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문제 정의
- 우리나라는 최근 LNGQiquified natural gas, 천연액화가스)의 사용량이 증가하고 있는데, LNG 냉열을 유용하게 사용할 경우 많은 에너지가 절약될 수 있다. 본 원고에서는 천연가스로부터 LNG를 생산하는 공정기술과, LNG를 도입한 후 그 극저온의 LNG가 가스화되어 소비자에게 공급될 때 기화 저온에너지(냉열)를 이용하는 기술을 소개하고자 한다.
가설 설정
- LNG 냉열 200 ton/h는 그림 11과 같이 순차적으로 수소 액화, 액체 탄산 제조, 냉동 냉 장, 지역 냉방에 사용한다고 가정하여 시뮬레이션하였다. 수소 액화에는 T60℃에서 -15 0 ℃ 까지, 액체 탄산 제조에는 T 40 ℃ 에서 T10℃까지 , 냉동 냉장에는 T00℃에서 -70℃ 까지, 지역 냉방에 -는 -60 ℃ 에서 -20 ℃ 까지 사용한다고 가정하였다.
- 이는 약 3만 평 규모의 복합건물에 해당한다. LNG 냉열 이용 시스템은 인수기지에서 LNG 냉열과의 열교환으로 얼음 죽 (ice slurry)을 생성한 후 단열 된 배관을 통하여 10 km 거리에 위치한 지역을 냉방 한다고 가 정하였다. 냉방 부하를 처리한 얼음 죽은 해빙되어 7℃의 액체 상태로 귀환된다.
- 냉방 용량은 4, 730 kW (1, 350 RT)이며 하루 32,000 RTh 의 냉방부하가 필요한 건물군을 대상으로 하였다. 냉방 기간은 6개월로 가정하였다. 이는 약 3만 평 규모의 복합건물에 해당한다.
- 수소 액화에는 T60℃에서 -15 0 ℃ 까지, 액체 탄산 제조에는 T 40 ℃ 에서 T10℃까지 , 냉동 냉장에는 T00℃에서 -70℃ 까지, 지역 냉방에 -는 -60 ℃ 에서 -20 ℃ 까지 사용한다고 가정하였다. 배관 사이마다 온도가 10℃씩 감소한다고 가정하였는데 이는 열전 달 손실을 포함하여 기타 손실을 종합적으로 고려한 수치이다. 위의 가정에 의하면 수소 액화, 액체 탄산 제조, 냉동 냉장, 지역 냉방 설비에는 각각 29.
- LNG 냉열 200 ton/h는 그림 11과 같이 순차적으로 수소 액화, 액체 탄산 제조, 냉동 냉 장, 지역 냉방에 사용한다고 가정하여 시뮬레이션하였다. 수소 액화에는 T60℃에서 -15 0 ℃ 까지, 액체 탄산 제조에는 T 40 ℃ 에서 T10℃까지 , 냉동 냉장에는 T00℃에서 -70℃ 까지, 지역 냉방에 -는 -60 ℃ 에서 -20 ℃ 까지 사용한다고 가정하였다. 배관 사이마다 온도가 10℃씩 감소한다고 가정하였는데 이는 열전 달 손실을 포함하여 기타 손실을 종합적으로 고려한 수치이다.
- 여름철 최소 사용량은 평균의 60%이므로 480 ton/h이라고 가정할 수 있다. 실제로는 안전을 고려하여 최소 소비량보다 17% 적은 400 ton/h을 사용한다고 가정한다. 이 숭 50%인 200 ton/h는 냉열 발전, 나머지 50%는 수소 액화, 액체 탄산 제조, 냉동 및 냉장, 지역냉 방에 순차적으로 사용한다고 가정한다.
- LNG 냉열 200 ton/h을 -100℃에서 -70℃ 까지 냉동 및 냉장창고에 활용할 경우와 기존 냉동 시스템과의 비교를 Table 5에 나타내었다. 용량은 220 RT, 냉동창고 3000평, 12,000 ton급으로 가정하였다. LNG 냉열을 이용할 경우 초기 투자비는 7.
- LNG 냉열 200 ton/h을 -140℃에서 -11 0℃ 까지 액체 탄산 제조에 활용할 경우와 기존 암모니아 시스템과의 비교를 Table 4에 나타내었다. 용량은 액체 탄산 20 ton/d, 드라이아이스 15 ton/d을 생산한다고 가정하였다. 액체 탄산의 가격은 140원/kg, 드라이아이스 는 350 원/kg이므로 연간 24 억 원이 매출이 발생한다.
- 실제로는 안전을 고려하여 최소 소비량보다 17% 적은 400 ton/h을 사용한다고 가정한다. 이 숭 50%인 200 ton/h는 냉열 발전, 나머지 50%는 수소 액화, 액체 탄산 제조, 냉동 및 냉장, 지역냉 방에 순차적으로 사용한다고 가정한다. 모든 LNG 냉열 이용 설비는 인수기지에 설치되므로 LNG가 냉열 이용을 위하여 인수기지 외부에 설치되는 일은 없어 LNG 누설에 의한 안전성 문제는 무시할 수 있다.
- 또한 잠열을 이용하는 ice slurry 방식과는 달리 흡수식 냉동기는 현열만 이용하므로 배관 직경도 더 커져야 한다. 이러한 요소들의 영향으로 배관 비용은 흡수식 냉동기인 경우 LNG 냉열 이용 방식에 비하여 50% 많다고 가정하였다. 투자비는 흡수식 냉동기, 빙축열, LNG 냉열, 터보 냉동기 순으로 많고, 운전비 는 터 보 냉 동기, 빙축열, 흡수식 냉동기, LNG 냉열 순으로 많다.
- 15 가정 시 냉동 동력으로 198, 000 kW의 전력이 소요된다. 전력 비용을 100원/kWh로 가정 시 연간 전력비로 1, 730 억 원이라는 막대한 비용이 절약된다. 냉열을 활용한 수소 액화를 실용화하기 위해서는 ortho/para 변환, LNG 냉열 이용 수소 액화 시스템, 기화율 2%/d 미만인 LNG 냉열 이용 수소 저장 시스템, 시스템 설계, 구성, 제어 등의 기술 개발이 필요하다.
- 해수로 폐기되는 LNG 냉열 3.4x1012 kcal 의 냉열을 전부 냉열 발전에 활용할 경우 열효율을 30%라고 가정한다면 연간 1.675x109 kWh(l, 675 억원)의 전력이 생산될 수 있다. LNG 냉열을 냉열 발전 분야 외에도 저온이 필요한 타 분야에 활용한다면 추가로 많은 양의 에너지 절약이 가능하다.
- 냉방 부하를 처리한 얼음 죽은 해빙되어 7℃의 액체 상태로 귀환된다. 흡수식 냉동기 방식은 원거리에서 110℃ 정도의 고 온수가 지역 냉방 지역에 공급되어 해당 건물에서는 흡수식 냉동기를 가동한다고 가정하였다. 흡수식 시스템의 고온수와 대기와의 온도 차는 LNG 냉열 방식에 비하여 크므로 단열이 더 요구된다.
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