집 중 기획
이상훈
서울대학교 산학협력단 [email protected]
냉동·냉장 시설 현황
냉동냉장수협에서 발표하는 냉동냉장업 통계자료에 따르면 2012년 기준으로 냉동냉장창고업을 하고 있는 업체 수는 총 890개이고, 경남의 업체 수가 186개로 가장 많은 업체를 보유하고 있는 것으로 나타났고, 그 다음으로 부산 139개, 경기 115개로 업체 수가 100개 이상인 곳은 전국 적으로 3개 지역뿐인 것으로 나타났다(표 1).
냉동·냉장화물을 처리하는 창고의 시설유형에는 창고에서 유지되 는 온도에 따라 4종류로 구분이 된다. F(Freezer Class)급 창고는 -20℃, C1(Cooler Class)급 창고는 -10℃~-20℃, C2(Cooler Class)급 창고는 -2℃~-10℃, 그리고 C3(Cooler Class)급 창고는 10℃~-2℃이다.
이들 냉동·냉장·창고의 냉동기 대부분은 왕복동식압축기와 스크 류식을 주로 사용하고 있으며(그림 1), 일부 창고에서는 두 종류를 혼합 하여 사용하고 있다. 왕복동식압축기는 피스톤과 실린더의 조합으로 이 루어진 설비로서 피스톤의 이동에 따라 냉매가 흡입, 압축, 토출 작용을 통해 냉동에 필요한 열을 전달한다. 왕복동식압축기는 가공 방법이 단순 하여 원가가 저렴하다는 특징을 가지는 반면, 진동이나 맥동이 심하여 소 인천항만공사에서 2018년을 목표로 추진중인 LNG 냉열이용 물류센터 구축 사례를 간략하게 소개하고 자 한다.
인천 신항 배후단지 LNG
냉열이용 물류센터 구축
집중기획 기획 집중
형 창고에 주로 적용되고 있다. 스크류식 압축기는 수로터와 암로터가 1조가 되어 외피와 함께 밀폐공 간을 형성하여 냉동에 필요한 열을 전달한다. 스크 류식 압축기는 고효율, 저진동, 저고장, 저소음 등
의 특징을 가지고 있어 주로 중형의 냉동·냉장창 고에서 사용하고 있다.
냉동·냉장창고에서 사용되고 있는 냉각방식 에는 통풍냉각, 수냉식, 진공예냉, 통풍냉각 및 수
<표 1> 전국 냉동·냉장시설 현황 (2012년 12월)
구 분 시도별
2012년 12월 31일 기준 시설현황
업체 수 동결
(T/D)
냉장(M/T) 제빙
(T/D)
저빙 (T/D)
계 수산* 기타** 계 수산* 기타**
합 계 890 774 116 19,008 3,969,786 2,766,549 1,203,237 4,063 57,241
서 울 7 6 1 180 63,100 35,450 27,650 20 500
부 산 139 123 16 5,420 1,697,040 1,415,105 281,935 1,066 8,220
대 구 11 7 4 90 23,177 9,167 14,010
인 천 33 25 8 294 140,373 88,437 51,936 170 3,200
광 주 - - - - - - - - -
대 전 5 4 1 59 12,780 10,930 1,850 36 36
울 산 4 4 43 6,820 6,820 120 1,010
경 기 115 68 47 4,453 1,404,106 690,721 713,385 248 1,005 강 원 65 64 1 606 109,117 94,415 14,702 196 3,385
충 북 7 1 6 25 55,065 25,000 30,065
충 남 45 36 9 853 74,703 32,403 42,300 238 4,408
전 북 28 28 419 31,030 28,256 2,774 185 7,660
전 남 78 77 1 2,450 86,658 86,093 565 291 5,932
경 북 74 63 11 917 82,819 68,676 14,143 365 8,735 경 남 186 175 11 2,613 151,253 143,331 7,922 798 7,350
제 주 93 93 586 31,745 31,745 330 5,800
왕복동식압축기 스크류식압축기
[그림 1] 냉동·냉장 창고의 냉동기
냉식 혼용 방식 등이 있는데, 주로 통풍냉각방식과 수냉식이 사용되고 있다. 이들 설비를 사용할 경 우, 전력사용량은 보관되는 화물 1톤당 141 kWh가 사용되어 일반 창고의 전력사용량 톤당 117 kWh 대비 화물 1톤당 24 kWh가 초과 사용되며 창고 운 영비 상승을 초래함으로써 결국에는 화주의 물류 비 상승을 초래한다.
인천항 항만배후단지 현황
인천항 항만배후단지의 세부적인 현황은 표 2, 그림 2와 같다.
표 2에 언급된 항만배후단지의 현황을 자세하 게 살펴보면 다음과 같다. 아암물류 1단지는 2002 년 조성이 완료되어 현재 운영 중이며, 총 조성면적 은 860천 ㎡로 현재(2014년 말 기준) 16개 업체가 입 주·운영 중이다. 아암물류 2단지는 총면적 2,571 천 ㎡로 총 3,438억 원을 투입하여 2022년까지 조성 이 완료될 예정이며, 미래가치 품목을 선정하여 향 후 특화물류단지로 조성할 계획이다. 북항 배후단 지는 총면적 565천 ㎡로 2013년부터 본격적으로 운 영을 시작하였으며, 청라투기장은 총면적 178천 ㎡ 로 현재의 철재, 골조 등과 같은 단순 야적화물이 아닌, 부가가치를 창출할 수 있는 화종(기계부품,
<표 2> 인천항 항만배후단지 현황
구 분 시행자 면 적 조성시기 비 고
아암물류 1단지 정부 860천 ㎡ 2002년 조성완료
아암물류 2단지 정부 2,571천 ㎡ 2022년 조성중
청라투기장 정부, IPA 178천 ㎡ 2004년 조성완료
북항배후단지 정부, IPA 565천 ㎡ 2012년 조성완료
영종도투기장(1단계) 정부 3,150천 ㎡ 2004년 조성완료
영종도투기장(2단계) 정부 4,221천 ㎡ 2011년 조성완료
신항 배후부지 정부, IPA 2,118천 ㎡ 2020년 조성중
경인아라뱃길 IPA 825천 ㎡ 2012년 조성완료
아라뱃길 투기장 825천 ㎡
영종도 투기장 (1단계) 3,150천 ㎡
영종도 투기장 (2단계) 4,221천 ㎡
청라 투기장 178천 ㎡
북항 투기장
565천 ㎡ 아암물류1단지 860천 ㎡
아암물류2단지 2,571천 ㎡
신항 배후부지 2,118천 ㎡
[그림 2] 인천항 항만배후단지 조성계획
집중기획 기획 집중
목재가공품, 자동차 관련 화종 등)을 유치할 예정 이다. 인천신항 배후단지는 2020년까지 1~1단계 (2,118천 ㎡)를 공급할 예정이며, 1~2단계(397천
㎡), 2단계(1,518천 ㎡), 3단계(2,158천 ㎡)를 2020년 이후 순차적으로 공급할 예정이다. 총면적 7,317천
㎡인 영종도 투기장은 2011년 조성이 완료되었으 며, 경인아라뱃길 준설토 투기장은 총면적 825천
㎡로 2012년 조성 완료되었으며 향후 항만기본계 획에 따라 항만부지로 개발될 예정이다.
인천항만공사에서는 항만배후단지 부가가치창 출 도모를 위해 항만클러스터조성을 통한 배후물류 단지 활성화 방안을 추진 중이며, 향후 개발되는 배 후단지에 대해 부가가치 물류활동을 유발할 수 있 는 핵심 아이템 위주의 품목을 유치할 예정이다. 이 를 위해 인천항만공사에서는 아암물류 2단지 내 수 출을 위한 동북아 Distribution center(자동차 부품, 전 자제품, 기계류 등) 및 수입을 위한 소비재 가공물류 센터(식품, 의류 및 잡화 등)를 구축할 예정이다.
LNG 냉열 개념
천연가스는 메탄을 주성분으로 한 가연성 가 스로서 이를 액화하여 용적을 감소시킨 후 대량수 송 또는 대량저장이 가능하도록 한 것을 액화천연 가스(LNG)라고 한다. LNG는 천연가스를 수송 및 저장하기 쉽도록 액화(-162℃)한 것으로 kg당 200 kcal의 냉열에너지를 보유하고 있다. 그러나 LNG 를 일반연료로 공급하기 위하여 인수기지에서 다 시 기화시키는 과정에 냉열에너지가 무효하게 해 수중으로 버려지게 된다. 따라서 이 냉열에너지를 발전에 효과적으로 이용하기 위한 기술이 LNG 냉 열 발전기술이다.
LNG는 저공해 연료라고 인식이 되어있는데, 이는 천연가스의 액화 과정에서 황탄산가스 등의 불순물이 제거됨으로써 연소 시 대기오염물질이
거의 발생되지 않기 때문이다. LNG와 등유, 중유 의 대기오염물질 발생량을 비교해보면 LNG가 연 소 시 발생하는 황산화물은 0.01 g/만kcal인데 반 해, 등유는 0.2 g/만kcal, 중유는 4.1 g/만kcal로 타 연료에 비해 발생량이 아주 미미한 정도이다. 아울 러 일산화탄소의 경우에도 LNG가 0.3 g/만kcal, 등 유가 0.6 g/만kcal, 중유가 0.6 g/만kcal로 50% 수준 에 불과하다
또한, 천연가스는 공기보다 가볍기 때문에(공 기비중 대비 0.65) 누출된다 하더라도 공기 중으로 빠르게 확산되어 사고의 위험이 작은 안전한 연료 이며, 전기나 석유보다 열효율이 높고 지하배관으 로 공급되기 때문에 안정성이 뛰어나고 운송 및 저 장비용이 절감되어 경제적인 효과가 높은 것으로 알려졌다.
LNG 냉열이용 기술현황
냉열이용은 LNG 냉열을 직접 이용하는 방법과 LNG 냉열에 의해 제조된 액체질소, 액화 탄소 등을 이용하는 간접적인 방법으로 나눌 수 있다. 직접이 용기술로서 1971년 액체산소와 액체질소의 제조가 시작된 이후 현재 직·간접 이용을 위한 여러 가지 기술이 실용화되어 전 세계적으로 이용률도 확대 되고 있다. 그러나 국내에서는 LNG 취급량과 가동 변동의 제약 및 경제성 등의 문제로 LNG의 냉열을 거의 이용하지 않고 있다.
LNG 직접이용기술로는 냉열 발전, 공기액화분 리(액체아르곤, 액체산소, 액체질소), 냉동창고, 액 화 탄소·드라이아이스 제조, BOG 재액화 등을 들 수 있으며, 그 외 기술로는 LNG 냉열에 의해 과냉 각된 LPG(프로판)을 LPG 탱크 상부에서 스프레이 함으로써 LPG의 BOG 발생을 억제하는 LPG-BOG 억제설비를 들 수 있다. 그리고 화학 플랜트에서의 냉동기 대체, 냉동식품, 공조, 인공스키장/스케이트
장, 내한체험설비 등이 있으며, 현재 연구 개발 중인 것은 해수 담수화, 액체수소 제조 등을 들 수 있다.
이 중, LNG 냉열 발전의 경우를 자세히 살펴 보자면, 기본 동작원리는 기존 화력발전의 랭킨사 이클과 같으나 이용온도의 범위와 열전달 매체 등 이 다를 뿐이다. LNG 냉열 발전은 액화 천연가스 를 기화시키는 과정에서 기본순환과정의 열매를 응축시키고 해수에 의한 열흡수를 이용하여 열매 가 팽창하면서 터빈 발전기를 회전시키는 원리다.
즉, 응축과정에서 LNG 냉열을 이용하고 증발과정 은 해수의 열원을 이용하는 것이다. 순환열매체로 는 상온에서 기화하고 0℃ 이하에서 응축하는 프 로판, 프레온 등의 물질을 사용한다.
해수를 열원으로 하는 냉열 발전의 경우 LNG 가 가진 냉열 약 200 kcal/kg의 20~30%, 즉 40~60 kcal/kg을 전기에너지로 회수할 수 있다. 이는 LNG 1 Ton당 30~70 kWh의 발전이 가능하다는 것이다.
LNG 냉열 발전출력의 조정은 LNG 유량, 즉 LNG 기화시의 흡수열량으로 조정하고 LNG 냉열 발전에 사용되는 해수는 온도가 높을수록 좋은 출력을 얻 는다. 또한, 복합화력으로 운영 시 높은 효율을 얻을 수 있고 무공해 친환경 에너지라고 말할 수 있다.
LNG 간접이용기술로서 실시의 예는 많이 있지 만, 현재도 수요증가를 도모하여 각종 용도의 이용 이 추진되고 있다. 대표적인 예로서는 저온분쇄, 동결분쇄, 폐기물처리, 토목(동결공법, 콘크리트 냉각), 저온의료, 기기의 저온유지, 메탄 안정 동위 체의 분류 등을 들 수 있다.
이와 같이 LNG 직접 및 간접이용기술을 통하여 각 분야에서 절감할 수 있는 전력의 절감률은 표 3 과 같다.
LNG 냉열을 이용할 수 있는 산업 중 그 효과가 큰 산업이 식품냉동냉장창고, 지역냉방, 아이스링 크 등이 대표적인 예시라고 말할 수 있다. 이 중 인 천항만공사에서 추진하고자 하는 것은 LNG 냉열
기술을 냉동·냉장창고에 이용하는 것이다. LNG 냉열이용에 의한 냉동냉장 창고는 재래식 기계에 비교하면 대형의 냉동기 설비가 필요 없기 때문에 건설·운전비용, 기계공간, 소비전력, 소음, 진동 등을 감소시키는 장점이 있으며 냉열을 이용한 초 저온 창고를 만들 수 있다.
그림 3에서는 냉동·냉장창고에서 LNG 냉열 을 이용할 경우 구축해야 하는 시스템을 나타내고 있다. 그림 3에서 보듯 LNG 냉열을 이용할 경우, 기존 냉동·냉장창고의 설비 시스템인 전기구동 냉동기 등이 불필요하게 된다.
냉동·냉장창고에 LNG 냉열을 이용에 따른 장·단점을 살펴보면 표 4와 같다.
이러한 효과로 인해 국외에서는 LNG 냉열을 실용화하는 데 주력하고 있는 반면, 우리나라에서
<표 3> LNG 냉열이용 산업별 전력 절감률(기존 공정 대비)
냉열이용산업 운전전력절감률
식품냉동냉장 70%
액체탄산제조 50%
공기액화분리 50%
폐타이어 분쇄 40%
지역냉방 70%
아이스링크 70%
<표 4> 냉동·냉장창고의 LNG 냉열이용시 장·단점
장점 단점
● 건설비 절감 : 냉동기, 응축기, 냉각탑의 불필요로 건설비의 약 10% 절감
● 운영비 감소 : 전기구동 냉동기 의 불필요로 운영비의 70% 절감
● 유효면적의 증가 : 기계실의 불 필요로 창고 유효면적 증가
● 환경 친화성 : 압축기 불필요로 소입 및 진동 없음
● 부하추종형 운전 : 부하에 따른 신속한 온동강화와 냉동, 냉장, 저온의 용량 조절이 가능
● 유지보수의 용이 : 압축기 등 구 동기기의 감소
● LNG 냉열이용량을 고 려할 경우, 1만 톤 이 상 대규모의 냉동창고 가 경제적
집중기획 기획 집중
는 실용화가 아직 어려운 실정이다. 그 주요한 이 유는 LNG 냉열이용에 있어 냉열을 이용하는 시설 에서 반송된 LNG를 도시가스공사에 공급해야 하 는 관계로, LNG의 이용에 제약이 발생하기 때문이 다. 다시 말하자면, 도시가스 수요가 적은 하절기, 명절, 야간에는 LNG 냉열의 활용이 어렵게 된다는 것을 의미한다. 따라서 LNG 기지의 수요변동에 직 접적인 영향을 받지 않은 축냉기술의 개발 및 이의 실용화가 절실한 상황이다.
일본의 LNG 냉열이용 냉동·냉장창고 사례
일본은 1974년부터 LNG 냉열을 이용한 냉동·
냉장창고를 운영하기 시작하였다. JSF사는 도쿄가 스가 요코하마 니기시기지에서 공급하는 LNG 냉 열을 이용하여 냉동·냉장창고를 운영하고 있으 며, SEG사는 후쿠오카의 서부가스 엔지니어링사 에서 공급하는 LNG 냉열을 이용하여 냉동·냉장 창고를 운영하고 있다.
이들 기업이 운영하고 있는 냉동·냉장창고의 수용능력은 연간 60,960톤이며, LNG 사용량은 17 ton/h으로 기존 전기식 설비를 사용할 때에 비해
50%의 운전비 절감효과를 가지고 있는 것으로 나 타났다.
자세한 일본의 LNG 냉열이용 냉동·냉장창고 현황은 표 5와 같다.
이들 기업이 LNG 냉열이용 프로세스는 거의 동일한데, 생산기지로부터 LNG 냉열을 공급받아 냉매와 열교환시키고, 저온의 천연가스는 다시 기 화기에서 상온까지 기화되어 소비자에게 공급하 고 있다. LNG로부터 냉각된 냉매는 기액분리용 냉 매탱크에서 펌프에 의해 냉동창고에 냉기를 공급 하면서 계속 순환하게 된다.
그림 4는 개략적인 프로세스를 보여주고 있 다. 생산기지로부터 LNG를 공급받아 냉매와 열교 환시키고, 다시 기화기에서 상온까지 기화되어 소
냉열회수시스템 계열 기화가스
냉장물류센터
물류센터 LNG 기지
P-41A P P
냉매(R22) 2호 계열
1호 계열 RE-11
RE-11/12 냉열회수기 ROV-1/2 NG가온기 V-41 수조 P-41AB 순환펌프
RE-12
ROV-2
V-11
ROV-1
[그림 3] 냉동·냉장창고의 LNG 냉열이용 시스템 구성도
<표 5> 일본의 LNG 냉열이용 냉동·냉장창고의 현황
구 분 JFS SGE 비 고
LNG
사용량 7.0 T/H 10.0 T/H SGE 실사용량은 5 T/H 냉동능력 290 RT 240 RT
수용능력 32,260톤 27,600톤 창고종류 F3급 및 F4급 F1급 냉동온도 -40℃~-60℃ -30℃
비자에게 공급된다. LNG로부터 냉각된 냉매는 기 액분리용 냉매탱크에서 펌프에 의해 냉동창고에 냉기를 공급하면서 계속 순환하는 프로세스를 가 지게 된다.
LNG 냉열이용 물류센터 구축의 배경 및 목적
우리나라 냉동·냉장화물의 수출입은 금액기 준으로 최근 3년간 연평균 14.4%의 급속한 성장을 보이고 있으며, 물량기준으로는 2012년 기준 5,528 만 톤으로 2011년 대비 8.4% 증가하고 있다.
냉동·냉장 화물을 처리하기 위한 냉동·냉장 창고시설은 소규모 창고를 모두 포함하여 전국적 으로 359만여 개소가 분포하고 있으며, 인천지역에 만 14만 5,898개소가 분포하여 전체 창고수의 4.1%
가 분포하고 있다. 그러나 우리나라 냉동·냉장창 고의 100%가 전기식 냉동·냉장 시스템을 이용하 고 있으므로 이로 인해 전력의 사용률이 높은 것도 사실이다. 그 예로 냉동·냉장창고에서 화물 1톤 당 소비되는 전력은 141 kWh로 일반 창고에서 화 물 1 톤당 소비하는 평균 전력사용량 117 kWh를 화물 1톤당 24 kWh를 초과하여 사용하고 있다. 이 러한 냉동·냉장창고의 높은 전력사용량으로 인해
오래전부터 LNG가 기화되어 도시가스 공급처에 천연가스로 공급될 때 해수로 방출되고 있는 LNG 냉열(-162℃)를 이용하여 냉동·냉장창고에서 필 요로 하는 저온에너지를 공급함으로써 냉동·냉장 창고의 운영비를 절감하고 이를 통해 냉동·냉장 화물의 유통비용을 절감시켜보자는 필요성이 제기 되어 왔다.
한편, 인천항만공사에서는 인천항 항만배후단 지의 부가가치 창출을 목적으로 부가가치 물류활동 을 유발할 수 있는 핵심 아이템을 선정하여 클러스 터(Food Zone, Green Zone, E-Zone, Global Brand Zone, Vehicle Zone, Global Logistics Zone 등)를 개 발할 전략을 수립하고 있는 상황이다. 이러한 배경 과 더불어 인천항만공사에서 2018년까지 조성할 계획에 있는 신항배후단지 인근에는 LNG 인수기지 가 위치하고 있기 때문에 냉동·냉장창고에서 필 요로 하는 LNG 냉열을 이용한 저온에너지를 공급 할 수 있는 최적의 환경이라고 판단하고 있다.
LNG 냉열이용 물류센터 구축 프로젝트를 통하 여 인천항만공사는 인천항 신항배후단지를 이용 할 수 있는 냉동·냉장창고의 수요를 전망하고 이 들 창고의 냉동·냉장창고에서 LNG 인수기지에서 미활용되는 LNG 냉열을 이용한 냉열시스템을 설 치 운영할 수 있는 방안 및 그에 타당성을 분석하
Heat Source
Vaporizer
Heat Exchanger No
LNG
City Gas
Coolant Tank
Storage Room
Storage Room
Sorting &
Disposal Room
Coolant Pump
[그림 4] 일본 냉동·냉장창고의 LNG 냉열이용 프로세스
집중기획 기획 집중
고자 하였다.향후 인천항 항만배후단지의 활성화 는 물론 LNG 냉열을 이용하므로 냉동·냉장창고 의 운영비 절감을 도모하고 나아가서는 냉동·냉 장화물의 유통비용을 감소시켜 국민 생활의 안정 성을 도모하는 데 목적이 있다고 말할 수 있다.
LNG 냉열이용 물류센터 구축의 기대효과
인천항만공사에서 추진하고 있는 LNG 냉열을 이용한 물류센터 구축은 우리나라에서 처음으로 시도되는 사업으로 많은 기대효과가 예상된다. 미 활용된 LNG 냉열을 이용한 냉동냉장 물류센터 개 발 타당성 분석을 통해 냉동·냉장창고 건설에 대 한 미래 청사진을 제시할 뿐만 아니라 향후 이러한 물류센터의 구축이 우리나라 항만배후단지 및 해 양경제특구 개발 전략의 새로운 아이템으로 활용 될 수 있는 새로운 가능성을 제시했다는데 큰 의미
가 있다. 무엇보다 가장 중요한 기대효과는 기존 냉동·냉장창고 운영비의 절감 및 냉동냉장화물 의 유통비용 절감을 통해 공공기관으로서의 주요 역할인 국민 생활의 안정성 도모에 크게 기여할 것 으로 기대된다는 점이다.
참고문헌
1. 김호연, 김철만, 김기동, 2010, 생산기지 LNG 냉 열이용 냉동냉장창고의 기술현황, 한국가스공 사 연구개발원.
2. 권옥배, 2013, 미이용 LNG 냉열의 냉동창고 물 류센터 이용, 한국가스공사.
3. 냉동냉장수협 홈페이지.
4. 농수산물유통공사 홈페이지.
5. 윤상국, 1997, 공기조화 냉동공학회 ʼ97 동계학 술발표회 논문집.
