[기획기사] 융복합에너지 NGH 응용기술
[기획기사] 융복합에너지 NGH 응용기술
  • 김나영 기자
  • 승인 2011.04.12 13:14
  • 댓글 0
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NGH 활성화, 플랜트 개발이 ‘핵심’

정부가 NGH를 국가에너지 안보에 경쟁력 있는 아이템으로 보고 기술개발에 적극 지원을 하고 나섰다. 이에 따라 NGH를 활성화하기 위해서는 운송·저장할 수 있도록 하는 파일럿 플랜트 기술 개발이 핵심으로 부각됐다.

2007년 지식경제부의 발주로 시작된 차세대 융복합에너지 NGH는 지난해 10월 1단계 과제 종료 시 경제성 및 사업성 평가에서 모두 합격점을 받아 2단계 과제를 진행할 수 있게 됐다.

NGH연구팀은 기존 LNG가스전 중 생산중단이 예상되는 가스전 또는 중·소규모 가스전을 개발, 천연가스를 NGH로 변환해 도입할 경우 천연가스 판매가격을 약 18~24% 이상 절감 할 수 있다고 전했다.

이는 2006년 ‘Economic study of natural gas transportation with Natural Gas Hydrate(NGH) Pellets’를 주제로 한 동경회의에서 세계해상보험연맹(IUMI)가 발표된 내용이다.


천연가스 도입 시 일반적으로 -162℃에서 LNG(액화천연가스)상태로 운반·저장되고 있지만 고체형태인 NGH(가스하이드레이트)로 만들어 수송·저장하게 되면 생산·운송·재가스화 등의 공정에서 LNG보다 경제적이라는 것이 연구팀의 주장이다. 이에 미개발된 가스전 또는 중소형 가스전이나 폐가스전을 확보하게 되면 그 시너지 효과는 배가 될 것이라는 설명이다.

이는 NGH기술이 개발되면 운송거리가 6,000km 이하인 동남아 가스전의 대부분을 공략할 수 있다는 해석이다.

무엇보다 ‘장기 천연가스 수요 및 NGH도입에 따른 수익전망’에 따라 NGH 수송 및 저장기술이 상용화 되는 2015년 이후에는 국내 천연가스 도입량의 약 20% 이상이 NGH 또는 GTL, DME등의 형태가 될 것으로 내다봤다.

연구진은 그중 50% 이상이 NGH형태로 도입될 것이기 때문에 지금 기술력을 확보하는 것이 국가 경쟁력을 높일 수 있는 기회라고 강조했다.

최근 정부는 에너지확보를 위해 PNG, GTL 등 천연가스 도입방식을 여러 각도로 조명해 봤지만 PNG의 경우 파이프라인을 북한을 경유해야하기 때문에 국가적 분쟁 속에 있는 국내의 현실에 맞지 않으며 GTL역시 가스연료의 화학반응으로 탄소와 수소의 결합을 분해했다가 재결합하는 방식으로 경제성에서 떨어진다는 연구결과가 나와 NGH에 집중을 하고 있는 것으로 알려졌다.

현재 한국생산기술연구원이 주관을 맡아 진행하고 있는 NGH기술개발 과제에는 동국대학교와 한국가스기술공사, 대우건설, 성일SIM, 한국가스공사, STX조선해양, 동신유압이 참여기업으로서 연구하고 있으며 창원대학교와 공주대학교가 위탁기관으로 역할을 수행하고 있다.


국내 기술 개발 현주소

NGH는 각각의 구성 요소 중 선박 건조기술을 제외한 분야에 대해서 천연가스 저장·운송 등 NGH 이용에 필요한 핵심기술을 갖춰오고 있다.

▲ 동국대 연구팀이 NGH 제조기기를 점검하고 있다.

3년이라는 짧은 시간동안 일본의 선진기술을 넘어설 만큼 밑바닥부터 기술력을 갖춰온 국내 연구진들은 1단계 사업(2007~2010년, 3차년)을 무사히 마치고 플랜트 개발이 주요 목표인 2단계 사업에 착수, 활발하게 진행 중이다.

1단계 과제에서 주어진 목표는 일산 60kg의 NGH를 연속 제조할 수 있는 연속제조반응기 제작과 NGH 펠릿의 선박 적하역 기술, 저장·재가스화 관련 고유기술을 확보하는 것으로 일산 1톤의 데모플랜트 기본설계 및 상용화전략을 수립하는 것이었다.

이에 따라 지난해 10월 천연가스 연속제조 및 효율적 수송·저장 연구결과에 대한 총 23개의 국내외 특허권(국내 21건, 국제 2건)을 획득하며 NGH기술개발에 박차를 가하고 있다.

연구진은 현재의 산업 시스템에 하이드레이트 기술을 적용하고 관련 플랜트 제작·운영 기술을 확보하기 위해 데이터를 구축해 나가고 있다. 또한 NGH이용 기술로 수소 저장 기술에 대한 연구가 KAIST에서 이뤄지면서 적용 가능 범위를 수소에너지 분야까지 확장시키고 있는 상황이다.

아울러 생기원에서도 수소하이드레이트 원리를 이용한 수소 저장 기술에 대한 연구를 신재생에너지기술개발사업을 통해 2년(2008~2010)에 걸쳐 수행, 저압 조건에서도 수소저장이 가능함을 증명한 바 있다.

국내 NGH이용 기술에 대한 연구는 이제 실험실 수준을 벗어나 구체적인 상업화 전략을 가진 실용기술 개발 단계로 진입하고 있는 상황이라는 것이 연구진들의 설명이다.

NGH의 한 연구원은 “국내 가스하이드레이트 관련연구는 일본보다 10여년 뒤쳐진 채 시작됨에 따라 과연 경제성이나 사업성이 있을까하는 우려의 시선들이 있었다”라며 “그러나 1차 과제 종료 시 일본보다 앞선 기술이 확보돼 오히려 실패를 선례로 남기지 말자는 내부적인 의견이 있어 개발 수위를 조절하는 시점에까지 이르게 됐다”고 말했다.

이에 따라 일본의 NGH Japan에서는 국내 연구진들이 무서운 속도로 기술개발을 확보해 오자 홈페이지를 폐쇄 하는 등 경계태세를 갖추고 나선 것으로 알려졌다.

뿐만 아니라 기존에는 NGH Japan의 시설을 개방, 견학이 가능했으나 지금은 기술이 유출 되는 것을 막기 위해 외부 접촉을 전면 차단하고 있어 현재 어느 정도까지 기술이 진척돼 있는지 알 수 없다고 연구진은 전했다.

NGH와 관련해 국내에서 처음 연구가 시작된 해는 1994년이지만 2000년이 돼서야 이용기술에 대한 연구가 시작됐다. 그동안 실증기술로 도약하기 위한 지원이 미비해 상업화를 위한 기반기술 개발은 2007년에 들어서 결실을 보였다.

천연가스 판매價 약 18~24% 절감

당초 NGH는 1994년부터 1996년까지 KAIST에서 ‘이산화탄소의 심해 저장 기술 개발을 위한 가스하이드레이트 형성 메커니즘 규명’을 위한 연구를 수행하면서 차세대 에너지원으로 떠올랐다.

이어 2000년 이후 동해 지역의 가스 하이드레이트 탐사 및 개발 연구가 본격화 되면서 국내 연구 방향은 대부분 가스하이드레이트의 생산기술 확보를 위한 연구에 초점이 맞춰져 가스하이드레이트 정밀탐사(한국지질자원연구원, 2000년~현재)와 가스하이드레이트 유동 시뮬레이션 연구(한양대학교, 2001~2003년), 가스하이드레이트 물성 및 상평형 측정 연구(KAIST, 2000~2003) 등이 진행된 바 있다.

지질자원연구원의 지속적인 연구는 가스하이드레이트의 부존 특성과 성질을 이해하는데 중요한 정보를 제공해 왔다. KIAST의 가스하이드레이트 구조 분석 연구는 하이드레이트의 성질 자체에 대한 이해를 세계적인 수준으로 끌어올리는 계기가 됐다는 평가다.

▲ NGH수송선


2단계 기술개발 과제

일산 1톤급 NGH체인 파일럿 플랜트 운영 및 공정을 최적화 한다는 목표로 추진 중인 2단계 과제에서는 △NGH 생산 파일럿 최적화, 다량제조 기술 확보 △1, 2차 탈수설비 운영, 최적화 및 함수율 조절 탈수시스템 확립 △열교환기 성능향상 기술개발 △가스 및 반응수 재순환 설비 완성 및 최적화  △NGH 냉각, 감압, 펠릿 설비 최적화(1톤/d) △이송설비 실링개선 등 최적화(12톤/d) △BOG 발생량 측정 및 저장탱크 운영 최적화(8㎥) △NGHP(NGH 파일럿 플랜트) 재가스화 파일럿 최적화 및 열교환, 가스순환설비 연계 △파일럿 운영 법령 및 국제표준 분석 △파일럿 유틸리티 설비 및 최적화 운영 △NGH 파일럿 체인 완성 및 통합 운영 △요소기술의 유기적 통합에 의한 3단계 10톤/day 파일럿 플랜트 기본설계 △국내 가스배관망 분석에 따른 활용 가능한 인수기지 모색 및 호환성 연구 △NGH기술 적용 중소형 가스전의 경제성평가 및 상용화 기초연구 △파일럿 플랜트 공정의 NGHP 시료에 대한 조성분석 및 미세거동 분석 △BOG 발생에 따른 해리, 재생성 파악 및 NGH 펠릿의 자기보존 효과 모델식 개발 등이 진행됨에 따라 핵심 사업이 모두 집약돼 있다고 해도 과언이 아니다.

특히 2단계에서 집중 개발될 연구과제는 파일럿 플랜트다. NGH 펠릿의 이송은 주로 생산지 및 인수기지에서 가장 큰 공간을 차지하는 저장탱크와 타 설비 간에 이뤄지는데 이송공간의 밀폐와 단열, 시간당 이송능력, 펠릿 파손방지 등 다양한 설계 요구사항이 존재하기 때문에 펠릿 이송 능력과 하중이력 파악을 위한 시뮬레이션 실험을 병행해 이송설비의 최적화를 이루고 3단계의 120톤/day 설비 기초설계를 확정한다는 계획이다.

따라서 파일럿 플랜트의 재가스화 설비를 운영, 재가스화 공정을 최적화하고 이를 위해 분쇄부를 개선한다. 생산가스 압력을 50bar로 증가시켜 3단계 목표인 처리량 100톤/day 재가스화장치의 기초설계를 확정할 방침이다.

또한 순환가스의 압축 등을 위한 압축기 및 부대설비와 가스저장 설비, 유틸리티 설비인 냉동기, 계장용 압축기 설비, 소화설비 등 부대설비를 마련한다고 밝혔다.

아울러 구역 간을 연결해 주는 운반 장치는 펠릿을 기준으로 하고 NGH Powder 상태는 운반상 문제를 고려해 거리를 최소화해야 하기 때문에 자연 낙하식으로 설계돼 별도의 운반 장치가 필요 없다.

운반 장치는 밀폐된 상자안에 위치하며 천연가스 발생분은 회수 후 재압축해 사용하고 부득이 오기와 접촉하게 될 경우 소기 후 연소시키기로 했다.

이번 과제에서 연구팀은 CNG 충전용기를 사용해 천연가스의 5일 작업량을 저장하고 물은 1일 분을 저장, 펠릿 저장탱크는 5일 분씩 동일 규모 2기를 설치할 계획이다.

4개 작업반 구성, 공동연구 수행

NGH 2단계 과제에서는 운영위원회 및 작업반을 구성해 보다 밀도 있게 연구를 하기로 했다. 운영위원회는 각 참여기업의 책임자로 구성 4개의 작업반으로 나눠 참여기업이 운영에 직접 참여함으로써 실질적인 공동연구를 수행토록 했다. 이에 따라 △연속제조생산 △이송·저장·재가스화 △파일럿운영·효율화 △핵심기반기술(기초연구)등 5개의 작업반으로 분류했다. 그 중 이송·저장·재가스화와 파일럿운영·효율화 등 핵심기술에 대해서는 기존 주관기관이었던 동국대학교와 한국가스기술공사가 도맡아 진행하게 된다.

 


▲ 송명호 동국대 교수가 롤밀형 시편제조장치를 둘러보고 있다.
한국생산기술 연구원은 이주동 박사의 진두지휘아래 NGH를 과제로 선정하는 것부터 시작해 2단계 과제 진입까지 총체적인 책임을 지고 연구를 이끌어 오고 있다.

생기원은 중소형가스전 개발 및 에너지 자원확보를 위한 천연가스고체화 파일럿 플랜트 개발부문에서 완성, 최적화 운영까지 핵심기술을 담당한다. 또한 각 작업반의 진행 속도를 조절하고 작업반별 연구를 관리·감독함으로써 개발된 기술들이 서로 융합될 수 있도록 중심을 잡아주는 역할도 맡았다.

향후 마지막 단계인 3단계까지 진행되기 위해서는 정부가 2차 과제 수행을 위해 준 시간동안 목표로 세웠던 기술개발이 차질 없이 진행돼야 한다. 그동안 개발했던 연구 성과를 수포로 돌리지 않기 위해 생기원의 역할이 매우 중요해진 만큼 참여업계에 쓴 소리도 해야 하는 고충을 겪고 있다. 처음 기획단계에서부터 모든 과정의 핵심에 서 있는 생기원은 중심축으로서의 책임을 톡톡히 해내고 있다.

 


송명호 교수를 중심으로 이뤄진 동국대학교 연구팀은 1단계 과제에서는 생기원과 함께 주관기관으로 활동했으나 2단계로 넘어오면서 생기원에 힘을 몰아주고 참여기업으로 포지션을 변경했다.

생기원과 마찬가지로 이번 NGH 연구의 모든 과정에서 중심에 서 있는 동국대 연구팀은 이번 단계에서 이송·저장·재가스화와 파일럿 운영·효율화 작업반에 동시 투입돼 핵심기술을 주도하고 있다. 특히 이송·저장·재가스화 작업에서는 단독으로 진행, 독보적인 기술력을 갖춰 왔다.

 


파일럿 플랜트의 기반을 갖추기 위해 1단계부터 참여해 온 한국가스기술공사 기술연구소팀은 안영훈 소장의 주도로 2007년 NGH연구에 참여했으나 현재는 이상협 팀장이 바통을 이어받아 활발하게 연구를 진행하고 있다. 기술공사는 동국대와 마찬가지로 연구 1단계에서는 주관기관으로 활약 했지만 2단계로 접어들면서 한 곳에 힘을 실어 주는 것이 연구에 도움이 된다고 판단, 참여기관으로 전환했다.

기술공사는 세계 최고를 자랑하는 플랜트 기술을 기반으로 NGH기술개발 연구중 가장 중요한 플랜트 효율향상 설계 및 NGH열량과 국내 배관망 분석, 상용화를 위한 NGH플랜트 기초연구를 맡았다.

 


성일SIM은 2007년 NGH연구과제 초기 단계부터 함께했다. 그동안 쌓아온 34년간의 기술력을 바탕으로 2단계에서는 연속제조 생산 작업반에 참여, NGH 제조 및 압축(탈수)설비 공정 기초 설계를 맡았다. 특히 성일SIM의 주력사업인 배관과 고압반응기 제조, 열교환기를 설계하게 된다.

발전소, 석유화학플랜트, 조선, 해양플랜트, 석유 및 가스 파이프라인 등 플랜트 분야에서 두각을 나타내고 있는 성일SIM은 고주파벤딩기를 인도, 이집트에까지 기술 및 장비를 수출하고 있으며 이를 기반으로 해 조선, 해양, 화력, 원자력발전소의 주요 기기를 연결하는 배관스풀을 제작하는 배관분야 전문기업이다.

 


NGH연구 원년 멤버로 활약하고 있는 대우건설은 선진기술 조사 및 공정 해석에 참여, 제조 장비를 스케일업 할 수 있는 인자를 도출하는데 기여할 계획이다. 또한 생산·인수기지상용화 방법을 모색한다는 방침이다.

플랜트 분야에서 국내 최고의 건설기술을 자랑하는 대우건설은 그동안 발전설비, 원자력, 가스 및 오일 등 국내 플랜트 설치에 적극 참여해 왔다. 굵직한 사업에 동참하면서 쌓아온 기술력은 이번 NGH과제에서도 그 역량을 발휘 할 것으로 기대를 모으고 있다.

 


42년 동안 사출성형기만 생산해온 동신유압은 지식경제부 ‘융복합에너지 응용기술개발’과제인 NGH 펠릿성형에 본격적으로 뛰어들면서 제2의 도약을 선언했다.

이번 NGH 과제에서는 공동 과제인 연속제조 생산 작업반에 참여하고 있다. 동신유압의 주특기인 사출성형 기술을 살려 펠릿성형기를 제작할 계획이다. 또한 NGH생산을 연계한 고부가가치 전략수립을 담당키로 했다.

참여기업, 전문분야서 두각…밀도 있는 연구 진행

 


천연가스를 활용하기 때문에 NGH연구팀은 1단계 과제부터 가스공사의 참여를 원했었다. 한국가스공사는 지난해 해외자원개발과 관련 역량을 확대하겠다는 뜻을 밝히고 별도의 팀을 마련, 신규로 전문가들을 대거 채용함에 따라 정식으로 해외자원개발사업에 참여키로 선언한 바 있다.

이에 따라 가스공사는 NGH 2단계 과제에 참여, 가장 핵심 과제였던 가스전 개발에 기여할 방침이다. 또한 NGH 제조 촉진기술 및 공정분석에 적극 동참하고 생산기지 핵심기반 기술을 지원, 시장조사를 하게 된다.

 


당초 NGH 과제는 3단계에서 선박을 건조하는 기술을 개발하는데 까지 영역이 컸었다. 그러나 국토부에서 지난해 200억원을 투입, NGH 선박기술을 별도 과제로 책정해 개발키로 했다.

이에 따라 지경부 발주 NGH 과제에서는 선박건조 기술을 개발하기 전인 운송·저장 기술까지만 완료하는 것으로 계획을 수정했다.

그럼에도 불구하고 STX조선해양이 2단계 과제에 들어왔다는 것에 대해 업계는 반기고 있다.

STX조선해양은 연속제조 및 이송 공정을 분석하고 설계지원과 공정 운영기술을 지원하게 된다.

다년간 선박을 건조하면서 쌓은 기술력이 NGH를 이송하는데 에너지손실을 최소화시키면서 보다 효율적인 방법을 고안해 낼 수 있을 것으로 기대하고 있다.


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