GTL 연료의 제조기술과 향후 전망
한국과학기술정보연구원 전 문 연 구 위 원 조 태 제 (jtj3513@reseat.re.kr)
1. 서론
○ 최근의 석유가격 급등은 에너지 수요구조의 변혁의 필요성을 증대시켰 으며, CO2 등의 온실효과 가스의 저감의 필요성 또한 크게 대두되고 있다. 이에 대체 에너지 자원인 바이오매스 연료가 주목을 받고 있으며 GTL(Gas to Liquids)도 그 중의 하나다.
○ 이 보고서에서는 수송용 액체연료로서 중요성이 증가하고 있는 천연가 스를 액체연료로 변환하는 GTL기술의 개요와 일본GTL기술연구조합의 GTL 프로세서(이하 JAPAN-GTL 프로세스)의 기술 개발에 대한 최근 동향을 소개했다.
2. GTL기술의 개요
○ GTL의 정의 및 역사
– GTL은 천연가스로부터 CO와 H2의 혼합물인 합성가스를 제조하고, FT합성공정에서 C5~C100인 탄화수소 합성유를 만든다. 그 후 이를 수 소화 분해․정제(이하 업 그레이딩) 공정에서 액체연료인 나프타, 등 유, 경유 및 윤활유 등의 유분을 만든다.
– GTL기술의 핵심은 FT(Fischer-Tropsch) 합성기술이며, 석유 자원이 부족했던 독일에서 1920년대 개발된 후 제2차 대전 중에 일본에서 1500B/D의 플랜트를 운전한 실적이 있다. 그 후 남아프리카에서는 인종차별정책 하에서 석유 금수조치에의 대응책으로서 Sasol이 1955 년 석탄을 원료로 하여 8000B/D의 합성연료를 제조한 후 현재의 상 업적 수준에 이르고 있다.
○ GTL 프로세스
– 각 사가 보유한 GTL기술은 세 가지 그룹이며 특징적인 것은 각사 모두 독자기술을 개발하여 상업화에 대응하고 있다.
– 먼저 Shell, Sasol의 선두그룹은 이미 상업적 규모의 실적이 있으며, ExxonMobil, Conoco Phillips, BP 등이 실증 규모의 연구를 마치고 상용화 단계로 이행 중이다. JAPAN-GTL 프로세서가 속한 그 다음 그룹은 파일럿 단계를 완료하고 실증 준비 단계이다.
○ GTL제품의 특징
– GTL 제품류는 포화탄화수소로서 연소성이 좋고 유황(S), 질소(N) 등 의 불순물을 포함하지 않아 배기가스 중에 환경오염물질이 적다.
․ GTL등유는 연점(Smoke Point)이 높고 연소성이 좋으며, GTL경유는 세탄가가 높고 배기가스 중의 질소산화물(NOX)과 입자상 물질(PM) 이 적어 고성능 경유로서의 이용이 기대된다. 이런 특징을 살리기 위해서는 새로운 연료상품 및 사용기기의 개발이 필요하며, 현재는 기존의 석유연료에 일정량 혼합하여 사용하고 있는 정도이다.
․ 나프타, 등유 유분은 연료전지용의 연료로서 적합하고, GTL윤활유 유분은 점도지수 140 이상의 연비향상성이 높은 차세대 고성능 기 유로서 기대되며 메이저사는 2010년경 시장 투입을 계획하고 있다.
○ 세계의 GTL 프로젝트의 동향
– Shell, Sasol, PetroSA의 플랜트가 말레이시아, 카타르 및 남아프리카 에서 가동되고 있는 것을 제외하고는 전부 계획 또는 검토 단계이다.
카타르에서의 Oryx-1프로젝트(34000B/D)는 2006년 6월 준공되었으며, Shell의 Pearl프로젝트는 JGC사(日揮)가 중심이 되어 EPC(Engineering, Procurement & Construction) 방식으로 현재 플랜트 건설 중이다.
ExxonMobil의 프로젝트는 구체적 설계가 개시된 후 2007년 4월 계 획 중지가 발표되었다.
– 이에 따라 향후의 GTL 생산량 최대 추정치는 2011년에 50만 B/D,
2013년에는 90만 B/D를 초과할 것으로 예상되나 아직은 수급상으로 는 큰 영향을 미치지 못하고 있다.
3. 일본 GTL 개발 동향
○ 연구개발의 의의
– 우선 자원 확보 관점에서 자원 수입국인 일본에 있어서는 이들이 중 요한 전략기술이다. 그러나 선진기술 개발주체인 Sasol 및 Shelll 등 의 석유 메이저사는 타사에의 기술이전을 허락하지 않으므로 독자기 술 개발이 필요하다.
– 또한 천연가스는 LNG로서 현재 큰 시장을 형성하고 있지만 자원으 로서의 가치를 유지․향상시키기 위해서는 LNG라는 열용도 외에 시 장 변화에 유연하게 대응할 수 있는 액체연료화 기술이 필요하다.
○ GTL기술의 개발 경위
– 2006년 10월 국제석유개발, 신일본석유 등의 6사는 실증연구를 위한 모체로서「일본GTL기술연구조합」을 설립하고, JAPAN-GTL 프로세 서의 기술 확립을 위해 JOGMEC와 총 연구비 360억 엔의 공동연구 를 개시했다.
– 이 프로젝트는 1998년도에 실험실 규모의 연구를 시작으로 2001~
2004년도에는 북해도에서 파일럿 규모의 연구를 거친 후 2003년 9월 에 7B/D의 생산에 성공했다. 이번 연구는 이 기술을 바탕으로 500B/D의 플랜트를 건설하여 기술실증을 하는 것이다.
○ JAPAN-GTL기술의 특징
– JAPAN-GTL 프로세서는 합성가스 제조공정에 탄산가스․수증기 개 질법을 적용하며, CO2를 개질재로 하기 위해 천연가스로부터 CO2를 제거하지 않고 이용할 수 있는 세계최초의 기술이다. 따라서 기존의 GTL기술에서 필요했던 원료 중의 CO2 제거공정과 산소처리 플랜트
가 불필요하며, 또 CO2를 다량으로 포함하므로 미개발 가스전의 개 발․생산을 촉진하는 것도 가능하다.
– FT합성 공정은 Co계 촉매를 이용한 슬러리상 반응기를 사용하며 실 험실 규모에서는 세계최고 수준의 고활성 촉매가 이미 개발되었다.
– 업 그레이딩 공정에서는 FT합성유를 나프타, 중간유분 및 왁스로 분 류하여 수소화 정제하며, 왁스의 수소화 분해에서는 촉매담체를 최적 화함으로써 타사보다도 고활성인 촉매가 개발되었으며 등․경유 선 택성도 높다.
○ GTL 실증연구의 개요
– 실증규모에서의 GTL기술의 확립
․ 연구기간은 2006~2010년이며 현재는 500B/D의 실증 플랜트 건설 을 위한 EPC업무를 진행 중이며, 플랜트는 2008년도 중에 Niigata (新潟) 동항에 건설되며 운전연구는 2009년, 2010년도에 시행될 예 정이다.
– 상업적 규모의 스케일 업(scale-up) 방법의 확립
․ 합성가스 제조공정은 CO2를 개질재로 이용하므로 부분산화법 등에 비해 코크스 생성의 리스크가 크지만, 최근 수명이 길며 코크스 생 성이 적은 촉매가 개발되었다. 현재는 개발 시뮬레이터를 활용하여 대량 흡열을 동반하는 개질반응의 효율성 개선을 위해 노(爐) 구조 를 최적화하는 방법을 검토 중이다.
․ FT합성에 있어서는 슬러리상 반응기의 스케일 업을 검토 중이며, 반 응기 설계의 주안점은 FT반응 및 기․액․고의 3상이 공존하고 다 수의 냉각관이 있는 복잡시스템의 유동상태의 효과적인 제어이다.
․ 업 그레이딩 공정에서는 백업연구의 일환으로 ①운전관리 ②최적 운전조건의 탐색 ③상업적 규모의 설계용 툴을 확보하기 위한 시 뮬레이터를 개발한다. 또한 반응기 원료의 탄소수별의 조성에 대해 반응기 입구에서 출구까지의 농도변화를 반응속도론적으로 추정하 여, 실제 반응기에서의 관련 인자 변동 시의 생성물에 대한 영향을 파악하고자 한다.
○ JAPAN-GTL기술의 경제성
– JOGMEC가 15000B/D의 JAPAN-GTL 프로세서를 전제로 하여 추산 한 결과(2003년, 원유가격 1배럴당 30달러 기준), 제조코스트는 가스 가격이 100만 BTU당 1달러이면 배럴당 19.0달러, 가스가격 4달러에 서는 44.1달러로 추정되었다.
– 또 최근의 기자재 코스트의 급등에 따라 설비비를 당시의 2배로 하 여 추산한 결과 제조코스트는 배럴당 6달러 상승되었으나 GTL은 충 분히 경쟁력을 가질 수 있다고 생각된다.
4. 결론
○ GTL기술은 석유대체연료원으로서의 가스자원을 확보하기 위한 주요 전략기술로서 독자기술 개발이 필요하며, 특히 JAPAN-GTL 프로세서 는 CO2를 포함하는 미개발 가스전도 활용할 수 있는 경쟁력이 있는 기술이다.
○ 최근의 원유가격 및 플랜트 코스트의 상승에 따라 GTL프로젝트의 발 주자 및 도급자 모두에게 어려움을 가중시키고 있다. 원유가격과 EPC 가격의 향배가 GTL프로젝트의 사업성을 예상하는 관건이 될 것이다.
출처 : 大澤 伸行, “GTL燃料の製造技術と今後の展開”, 「自動車技術(日本)」, 61(11), 2007, pp.27~32
◁전문가 제언▷
○ 에너지의 안정공급은 우리나라를 포함한 특히 아시아를 중심으로 하는 세계 에너지 수요에 있어서 매우 중요하면서도 시급한 과제이다. 따라 서 전 세계에 널리 존재하는 천연가스를 액체 연료화하는 GTL기술은 1차 에너지 공급의 다양화 관점뿐만 아니라, 환경 친화적인 청정연료 제조기술로서도 그 역할이 기대된다.
○ 액체상인 유전은 경제성만 있으면 바로 개발할 수 있으나, 기체상인 천 연가스전의 개발은 배관 및 LNG 등의 중류, 하류 부문까지 고려하여 추진해야 하므로 개발자금의 규모가 막대하고 개발기간도 길어진다. 그 러나 액체연료화인 GTL이 상용화되면 상류 부문에서 천연가스전 개발 을 보다 쉽게 추진함으로써 천연가스 또는 LNG 프로젝트의 시장 확대 와 함께 원유 및 천연가스 중심의 취약한 산업구조의 개선 효과도 기 대할 수 있게 된다.
○ 주로 직쇄의 포화 탄화수소로 구성된 GTL 제품 중 가장 중요한 GTL 경유는 현재의 디젤 엔진에 사용할 수 없으므로 상용화를 위해서는 자 동차 엔진 측과 연료 측의 두 가지 접근방법이 있다. GTL의 공급량 예 측이 어려운 수년간은 GTL 경유용 엔진개발을 본격적으로 추진하는 데는 큰 어려움이 예상된다. 따라서 당분간은 연료 측의 개량을 통한 GTL 및 경유와의 혼합 연료로서의 이용이 중심이 될 것이다.
○ 실증 연구(2010년 운전 예정)로 개발되는 이 JAPAN-GTL 프로세스는 탄산가스를 포함한 천연가스를 그대로 이용하는 것이 가능한 세계 최 초의 획기적인 기술이다. 따라서 본 연구를 통해서 관련분야의 선두주 자인 석유 메이저사에 대해서 경쟁력 있는 기술을 개발함으로써, 액체 연료 조달자원의 다양화, 에너지 공급의 안정성 확보, 운송 부문에의 석유 의존도 저감 및 지속가능한 사회의 실현을 위한 좋은 계기가 될 것으로 생각된다.
