“ 천연가스 액화공정 핵심 기술 개발로 미래 가스 플랜트 시장에서 막강한 위치를 선점하다”
대규모 천연가스 액화공정은 선진사들의 기술 장벽에 가로막혀 진입이 매우 어렵다. 그러나 해상용 중소형 천연가스액화공정의 경우 시장이 조성된 역사가 길지 않아 상대적으로 접근이 용이하다. 본 연구단이 개발한 KSMR 공정은 기본 설계의 형태를 띠고 있기 때문에, 세계 각지 다양한 환경에서 적용이 가능해 저렴한 비용으로 최대의 이윤을 창출할 수 있는 공정이 될 것이다. 본 기술개발이 성공적으로 완료될 경우 국제 가스플랜트 시장에서 우리나라의 위상을 떨칠 수 있는 좋은 기회가 될 것이다.
해상에 위치한 중규모 가스전 개발의 필요성이 부각됨에 따라 해상 플랜트 설비를 이용한 자원개발 수단으로 LNG-FPSO1 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 대규모 가스전은 메이저 기업이 이미 점유하고 있고, 대규모 LNG 액화플랜트 건설 역시 투자비가 크게 상승함에 따라 중규모 LNG-FPSO의 시장성이 크게 증가한 것이다. LNG-FPSO 기술은 크게 LNG 화물탱크 등 선체부(Hull)와 선상부(Topside) 플랜트 기술로 나뉜다. LNG 선박에 우위를 갖고 있는 우리나라는 5대 대형 조선소 기준으로 연간 20여 척의 LNG-FPSO를 건조할 수 있는 시설을 갖추고 있다. 그러나 Topside 플랜트에 대한 엔지니어링 설계능력을 갖추지 못해 해외 기술에 의존해 왔다. 육지와 멀리 떨어져 운영되는 해양플랜트는 설비의 안정성과 신뢰도가 매우 중요하다. 그뿐만 아니라 테스트베드 건조를 통해 기술 입증과 성능 확인을 위한 실증을 거치지 않으면 국내외에서 독자개발 공정을 인정받을 수 없는 상황이었다.
본 연구단은 신액화공정인 KSMR(Korea Single Mixed Refrigerant) 냉동사이클을 개발하였고, 이를 검증할 파일럿 설비인 테스트베드를 구축하고 있다. 본 과제에서는 KSMR 공정을 기본으로 하여 해양 환경에 최적화된 천연가스 액화공정을 개발하고자하였다. 선박이라는 제한된 공간에 맞도록, 냉동사이클의 구조를 더욱 단순하게 하면서도 높은 효율을 갖는 냉동사이클을 개발하는 것이 연구개발의 핵심이었다.
천연가스 액화공정의 개발과 설계가 어려운 주 요인은 냉매의 조성을 설정하는 것이다. 연구단은 냉매조성 최적화 분야를 5년 이상 집중 연구하였고, 해당 시스템에 대한 체계적인 최적화 시스템(prototype)을 만들었다. 개발된 시스템은 액화사이클의 종류 및 최적화 방법에 따라 유연하게 방법론을 결정하게 구성하여 적용성을 높였으며,실제 설계에 사용되고 있다. 새로운 액화공정 및 냉매 최적화 방법은 모두 새로운 방법론이다. 신액화공정의 경우 특허출원으로 그 성과가 나타난다면, 냉매 최적화 방법은 논문으로 성과가 나타난다. 과제 시작 후 2.5년이라는 짧은 기간임에도 7개의 특허를 출원하고 SCI 논문 9건을 게재하였으며, 현재 투고한 것까지 고려한다면 새로운 기술에 대한 많은 양의 연구 성과가 기대된다.
또한 기존의 LNG-FSPO 공정(설계 기준)인 DMR과 LiMuM 공정의 비교를 노르웨이의 칸파 아라곤(Kanfa Aragon)이라는 pre-FEED 선진사와 공동으로 수행한 결과, 본 연구단의 액화공정이 가장 높은 평가 점수를 얻었다. 연구개발이지만 실제적 적용 가능성이 높도록 한국가스공사가 보유한 가스전에 대하여 pre-FEED를 수행하였다. 주 열교환기, 압축기 및 드라이버 구성, 냉동사이클 설계 및 최적화, PFD와 Heat & Material Balance 등 설계를 수행하였으며, 이에 따라 전처리 공정 및 선체부 설계 등 을 협력팀과 같이 추진하였다. 계속해서 계산서와 P&ID 등을 진행하고 있다.
본 과제의 성과물은 LNG-FPSO의 Topside의 공정 설계도면으로서 활용될 수 있다. LNG-FPSO는 해양이라는 환경적 특성에 따라 여러 가지 제약이 따른다. KSMR의 경우는 그 구조가 C3MR(Propane Pre-cooled Mixed Refrigerant)에 비하여 단순하고효율 측면에서 비교해 보아도 큰 차이가 없기 때문에 LNG-FPSO의 Topside를 위한 최적의 공정이라 판단할 수 있다. 또한 결과물의 형태는 특정 환경에만 적용 가능한 1회성의 특징을 지니는 것이 아닌, 기본설계의 형태를 가지게 되므로 세계 각지의 다양한 환경으로의 적용이 가능하다.
석유 자원의 대체 에너지, 청정 에너지로서의 천연가스의 수요는 계속적으로 증가하고 있고, 각 국가들은 천연가스 자원개발에 온 힘을 다하고 있다. 국가 간의 LNG 교역도 늘어나고 있는 추세이며, 이는 앞으로도 계속해서 LNG 소비량이 늘어나는 것을 의미한다. 또한 현재 운영되고 있는 가스전의 일부는 가까운 시기 내에 고갈되며, 이러한 부분까지 고려한다면 지금보다 더 많은 가스전 개발 및 천연가스 액화플랜트의 건설이 요구된다.
가스전 소유국의 입장에서는 저렴한 가격에 신뢰성을 가지는 플랜트를 건설하여 가능한 한 많은 이윤을 창출하는 것이 최우선 목표일 것이다. 이러한 측면에서 접근했을 때 KSMR 공정은 저렴한 비용으로 최대의 이윤을 창출할 수 있는 공정이 될 것이다. 앞서 설명했듯이 천연가스 액화공정의 가장 대표적인 공정인 C3MR 공정과 비교를 했을 때 뒤지지 않을 정도의 공정 이득을 가지게 되므로 미래의 가스 플랜트 시장에서 막강한 영향력을 미칠 수 있을 것으로 생각된다.
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