▲ 기존 모델의 해양에너지 공급지역별 공급권역(좌)과 수소혼입 모델의 해양에너지 공급지역별 공급권역(우). 기존 모델과 동일한 열량유량을 적용해 수소를 혼입하는 모델에서는 증가되는 유량의 영향이 크지 않아 기존 모델의 공급권엑에서 큰 변화가 없는 것으로 확인됐다.

 

정부가 2026년까지 도시가스에 수소 20% 혼입을 목표로 실증사업을 추진하고 있는 가운데 광주광역시에 도시가스를 공급하고 있는 해양도시가스(주) 공급권역을 대상으로 공급지점별 수소혼입률 변화와 수소혼입에 따른 압력손실 변화에 대한 시뮬레이션 연구결과가 나와 주목된다.

 

이같은 연구결과는 향후 정부가 추진하고 있는 도시가스 수소혼입 사업에 중요한 자료로 활용될 것으로 보인다.

 

연구결과, 광주 3개지역(평동, 장등, 하남)공급지점에서 각각 다른 수소혼입율로 공급하는 경우 기존 천연가스만 공급했을 때와 공급권역에 대해서는 차이가 나타나지 않는 것으로 나타났다. 즉 수소혼입시 천연가스와의 혼소가 원활하게 이뤄졌다는 얘기다.

 

또한 천연가스 배관망에 수소 혼입률이 증가돼 배관을 통한 압력 손실이 작아져도 일정한 열량 유량을 유지하기 위해 체적유량이 증가해 배관망에서 발생되는 압력 손실은 더 커지는 결과를 확인했다.

 

이는 지난 17일 한국가스학회 가을학술대회에서 발표한 ‘Synergi Gas를 활용한 광주지역 도시가스 배관망의 공급지점별 수소혼입률 차이에 따른 지역별 수소 혼입률 변화에 대한 해석적 연구’와 ‘Synergi Gas를 활용한 광주지역 도시가스 배관망의 수소혼입에 따른 압력손실 변화 고찰’ 논문에 따른 것이다. 이 연구에는 이노비아아이솔루션, DNV(노르웨이선급), 해양에너지(주)가 함께 참여했다.

 

이러한 연구배경은 도시가스배관망에 수소혼입 검토에 대한 필요성이 증대하고 수소 혼입으로 인한 물성변화(발열량, 밀도, Wobbe Number 등), 지구정압기에서 불균일한 농도로 수소 혼입시 사용자 공급열량 변화 가능성 등을 확인하기 위한 것이다.

 

일반적으로 수소는 천연가스보다 발열량이 낮기 때문에 수소가 혼입되면 기존보다 발열량이 감소해 각 수요처에 동일한 열량을 공급하기 위해서는 더 많은 양의 가스가 공급돼야 하고, 공급지점별 수소 농도가 불균일할 경우 사용자의 열량은 각 공급지점의 공급량에 따라 변한다.

 

이번 연구는 DNV사가 사용하고 있는 Synergi Gas를 활용하고 해양에너지의 해석모델을 사용해 광주의 하남, 평동, 장등 3개의 공급지점을 대상으로 했다. Synergi Gas는 파이프, 레큘레이터, 밸브, 컴프레샤 등을 모델링해 천연가스 배관망을 모델링하고 해석할 수 있는 프로그램이다.

 

해석결과, 기존 모델과 동일한 열량유량을 적용해 수소를 혼입하는 모델에서는 증가되는 유량의 영향이 크지 않아 기존 모델의 공급권역에서 큰 변화가 없는 것으로 확인됐다. 해양에너지의 해석모델에서는 하나의 공급지점에서만 공급되는 권역과 혼합되어 공급되는 권역이 확인됐다.

 

수소농도는 3개의 공급지점에서 각각 수소농도를 5%, 10%, 15%로 공급하게 되면 공급권역이 중첩되는 29%지역의 수요처에서는 공급지점과 수소농도가 다르게 공급받는 것으로 나타났다. 즉 중첩지역에서는 수소농도도 중첩되는 현상을 보였다는 얘기다.

 

배관망내의 수소농도 차이는 일반적으로 HHV값과 반비례하게 변화한다. 수소 농도가 증가하게 되면 공급가스의 발열량은 감소하게 되고, 수소의 농도가 감소하게 되면 공급가스의 발열량은 증가했다. 배관망내 수소농도는 공급권역에 따라 5~15%로 구성되며, 이에 따라 HHV는 40.01~37.08MJ/㎥로 나타난다. 즉 수소농도는 최대 10% 차이가 발생하며, 수소농도에 따라 발열량은 최대 8% 차이가 나타났다.

 

결론적으로 광주의 3개지역(평동, 장등, 하남)에서 각각 다른 수소 혼입율로 공급하는 경우, 기존 천연가스만 공급했을 때와 공급권역에 대해서는 차이가 나타나지 않았다.

 

그러나 공급지점에서의 수소혼입율 차이가 발생하게 되면 배관망내의 수소농도가 지역별로 다르게 나타나게 되며, 이는 가스의 열량 차이로 이어지는 것으로 나타났다.

 

공급지점별 수소혼입율이 5%, 10%, 15% 등 차이를 보이면 공급지점(지역)에 따라 가스 열량 차이가 나타날 수 있다는 것이다.

 

이와함께 모든 수요지점의 체적 및 열량유량기준 압력을 확인한 결과 천연가스 100% 대비 수소 혼입율이 높아질수록 압력변화율 폭이 큰 것으로 확인됐다. 다양한 압력 변화율이 분포하는 것은 정압기와 가까운 지역에서는 압력이 일정하게 유지되며, 정압기와 멀어질수록 수요량에 따라 압력이 크게 변화하기 때문인 것으로 확인됐다.

 

결론적으로 천연가스 배관망에 수소 혼입률이 증가돼 배관을 통한 압력 손실이 작아져도 일정한 열량 유량을 유지하기 위해 체적유량이 증가해 배관망에서 발생되는 압력 손실은 더 커지는 결과를 확인할 수 있었다.

 

또한 각 지역에서 확인되는 압력 변화율은 여러 가지 요인으로 인해 상이한 결과를 확인했다. 아울러 각 가스공급배관망 네트워크에서 천연가스에 수소가 혼입됨에 따른 수요지점의 압력 변화율은 상이하기 때문에 이는 각각 배관망 해석 등의 방안을 통해 평가해야 한다는 결론이다.

 

도시가스 수소혼입 관련 용역을 수행하고 있는 DNV의 유선일 사업개발본부장은 “도시가스배관망에 수소를 혼입하는 것은 안전성과 설비 운영에 미치는 영향 등을 세밀하게 살펴봐야 한다”라며 “내년에는 관련업계의 의견을 듣고 수소혼입 배관망 해석에 대한 보다 구체적이고 명확한 연구를 통해 업그레이드된 해석자료를 업계에 제공할 계획”이라고 밝혔다