천연수소·LNG 동시 생산 공정 설계...액화 에너지 37% 절감 가능성

[에너지신문] 지하에서 나오는 수소와 메탄 등 혼합가스를 분리해 액화수소와 액화천연가스(LNG)를 동시에 생산하는 공정 모델이 제시됐다. 천연수소의 존재와 매장량을 확인하는 탐사 연구에서 더 나아가, 실제 산업용 연료로 가공하는 데 필요한 에너지와 비용을 분석한 연구다.

한국에너지공대 황지현 교수 연구팀은 천연수소 생산정의 혼합가스를 활용한 액화수소·LNG 통합 생산 공정을 설계하고, 에너지 효율과 경제성을 정량적으로 분석했다고 22일 밝혔다.

천연수소는 지하 지질환경에서 자연적으로 생성되는 1차 에너지원이다. 생산정에서는 수소뿐 아니라 메탄과 다른 탄화수소 성분이 함께 나올 수 있어 이를 분리하고 액화하는 공정이 산업적 활용의 주요 과제로 꼽힌다.

▲천연수소 생산정의 혼합가스로부터 LNG와 액화수소를 함께 생산하는 통합 공정 개념도.

연구팀은 고순도 수소를 원료로 가정해 공정을 단순화하는 대신, 생산정에서 함께 배출될 수 있는 여러 가스 성분을 설계에 반영했다. 혼합가스로부터 수소와 LNG를 함께 생산하면서 공정 간 자원 활용도를 높이는 데 초점을 맞췄다.

하루 300톤의 액화수소 생산을 기준으로 액체질소 예냉 방식과 단일 혼합냉매 예냉 방식을 비교한 결과, 혼합냉매 방식의 단위 에너지 소비량이 36.9% 적은 것으로 분석됐다.

공정의 에너지 손실을 나타내는 엑서지 파괴량도 54.1% 감소했다. 논문에서 비교 대상으로 삼은 기존 상용 액화수소 플랜트 대비 에너지 소비 절감 가능성은 약 45~55%로 나타났다. 이는 공정 모델을 비교·분석한 결과로, 실제 플랜트 운전 실적과는 구분된다.

생산가스에서 분리한 천연가스액(NGL) 성분을 혼합냉매의 보충 원료로 활용하는 방안도 제시했다. 액화수소와 LNG 생산 과정에서 확보한 자원을 냉매로 다시 사용해 외부 냉매 공급에 대한 의존도를 낮추는 구상이다.

규모 확대에 따른 경제성 분석에서는 연간 300만톤의 천연수소 생산을 가정할 경우 수소 1kg을 액화하는 비용이 최저 1.24달러로 산출됐다. 이를 토대로 추산한 상류 단계의 천연수소 생산원가는 kg당 최저 0.22달러였다.

이번 연구는 상용 운전의 성과보다는 대규모 생산·분리·액화 공정의 기술적·경제적 가능성을 제시한 데 의미가 있다는 평가다.