고비용의 기존 에너지원(원유, 천연가스)을 대체할 수 있고 국내외 플랜트 건설 시장에서 새로운 먹거리가 될 수 있기 때문이다.
현재 국내에서는 고등기술연구원을 중심으로 ‘저급자원을 활용한 합성가스 상용화 플랜트 건설기술 개발’ 기획과제가 추진되고 있다. 이미 해외 선진사들이 독점하고 있는 대형 합성가스 플랜트시장에 진입하는 것이 어려운 만큼 틈새시장인 중소형 합성가스 플랜트시장을 선점해 30년 이상 경쟁력을 확보한다는 전략이다.
■ 합성가스 플랜트 수요 성장세
저급자원이란 질이 낮고 기존 에너지원보다 저렴한 원료로 석탄, 정유공장 부산물(펫코크), 폐기물, 바이오매스가 대표적이다. 합성가스(Synthesis Gas)는 유기물질(저급자원)을 산소나 공기·스팀과 반응(가스화)시켜 발생하는 일산화탄소와 수소가 주성분인 가스를 말한다.
국내외 에너지플랜트시장은 신기후체제 대응, 분산형 전원 확대, 가격경쟁력을 위한 에너지원 청정·저렴화, 중국의 기술력 부상 등으로 저급자원을 사용한 분산전원과 기존 고가원료 대체시장이 시작됐지만 한국은 이러한 시장을 주도할 플랜트 상용화 기술이 부족한 상황이다.
특히 중국, 인도, 몽골, 동남아, 남미 등은 합성가스 플랜트 수요가 2000년대 이후 급격하게 증가하고 있다.
세계적으로 발전, 화학물질 및 액체·기체연료 생산 등 다양하게 활용되고 있는 합성가스 소비는 2015년 13만5,250MWth에서 오는 2020년 21만3,000MWth까지 성장할 것으로 전망되고 있다. 쓰임새별로는 2015년대비 화학물질 9.8%, 액체연료 8.9%, 발전 8.8%, 기체연료 12.6%씩 증가할 것으로 전망된다.
합성가스 플랜트는 원천기술과 상용기술 확보 시 산업적 파급효과가 매우 큰 것으로 평가된다. 해외 선진사가 수천톤/일 급 플랜트를 독과점하고 있고 2000년대 들어 중국이 급부상하고 있는 분야다. 중소형 규모 시장은 최근 중국이 동남아지역에 진출을 시도하는 상황으로 아직 초기 단계다.
고등기술연구원의 한 관계자는 “합성가스는 일산화탄소, 수소, 황화수소 등으로 로 구성돼 있어 화학산업에서 취급이 어렵고 고가의 부품과 설비가 요구된다”라며 “한국에는 합성가스와 관련된 자재·부품·설비, 엔지니어링·건설, 운영 전반에 대한 인프라와 경험, 관련기업이 해외보다 절대적으로 열세”라고 밝혔다.
다행히도 국내에서는 지난 5년간 서부발전과 포스코가 2기의 석탄가스화 상용 플랜트를 건설해 경험을 쌓고 설비·부품 국산화를 시도하고 있다.
■ 국산 중소형 합성가스 플랜트 기술개발
고등기술연구원은 국내 강점기술을 융합한 저급자원 활용 합성가스플랜트 국내사업 연계 실증 및 수출산업화를 목표로 관련업계 등과 상세기획단을 구성해 지난해 12월 시작한 ‘저급자원 변환 합성가스 상용화 플랜트 건설기술 개발’ 상세기획을 지난달까지 완료하고 이달 중으로 정부에 예비타당성조사 보고서를 제출할 계획이다.
이번 사업은 그동안 정부지원 R&D 사업으로 지원받아 축적한 TRL 6 이상인 R&D 결과물들을 실제 시장이 요구하는 플랜트 기술로 집합시켜 국내외 판매가 가능한(ICT 기능을 연계한) 중·소형(50~100톤/일, 100억~500억원) 합성가스 플랜트 기술로 완성하는 것을 목표로 하고 있다. 50~100톤/일을 기본모듈로 해 패키지 형태로 연결하면 수백톤/일에서 최대 1,000톤/일까지 규모를 확대할 수 있다.
수천톤급의 대형 플랜트는 이미 해외 선진기업들이 점령한 상태로 우리 기술이 진입하기엔 힘든 상황이다. 이에 따라 시장 초기 단계인 중소형 플랜트를 틈새시장으로 보고 중국 등 신흥기술경쟁국들이 시장에 들어오기 전에 경쟁력을 확보하겠다는 전략이다. 해외시장은 동남아지역 선점을 최우선으로 하고 있다.
또 처음부터 기술개발을 시작하면 시간과 비용 등이 많이 들기 때문에 그동안 축적해온 R&D 연구물을 연계·활용한다는 것이다.
합성가스 플랜트 상용화를 위해선 준상업용(과제종료 후 자체운영비 확보가능 수준) 테스트 베드 건설·운영을 통한 실증이 핵심이다. 국내 합성가스 기술개발은 장기간 이뤄져 왔지만 그 규모가 파일롯급(1~20톤/일) 수준밖에 되지 않아 중·소형 합성가스 플랜트 사업화를 위한 실증이 힘든 상황이다.
중소형 규모 플랜트는 국내 중소·중견기업들이 참여할 수 있는 분야다. 특히 해외 기술선진사와의 차별화를 위해 단위모듈로 핵심공정을 구성하고 이를 현지로 이동시켜 조립·설치하는 방식으로 하면 중소 규모 합성가스 플랜트시장에서 단기간에 경쟁력을 확보할 것으로 예상하고 있다.
플랜트를 모듈화하면 품질관리와 유지관리가 용이하고 건설기간 단축, 표준화, 운송 편의성 등으로 원가를 절감해 가격경쟁력을 확보할 수 있기 때문이다.
또 핵심 설비·부품은 국내기업이 공급할 수 있도록 기술개발 및 국산화가 이뤄져야 하는 점도 필수다. 해외시장 진출 시 가격경쟁력과 유지보수 편의성 등을 확보하기 위해서다.
상세기획단은 2개의 프로젝트(폐기물·폐바이오매스, 석탄·펫코크 활용 합성가스 플랜트)에서 4개의 비즈니스를 도출했다. 폐기물·폐바이오매스는 화학원료와 분산전원(열병합발전), 석탄·펫코크는 LNG·보일러연료 대체 청정연료가스 생산과 해외수출용 분산전원을 타깃시장으로 한 것이다.
2개 프로젝트 모듈별 프로세스는 원료공급→전처리→반응기→정제→변환→이용 모듈로 이 중 정제모듈이 공통모듈(5,000Nm3/hr급)이 된다.
공통 핵심기술로는 △모듈화 설계 △합성가스 탈황기술 △CO2 활용기술 △ICT·IoT·빅데이터 활용 기술 △합성가스 플랜트 안전성 평가 △고효율 가스엔진(500kW급 이상) 개발 및 활용 기술 등 6개 기술이 도출됐다.
이번 사업의 경제성 분석(기간: 28년, 기술개발 5년+테스트베드 3년+상용 운전 20년) 결과 2개의 프로젝트를 동시에 추진하는 경우 IRR이 9.46%, 폐기물·바이오매스만 할 경우 7.82%, 석탄·펫코크만 할 경우는 7.44%로 나타났다.
프로젝트 및 공통핵심기술 개발 예산안(5개년, 구성비율: 정부 74.1%, 민간 25.9%)을 보면 약 1,906억원(프로젝트: 약 1,391억원, 공통기술개발: 515억원)이 필요한 것으로 나왔다.
프로젝트에서 폐기물·폐바이오매스분야는 860억원, 석탄·펫코크분야는 이미 시장이 형성돼 있어 폐기물·바이오매스분야보다 적은 531억원으로 각각 배정됐다. 공통핵심기술개발 예산 중 고효율 가스엔진 개발이 243억원으로 가장 많다.
윤용승 고등기술연구원 플랜트엔지니어링본부장은 “정부가 첫 작품을 지원해 성공하면 이후는 민간이 이어받아 확대 발전시킬 영역이 매우 다양하다”고 밝혔다.
■ 롯데BP·현대오일뱅크, 합성가스시장 선도
이번 사업의 상세기획단에 참여하고 있는 롯데BP와 현대오일뱅크가 향후 저급자원 변환 합성가스 플랜트 시장을 선도할 것으로 보인다. 두 회사 모두 실증사업 종료 후 3년 이내 시장진입을 목표로 하고 있다.
롯데BP는 폐기물·폐바이오매스를 활용한 중소형 합성가스 플랜트사업을 추진할 계획이다. 생산된 합성가스를 초산, 암모니아 등의 화학연료나 발전 연료로 활용하는 것이다. 해외 타깃시장은 동남아, 유럽, 북미, 중국, 러시아 등이다.
추수태 롯데BP 박사에 따르면 폐기물·바이오매스 활용 합성가스 플랜트 환산(잠재) 시장은 2025년까지 국내는 연간 2조8,000억원, 해외는 약 30조원으로 추산된다.
추수태 롯데BP 박사는 “시장진입이 관건”이라며 “폐기물은 공급의 안정성 및 비용 문제가 불확실한 측면이 있어 실증사업을 통해 아시아지역 5개 합작회사를 기반으로 합성가스 플랜트 시장에 진출할 계획”이라고 밝혔다.
현대오일뱅크는 석탄·펫코크를 활용한 중소형 합성가스 플랜트사업을 추진할 계획이다. 생산된 합성가스를 LNG·보일러연료 대체 청정연료가스 생산과 분산전원(해외수출)으로 활용하기 위한 것이다. 해외 타깃시장은 동남아, 몽골, 인도, 터키 등이다.
염용화 현대오일뱅크 연구소장에 따르면 국내 청정연료가스의 합성가스 플랜트 환산(잠재) 시장은 연간 11조2,500억원, 해외는 연간 250조원(분산전원 240조원, 청정연료가스 10조원)으로 추산된다.
염용화 현대오일뱅크 연구소장은 “세계 합성가스 시장이 급성장하고 있고 국내에서도 산업체들이 중소형 합성가스 플랜트 기술이 개발되면 언제든 쓰고 싶다고 말할 정도로 잠재 수요가 많아 합성가스 플랜트사업을 추진하고 있다”고 밝혔다.