2.1 천연가스 공급관리소 기반의 수소혼입 및 혼소발전

정부는 수소 경제 진입의 교두보 역할을 위해 기존 천연가스 배관망에 일정 비율로 수소를 혼입해 천연가스 배관을 수소 이송‧공급으로 활용하는 정책을 발표하였고, ‘22년 2월 “도시가스 수소혼입 실증 추진단”을 발족해 도시가스사업법을 개선하여 수소혼입을 제도화하는 사업을 추진 중이다. 한국가스공사는 천연가스 인프라 고압시설분야에 대한 실증 주관기관으로 지정되었고 정부 시책에 맞춰 기존에 보유하고 있는 천연가스 공급 인프라를 활용하여 천연가스에 수소를 혼입하고 이를 복합발전 시설에 활용함으로써 수소 활용도를 높일 수 있는 연구를 수행하고 있다. 그림 2는 실증 대상지로 한국가스공사의 한림 천연가스 공급관리소와 남부발전의 한림복합발전소 간의 수소 혼입 및 혼소 발전에 대한 개념도 이다.

한국가스공사의 한림 정압기지와 한국남부발전의 복합발전소는 제주도에 위치하고 있으며 기존 공급관리소에서 발전소로 공급되는 천연가스 공급배관 거리는 직선거리로 약 7 km 이다. 한국가스공사는 2019년부터 일평균 약 100~200 톤의 천연가스를 한림복합발전소로 공급하고 있으며 한국남부발전은 복합발전으로 약 35 MW~100 MW의 전력을 생산하고 있다. 실증 대상지의 수소혼입, 혼소 형태는 분산형 수소혼입 방식으로 수소생산단지에서 생산된 수소를 천연가스 공급관리소로 이송(튜브트레일러) 기존 운영 중인 복합발전소 공급배관에 저농도 수소(최대 10%)를 혼입하여 공급하는 방식이다.

그림 2. 수소혼입 혼소발전 실증 대상지

Fig. 2. Empirical Work Place for Hydrogen Mixing to Pipeline and Mixed Power Generation

2.2 수소혼입 공정설계

천연가스 공급관리소는 수요처의 요구에 맞춰 천연가스의 유량과 압력을 정밀하게 조정하여 수요처에 공급하는 시설로 공급 과정은 그림 3과 같이 본관으로부터 공급 된 고압의 천연가스가 정압기지 내 정압시설(필터-히터-감압-계량 등)을 통해 수요처의 요구에 맞춰 중·저압으로 공급되는 공정이다. 이 논문에 제시된 수소혼입 공정은 기존 천연가스 정압기지 내 공급배관에 일정 비율의 수소를 혼입하여 혼입가스를 공급하는 과정으로 안정적인 수소 혼입을 위해서는 수소 주입방식, 공급유량, 압력, 온도 등 다양한 조건에 대한 검토가 필수적이다.

2.2.1 수소 및 천연가스 공급

튜브트레일러로 수소 생산단지에서 수소를 이송하며, 동시에 천연가스는 생산기지로부터 고압 본관으로 이송된다.

그림 3. 수소혼입 공정

Fig. 3. Process for Hydrogen Mixing

2.3 천연가스/수소 혼합효율 향상을 위한 정적믹서 종류

낮은 분자량을 가진 수소를 천연가스를 배관에 주입 시 부력에 의해 계층을 분리하는 경향이 있어 배관의 상부 부분에서는 배관 평균 농도보다 수소 농도가 비교적 높으며 배관에서의 수소 농도 불균형은 수요처에서의 가스 품질의 불안정을 가져오게 된다³. 이를 방지하기 위해서는 천연가스와 수소와 같은 두 이종가스의 혼합을 도와 줄 수 있는 정적믹서가 중요하다. 정적믹서는 별도의 동력장치 없이 관로 내의 속도에 의해 형성되는 난류를 이용해 유체를 혼합시킨다⁴. 부적절한 믹서의 선택은 낮은 가스품질과 압력강하를 야기하므로⁵ 시뮬레이션을 통한 효과적인 믹서의 선택은 필수적이다. 이 논문에서는 In-line, unflow, X-grid 3종류의 믹서에 대해 분석하였다. 그림 4와 같이 정적믹서는 분할, 전환, 반전 3가지의 원리로 유체의 혼합을 돕는다. 관 내부의 유체 흐름을 나누고(분할), 믹서 형상에 따라 흐름을 움직임을 바꾸고(전환) 유체의 회전방향을 바꾸어 난류의 흐름을 유도(반전) 한다.

그림 4. 정적믹서 종류

Fig. 4. A Type of Static Mixer

믹서의 길이는 각 element의 개수에 따라 결정되는데, 이 element의 개수는 유체에 의해 정해진다. 보통 가스의 경우 4~6, 저점도 섬유체는 6~12, 중점도는 12~18, 고점도는 18~24 element를 필요로 한다. 각 엘리멘트는 배관 직경 대비 1~1.5배의 길이를 기본으로 하고 있다.

2.4 정적믹서 적용 배관망 유동해석

세 타입의 믹서형상에 따라 유동해석을 진행하였으며, 해석시 경계조건으로 Inlet은 질량유량을 기준으로 Outlet은 압력으로 설정하였다. 이 때 질량유량은 수소혼입비율 10 vol.% H2를기준으로 질량유량으로 환산하였으며 이 때 천연가스는 9 ton/hr, 수소는 115 kg/hr이다. 압력은 복합화력발전소 공급압력 기준이며, 난류모델은 κ-ω 기반 SST model을 사용하였다.

그림 5. 배관망 내 정적믹서 유동해석 경계조건

Fig. 5. Boundary Condition for Computational Fluid Dynamics(CFD) of Static Mixer in Pipe line

2.5 유동해석 결과분석

그림 6은 정적믹서 별 유동해석 결과이다. 수소의 질량분율이 높을수록 혼합율이 낮다.

Unflow type은 5개의 element를 거치고도 다른 믹서에 비해 혼합율이 비교적 낮은 구간이 있는 것을 확인 할 수 있으며 In-line type과 X-grid type 비교 시 X-grid type이 비교적 혼합이 잘 되는 것을 볼 수 있다.

믹서의 형상이 비교적 복잡할수록 유체 흐름의 분활, 전환 및 반전이 많아지고 체류시간이 길어 믹서의 길이가 짧아도 혼합이 잘 되는 것을 보여준다.

2.6 수소혼입 시스템의 향후 연구 방안

천연가스 공급관리소 수소혼입을 위해서는 향후 연구에서 반드시 고려되어야 할 사항에 대해 정리하면 다음과 같다.

(1) 혼합 시스템의 안전성

수소의 인화성 : 수소는 천연가스에 비해 폭발 한계 범위가 넓어, 혼합 과정에서 안전에 대한 고려가 필요하다. 천연가스에 비해 작은 분자 크기로 인해 누출 가능성이 더 크고, 누출 시 위험이 존재한다. 이에 따라 수소 혼입 시스템은 누출 감지, 방지 및 차단 장치, 긴급 차단 밸브 등의 안전장치를 필수적으로 포함해야 한다.

압력 및 온도 제어 : 혼합 과정에서 발생하는 압력 및 온도의 변동을 정확하게 제어하는 것이 중요하다. 수소 혼입으로 인해 압력 변화가 발생할 수 있으며, 이를 적절하게 제어하지 않으면 시스템의 불안정성이 증가할 수 있다. 이에 따라 정압기는 혼합 가스의 압력을 정밀하게 조절하고, 필요 시 히터를 통해 온도 변화를 보상하여 안정적인 혼합 가스를 공급하는 시스템 설계가 필요하다.

(2) 모니터링

가스 품질 모니터링 : 천연가스와 수소의 혼합 가스가 일정한 품질을 유지하기 위해, 공급 후에도 지속적인 품질 모니터링이 필요하다. 수요처로 가는 가스의 품질이 불안정하면 연소 효율이 떨어지거나 가동 중단 등의 문제가 발생할 수 있다. 혼합 시스템에는 가스 품질을 모니터링 하는 다양한 센서와 분석 장치가 포함되어야 하며, 필요 시 자동 조정 기능을 통해 품질을 유지할 수 있어야 한다.

그림 6. 정적믹서 종류에 따른 유동해석 결과

Fig. 6. Result of Flow Analysis for A Type of Static Mixer