메탄슬립 (Methane Slip)

최근의 조선 관련 뉴스를 보다 보면 에너지전환기 친환경선박연료로 천연가스를 채택하고 이에 따라 LNG 벙커링 선박도 건조되고 있다는 것을 많이 보게 된다. 또한 우리나라 조선업체가 이에 최대 수혜국이라는 얘기에 괜스레 어깨에 힘도 들어가게 되었고, 나의 초창기 글에도 찬양일색의 상태 구분 없는 천연가스(메탄, LNG, Methane)가 소재로 여러 번 등장한다.  

이쯤 되면 벌써 여러분들은 어라 천연가스에 문제가 있는 모양인데 하실 텐데 맞다. 문제가 분명 있고 그보다 더한 잇점도 있고 문제에 대한 해결책도 존재하고 오늘 여기 소개하고자 한다.

(엔진 제조사인 MAN과 Wartsila의 설명 기반 추가 정보 첨삭)

그럼 먼저 해양산업에서 기후목표 달성을 위해 추진연료로 천연가스를 선택하게 된 연유부터 살펴보자.

전환기 최적 연료

LNG 추진 선박은 먼저 LNG 운반선에서 시작되었다.

LNG 운반선은 상온 Gas 상태인 천연가스(주로 메탄 또는 메테인)를 운송하기 위해 액체 상태로 만들어 부피를 1/600로 줄이려다 보니 -163℃ 이하의 온도로 유지해 줘야 하는데 LNG 탱크를 둘러싼 겹겹의 보온재로 최대한 열전달을 차단하고는 있으나 보온재의 기술적 성능한계로 외부에서 넘어오는 열을 식혀주느라 일부 액상의 천연가스가 열을 흡수하며 기화하게 된다.

이렇게 기화된 가스를 BOG(Boil Off Gas)라 하는데 이렇게 자연적으로 기화된 가스는 저장 탱크의 압력을 설계 압력 이하로 유지하기 위해 빼내어 연료로 사용하거나 태워지게 되었다. 예전에는 보일러의 연료로 사용되어 스팀터빈(Steam turbine)을 돌렸고, 요즘은 직접 연소하는 엔진을 구비하고 있다. 

이렇게 LNG 운반선에서 천연가스를 추진연료로 사용하다 보니 동일한 동력 생산에 기존 전통적인 Bunker-C유 대비 25% 이상의 이산화탄소 배출을 줄일 수 있다는 점을 확인하게 되고 더불어 그을음, 미립자 같은 블랙카본(Black Carbon) 배출은 물론 이산화황, 수은 및 기타 유해 물질 배출도 미미한 것이 확인되며 저공해 친환경 연료로서 다른 선박은 물론 전력 발전용으로도 용도 확장학게 된다.  

[참고 정보]
일반적으로 BOR(Boil-off rate)는 LNG carrier의 성능을 나타내는 한 지표로 과거 0.15%/일 수준에서 요즘은 0.10%/일 정도까지 제시되고 있다. (숫자만으로 보면 1,000일 정도면 탱크에 저장 시 전체 가스 자연기화 됨)
실 소요량 보다 과하게 생성되는 BOG를 냉각해 다시 LNG 탱크로 돌려보내는 재액화 설비를 장착하기도 한다. 
LNG 운반선은 LNG 기지에 LNG를 하역하고도 자체 연료사용을 위해 일부를 탱크에 남겨 놓는다. 

 

메탄슬립(Methane Slip)이란

하지만 이렇게 대체연료로서 LNG가 확산되다 보니 친환경 연료로서의 활용에 대해 사실 관계를 따지는 이들이 생겨나게 되고 이들의 주장에 가장 힘을 싣는 사실이 천연가스를 사용하는 과정에서 발생하는 메탄슬립이다. 

메탄슬립은 가스상태의 메탄이 대기 중에 방출되는 현상으로 저장, 운송, 사용과정 등 어디에서나 발생하고 있다. 

(액화)천연가스는 90%이상의 메탄으로 구성된 가스이다. 그러니 곧 천연가스 저장, 운송, 사용과정 어디에서나 메탄슬립이 발생할 가능성이 있는 것이다.  

우리가 우스겟 소리처럼 알고 있는 사실 '소의 방귀, 트림이 지구 온난화의 주범' 처럼 메탄가스는 대표적인 온실가스이자 오존(O₃)  파괴자이다. 글로벌 메탄 이니셔티브에서 추정한 메탄 배출량 자료에서 보면 반추동물의 소화과정에서의 배출이 27%로 가장 높고(Wikipedia에선 분뇨처리 3% 포함 30%로 표현) 그 다음이 Oil & Gas 로 석탄 제외 화석연료 생산과 저장, 소비까지의 과정에서 24%를 차지한다. 

일반적으로 우리는 규제하여야 할 온실가스를 이산화탄소로 알고 있지만 그보다 대기잔류수명이 짧은 것을 감안해도 80배 이상의 GWP(Global Warming Potential, 지구온난화지수)를 가진 메탄의 지구온난화 기여율은 이산화탄소의 35~44% 수준(나무위키 자료 수치 인용 계산)으로 무시할 없기 때문에 현재처럼 LNG 추진선박의 채용이 늘어날 수록 부정적인 현상인 메탄슬립의 증가 우려 또한 커질 수 밖에 없을 것이고, 결국 선박연료로서의 LNG 사용 이점을 약화시킬 수 있을 것이다. 

종류	화학식	평균잔류수명 (년)	지구온난화지수(GWP)
			IPCC 제2차 평가 보고서 (1995)	IPCC 제 5차 평가 보고서 (2014)
				20년간 영향	50년간 영향	100년간 영향
이산화탄소	CO₂	-	1	1	1	1
메탄(메테인)	CH₄	12	21	84	28	7.6
아산화질소	N₂O	121	310	264	265	153

[참고, 주요가스 지구온난화지수, 출처: 나무위키에서 옮김]

※ LNG 추진 선박 관련하여 온난화영향 언급할 경우는 선박의 수명이 20~25년 임을 감안 이산화탄소 대비 80배 이상의 영향으로 표시 

메탄슬립의 원인 (엔진 사용시)

공급망에서의 누출

메탄슬립은 유정에서 선박의 저장탱크에 저장될 때까지의 전체 공급망에서 발생하며, 끓는 점이 낮은 관계로 대기중에 노출되면 따로 가둘 방법이 마땅히 없어 바로 상승하게 되므로 다른 화석 연료보다 누출에 있어 훨씬 더 취약하다고 할 수 있다.

연소실 누출 

공급망에서의 누출보다 훨씬 더 많을 것으로 추정되는 연소실 누출은 엔진의 사공간량(dead volume), 피스톤링 누출, 불완전 연소에 기인하며 이는 엔진의 유형, 부하, 속도 등에 따라 변화한다. 이러한 누출 영향으로 엔진의 배기 시스템이나 크랭크케이스내에서 메탄 슬립이 증가할 수 있고 엔진이 회전할 때마다 미연소 메탄이 누출될 위험이 있다. 

메탄슬립의 방지기술

이러한 메탄슬립의 우려에 대해 업계는 기술적 대응을 진행 중이며, LNG 추진 채택의 과정에 있어 메탄 배출을 허용 가능한 수준으로 최소화 해 왔으며 기술개발은 국제기구의 규제 강화와 더불어 진행되고 있으며 엔진업계는 가장 유망한 솔류션으로 다음 세가지를 제시하고 있다. 

틈새부피(Crevice volume) 감소

메탄은 크기가 매우 작은 가스로 화염이 전달되지 못하는 틈새에 들어가 잔류할 수 있고 이 가스는 연소가 되지 않은채 배출된다. 이렇게 메탄이 남아 있는 연소실의 작은 부피의 합을 틈새 부피라 하고 설계 변경을 통해 이러한 부피를 줄이게 되면 메탄 슬립을 최소화 할 수 있을 것으로 업계는 전망하고 있다. 

직접가스 분사 (Direct Gas Injection) 

자동차에서 불완전연소를 개선하기 위해 개발된 린번(lean burn) 엔진을 보완하여 완전연소를 목표로 오래전부터 채용된 연료 직분사기술을 선박용 대형 엔진에 차용한 것이 직접가스분사(Direct Gas Injection) 방식이다. 

다만 선박용 대형 LNG 엔진은 연료인 LNG를 점화하기 위한 점화용 소량의 디젤 연료 공급을 위한 인젝터가 하나 더 구비되게 되고, 고압으로 주입된 LNG는 단위면적당 유량을 개선하여 연비를 향상시키게 되고 틈새부피 감소 설계와 더불어 메탄 슬립을 최대 90%까지 줄일 수 있다. (Wartsila, 1993년 대비)

배기가스 후처리

상기 기술을 적용하고도 배출되는 메탄의 경우 산화촉매(Oxidation Catalysts)를 통해 배기계통에서 마지막으로 잡아주게 된다. 이는 탄화수소를 방출하는 산업계에서 사용되고 있던 방법으로 적당하게 사용하게 되면 최대 70%의 메탄슬립을 잡아 줄 수 있고, 이는 기존 선박의 엔진에 개조를 통해 적용할 수 있는 방법으로 널리 채용될 것으로 전망되고 있다. 

해상 메탄슬립 관련 국제 규정

현재는 선박에 대해 메탄 배출에 대해 적용되는 국제 규정은 없는 상태이나, 아래와 같이 2025년 부터 점차 규제 적용이 시작될 예정이다.

• 2025년 1월 FuelEU Maritime 발효: 2020년 기준 한도와 비교하여 선상에서 소비되는 연료에 대한 온실가스 집약도 제한에 대한 요구사항 강화로 메탄 배출량이 포함됨
• 2024년 1월 시행되는 EU 배출권거래제(ETS)는 EU항구에 입항하는 총 톤수 5,000톤 이상의 모든 선박으로 확대되게 되고 CO₂ 배출량만 적용되는 초기 2년을 지나고 2026년 부터는 메탄 배출량도 집계에 포함됨. 
• 해양환경보호위원회(MEPC80)는 2050년경까지 온실가스 배출량을 순제로로 줄이기 위한 수정 전략 채택(기존 50% 절감) 하였고, 이는 향후 IMO의 규정에 필연적으로 메탄 배출도 포함되는 것을 의미함.

그래서 천연가스는?

메탄슬립에 대한 우려를 이미 인식하고 있었던 해양업계는 사실 많은 노력들을 진행 중에 있다. 해운만을 보았을 때 일찍부터 LNG 추진을 채택하고 있었던 LNG 운반선이 메탄배출량의 82%를 차지하고 있고, 2021년까지만 해도 LNG 추진 선박엔진 중 메탄슬립 가능성이 많은 저압엔진의 채택 비중이 98%에 달했으나, 최근 발주 LNG 추진 선박들의 고압 직분사 엔진 채택이 늘어나고 있다. 

기술적으로는 엔진연소실 설계, 직분사 채택과 산화촉매기술까지 포함 최대 90%의 메탄 슬립을 줄일수 있다고 업계는 자신있게 홍보하고 있으니, 연료전환기 현실적이고 실용적인 대체 청정연료로서의 천연가스를 위상을 믿어워야 하지 않을까 싶다.