우리나라가 2050년 탄소 중립 실현을 목표로 다양한 정책을 추진하고 있는 가운데, 지난 2022년 2월에는 정부 주도로 가스안전공사, 가스공사, 도시가스사, 에너지기술평가원이 참여하는 ‘도시가스 수소 혼입 실증 추진단’을 발족했다. 이와 함께 국내에서도 천연가스 배관을 활용한 그린수소 혼입 실증사업을 시작했다. 한국가스공사에 따르면, 이번 수소 혼입 실증사업을 기반으로 향후 도시가스 배관망을 통한 수소 혼입 사업을 계획하고 있으며, 배관망에 수소를 10%만 혼입하더라도 연간 355만톤의 탄소배출을 절감할 것으로 기대된다. 이에 한국에머슨의 천연가스 배관을 통한 수소 운송 방안에 대해 알아본다. [편집자 주]
수소 혼합 천연가스를 운송할 때 해결해야 할 과제들
수소 수요가 전세계적으로 증가함에 따라 생산에서 소비에 이르는 공급망 체인 전반에 걸쳐 풀어야 할 과제가 증가하고 있다. 이 중 최대 과제 중 하나로 생산된 수소를 운반하는 문제를 들 수 있다. 가장 효율적으로 해결하기 위한 방법은 기존 배관 인프라에 천연가스와 수소를 일정 비율로 혼합해 운송하는 것이다. 에머슨의 수소 운반 솔루션은 완충장치를 충분히 갖추고 있어 천연가스망이 잘 발달된 국가나 지역을 포함해 거의 모든 곳에 수소를 주입할 수 있다.
하지만 수소와 천연가스를 혼합해 운송하는 방법에도 누출과 취성 같은 문제가 여전히 뒤따른다. 두 기체를 혼합할 때 필요한 조건 등 표준이 정립되지 않았기 때문에 배관이나 장비에 작은 수소 분자가 누출되면 큰 문제로 이어질 수 있다. 또한, 배관이나 장비 내 압력이 증가하면 적은 양의 수소가 금속 부품에 취성을 일으킬 수 있다. 따라서 모니터링과 유지관리 활동에 대한 필요성 또한 증가한다. 이밖에 가스의 연소성과 호환성을 판단하는 지수인 웨버 지수(Wobbe Index)가 수소와 천연가스가 각각 달라 계량기와 버너에 영향을 미칠 수 있으며, 수소 발열량은 천연가스보다 1/3가량 적기 때문에 두 물질을 섞으면 혼합물의 발열량이 적어진다. 이러한 문제를 해결하기 위해 파일럿 프로젝트가 다수 진행 중이며, 에머슨도 해당 프로젝트에 참여해 신뢰할 수 있는 조언자 역할을 하며 관련 기술을 선도해 나가고 있다. 수소 주입, 생성할 혼합물 분석, 측정, 제어에 대한 기술 솔루션을 비롯해 최선의 주입 비율과 이를 관리하는 방법도 연구하고 있다.
‘그리드 탈탄소화’로 탄소 배출을 저감하기 위해 필요한 사항
각 나라마다 탄소중립 목표를 달성하기 위해 온실 가스 배출량을 감축하려는 노력을 지속적으로 확대하고 있다. 그리드에 그린 수소를 일정 비율 주입하는 ‘그리드 탈탄소화’가 한 방법으로 제시되고 있다. 수소는 천연가스와 달리 연소 시 탄소를 배출하지 않기 때문이다. 따라서 천연가스 그리드에 수소 를 10%만 넣어도 탈탄소화 측면에서 큰 도움이 된다. 2019년 유럽 내륙 천연가스 소비량이 1,600만 테라줄이었던 것을 감안하면 10%라는 적은 주입 비율로도 탄소 배출이 상당량 저감됨을 체감할 수 있다.
에머슨은 다양한 제품과 솔루션 포트폴리오는 물론, 측정 장비, 압력 제어, 수소 분석 등 수소 산업의 다양한 영역을 처리한 풍부한 경험을 통해 탄소 배출 저감을 지원하고 있다. 표준이나 법률이 전무한 상황에서 파이핑과 밸브를 포함한 완전한 솔루션이나 스키드는 아직 구현이 불명확한 영역이다. 그렇기 때문에 에머슨과 고객은 각각 축적한 경험과 전문 지식을 최대한 활용해 천연가스망에 정확한 수소를 주입해 혼합하는 솔루션 개발에 몰두하고 있다.
수소 가스망의 핵심 인프라로 자리잡을 ‘수소 주입 스테이션’
수소 주입 스테이션은 망 전체에서 핵심을 차지하게 될 것이다. 가스망에 정확한 수소 양을 주입하고, 가스와 혼합물 품질을 측정해서 수소의 양을 알맞게 조절해주기 때문이다. 현재는 기존 가스망에 손상이나 피해를 전혀 입히지 않는 수소 비율을 10%로 계산하고 있지만, 가스망 외에 보일러 같은 기기에 수소가 주입되는 상황도 고려해 각각에 알맞은 정확한 비율로 주입해 안전과 효율을 모두 이끌어내는 것이 중요하다. 에머슨 최고 수준의 기술을 적용한 수소 주입 스테이션은 향후 수소 가스망의 핵심적인 첨단 인프라로 자리잡을 것이다.
수소 주입 비율 제어와 디지털 전환의 중요성
운영 전반을 고려하면, 단순한 수소 주입 비율 제어 외에도 새로운 아이디어와 기술을 접목해 낙후된 가스망을 재개발하는 것도 중요하다. 이에, 디지털 트윈과 같은 기술을 활용한 디지털 전환을 고려하고 있는 추세다. 이러한 관점에서 에머슨은 이 새로운 영역에서 선두주자로 자리매김하고 있다.
무엇보다, 수소가 지구에 가장 풍부하게 존재하는 원소라는 점에서 수소와 가스를 혼합하는 과정이 중요하다는 점을 다시금 강조할 필요가 있다. 그린 수소를 예로 들면, 전기 분해로 물이 생성되고 풍력이나 태양열 같은 재생 에너지를 사용하기 때문에 탄소 배출이 전혀 없다. 연소 과정을 포함한 수소 사슬 전체를 봐도 탄소가 배출되지 않는다. 천연가스보다 가격이 약 5배 높지만, 신기술이 가격 격차를 점점 줄이고 있기에 비용 문제가 해결되면 오히려 기존 화석 연료보다 비용 효율성을 개선할 가능성이 더욱 확대될 것으로 보인다.
수소 밸류체인 전 과정에 이르는 혼합가스망에 대한 지속적인 연구
에머슨은 수송부터 최종 사용자인 각 가정에 도달하기까지 전 과정에 이르는 혼합가스망을 연구, 실험, 테스트하는 방법을 구축하기 위한 노력을 지속하고 있다. 현재는 주요 DSO(배전 시스템 운영자)와 TSO(송전 시스템 운영자)들이 가스망에서 수소 혼합이 미치는 영향을 연구하고 있는 단계이다. 이 외에 개발한 기존 솔루션을 통합해 일부 테스트 스테이션을 구축하는 능력도 개발하고 있다. 테스트 스테이션을 구축하면 시스템은 압력을 측정, 분석, 제어하고 이를 안전하게 수행할 수 있게 될 것이다. 해당 기술은 부가가치도 창출해주며, 현재 미비한 표준과 법률을 어느 정도 예측할 수 있게 해 준다. 프랑스에서 기압 25바(363psi) 정도의 중간 압력 가스망으로 비슷한 실험을 시작할 예정이며, 네덜란드에서는 취기제 주입 프로젝트 2건이 진행되고 있다. 하지만 여기에는 수소와 천연가스 혼합물이 기존의 취기제 액체에 어떻게 반응할 것인가에 대한 문제가 존재한다. 이에, 에머슨은 지속적인 실험을 거쳐 가스망의 수소 비율을 10%에서 100%까지 확대했을 때 기존 취기제 주입 시스템이 어떻게 작동하는지 관찰함으로써 문제를 다루려 하고 있다.
통합 스키드에 포함된 에머슨의 솔루션 기술과 다양한 노력들
통합 스키드에는 가스 크로마토그래프 솔루션이 포함된다. 이를 통해 수소를 주입하고 혼합물을 조성할 때 가스를 분석해 수소의 순도와 함유량을 확인할 수 있다. 수소 주입량을 측정하는 검증된 기술인 코리올리스 미터(Coriolis meter)도 애플리케이션에 사용된다. 가스 크로마토그래프에 표시된 양이나 고객의 요구에 따라 수소 비율을 조절하고자 할 때에는 Fisher 제어 밸브를 연결해 이를 변경할 수 있다. 수소를 병에 주입하는 경우와 같이 초기 압력이 200, 250바 정도로 매우 높아 기존 제품이 적합하지 않을 때는 TESCOM 레귤레이터를 사용한다. 또 주입 스테이션 로직을 제어하는 완전한 시스템을 갖추기 위해 제어 시스템, PLC에 관해 논의하고 있다.
이 외에도 에머슨은 또다른 중요한 부분에 해당되는 부식 분석 센서를 공급함으로써 수소로 인한 부식과 관련된 연구에서 이를 완결된 솔루션 형태로 사용할 수 있도록 지원할 예정이다. 또 가스망과 재료에 대한 수소의 영향을 연구하는 연구실을 설립하기 위해 연구 기관과도 협력하고 있다. 이 밖에도 주입 스테이션 위험 분석이 필수 사항으로 자리잡을 미래를 대비해 법안에 대응할 수 있도록 준비중이며, 대학과도 지속적으로 협력하고 있다.
[제공. 한국에머슨, https://www.emerson.kr/ko-kr/automation-solutions]
