2.2 LNG냉열의 활용
2.2.4 액화탄산 및 드라이아이스 사업
1) 국내현황
액화탄산 및 드라이아이스는 국내에서 청량음료에 첨가, 주물공업, 탄산가스 용접, 식품건조냉동, 화학원료 및 제약, 정비보수용 등으로 활용되고 있다. 특 히 탄산가스는 GNP성장률에 비례하여 수요가 증가하는 제품이다.
조선업계와 자동차업계는 주로 용접용으로 사용하고 있다. 현재까지 액화탄 산의 제조는 전기방식을 이용하여 탄산가스를 액화나 고체화 시키고 있다.
2) 국외현황
액화천연가스의 냉열을 이용하여 액화탄산을 제조하는 곳은 일본에 3곳이 있다. 도쿄가스의 니기시기지, 오사카가스의 센보쿠기지, 토호가스의 치타기지 에서 생산을 하고 있으며 니기시기지는 1909년부터，센보쿠기지는 1973년부 터，치타기지는 1977년부터 조업을 시작했다.
일본 내의 액화탄산가스의 장점은 LNG생산기지근처에 석유화학플랜트가 있 어 부생되는 탄산가스를 배관으로 공급받아 액화탄산가스와 드라이아이스를 제조하고 있다. 따라서 탄산가스제조시의 경제성은 파이프라인 공급방식이 가 장 유리하고 벌크방식으로 공급하는 것은 유통비용이 상당히 증가하기 때문에 거의 경제성이 없는 것으로 보고되고 있다.
일본 내 액화탄산가스의 주 용도는 건물의 화재진압용 소화기로 사용되고 있으며 드라이아이스는 냉각제 또는 케이크의 냉각유지로 사용되고 있다. 액화 탄산과 드라이아이스의 수요는 매년 증가하고 있으나 아직까지의 대규모 생산 단계는 아니다. LNG 냉열을 이용하여 탄산가스나 드라이아이스를 생산하는 방 식이 여러 장점을 가지고 있으나 시장이 소규모인 것으로 액화탄산가스의 공 급을 견제하고 있는 것으로 일본 내에서 보고되고 있다.
결론적으로 액화탄산 및 드라이아이스의 시장은 소규모로 구성이 되어있고 탄산가스의 발생처가 생산기지 근처에 있을 경우 생산성이 뛰어나고 액화탄산 의 판로가 확보되면 경제적 효과를 볼 수 있다.
3) 경제성 결과
냉열을 이용한 액화탄산 및 드라이아이스 사업의 경제성은 현시점에서 매우 낮은 것으로 나타났다. 초기투자비 및 운영비에 비하여 얻을 수 있는 수익이 적고 냉열활용 후 발생된 증발가스양이 공기액화 분리의 5배 이상으로 한국가 스공사 현실에는 절대적으로 맞지 않는 사업이다.
그러나 이런 부분을 고려하지 않을 때의 경제성 효과를 분석해도 투자가치 는 거의 없는 것으로 나타났다[6].
2.2.5 냉동창고사업 1) 냉동창고사업 현황 1-1) 국내현황
생활수준의 향상으로 냉동산업은 호황을 누리고 있으며 특히 평택항의 물류 량이 해마다 증가하고 있기 때문에 LNG냉열을 사용하여 냉동창고사업을 수행
할 경우에 대한 경제성을 분석하였지만 국내의 냉동창고사업은 압축식 냉동시 스템이었고 현재까지 LNG냉열을 이용한 실적은 전무한 상태이다.
이는 냉동창고사업의 40%가 부산에 밀집되어 있고 경쟁이 치열한 사업으로 경제성은 냉동창고의 규모에 의해서 결정되며 대형 화주를 확보해야만 수익을 유지할 수 있는 냉동창고의 거의 모든 물량이 수입된 물량이고 이러한 물량을 처리하기 위해서는 집산지 근처에 냉동창고가 있어야 하며 경매처분이 용이해 야만 물동량을 확보할 수 있는 사업이다.
1-2) 국외현황
냉열을 이용하여 냉동창고사업을 하고 있는 국가는 일본으로서 초저온(주)가 R-12를 2차 냉매로 사용하여 -60℃에서 참치를 저장하며 -50℃에는 바다가재 등을 저장하고 –35℃에서 연어, 송어, 밤 등을 저장하는 사업을 하고 있다.
1974년 설립된 이래 2차에 걸친 설비증설로 32,000톤 규모의 설비를 확보하 고 있다. 일본은 참치 수요가 매우 많고 고급 참치는 –60℃에서 저장하는 것으 로 알려져 있다.
1) 대만의 논문자료예시
Fig. 2.13의 경우는 대만의 National Sun Yat-Sen University에서 발행된 논문 의 예시시스템으로 –148℃ 83kg/cm 고압의 LNG를 열교환기 3대에 차례로 공 급하여 최종 10℃ 62kg/cm의 고압 NG를 천연가스 수요처에 보내게 된다.
이러한 과정에서 2차 냉매가 첫 번째 열교환기에서 –41℃로 냉각되어 –35℃
냉동실에 사용되고 –38℃로 온도 상승된 냉매는 –20℃의 냉동실을 거쳐 15℃의 냉방시스템까지 냉각한 후에 3번째 열교환기로 회수되어 계속 냉각 순환되는 시스템이다.
이 시스템의 경우는 LNG열교환기 3대를 직렬로 연결하여 고압의 LNG를 통 과하도록 하였으며, 급속냉동실과 일반냉동실을 거친 브라인은 3번과 2번 열교 환기로 들어오는 시스템으로서 본 논문에서 설계 제시하는 급속냉동실보다는 온도가 높은 –35℃로서 브라인의 순환방향도 역방향으로 시스템이 다소 복잡 하다.
Fig. 2.13 Operation condition of cold storage 1 2) 일본의 시스템예시
여태까지의 냉동 및 냉장창고의 프로세스는 일본자료와 현대엔지니어링 자 료를 토대로 구성하였다.
이러한 자료를 근거로 작성된 Fig. 2.14의 시스템은 시간당 LNG 5톤이 공급 되어 -148℃에서 –20℃로 회수되고 2차 냉매인 –18℃의 R-22가 시간당 30톤으 로 하나의 열교환기를 거치면서 –120℃까지 냉각되고 냉각된 R-22는 –50℃의 급속냉동실과 –20℃의 냉동실 및 0℃의 냉장실에 차례차례 직렬로 공급되어 원하는 온도까지 내려간다.
온도변화에 따라 2차 냉매의 유량은 바이패스 밸브로 조절된 후 –18℃로 열 교환기에 돌아오게 되며 다 사용하지 못한 LNG 5톤의 -20℃냉열은 해수를 통 해 바다에 버려진다[6].
이 시스템의 경우는 급속냉동실의 온도가 –60℃, 브라인은 R22 그리고 LNG열교환기
1대를 사용한 것은 브라인을 제외하고는 본 연구논문의 모델1과 비슷하지만 1대의 대 형 열교환기로 열낙차가 128도에 해당되며 더 이상의 열낙차는 제작상의 문제가 있기 때문에 LNG의 열교환기 이후에도 아직까지 냉열에너지가 많이 남아있는 –20℃의 LNG 를 해수로 기화시키는 시스템으로 열효율이 낮다고 볼 수 있다.
Fig. 2.14 Operation condition of cold storage 2 1-3) 국내외 기술현황
국내는 현재까지 LNG냉열을 이용한 냉동창고사업을 하고 있지는 않으나 1996년 현대 엔지니어링이 검토할 당시 LNG냉열을 이용하기 위한 C0를 2차 냉매로 하여 냉동할 수 있는 시스템을 설계한 것으로 보고되었다.
국외는 일본이 R-12를 사용하여 냉동창고사업을 할 수 있도록 시스템을 구 성하고 약 30년간의 기술적 경험을 갖고 있다. 현재 LNG냉열을 이용하여 냉동 창고를 건설하는 것은 국내기술로도 충분히 수행할 수 있고 운영할 수 있을 것으로 판단된다.
1-4) 경제성 평가
한국가스공사입장에서 LNG공급의 수입보다 LNG공급과 BOG처리에 대한 비 용이 과중되기 때문에 액화천연가스를 이용한 냉동창고의 경제성은 매우 낮은 것으로 나타나 실효성을 거두기가 어렵다고 분석하였다.[6].
2.2.6 LNG냉열이용 지역냉방
LNG의 냉열에너지를 이용한 지역집단 냉방시스템에 대한 공정설계기술은 LNG 저장탱크가 설치되어있는 인근의 바다나 호수에 버리는 냉열에너지를 회 수하여 기존의 에어컨시스템을 대체하자는 것이다.
냉방에너지 공급시스템은 공기라는 열매체와 200kcal/kg의 냉열에너지를 가 진 LNG사이의 열교환작용에 의해 냉방에너지를 공급하는 효율성과 안전성을 함께 갖추고 있으며 바다에 버리는 폐열에너지를 회수함으로써 냉열에 의한 바다생태계에 미치는 영향을 최소화할 수 있으며 LNG냉열에너지를 이용한 지 역집단 냉방에너지 공급시스템은 압축식냉방시스템의 동력원인 열기관이나 전 기모터로 인해 CO나 프레온가스를 공기 중으로 방출하기 않는다는 장점을 가 지고 있다.
1) 기존 냉방시스템의 구성과 특징
기존의 압축식 냉방시스템은 Fig. 2.15처럼 저압의 기체냉매를 전기모터로 압 축기를 구동하여 고온고압의 기체냉매를 실외기인 응축기에서 냉각 액화시킨 후 고압의 액체냉매를 팽창밸브를 통해 감압 팽창시켜 증발기에서 액체의 냉 매를 기체로 상변화시킴으로써 기화열을 뺏긴 주위의 냉각된 공기를 전기모터 를 이용한 냉각팬을 통해서 냉방이 필요한 곳으로 보낸다.
증발기에서 기화열을 흡수하고 온도가 올라간 냉매는 압축기에서 다시 압축 순환되면서 그 목적을 달성한다. 하지만 이 시스템은 전기에너지를 사용하여 대용량의 압축기를 운전함으로써 발전기에서 뿜어져 나오는 배기가스는 지구 의 온난화에 영향을 미치는 온실가스인 이산화탄소를 발생시키고 또한 프레온 냉매를 사용함으로써 오존층을 파괴시키는 물질을 배출한다.
Fig. 2.15 Conventional district air conditioning system 2) LNG냉열을 이용한 냉방시스템
LNG저장탱크에 있는 액화천연가스를 도시가스의 형태로 소비자들에게 공급 하기 위해서는 기화시스템에서 액체가 기체로 되는 열 교환과정에서 발생되는 200kcal/kg의 냉열에너지를 열교환기를 통해 바다나 공기 및 전열장치로 버리 는 대신 기존 냉동시스템의 증발기에 보냄으로써 냉각된 공기를 팬을 통해 지 역냉방에 공급하여 냉동압축기의 구동에너지를 절약한다.
Fig. 2.16 District air conditioning system using LNG cold energy
Fig. 2.16은 LNG의 냉열을 이용한 지역집단 냉방시스템으로서 LNG 저장탱크 에서 공급된 냉열을 열교환기를 통해 수요처인 가정이나 공장 등에 공급하는 과정을 보여주고 있다.
3) 냉열이용 지역냉방 사업현황과 기술 3-1) 국내 기술 및 사업현황
지역냉방은 대형건물이나 공공건물에 시행되고 있는 것이 현실이고, 주택용 으로는 처음으로 경기도 안산시에서 쓰레기 소각장의 소각 열을 활용한 지역 냉방을 2006년 6월부터 안산시 사동 푸른 마을3단지에 공급할 계획으로 있었 으나 현재까지 LNG냉열을 이용하여 지역냉방을 국내에서 실시한 사례는 전무 한 상태이다.
3-2) 국외 기술 및 사업현황
LNG냉열을 이용하여 지역냉방에 실용화한 사례는 외국의 경우도 전무한 상 태에 있으며 일본의 경우 지역냉방을 위한 프로세스 구성방안을 수립하고 엑 서지 회수율을 검토하여 보고한 사례가 있다. 이 보고에 의하면 냉방 및 화학 공정에 적용 시 10%의 엑서지 회수율을 가지고 있다고 밝혔다.
이 결과로 LNG냉열을 지역냉방에 적용할 시 경제성 자체가 매우 희박하다는 결론을 얻었다. 따라서 LNG냉열을 이용한 지역냉방에 대한 검토사례는 여러 보고서를 토대로 확인할 수 있었으나 시스템을 구성하는 데 있어 많은 어려움 이 발생되고 냉방대상건물의 위치에 따라 경제성에 현격한 차이가 발생되어 해외 어느 선진사에서도 실용화를 추진하지 못하고 있다.
2.2.7 기타 냉열이용 기술현황
공기액화 분리뿐만 아니라 액화탄산가스, 에틸렌 그리고 높은 순도의 메탄 생산 및 냉열발전시스템 등의 복합 생산시스템이 Fig. 2.17에 나타내고 있다.
또한 LNG냉열을 이용한 수소액화기술의 경우 수소가스의 온도를 비등점이하 로 냉각시키기 위해서는 LNG나 액체질소 등의 초저온 열매체가 필요하며 LNG의 잠열은 511으로 액체질소 잠열인 199.2보다 2배 이상 크기