에너지신산업으로서
–100℃ 이상의 저온, 냉동·냉장창고 핵심기술 주목
산업통상자원부에서 LNG 냉열에너지를 신산업분야로 분류하여 산하기관인 에너지기술평가원을 통하여 산업기술혁신사업(에너지기술개발사업)으로 2016년 12월부터 약 34개월간 유진그룹의 유진초저온(주)가 주관기관으로 추진 중인 ‘LNG 냉열(-100℃이상) 이용 저온 냉동·냉장 시스템의 핵심기술 개발’ 사업의 추진현황을 본 지면을 통해 설명한다.
1. LNG 냉열의 개요 및 활용현황
Liquefied Natural Gas (LNG; 액화천연가스)는 해외가스전에서 수송의 편리성을 위해 기체인 천연가스를 가스처리장치에 의해 질소와 이산화탄소, 불순물 등을 제거한 후 저온 고압으로 액화한 것으로 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등으로 구성되어 있다. LNG 저장밀도는 약 430-470 kg/m3으로 표준상태의 기체에 비해 625배 이상이고, 약 –162℃ 온도를 지닌 초저온 액체 상태이다. LNG는 한국가스공사가 해외가스전에서 LNG 선박을 통해 수입 후 인천, 평택, 통영, 삼척 LNG 터미널의 LNG 저장탱크에 하역하여 저장된다. LNG는 가정으로 공급하기 위해 기화기(Open Rack Vaporizer, ORV)에서 상온의 바닷물과 열교환되어 약 70기압, 상온의 기체 상태로 각 지역의 공급기지에 보내진다. 공급기지에서 LNG를 20기압으로 낮춘 후 지역도시가스에 공급하면, 1기압 이하의 저압상태로 낮추어져 가정에 공급된다. 이와 같이 –162℃ LNG를 기화시키기 위해 바닷물과 열교환하는 과정에서 버려지는 냉열은 약 830~860 kJ/kg 이며, 우리나라 LNG 사용량이 연간 약 3,200만톤 (2015년 기준)으로 약 6.4 × 1012 kcal (200 kcal/kg 계산)가 된다. 바다나 공기 중으로 버려지는 이 냉열은 거대한 에너지이며, 바다와 대기를 오염시킨다.
LNG 냉열 이용 산업분야는 LNG 기지 근방에 플랜트를 건설하여 LNG의 초저온액과 열교환함으로써 LNG 냉열을 직접 이용하는 방법과, 탱크로리로 원격지에 이송하여 냉열을 이용하는 간접방법이 있다. 냉열이용을 산업별로 구분하면 표 1에서 보는 바와 같이 직접 이용법인 냉동냉장창고산업, 공기액화분리, 냉열발전, 액화탄산제조 산업과 간접이용법인 저온 분쇄 및 식품 냉동산업이 있으며, 주로 일본에서 실용화가 많이 되고 있다. LNG 냉열의 온도별 산업분야를 나타낸 그림 1과 같이 냉열이용 산업은 저온냉장, 저온경작과 같은 0℃의 저온상태를 요구하는 사업이 있는가 하면, 수소액화, 초저온 송전설비 등 –200℃ 이하를 요구하는 초저온상태의 설비도 있다. 고온이나 저온의 에너지원 상태로부터 우리가 생활하고 있는 환경까지 실질적으로 얻을 수 있는 일 형태의 최대 유효에너지량을 의미하는 엑서지(exergy), 즉 유효에너지로 볼 때 그림 2에서와 같이 공기액화분리, 저온분쇄, 냉동창고 활용 순으로 높게 나타났다.
특히 LNG 냉열을 이용한 냉동냉장창고의 물류 시스템은 1974년 도쿄가스(주)의 요코하마 터미널에서 일본 초저온(주)가 12,000톤 규모의 냉동냉장창고를 운영하고 있고, 1997년 일본 후쿠오카 세이부가스에서 LNG 5 ton/hr으로 -30℃ 냉동창고 27,600톤 규모로 서부가스엔지니어링이 운영하고 있다. 우리나라의 최초로 LNG 이용 냉동냉장창고 구축 중인 유진초저온 평택오성물류센터는 미활용 LNG 냉열 이용, 연료전지 발전, 태양광 발전, ESS(에너지 저장 시스템)가 적용된 최첨단 신재생 열원 융·복합 에너지 기술 활용한 에너지 완전 자립형 물류센터을 짓고 있다. 국내 최대 저온복합시설, 최고의 신선도, 최첨단 콜드 체인시스템, 친환경에너지 완전 자립형으로 평택 오성 초저온 물류센터는 연면적 16만2223㎡에 지하1층 지상 7층 규모의 냉장창고 3개 동과 가공처리장 등으로 구성하고 있으며, 냉동·냉장·상온창고로 나눠 총 11만4940톤의 농수축산물을 수용할 수 있다. 주목할 부분은 HACCP 기준을 충족하는 최신식 가공시설을 갖춰 단순 보관만 하는 창고기능에서 벗어나 유통에서 가공·배송까지 전자동 원스톱 서비스가 가능한 미래형 복합물류센터를 목표로 하고 있다. 현재 전기식 냉동․냉장시설은 2014년 현재 780개가 운영되고 있고 증가 추세에 있어 우리나라의 LNG 냉동․냉장시스템에 연간 최대 3.3 × 1012 kcal 냉열을 사용할 것으로 전망된다.
2. LNG 냉열이용 냉동․냉장창고의 핵심기술개발사업
“LNG 냉열(-100℃이상) 이용 저온 냉동·냉장 시스템의 핵심기술 개발”사업의 기술개발 목표는 1) 고효율 열교환기의 압력과 온도에 따른 최적 열교환기 설계, 2) 냉동․냉장창고로 순환하는 냉매의 현열과 잠열을 동시에 이용하는 시스템 개발, 3) LNG 냉열 이용률을 50~60%에서 80~85%으로 향상, 4) 열교환기 효율을 70∼80%로 약 5~10%향상, 5) LNG 냉동·냉장 시스템이 단순하기 때문에 전기식 설비의 초기투자비에 비해 약 10% 이상 절감, 6) 시스템의 운전비용을 55% 이상 절감하는 LNG 냉열이용 냉동․냉장창고 실규모(LNG 2톤 이상) 플랜트 구축 및 기초 설계기술 확보를 목표로 하고 있다.
주관기관인 유진초저온은 개발업무 총괄, 고효율 열교환기 개발, 실증 Test Bed 구축 및 실증시험(2 ton/hr, 평택오성물류센터, 그림 4 참조), LNG 냉열 이용 융·복합 최적제어 시스템 개발을 수행하며, 중원냉열은 융·복합용 –60℃ 유닛쿨러 개발과 신냉매용 팽창기관 개발이며, 벽산엔지니어링은 실규모 플랜트의 기초 설계, 삼진야드는 가스엔진 GVU 개발 및 이중진공단열배관 개발, 인천항만공사는 test bed 제공 및 LNG 냉열을 이용한 타업종 비즈니스 모델 개발, 수원대학교는 고효율 열교환기 및 시스템 공정해석에 의한 최적화 연구, 시스템 경제성 분석 및 case study를 수행하고 있다.
3. LNG 냉열 이용 냉장․냉동 창고산업의 경제성 및 기대효과
동냉장 물류센터 설계시 건축면적 6,300평(보관면적 5,000평)×3층×5개동, 공칭수용톤수 43.5만톤 규모의 냉동창고 소요동력은 기계식과 냉열식으로 구현할 때 기계식 냉동창고는 약 31,000kW(컴프레서:18.000kW, 기타:13,000kW) 소요되며, LNG 냉열식 냉동창고는 약 5,000kW(컴프레서:0W, 액펌프:4,100kW, 기타:900kW) 소요된다.
본 연구의 핵심기술개발을 통해 –100℃이상의 저온을‘LNG 냉열’로 이용함으로써 기존 전기냉동기 대비 운전전력의 약 50~70% 절감 효과가 있어 경제적 측면에서 국가 물류 산업의 활성화에 크게 기여할 것이다. 또한, LNG 기지 부근이나 LNG 탱크로리에 의한 운송으로 LNG를 공급하고 냉열 활용 후 기화된 천연가스를 가스엔진발전에 의한 분산형 전력생산에 활용함으로써 환경적 측면에서 CO2 저감 및 녹색성장에 크게 기여할 것으로 기대된다. 구체적인 기대효과로 1) 친환경 대체냉매(CO2, 암모니아, 탄화수소, 수소, 헬륨, 질소, 산소 등) 사용으로 오존층 파괴 및 지구온난화 방지 기대, 2) LNG 냉동 기술에 의한 초저온 고효율 열교환기, 팽창기구와 Unit Cooler 개발에 따른 저온냉열 산업창출로부터 기술 수출 기대, 3) 석탄, 경유 등으로부터 생산한 전기에 의한 냉동기를 100% LNG 냉열로 대체함으로써 에너지의 수입대체효과 기대, 4) LNG 냉열 사용에 따른 기화 비용 및 LNG 연료추진선박의 에너지비용이 기존 시스템에 비해 약 50~70% 절감되므로 큰 경제적 효과가 기대된다.
4. 향후 추진일정
LNG 냉열(-100℃이상) 이용 저온 냉동·냉장 시스템의 핵심기술 개발을 위해서 2018년 7월까지 핵심기술인 1,2차 초저온 열교환기, 초저온 unit cooler, 진공단열배관의 시제품과 성능시험을 완료하고, 2019년 5월 2ton/hr 규모 LNG 냉열 이용 냉동냉장시스템의 test bed 구축하여 2019년 9월까지 약 2,000시간 실증시험 실시 및 개선하여 실규모의 기본설계를 작성할 계획이다.
