[기획특집: 에너지 저장 및 전환] DME 연료로서의 개발 및 활용전망

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DME 연료로서의 개발 및 활용전망

백 영 순^†⋅조 원 준⋅이 현 찬 한국가스공사 연구개발원 DME 연구개발

The Status of DME Development and Utilization as a Fuel

Youngsoon Baek^†, Wonjun Cho, and Hyen Chan Lee

DME Research Team, R&D Division, Korea Gas Corporation, Incheon 406-130, Korea

Abstract: 화석연료의 사용이래로 인류는 지속적인 산업화와 기술적 진보를 바탕으로 인류문명의 발전을 거듭하여 왔다. 그러나 무분별한 개발과 급격한 소비증가로 인하여 인류문명은 화석연료의 고갈과 환경오염이라는 크나큰 문제 에 직면하고 있으며, 개발도상국들의 급속한 경제발전으로 인하여 화석연료의 수급 불균형이 예상되고 있다. 따라서 에너지원의 다원화와 환경공해의 저감은 인류가 경제성장과 환경, 에너지 안보를 동시에 고려하는 지속가능한 발전 (Sustainable Development)을 추구하기 위해 해결해야 할 가장 큰 과제중의 하나이다. 이 시점에서 화석연료의 활용도 를 높이고 환경친화적인 연료로의 개발이 매우 필요하다. 최근 이러한 문제를 해결할 수 있는 연료로서 제시되고 있는 DME 연료에 대하여 국내⋅외 기술개발, 보급 및 시장현황을 기술하고자 한다.

Keywords: DME, Natural Gas, LNG, CBM

1. 서 론

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인구가 많고, 경제 성장이 두드러진 중국, 인도 등이 있는 아시아지역은 에너지 소비량이 크게 증 가하고 있고, 장래 에너지의 공급, 환경문제가 큰 과제가 될 가능성이 높다. 아시아지역의 석유, 천 연가스자원은 각각 세계의 5% 및 7%에 불과하고, LNG로 이용하기 적합한 대규모 천연가스 유전이 적다. 석탄자원은 세계의 31%로 비교적 풍부한 편이나, 약 절반이 아역청탄, 갈탄 등의 저급탄으 로 수분 함량이 높고, 자연 발화성이 있기 때문에 그 이용이 비교적 저조하다. 아시아지역뿐만 아니 라 미국 등 전 세계 대부분의 대도시에서 대기오 염이 심해지고, 많은 도시의 대기 중 오존과 먼지 의 수준이 그 나라의 대기환경 기준을 크게 초과 하고 있다. 대기 중 오존과 먼지는 본질적으로 모 든 연소설비로부터 배출되는 것이지만, 그 중에도 매연과 오존의 전구물질(precursor)인 질소산화물

† 주저자 (E-mail: [email protected])

(이하 NOx)의 큰 배출원으로 트럭과 버스의 디젤 엔진을 들 수 있다.

따라서 세계 각국에서 트럭과 버스의 오염물질 배출을 저감하기 위한 규제가 시행 또는 제안되고 있다. U.S. Federal and State Implementation Plans (미연방과 州의 실시 계획)에는 NOx 배출 한계를 1.5～2.0 g/bhp-h로 매우 낮추고 있다(bhp: brake horse power). 캘리포니아 주에서는 이미 중소형 자동차에 대하여 1998년부터 초저배출 자동차 (Ultra Low Emission Vehicle, 이하 ULEV) 규제 가 시행되고 있다. 이 규제는 NOx와 탄화수소의 배출량을 2.5 g/bhp-h, 매연을 0.05 g/bhp-h 이하 로 억제하는 것이다. 아울러 포름알데히드의 배출 은 0.025 g/bhp-h, CO의 배출은 7.2 g/bhp-h 이하 로 규제하고 있다. 이러한 규제를 만족시키려면 경유 대신 더 깨끗한 연료의 사용과 천연가스나 바이오매스로부터 값싸게 대량으로 깨끗한 대체 연료를 생산하는 프로세스가 필요하다.

현재 메탄에서부터 연료합성 기술로는 F-T (F-T;

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Fischer-Tropsch) 오일의 생산과 메탄올 생산하는 두 가지 프로세스가 상업적으로 가동되고 있지만, F-T 오일의 생산은 코스트 면과 생산품이 석유계 디젤유와 비슷한 실정이다. 반면 메탄올은 코스트 면과 함께 배출가스의 독성과 안전성 등으로 연료 로서의 문제를 안고 있다. 최근 연료로서 대두되고 있는 디메틸에테르(DME; Dimethyl ether)는 현재 메탄올의 탈수반응으로 제조되는데 프레온가스의 대체용으로 연간 21만 톤 정도의 세계시장이 형성 되어 있을 뿐이다(2002, SRI Report). 최근 천연가 스, 석탄으로 생산되는 합성가스로부터 대규모 DME 를 생산할 때 중국에서는 2009년 현재 약 880만 톤 대량의 DME를 에너지로서 공급하고 있는 상 황이다.

우수한 자동점화 능력과 고성능, 깨끗한 특성을 지닌 점에서 디젤유의 대체연료로 주목을 받고 있 다. 미 이용자원의 저품위 탄, 온실효과가 높은 탄 층 메탄, 중소규모 가스전의 천연가스, 이산화탄소 함유량이 큰 대규모 천연가스, 유전에 수반되는 가스 등 다양한 에너지자원을 원료로 하여 LPG와 같이 취급이 용이한 DME를 가스전에서 생산하여 새로운 청정연료로 주변지역에 공급할 수 있어 장 래 에너지 수급의 안정과 환경 개선에 큰 공헌을 할 수 있을 것이다. 특히 DME는 상온ㆍ상압에서 무색의 기체 상태지만 LPG (액화석유가스)와 마 찬가지로 6기압ㆍ상온 또는 상압ㆍ영하 25도에서 액화된다. 증기압도 프로판ㆍ부탄 가스의 중간 정 도여서 LPG와 혼합해 취사용 연료나 LPG차 연료 로 쓸 수 있다. 특히 가격이 LPG보다 20∼30% 저 렴하고 이산화탄소 배출량도 적다. 취사용 LPG에 20%, LPG차 연료에 5% 정도를 혼합해도 LPG 충 전소 등 기존 인프라나 조리기구ㆍ차량부품을 개 조할 필요가 없는 것도 장점이다. 또한 DME는 세 탄가가 경유와 비슷해 디젤차의 상당 부분이 DME 차로 대체될 것으로 예상된다. DME만을 연료로 쓰는 DME차는 디젤차에 비해 이산화탄소 배출량 은 약 8%, 질소ㆍ황 산화물과 미탄화수소는 절반 이상 줄고 분진은 전혀 배출하지 않는다. 이 같은 장점 때문에 일본은 다양한 디젤 트럭을 DME차

로 개조, 실증실험을 마치고 시범보급에 들어갈 예정이다. 이러한 DME에 대해 국내외 기술개발 및 추진현황을 좀더 자세히 소개하고자 한다.

2. DME 연료의 물리⋅화학적 성질

DME는 CH3OCH₃의 분자구조를 지닌 가장 간 단한 에테르이다. 상온⋅상압에서 기체 상태이며, 상압에서는 -25 ℃, 상온에서는 6기압을 유지하면 액체 상태로 존재하는 물성을 지녔다. DME는 에 테르 구조를 지녀 유기화합물에 대한 용해성이 있 지만 금속에 대한 부식성이 없고 인체에도 무해할 뿐 아니라 온실효과와 오존층의 파괴 등 환경적인 피해의 우려도 거의 없다. 특히 DME는 액체 상태 로 낮은 체적과 탄성률로 인해 압력에 의한 체적 변화가 크기 때문에 좋은 연료이다. DME 연소의 특징으로서는 DME 분자식에 산소 분자를 함유하 고 있기 때문에 연소 시에 입자성 물질 발생할 가 능성이 극히 적다. 이외에도 기체 상태에서의 체 적 열량은 천연 가스의 1.65배와 LPG의 0.65배이 고, 연소 속도는 메탄에 비해 1.5배 빠르고 자연 발화 온도도 메탄보다 280 ℃ 낮아 대단히 연소하 기 쉬운 장점을 지녔다. 세탄가가 높아 힘을 필요 로 하는 디젤엔진 연료에도 적합하다. 그러나 DME 사용 시 수지나 고무 seal 등의 침식성에 유의할 필요가 있고, 낮은 점성⋅낮은 윤활 성질로 연료 펌프나 연료 분사 장치에서의 leak나 마모 문제 해 결을 위해 부품의 정밀한 가공이 요구된다. DME 인프라의 특징으로서는 수송⋅저장용 탱크는 일 반적인 저온 강재질로 제작되기 때문에 LNG 수 송설비와 달리 가격이 저렴하며, LPG의 인프라 설비 사용이 가능하고 LPG 수송설비 제작 방식과 수송 방법도 유사하므로 DME 연료의 수송⋅저장 이 편리하다.

2.1. DME의 성질

DME는 메틸기 2개가 산소원자 하나를 사이에 두고 결합되어 있는 가장 간단한 에테르화합물이 다. DME와 그 외 여러 연료의 물리적 성질은

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Properties DME Propane Methane Diesel fuel

Chemical formula CH3OCH3 C3H8 CH4

Boiling Point (C) -25.1 -42.0 -161.5 180∼370

Liquid density (g/cm³ @20C) 0.67 0.49 0.42 0.84

Liquid viscosity (kg/ms @25C) 0.12∼0.15 0.2 － 2∼4

Specific gravity of gas (vs. Air) 1.59 1.52 0.55 －

Vapor pressure (MPa @25C) 0.61 0.93 －－

Explosion limit (%) 3.4∼17 2.1∼9.4 5∼15 0.6∼6.5

Cetane number 55-60 5 0 40∼55

Net calorific value (kcal/Nm³) 14,200 21,800 8,600 －

Net calorific value (kcal/kg) 6,900 11,100 12,000 10,000

Table 1. Physical Properties of DME and Other Fuel

Table 1에 표시하였다. DME는 비점이 -25.1 ℃로 상온에서 무색의 기체이며 25 ℃에서의 포화 증기 압은 0.6 MPa로 낮고, 압력을 가하면 쉽게 액화한 다. 그 성질은 LPG의 주성분인 프로판, 부탄 등과 비슷하기 때문에 저장, 취급에는 LPG의 관련 기 술이 응용된다. LPG와 같이 저압 실린더 안에서 는 기체와 액체가 혼재한다. 점도는 LPG에 가깝 고, 디젤유보다 낮지만, 디젤 대체유로 사용할 수 있다. 화학적 조성은 에탄올과 같이 C2H₆O로 표 시되나, 열량(LHV)은 에탄올보다 8.4% 높다. 상 온에서 액체밀도는 프로판과 디젤유의 중간으로 -162 ℃에서의 LNG의 값에 가깝다. 가연범위는 탄화수소연료보다 약간 넓다. 냄새는 거의 없으나, 약간 단맛 같은 냄새가 난다. 프로판, 부탄과는 달 리 물과의 상호용해도가 높다. 물에 대한 DME의 용해도, DME에 대한 물의 용해도는 0.5MPa, 24

℃의 조건에서 각각 무게비로 35.3%와 7.0%이다.

DME는 금속을 부식하지 않는다. 고무 종류 가운 데는 팽윤하는 것이 있으나, 예를 들어 NBR (Nitrol Butadiene Rubber)는 정적 및 동적 조건에서 사용 가능하다.

2.2. 안전성, 환경 특성 및 건강에 영향 에어로젤 분사제로서 DME는 LPG에 비해서 안 전성과 용해성면에서 큰 장점을 가지고 있다. LEL (lower explosive limit)이 LPG보다 60% 높아 폭 발위험이 대폭 낮아지며 연소열이 탄화수소보다

35% 적고 물, 에탄올 등과 혼합시 0 flame exten- sion이 가능하다. 그리고 DME는 LPG와 달리 극 성, 무극성 용매 모두에 높은 용해도를 가지고 있 어 분사제로 매우 유리한 장점을 지니고 있다. 프 레온을 대체하는 분무제로서의 사용에 앞서 각종 독성에 대한 조사가 있었고, 메탄올보다 독성이 낮고, LPG와 같은 정도의 매우 낮은 독성이 확인 되었다. DME는 수분간의 흡입으로 마취상태에 이르는 농도는 프로판, 부탄의 5% 내지 10%에 비 하여 8% 내지 12%로 약간 높은 값이기 때문에 안 전하다. 흡입한 경우 생체 내의 농도는 대기 중 농 도의 60분의 일 정도가 되지만, 생체 내에서 대사 되지 않고, 수 시간에 호흡에 변화가 없는 채로 배 출된다. 돌연변이를 유발하거나 기형을 유발하는 문제도 없고, 태아 독성, 발암성 등도 없다. 더구나 DME는 광화학적 반응성이 낮고, 공기 중에 신속 히 분해되나, 그 과정 중에 포르마린이 부생되지 않는다. 따라서 마취성이 강하고, 과산화물을 생성 하는 DEE (Diethyle ether, 이하 DEE)와는 달리 DME는 그 가능성이 매우 낮아 안전하다. 대기 중 에서의 분해시간은 3∼30 h 정도이다.

2.3. 연료로서의 DME 특성

디젤엔진연료의 특징은 낮은 자기발화온도인데, DME는 디젤용 경유와 거의 같은 온도에서 발화 한다. DME는 그 임계압력(53.7 bar) 이상에서 엔 진에 주입되며, 높은 증기압으로 주입과 동시에

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기화된다. DME는 점화온도가 낮은 이외에도 특 히 세탄가(55 이상)가 높다. 더욱이 DME는 산소 함유율이 높고, 탄소-탄소결합이 없기 때문에 디 젤엔진에서 문제가 되는 매연가스를 발생하지 않 는다. DME의 중량당 발열량은 6900 kcal/kg으로 프로판, 부탄, 메탄보다 낮으나 메탄올보다 높다.

기체로는 14200 kcal/Nm³로 메탄보다 높은 발열 량을 가지고 있다. 증발열은 메탄올의 반 이하이 며, 안전 관리상 가장 중요한 특성인 폭발한계의 하한은 프로판, 부탄의 약 2배가 되어 누출에 대해 안전하다. 기존의 합성연료는 휘발유, 경유 등의 수송용 액체연료 대체에 한정되어 있었으나, DME 는 LPG와 같은 가정용, 수송용 및 발전용으로 광 범위하게 이용이 가능하다.

DME의 화염은 천연가스와 같이 청색으로 보이 며, 웨버 지수(가스연료의 호환성을 판단하는 값) 가 메탄과 비슷하기 때문에 천연가스용의 버너를 그대로 이용할 수 있다. 열효율, 배기가스의 특성 도 비슷하다. 이미 중국에서는 일부 비료용 암모 니아 합성의 부산물인 메탄올로부터 제조한 DME 가 LPG 대체연료로 유통되고 있다. LPG는 옥탄 가가 높아 휘발유엔진의 연료로 이용되고 있으나, DME는 세탄가가 55 내지 60으로 높기 때문에 디 젤연료로 이용이 가능하고, 배기가스도 매우 깨끗 하다. DME는 메탄올과 같이 쉽게 수증기 개질이 가능하고, 독성이 없어 미래의 연료전지자동차의 연료로도 기대되고 있다. 발전용 가스터빈의 연료 로의 이용도 실험되고 있고, 천연가스와 비슷한 열 효율, 저NOx 연소가 가능하다는 것이 확인되었다.

현재 연료로 사용되고 있는 디젤, LPG, 가솔린, 천연가스와 DME의 지구온난화에 영향에 미치는 배출 가스를 상대적으로 비교한 결과, DME 연료 가 다른 연료에 비해 지구환경 보전성에 우수한 것으로 밝혀졌다. 또한 주행거리 측면에서도 DME 1.0 gallon으로 주행할 수 있는 거리와 가솔린 1.0 gallon으로 주행할 수 있는 거리가 비슷하다. 그러 나 디젤연료의 경우가 단위 체적당 주행거리가 가 장 길게 나타났으며, Table 2에 나타낸 것처럼 동 일한 주행거리에 소요되는 연료의 양은 DME는

구 분 디젤 가솔린 DME LPG CNG

지구온난화 가스

배출량의 상대적 지수 100 127∼ 129

96∼ 114

96∼ 132

109∼ 143

상대적 연료부피 1.0 1.6 1.7 2.2 5.0

Table 2. 여러 연료들의 상대적인 부피

1.7 gallon에 비해 디젤은 1.0 gallon이 소요되므로 연료가 차지하는 상대적 부피가 낮아 우수한 것으 로 알려졌다.

3. DME 연료의 제조기술

일반적으로 천연가스를 수증기 개질반응에 의 해서 합성가스를 제조하고 합성가스 또는 CO2의 수소화 반응에 의해서 메탄올을 합성한 후, 메탄 올로부터 탈수반응을 통해서 DME를 생산하는 간 접 합성공정으로 이루어졌다. 이러한 DME 간접 합성법은 메탄올 제조 프로세스의 라이센스를 갖 고 있는 독일의 Lurgi, 일본의 Toyo Engineering, Chiyoda 및 덴마크의 Topsoe 등을 들 수 있다. 반 면, 메탄올 공정을 통하지 않고 합성가스로부터 DME를 직접 합성하는 공정으로는 일본 JFE의 액 상반응(Slurry Reaction), Topsoe에서는 2단계의 반응기를 integration되어 있는 반응기로 연결하여 DME를 직접합성하는 공정, 가스전의 성분 중 약 10%의 CO2를 원료로 천연가스와 반응시켜 원하 는 비율의 합성가스를 제조하고 DME를 기상반응 에서 직접합성하는 한국가스공사의 공정 등을 들 수 있다(Figure 1).

이러한 DME 합성반응은 순간적인 심한 발열반 응으로 반응온도 상승에 의한 촉매의 비활성화 가 능성이 있기 때문에 반응열의 효율적 제거가 요구 된다. Table 3의 반응 자유에너지의 비교 결과로 부터 합성가스를 이용한 DME의 합성은 메탄올 합성에 비하여 열역학적으로 평형수율 제한에 훨 씬 유리한 장점이 있다는 것을 알 수 있다. 이는 메탄올 2 분자의 탈수에 의한 DME의 합성이 공 업적인 조업 조건에서 80% 이상의 전환이 가능하 기 때문에 열역학적으로 매우 유리한 반응일 뿐

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Figure 1. 한국가스공사 DME 직접합성법의 process diagram.

Figure 2. 합성가스로부터 메탄올이나 DME를 합성할 때의

평형 전환율(초기 H

2

/CO 비율과 압력: 변수, 반응온도: 280

℃).

아니라 메탄올 합성에서 생성되는 메탄올을 2차 반응에 의하여 제거시켜 새로운 반응계의 평형을 위한 기력(driving force)이 주어진다.

Figure 2는 합성가스로 부터 메탄올이나 DME 를 합성할 때의 평형 전환율을 나타낸 것이다.

DME 합성 반응(d)와 (e) 및 메탄올 합성 반응(a) 는 초기 H2/CO 비율과 반응압력의 함수로서 변화 된다. 각 반응에서 평형 전환율은 당량적인 비율 의 H2/CO비율에서 최대점을 갖는다. 즉, 반응(d) 와 (a)에서는 H2/CO비율이 2일 때, 반응(e)에 대해 서는 H2/CO 비율이 1일 때 최대점을 보인다. Figure 2로부터 메탄올 합성시 보다 DME 합성이 평형 전환율이 높음을 알 수 있다. 또한 DME 합성 반 응 중에서 반응(e)가 최고 평형 전환율이 높음을 알 수 있다.

Reaction

Reaction heat (kcal/mol-

DME)

Free energy,

△G600K

(KJ/mol- DME) (a) 2CO + 4 H2→ 2CH3OH +43.4 +90.8 (b) 2CH3OH → CH3OCH3 + H2O + 5.6 -10.7 (c) CO + H₂O → CO2 + H₂ + 9.8 -16.5 (d) 2CO + 4H₂→ CH3OCH₃ + H₂O +49.0 +80.1 (e) 3CO + 3H2→ CH3OCH3 + CO2 +58.8 +63.6

Table 3. DME 합성에 관계된 반응과 반응열

4. DME 연료생산현황

DME 연료로 사용하고 있는 나라는 가장 활발 한 중국이외 다른 나라는 미미하고 인프라 구축과 사용법규를 제정하는 준비 단계에 있는 실정이다.

최근 일본, 터어키, 베트남이 LPG 혼합연료로서 사용하기 시작하였다. 베트남은 중국으로부터 약 5% DME를 혼합한 LPG를 월 1500∼2000톤 수입 하여 사용되고 있고, 터어키는 TARKIM 회사에서 Methoxymethane이라는 이름으로 약 4.5만톤/년을 생산하여 추진제이외 LPG 혼합연료로도 사용되 고 있다. 그리고 일본은 FDME (Fuel DME Produc- tion Co. Ltd.) 회사에서 Mitsubishi Gas Chemical 회사의 니카타 공장 부지에 수입한 메탄올로부터 년 8만 톤 DME 연료를 2008년 9월부터 생산하여 운영하기 시작하였다. FDME 회사는 Mitsubishi Gas Chemical, Itochu, Japan Petroleum Explora- tion Co. 등 9개의 일본회사들이 지분을 참여하여 만든 회사로서 여기서 만든 DME 연료는 메탄올 의 탈수반응으로부터 99% DME 연료를 생산하여 DME 연료의 초기시장 개발을 목표로 하고 있다.

중국이 2003년부터 메탄올로부터 DME 연료를 생산하여 가정용 연료로 활용하고 있는 최초의 나 라이다. LPG 70∼80%에 DME 20∼30%를 혼합 하여 가정연료로 사용하고 있으며, 가정용연료로 사용할 때 높은 효율, 저렴한 가격, 친환경적인 것 으로 평가하고 있다. 중국에서 국가에너지 위원회 에서 발표한 자료에 따르면, 2010년 DME 1000만 톤, 2020년 2000만톤 보급을 목표로 하고 있고,

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Figure 3. DME 온수기(중국). Figure 4. DME 스쿠터(중국). Figure 5. DME 승용차(중국).

이는 중국 석유사용량의 약 10%로 DME 연료로 대체하기 위해 박차를 가하고 있다. 중국에서 생 산하여 소비되는 DME 양은 2007년 220만톤 생 산능력에 약 120만톤 판매를, 2008년은 823만톤 생산능력을 지니고 있다. 산둥 주타이화공(山東久泰化工, Jiutai Chemical)은 2003년 연간 2만톤 규 모의 DME 생산을 시작으로 2006년 연간 15만톤 DME를, 네이멍구(內蒙古) 지역에 2007년부터 린 이쓰(臨沂市)와 광쩌우쓰(廣州市)에 65만톤 DME 연료를 생산하여 판매하고 있다. 2009년까지 네이 멍구(內蒙古) 지역에 연간 100만톤 규모의 2기 생 산라인을 건설할 계획으로 현재 중국 국가발전위 원회 승인을 기다리고 있다. 가정용 가스공급업체 인 신아오가스(新奧燃氣, Xinaogas) 회사는 2005 년말 1만톤 DME 연료를 생산하여 판매하고 있고, 네이멍구(內蒙古)지역에 연산 60만톤급 석탄을 기 반으로 2009년 말까지 Langfang, Bengbu, Yantai, Luoyang시에 40만톤 규모의 DME 연료 생산플랜 트를 추가 건설하여 생산할 계획이다. 선화닝메이 (神華寧煤, Shenhua Ningxia Coal Group, SNCG 이하)사는 지멘스 파워 제너레이션 그룹과 석탄 기반의 DME 프로젝트를 위해서 계약 체결해서 지멘트 PG사의 가스화 설비를 바탕으로 DME 생 산 설비에서 매년 83만톤을 생산할 계획이다.

SNCG사는 DME 프로젝트의 1단계로서 187만톤 의 석탄을 사용하여 21만톤 DME와 60만톤 메탄 올을 생산하되 향후 매년 83만톤 DME로 생산⋅

확대할 계획이다. 생산된 DME는 자동차의 연료 와 석유 대체 물질로 이용될 것이다. 이외에도 중 국 사천 루띵화(瀘天化, Lutianhua) 회사의 경우 천

연가스를 원료로 DME를 제조하고 있으며, 지난 2003년부터 LPG에 DME를 30% 가량 섞어 연간 12만톤 가량을 가정용 연료로 공급하고 있다.

5. DME 연료의 활용기술

DME 연료는 기존 연료에 비해 질소산화물과 미탄화수소의 배출가스가 현저히 낮게 배출되는 특징을 보이고 있고, 특히 자동차 분야에 새로운 ULEV (Ultra Low Emission Vehicle)의 환경 규제 치를 만족시킬 뿐만 아니라 지구온난화에 영향을 미치는 지구환경 보전성에도 우수하다. 따라서 DME 자동차가 다음 세대의 환경 자동차에 자리 매김을 할 수 있고 경유 자동차의 배출 가스 환경 문제를 해결할 수 있을 것으로 평가하고 있다. 특히 우리 나라를 포함한 동남아에서 경유 차량의 점유율이 높아 경유의 대체 수송연료로 사용한다면 도심의 환경 개선효과에 상당히 기여할 것으로 판단된다.

DME 연료시장으로는 아직은 미미하지만 중국이 2003년부터 메탄올로부터 DME를 제조하여 가정 용 연료로 활용하고 있는 최초의 나라이다. LPG 70%에 DME 30%를 혼합하여 연료로 사용하고 있으며, 2004년 현재 20만톤을 생산하여 이 중 56%

를 연료로 사용하고 있는 상황이다(Figures 3∼5).

가정용연료 특징으로는 높은 효율, 저렴한 가격, 친환경적인 것으로 평가되고 있다. 2008년 베이징 올림픽으로 DME연료 버스를 대량 보급되고 있어 대폭적인 DME연료 시장이 증가될 것으로 전망하 고 있다.

일본의 운수정책심의회 환경소위원회는 2001년

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Figure 6. DME 트럭(8톤, 일본). Figure 7. DME 트럭(2톤, 일본). Figure 8. JFE DME 버스(일본).

Figure 9. 미쯔비시중공업의 DME연료 Figure 10. 미쯔비시중공업의 DME Figure 11. DME 소형 열병합 설비 터빈. 보일러. (일본).

6월에 DME자동차를 차세대 청정자동차로서 현 재 DME 자동차를 실증 운행시험이 완료단계에 있다. 일본 석유공단 지원 하에 이와타니 산업, 산 업기술총합연구소(AIST) 및 미쓰비시 자동차가 공동으로 디젤 차량을 개조한 DME 자동차의 개 발, NEDO (신에너지개발 총합기구) 주관으로 히 노 자동차와 일본 자동차연구소(JARI)가 공동으 로 1997년부터 7년간 고효율 DME엔진 탑재 하이 브리드 버스를 개발하여 실증운행 중에 있다. 또 한 NKK (현 JFE)에서는 2002년 2월에 교통건설 성으로부터 도로주행 허가를 받아 2톤급 DME 트 럭(Isuzu truck 3600 cc급)의 100시간 주행시험을 완료하였으며 검뎅이 배출가스가 거의 없다는 것 을 확인하였다(Figures 6∼8). 이외에도 발전연료 적용분야에 있어서는 가스터빈 액체 DME 분사시 스템 개발, 보일러 연료전환 엔지니어링 완료 (Hitachi, IHI, MHI), 디젤엔진 열병합발전 개발(Yan- mer 등)에 관한 개발이 완료단계에 있어 DME 연 료 공급시 급속히 확산될 것으로 전망하고 있다 (Figures 9∼11). 특히 Yanmar 주식회사(이하, Yan- mar), JFE Holdings 주식회사(이하, JFE), Iwatani 산업 주식회사(이하, Iwatani) 3사는 DME를 연료

로 한 8.2 kW 소형 디젤 열병합 설비의 실용화 시 험을 2005년부터 2007년까지 2년 반에 걸쳐서 Think (Techno Hub Innovation Kawasaki)에서 실 시하였다. 소형 디젤 열병합 설비는 열효율이 높 은 디젤 기관에 의한 코제너레이션(cogeneration) 시스템으로 소규모 사업소나 공장에 설치되어 있 다. 열병합 설비에 DME연료를 공급하여 약 5000 h을 넘는 운전과 동시에 DME 디젤 엔진 및 시스 템의 성능 평가나 각 부품의 내구성 조사가 실시 하였다. Yanmar사는 고효율이면서 내구성이 있는 코제너레이션 시스템을 개발⋅판매하고 있어 본 시험에 있어서도 최근 연구 개발로 축적된 DME 디젤 연소 기술을 전개한 열병합 패키지를 제공하 고 있다. JFE는 시험장소의 제공, 연료공급, Iwa- tani는 LP가스 공급으로 배양된 기술을 기본으로 DME의 향후 수요에 대응하는 공급 인프라를 개 발하고 있으며, 질소 가압식 DME 스테이션과의 병설 시스템을 구축하면서 연료 첨가제(윤활성 향 상제)를 공급하고 있다. Yanmar, JFE, Iwatani 등 3사는 본 시험을 통해 깨끗하고 고효율인 DME 소 형 디젤 열병합 설비의 보급을 계획하고 있다.

유럽에서는 DME 개발초기에 전력부하 피크조

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Figure 12. Volvo 의 제2세대 DME 차량(제1회 IDA con- Figure 13. Volvo 의 제3세대 DME 차량.

ference 자료 인용).

절을 위한 에너지 저장용으로 활용이 기대되었으 나 DME 연료가 55이상의 세탄(Cetane)가를 지니 며 압축착화방식의 디젤엔진 연료로 사용할 수 있 다는 것이 밝혀져 디젤 대체연료로 기술개발이 진 행되어 왔다. Haldor Topsoe, Air Products, Shelll 등은 1990년부터 자동차 연료로써의 DME엔진 실험을 수행하였고, 1997년 IEA/AMF Annex XIV 의 공식적인 출범으로 현재는 디젤 대체연료로서 의 중요성이 부각되고 있다. 스웨덴에서는 2001년 부터 산업체들이 biomass로부터의 DME 생산기 술개발에 대한 가능성과 기술을 실증하여 스웨덴 이외의 유럽 국가들이 참가하는 “The Bio- DME project”가 진행되고 있으며, 이러한 사업을 통하 여 디젤자동차용 대체연료로서의 DME에 대한 적 용성을 성공적으로 수행하고 있다. 특히 스웨덴의 bio-DME banana 프로그램을 만들어 실증시험을 수행하고 있다. 즉 Göteborg의 볼보 본사에서 Värnamo의 바이오매스 연료를 생산 및 교육센터, Växjö의 바이오매스 가스화 대규모 생산지역, Mör- rum의 펄프흑액 가스화 지역을 잇는 노선을 운행 하면서 차량 실증시험하고 있다(Figures 12, 13).

미국의 Amoco사와 Navistar사(운송기계)가 주 관이 되어 Haldor Topsoe사 및 AVL List GmbH 사(오스트리아의 디젤엔진회사)와 공동으로 디젤 엔진용 DME연료 엔진개발을 추진하고 있다. 성 능시험에 사용된 차량제원은 7300 cc급 V-8 T444E 직접분사 터보디젤엔진이며, 시험결과 스모크 배 출가스 문제의 해결, DME 주입과 연소시스템으 로 NOx 배출량을 US 1998 규제치의 40%까지 줄

Figure 14. DME 차량(에너지기술연구원).

임으로써 캘리포니아 ULEV 규격치의 충족 및 연 소시 소음 및 진동문제를 가솔린엔진 수준으로 낮 출 수 있는 것으로 밝혀졌다.

우리나라는 한국에너지기술연구원에서 2000년 5월부터 2년에 걸쳐 ‘DME의 디젤엔진 적용을 위 한 연료공급계 및 연소계 기반기술 연구’를 추진 하였고, ‘소형 인라인 분사계 디젤 엔진의 연료공 급계를 사용하는 DME엔진 최적화 기술연구’를 2002년 7월부터 3개년 배기량 3000 cc급 DME 엔 진과 프로토타입 DME 차량 시스템을 제작하여 2003년에 순수 DME 차량을 국내에서 최초로 선 보였다(Figure 14 참조). 한편, DME 이용기기 개 발을 위해 한국에너지기술연구원에서 2005년부터 33인승용 배기량 8071 cc 디젤버스를 DME 차량 (Figure 15 참조)으로 개조 및 성능실험을 완료하 였고, 2010년 현재 차량의 장기 주행시험 중에 있 다. 또한 35 kW 디젤 열병합발전기기를 DME 열 병합발전 시스템으로 개조하여 2009년 9월 성능 시험을 완료한 결과 매우 청정한 배기가스 배출특 성과 효율을 지닌 것으로 평가되어 장기성능시험

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Figure 15. 33 인용 디젤버스를 DME 버스로 개조한 차량 (2008 년).

Figure 16. 35 kW DME 열병합발전시스템.

을 진행 중에 있다(Figure 16 참조).

6. DME 연료의 경제성분석

현재 DME를 개발 중인 회사에서 분석한 결과 를 토대로 분석하였으며, 우리나라의 경우 KOGAS 에서 개발한 천연가스로부터 제조된 DME의 경제 성분석과 기존 연료들과의 연료 가격의 비교를 통 하여 경제성을 분석하였다. DME를 생산은 다음 과 같은 전제조건에서 경제성 분석하였다. 이들의 전제조건은 다음과 같다.

① Capacity : 1.0 TCF에서의 1 MMton/yr ② 원유가격 : 80 US$/bbl

③ 천연가스 : 2 US$/MMBtu ④ 기타가격 : World Trading Price

천연가스 가격을 2 US$/MMBtu로 하여 분석한

Items LNG LPG Diesel

DME KOGAS Others Delivered Cost

(US$/ton) 530 735 950 243.8 275.70 Delivered Cost

(US$/mmBtu) 11.3 16.9 21.5 8.9 10.1

Table 4. DME 와 연료별 가격비교

Figure 17. 천연가스 가격별 생산비용 및 LPG와의 가격

비교.

결과, DME를 생산하는 가격이 8.9∼10.1 US$/

MMBtu로 다른 연료에 비해 가장 낮은 것으로 나 타났으며, 특히 디젤과 LPG 가격에 비해 현저히 낮은 것으로 나타났다. Figure 17에서 보는 바와 같이 천연가스의 가격이 낮을수록 DME의 경제성 은 훨씬 탁월하고, LPG 현재 가격의 70∼80% 보 다도 훨씬 낮게 가격으로 생산할 수 있는 것으로 나타났으며, 생산단가는 소요되는 투자비와 원료 비에 크게 좌우된다.

7. 한국 DME연료의 기술개발현황

우리나라는 한국가스공사에서 일일 10톤 DME 생산 Demo 플랜트(Figure 18 참조)를 인천 LNG 생산기지 부근에 완공하여 2008년부터 시험생산 및 최적화 운전을 하여 2009년 현재 완료한 상태 이므로 국산화된 DME 플랜트 기술과 운영 경험 으로 해외 가스전 진출을 마련하였다. 더불어 운 전⋅생산하여 나온 DME 연료는 LPG 혼합연료로 서 사용할 수 있는 가정용⋅상업용 설비와 수송용

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Figure 18. 10 톤/일 DME 생산 Demo플랜트(KOGAS). Figure 19. DME-LPG 연료의 혼합설비.

설비의 실증시험 연료로 활용되었으며, DME- LPG 연료의 혼합실증설비(Figure 19 참조)는 2009 년 9월말 현재 구축하여 시험을 완료하였다. 본 연 구를 통해 DME-LPG 혼합설비 구축은 물론 LPG 인프라를 그대로 이용하여 가정용과 수송용의 DME- LPG 혼합비율, 수송용의 혼합비율과 실증시험, 관련 법규 및 제도를 마련하였다. 특히 DME-LPG 가정용⋅상업용 연소기기 설비, DME-LPG 차량 및 충전소 안전에 관한 시험으로부터 LPG 인프라 를 그대로 이용할 수 있는 혼합비율이 DME 20%

의 결과를 얻었으며, LPG 차량의 경우 DME 5%

혼합할 경우 무방한 것으로 나타났다. 이를 바탕 으로 지식경제부는 2009년 11월 30일 혼합연료 (DME 20%, LPG 80%)를 가정ㆍ상업용으로 시범 보급할 수 있도록 관련 특례고시를 제정한 바 있 다. 시범보급사업을 통해 2011년 말까지 시설 안 전성과 편의성 등을 확인한 뒤 본격적으로 DME 시대를 열 계획이다. 본격적인 DME 시장은 약 30 만톤이 도입되는 2013년경 형성될 것으로 기대된 다. 이를 위해 한국가스공사는 사우디 주바일 지 역에 DME 생산 플랜트를 건설하기 위한 양해각 서(MOU)를 사우디 기업과 2009년 11월 1일 체결 하였으며, 연간 30만톤의 DME를 생산할 수 있는 규모로 6개월간 타당성 조사를 거쳐 한국 기업들 과 컨소시엄을 구성해 DME 플랜트 건설에 착수 할 계획이다. 가스공사는 2013년이면 플랜트 건설 이 완료돼 DME 생산ㆍ판매가 가능할 것으로 내 다봤다. 사우디 정부에서 천연가스를 공급받아 이

번 플랜트에서 DME를 생산하는 형태다. 현재 국 내에서 사용되는 LPG는 연간 약 160만톤이고, 정 부가 2013년부터 LPG와 DME를 8대2로 섞어서 상용화한다는 계획을 감안하면 연간 DME 30만톤 확보만으로도 국내 수요를 충족할 수 있을 것으로 보인다. 이번 플랜트 건설은 정부의 DME 상용화 계획과 발맞춰 진행된다. 가정ㆍ산업용 DME 뿐 아니라 디젤 대체 차량 등 활용도를 높이기 위해 서는 DME 공급이 추가로 필요하다는 판단이다.

가스공사는 사우디 외에도 베트남, 인도네시아 가 스전을 활용해 DME 플랜트 건설 계획을 추진 중 이다. 국내에서 가격이 저렴하고 상대적으로 청정 한 DME가 상용화되면 국내 수요도 급증할 것으 로 예상하여 수요 증가에 맞춰 DME 공급을 확보 해 나갈 계획이다.

8. 한국 DME연료의 수요전망

DME 연료의 보급은 천연가스, CBM (Coal Bed Methane), 바이오매스 등 다양한 에너지원으로부 터 추출이 가능하므로 해외 원유의 의존도를 낮출 뿐 아니라 기존 에너지에 비해 질소산화물, 일산 화탄소, 그리고 분진 등의 배출가스를 반 이하로 현저히 줄일 수 있어 환경공해의 저감에도 크게 기여하기 때문에 DME연료 보급의 의미가 매우 클 것으로 사료된다. 경제적인 측면에서 해외가스 전에 DME 플랜트 건설했을 때 년간 약 2～3조원 수출이 기대(100만톤 규모 생산은 0.7～1조원 예

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