천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG)는 화석 연료 중 친환경 발전용 연료로서 충분한 매장량 및 청정성으로 경제성과 저공해성을 모두 갖춘 현실성 있는 발전연료이며, 특히 고옥탄가와 넓은 연소한계 그리고 낮은 미연탄화 수소 배출 특성과 지구 온난화물질인 이산화탄소 배출 저감 등의 특성을 가지고 있으며, 디젤엔진과 가솔린엔진 모두에 적용이 가능한 우수한 연소 및 배출특성을 갖고 있어 향후 세계적으로 강화되는 배출가스규제에 능동적으로 대처할 수 있는 현실적인 대안이라고 할 수 있다.

최근 북미를 중심으로 활발하게 개발, 보급중인 shale gas의 영향은 세계적인 천연가스 시장 및 발전분야 기술개발의 패러다임을 바꾸고 있고 또한, 현재 에너지 시장의 가장 중요한 이슈인 미세먼지 관리 대책의 효과적인 추진을 위한 친환경 발전연료로의 전환기술에 대한 새로운 돌파구를 찾을 수 있는 기술로 부상하리라 예상된다.

1897년 루돌프 디젤(Rudolf Diesel)에 의해 공급된 연료가 스스로 착화하는 방식의 디젤엔진이 최초로 발명된 이후로 꾸준한 기술개발에 힘입어 최근 북유럽을 중심으로 친환경 가스 혼소발전 엔진개발이 활발히 진행되고 있다. 특히, IMO (International Maritime Organization 국제 해사기구)에 의한 선박으로부터의 대기 오염 방지 협약에 근거한 규제와는 별도로, 유럽 및 미국에서 관계 당국이 내수 또는 연안을 항해하는 일부 선박에 대해 배출 가스에 대한 규제를 부과하고 있는 가운데, 글로벌 항행 해역을 갖는 대형 선박용 기관에 대한 규제가 엄격한 실정이다. 현재 국내 격오지역에 운영중인 내연발전시스템의 주요 연료로 사용되고 있는 B-C유, 경유, 등유, 부생유가 사용되고 있는 실정이고 아울러 미세먼지 저감 및 국제적인 해양 환경규제 강화에 따라 친환경 가스 혼소 시스템 기술 적용이 새로운 틈새 전략으로 고려할 수 있는 상황이다.

혼소 가스발전기술은 공기와 천연가스연료가 흡입관내에서 미리 섞여 연소실 내부로 유입되며, 디젤 파일럿의 압축착화에 의존하기 때문에 디젤엔진의 특성을 공유하며 공기와 희석된 연료가 피스톤 압축행정의 끝부분에 도달했을 때 소량의 디젤연료를 분사하여 압축 착화되는 특징을 가지고 있다. 기존 디젤 엔진에 가스 혼소용 전자제어 장치 및 가스 인젝터를 장착하여 디젤연료와 동시에 천연가스를 공급하게 되는데 이때 공급되는 디젤연료와 천연가스의 혼소량에 따라 배출가스 농도가 변화하게 된다. 이러한 특성으로 인하여 혼소엔진은 환경문제와 연료문제로 천연가스 사용이 요구되는 곳 뿐만 아니라 가스 공급이 원활하지 못 한 곳에서도 유용한 연료다변화에 필수적인 발전기술이라 할 수 있다.

또 혼소 가스발전시스템은 전소엔진과 다르게 기존 엔진에서 실린더헤드, 인젝션 펌프, 연료노즐 및 기본적인 엔진부품의 큰 변화없이 빠르게 재구성(Retrofit)해 줄 수 있을 뿐만 아니라 천연가스 연료를 제어하고 디젤 인젝터를 제어할 수 있는 하드웨어와 소프트웨어를 추가함으로서 변경이 가능하다는 기술적인 유연성과 장점을 가지고 있다.

천연가스 혼소 발전기술의 확보를 위하여 다음과 같은 핵심 설계기술 개발이 추진중이며 현재 국내 실증을 위한 연구가 활발히 진행중에 있다.

첫 번째, kW급 천연가스-디젤 혼소 발전 시스템의 개조개발 및 성능평가 통하여 혼소 기술에 대한 기본 성능을 확인하였다. 따라서 천연가스-디젤 혼소 엔진 발전기의 제어장치와 연료 공급 시스템, 보조부품의 상세설계를 통하여 성능을 향상시켰으며 안정적이고 더욱 효율적으로 혼소발전이 가능하도록 개발 하였다.

두 번째, 천연가스-디젤 혼소엔진 시뮬레이션 모델을 구축하였으며 해당 모델의 시뮬레이션을 통해 엔진 변수들의 영향도 및 민감도 분석을 수행하였고 실제 엔진 데이터를 통해 시뮬레이션 신뢰도를 향상시킴으로써 목표로 했던 운전 정확도를 평가하였다.

세 번째, 천연가스 혼소 발전 시스템 환경 성능시험 측정결과 가스 혼소발전으로 인해 CO2 배출량이 18% 저감된 것을 알 수 있었다.

본 기술을 통하여 분산형 친환경 발전연료의 다변화 및 환경성능 강화요구에 대한 적극대응이 가능할 것으로 기대된다. 기존 내연발전기에서 사용하는 B-C유, 경유, 부생유, 등유와 천연가스 혼소를 통해 발전연료를 다변화 할 수 있어 안정적인 시스템 운전이 보장되고 연료비 절감도 가능하다. 또한 동남아시아(말레이시아, 인도네시아 등)와 같은 대다수가 도서지역으로 된 국가로의 해외사업을 위해 인도네시아와 협의를 진행중이며 인도네시아 해외사업 진출을 위한 2건의 국제기술협력 MOU를 체결(2014.11.12)하였다. 노르웨이 선급 분석에 의하면, 인도네시아 도서지역에 천연가스 혼소 발전 예상후보지는 약 33개로 파악되었으며 향후 신규 해외사업 진출용 기술 활용도가 아주 높을 것으로 예상되며 지속적으로 수십 MW급으로 격상하는 후속 실증 적용연구가 필요할 것으로 판단된다.

허광범 전력연구원 창의미래연구소 융합에너지그룹 책임연구원