화석연료의 고갈에 따른 에너지 가격의 상승과 대체에너지 확보의 문제 그리고 화석연료 소비시의 CO2 배출에 따른 기후변화와 환경문제는 이미 전 세계적인 현안 과제로 부상하고 있다. 

선진국의 경우 화석연료로부터 발생하는 CO2 발생량의 년도별 감축목표를 정하고 각국간 기후변화 협약을 발표하여 지속적인 신재생에너지원의 확대와 대규모 플랜트의 에너지소비 효율을 향상 시키고 공정 중 미활용 에너지를 효과적으로 회수하려는 노력이 진행되고 있다. 

▲ 국내 대표적 폐열 발전소인 양천구 목동 열병합발전소(양천자원회수시설)

국내 천연가스 보급체계는 시추지점에서 채굴한 천연가스를 초저온의 액화상태로 수입하여 국내 항만에 설치된 천연가스 생산기지에 액상으로 저장하였다가 해수의 열로 기화시킨 후 배관망을 통하여 기체상태로 각 지역의 정압관리소로 보낸다. 이와 같이 미활용 에너지 회수의 필요성이 증대되고 있는 상황에서 우리나라는 천연가스의 사용량 증대로 세계 3위의 천연가스 수입국이며, CO2 저배출 기술을 이용한 전기생산이 필요한 시점이다. 이러한 CO2 저 배출 전력생산 기술 중 천연가스의 도입, 저장 및 이송의 과정에서 발생하는 고압가스의 감압으로 손실되는 압력에너지를 활용한 차압발전 기술이 각광받고 있으며, 미래의 수소에너지 시대로의 징검다리 역할을 할 천연가스 차압발전의 도입가능성을 소개하고자 한다.

각 지역의 정압관리소는 수십 km에서 수백 km의 장거리 이송이 가능하도록 70 기압 정도의 고압으로 송출시킨다. 이때 정압관리소에서는 생산기지로부터 보내어진 약 65기압 정도의 기체상의 천연가스를 8.5 기압 정도의 중압기체로 압력을 떨어뜨린 후 지역 도시가스사에 공급하게 되고 지역 도시가스사는 이를 2.5기압으로 감압하여 상업시설 및 가정으로 공급하여 사용하게 된다. 또한 발전소에서 필요한 천연가스는 25기압으로 감압하여 공급한다. 

▲ 효성에서 구축한 울산 경동 수소충전소

현재는 감압을 위해서 정압관리소에서 정압밸브라고 불리는 JT밸브를 사용하고 있다. 정압밸브는 단지 압력만을 떨어뜨리기 위한 설비로 밸브의 개폐 정도에 따라 압력의 감압 정도를 조절한다. 이에 비해 터보팽창기는 정압과정에서 고압의 천연가스가 터빈날개를 회전시키면서 발전기를 돌려서 청정한 전기에너지로 회수되고, 고압가스는 이러한 팽창과정에서 감압되면서 가스온도가 내려가게 된다. 예전에는 가스온도가 영하로 내려가는 것을 방지하기 위해서 별도 가스히터로 예열을 했었다. 그러나 최근에는 기술이 더욱 진화하여 추가 예열 없이도 경제성을 확보 할 수 있게 되었다. 결국 생산기지에서 공급된 천연가스가 정압관리소를 거쳐 수요처로 보내어 질 때 적절한 압력으로 감압되어 공급 되어지는데 이때 회수 가능한 압력에너지가 버려지고 있어서 이를 활용하여 청정한 에너지원으로 변환 하고자 하는 시도가 있어 왔으며 이러한 기술 중에서 버려지는 압력을 회수하여 전력을 생산할 수 있는 터보팽창기 기술을 소개한다.

이러한 터보팽창기 기술은 천연가스를 비롯하여 고압의 수소, 질소 등 그 대상이 점점 확대되어가는 추세이다

2021년 현재 국내는 정압관리소가 147개소가 있으며, 터보팽창기를 적용하여 차압을 전기로 활용할 수 있는 유량을 보유한 정압관리소가 다수 있을 것으로 파악되고 있어 출력 80㎿ 이상의 차압 발전 전력을 회수하지 못하고 있다. 

해외에서 운영되고 있는 터보팽창기의 현황을 살펴보면 이미 1980년대에 GE사 등에서 가스배관망의 압력차를 이용하여 팽창기 설비 도입을 시작으로 전세계적으로 4,000여기 이상의 터보팽창기가 운영되어 에너지 회수에 기여하고 있다. 국내에서는 2013년 김해 정압관리소에서 안정성을 검증한 시범사업 경험이 있고, 최근에는 발안 정압관리소에서 2022년 시범 가동을 목표로 1.5 MW 급  터보팽창기와 연료전지 및 수소충전소를 연계한 국책과제가 진행 중이다.

터보팽창기 적용을 위한 기술적∙정책적 해결과제로 우선 회수한 전력을 한전에 매전 할 수 있어야 한다. 회수한 전력은 우선적으로 정압관리소 내의 소내동력으로 사용을 하고 잉여 전력은 기존에 설치되어 있는 한전의 그리드에 연계하여 매전하면 된다. 그러나 정압관리소는 사업범위상 발전사업을 할 수 없기 때문에 회수한 전력을 한전거래소에 매전 할 수 있는 체계 변경이 요구된다. 

새로운 대안으로, 잉여 전력을 한전거래소에 매전하는 대신에 수전해용 전력으로 활용하여 그린수소를 생산하고 정압관리소 인근에 있는 수소충전소에 공급하는 방안이다. 이럴 경우 수소가격을1kg당 7,000원으로 산정 시 년간 3억원 이상의 수익을 얻을 수 있으며 친환경 사업의 이미지를 부각 시킬 수 있고 투자비는 5년 이내 회수 할 수 있는 안정적인 수익사업으로 발전시킬 수 있다. 

또 하나 해결해야 할 과제는 설치 규정에 관한 것으로 국내의 정압 설비는 건물 내에 설치하도록 규정되어 있다. 터보팽창기 설비는 실내∙외 설치가 가능하지만 정압설비 설치 규정을 적용 시 건축비 및 안전설비비 등 추가 투자비가 발생하여 초기 투자에 큰 부담이 되고 있다. 외국에 설치된 터보팽창기는 옥외에 설치된 경우도 다수 있으며 우리나라도 이러한 부분에 있어서의 규제를 완화하는 노력이 병행되어야 할 것이다. 

▲ 연료전지 발전소에 설치된 ORC 발전기

또한, 국내에 보급되고 있는 연료전지 발전소에서 발생한 폐열을 활용하여 물의 비등온도 보다 낮은 온도에서 증발하는 냉매를 가열해 터보팽창기를 가동할 경우에도 전력의 생산이 가능하다. 이 개념은 유기랭킨사이클(ORC)로 알려져 있으며 해외에서는 소각장과 지열 시장에 널리 보급되고 있는 기술이다. 그 동안 국내에서는 연료전지 발전소의 폐열로 발전한 전력을 연료전지 발전소의 소내전력으로 활용하여 펌프, 송풍기 등의 전원으로 제한적으로 사용하였지만, 앞으로는 ORC에서 회수한 전력으로 수전해 장치를 활용하여 저렴한 비용으로 수소를 생산할 수 있는 새로운 시장이 창출될 것으로 전망 된다.

최근 폐막된 제 26차 유엔기후협약 당사국총회(COP26)에서 선진국 포함 전세계 120여 개국 정상들이 지구의 평균 온도를 산업혁명 이전 대비 1.5℃ 상승 이내로 막기 위해 2030년까지 온실가스 배출량 감축 목표를 발표 하였다. 우리 정부도 저탄소 녹색성장 정책의 일환으로 온실가스를 감축하는 친환경적이고 활용 가능한 에너지원 발굴 방안 검토 노력이 진행되고 있으며 사용 가능한 폐자원 및 폐에너지를 최대한 사용한다는 목표로 정압관리소에서 버려지는 차압에너지의 활용에 정책적, 기술적 관심을 기울일 때다.