[특별기획] GTL(Gas To Liquid) 기술 개발 동향

특^별기획

최근 급격한 유가 상승으로 인하여 2005년 현재 우리나라 원유 도입액은 연간 500억달러를 초과한 것으로 추 산되고 있으며, 신 고유가 시대를 맞이하여 천연가스를 이용한 합성석유 제조기술 개발의 중요성이 점차로 부각 되고 있는 상황이다. GTL(Gas To Liquid 천연가스 액화기술)이란 천연가스를 화학적으로 가공하여 액체상태 의 석유제품을 만들어내는 기술 및 제품을 통칭하는 말로서, 최종 제품이 액상의 제품인 관계로 기존의 가스전 개발방식이 갖는 다음과 같은 여러 가지 문제점들을 해결할 수 있다. ① 취급이 용이한 액체를 다룸으로써 가스 운반에 따른 원거리 수송문제를 해결할 수 있으며, ② 별도의 운반, 입출하, 저장 등의 시설을 구축할 필요 없이 도 기존 시설을 이용할 수 있으며, ③ 제품을 직접 생산함으로써 즉시 판매가 가능하고 고가에 청정연료를 판매 할 수 있는 장점이 있으며, ④ 수요지로부터 멀리 떨어져 있는 중소규모의 가스자원인 stranded gas의 활용이 가능하여 매장량이 약 1조 입방피트만 확보되어도 LNG 방식과 같이 별도의 운반설비 구축 없이 경제성 있게 활용이 가능한 것으로 보고되고 있다.

FT 합성기술에 기반한 GTL 기술은 가스전의 환경개선에 기여가 가능함과 동시에 유전에서 발생하는 가스 (flared gas)를 처리하여 합성 청정연료의 생산이 가능하다. 또한, 유황성분을 거의 포함하지 않는 청정한 액체 연료인 GTL 제품들이 원유를 정제하여 만들어지는 기존의 석유제품에 비하여 높은 시장가치를 얻을 수도 있 다. 일례로, 미국과 유럽, 일본 등 선진

국에서 자동차용 연료인 경유의 황 함 유량 규제치를 기존의 500ppm에서 2004년부터 이미 50ppm으로 강화하고 미래에는 10ppm 이하로 규제를 강화 시킬 전망이다. FT 합성유는 최근 교 토의정서 발효에 따라 거세게 압박되는 선진 각국의 환경규제 강화에 효과적으 로 대응할 수 있는 연료로서, Sasol의 LCA 결과에 의하면 GTL 합성연료는 유황성분 및 방향족 성분이 거의 없어 서 매연 및 질소산화물 배출량이 적고

GTL(Gas To Liquid)

전 기 원

한국화학연구원 신화학연구단, [email protected]

그림 1. GTL 기술 개요.

특·별·기·획(Ⅰ)

기존제품과 비교하여 대기 산성화도를 40% 이상 감소시킬 수 있는 것으로 보고되어 있다. 또한, PM(particulate matter) 배출량을 40% 이상 저감할 수 있으며, FT 합성유에 의한 경유 승용차의 보급 확대와 열효율 증가에 의하여 온실가스 배출량은 12% 이상 저감 가능한 것으로 보고되고 있다.

세계 전체 가스 매장량 6,000tcf(=160조 입방미터)로 추정되는 양 중에서 75%가 stranded 가스전이며 연간 15.5tcf의 천연가스가 위치상 이용하기가 어려워 태워지거나 대기중으로 방출되고 있는 실정이므로 미개발 가스 전은 상대적으로 풍부하고 가스전 개발에 대한 참여기회는 상대적으로 더 크다고 볼 수 있다. GTL 기술 개발에 있어서 후발주자인 우리나라의 업체는 기술을 보유한 외국회사와 협력할 수도 있으나, 상용화에 이미 도달한 주 요 기술 보유사의 경우는 기술 이전 자체를 기피하고 있는 상황이다. 따라서, 1차 에너지 중 석유 의존도가 약 46% 정도에 달하는 우리나라에서는 GTL 공정을 국내 독자 기술을 이용하여 성공적으로 개발하여 합성석유를 생산할 필요성이 대두되고 있다.

천연가스의 액체연료화 기술은 촉매기술, 재료기술, 공정기술, 엔지니어링기술 등 화학, 화공, 기계분야의 각 요소기술이 유기적으로 결합되어야만 개발될 수 있는 종합 기술로서, 본 GTL 기술은 미래의 탈 석유 시대에 대 비한 타 변환기술로의 파급 효과가 클 것으로 기대된다. 또한, GTL(Gas To Liquid) → CTL(Coal To Liquid)

→ BTL(Biomass To Liquid)과 같이 대체에너지/재생가능에너지로의 전환 중간단계에서 화석연료 사용의 다 변화 시대 도래에 대비하여 GTL 기술은 그 응용 분야가 향후 더욱 확장될 것으로 기대된다. 따라서, 본 특별기 획에서는 GTL 기술의 개발 동향을 ① 천연가스 reforming 기술, ② FT 합성유 제조 기술 및 ③ FT 합성유의 자동차 연료로서의 적용에 중점을 두고서 소개하고자 한다.

GTL

주현규·김학주·양정일·윤재경·정 헌

한국에너지기술연구원 합성석유연구센타 {hkjoo, hakjukim, yangji, jyoon, jungh}@kier.re.kr

리포밍 기술 개론

GTL(Gas To Liquid) 기술은, 유전에서 부산물로 배출되거나 양적 또는 지역적인 제한으로(remote 또 는 stranded) 경제적 활용이 어려운 천연가스를 대부 분 연소시켜 지구온난화의 주범인 CO

2

포밍(reforming)은 메탄이 주성분인 천연가스를 합성 가스(synthesis gas, syngas)로 전환하는 공정으로, 합성가스를 액화하는 사용 기술에 따라 합성가스의 최적 조성에 차이가 있다. 합성가스는 일산화탄소와 수소의 혼합가스로 사용하는 촉매와 운전 조건에 따 라 메탄, 수소, 메탄올, 암모니아 및 oxygenates를 포 함한 탄화수소를 합성하는데 사용될 수 있다[그림 1].

리포밍 기술은 GTL을 비롯하여 CTL과 XTL 등 의 합성연료 제조 기술에 필수불가결한 세부 기술로 현재 메이저 기업들(Sasol, Shell, BP 등)에 의해 독 점되어 있는 상태이며, GTL의 경우 초기 투자비의

특·별·기·획(Ⅰ)

60% 이상을 차지하는 이유로 투자비의 절감을 위한 연구 개발이 집중적으로 이루어지고 있다. 이 기술의 특징을 살펴 보면 다음과 같다. 일단 선진 기술이전도 용이하지 않으며(기술 이전의 경우도 국산 기술 확보 가 관건이고, 전략적 원천 기술의 필요), 최종 액화물 의 종류(디젤, 납사 또는 DME)에 따라 요구되는

H

2

리포밍 기술 현황(ATR과 SCR)

최근의 추세는 GTL용 리포머로 ATR(Sasol, ExxonMobil) 또는 POX(부분산화개질, Shell) 등의

CH4

Hydrogen

Economy Ammonia

CH3OH

CO + H

C + H2O

CxHy

CxHyOz methane

Cu/ZnO

methanol carbon, water

carbon monoxide + hydrogen

higher alkohols, aldehyds, acids

hydrocarbons (fuel, diesel, waxes)

Nitrogen Fe Fe, Ni Ni

Cu/ZnO +Cs, Co...

그림 1. 합성가스의 대표적 활용분야.

TECHNOLOGY

SMR

CMR

ATR

MPG

H2 / CO Ratio of Syngas 1 2 3 4 Acronym

SMR

POX

ATR

SMR+ATR

GHR+ATR

CR

Vendor Principal

Advantages

Principal Disadvantages

numerous

No oxygen plant needed, mature technology

Good control over H2:CO, ease of waste stream disposal, mature technology Can have very large single-unit train

Uses less oxygen than stand-alone ATR, good heat balance

No oxygen plant needed, compact, modular, good heat balance

(1)

Power is generated from excess steam

(2)

Efficiency is defined as the lower heating value of all natural gas supplied to the plant divided by the barrels of collected C5+ crude product

Carbon efficiency is defined as carbon in collected C5+ crude product divided by carbon in all natural gas supplied to the plant

Uses about 1/2 the O2 of stand alone ATR, much larger single-unit train than standalone SMR, net water excess Steam Methane

Reforming

Chevron Texaco, Shell, Lurgi

Johnson Matthey (Synetix)

Davy Process Technology

numerous

numerous Partial Oxidation

Autothermal Reforming

Steam Methane Reforming +Autothermal

Reforming

Gas-Heated Reforming + Autothermal

Reforming

Compact Reformer

Capital Cost

Exported Power⁽¹⁾

Carbon Efficiency⁽³⁾

Applications that are well suited:

Efficiency⁽²⁾

Single unit size limitation to about

10,000 bbl/day.

Net water consumption

Large exported power, large O2 requirement

Large O2 requirement

ASU is still needed

Not yet commercial at large scale

Not yet commercial (presently in large demo), net water consumption.

low high middle middle highest

lowest ~6 ~60

~6

~9

~5

~0

~0 ~10

low 10's low 11's 11's 11's

high 11's (kWe-day/bbl) (MMB TU/bbl) (%)

~55

~60

~60

~65

~65

Remote sites with power market and that are capex sensitive.

Low gas cost and market for power

Very large single- train plants Where larger single train than SMR and better efficiency than ATR are desired, and where water is scarce.

Sites with no power market, high gas cost

FPSO, sites with no power market, higt gas cost

Copyright Rentech, Inc. 2003 12/5/2002

그림 2. 리포밍 기술별 장단점 비교(리포밍 기술별 합성가스 조성비, 아래).

특·별·기·획(Ⅰ)

‘oxygen routes’ 기술을 사용하고 있으며, Conoco Phillips는 CPOX(촉매부분산화개질), Syntroleum은 공기 사용 ATR을 사용하고 있다. 자료에 의하면(R.

Hansen, STATOIL, 2005; S. Walter et al., Lurgi, 2005; Peter Brook, Foster Wheeler Energy Limited 등) 500,000Nm

³

2

또한 2006년 10월에 산소 필요 개질 장치의 단점을 보완하고, 남동아시아(인도네시아 등) 가스전에 다량 포함되어 경제성을 확보할 수 없었던 CO

2

영국의 메이저 기업인 BP(British Petroleum)는 모듈화 컴팩트 리포밍 공정을 개발해 전체 합성가스 제조 공정의 무게 및 부피를 획기적으로 절감하였다.

이때 공급되는 원료는 천연가스와 수증기, FT 공정에

서 배출되는 이산화탄소로 복합 리포밍 공정의 형태 를 가지지만 생산되는 수소의 비율이 높아서 수소 분 리막을 이용해 합성가스의 최적 조성을 맞추고 있다.

알라스카에 300bpd 규모의 실증용 플랜트를 2001년 건설해 2002년부터 가동을 시작했으며(건설비용

$64million), 컴팩트 반응기의 테스트와 최적 운전 조건을 확립하였다. 호주의 Central Petroleum Limited는 자국내 Amadeus 가스전 개발에 GTL 기 술을 적용하여 청정 경유를 생산하는 것이 가장 경제 적인 결론을 내렸으며 FT 공정을 위한 합성가스 생 산에 복합 리포밍 공정을 선택하였다. 자열개질 공정 이 상용 플랜트에 많이 적용되어 있지만 10,000bpd 규모로 계획되고 있는 가스전 개발에는 자열 개질보다 복합 리포밍 공정이 더 경제적인 것으로 결론을 내린 바 있다. 남아공과 카타르의 GTL 공정에 자열개질 공 정을 공급한 Harldo Topsoe 측도 산소분리설비를 이 용하는 기존 ATR의 단점을 극복하기 위한 방법으로 이산화탄소의 재순환을 통한 복합 리포밍 공정을 제시 한바 있으며, 전 세계적으로 복합 리포밍 공정 핵심 기 술 및 반응 촉매에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.

수증기 개질(SMR), POX 및 ATR 반응에 있어서 공업용 촉매로 거의 대부분 니켈계 촉매가 사용되고 있다. 탄화수소의 수증기 개질 촉매로서 니켈에 코발 트를 첨가한 지르코니아 담지 니켈 촉매가 공개된 바 있고 USP(4,026,823) 또 다른 방법으로 니켈 촉매에 란타늄, 세륨 등의 금속과 은의 적정 비율을 조촉매로 첨가한 것을 일반적인 담체인 알루미나, 실리카, 마그 네시아, 지르코니아 등에 담지한 촉매가 각각 공개된 바 있다 USP(4,060,498). 그러나 이러한 개질공정에서 는 개질촉매의 탄소 침적에 의한 촉매 비활성화 방지 가 가장 큰 문제로 발생하는데 니켈 촉매에 소량의 귀 금속을 사용함으로서 탄소 침적을 억제할 수 있다는 연구결과가 발표되기도 하였다. 국내에서는 리포밍 관 련 다음과 같은 기술 개발 과제를 수행한 적이 있으나 (화학연구원, 에너지기술연구원, 영남대, 성균관대 등), FT용 합성가스 생산을 위한 과제는 수행된 적이 없다.

특·별·기·획(Ⅰ)

현 기술상태의 취약성

국내에서는 수소연료전지사회 구현에 필요한 수소 제조용 개질기 연구는 일부 진행되어 왔으나, 아직까 지 FT합성유 제조를 목적으로 하는 합성가스 제조 개질 연구는 많이 이뤄지지 않아 이의 연구가 시급하 다. 국내외를 막론하고, 현 기술은 앞서 리포밍 기술의 비교에서도 언급했듯이 산소가 필요하여 ASU가 필 요하다는 것이 큰 설비비 비중을 차지하게 되었다. 그 러므로 ASU 기술의 발전은 전체 플랜트 건설비(전 체의 약 30%)를 줄일 수 있으며, 산소의 소비를 줄이 거나 H

2

KIER의 제안 GTL 리포밍 기술

한국에너지기술연구원(KIER)에서는 천연가스로 부터 합성유를 제조하는 과제의 세부주관기관으로 천 연가스로부터 합성가스를 제조하는 연구 “천연가스로 부터 FT합성용 합성가스의 제조 기술 개발”를 2006.

8. 1일자로 시작하였다. 본 과제의 단계별 목표는 아 래와 같으며, 이를 위한 새로 제안된 개질 기술의 비 교를 기존 개질 기술과 비교하여 도식으로 표현하였 다. 먼저 KIER-ATR은 본 센타에 축적되어 있는 electrically heated catalyst(EHC) 기술을 버너 대용

으로 사용하고자 하며, CPOx와 SMR을 동시에 구현 하는 방안이 첨부되었다. 또한 KIER-SCR은 riser tube 형태의 반응기를 사용하여 열효율을 증가시키고, CO

2

리포밍 기술의 파급효과

약 6,000Tcf(약 4,500Tcf stranded/remote, 1Tcf 는 30년 동안 하루에 만배럴의 합성연료 생산이 가능 한 양)의 매장량을 보유한 천연가스의 활용 기술 개 발은 앞서 언급한 지구온난화 방지, 청정 연료 보급, 석유대체 관련 포트폴리오 전개에 이바지할 뿐 아니 라 플랜트 수출 등의 국가 산업/경제에 이바지하는 바가 클 것으로 판단된다. 또한 정책적으로는 에너지 안보 대책, 최근 발효된 교토의정서와 관련 거세지는 각국의 환경 규제에 대응, 빠르게 증가하는 세계적인 디젤 수요와 엄격해지는 황 함유량 및 스펙 규제에 대 한 대처 등을 확보할 수 있다.

리포밍 관련 기술의 특허 현황

현재 국내외 출원된 특허의 수를 세부 기술별로 조 사해 보면, 합성가스의 제조 분야에 약 30건, 분리/정 제에 약 10건 등으로 합성가스로부터 탄화수소를 제 조하는 기술인 약 80건보다 적은 것으로 나타났다. 직 접 관련 특허는 수건에 불과하며, 해외특허는

‘Autothermal refoming’을 검색어로 사용하였을 때 약 80건이다(미국공개 20건, 미국등록 18건, 유럽공개 29건, PCT 9건, 일본 PAJ 4건으로 조사되었다).

1단계：

–FT용 합성가스 제조 촉매 및 반응기 개발：0.1 bpd 규모 합성유 제조용 ATR 및 SCR 리포머 개발 및 1bpd급(10,000NG cfd) 파일롯 설계 –CH

4

2

H

2

–1bpd급(10,000NG cfd) 파일롯 플랜트 제작 및 운전 및 실증 플랜트(100bpd급) 기본 설계

그림 3. 전형적인 리포밍 기술과 KIER 리포밍 기술 비교.

특·별·기·획(Ⅰ)

시장현황 및 사업화전망

BP의 CEO는 다음과 같이 말하며, 가스 소비 증가 를 언급한 적이 있다.

“...though oil remains a vital fuel..., technical advances have encouraged gas consumption, as has the desire to move to fuels that emit less carbon.”

이러한 언급 외에도, 현재 미개발 상태나 태워버리 는 천연가스가 많은 이유는 충분한 양이 아니거나 시 장과 거리가 먼 지역에 존재하여 수송비가 많이 소요 되기 때문으로 알려져 있다(2004년 기준, 태워버리는 천연가스 양이 10billion ft

³

GTL 제품은 환경오염물질이 거의 없어 최근 선진 국들을 중심으로 한 환경규제 강화 추세에 효과적으 로 대응할 수 있는 청정연료이기 때문에 앞으로 경유 승용차의 보급시 대기환경의 개선을 위한 최선의 해 결책을 제시하게 될 것이다(GTL 합성연료: 유황성 분/방향족 없음, 매연/질소산화물 낮음 → 기존제품 에 비해 대기산성화도 40% 이상 감소, PM 배출 저 감 40%, 열효율 증가에 의한 CO

2

걸림돌이었으나, 현재 고유가 시대 도래에 대한 위기 감 및 디젤 수요 증대, 연료의 청정화 등의 상황에서 충분한 시장성 및 사업화가 가능하리라 판단되어 많 은 메이저 석유회사 및 엔지니어링회사 등에서 거대 한 프로젝트들을 수행하거나 계획하고 있다.

세계 강국들은 현재 에너지 전쟁 중으로 에너지에 대한 관심도가 집중되고 있다(미국(이라크 전쟁), 중 국(석유회사 인수, 2005. 8.), 일본(러시와의 송유관 분쟁, 2005. 7. 10) 그리고 최근 최대규모 유전인 카샤 카 유전 지분 확보 노력(미국, 프랑스, 중국, 카자흐스 탄); 2006. 4. 22~, 중국 사우디와 송유관, 석유 단지 건설(5조원) 합의, 나이지리아에 40억 달러 투자 (CNPC의 유전개발입찰 우선권 등)와 바로 전 주 27 억달러 출자로 2008년 이후 나이지리아 유전 지분의 45% 인수). 이러한 일련의 사건들이 사업화 전망을 밝게 해준다는 것은 자명하다. 또한 [그림 5]에서 보 듯이 천연가스 매장된 지역이 아프리카와 중동, 러시 아에 치중되어 있으며, 그러므로 GTL 플랜트도 이들 지역과 매장량 등에 따라 결정될 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 에너지자원기술개발사업의 일환으로 수 행되고 있으며, 참여기업들(대림산업(주), 두산메카 텍(주), 한국석유공사, 현대엔지니어링(주), SK(주)) 의 참여와 기여에 감사드립니다.

그림 4. GTL 관련 특허 출원 현황.

source: shell / EFI Conference 2000. Oll & Gas Journal

Gas Reser v e s , T rillion m

Lif etime , y ears

North America

S & C America

Europe Africa Middle East

Russia Asia Pacific 60

50

40

30

20

10

0

300

200

100

0 56.7

106

10.3 38 282

49.5 215

11.2 5.1

12 68 6.3 10 7.3

그림 5. 지역별 천연 가스 매장량 분포.

특·별·기·획(Ⅱ)

FT 기술의 중요성

GTL(Gas To Liquid, 천연가스 액화기술)이란 천 연가스를 화학적, 물리적으로 가공하여 액체(liquid) 상태의 석유제품을 만들어내는 기술 및 제품을 통칭 하는 말이다. GTL 제품으로는 경유, 휘발유, 납사, 왁 스, 메탄올 등 많은 종류가 있는데, 기존의 석유제품이 원유를 정제하여 얻는 것인데 비해 GTL은 천연가스 를 가공해서 얻는다는 점이 가장 큰 차이점이다. 전통 적인 GTL 기술은 천연가스로부터 합성가스(CO+

H

2

이 기술에 있어서는 Fe나 Co 촉매상에서 합성가스 로부터 액체 탄화수소를 만드는 Fischer-Tropsch

(FT) 합성반응이 핵심이 된다. FT 합성반응은 석탄 으로부터 합성석유를 만들기 위한 방법으로 원래 개 발된 것이고 남아공의 Sasol도 이를 이용하여 자국의 풍부한 석탄으로부터 합성석유를 지난 50여년간 제조 하여 사용해 왔다. 이와 같이 FT 합성반응은 CTL (Coal To Liquid) 및 BTL(Biomass To Liquid) 기 술에도 쉽게 접목하여 활용이 가능하다. 미래의 탈 석 유 시대에 적극적인 대비하여 대체에너지/재생가능에 너지로의 전환 중간단계로 화석연료 사용의 다변화 시대 도래에 대비할 수 있는 기술일 뿐 아니라 재생가 능에너지인 바이오매스를 적극적으로 활용하기 위한 기술이 될 수 있다.

FT 기술 개발 현황

GTL 기술의 핵심 공정인 FT 합성법은 1923년 독 일의 화학자 Fischer와 Tropsch가 석탄가스화에 의한 합성가스로부터 합성연료를 제조하는 기술을 개발한 데서 처음으로 시작되었다. FT 합성반응은 철 또는 코발트를 촉매로 사용하여 200~350℃의 반응 온도와 10~30기압의 압력에서 수행되는 다음과 같이 4개의 주요 반응으로 이루어져 있다.

(a) Chain growth in FT synthesis CO + 2H

2

2 -

2

△H(227℃) = -165kJ/mol (b) Methanation

CO + 3H

2

4

2

△H(227℃) = -215kJ/mol (c) Water gas shift reaction

CO + H

2

2

2

△H(227℃) = -40kJ/mol

Fischer-Tropsch

전 기 원

한국화학연구원 신화학연구단, [email protected]

특·별·기·획(Ⅱ)

(d) Boudouard reaction 2CO ↔ C + CO

2

△H(227℃) = -134kJ/mol

주요 생성물인 직쇄상 탄화수소의 생성 mechanism은 주로 Schulz-Flory의 polymerization kinetic scheme으로 설명되고 있으며[그림 1], FT 공정에서는 60%이상이 경유보다 고비점인 생성물이 1차로 합성되므로[그림 2] 수첨분해의 후속 공정을 거쳐서 경유를 추가로 생산하고, 탈왁스 공정을 거쳐 서 왁스 성분은 고품질의 윤활기유로 전환된다.

일반적으로 정유플랜트에 적용되는 상압잔사유나 감압잔사유를 처리하는 개질공정은 지금까지 촉매 및 공정기술의 개선으로 신뢰성이 확보된 기술이지만

FT 합성유는 정유플랜트의 개질공정에서 처리되는 원료와는 성상 및 물성이 매우 상이하므로 적절한 탄 화수소 개질공정을 선정할 필요성이 있다. FT 1차 생 산품을 처리하는 공정으로는 수첨분해, 탈왁스, 이성 질화, 알킬화 등을 들 수 있으며, FT 반응의 주요 생 성물로는 나프타, 중간유분(middle distillate), 알파- 올레핀, 옥시게네이트와 왁스 등의 제품이 포함된다.

FT 합성유는 고품질 경유(높은 세탄가, 무황, 무방향 족)의 생산에는 적합하나 휘발유 생산에는 옥탄가가 낮아 후차적인 처리가 많이 요구되어 화학산업 기간 원료인 나프타로 사용하는 것이 나을 수 있다.

1) FT 촉매 개발 현황

FT 합성반응에 유효한 금속성분으로는 니켈, 철, 코발트, 루테늄 등이 있다. 이 중 니켈은 메탄화 반응 의 선택성이 너무 큰 문제점이 있으며 루테늄은 너무 고가인 문제가 있으므로 결국 철과 코발트 계열의 촉 매가 상업적으로 사용되고 있다. 철과 코발트계의 촉 매에는 [그림 3]에서 보인 바와 같이 반응성, 선택도 향상 및 열적 안정성 증가 등의 목적으로 추가로 여러 조촉매를 첨가하여 제조되고 있으며 주로 사용되는 금속으로는 Ru, Rh, Pt 계열의 귀금속과 K, Zn, La, Mg 등의 다양한 메탈옥사이드를 사용하여 상업용 촉 매로 활용되고 있는 실정이다.

FT 합성반응을 위해서는 철 및 코발트계열 등의 그림 1. Chain Growth Probability of F-T Synthesis.

그림 3. FT 합성 촉매의 주성분 및 조촉매.

C1

C2-C4

C5-C9

C10-C20

C21+

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

0

0 0.1 0.2 .0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

PROBABILITY OF CHAIN GROWTH

SELECTIVITY , C-%

그림 2. FT 합성 생성물의 분포.

특·별·기·획(Ⅱ)

촉매가 주로 사용되는데, 초기에는 철계 촉매가 주로 사용되었으나 최근에는 액체연료나 왁스의 생산을 늘 리고 전환율을 향상시키기 위해서 코발트 촉매가 주 류를 이루는 추세이다. 철계 및 코발트계 촉매의 특성 은 다음의 [표 1]과 같이 정리할 수 있다.

2) FT 반응기 개발 현황

FT 합성공정의 발전은 Sasol에서의 오랜 개발경험 에 기초하여 촉매와 함께 반응기의 진보가 주로 이루 어졌으며, 초기의 고정상 반응기에서 순환식 유동층

반응기로 그리고 고정식 유동층 반응기와 슬러리 반 응기로 점차로 FT 반응기 형태가 진보하여 왔으며 [그림 4], 최근의 Sasol에서는 슬러리반응기를 사용하 면 기존의 다관식 고정상반응기에 비해 plant 비용을 25~30% 절감할 수 있다고 보고한 바 있다. 고정상 반응기 및 슬러리 반응기는 중간유분과 왁스를 주로 생산하는 저온FT(LTFT) 공정에 사용되고 순환식 유동층 반응기와 고정식 유동층 반응기는 나프타와 올레핀을 주로 생산하는 고온FT(HTFT) 공정이 사 용되는 것으로 알려져 있으며 각 공정에서 생성물의 선택성은 [표 2]에 나타내는 바와 같다.

이외에도 Shell의 SMDS(Shell Middle Distillate 표 1. FT 합성 반응을 위한 Fe계 촉매와 Co계 촉매의 특성 비교

Fe-based 촉매 Co-based 촉매

FT 촉매 중 가장 저가이며 고온에서 메탄 생성이 낮으며, 탄화수소 중 올레핀의 선택성이 높음

제품은 연료로의 용도 이외에 경질 올레핀이나 알파올레 핀로서 화학산업 원료로 사용되며, 탄화수소이외에도 알 콜, 알데히드, 케톤 등의 부산물이 많음

Sasol의 왁스 생산을 위해 주로 사용되고 있는 저온 FT 철계 상용 촉매는 Cu와 K의 성분이 조촉매로 함유되어 있고 SiO 2 가 바인더로 사용되고 있으며 침전법으로 제조 됨

Sasol의 고온 FT 촉매는 마그네타이트와 K, 알루미나, MgO 등을 용융시켜 제조함

철계 촉매는 사용 전에 반드시 수소나 합성가스로 환원 처리되어야 함

Fe 촉매에 비해 200배 이상 고가인 단점이 있음 높은 활성과 긴 수명 그리고 CO 2 생성이 낮으면서 액체 파라핀계 탄화수소의 생성 수율이 높은 장점이 있음 CO 2 가 다량 포함된 합성가스에서는 활성이 낮아지는 문 제가 있다고 보고됨

고온에서는 CH 4 을 다량 생산하는 문제가 있어 저온 촉매 로만 사용이 가능함

고가인 이유로 알루미나, 실리카, 티타니아 등의 고표면 적의 안정적인 지지체 위에 잘 분산시켜야 하며 소량의 Pt, Ru, Re 등의 귀금속 조촉매가 추가로 첨가됨

그림 4. Sasol의 FT 반응기 형태.

CH4 4 7

C2 to C4 olefins 4 24

C2 to C4 paraffins 4 6

Gasoline 18 36

Middle distillate 19 12

Heavy oils and waxes 48 9

Oxygenates 3 6

LTFT: 저온 F-T 합성공정, HTFT: 고온 F-T 합성공정

Product LTFT HTFT

특·별·기·획(Ⅱ)

Synthesis) 공정은 촉매를 사용치 않는 부분산화법으 로 합성가스를 제조하고 FT 반응기로는 다관식 고정 상 반응기를 사용하고 후단에 고비점 유분을 수첨분 해시켜 중간유분으로 변환시키는 공정을 개발한 바 있으며, 1994년에 상용화를 시작하여 현재 추가로 개 선된 공정을 상용화 예정인 것으로 보고되고 있다.

Exxon사에서는 FT 반응기로는 slurry bubble- column reactor를 사용하고 촉매로는 코발트를 사용 하는 공정의 개발을 마치고 현재 상용화가 진행 중인 것으로 알려져 있으며, Syntroleum사에서는 산소를 분리하지 않고 공기를 직접 사용하는 ATR 방식으로 합성가스를 생산하고 두 단계의 slurry FT 반응기에 서 코발트 촉매를 사용하며 tail gas는 재순환하지 않 는 공정을 개발하였다고 보고되어 있다. FT 생성물은 정제 및 수첨분해 공정을 통해 하계용 경유, 동계용 경유, 제트연료, 나프타 등의 최종품으로 생산하며 타 공정에 비해서 경제적이고 소규모 가스전에도 사용할 수 있는 장점이 있다고 주장하고 있으며, 현재 Oklahoma에서 100bpd의 실증플랜트가 운영중인 것 으로 보고되고 있다.

3) FT 공정 개발 및 상업화 현황

기존의 FT 공정 개발의 주된 흐름은 투자비용의 절감을 위하여 GTL 플랜트의 대형화 및 이를 위한 단위 반응기의 대형화 가능기술의 개발에 치중하였으 나 이는 이미 어느 정도는 Sasol이나 Shell에 의해 이 루어지고 있는 추세이다. 따라서, 운전비용의 절감을 위해서는 열효율과 탄소효율의 추가향상이 필요한데 이를 위해서는 좀더 높은 생산성과 선택성을 갖는 FT 합성기술의 개발이 필요하여 이 분야에 대한 연구가 현재 많이 진행되고 있는 실정이다. 이와 함께, 기존의 대규모 GTL 방식과 더불어 소규모이면서 이동 가능 한 플랜트 기술개발도 병행하여 이루어지고 있는 실 정이다. 소규모 플랜트는 입지조건이 훨씬 유리해지 고 대상 가스전 선정에 제한이 줄어드는 이점이 있으 나 아직 이러한 GTL 플랜트 기술이 상용수준으로는 개발되지 않았다. 다음의 [그림 5]에서 보는 바와 같 이 남아공과 말레이시아의 기존 상업화된 GTL 공정 과 함께, 현재 진행 중에 있는 카타르 GTL 프로젝트 를 필두로 하여 전세계에서 많은 GTL 프로젝트가 진 행될 예정인 것으로 알려져 있으며 이는 향후 고유가

그림 5. 전세계 GTL 상업화 플랜트 및 개발 계획.

특·별·기·획(Ⅱ)

시대의 지속 가능성에 대비하여 각국에서 에너지 안 보 문제에 대한 관심이 점차로 증대되고 있다는 반증 이기도 하다.

다음의 [표 3]에서는 각사별 FT 합성기술 보유현 황 및 각 공정의 특징을 나타내었으며, 이와 관련된 미국 등록 특허 중 합성가스에서 FT 합성유 제조관 련 특허는 전체 458건이 검색되었으며 대부분은 미국 에서 출원되었다. 특히 연도별 특허 등록 추이를 살펴 보면 70년대와 80년대 초의 오일 쇼크때 각각 많은 연 구가 진행되었음을 알 수 있으며, 2000년대에 들어서 신고유가 시대로 접어들면서 합성유 제조 특허의 등록 수가 급격히 늘어나는 있는 추세이다. 이중에서도 FT 합성유 제조관련 특허는 Exxonmobil, Chevron, Shell, Coconophillips 등과 같은 대부분 미국계 회사들에서 활 발히 출원되고 있으며 그 밖의 프랑스계 Francais du Petrole와 남아공의 Sasol 회사가 눈에 띈다.

4) 국내 FT 기술 개발 현황

국내의 FT 합성반응에 대한 연구는 한국화학연구 원, 엘지환경연구원, 경희대 등에서 지난 10년간 이산 화탄소의 활용 또는 바이오매스의 활용 목적으로 연 구과제가 수행되어 산업재산권을 확보하고 있으나 경 제적인 수소 공급의 어려움 때문에 현재는 활용되지 는 못하고 있는 실정이다. 이산화탄소의 수소화 반응 의 경우는 mini-pilot 수준(<0.1 bbl/d)의 개발까지 진 행된 바 있으나, 국내의 FT 반응에 대한 연구는 청정 연료를 겨냥하기 보다는 알파-올레핀 또는 윤활기유

의 생산을 목표로 수행되었다. 따라서, 현재까지의 국 내의 FT 촉매 개발경험은 이산화탄소의 수소화를 목 표로 하였기 때문에 거의 철계 촉매만을 개발대상이 되었으며 최근 들어 일산화탄소의 수소화를 위하여 코발트 촉매를 시험한 바는 있으나 아직 독자적인 촉 매개발이 되지는 않았다. 국내 FT 반응공정 개발은 주 로 FBR 위주로 수행되었으며 실험실 규모에서 기초 적으로 슬러리 반응기를 시험한 바는 있으나 이산화탄 소의 수소화에는 적합하지 못하여 중단한 상태이다.

연구 개발 추진 방향 및 경제성

Fisher와 Tropsch에 의하여 FT 합성법이 발견된 이후로 괄목한 만한 GTL 공정상의 발전이 이루어졌 지만, 여전히 현 FT 기술에는 다음과 같은 개선점이 존재하고 있으며 향후에도 하기 서술 분야에 관한 연 구가 활발하게 진행될 것으로 판단된다. 먼저 ① GTL 기술이 더욱 경쟁력을 지니기 위해서는 자본비 용와 운전비용을 절감하기 위한 공정의 개발이 필요 하며, 특히 자본비용을 절감하기 위해서는 대형의 싱 글-트레인 플랜트와 같이 장치의 대형화 기술이 필요 함과 동시에 운전비용 절감을 위해서는 촉매 및 공정 개선에 의한 열효율와 탄소효율을 추가로 향상할 필 요성이 존재한다. 이와 함께, ② 소규모의 한계가스전 (stranded gas)에도 적용이 가능한 compact process 를 개발하여 경제성이 우수한 GTL 공정 개발이 병행 되어야 한다. 일반적으로 알려진 바에 의하며 현재의 60%수준의 열효율은 향후 73%까지 향상될 수 있을

Sasol 34000bbl/d 건설중 Slurry Co 촉매

Shell 12000bbl/d 상용화 FBR Co 촉매

ExxonMobil 300bbl/d 실증화 Slurry Co 촉매

Syntroleum 100bbl/d 실증화 Slurry Co 촉매

Rentech 235bbl/d 실증화 Slurry Fe 촉매

ConocoPhillips 400bbl/d 실증화 FBR Co 촉매

BP 300bbl/d 실증화 FBR Co 촉매

JOGMEC 7bbl/d 파이롯트 Slurry Co 촉매

표 3. FT 공정 기술 보유 현황 및 각사의 공정별 특징

기술보유사 수준 반응기 형태 촉매

특·별·기·획(Ⅲ)

것으로 예상되며, 77% 수준의 탄소효율은 향후 90%

까지 향상이 가능하여 향후 GTL 공정은 더욱 경쟁력 을 지닐 것으로 예상되고 있다. 또한, 국내의 FT 반응 에 대한 연구도 향후 중간유분의 제조 기술 부분에 대 한 연구를 수행할 필요성이 있으므로 철계 촉매 이외 에도 최근의 선진국의 추세에 맞추어 고활성/선택성 의 코발트 촉매의 개발이 시급하다. 현재까지 FBR 위주로 수행되었던 연구도 GTL 공정 개발을 위한 확 대 규모의 FT 반응용 고효율 슬러리 반응기의 개발 이 필요하다고 판단된다.

국내 GTL 기술 개발에 의한 독자 공정의 보유는 향후 가스전이나 가스하이드레이트(국내 예: 동해에 매장된 메탄하이드레이트는 약 6억톤 규모로써 국내 소비량의 30년 분에 해당함)를 유전으로 변환시킬 수 있는 기술의 확보 차원과 미래의 탈 석유 시대에 대비 한 타 변환기술로의 파급효과가 클 것으로 예상된다.

이와 함께, 저가의 합성석유 사용이 가능함으로써 외 화 지출 절약이 가능하여 년간 수십억 달러 이상의 외 화 절감 효과가 있을 것으로 추산된다. 이는 고유가시 대 도래와 불안한 세계 석유시장에서의 자주적인 합 성석유 기술의 확보와 해외 가스전 개발에 의한 국가 에너지 안보 구현을 가능하게 할 수 있으며, 현재 국 내의 1차 에너지 중 석유 의존도를 낮추는데 기여할

수 있을 것으로 예상된다. 또한, GTL 제품은 환경오 염물질이 거의 없어 최근 선진국들을 중심으로 한 환 경규제 강화 추세에 효과적으로 대응할 수 있는 청정 연료이기 때문에 앞으로 경유 승용차의 보급시 대기 환경의 개선을 위한 최선의 해결책을 제시하게 될 것 이다. GTL 합성유 생산 공정은 원유가 30$/bbl 이 상이면 경제성이 있는 것으로 분석되기 때문에(근 거：석유공사 2005년 보고서), 현재의 고유가가 지속 되는 경우 GTL 사업은 매우 경쟁력 있는 산업으로 전개될 가능성이 충분한 것으로 전망된다. 이미 선진 각국은 GTL 사업에 경쟁적으로 참여하고 있으며 향 후 더 활발해질 전망이므로, 이러한 세계적인 추세에 동참하고 미래 에너지산업을 이끌어가기 위해 우리도 보다 적극적으로 GTL 기술개발에 투자하여 핵심기 술의 독자적인 국내기술보유가 필요하다고 사료된다.

이러한 필요성이 인식되어 최근에 국내 5개 기업 (대림산업(주), 두산메카텍(주), 한국석유공사, 현대 엔지니어링(주), SK(주))이 참여하여 산업자원부의 에너지자원 기술개발사업으로 GTL 기술개발사업이 착수된 것은 매우 다행스러운 일이라 할 수 있겠다.

앞으로도 국내 GTL 기술 보유를 앞당기기 위한 관련 연구개발에 더 많은 자금과 인력이 투입될 수 있는 환 경이 조성되어야겠다.

GTL

정 동 수

한국기계연구원 친환경엔진센터, [email protected]

서론

최근 지속적인 고유가 상황과 기후변화협약에 의한 교토의정서 발효로 국제적인 각종 규제가 가시화되고 있는 시점에서 유럽을 비롯하여 전 세계적으로 정유 회사와 자동차제조업들은 너도 나도 환경 친화적이고 CO

2

체할 수 있는 저렴한 연료 개발에 나서고 있다.

미국 DOE의 한 전문가 표현에 의하면 이제는

“What engines will power the future?” 보다 “What energy source will power engines of the future?”라 는 표현이 더 적절하다고 주장하고 있다. 기존 엔진차 량 뿐만 아니라 하이브리드 차량의 엔진에도 무슨 연

특·별·기·획(Ⅲ)

료를 사용하느냐에 따라 그 효과는 크게 달라질 수 있 는 것이다.

기후변화협약 시대를 맞이하여 최근의 세계 주요 자동차 선진국의 에너지 관련 기술동향을 간추려 보 면 일본은 하이브리드 자동차 시대를 선도해 나가고 있고, 유럽은 하이브리드 자동차보다 경제적인 소형 디젤차량에 치중하고 있는데 반해, 가솔린차량 시장 이 대부분인 미국은 이 두 기술에서 모두 뒤져있기 때 문에 실용화가 불투명한 연료전지자동차에 승부를 걸 고 엄청난 예산을 집중했다가 자동차산업의 추락이라 는 쓴 경험 끝에 아직도 유엔기후변화회의에 가입도 못한 체 이제는 가솔린엔진에 당장 적용이 가능한 바 이오에탄올 연료로 정책방향을 전환하고 있다고 요약 할 수 있다.

이제는 전 세계가 에너지 전쟁시대라고 불릴 만큼 국가 내에서 에너지의 중요성은 큰 비중을 차지하고 있으며, 그 중 자동차 보급의 급증으로 인하여 자동차 에너지가 차지하는 비중은 점점 높아지고 있는 실정 이므로 자동차 에너지의 올바른 선택은 국운을 좌우 할 수 있을 만큼 중대한 사항임에 틀림 없다.

기후변화협약의 본고장인 유럽에서는 이미 향후 2030년까지 CO

2

이러한 유럽의 정책자료 분석표에서 알 수 있듯이

엔진효율이 우수한 압축점화 방식이 선호되고 엔진효 율이 열등한 전기점화 방식의 가솔린이나 LPG, CNG 엔진 차량은 차세대 대상에서 점점 제외되고 있 는 반면, 향후 가장 유망한 연료는 바이오연료와 디젤 대체 합성연료로 압축이 되고 그 중에서도 가장 유망 한 연료는 천연가스를 원료로 하는 GTL(Gas To Liquids)이라고 할 수 있고 지금은 아직 생산공급량 이 적고 상대적으로 생산단가가 비싼 경향이 있지마 는 향후 가장 유망한 연료로는 BTL(Biomass To Liquids)임을 알 수 있으므로 F-T(Fischer Tropsch) 공법으로 제조되는 GTL과 BTL연료에 대한 세계적 인 차량 적용 현황을 소개하고자 한다.

Scenario of CO2 reduction in Europe

Hydrogen

Biomass based sunfuel(Biodiesel, BTL) Natural gas based synthetic fuel(GTL, DME) Others(CNG)

Today 40.00 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00

Year CO2 reduction (%)

10 20 30

그림 1. 유럽의 CO

₂

Scenario of Fuel diversification in Europe

Hydrogen regenerative

Crude oil based with <10ppm sulphur

others(CNG)

SunFuel Biomass based SynFuel Natural gas based

Crude oil based 50ppm S

today 10 20 30

Years

그림 2. 유럽의 자동차 연료보급 전망 시나리오.

Energy Efficiency Fuel Economy CISI

Conventional Alternative

Urban Air Quallty Benefits

그림 3. CO

2

특·별·기·획(Ⅲ)

GTL/BTL과 타 연료와의 특성 비교

GTL(Gas To Liquids)연료는 100% 디젤대체 가 능 에너지로서 F-T(Fischer Tropsch)공법이라는 생 산기술 상의 어려운 점과 윤활성이 부족하여 윤활향 상제의 첨가가 필요하고, 고무류와 반응성이 나쁜 몇 가지 문제점을 갖고 있지만 기존 디젤엔진에 적용이 용이하고, 방향족 및 유황 성분이 매우 적으며, 세탄가 (87)가 높고, 착화지연이 짧아 열효율 제고와 배기가 스 절감 효과가 높은 장점이 있으며, 기존 엔진은 물 론 연료 탱크, 충진시설 등을 개조없이 그대로 활용할 수 있고 또한 시장으로부터 원거리에 위치해 있는 막 대한 양의 천연가스를 이용할 수 있다는 큰 장점을 갖 고 있다.

이에 비해 DME는 역시 100% 디젤대체 가능 에너 지로서 GTL과 비슷한 장점을 갖고 있으나 기존 디젤 엔진에 사용 시 엔진의 구조를 많이 변경해야 하고 DME전용 엔진을 새로 개발해야 하므로 GTL에 비 해 시장성(가격)면에서 불리하다. LPG의 infra를 이 용할 수 있고 생산기술이 쉽다는 장점 등으로 일본, 중국, 한국에서 관심을 갖고 있으나 Shell 등 세계적인 에너지회사는 이미 DME보다 GTL에 치중하고 있는 실정이다.

그리고 일반 바이오디젤과 비교해 보면 바이오디젤 은 생산기술이 쉽다는 것과 식물성원료를 사용한다는 장점은 우수하나 아직 20% 이하 정도로 혼합연료의

한계를 벗어나지 못하고 있으므로 100% 대체가 가능 한 GTL보다 불리하고 생산가격도 GTL보다 높으며 식물성원료를 사용하는 BTL에 비하면 생산단가를 제외하고는 모두 불리하다.

바이오에타놀 역시 생산기술이 쉽다는 것과 식물성 원료를 사용한다는 장점은 우수하나 디젤엔진보다 연 비가 열등한 가솔린엔진에만 사용되고 역시 혼합연료 의 한계를 벗어나지 못하며, 생산가격도 GTL보다 높 다. 그러나 소형디젤차량 보급이 거의 없는 미국 시장 에서는 GTL보다 가솔린 혼합용인 바이오에타놀의 보급이 필요하겠지만 식용연료 사용으로 인한 식량부 족 사태도 심각하게 고려되고 있다.

‘태양연료(sunfuel)’라고 불리고 있는 BTL (Biomass To Liquids)은 비식용 원료인 나무조각,

표 1. 도요타사 발표 근거 차세대 유망 연료별 특성 비교평가(만점: 5점)

그림 4. 각 연료별 생산단가 비교표.

Future Automotive Fuels by Toyota Target Clean Clean

LPG CNG Synthetic Fuel Bio- Bio- Renewable Gasoline Diesel DME GTL BTL Ethanol diesel Hydrogen Emissions

3 3 3 4 4 4 4 2 2 5

(Urban Air Quality)

CO 2 2 3 2 3 2 2 4 4 4 5

(Climate Change) Energy Alternative

2 2 3 4 4 4 4 3 3 5

(Energy Security) Market Availability

5 5 3 2 2 4 2 3 2 1

(Cost & Supply)

특·별·기·획(Ⅲ)

생물쓰레기, 보릿짚, 톱밥 등 목질계 바이오매스 (biomass)에서 GTL 연료처럼 F-T(Fischer Tropsch) 공법의 액화과정을 거쳐 만들어지고 GTL과 연료특 성이 유사하지마는 제조단가가 비싼 단점이 있으나 가장 큰 장점은 배출된 CO

2

GTL(Gas To Liquids)의 차량적용 현황

GTL(Gas To Liquids) 디젤유는 천연가스로부터 액체연료를 생산하는 것으로 현재 Shell사의 말레이 시아 상용공장 외에 2006년 말에 Sasol/Conoco Phillips사의 Qatar 공장이 가동 예정이며, Sasol Chevron사의 Nigeria 공장도 곧 완공 예정이고 Shell 사의 대규모 Qatar 공장이 2010년 예정으로 건설 중 이다. 미국 Exxon사, Syntroleum사도 기술개발 목적 의 Fischer-Tropsch 합성법의 시험공장을 가지고 있 으며, 상용공장 건설을 추진하고 있다.

그 동안 Shell사는 말레지아의 GTL 생산공장에서 하루 12,500배럴을 생산하여, [그림 5]의 세계지도에

서와 같이 디젤연료 혼합용으로서 유럽, 미국(캘리포 니아주), 동남아 등에 보급 판매하고 있다.

2002년 1월부터 태국에서는 Shell Pura Diesel의 이 름으로 주유소에서 세계 최초로 판매를 시작하고 있 고, 그리스 아테네에서는 2004년 올림픽을 대비하여 2003년 7월부터 ‘Shell Diesel 2004’라는 30% 혼합 GTL 연료를 판매하고 있다.

그리고 2003년 7월에 Shell사와 Daimler-Crysler의 자회사인 EvoBus사는 영국교통부의 지원으로 Shell Centre 옆에 위치한 워털루역과 빅토리아역을 왕복하 는 런던의 507번 ‘bendy bus’를 대상으로 100%

GTL 디젤유를 적용하여 3개월 동안 시운전을 실시 한 적이 있다.

1년 후인 2004년 7월에는 Euro IV 규제를 만족시 키기 위해 PM과 NOx를 동시에 저감시키는 혁신적 인 catalytic converter 시스템인 D-CAT(Diesel Clean Advanced Technology) 배기시스템이 장착된 영국 생산 Toyota의 Avensis CRDI 디젤승용차 10대 를 대상으로 100% GTL연료를 사용하여 런던 시내에 서 3개월 동안 8,000km를 문제점 없이 시운전을 하였다.

그림 5. Trials and Lunches of Shell GTL Fuel Worldwide.

특·별·기·획(Ⅲ)

이 시운전의 목적은 기존차량을 변경하지 않고 100% GTL연료가 출력의 저하없이 저공해성으로 사 용될 수 있다는 가능성을 보여주기 위한 것으로 차량 과 연료의 신기술개발을 위한 Toyota와 Shell의 공동 연구 프로그램의 일환으로 수행된 것이다.

독일의 폭스바겐(Volkswagen)사는 2003년 5월에 Shell사와 슈뢰더 독일 수상이 참석한 가운데 GTL 디젤유에 대한 공동설명회를 개최하고, 25대의 Golf승 용차(TDI engine 74kW/100 PS)를 대상으로 베를 린에서 5개월간의 시운전을 개시하였고, 폭스바겐사 는 2003년 10월 베를린에서 5개월간 100% GTL 연 료로 실시한 이 주행시험 결과 기계적인 부작용 없이 Euro3 수준의 엔진을 GTL연료만의 변경으로 Euro4 수준까지 만족시킬 가능성을 확인하였다고 발표하였 다.

이어서 2003년 11월 4일, 폭스바겐사와 Shell은 벨 기에의 브뤼쎌에서 차량과 연료의 신기술개발을 위한 공동연구 프로그램을 발표하였는데 양사의 대표는 자 동차연료의 변천을 예측하고 향후 30년 동안의 계획 중에 시내버스나 택시와 같은 도심지 운행차량에서의 GTL 역할의 중요성과 Shell과 폭스바겐은 차세대 청

정연료의 개발과 보급에 선도적인 역할을 하고 있음 을 강조 하였다.

이 공동사업은 폭스바겐사의 첨단엔진기술과 Shell 사의 신 연료기술의 만남으로 배출공해와 연비를 동 시 개선을 목표로 하고 있으며, 1단계는 천연가스로부 터 합성한 GTL연료를 활용하는 것이고, 2단계에는 CO

2

‘Sunfuel’을 개발하기 위한 것이다.

미국의 경우, 이미 2002년에 Shell사는 California 교통부(CALTRANS)와 함께 69대의 truck, pickup, tractor 그리고 건설기계에 100% Shell GTL 연료를 사용하여 시운전 시험을 완료하였고, 시운전 결과는 긍정적이었으며, California 주정부에서도 연료와 관련 된 문제점은 전혀 없었고 다시 ULSD(Ultra Low Sulphur Diesel)연료로 교체한 이후에도 여전히 문제 가 없었음을 공식적으로 확인을 하였다.

그 이후 2002년 11월부터는 Yosemite Waters 생 수회사의 대형 운반트럭 3대에 100% GTL연료를 사 용하여 2004년까지 생수운반을 위해 남부 California 에서 도심지와 고속도로 상을 운행하며 운전성과 배

그림 6. 태국 GTL 주유소, 아테네 올림픽과 런던 GTL 시내버스, 런던 도요타 GTL 승용차.

그림 7. 독일 폭스바겐의 GTL 승용차, 미국 요세미티 생수회사와 일본 COOP의 GTL 트럭.

특·별·기·획(Ⅲ)

기가스 저감성능을 점검하고 있다.

일본의 경우도 이미 영국 등에서 도요타사에 의해 진행이 되고 있지만 일본 내에서도 2대의 트럭을 대 상으로 실험실내 시험, 시험트랙에서의 주행시험, 그 리고 도로상 일상운행 시험의 3단계로 나누어 Shell GTL 연료와 표준 디젤연료를 사용하여 시운전과 배 출가스 시험사업이 진행 중에 있다.

중국의 경우, Shell사와 Shanghai의 Pudong Ba- Shi 버스회사는 2004년 8월 25일부터 2개월간에 걸쳐 Shanghai의 Pudong시내 번잡한 노선에서 12대의 Euro1급 엔진이 장착된 시내버스를 대상으로 시운전 을 시작하였다. 이 시운전의 목적은 Shanghai 시내 도심지의 대기오염 방지 운동(Cleaner Energy Makes a Better City)의 일환으로 배기 및 소음공해 의 저감을 위한 GTL 연료의 가능성을 확인하기 위한 것으로 12대 중 8대의 시내버스는 30% GTL과 70%

일반 디젤을 혼합하여 운행하고 나머지 4대는 현행대 로 디젤로 운행하여, 배기공해 및 소음 저감, 연비향상 등에 대해 비교 시험을 하였다.

국내에서도 2004년 8월부터 산업자원부 사업의 일

환으로 한국기계연구원(KIMM)에서 PM원천저감을 위하여 GTL 엔진개발 관련 연구를 시작하였으며, 또 한 현대자동차 투산 디젤차량에 100% GTL 연료를 적용하여 시운전도 병행하고 있다.

BTL(Biomass To Liquids)의 차량적용 현황

2

최근 독일의 Choren사는 다임러크라이슬러와 폭스 바겐의 지원을 받아 BTL 합성연료 개발에 주력하여 2003년에 대량생산 공정개발에 성공하였으며, 최근 Shell사와 독일 북부 발틱 해변에 세계 최초의 대형 생산공장 건설을 추진하고 있다. 그러나 아직 유럽의 일부 몇 나라와 미국에서 시험공장을 가동하고 있는 실정이라 생산단가가 높은 게 단점이지만 향후 양산

그림 8. 중국 상해 GTL 시내버스, KIMM의 현대 투산 GTL 디젤승용차.

그림 9. 독일 드레스덴시 근교 Choren사의 BTL 공장과 BTL 100% 시운전 차량, 상표.

특·별·기·획(Ⅲ)

단계에서는 비용절감 가능성이 충분하다고 전망하고 있다.

독일 Choren사는 ‘SunDiesel’이라는 고유 상표명으 로 100% BTL 연료를 폭스바겐과 다임러크라이슬러 등 여러 차종에 적용하여 시운전을 하고 있다.

결론

기후변화협약과 고유가시대를 맞이하여 전 세계가 합종연횡 작전과 전략수립에 총력을 기울이고 있어 마치 총성 없는 전쟁터라고 표현되기도 한다.

고유가시대를 맞이한 차세대 유망연료의 조건으로 는 석유대체성이 우수하고 원료의 공급이 원활하여 경제성이 있어야 하며, CO

2

이러한 여러조건을 고루 만족하는 연료로써 유럽에 서는 엔진효율이 좋은 기존 디젤엔진에 대체사용이

가능한 청정합성연료인 GTL(Gas To Liquids)연료 와 바이오연료인 BTL(Biomass To Liquids)이 차세 대 연료로 가장 선호되고 있으므로 도요타, 폭스바겐, 다임러크라이슬러 등 세계 유명 자동차회사들이 다양 한 차량에 적용을 하고 있고 그 보급이 점차 확대되고 있는 실정이므로 그 적용사례를 소개하였다.

우리나라는 서울시 수도권 대기보전을 위해 천연가 스 시내버스 운행과 운행 중인 디젤차량의 LPG화 개 조작업, 후처리장치 부착 등에 많은 보조금 지원으로 지원하고 있으며, 전국 지자체로 정책을 확대해 나가 는 정책을 추진하고 있다.

유럽 자동차 회사나 도요타사 등 세계 유명 자동차 회사의 향후 연료정책방향 등을 세심하게 검토하고 분석하여 올바른 정책방향의 설정과 수정이 필요한 시점이다.