전 세계가 탄소중립 사회로 나아가기 위한 주도권 경쟁을 치열하게 벌이고 있다. 하지만 2021년 기준 우리나라의 이산화탄소 배출량은 614메가톤으로써 2년 연속 세계 10위를 기록하고 있다. 이에 따라 정부는 2030년 국가 온실가스 감축목표(NDC)와 2050년 탄소중립 목표 달성을 위해 기존 도시가스 배관망에 수소를 혼입하는 방안을 추진 중이다. 도시가스 배관망에 수소를 20% 정도 혼입하면 연간 약 7.6메가톤의 이산화탄소 배출량을 감축할 수 있기 때문이다. 물론 이를 위해서는 수소 혼입 시 도시가스 배관 및 연소기기 등에 대한 충분한 안전성 검증과 함께 안전기준에 대한 해외사례 분석 등이 필요하다. 본지에서는 필자가 참여했던 도시가스 배관망 수소 혼입 연구 내용에 대해 간략히 소개하고자 한다.

첫 번째 연구는 ‘도시가스 배관망에 수소 혼입 시 웨버지수 및 점도 변화, 체적‧열량 유량에 따른 압력손실의 변화’이다. 배관망 해석 프로그램으로는 GIS 기반의 Synergy Gas 모델을 사용했다. 본 해석에서는 가정용 연소기를 변경하지 않는다는 조건하에 수소 혼입률을 0 ~ 20%로 가정하였으며, 수요 지점에서 체적 및 열량 유량을 고정하여 각각의 압력손실을 분석했다.

먼저 가스 호환성을 측정하는 기준인 웨버지수는 수소 혼입에 따라 감소하는 경향을 확인했다. 또한 점도는 수소 혼입률 50% 미만에서는 큰 변화가 없는 것으로 나타나 점도에 의한 압력 손실 변화 역시 적은 것으로 나타났다.

다음으로 수요 지점에서 각각 체적‧열량 유량을 고정한 후 압력손실을 해석했다. 일정한 체적 유량을 공급하는 조건에서는 수소 혼입률이 증가함에 따라 압력손실이 감소함을 확인했다.

한편 수소는 천연가스보다 열량이 낮기 때문에 수소 혼입 시 기존과 동일한 열량을 공급하기 위해서는 더 많은 양의 가스를 공급해줘야 한다. 따라서 일정한 열량을 공급하는 조건에서는 수소 혼입률이 증가함에 따라 체적 유량도 높아져 압력손실이 증가하는 결과를 확인했다.

두 번째 연구는 ‘도시가스 배관망의 공급지점별 수소 혼입률 차이에 따른 지역별 수소 혼입률 변화’이다.

3개의 공급지점에서 각각 다른 수소 혼입률(3, 4, 5%)로 공급했을 때와 동일한 수소 혼입률(3%)로 공급했을 때로 나누어 해석했다.

우선 3개의 공급지점에서 천연가스를 공급하면 그림과 같이 하나의 공급지점에서만 공급받는 사용자가 71%(노란색), 여러 공급지점에서 중첩하여 공급받는 사용자가 29%(빨간색)로 나타났다. 아울러 3개 공급지점의 수소 혼입률을 각각 3, 4, 5%로 달리하면 공급권역이 중첩되는 수요처(29%, 빨간색) 역시 수소 혼입률이 중첩되는 것을 확인했다. 다만, 이 경우 동일한 수소 혼입률(3%)로 공급했을 때와 비교 시 지역별 열량 차이가 최대 1% 정도 나는 것으로 나타났다.

결론적으로 공급지점에서 수소 혼입률 차이가 있어도 공급권역에는 큰 변화가 없지만 지역별로 가스의 열량이 변하므로, 각 공급지점의 수소 혼입률 차이를 최소화할 필요가 있겠다.

앞서 설명한 바와 같이, 천연가스에 수소를 혼입하면 가스의 점도, 열량 등이 변하여 배관 및 장비의 압력손실도 변한다는 것을 알 수 있었다. 물론, 도시가스 배관망은 지역별로 가스 공급량, 관경 및 분기 형태, 기타 장비 등의 구성이 다르므로, 상기 해석모델을 모든 도시가스 배관망에 동일하게 적용하기에는 어려운 면이 있다. 따라서 복잡하게 구성된 도시가스 배관망에 수소를 안정적으로 혼입하기 위해서는 충분한 기술검토와 실증, 그리고 수소·가스전문가들의 적극적인 연구와 협력이 절대적으로 필요하다.