이드레이트화 시키면서 천연가스의 조성에는 변화가 없도록 하는 것이 기술의 핵심이었다면 2단계에서는 1단계에서 축적된 하이드레이트 제조·운송·저장·재가스화 기술과 관련장치제작 경험을 바탕으로 파일럿 플랜트 기술개발에 역량을 집중하고 있다.

이에 따라 정부는 천연가스 도입의 안정성을 위해 국가에너지 안보차원에서 기존의 물량은 계약연장을 우선 추진하되 추가소요 물량에 대해서는 공급 가능한 프로젝트를 대상으로 중장기계약을 조기 추진한다는 방침이다.

NGH 기술은 동해 해저 천연가스하이드레이트의 개발기술로도 연계돼 기술선점이 가능한 기술로 중소형 가스전 개발에 따른 NGH도입 경쟁이 가시화되는 2015년 이후부터 국내 천연가스 도매시장의 경쟁력 강화 및 도입물량확보를 위해 치열한 경쟁이 예상된다.

생산기술연구원(생기원)은 이를 위해 중소형 가스전으로부터 NGH방식의 천연가스 도입을 통한 국내 천연가스시장 판매에 나서야 하기 때문에 동남아지역의 NGH 생산기지, 적하역시스템, 인수기지 건설이 향후 활발히 추진될 것으로 예상했다.

무엇보다 대형 발전사 및 자가발전사의 경우 자체 NGH 인수기지를 건설하면 발전원가를 낮출 수 있기 때문에 자가 NGH 인수기지 건설도 활발히 이뤄질 것으로 전망했다.

NGH과제에서 각 참여기업은 원천기술 및 관련된 산업재산권을 기반으로 NGH 생산기지, 적하역시스템, 인수기지 건설에 대한 상용화 비즈니스에 참여가능하며 3단계 사업 시 가스공사를 포함한 참여기업의 주도로 상용화 연구를 진행한다는 계획이다.

결국 청정에너지원으로서의 천연가스 자원은 한정적이나 미개발된 중소형 가스전 그리고 천연가스 하이드레이트 등의 개발은 기술선점과 조기 투자가 절실한 우리나라 실정에 필수불가결한 부분이기 때문에 NGH기술개발이 절실하다는 것이 정부의 입장이다.


■ 기술개발 추진 방법 전략 및 체계

국내 NGH 사업운영은 각 참여기업을 운영위원회 및 작업반으로 구성해 실질적인 기술이전을 수행하고 특허를 공동소유토록 했다.

최상위 조직인 운영위원회는 사업운영 감독 및 주요 의사결정을 하는 등 대외협력을 맡고 위원장과 연구기관, 참여기업책임자 및 설비업체, 자문위원으로 구성해 격월로 작업반 보고를 받아 분기별 운영안을 추진하게 된다.

또한 추진조직인 작업반은 운영위 하부에 4개의 작업반을 두고 요소기술별로 책임을 맡는다. 크게는 △생기원-천연가스 고체화 생산 Pilot Plant 기술개발 △동국대-인수 및 재가스화 Pilot Plant 기술개발 △가스기술공사-Pilot Plant 효율향상 및 상용화 기초연구 등 3가지로 분류해 각 참여기업이 운용감독 및 작업반에 참여할 수 있도록 했다.


■ 기술개발의 목표 및 내용

NGH 2단계는 중소형가스전 개발 및 에너지자원확보를 위한 천연가스 고체화 파일럿 플랜트 개발이 목적으로 추진된다. △가스전생산기지 NGH 제조, 탈수, 펠릿화, 저장탱크, 적하역시스템 △NGHP인수기지 저장탱크, 재가스화, 가입설비 등의 설계기술 확보가 목표다.

이에 따라 1차년도에는 NGH 제조 및 펠릿화, 재가스화식에 의한 NGH 다량제조 단위기술 확보에 따른 장치 제작이 진행된다. NGH 연속제조 주반응기 설계·기초제작 부분에서는 NGH 제조 및 동시 탈수 방식에 의한 NGH 다량제조 기술을 확보한다는 방침이다.

1단계 연구에서 제작한 반응장치의 연속운전 테스트를 바탕으로 장치 내 연속 공정의 안정성을 확보키 위해 NGH slurry의 함수유율을 일정하게 조정하게 된다. 여러 가지 변수를 조절, 최적화된 연속반응 공정을 도출해 scale-up에 적용해야 한다는 것이다.

1톤/day급 연속식 NGH제조 파일럿 플랜트를 설계·제작하기 위해서는 물과 가스가 반응해 하이드레이트 슬러리가 만들어짐과 동시에 동일한 공간 내에서 탈수된 고밀도의 가스하이드레이트가 연속식으로 제조되는 반응 장치가 필요하다는 것이 연구진들의 설명이다.

특히 물과 가스가 반응한 슬러리를 포함해 반응기로부터 NGH를 생성하되 양호하게 탈수된 고밀도 하이드레이트를 단순하면서도 효율적인 방법으로 생산하기 위한 장치 및 시스템을 2단계에서 구상하게 된다는 것이다.

NGH의 연구진은 “이를 위해서는 시료를 연속적으로 생성하고 고액 분리가 가능하며 온도와 압력을 자동으로 조절할 수 있어 저온 및 고압 조건에서 공정이 가능해야 한다”라며 “1차년도 기술개발을 통해 1톤/day급 연속식 NGH 제조 설비를 제작완료하고 운영 하고자 하는 것”이라고 말했다.

또한 연구진은 1차로 탈수장치 설계 및 기초제작에 들어간다. NGH는 순수하게 물과 가스로만 이뤄져 있지만 실제적으로 반응기에서 형성된 NGH는 여액이 포함된 슬러리 형태이기 때문에 적절한 탈수 방식이 펠릿성상에 큰 영향을 끼치게 되므로 함수율 자체를 낮추는 공정 구성이 반드시 필요하다는 주장이다.

따라서 공정 내에 이송 및 펠릿화에 적합한 함수율로 조절 가능한 탈수시스템이 요구되고 있다.

무엇보다 중요하게 다뤄지고 있는 부분은 NGHP 저장탱크 설계·제작 즉 펠릿교착 개선 기술개발이다.

펠릿을 저장탱크 내 장입 시 충격에 의한 손상 방지대책 연구를 수행, 상업용으로 다량의 펠릿을 저장하는 탱크라면 크기가 최소 ∮30 m x 50mH 정도의 거대한 구조물이 될 것으로 예상, 장입구에서 하부까지 낙하하는 동안 펠릿이 손상돼 필요할 때 가스를 포집, 사용하기 어려울 것이라고 내다봤다.

이를 방지하기 위해 장입 시 펠릿의 손상방지를 위한 경제성 있는 메커니즘 연구가 필요하다는 것이다.

연구진은 이번 단계에서 하중에 의한 융착 및 수분 물질전달 결상으로 펠릿의 교착 문제가 발생, 교반·교착문제 해결안을 도출해야 하는 과제를 안고 있다.


2단계가 종료되는 2012년에는 NGH 고속 생산 1톤/day, NGHP 적하역 12톤/day, NGHP 저장 5㎥, NGHP 재가스화 10톤/day를 생산할 수 있도록 기술 개발을 완료한다는 계획이다.

중소형 가스전 개발로 경제성↑ ·  ··상압 -20℃ 저장·수송도 용이


■ NGH 기술·제품의 파급효과

NGH 기술 개발은 기술·경제·산업·사회 등 다양한 측면에서 파급효과를 가져올 것으로 기대를 모으고 있다.

일반적으로 천연가스를 가스 상태로 채굴 시 생산전에서 10%가 소모되기 때문에 가스를 채굴해서 NGH로 만드는 과정에 소모되는 에너지의 양은 그보다 더 많지 않다는 것이 정론이다.

또한 NGH는 -20℃로 저장돼 있어 가열했을 때 물과 가스로 분리되기 때문에 배관에 바로 연결해 가스는 발전기를 운행할 수 있도록 보내고 분리돼 나온 -20℃의 물은 발전기의 열을 식히는데 바로 이용할 수 있다.

그렇게 되면 발전소를 꼭 바다에 지을 필요성도 사라지게 되는 것이다. 무엇보다 발전소에서 버려지는 평균 40~50%의 폐열을 이용해 NGH를 가열하는데 사용할 수 있기 때문에 이로써 발생하는 추가비용은 기존에 LNG를 이용하는 것 보다 경제적이다.

아울러 NGH는 기체 상태의 가스를 고체로 만드는 형식이기 때문에 대형가스전을 고집할 필요도 없으며 버려진 소형가스전을 이용해 원가를 크게 낮출 수 있을 것으로 기대한다.

또한 세계 천연가스 용량의 40%에 달하지만 경제성 문제로 거의 이용되지 않고 있는 중소형 가스전의 개발을 통해 청정합성연료의 생산국 대열에 합류해 국가 에너지분야의 위상을 높일 수 있다는 것이 연구진들의 주장이다.

이로써 세계적인 에너지·환경 변화에 발맞춰 국내외의 가스전 및 청정연료의 확보로 탈석유 시대에 대해 적극적으로 대비하는 동시에 다양한 에너지원의 확보와 국내실정에 적합한 에너지 다양화 정책에 부응한 국가 에너지안보 구현이 가능할 것으로 내다봤다.

LNG를 대신해 NGH를 이용한 천연가스의 수송, 저장기술도 청정에너지 확보에 우리의 인프라로 가장 큰 영향력을 줄 것으로 판단된다는 것이다.

조선·해양·건설분야에서 우위를 점하고 있는 우리나라의 인력과 기술 인프라는 NGH 기술개발에 힘을 실어줄 것이라고 전망했다.

가스하이드레이트 형태로 저장된 고체화 개념의 NGH는 DME, 메탄올, FT(Fischer-Tropsch)연료, 수소 등 각종 청정연료 생산에 이용될 것이며 가스하이드레이트로부터 분리된 천연가스는 청정연료로 직접 사용할 수 있다는 것이다.

따라서 에너지안보 및 확보 차원에서 그 파급효과는 막대할 것으로 판단했다.

NGH의 관계 연구원은 “석유경제와 미래의 수소경제를 연계하는 디딤돌로 가스경제가 2020년 이전에 부각될 것으로 보고 메탄을 주성분으로 하는 가스하이드레이트의 막대한 부존량이 알려짐에 따라 향후 천연가스 시장은 급팽창 할 것”이라며 “중소형 가스전의 가스를 NGH 형태로 도입 시 수익구조는 최상위등급의 광구만 선정해도 22조원 이상의 에너지 자원을 확보할 수 있어 국가 에너지 정책목표에 크게 보탬이 될 것이다”고 예상했다.

NGH 생산 및 인수기지 건설에 필요한 기술이 상용화되면 국내 에너지업계 및 생산·인수와 관련된 인프라 구축사업의 전망은 매우 밝다고 전했다.

한편 2007년 시작해 총 7개년 과제로 진행되고 있는 ‘차세대융복합에너지 NGH 응용기술’은 이미 1단계인 고효율 NGH 제조 및 이용기술개발에서 사업성과 경제성평가에서 모두 타당하다는 결론을 얻어 2010년 10월 본격적으로 2단계에 접어들었다.

2단계 과제에서는 ‘중소형가스전 개발 및 에너지자원확보를 위한 천연가스고체화 파일럿 플랜트 개발’을 주제로 △주관기관 한국생산기술연구원 △참여기관 동국대학교, 한국가스기술공사, 대우건설, 한국가스공사, STX조선해양, 동신유압, 성일SIM △위탁기관 창원대학교, 공주대학교 등이 연구를 진행 중이다.

FT(Fischer-Tropsch): 석탄이나 천연가스를 물과 산소에 반응시켜 얻은 합성가스를 촉매와 반응시켜 액체탄화수소를 만드는 기술로 반응시키는 촉매에 따라 제품(메탄올, 메탄, 디젤, 휘발유, 왁스 등)이 달라진다.
NGH란?일명 ‘불타는 얼음’으로 더 잘 알려진 가스하이드레이트는 얼음과 비슷한 고체의 물질이지만 결정 구조나 물리적 특성이 매우 다른 모습을 보이는 것이 특징이다. 물분자가 가스를 가둬두는 형태인 NGH, 즉 가스하이드레이트는 펠릿 크기가 관건이다.

NGH 펠릿은 크기가 클수록 가스 충전률을 늘릴 수 있기 때문에 그만큼 실효성이 크지만 부피가 커질수록 강도가 약해지는 단점이 있어 선진국들도 실현하지 못한 기술이다.최근 국내에서는 일본보다 펠릿 크기를 10배 정도 크게 만드는 기술을 개발, 경제성에서도 기존 기술보다 효과가 배가 될 것으로 전망되면서 괄목할만한 성과로 꼽히고 있다.

NGH 관련 전문가는 “NMR(핵자기공명)과 XRD(X-ray보다 정교한 측정장치로 X선 회절을 이용한 장치) 등의 분석 기기들이 발전하면서 가스하이드레이트 결정 구조의 새로운 현상들이 드러나기 시작했다”며 “이로써 NGH기술개발은 각국의 차세대 에너지원 개발 계획의 핵심연구주제로 자리매김함으로써 기후변화 협약에 대응할 수 있는 이산화탄소 격리 기술과 천연가스 수송 및 저장 기술도 함께 발전할 것”이라고 전망했다.

NGH기술은 누가 먼저 선점하느냐에 따라 국내뿐만 아니라 세계적으로 에너지 선두기업이 될 수 있는 발판이 될 것이라는 게 업계 전문가들의 분석이다.


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