나프타 기반 수소 연료전지 자동차의 전과정 온실가스 발생량 분석

전과정 분석이란 특정 제품의 가공, 제조, 유통, 사용, 재활용 등의 모든 일련의 과정에 대한 환경성을 평가하는 기법이다. 본 연구에서 다루고 있는 연료 전과정이란 연료의 원료를 추출하는 과정(Well)부터 차량을 구동하는 과정(Wheel)까지의 생산 및 사용의 모든 과정을 의미한다. 그 외의 대표적인 자동차 관련 전과정 분석으론 자동차 제품의 전과정을 평가하는 차량 전과정 분석이 있으며, 이 또한 국내외에서 활발히 이뤄지고 있다.⁴⁾

본 연구에서는 나프타 분해를 통해 생산되는 수소를 연료로 사용하는 연료전지자동차의 전과정에 대해 분석하였으며, 전과정 온실가스(CO₂, CH₄, N₂O 포함) 배출량을 계산하였다. Fig. 1은 나프타 기반 수소 연료전지 자동차의 전과정을 그림으로 나타낸 것이다.

전과정 분석을 수행하기 위해서는 Fig. 2에 표기한 각 과정에서의 효율과 사용되는 연료 및 에너지의 비율을 구해야 한다. 앞으로 논문에서 언급되는 각 과정의 효율은 식 (1)과 같은 정의를 가지며, 이는 GREET에서의 정의와 동일하다.

Fig. 2

WTW process of FCEV

여기서 과정연료(Process fuel)란 각 과정을 일으키기 위해 추가적으로 투입되는 에너지이다. 에너지 산출량(Energy output)은 과정을 끝낸 물질이 최종적으로 함유하고 있는 에너지를 의미하며 발열량을 바탕으로 계산된다. 에너지 투입량(Energy input)은 에너지 산출량과 과정연료 에너지의 합을 의미한다. 본 효율은 분석에서 단위 에너지 산출량에 요구되는 과정연료량을 나타내는 값으로 사용된다.

2.1.2-2.1.4절에서는 수소를 생산하기 위한 원료인 나프타를 생산하는 모든 Upstream 과정을 설명하였다. 산지에서 원유를 추출하고 이를 수입하고, 국내 정제소에서 원유를 정제하여 나프타를 비롯한 석유제품을 생산하기까지의 과정이 포함된다. 본 연구팀의 선행 연구인 장재준과 송한호¹⁾에서 자세한 분석 방법과 세부적인 데이터를 소개하고 있으며 아래 본문에는 주요한 내용을 간략히 기술하였다.

산지에서 원유를 추출하고 처리하는 과정이다. 원유 추출 과정의 효율은 해외 문헌과 보고서를 바탕으로 산유국별 원유 추출 에너지 데이터를 수집하고, 국내 원유 산지별 수입량을 통해 가중평균하여 원유 추출 과정에서 사용되는 과정연료의 에너지와 온실가스 배출량을 계산하였다. 또한 원유 추출 과정에서 발생하는 수반가스를 연소시키는 Flaring, 누출시키는 Venting에 의해 발생하는 CH₄와 CO₂의 양을 추가로 고려하였다.

유조선을 이용하여 산지에서 국내 정유소까지 원유를 수입하는 과정이다. 국가별 수송 거리 데이터와 국내 원유 수입국 비율을 이용하여 수입국에서 국내까지의 평균 수송 거리를 11,745 km로 계산하였다. 또한 원유 운반선의 제원은 GREET 모델의 기본값을 사용하였다.

원유를 정제하여 휘발유, 경유, 등유 등의 석유 제품을 생산하는 과정으로 이 과정에서 나프타가 생산된다. 국내 정유사의 목표관리제 데이터를 바탕으로 석유 정제 과정에서 소모되는 에너지량과 온실가스 배출량을 계산하였다. 또한 석유 제품은 연산품이므로 개별 제품의 세부 공정을 고려한 정제 에너지 할당 비율을 설정함으로써 각 정유 제품별 에너지 사용량 및 온실가스 배출량을 계산하였다.

나프타를 분해하여 수소를 생산하는 과정은 Fig. 3과 같이 일반적으로 분해, 급랭, 압축, 정제의 4가지 과정으로 구성되어 있다. 나프타 분해는 주로 석유화학제품의 연료로 쓰이는 에틸렌과 프로필렌을 생산하는 데에 사용되며 수소의 발생량은 약 1 %로 공정의 부산물로 분류된다.¹²⁾Table 1은 나프타 분해 과정에서 만들어지는 생산품들의 종류와 각각의 질량비를 나타낸 표이다. 세부적인 생산품들은 Ren 등⁵⁾에 따라 분배하였으며 각 생산품들의 발열량을 바탕으로 생산품의 에너지 구성비 또한 계산하였다.

Fig. 3

Naphtha cracking process13)

Table 1

Product composition from naphtha cracking center

나프타 분해 과정에서는 수소를 비롯하여 에틸렌, 프로필렌, 방향족 등 여러 생산품이 생산된다. 일반적으로 각 과정에서 사용된 에너지(과정연료)는 특정 단일 생산품을 생산하기 위해 사용된다기보다는 동일한 공정에서의 여러 연산품들을 생산하는 데에 사용되었다고 볼 수 있다. 따라서 이러한 연산 공정에서 개별 생산품을 제조하는 데에 사용된 에너지를 평가하기 위해서는 소모된 전체 에너지에서 어느 정도의 비율을 적용할 것인지에 대한 고려가 필요하며 이를 에너지 할당(Allocation)이라고 한다.

전과정 분석에서는 이러한 연산 공정에 대해서 여러 가지 할당 방법을 적용하고 있으며, 본 논문에서는 그 중에서도 비교적 간단하면서도 공학적으로 의미가 있는 에너지 할당 방법을 적용하였다. 이러한 방법에서는 나프타 분해 공정에서의 과정연료 에너지 사용량이 각각의 생산품이 함유하는 에너지에 비례하여 분배되고 사용된다는 가정을 한다. 예컨대 에틸렌 생산량이 전체 생산품 에너지의 30 energy.%를 차지한다고 가정하면, 에틸렌 생산에 사용된 과정연료 에너지는 전체 과정연료 에너지의 30 %라 볼 수 있다.

Fig. 4는 앞서 설명한 에너지 할당을 그림으로 나타낸 예시이다. 주어진 예시에 대해서 1.2.2절의 효율의 정의에 따라 각각의 생산품의 효율을 계산해보면 모든 생산품의 효율은 91 %(예시값)로 동일하다. 이를 통해 에너지 할당을 적용할 경우 생산품들의 효율은 전부 같다는 것을 알 수 있다. 위의 결과를 바탕으로 본 논문에서는 수소 제조 효율을 도출함에 있어서 이와 동일한 값을 갖는 NCC의 주 생산품인 에틸렌 제조 효율로 대신하여 분석을 수행하였다. 이는 석유화학공정에서 에틸렌 제조 효율에 대한 분석이 자세하게 이루어져 있기 때문이다.

Fig. 4

Energy allocation example

2.2.3.1 과정연료

나프타 분해 공정에서 사용되는 과정연료는 Ren 등⁵⁾에 따르면 95 % 가량이 공정 자체의 부산물이다. 외부에서 들여오는 부분은 전기 에너지로서 전체 과정연료의 5 % 정도에 해당한다. 다만 이 경우 95 %의 부산물 에너지에는 자체적으로 생산되고 소멸되는 스팀 에너지를 포함하고 있다. 이보다 자세한 과정연료 사용량 데이터는 입수하기 어려운 상황이어서 아래와 같은 가정 및 분석을 통해 평가를 진행하였다.

나프타 분해의 네 가지 과정에서 첫 번째로 수행되는 분해 과정에서는 열을 얻기 위하여 연료가 공급되며, 정량적인 에너지 사용량 값은 Table 2와 같다. 한국산업안전공단¹³⁾에 따르면 이 과정에서의 연료는 앞서 언급한 바와 같이 공정의 부산물인 수소, 메탄, 에탄, C3 LPG, C4 RAFF.III 등이 사용된다. 주어진 문헌에서는 표에서 나타난 전체 에너지 사용량 1046 GJ/hr 중에서 부산물인 수소와 메탄이 대략 837 GJ/hr, 나머지 과정연료량 부족분은 C3 LPG, C4 RAFF.III이 사용되는 것으로 보고하고 있다.

Table 2

Share of process fuel usage in C/heater section13)

이때 분석을 위한 추가적인 가정으로, 837 GJ/hr을 차지하는 수소와 메탄 사용량은 각각 생산품의 에너지 구성비를 나타내는 표인 Table 1에 따라 2.6:14.2의 energy.% 비율을 이용하였으며, 계산의 편의를 위해 나머지 209 GJ/hr은 전부 LPG로 가정하였다. 위의 가정을 통해 총 1046 GJ/hr에서 각각의 연료가 차지하는 연료량과 비율은 Table 3과 같다.

Table 3

Process fuel energy usage in C/heater section

분해 과정을 제외한 세 가지 과정(급랭, 압축, 정제)에서 또한 전기에너지 및 다른 과정연료들이 사용된다. Ren 등⁵⁾에 의하면 분해과정에서 사용되는 에너지는 전체 공정에서의 에너지의 대략 65 %를 차지하며, 급랭과 압축 과정에서는 전체 과정연료의 15 %, 정제과정은 20 %정도를 사용하는 것으로 보고하고 있다. 결국 전체 공정에서 사용된 에너지는 분해 과정에서 사용된 과정 연료량인 1046 GJ/hr에 0.65를 나눈 약 1611 GJ/hr 정도로 산정할 수 있다.

분해과정을 제외한 나머지 과정(급랭, 압축, 정제)에서 사용된 전체 NCC 과정 연료의 35 %에 해당하는 565 GJ/hr는 Ren 등⁵⁾을 참고하여 연료 사용량을 분배하였다.

전체 과정연료 사용량의 5 %를 차지(~1 GJ/ton ethylene)하는 전기에너지는 물이나 오일 펌프를 냉각시킬 때와 메탄 압축기에 사용되며 이는 급랭과 압축 과정에 해당된다. 전기에너지를 제외한 나머지 급랭과 압축 그리고 정제에서의 에너지 30 %는 Steam과 그 밖의 연료를 포함하고 있다.

Steam에 해당하는 과정연료 비율은 에너지절감 지식포털(EG-TIPS)¹⁴⁾에서 제공하는 특정 나프타 분해 기술의 데이터를 참고하였다. 위의 기술에서는 Steam은 일반적으로 약 1.14 GJ/ton ethylene을 사용하고 있으며, 에틸렌의 발열량을 바탕으로 전체 과정연료량 대비 Steam 에너지 사용량을 계산하면 이는 ~5.8 %에 해당한다.

급랭, 압축, 정제를 포함한 총 35 %의 과정연료에서 전기와 Steam 에너지를 제외하면 24.2 %가 남는다. 이렇게 남은 과정연료는 앞서 분해 과정에서의 과정연료와 마찬가지로 공정의 부산물로 취급하여 동일한 연료인 천연가스, 수소, LPG가 사용되며 같은 구성비를 갖는다고 가정하여 Table 3의 비율을 적용하여 분배하였다.

Table 4는 위의 내용들을 종합하여 전체 과정연료의 분배를 계산하여 나타낸 표이다. 세 번째 열은 Steam의 구성비를 제외하여 계산한 분배 비율이다.

Table 4

Share of process fuel in naphtha cracking process(%)

이 때, Ren 등⁵⁾에서 각 과정의 과정연료량 비율을 계산 시에 Steam과 연료가 동시에 고려되었다. 하지만 Steam은 TLE(Transfer Line Exchangers)를 통해 생산된 것으로 사실상 연료의 에너지를 바탕으로 공정 내에서 자체적으로 생산된 것이다. 이에 실질적으로 사용된 전체 과정연료량은 1611 GJ/hr이지만 본 연구에서 효율을 구하는 과정에선 에너지가 중복 계산되는 Steam을 제외한 과정연료량이 사용되어야한다. 본 연구에서는 전체 과정연료를 Steam 에너지를 제외한 1519 GJ/hr을 이용하였다.

공정의 부산물이 과정연료로 사용될 경우, 외부에서 공급되는 과정연료와는 다르게 Input 중 일부 에너지가 Output으로 나가지 않고 내부적으로 사용되기 때문에 Input과 Output의 에너지 차이를 만들어 낸다. 이를 고려하기 위해 Loss factor를 계산하는데, 이는 일반적으로 부산물의 과정연료 이용이나 Leakage와 같은 상황에서 적용된다. 예를 들어, 특정 과정에서 1 J의 B(Output)를 생산하기 위해 1.1 J의 A(Input)이 필요하다고 할 때, 1 J의 B를 생산하기 위한 전과정적 에너지 사용량 및 온실가스 배출량을 계산할 때는, 그전 과정까지 1 J의 A를 만들기 위해 필요한 전과정 에너지 및 배출된 온실가스량에 “Input/Output = 1.1/1”으로 정의되는 Loss factor만큼이 곱해져서 더해져야 한다.

나프타 분해 공정의 개략도는 아래 Fig. 5와 같다. 이에 본 논문에서는 나프타 분해 공정의 Loss factor를 원료인 나프타(Input) 에너지인 147에 생산품(Output) 에너지인 130을 나눴을 때의 값인 1.13으로 적용하였다.

Fig. 5

Brief flow diagram of naphtha cracking5)

2.2.3.2 에틸렌 제조

2007년 기준으로 국내의 에틸렌 공장에서는 나프타 분해 기술로 Lummus, S&W, Kellog 공정을 사용하고 있다. 이 중 Lummus 공정을 통한 에틸렌 생산량이 약 60 %로 국내 나프타 분해 공정 중 가장 큰 비중을 차지하고 있다.¹³⁾ 이에 본 연구에서는 Lummus 공정을 나프타 분해를 대표하는 공정으로 선정하여 분석하였다.

Table 5는 각각 국내의 회사들과 그 회사에서 운영하는 NCC의 에틸렌 생산량을 나타낸 표이다. 표에서의 YNCC는 여천NCC, LGPC는 LG석유화학, HPC는 호남석유화학, STC는 삼성토탈(현 한화토탈), KPIC는 대산유화를 의미한다. 시간당 생산되는 에틸렌 에너지는 연단위로 생산되는 에틸렌의 질량과 에틸렌의 발열량을 통해 단위환산하여 나타내었다. 나프타 분해 공장은 24시간 가동되며 2~3년 중에 한 번 정도 점검을 위해 가동을 중단하므로 항시 가동된다고 가정하였으며, 이는 연단위의 에틸렌 생산량을 시간단위의 생산량으로 환산할 수 있게 한다.

Table 5

Ethylene production capacity (2007)13)

Table 5를 통해 알 수 있듯이 NCC별로 생산된 에틸렌 양이 다르므로 각 공장에서 사용되는 과정연료량 또한 다르다. 이에 따라 Table 5의 NCC 에틸렌 생산량을 평균 내었을 때만큼 에틸렌을 생산하였을 시에 Table 2의 과정연료 양을 사용한다고 가정하였다. 평균에 대한 불확실성은 표본 신뢰도 90 %의 오차범위를 두어 최종 결과의 Error bar로 나타내어 신뢰구간을 확보하였다.

에틸렌의 발열량인 47250 kJ/kg과 공장의 평균 에틸렌 생산 용량 및 과정연료량을 고려하면 나프타 크래킹 과정의 효율을 계산할 수 있다. 1.2.2의 효율의 정의대로 계산하였으며, 식 (2)와 같다.

에너지 산출량에 해당하는 Ethylene Energy는 시간당 생산되는 에틸렌 에너지량이며 Table 5의 평균 생산량을, 과정연료는 2.2.3.1에서 최종적으로 계산된 1518.8 GJ/hr을 2.2.2의 에너지 할당하여 사용하였다. 이를 통해 계산된 최종적인 나프타 크래킹의 효율은 89.0 %이며, 신뢰 구간을 고려한 오차 범위는 86.5 % ~ 90.7 %이다.

동일한 효율의 정의로 Ren 등⁵⁾을 통한 나프타 분해 효율을 계산할 수 있다. 그 결과 효율은 88.3~89.8 %로 나왔으며, 앞서의 국내 데이터를 바탕으로 계산한 효율인 89.0 %와 유사한 값이 나오는 것을 확인할 수 있었다.

생산된 수소는 연료전지자동차에 충전되기에 앞서 여러 차례 저장 및 운송의 과정을 거친다. 일단 나프타 분해 공장에서 추출된 수소는 근처의 수소 유통업체 공장으로 운송되고 저장된다. 이 과정에서 수소의 운송 수단으로 카트리지와 파이프라인이 사용된다. 이후 유통업체 공장의 용기에 저장되었던 수소는 카트리지에 실려 차량용 충전소로 운송 및 저장되며, 최종적으로 연료전지자동차로 충전된다. 이러한 과정에서 압축기 및 카트리지 운송 등에서 에너지가 사용되며, 위 과정들은 전과정 에너지 사용량 또는 온실가스 배출량 결과의 상당 부분을 차지한다. 2.3.2-2.3.4절에서는 각 운송, 저장과정에 대하여 전과정 분석에 필요한 값을 구하기 위해 사용한 자료와 분석 방법에 대하여 설명하였다.

아래에 논의될 내용은 특별한 언급을 하지 않는 이상 일반적인 수소 연료의 운송과 분배에 대해 적용될 수 있으며 나프타 분해 부생 수소에만 국한되지 않는다. 다만 필요에 따라 나프타 분해 부생 수소에만 적용될 수 있는 일부 변수들에 대해서는 별도로 정보를 수집하여 연구를 진행하였다.

국내 석유화학공장에서 유통업체 공장까지 수소를 운송하는 방법은 두 가지가 있다. 가장 많이 차지하고 있는 방법은 파이프를 통해 압축된 수소 및 연료들을 운송하는 방법이다. 이는 운송효율은 높지만 초기 건설 비용이 커서 공장과 최종 소비지의 거리가 가까울 때 주로 많이 사용된다. 두 번째로는 카트리지(혹은 튜브 트레일러)를 사용한 운송 방법이다. 이는 용기에 수소를 압축하여 충전한 후에 트럭을 통해 운송하는 방법으로 파이프라인보다 효율이 낮지만 초기 비용이 적게 들어 널리 사용된다.

심규성⁶⁾의 2002년에 발표한 자료에 의하면 국내 전체 수소 유통량은 파이프라인 56 %, 카트리지 44 %이다. 반면 가스 저널에서 2010년에 발표한 자료에 따르면 국내 전체 수소 유통량은 파이프라인이 88 %, 카트리지가 12 %를 차지하고 있다.¹⁵⁾ 두 자료의 연도와 유통량 비율을 통해 석유화학공장에서 유통업체 공장까지의 수소 운송에 차지하는 파이프라인의 비중과 중요도가 점점 커지고 있다는 것을 알 수 있다. 이에 본 연구에서는 나프타 분해 공장과 수소 유통업체는 대체로 매우 가까이에 있다는 점에 착안하여, 이 둘 사이의 수소 운송은 전량 파이프라인을 통해 이뤄진다고 가정하였다. 특히 국내에서 가장 큰 나프타 분해 공장인 여천 NCC공장과 유통업체 공장인 덕양에너젠 여수공장 사이 거리는 약 3 km이며 이를 파이프라인 운송 거리로 사용하였다. 파이프라인 압축기와 관련된 자료는 GREET 값을 참조했다. 이때 사용된 Isentropic efficiency는 80 %, 사용된 NG 압축기의 효율은 40 %이다.³⁾

유통업체로 운송된 수소는 저장용기에 저장되며, 이 과정에서 또한 압축기가 사용된다. 용기로 저장시의 입력압력과 출력압력은 각각 10 bar와 180 bar로 설정하였다. 입출력 압력을 제외한 나머지 자료는 GREET 값을 참조하였다. 참조된 자료의 Isentropic efficiency는 80 %, 사용된 NG 압축기의 효율은 35 %이다.

14년도 기준으로 국내에는 총 15개의 수소충전소가 운영 중에 있으며 대부분의 수소충전소는 수도권에 위치해 있다. 이에 따라 이번 연구에서는 수소충전소까지의 운송 거리 대푯값을 수도권으로의 수소 운송 거리로 사용하였다. 수도권으로 수소를 조달하는 유통업체 공장은 충청남도 서산시 대산읍에 위치해 있다. 각각의 수소 스테이션의 정확한 위치를 알기 어려운 관계로, 수도권에 있는 수소 충전소는 서울 시청에 위치해 있다고 가정하여 유통업체 공장과의 거리를 이용해 평균값으로 이용하였다. 계산된 거리는 134 km이다.

유통업체 공장에서 수소 충전소로 운반되는 수소의 운송방식은 모두 카트리지를 통해 이뤄지며 180 bar로 가압된 기체 상태의 수소를 저장된 용기에 탱크로 담아 운송한다. 점보형 카트리지의 적재용량인 320 kg-H2/대로 수송한다고 가정하였으며¹⁰⁾ 수송 트럭의 연비는 GREET 값을 참조하였다.

수소충전소로 전달된 수소는 카트리지의 용기에서 충전소의 저장탱크로 이송되며 이 과정에서 압축기가 사용된다. 최종적으로 저장된 수소를 차량으로 충전할 시에 각 차량 탱크의 충전압력에 따라 압축기의 사용여부가 결정된다. 이렇듯 수소충전소로 전달되어 온 수소를 최종적으로 차량에 충전할 때까지 적게는 한 번 혹은 최대 두 번의 압축 과정을 거치게 된다.

180 bar의 카트리지로부터 수소충전소 저장탱크에 수소를 전달할 때는, 카트리지의 압력이 180 bar에서부터 정해져 있는 저압까지 떨어지게 된다. 따라서 본 연구에서는 카트리지 공급압력을 평균 100 bar로 가정하였고, 수소 저장탱크에는 450 bar로 저장되므로 압축기 출력압력은 450 bar로 놓고 압축기에서의 에너지 소모량을 계산하였다. 또한 차량 탱크 압력을 산정함에 있어서, 현재 판매중인 FCEV모델인 투싼ix의 경우 충전압력이 700 bar이므로 충전 시에 450 bar에서 700 bar로 가압하는 압축과정을 계산에 추가하였다.¹¹⁾

국내의 가장 큰 수소 유통업체인 덕양에너젠에 따르면 수소충전소를 제외한 모든 유통과정에서 사용되는 압축기는 NG엔진을 사용한다. 반면 수소 충전소에서는 대부분의 경우 전기 모터를 이용한 압축기를 사용한다. 위의 자료들을 바탕으로 GREET로 계산한 결과, 전체 압축 과정의 효율은 84.8 %로 계산되었다.