DME 연료
DME(Dimethyl Ether)는 최근 많은 장점을 지닌 연료로 알려지면서 GTL(Gas to Liquid Products) 연 료의 한 장르로 자리 잡기에 이르렀다. GTL 연료가 2~3년전만 해도 1배럴당 20~30불에 불과한 원유와 의 가격 경쟁력을 갖기에는 매우 힘들었다. 따라서 원 유를 대체하는 연료전환 기술보다는 메탄올, 암모니 아, 수소 그리고 에틸렌과 같은 화학원료 전환기술로 활용되었다. 최근 1배럴당 약 60불인 원유가격 상승은 연료 전환기술 및 사업화에 탄력을 받게 되었고, Exxon-mobil, Rentech, Shell, Chevron-texaco 회사 등에서 기술 개발한 F-T(Fischer-Tropsch) 반응에 의해 전환하는 GTL 연료 생산 플랜트를 대규모 가스 전을 활용하여 연료화하는 움직임을 보이고 있다. 기 존 석유화학 플랜트의 인프라를 활용하고 원유 의존 도를 낮출 수는 있으나, GTL 연료의 청정성 한계, 석
유 화학플랜트에서의 후처리 공정필요, 대규모 가스 전을 원료로 하는 문제점을 안고 있다. 한편, BP Amoco, Mitsui, JFE, Total 회사 등은 GTL 연료에 비해 청정성이 좋은 DME 연료 사업화에 전력을 기 울이고 있다[표 1]. 특히 DME 연료는 에너지 효율이 높을 뿐 아니라 바이오-DME의 경우 이산화탄소 배 출이 현저히 낮게 나오는 장점을 지닌 연료이다.
DME 연료의 물성이 LPG와 유사하여 LPG 관련 수 송·저장·활용의 인프라를 그대로 사용할 수 있으며, 해외에 많은 중·소규모 가스전의 에너지 수송수단 (carrier)으로서 LNG 전환 보다 DME 전환이 더 경 제적인 특징을 지니고 있다. 연료 특성에서는 경유의 세탄가와 유사하여 경유 자동차 등을 쉽게 개조하여 호환할 수 있기 때문에 경유를 많이 사용하는 나라에 는 더욱더 좋다. 기술적 측면에서는 DME 전환기술은 80년대 말에서 90년대 초에 전환기술을 시작한 신기
한국가스공사 연구개발원, [email protected]
0.5 25.1$/bbl △ ◎ ◎ ◎
GTL 0.75 27.2$/bbl ○ ◎ ○
1.0 29.4$/bbl △ ◎ △
1.5 34.0$/bbl ◎
0.5 109.4$/톤 ◎ ◎ ○
DME 0.75 120.2$/톤 ◎ ◎ △
1.0 131.6$/톤 ◎ ◎
1.5 153.1$/톤 ◎
※ ◎; 매우양호, ○; 양호, △; 보통
표 1. GTL과 DME의 대체 가능한 원유 생성물
구분 가스가격
CIF가격 원유 대체 생성물 화석연료 대체 생성물
($/mmbtu) 납사 케로젠 고급디젤 디젤 LPG LNG
술로서 F-T 기술에 비해 기술적 투자가치가 크고, F- T 공정에 비해 단순하여 중·소규모 가스전 이외 석 탄가스, 바이오가스(폐기물, 매립지 가스), 이산화탄 소 등 다양한 가스로부터 전환 가능한 탄력적인 기술 이다.
DME 연료의 신사업 분야
DME 연료의 신사업 분야로는 DME와 물성이 유 사한 LPG 대체나 혼합에 이용되는 사업이 있고, DME 연료 특성인 세탄가가 디젤과 유사하여 디젤을 대체하는 연료로 사용될 수 있으므로 자동차와 발전 소 분야에 활용되는 사업이 있다. 따라서 LPG 대체 시장은 즉시 활용되는 사업으로 성장하는 LPG 수요 에 부응하고 LPG 가격을 안정화시킬 수 있는 시장이 다. LPG와의 쉬운 물리적 혼합으로 에너지 시장을 안정화 시킬 뿐만 아니라 LPG 공급시장을 확장할 수 있다. 둘째로는 발전소 대체 연료로서의 시장이다. 배 출가스의 청정성을 지닌 DME 연료는 상대적으로 짧 은 기간에 사업에 침투할 수 있는 연료이고, 특히 도 서지방 등의 발전소에 DME 연료를 혁신적 방법으로 공급하여 고효율 가스터-빈에 적용된다. 셋째로는 디 젤 차량연료로서 미탄화수소와 황산화물 배출이 거의 없고 높은 세탄가를 지녔으며 중·소형 자동차에 적 합한 연료의 저장 용이성이 있는 연료이다[그림 1].
DME 연료는 전 사업 분야에 기존 연료에 비해 질 소산화물과 미탄화수소의 배출가스가 현저히 낮게 배
출되는 특징을 보이고 있고, 특히 자동차 분야에 새로 운 ULEV(Ultra Low Emission Vehicle)의 환경 규 제치를 만족시킬 뿐만 아니라 지구온난화에 영향을 미치는 지구환경 보전성에도 우수하다. DME 자동차 가 다음 세대의 환경 자동차에 자리 매김을 할 수 있 고 경유 자동차의 배출 가스 환경 문제를 해결할 수 있을 것으로 평가하고 있다. 특히 우리나라를 포함한 동남아에서 경유 차량의 점유율이 높아 경유의 대체 수송연료로 사용한다면 도심의 환경 개선효과에 상당 히 기여할 것으로 판단하여 일본 JFE, Mitsubishi, Mitsui 회사는 2010년 가스전에서 DME 사업을, Total 사는 카타르에서 연간 180만톤 DME 사업을 계획하고 있다. 중국은 2003년부터 천연가스와 석탄 을 이용하여 DME 사업을 시작하였고, Lutianhua 회 사는 2005년 11만톤, Jiautai Energy 회사는 2005년 10만톤 DME 사업을 확대 추진 중에 있다. 이란은 LPG용으로 사용하기 위해 NPC-RT와 haldor- topsoe 회사와의 공동으로 Bandar Assaluyeh에 연간 80만톤 DME 사업을 2007년 상용화로 추진 중에 있 다[그림 2].
우리나라는 한국가스공사가 2003년 일일 50kg DME 공정 개발하여 운전을 완료한 상태이며[그림 3], 현재 일일 10톤 DME 연료 생산 Demo 플랜트를 2008년 준공을 목표로 건설하고 있으며, 2010~2012 년 해외가스전 사업화 추진을 위해 매진하고 있다. 한 편 SK(주)는 Crude 메탄올로부터 DME 연료를 전 환하는 기술개발을 완료하여 중국에 사업화를 위해 모색 중에 있다.
그림 1. DME 연료의 사업분야.
China DME Plants 3,000 TPD
Japan DME Ltd 5,000 TPD DME Int'l Corp.
2,500-4,500 TPD Iran/Japan DME 2,500-4,500 TPD
and Iran Methanol/DME
5,000 TPD
그림 2. DME 연료 생산플랜트 지역.
DME 연료의 신사업 현황
현재 DME는 화학원료용으로 사용되고 있는데, 국 내에서 DME 생산은 LG화학이 일본 미쯔비시 가스 와 기술 제휴에 의해 1983년 여천 공장 내에 DME 공 장을 준공한 이후부터이다. 해외에서 수입한 메탄올 을 탈수하여 DME를 생산하거나 에탄올을 원료로 DEE(Diethyl Ether)를 생산하는 공정으로 일일 12 톤 규모이다. 2001년에는 대흥산업(주)가 울산에 일 일 12톤 동일 규모의 공장을 가동하여 생산을 개시하 였다. 역시 메탄올을 원료로 탈수 반응을 통하여 DME를 생산하는 공정이다. 생산된 DME의 약 50%
가 농약의 원료인 디메틸설페이트(DMS, dimethyl sulfate)를 제조하는 원료로 사용되고 있다. 이외에도 국내에서 생산되는 DME는 페인트 등의 에어로졸 추 진제로 사용되고 있으며[그림 4], 연간 생산용량은 6,000~8,000톤이다. 추진제로서의 장점 때문에 국내 에서 DME 수요가 증가할 것으로 예상된다.
DME 연료시장으로는 아직은 미미하지만 중국이
2003년부터 DME를 메탄올로부터 제조하여 가정용 연료로 활용하고 있는 최초의 나라이다[그림 5].
LPG 70%에 DME 30%를 혼합하여 연료로 사용하 고 있으며, 2004년 현재 20만톤을 생산하여 이중 56%
를 연료로 사용하고 있는 상황이다. 가정용연료 특징 으로는 높은 효율, 저렴한 가격, 친환경적인 것으로 평 가되고 있다. 2008년 상해시 올림픽 개최시기에 맞춰 DME 연료 버스를 대량 보급할 계획이여서 대폭적인 DME 연료 시장이 증가될 것으로 전망하고 있다.
일본의 운수정책심의회 환경소위원회는 2001년 6 월에 DME 자동차를 차세대 청정자동차로서 현재 DME 자동차를 실증 운행시험이 완료단계에 있다. 일 본 석유공단 지원 하에 이와타니 산업, 산업기술총합 연구소(AIST) 및 미쓰비시 자동차가 공동으로 디젤 차량을 개조한 DME 자동차의 개발, NEDO(신에너 지개발 총합기구) 주관으로 히노 자동차와 일본 자동 차연구소(JARI)가 공동으로 1997년부터 7년간 고효 율 DME 엔진 탑재 하이브리드 버스를 개발하여 실 증운행 중에 있다. 또한 NKK(현 JFE)에서는 2002 년 2월에 교통건설성으로부터 도로주행 허가를 받아 2톤급 DME 트럭(Isuzu truck 3,600cc급)의 100시간 주행시험을 완료하였으며 검뎅이 배출가스가 거의 없 다는 것을 확인하였다[그림 6, 7]. 이외에도 발전연료 적용분야에 있어서는 가스터빈 액체 DME 분사시스 템 개발, 보일러 연료전환 엔지니어링 완료(Hitachi, IHI, MHI), 디젤엔진 열병합발전 개발(Yanmer 등) 그림 3. 일일 50kg DME 생산 Pilot Plant(한국가스공사).
그림 4. DME 추진제(현재). 그림 5. 가정용 DME연료의 가스레인지.
에 관한 개발이 완료단계에 있어 DME 연료 공급시 급속히 확산될 것으로 전망하고 있다[그림 8, 9].
유럽에서는 DME 개발초기에 전력부하 피크조절 을 위한 에너지 저장용으로의 활용이 기대되었으나 DME 연료가 55이상의 세탄(Cetane)가를 지니며 압 축착화방식의 디젤엔진 연료로 사용할 수 있다는 것 이 밝혀져 디젤 대체연료로 기술개발이 진행되어 왔 다. Haldor Topsoe, Air Products, Shelll 등은 1990년 부터 자동차 연료로서의 DME엔진 실험을 수행하였 고, 1997년 IEA/AMF의 Annex XIV의 공식적인
출범으로 현재는 디젤 대체연료로서의 중요성이 부각 되고 있다.
미국의 Amoco사와 Navistar사(운송기계)가 주관 이 되어 Haldor Topsoe사 및 AVL List GmbH사 (오스트리아의 디젤엔진회사)와 공동으로 디젤엔진 용 DME연료 엔진개발을 추진하고 있다. 성능시험에 사용된 차량제원은 7,300cc급 V-8 T444E 직접분사 터보디젤엔진이며, 시험결과 스모크 배출가스 문제의 해결, DME 주입과 연소시스템으로 NO
x배출량을 US 1998 규제치의 40%까지 줄임으로써 캘리포니아 그림 6. 일본 DME 트럭 실증운행(8톤). 그림 7. 일본 DME 트럭 실증운행(2톤).
그림 8. 미쯔비시 중공업의 DME 연료 터빈. 그림 9. 미쯔비시 중공업의 DME 연료 보일러.
그림 10. 일본 JFE DME 버스의 실증운행. 그림 11. Volvo DME 버스의 실증운행.
ULEV 규격치의 충족 및 연소시 소음 및 진동문제를 가솔린엔진 수준으로 낮출 수 있는 것으로 밝혀졌다.
우리나라는 한국에너지기술연구원에서 2000년 5월 부터 2년에 걸쳐 ‘DME의 디젤엔진 적용을 위한 연료 공급계 및 연소계 기반기술 연구’를 추진하였고, ‘소 형 인라인 분사계 디젤 엔진의 연료공급계를 사용하 는 DME엔진 최적화 기술연구’를 2002년 7월부터 3 개년 배기량 3,000cc급 DME 엔진과 프로토타입 DME 차량 시스템을 제작하여 2003년에 순수 DME
차량을 국내에서 최초로 선보였다(참여기업：SK, 위 탁기관：인하대학교). 2005년부터 2단계 연구로서 디 젤버스를 개조하는 DME 차량개발을 추진하고 있다 (참여기업：SK, 한국가스공사). ‘신 연료 DME의 화 력발전소 적용기술 개발’을 한전전력연구원에서 주관 하여 DME 연소용 저 NO
x연소기 및 버너 소형 시제 품 적용 시험과 DME 연료전환 설비개조 설계의 기 술개발을 2007년까지 완료계획하고 있다(참여기업：
발전 3사, 한국가스공사, 위탁기관: 서울대학교, 포항 공과대학교).
DME 연료의 수요전망
경쟁력 있는 DME 연료 직접 전환기술이 개발되기 까지는 기존 DME 연료 전환플랜트를 이용하는 간접 합성법(메탄올을 경유하여 DME 연료를 전환하는 방 법)에 의한 DME 연료 전환방법이 시장을 주도할 것 으로 예상되며, DME 연료는 에너지원의 확보 및 환 경오염 개선을 위한 정부의 정책의지에 따라 연료로 서 시장수요를 창출할 것으로 예상되고 있으나, 일본 내에서의 초기 DME 연료 시장수요는 연간 1,620만 톤으로 예상하며, 2010년에는 3,810만톤으로 증가할 것으로 전망하고 있다[표 2].
DME Demand for Transportation Sector
Methanol Dehydration
Retrofit/
Piggyback
Greenfield Plants Phase III Phase II
Phase I
1995 2005 2015
DME CostDME Demand
그림 12. The Three DME Marketing Stages.
※ 1. 출처; Monetizing stranded gas reserves conference (Amoco/J. Gradassi)
2. Phase I ; 메탄올에서 DME 생산, Phase II; 기존 유 사설비 활용 DME 생산, Phase III; 가스전에서 DME 생산
전력용 2.3 3.8 32.8 39.2 5.0 8.0 4.8 8.8 7.2 10.2 52.1/70.0
수송용 2.4 5.8 4.6 10.2 8.2 24.8 3.5 8.4 9.8 23.5 28.5/72.7
가정용 - - 0.7 1.4 12.2 22.7 11.6 23.4 0.5 0.9 25.0/48.4
합 계 4.7 9.6 38.1 50.8 25.4 55.5 19.9 40.6 17.5 34.6 105.6/191.1
1. 일본초기 수요; 발전용 2.5, 자동차용 7.4, LPG 5.4, 도시가스 0.8 총 16.2백만톤 2. 한국초기 수요; 6.6백만톤
3. 자료출처; Japan DME Forum
표 2. 아시아 DME 연료시장 전망(단위 : 백만톤)
