천연가스로부터 수소 생산
현재 사용되고 있는 수소는 주로 천연가스, 물, 바이오 메스로부터 제조되어 활용되고 있으며, 그 중에서 천연가스가 수소 제조 원료의 약 50%를 차지하고 있기 때문에 향후 20∼30년 이상 수소를 생산하는 주원료로 보여진다.
그래서 미국의 수소에너지 개발 방향 및 방법론에 대해서 화석에너지를 활용한 수소에너지 개발 인식 제고, 인프라 구축을 위한 Demo plant 공장 건설 등에 집중되고 있으며, 특히 대체 에너지원(태양광, 풍력, 조력 등)으로부터 수소 생산이 경제성을 갖기까지는 화석에너지원을 변환하여 수소를 생산 활용하는 과도기적 수소에너지 시스템이 중요한 역할을 담당해야 될 것으로 보인다.
미국의 경우 DOE 주도로 수소 제조·저장·이용 기술의 균형적인 개발을 꾀하여 Hydrogen Future Act(수소에너지 개발사업 활성화법)을 제정하고 대체에너지원·화석에너지원 역할을 분리, 개발을 수행 중에 있다.
일본의 경우 대표적인 WE-NET(World Energy Network) 프로그램으로 NEDO에서 주도적으로 수소터빈, 전기분해, 수소저장기술에 치중하여 개발에 박차를 가하고 있고, 수소에너지 제조기술의 대부분 선진기술을 보유하고 있는 독일은 국공립연구소별로 추진 중에 있으며 태양·수소에너지 시스템에 집중적인 연구를 수행 중에 있다.
가스公社에서는 2000년부터 경동도시가스와 함께 소규모 수소제조 장치 개발을 착수하여 경제성이 있는 수소발생장치를 시장에 시판할 계획이다. 한편 현재의 수소에너지 생산기술은 다른 화석연료에 비해 경제성이 떨어지고, 환경 친화적이지 못하기 때문에 수소에너지의 역할에 커다란 장애물이 되고 있다.
이를 개선하기 위해 2001년에 산업자원부로부터 대기 중으로 이산화탄소의 방출 없이 천연가스를 열분해하므로써 고순도 수소와 고급 카본 생산물 (프린터 토너 등)를 제조하는 기술 개발을 추진하고 있다.
천연가스로부터 DME 제조
DME는 Dimethylether의 略字이며 천연가스와 이산화탄소를 합쳐서만든 고부가가치 물질로서 현재 프레온 대체용(스프레이 및 에어로졸 - 모기약 등 추진제)과 농약 중간체 등의 정밀화학원료로 사용된다.
앞으로 DME는 물성이 LPG와 유사하여 보관·수송하기 용이하기 때문에 자동용 디젤·LPG 대체 연료로 활용할 가능성이 매우 높은 물질이다. 따라서 21세기 수송에너지로서 각광을 받고 있는 실정이다.
특히 TNO 연구기관에서는 최근 자동차 연료로서의 DME를 매우 좋게 평가하였으며, 그밖에 Amoco, Topsoe 등 여러 회사에서도 DME에 비상한 관심을 보이고 있다.
미국 DOE에서의 자동차용 대체연료 연구 프로그램(Automotive Alternative Fuel R&D program)에서 압축천연가스(CNG)와 함께 DME의 이용가능성을 검토하여 활발한 연구를 진행하고 있다. 메탄올과 동시에 생산하는 공정은 전환율을 높일 수 있는 방안으로 미국의 Air Products and Chemicals Inc.에서 실증 연구되고 있는 실정이다.
일본의 철강업체인 일본 강관(NKK)에서는 1989년 부터 합성가스부터 DME를 직접 합성하기 위한 액상 반응으로 연구를 시작하여 1995년 Bench 규모인 50kg/day 시험으로 반응조건의 최적화를 수행하였으며, 1997년 상용화 시스템 개발을 위해 파이롯 규모인 5ton/day 시험을 성공적으로 완료하였다.
한편 일본 정부에서는 ①석탄과 액화천연가스를 대체할 수 있는 대체 에너지자원 개발 ②차세대 신에너지원 ③아시아 내에서 에너지 수급을 안정하고 더 깨끗한 환경에 기여한다는 목적으로 통상산업성의 주관 하에 NKK, Taiheiyo Coal Mining Co, Sumitomo Metal Industries은 “Environmental Load Reduction Fuel Conversion Technology” 라는 프로젝트를 1997년부터 2001년까지 5년간 18억엔(약 14,000,000불)을 투입하여 용량 5 ton/day (=1,650 톤/년) 규모의 Pilot Plant 운용을 목표로 연구개발 중에 있다. 1997∼1998년도의 연구로는 예비설계, 상세설계, 제조 및 설치를 수행하였으며, 1999년 11월에 Pilot Plant를 준공하여 300시간 1차 DME 합성 시험을 마치고 2000년에 약 3개월간 연속 운전후 DME는 디젤엔진용 연료로 사용되고 있다.
이와 별도로 현재까지 차량 2톤 Isuzu truck 3,600cc급으로 100시간 운행한 시험결과로부터 검뎅이 배출이 거의 없는 결과를 얻었으며, 앞으로 DME 연료의 기술개발에 전력회사와 자동차 메이커의 협조가 매우 필요한 상황이다.
한편 일본은 ∼2010년경까지 DME 기술 실증단계의 기술개발을 계획하고 있으며, 메탄가스, 석탄, LNG 탱크에서 발생되는 BOG 및 제철 부생가스 등을 이용하여 효율적인 DME 제조의 프로세스 기술을 개발한다.
현재 하루 5톤 벤치 플랜트에서의 연구개발을 하고 있지만, 100톤/일 규모 이상의 실험공장에 의해 DME 제조 프로세스 기술을 확립하여 생산된 DME는 주로 화력발전소의 실증 시험에 사용하며, 일부는 DME 자동차의 주행 시험 등에 공급된다. 이외에도 화력발전소 및 DME 자동차로 DME를 사용시 기술적 문제를 해결함과 더불어 DME 품질의 표준화·규격화, DME 자동차 주행과 관련되는 법규 및 안전성 등과 관련 사항도 검토할 것이다.
또 LP가스 대체에 대해서는 가스의 연소성 등의 기술적 문제를 검토할 뿐 아니라 생산지와 수요처간의 유통 시스템을 구축하기 위해서 DME의 수송 및 저장 시스템 등에 대해서도 검증할 것이다. 특히 DME 자동차는 공공 기관에 시험적으로 도입하여 유통 시스템과 관련되는 법규 및 안전성 등에 대해서 검토를 하며, 장기적으로는 연료 전지용 연료로서의 이용도 생각하고 있기 때문에 조기의 DME 도입을 위해 관련 사항 검토 및 기술개발이 이루어질 것이다.
2010년 이후 DME의 실용화 단계에서는 DME 생산 기지로서 아시아·태평양 지역의 중소규모 가스전이 유망할 것으로 보이며, 가장 경제성이 높은 지역에서 상업기 1호를 건설하여 생산할 것으로 보여진다. 해당 생산 기지로부터 DME 소비지인 일본까지 LP가스 전용 유조선을 활용해 해상수송하여 수입기지의 DME 탱크에 저장된다.
DME 유통 관련 설비는 LP가스용 설비를 일부 개조하여 기존 설비를 활용함으로서 원활한 유통 체제를 구축할 것이며, DME 자동차 관련 기술의 확립과 생산 체제의 정비, 유통 인프라의 정비(DME 스탠드 등)가 진전함에 따라 DME 화력발전소 외 DME 자동차용 및 민생용(LP가스 대체)도 보급할 계획이다.
본격적인 DME 자동차 도입을 촉진하기 위해서 모델 지역을 설정해 공급함으로서 모델적인 DME 자동차 이용 사업을 전개할 것이다. 또 DME를 떨어진 섬 등의 분산형태 전원용 연료로서 이용하는 사업도 전개할 시나리오를 지니고 있다.
가스하이드레이트
가스 하이드레이트는 낮은 온도·높은 압력(例: 0℃ 26 기압, 10℃ 76 기압)에서 가스와 물이 결합된 얼음 형태의 고체 에너지를 말한다. 즉 압력이 높은 해저(海底)나 매우 추운 동토(凍土)에서 물과 가스가 결합된 결정체를 말한다. 분자 내에 메탄 가스가 결합되어 있으면 메탄 하이드레이트, 이산화탄소의 경우는 이산화탄소 하이드레이트로 불리 우는데, 여기서는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등으로 이루어진 천연가스에 의해 만들어진 하이드레이트와 에너지로 활용 가능한 천연가스 하이드레이트를 말하고 있다.
세계적으로 가스 하이드레이트에 관한 기술 개발은 극히 초보적인 단계로 아직까지 대규모 생산방법이나 구체적인 상용화기술이 확보되어 있지 않은 상태이다. 따라서 기존의 석유 및 가스생산과 유사한 방법으로 생산을 시도하고 있으나 지속적인 기술개발이 필요한 상태이다. 현재 가스 하이드레이트에 관한 연구는 전세계적으로 미국, 캐나다, 러시아, 일본, 노르웨이, 영국, 인도 등과 같은 선진국을 중심으로 활발히 이루어지고 있다.
부존 자원이 없는 일본의 경우 가스 하이드레이트에 대한 연구개발로 안정적인 에너지 자원을 확보하기 위해서 다른 나라에 비해 더 적극적이고 신속하게 이루어지고 있다. 1974∼1975년 난까이트러프 북측사면에서 해저면에서 강한 음향 반사면(BSR) 관찰을 시작으로 1982년 난까이트러프에서 고압가스압을 보이는 코아(core) 채취, 1989년 홋카이도 오쿠시리 해령에서 가스 하이드레이트 채취, 1990년 난까이트러프 북측사면에서 가스 하이드레이트 채취하였다.
가스 하이드레이트가 매장되어 있는 러시아와 같은 육지 동토(凍土)의 경우, 수요지로부터 거리가 2,000km 이상이 되고 동토지역의 파이프라인 시설, 보온 및 지반 침하 대책 등의 처리비용이 매우 많이 소요되며, 해상의 경우는 매장 위치가 심해 2,000m 이상의 해역에 부존 되어 있어, 심해에서의 시추기술과 생산 기술의 어려움이 많기 때문에 상업 생산 및 활용을 위해 여러 기술적인 사항과 경제성이 해결되어야 할 것이다.
바로 이러한 문제가 가스 하이드레이트의 풍부한 매장량과 매장 분포에도 불구하고, 현재 서시베리아 메소야카(Messoyakha)만이 개발 생산되고 있는 이유이기도 하다.
LNG기술연구센터
신·대체에너지 기술개발을 수행하고 있는 한국가스공사 연구개발원(원장 이범순)의 LNG 기술연구센터는 LNG기지 관련 기술개발 등의 수행을 위해 2000년 7월 31일 인천 LNG 생산기지 내에 총 부지 3,200평 건평 1,680평으로 연구동과 실험동 각 1동씩 총 25개의 연구실과 17개의 실험실로 이루어져 있다.
연구센터에서는 LNG 저장탱크의 Pilot화를 통한 저장탱크 국산화와 관련한 요소기술개발, LNG 기지 설비 및 공정 관련 현장연구는 물론 천연가스의 고부가가치화 및 미래에너지인 수소·디메틸에테르(DME) 제조연구와 가스하이드레이트와 같은 신에너지 기술 개발을 위하여 전력을 다하고 있다.
연구센터는 초저온 산업과 천연가스 고부가가치화 기술개발 분야에서 세계적 연구기관으로 새롭게 자리매김할 것으로 기대가 모아지고 있다. 특히 천연가스의 신·대체에너지 개발 분야로서 천연가스로부터 디메틸 에테르(프레온 및 디젤 대체용 물질)와 수소 제조, 가스하이드레이트 기술개발에 주력하고 있다.
<한국가스공사 연구개발원 LNG기술연구센터 백영순 센터장>