2.3.1 천연가스 생산프로세스
LNG 생산기지의 천연가스 프로세스는 Fig. 2.18에서처럼 산지에서 LNG가 배 로 운반되어 저장탱크에 저장되면 저압펌프에 의해서 탱크로 부터 증발가스 (BOG) 재액화기를 냉각시킨 후 고압펌프에서 80기압까지 승압되어 기화기를 통 과한 후 수요처까지 공급하게 된다.
Fig. 2.18 City gas supply system in LNG terminal
여기서 냉열을 활용할 수 있는 구간은 저압구간으로서 탱크부터 BOG재액화 기 전단까지, 고압구간으로서 고압펌프후단부터 기화기전단까지이다. 저압구간 과 고압구간은 냉열을 활용하는 데 있어서 매우 중요한 투자비와 운전비에 영 향을 줄 수 있는 구간으로서 저압구간은 압력이 10기압정도로 낮고 LNG온도도 -157.0℃정도로 일정한 조건을 가질 수 있다.
하지만 고압구간은 재액화기를 통과한 LNG는 온도가 상승하고 고압펌프에 의해서 가압이 되어 80기압을 유지시키기 때문에 열교환기의 초기투자비가 상 승하는 것과 더불어 LNG온도상승에 의해 요구유량이 증가됨으로서 열교환기의 크기를 증가시키기 때문에 상대적으로 비용이 크게 증가하게 된다.
2.3.2 생산기지 냉열이용 가능 량
생산기지 냉열이용 가능 량은 계절에 따라 차이가 발생된다. 이것은 탱크나 배관으로부터 발생되는 증발가스 량의 차이가 발생되고 송출되는 LNG량에 의 해서 재액화기를 통과한 LNG온도가 변화하기 때문이다.
생산기지의 LNG냉열 량을 분석하기 위해 동절기와 (하절기)로 구분하여 운전 조건들로부터 냉열에너지 및 엑서지 량을 산출하면 냉열에너지는 저장탱크에서 100%를 가지고 있으며, 저압펌프에 의해서 1%, BOG재액화기에서 1%, 고압펌프 에서 3%, 기화기를 통해서 82%, 그리고 공급배관을 통해서 13%의 냉열이 사용 되고 있다.
특히, 열역학적 시스템을 단순히 에너지관점에서 분석하게 되면 82%가 기화 기를 통해서 해수에 버려지고 있다고 평가를 할 수 있다. 그러나 해수식기화기 는 LNG 180톤을 기화시키는 데 해수펌프 전력비 정도의 운전비용만 소비하게 되어 해수식기화기가 가장 효과적이라고 생각된다.
Fig. 2.19 Energy flow on LNG process in winter(summer) season
따라서 Fig. 2.19처럼 에너지관점에서 보면 천연가스를 송출하는 데 냉열에너 지를 13%만 소비하고 나머지 82(77)%를 회수해야 하지만 이런 모순점을 정확하 게 정략적으로 평가할 수 있는 방법은 엑서지 관점에서 보는 것이다.
Fig. 2.20은 엑서지 관점에서 본 것으로 저압펌프에서 1%, BOG재액화기에서 1%, 고압펌프에서 0.2% 증가, 기화기에서 36(30)%, 그리고 공급하는 데 62(58)%
를 사용하고 있다. 이런 관점에서 보게 되면 냉열에너지의 62(58)%는 수요처까 지 공급하는 데 사용되고 있으며, 36(30)%만이 해수식기화기에 전달되고 있음을 알 수 있다. 이런 분석을 통하여 LNG냉열은 LNG를 기화시켜 제한된 직경의 배 관을 통하여 천연가스를 공급하고 있는 것이 주요업무임을 알 수 있다[6].
Fig. 2.20 Exergy flow on LNG process in winter(summer) season
한편으로는 62%의 냉열이 어떻게 해서 공급하는 데 사용되고 있는 지를 의심 할 수 있다. 이 부분을 간단히 증명해 보면, LNG는 저압펌프와 고압펌프에 의 해서 승압이 되며 이것은 냉열에너지가 송출에너지로 전환된다는 것을 의미한 다. 기화기 후단에서의 천연가스 조건은 68기압 1.6℃이다. 이것을 대기압으로 단열 팽창시키면, 줄 톰슨효과에 의하여 -47.1℃로 냉각된다.
Table 2.6 Cold energy available in LNG receiving terminal
Division Winter Summer Remarks
Coolness availability rate (%) 36.0 30.0 Available amount of cold
energy(kcal/kg) 71.5 59.6 LNG per kg
결론적으로 생산기지 냉열이용량은 기존에 알려진 LNG 1.0kg당 약 200kcal를 활 용할 수 있는 것이 아니라 BOG를 처리하는 데 10%를 소비하고 송출에너지로 60%를 소비하게 된다. 따라서 생산기지 내에서 30%가 활용할 수 있는 냉열량 이며 그 양은 Table 2.6에 보여 주는 것처럼 동절기는 대략적으로 71.5kcal가 활 용가능하며 하절기는 59.6kcal가 활용가능하다.
2.3.3 국내의 냉열 이용사례
냉열에너지 산업정책개발 연구회에서 그동안 고온에너지 중심으로 추진된 모든 에너지정책 사업에 추가하여 LNG의 냉열에너지로 대표되는 저온에너지 를 미 활용되고 있는 현실을 타파하고 국민생활의 전반적인 향상에 걸 맞는 냉방에너지를 안정적으로 공급하고 저온에너지를 효율적으로 관리하는 시스템 을 구축하고자 대규모 냉열에너지를 활용한 지역집단 냉방에너지 공급시스템 의 구축, 냉열에너지 관련 실용화 정책개발, 에너지관련 법규 및 제도개선 등 을 추진하기 위해 냉열에너지 전문가들이 모여 정책토의를 추진하게 되었다.
국내 에너지자원의 공급과 관리는 모두 고온에너지의 생산과 효율적인 절감 대책이 전부였고, 냉열에너지를 공급하기 위해서는 결국 고온에너지를 생산하 는 연료를 연소하여 저온에너지를 생산하는 전기에너지의 공급과 냉매의 상변 화를 이용한 압축식 냉동시스템으로 대별된다.
따라서 신재생에너지의 공급과 활용도 결국은 고온에너지를 공급하는 연료 자원을 친환경적으로 바꾸자는 에너지정책이고, 저온에너지를 친환경적으로 공 급하기 위한 저온에너지 정책은 없다[6].