천연가스와 액화천연가스(LNG) 이야기

천연가스는 화력발전소의 연료로 가장 많이 소비되고 있으며, 가정에 난방용으로 들어오는 도시가스 또한 천연가스이다. 이 가스는 석탄이나 원유가 매장된 지역 근처 지하 깊은 곳에 천연(天然) 상태로 존재하기 때문에 천연가스(natural gas)라는 이름을 가지게 되었다.

천연가스의 주성분은 메탄(70-90%)이고, 그 외에 물, 에탄, 부탄, 프로판, 펜탄, 황화수소, 이산화탄소 등이 혼합되어 있으며, 헬륨과 질소도 미량 포함되어 있다. 천연가스는 연료 외에 화학적인 방법으로 필요한 성분을 분리하여 플라스틱과 여러 가지 유기화합물 제조의 원료로도 사용한다.

LNG의 부피

과거에는 천연가스를 연료로 사용하고 싶어도 기체인지라 부피가 커서 용기(容器)에 담기(충전充塡)도 어렵고 운반하기도 불편했다. 그러나 20세기 중반에 천연가스를 -162℃ 이하로 내려 액체상태로 만드는 기술이 개발되었다. 기체이던 천연가스를 액화(液化)시키면 부피가 약 600분의 1로 감소한다. 이처럼 액체화시킨 천연가스를 ‘액화천연가스’라 하며 LNG(liquified natural gas)라 부르고 있다.

PNG란 무엇인가?

천연가스가 생산되는 가스전(gas田)에서 파이프를 통해 가스를 공급하는 경우 ‘배관천연가스’(piped natural gas, PNG)라 한다. 러시아는 대량의 천연가스를 PNG로 이웃 유럽 국가에 수출하고 있다.

해상유전에서 나온 천연가스가 불타고 있다. 천연가스를 포집(捕集)하여 저장할 시설이 없으면 태워버린다.

프로판가스와 부탄가스

천연가스를 연료로 사용할 때는 자연 그대로가 아니라 H2S, CO2, 수은 등을 화학적으로 제거한 상태로 냉각시켜 액체로 만든다. 천연가스에 포함된 성분 중에 프로판(prophane 프로페인, C3H8)과 부탄(butane 부테인, C4H10), 에탄(ethane 이테인, C2H6)은 약간만 압축하거나 온도를 내려도 액화되는 성질이 있다. 프로판을 액화시키면 부피가 270분의 1, 부탄은 240분의 1로 줄어든다. 캠프장, 휴대용 라이터에서 잘 사용하는 프로판가스와 부탄가스는 그래서 간편한 용기에 저장하여 안전하게 쓰고 있다.

용량 9.1kg의 고강도 프로판가스 탱크이다. 천연가스는 580℃가 되어야 자연적으로 발화(發火)하는 반면에 휘발유나 디젤유는 250℃ 정도에서 자연발화한다. 그러므로 천연가스(CNG)를 대형 트럭이나 버스의 연료로 사용하는 것은 더 안전하다. 근년에 와서 대형 컨테이너선이나 유조선, LNG선 등은 정화된 천연가스를 벙커유(중유重油) 대신 사용하도록 건조하고 있다. 벙커유(bunker oil)는 원유에서 등유, 경유 등을 뽑아내고 남은 흑갈색의 점착성(粘着性) 연료이다.

천연가스를 저장하는 방법

천연가스를 장기간 안전하게 보관하려면 강력한 압력용기(저장탱크)에 넣어 액체(LNG) 상태로 저장해둔다. 천연가스를 수송하는 LNG선은 내압과 저온시설이 된 특수선박이다. 우리나라 조선사들은 최고의 LNG선 건조기술을 자랑하고 있으며, LNG를 간편하게 저장하는 탱크의 제조기술 또한 자랑하고 있다.

LNG는 지하 시설이나 사진처럼 지상에 원형 또는 원통형으로 건조한 탱크에 저장한다. 이들은 고압에도 견디고 외부와 열 차단이 잘 되도록 만든다.

자동차가 사용하는 CNG 연료

천연가스는 자동차나 선박의 연료로도 사용한다. 작은 자동차에 LNG 연료탱크를 설치하려면 여러 가지 어려움이 따른다. 고체와 액체는 압축하기 어렵지만, 기체는 압축하면 부피가 감소한다. 천연가스를 고압(200기압 정도)으로 눌러 탱크에 저장한 것을 ‘압축천연가스’(compressed natural gas, CNG)라 한다. CNG의 가스 양은 LNG의 3분의 1 정도이다. CNG를 버스 연료로 사용하면 비용이 적게 든다.

증가하는 천연가스 소비량

현재 대표적인 천연가스 생산국은 미국, 러시아, 호주, 중국, 이란을 비롯한 중동국가이다. 국제적으로 거래되는 LNG의 양은 계속 증가한다. 1970년에는 약 30억m3였으나 2011년에는 331억m3, 2020년에는 400억m3로 증가한 것으로 알려져 있다.

러시아는 북극 바다 근처에서 생산되는 천연가스를 운반할 쇄빙선(碎氷船)을 겸한 LNG운반선 건조를 한국 조선업계에 발주했다. 사진은 대우조선이 2019년에 건조한 4척의 러시아 ‘쇄빙LNG운반선’ 중 한 척이다. 쇄빙LNG선은 –52℃까지 내려가는 극한의 북극 바다에서 두꺼운 얼음을 깨면서 안전하게 운항할 수 있도록 건조한다.

화력발전소는 왜 천연가스 연료를 선호하는가?

석탄, 원유, 천연가스를 화석연료라 부른다. 이 3종 중에 온실가스(CO2)를 가장 적게 발생하는 것이 천연가스이다. 따라서 화석연료를 대량 소비하는 발전소에서는 공해가 적고 가격도 싼 천연가스를 사용하려고 노력한다.

천연가스는 왜 생겨났나?

석탄과 원유는 고대의 생명체가 땅속에 묻혀 변화된 것이다. 이런 변화가 일어날 때는 유기물이 미생물에 의해 분해되면서 가스가 발생한다. 그러한 기체가 지하의 공간에 저장된 것이 천연가스이다. 천연가스는 지구 전체의 지하에 있으나 특별히 대량 매장된 곳(가스전 gas field)이 있다. 가스전은 대부분 석탄 또는 원유가 대량 매장된 지역에 있다.

천연가스는 언제부터 사용하게 되었나?

천연가스는 지구 곳곳에서 지표(地表) 위로 분출하고 있다. 기원전 500-1,000년 전에 중국에서는 이 가스가 빛을 내며 불탄다는 것을 알고, 대나무 파이프를 연결하여 소금광 내부를 밝히는 연료로 사용했다고 한다. 그러나 천연가스를 상업적으로 이용하기 시작한 시기는 19세기 초였다.

메탄가스는 인체에 해로운가?

천연가스의 주성분인 메탄(methane 미데인, CH4)은 유기물이 부패하고 있는 시궁창, 해저의 바닥, 가축의 분뇨 저장고 등에서 대향 발생한다. 미생물에 의해 유기물이 분해되면서 메탄이 대량 발생하므로, 가축과 인간의 방귀 속에도 대량 포함되어 있다. 메탄은 냄새나 색이 없으며, 인체에 거의 해를 주지 않는다. 그러나 온실효과가 큰 기체이므로 대량 배출되지 않도록 노력하고 있다.

메탄가스는 1기압 조건에서 –161.5℃까지 온도를 내리면 액체상태가 된다. 메탄을 태우면 이산화탄소와 물로 변하고 이때 대량의 열이 발생한다. 메탄을 산소와 함께 연소시키도록 만든 로켓 엔진도 있다.

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

천연가스에는 4가지가 더 있다

천연가스에는 일반적인 천연가스 외에 셰일가스, 타운가스, 바이오가스, 결정화(結晶化) 천연가스 모두 5가지가 있다.

셰일가스(shale gas) : 현재 미국과 캐나다에서 가장 많이 생산되고 있다. (셰일오일에 대해서는 본사 블로그에서 <셰일오일 이야기> 참조)

타운가스(town gas) : 석탄을 가열하면 연소가 가능한 석탄가스가 발생한다. 이를 타운가스라고 하며, 메탄이 주성분이다.

바이오가스(biogas) : 시궁창이나 가축폐기물 저장고에서 발생하는 가스를 말하며 메탄이 주성분이다. 미생물의 분해작용에 의해 발생하므로 ‘바이오가스’라 부른다.

결정화 천연가스(crystallized natural gas, hydrates) : 심해(深海), 시베리아의 영구동토 아래에는 얼음처럼 하얀 ‘고체 천연가스’가 대량 매장되어 있다. 역시 메탄이 주성분이므로, ‘메탄수화물’(methane hydrates)이라 부르기도 한다. (본사 블로그에서 <메탄수화물이란 어떤 화석연료인가?> 참조)

석탄, 원유, 천연가스와 같은 화석연료들은 불타고 나면 분해되어 버리므로 재사용이 불가능하다. 그러나 메탄가스는 유기물을 분해(부패)시키는 방법으로 생산이 가능하지만, 이를 경제적인 산업으로 발전시키기에는 어려움이 많다. – YS

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