도시가스의 주성분은 메탄(CH4)으로 메탄을 연소시키면 이산화탄소가 발생하기 때문에 도시가스에 수소를 일정비율 섞어서 연소시키면 이산화탄소 배출을 줄일 수가 있다. 하지만 메탄(CH4)가스에 적합하도록 제작되어 사용 중인 도시가스 공급 배관망과 연소기·가스기기 및 부품 등에 수소혼입((Hydrogen Blending)시 수소의 화학적 특성에 따라 수소취성, 연소효율 저하, 가스누출, 내구성 감소 등 문제가 발생할 우려가 있으므로 도시가스 배관망에 수소를 혼입하기 위해서는도시가스 공급설비·배관·연소기·가스기기·부품 등에 대한 수소혼입 실증을 통한 안전성을 검증하고 안전기준을 제도화하는 것이 시급한 실정이다.

국내 천연가스 수요량은 2021년 기준 36,913천톤(출처 : 한국가스공사, 21.12)이며, 주택·상업용이 52.4% (19,331천톤), 발전용이 47.6%(17,582천톤)를 차지하고 있으며, 국내 도시가스 공급 배관망은 한국가스공사 배관 4,931Km(고압 : 4,887Km, 중압 : 43Km)와 34개 일반도시가스사업자 배관 47,417Km(중압 : 13,905Km, 저압 : 33,512Km)가 설치되어 운영하고 있다. 이와 같은 도시가스 중압배관은 재질을 API 5L X65를 사용하고 있으나, 해외에서는 ASME B31.12: Hydrogen pipings, EIGA IGC Doc 121/04/E : Hydrogen transportation pipelines 규정에 따라 사용을 제한하고 있는 실정이다. 또한, 해외의 경우 고밀도 폴리에틸렌(PE100) 배관 사용 압력을 1.0MPa까지(영국 : 1.0MPa, 네델란드/미국 : 0.8MPa, 중국 0.7MPa)허용하고 있지만 국내는 중밀도 폴리에틸렌(PE80) 배관에 대해서만 사용을 허용(압력 : 0.4MPa)하고 있고, 고밀도 폴리에틸렌(PE100) 배관은 안전기준이 부재한 상태이다.

영국 연내 수소혼입 규정 개정 등 세계적으로도 수소혼입 허용 속도 높아

영국은 2017년부터 2021년까지 Keele 지역의 도시가스 사용 가정집 100개소 및 대학교내 30개 빌딩의 도시가스 공급 배관망에 수소혼입 비율을 20vol%까지 실증을 완료하였고, 2019년부터 2022년까지 Winlaton 지역 668가구에 대해 수소를 20vol%까지 혼입하여 실증을 완료한 상태이다. 2차에 걸친 실증 결과 현재 사용하고 있는 연소기·가스기기 등의 안전성에 별다른 문제가 없는 것으로 확인하였으며, 가스안전관리규정(The Gas Safety (Management) Regulations)에서 수소혼입 비율을 0.1%까지 허용하고 있으며, 수소혼입 비율을 20vol%까지 허용하도록 관련 규정을 개정(2023)할 예정이다.

독일은 최대 전력회사 E.ON 및 DVGW(독일가스기술과학협회) 주관으로 2021년부터 2023년까지 천연가스 배관망에 수소를 최대 20vol%까지 혼입하여 단계별로 실증을 진행 중에 있으며, 가스품질규정(ÖVGW G B210)에서 수소혼입 비율을 10vol%(CNG 충전소 연결시 2vol%)까지 허용하고 있다.(출처 : https://hydrogen-central.com/eon-vacon-dvgw-20-percent-hydrogen-german-gas- network) 미국은 2020년부터 SoCalGas(Southern California Gas)가 주관하여 천연가스 배관망에 수소를 20vol%까지 혼입하여 안전성을 검증하는 실증을 추진 중에 있으며, 캘리포니아가스 서비스 표준(California General Orders No.58-A)에는 수소혼입을 허용하고 있지 않다.(출처 : Hydrogen Blending Impacts 700가구에 수소를 5vol%까지 혼입하는 실증을 진행 중이고, 2022년부터는 QLD주 770가구에 Study(California Public Utilities Commission)

호주는 2021년부터 2026년까지 NSW주 23,500가구와 SA주 수소를 10vol%까지 혼입하는 실증을 추진 중에 있으며, NSW주 에너지법(The Energy Legislation Amendment Act 2021)에서 수소혼입 비율을 10vol%까지 허용하고 있다.(출처 : NSW Hydrogen Strategy-NSW Government, '21.10/The down low on hydrogen policy and regulation in Australia (Australia Environment Review, `22.3)

국내서도 수소혼입 안전성 검증 본격 추진

정부에서는 120대 국정과제 이행계획서(22.7)와 제1차 수소경제 이행 기본계획(21.11)에 LNG 배관망에 수소혼입 실증을 거쳐 발전용 배관부터 수소를 본격 혼입하는 수소공급 확대 정책을 반영하였다. 2023년 4월부터 2026년 3월까지 도시가스 전주기(공급설비·배관망·연소기·가스기기 등)에 대해 수소혼입 비율을 5vol%에서 20vol%까지 4단계(5→10→15→20vol%)로 실증을 진행하여 안전성을 검증하고 안전기준(KGS Code/KS 표준)을 마련하여 제도화할 예정이다.

사업핵심 내용은 첫번째 과제로 도시가스 배관망 수소혼입시 배관의 크랙발생 등에 대한 수소취성 적합성 평가 및 배관의 잔존수명 예측 안전기술개발/실증을 통한 안전기준을 제도화하는 것이다.

기술개발 주요 내용은 수소 사용환경의 도시가스 배관재료 수소취성 평가 및 시험장치 제작기술, 도시가스 배관 수소혼입 및 유속에 따른 성능평가·수명예측 기술, 수소혼입시 수소가스 발화 위험성 평가기술, 수소혼입 환경에서 풀리에틸렌(PE80/PE100) 배관 수소침투 안전성 검증·평가기술 및 가압시험(10Bar) 실증 등이며, 성과물은 배관재료 수소취성 분석/평가 시험장치 4종(압력 0.1∼10MPa), 도시가스 배관 수명예측·건전성 평가 프로그램(2종), 도시가스 PE배관 수소환경 평가/안전기준(1종) 수소혼입 배관재료 수소취성 설계 기술기준(KGS Code 8종) 등이다. 두 번째 통합형 총괄 과제는 도시가스 배관 및 연소기·가스기기 등 수소혼입 안전성 검증 및 실증을 위해 사업추진 방향 조정, 성과도출 전략을 수립하고 수소혼입 Pilot설비 구축장소, 실증방법, 운영방향, R&D 종료 후 활용방안, 제도화 추진계획을 수립하여 체계적인 관리를 통해 성과를 극대화하는 것이다.

도시가스 배관망에 수소를 20vol% 혼입시 LNG분야 온실가스(CO2)를 약 765만톤/년(NDC 감축 목표량의 2.63%) 감축할 수 있을 것으로 예상된다.

2026년 하반기 수소혼입 기반 마련 기대

도시가스 전주기(공급설비·배관망·연소기·가스기기 부품 등)에 대한 수소혼입 20vol%까지 4단계(5→10→15→20vol%) 실증 사업을 성공적으로 완료하면 도시가스 배관망 수소혼입을 위한 안전기준 약 71종(KGS Code 52종, KS 표준 19종)이 제·개정하여야 하며, 2026년 하반기에는 도시가스회사 주관으로 권역별 도시가스 배관망 및 연소기·가스기기·부품 등에 대한 현장적용 시범사업을 실시하여 신뢰성과 안전성이 확인한 후 국내 34개 도시가스회사 공급 도시가스 배관망에 본격적으로 수소혼입 공급을 할 수 있는 기반이 조성될 것으로 기대된다. 다만, 도시가스 배관망에 수소혼입 비율을 20vol%까지 허용할 경우에는 도시가스 배관망 전주기 안전관리체계와 안전관리시스템 고도화를 검토해야 하며, 가스누출을 검지할 수 있는 수소혼입용 검사장비(휴대용, 차량용)와 수소혼입 배관망 내부 정밀탐상용 로봇 비파괴 검사장치 개발과 배관도시가스 공급설비 및 사용시설에 설치된 가스누출 검지부 등 안전장치 등의 호환성에 대한 검증이 필요할 것으로 예상된다.