[특별기고] 터보팽창기로 가스배관에서 전력생산

이에 따라 신재생에너지의 실용화를 위한 연구뿐만 아니라, 대규모 플랜트의 운영과정에서 버려지는 미활용 에너지의 효과적인 회수 부분도 녹색정책의 매우 중요한 일환 중 하나이다.

LNG 인수기지에서 승압기화되어 전국 주배관망에서 고압 수송되는 천연가스는 수요처로 공급하는 정압기지에서 강제로 감압하여 보낸다. 결국, 고압으로 송출된 천연가스가 수요처로 보낼 때는 강제로 감압됨으로써 이 때 버려지는 압력에너지(이하 ‘폐압’)은 그 양이 매우 크다.

이렇게 버려지는 폐압 에너지는 정압기 대신 터보 팽창기를 사용함으로써 전기의 형태로 회수할 수 있다.

터보팽창기 구조와 열역학적 원리 

반경방향에서 유입되는 고압의 가스는 터빈블레이드를 회전시키면서 감압팽창 되어 축방향으로 빠져 나가며 활꼴모양의 IGV(inlet guide vain)의 각도조절로 유입량을 조정함으로써 후단압의 압력조정이 가능해진다. 즉 터보팽창기는 정압과 전력생산의 두 가지 기능을 동시에 수행하게 된다.

터빈블레이드에서 얻어진 회전에너지를 이용하는 방법으로는 발전기와 연결하여 전기에너지로 변환시키는 형태(TurboExpander-Generator, 이하 ‘TEG’)가 있고, 압축기 등의 회전기계를 구동하는데 연결하여 활용하는 형태(TurboExpander - Compressor)가 있다.

후자의 경우는 가스전에서 채굴된 천연가스를 액화하기 위하여 초저온을 만들어내는 연속 압축팽창 과정에서 많이 이용된다.

정압기 유동에서는 전후단의 엔탈피가 같은 등엔탈피 과정(H₁=H₂)이며, TEG 유동은 등엔트로피 과정으로 가정할 수 있다. 이때 생산되는 전력생산량은 ₁W₂=H₁-H₂로 전후단의 엔탈피차이이다.

고압 P₁에서 저압P₂로 감압되는 과정에서 P₁등압선의 점A에서 정압기 유동은 P₂등압선의 점B로 수평방향 이동하는 등엔탈피 과정이며 터보팽창기 유동은 점A에서 P₂등압선의 점C로 수직하향 이동하는 등엔트로피 과정이다.

TEG에서 생산하는 일의 양은 점A와 점C 사이의 엔탈피 차가 된다. 점A에서 정압기 유동이나 TEG 유동이나 같은 압력으로 감압될지라도 점B와 점C의 온도는 다르다.(TB 〉 TC)

TEG 실제유동에서는 기계적 손실에 의한 비가역성이 고려되어 점C에서 약간 벗어난 지점인 점D에 이르는 과정이 되며 (그림에서 화살표로 나타낸 엔탈피차가 실지 전력생산량이다) 이를 보정하기 위하여 효율개념 η가 도입된다. η는 실지 엔탈피차를 이상상태 엔탈피차로 나눈 비율로써, 실지 전력생산량은 η(H₁-H₂)가 된다.

50 ton/hr 의 일정양이 계속 흐를 때, 가스공사에서 화력발전소 공급 경우는 1.6 MW, 도시가스사 공급 경우는 3.8 MW가 된다.

이러한 전력량은 태양광발전과 비교한다면 정압기지의 좁은 장소에서도 많은 양을 발전할 수 있는 규모이다. 태양광 경우 1.6 MW 발전에 약 3만3000(약 1만평)의 면적이 소요된다.

TEG 전력생산은 압력차가 아니라 압력비가 변수라는 점에서 도시가스사 중저압에서의 정압 시에도 많은 전력을 얻을 수 있다. 

TEG 운영법 

가스공급량 대부분을 TEG 라인으로 보내 감압의 고유기능과 더불어 전력을 생산하고 TEG 운영 범위를 넘어서는 가스물량은 by pass 하여 정압기 라인으로 보내준다. 이는 시스템적으로 자동조절되게 운영할 수 있다.

수요처 공급온도를 맞추기 위한 heating은 TEG 전단에서 예열할 수도 있고, TEG 후단에 heater를 설치하여 후열할 수도 있다. 하지만 후열의 경우 냉방이나 기타 다른 방법으로 냉열을 사용하게 되면 냉열도 이용하고 heating에의 연료소모도 대폭 줄여줄 수 있으므로 경제성은 배가 된다. 

경제성 평가 시 고려사항 

TEG를 설치운영하기 좋은 전력생산 호조건의 사이트는 1. 유량패턴이 일정할 것 2. 유량이 많을 것 3. 설치공간의 주변조건이 좋을 것 등이다.

조건 1과 조건 2는 전력생산량을 많이 확보하기 위한 것이고, 조건 3은 현장에 설치하는 데 있어 여유 있는 공간 확보를 위한 입지여건을 고려하는 것이다. 국내에서의 천연가스 소비는 소위 동고하저의 패턴을 보이므로 유량패턴이 일정하지 않은 경우가 많으며, 이러한 case의 전력생산량을 산정하는 것이 TEG 운영사이트 분석의 관건이다.

TEG 운영의 경제성평가 시 고려해야 하는 요소는 설비의 초기투자비, 전력생산량, 예열량, 전기판매가, 가스가격의 5가지이다. 이러한 5가기 요소를 종합하여 현장상황에 맞는 터보팽창기를 설치하게 되며, TEG 가격은 초기투자비의 대부분을 차지한다. 잘 선정된 TEG 운영사이트의 경우는 투자비 회수기간이 일반적으로 3년 내외이다.

TEG 국내외 운영현황 

그러나 1980년대에 처음으로 GE사가 미국 캘리포니아 지역 가스배관망에 240kW 규모의 TEG를 설치하여 가능성을 검토하였고, 성공적 운영 후 현재는 유럽의 여러 곳에 설치되어 상업운전 중에 있다.

CryoStar사 경우 2007년 기준으로 유럽에 총 22.4 MW의 TEG가 설치되어 상업운영되고 있는데, 스위스에서 운영하는 사이트는 인근의 가스발전소의 폐열을 TEG 예열에 이용함으로써 경제성을 높이고 있다.

캐나다에서는 연료전지발전과 TEG를 연계하여 총 2MW의 전기를 생산하는 project가 진행 중이다. 연료전지 운영 중의 폐열을 이용하여 TEG 예열에 사용함으로써 저탄소 전력생산 시스템에 경제성을 더욱 높여주고 있다.

TEG에 있어 압력비가 클 경우 2단 감압을 하게 되고 아래의 그림 1과 같으며, 1단 감압의 경우는 그림 2 형태의 TEG가 사용된다. 모두 대용량이다(5MW, 2MW). 발전용량이 크지 않을 경우는 그림 3과 같이 배관 내에 직접 집어넣을 수 있는 300kW 규모의 TEG가 있다.

국내 가스배관망에는 화력발전소 20여곳, 도시가스사 70여곳의 정압, 수도권의 중간압 정압, 도시가스사에서 일반수용가로의 지역정압에 이르기까지 여러 형태의 표준화된 정압기를 설치, 운영중이며, 전국적인 배관망 확대에 따라 정압기의 설치 개수는 계속 증가하고 있는 추세다.

맺음말 

TEG는 정압시설에 구축되어 있는 기본 인프라를 이용하여 버려지는 압력에너지를 활용하여 고급에너지인 전기를 생산할 수 있으며 특히 국내 동절기 전력난 해소에 도움을 줄 수 있다. 더욱이 저탄소 전력생산에다 경제성이 높고 지속적 생산이 가능하다.

TEG 발전은 신재생에너지의 한 부분으로 개발할 필요가 있으며 가스공사뿐만 아니라 도시가스사를 포함한 전 가스업계에서는 관심을 갖고 폐압이용 전력생산 환경의 활성화에 나서야 할 것이다.