DME관련 국내외 연구 현황

한국을 비롯한 중국, 일본, 미국, 유럽 등에서는 생산 원료가 다양하고 사용분야도 폭넓은 DME를 활용하기 위해 많은 관심을 갖고 있다. 이 분야를 선도하는 중국, 일본 등에서는 이미 DME 품질기준을 정한 상태며 관련된 연구를 계속하고 있다. 

현재 국내에서 추진중인 약 3년 정도의 실증 및 시범보급 사업에서 본격적인 DME 또는 DME-LPG 사용을 위한 안전기준을 정립하고 DME 및 DME-LPG 이용을 확대함으로써 앞으로 중국, 일본 등 DME 연구 및 상용화에 앞서 있는 나라와 우리도 보조를 맞출 필요가 있다. 궁극적으로 기술발전을 통해 국내 뿐만 아니라 해외로 진출할 수 있는 기반이 될 수 있도록 해야할 것이다.

1) 일본

일본 LP가스진흥센터는 2002년부터 2004년까지 경제산업성 석유유통과의 위탁사업으로서 ‘DME 연료 실용화 기반 실증시험 연구’를 진행했다. LP가스 인프라에 DME의 전용 가능성을 검증하는 ‘DME 유통 인프라 전용 실증시험 연구’(2002년~2004년)와 DME 연료의 JIS 규격화 원안을 정리하는 ‘DME 연료 표준사양서의 확립 연구’(2002~2003년)를 통해 DME 실용화를 위한 기반을 마련하기 근간을 마련하기 위한 것이다.

또 경제산업성 석유유통과와 이와타니 산업, 요코하마액화가스터미널과 함께 2005년부터 2008년까지는 향후 DME 연료의 본격적인 보급을 촉진하기 위한 방안으로 ‘DME 연료 실용화 보급촉진 연구’를 수행했다. 이는 가정·업무용 LP가스분야에서의 DME 연료의 실용화를 도모하기 위한 목적으로 LPG 인프라의 전용가능성(轉用可能性)을 검증하는 것과 LP가스와의 혼합사용 가능성에 대한 기술적 검증을 목적으로 한 연구였다.

2006년도에는 가정·업무용 소비기기의 경우 연소부에 경미한 개조를 통해 더 높은 DME 혼합비율에서의 연소가능성과 LPG가스엔진의 경우 부분적인 개조만으로 더욱 높은 DME 혼합비율에서의 연소가능성이 연구된 바 있다.

요코하마액화가스터미널에 설치한 실험동에는 가정·업무용 소비기기, 공급기기에 대해 LPG에 DME 20wt%의 혼합비율을 적용해 연소성 실험을 실시해 문제가 없다는 것을 검증했다. 따라서 기존 LP가스기기에 적용 가능한 DME 혼합비율은 20wt% DME를 사용할 수 있는 것으로 보인다. 연구결과에 따르면 약간의 구조를 변경한다면 최대 40wt% DME까지 적용이 가능하다고 한다.

2) 중국

중국은 아시아권을 포함해 전 세계적으로 DME의 제조, 보급, 사용이 가장 활발한 나라다. 정부차원에서 적극으로 보급을 추진하고 있어 향후 2010년에는 중국내 석유소비량의 약 10% 정도를 DME가 차지할 것이라는 전망도 낳고 있다. 천연가스, 석탄, 바이오매스 등 여러 가지 자원을 통해 DME를 생산할 수 있으나 중국에서는 이들 자원 중에서도 내륙에 풍부하게 매장되어 있는 석탄을 이용해 DME를 생산하는 전환기술이 가장 많이 활용되고 있다.

중국의 DME 제조는 국영기업인 중국석유천연가스그룹(CNPC)과 선화닝메이(神華寧煤), 중메이에너지(中煤能源), 민간 기업인 신아오가스(新燃氣), 산동성 지우타이화공(山東久泰化工) 등에서 잇달아 DME 제조공장 건설에 나서고 있다.

이들 업체 중 산동지우타이화공이 가장 선도업체라고 할 수 있다. 이 업체는 설비투자액과 제조원가를 크게 낮춰 경제성을 확보하였다고 한다. 산동성 지우타이화공은 액상법(液相法)이라는 석탄기반의 새로운 DME 제조기술을 개발한 공적을 인정받아 중국국가발전개혁위원회로부터 기술개발지원금을 지원받기도 했다.

산동지우타이화공은 2003년 연산 2만t 규모의 설비로 DME사업에 뛰어들어 지난해 말까지 연간15만t급의 DME와 25만t의 메틸알콜 생산능력을 보유하고 있다.

향후 네이멍구(內蒙古) 지역에 56억위안을 투자해 연산 100만t 규모의 생산라인을 건설할 계획이다. 2012년에는 지우타이그룹에서 총 500만톤의 DME를 생산할 계획이라고 한다.

현재 지우타이화공에서 생산하고 있는 DME는 약 90%가 LPG를 혼합해 일반 가정용 연료로 사용되고 있다. 약 10%는 분사제, 농약원료 등 공업용으로 공급되고 있다. 일반 가정용 DME-LPG는 30% 이상 DME를 혼합했을 때 연소성(열량)이 떨어진다고 한다. 최대 25% DME까지 기존 LP가스기기의 변경 없이 사용이 가능하다고 한다.

가정용 가스공급업체인 신아오가스 역시 네이멍구 어얼둬쓰(鄂爾多斯)시에 석탄을 주원료로 40만톤/년급 DME 제조공장을 건설 중이다. 여기서 생산되는 DME를 LPG에 혼합해 가정용 연료로 보급할 계획이라고 한다.

DME를 LPG와 혼합해 가정용으로 사용하는 것이 활성화 되려면 혼합비율에 대한 기준이 마련돼야 한다. 중국은 메탄올·DME 협회에서 협회, 제조자, 연구기관 등 전문가 그룹 관계자들의 협의를 통해 혼합비율에 대한 기준을 곧 제정할 예정이다. 그 내용을 보면 최대 25% DME를 기존 LP가스기기에 사용하는 것은 문제가 없다는 판단이나 혼합하는 과정에 적정비율을 초과하게 되면 가스기기 등에 문제가 발생할 수 있기 때문에 이를 사전에 차단하기 위해 DME-LPG 혼합비율을 최대 20% DME로 정할 예정이다.

3) 그 외 국가

미국에서는 우리나라 보다 먼저 DME 제조공정에 대한 기술개발을 시작했으나 상용화를 위한 노력은 아직 부족한 상태이다. 미국의 DME 기술개발은 Air Products & Chemicals Inc.에서 1991년에 4 Ton/day규모의 파이롯 플랜트에 대한 기술을 개발한 상태이며 Amoco(석유회사)사와 Navistar(운송회사) 주관으로 ‘디젤 엔진용 DME 대체연료 개발’을 목표로 Haldor Topsoe(화학회사)와 AVL List GmbH(오스트리아의 디젤엔진회사)가 공동으로 연구를 추진했다.

프랑스에서는 종합 석유화학그룹인 ‘TOTAL Group’이 2006년 23rd World Gas Conference(암스텔담)에서 ‘Future Prospective of DME’라는 주제로 추진상황을 발표했다. 주 내용은 DME와 LPG 혼합을 30%까지 사용가능하다는 내용이었으며 아시아권의 관심정도와는 차이가 있었다.

이탈리아에서는 ‘ENI Group’ snamprogetti사에서 LPG와 DME 혼합연에 관련한 연구결과를 2002년 IDA conference(Lingby)에서 ‘LPG/DME mixture : domestic and automotive uses’라는 제목으로 발표했다. 가정용 DME-LPG 혼합비율과 관련해 최대 20% DME에서 연소성이 좋아 LP가스기기에 사용이 가능하다고 평가했다. 또 2004년 DME conference에서는 ‘Dimethyl Ether as LPG Substitute/Make-up’라는 논문을 발표해 이탈리아 역시 DME-LPG 혼합연료 분야에 상당한 관심을 가지고 이 있다는 사실을 확인할 수 있었다.

인도에서는 BP사가 주도하는 India Consortium에서 채택한 DME 제조공정으로 인도회사(IOCL), 가스회사(GAIL) 및 인도석유협회(IIP)와 공동으로 다용도 연료를 목적으로 DME를 개발하기로 확정했다. 연간 150만톤 규모의 DME 제조플랜트를 건설 중이다. 인도 정부는 Amoco India Development Co.가 Haldor Topsoe A/S에서 기술을 도입해 Indian Oil Corporation Ltd (JOL)와 인도의 Gas Authority(GAIL)이 가스유도체인 액체연료 제품을 개발하기 위해 상업화 생존 능력 및 적용분야 검토 중이다. 또한 India DME project에서는 발전용, 수송용, 가정용으로 DME를 사용하는 것을 목표로 연구를 추진 중에 있다.

이란에서는 LPG와 천연가스에서 제조되는 DME를 일부 혼합하는 것을 목표로 연간 80만톤 규모의 DME 사업화를 검토하고 있다. 향후 가스수출 확대 수단으로서 가스에너지의 DME화를 주목하고 있다.

스웨덴에서는 벡쇼(VAXJO)시에서 환경을 중시하는 도시 정책에 따라 화석연료를 쓰지 않는 것을 지향해 풍부한 산림의 바이오매스에서 제조한 DME를 자동차용 연료로 사용할 계획으로 있다.

국내의 DME 생산량은 LG화학에서 3,000톤, 대흥산업에서 4,000톤을 생산해 연간 7,000톤 정도규모를 유지하고 있다. 천연가스로부터 DME를 직접 생산하는 공정을 개발한 한국가스공사는 실험 플랜트(Pilot plant)에서 연간 18톤(50kg/일)을 생산하고 있다. 2008년에는 일일 10톤 규모의 DME 제조공장 준공을 목표로 하고 있으며 2009년~2012년 일일 3,000톤 규모의 DME 상용화 플랜트 개발을 추진 중이다.

1) 한국가스안전공사

한국가스안전공사 연구원에서는 국내 DME 관련 연구가 활발할 시점인 2004년~2006년까지 ‘DME 사용을 위한 연료 및 안전기준 연구’를 수행했다. 이 연구에서는 DME를 본격적으로 상용화하기에 앞서 DME의 품질기준을 마련하고 사용 활성화에 큰 영향을 미치는 충전시설 기준을 제정했다.

DME 품질기준에서는 발전용 및 공업용으로 사용하는 것을 목적으로 순도를 99%로 해 품질기준을 정했으며 이를 가스기술기준(KGS Code)로 제정했다. 또 DME 사용량의 큰 부분을 차지하게 될 자동차용으로 사용기반이 되는 ‘DME 및 DME 혼합가스 연구용 자동차 충전시설 기준’이 산업자원부 고시로 제정공포 됐다. 이는 앞으로 있게 될 DME 및 DME-LPG 자동차 개발시 관련 자동차에 연료로 충전할 수 있는 법적기반을 마련한 것이다.

그리고 현재 진행 중인 ‘DME-LPG 혼합연료의 품질특성 연구’ 과제는 가정·상업용으로 사용이 예상되는 DME-LPG 혼합연료에 대해 기존 LP가스기기의 개조 없이 사용할 수 있는 적정한 혼합비율을 찾아내는 것이다. 이 연구에서는 현재 가정·상업용으로 사용되고 있는 보일러, 가스렌인지, 캐비넷히터 등 3종 7점의 연소기기에 5종(LPG+0%, 15%, 20%, 25%, 30%DME)의 혼합연료를 연소시켜 이들의 연소특성을 확인했다. 이 연구는 가정·상업용 DME-LPG 품질기준을 제정하는데 참고하게 될 것이다.

2) 한국가스공사

한국가스공사 연구원에서는 천연가스에서 대량으로 DME를 생산할 수 있는 방법이 개발돼 2008년도 상반기에 일일 10톤을 생산 가능한 플랜트를 만들었다. 제조공정에 대한 안전성 연구를 거쳐 방법이 검증되면 대량생산이 가능한 상용 플랜트를 해외에 건설할 예정이다. 예정대로면 2012년경 일일 3,000톤 규모의 DME 상용화 플랜트를 설치해 해외에 산재한 개발되지 않은 중소규모 천연가스전 개발과 DME 생산 도입에 나선다는 계획이다.

국내에서 DME 소비기반만 마련되면 용도가 다양하고 환경부하가 적어 차세대 에너지로 기대되고 있는 DME가 우리 곁에 친숙한 연료로 사용될 수 있을 것이란 기대다.

3) SK 연구원

SK는 ‘디메틸에테르-액화석유가스의 혼합 연료 조성물 및 이의 공급방법’에 관한 특허를 출원했다. 기존 LPG는 세탄가(Cetane)가 낮아 디젤엔진 연료로 사용할 수 없으나 DME를 혼합한 경우 세탄가가 증가해 압축 점화식 디젤엔진 연료로 사용할 수 있는 특징을 지니고 있다.

구체적으로는 디메틸에테르 1~99 중량% 및 액화석유가스 1~99 중량%를 포함하는 혼합연료 및 상기 혼합연료를 기존에 설치된 액화석유가스 충전소 또는 액화석유가스 용기를 이용해 제공하는 디메틸에테르-액화석유가스의 혼합연료의 공급방법에 관한 것이다. 이 연구는 기존의 LPG 차량에서 배출되는 오염 물질(CO, HC, NOx, PM, SOx 등)을 줄이는 장점이 있고 또 DME를 배합한 LPG를 압축착화 엔진에 적용함으로써 기존 LPG 의 단점으로 지적되고 있는 낮은 연비 문제를 해결해 궁극적으로 LPG의 온실 가스 배출을 줄일 수 있다고 한다.

또한 LPG 연료중 부탄은 수요 증가 대비 공급 물량이 부족한 제품으로 DME를 혼합해 공급물량 부족을 해소할 수 있다. 특히 LPG 중 프로판 제품에 DME를 혼합함으로써 프로판을 압축착화 엔진 차량 연료로 사용하게 됨으로써 프로판 공급 과잉 문제를 해결할 수 있다.

4) 한국에너지기술연구원

에너지기술연구원 수송에너지연구팀에서는 ‘DME 및 DME 혼합연료의 DI 디젤엔진 성능 및 배기가스 특성’에 대한 논문을 발표했다. 이 연구에서는 경유, 순수 DME, DME-경유 혼합연료, DME-LPG 혼합연료를 사용했다. 혼합연료는 체적비로 각각 50:50으로 혼합해 사용하였다고 한다.

이 결과 순수 DME, DME-경유 또는 DME-LPG 혼합연료는 DME의 높은 압축성 때문에 기존 디젤엔진의 연료분사 펌프를 그대로 사용하는 경우 원하는 분사압력과 분사량을 확보할 수가 없었다고 한다. 이 때문에 연료분사 펌프를 고압·고용량으로 전환하고 노즐 개변압력을 낮춤으로서(순수 DME와 DME-LPG 혼합연료의 경우) 이러한 문제를 해결해 경유 사용 때와 동일한 최대출력을 확보했다고 한다.

DME 또는 DME 혼합연료의 사용할 경우 연료분사시기를 경유 사용 시보다 늦추었음에도 불구하고 경유 사용 시에 비해 연소압력 상승이 빠르고 최고압력이 나타나는 시기도 빨라져 보다 급격한 연소가 이루어 졌음을 알 수 있었다. 이는 DME의 착화온도가 낮고 세탄가가 높은데 기인하는 것으로 보고 있다.

그러나 DME-LPG 혼합연료의 경우 LPG의 높은 착화온도와 낮은 세탄가 때문에 이러한 현상은 나타나지 않았다고 한다.

5) 한국기계연구원

한국기계연구원에서는 산업자원부 에너지관리공단의 ‘중소형 LPG 상용차 개발사업’ 연구 중 DME 포럼 춘계학술대회에서 ‘LPG-DME 혼합연료를 사용하는 전기점화 기관의 성능 및 배기특성에 관한 연구’를 발표했다.

이 연구에서는 LPG에 DME를 질량기준으로 0, 10, 20, 30% 첨가해 전기점화 엔진의 성능 및 주요 배출가스의 특성을 살펴봄으로써 혼합연료의 적용 가능성을 파악하고자 했다. 그 결과 LPG 연료에 첨가되는 DME 연료의 비율이 증가할수록 최대 토크 값은 감소하는 경향을 나타냈다.

LPG 연료와 DME 연료의 저위 발열량의 차이가 상당히 크므로 같은 양의 연료를 분사하게 되는 경우 LPG 연료를 사용할 때 엔진 출력이 커지게 된다.

DME 혼합율이 높아질수록 같은 출력을 가지기 위해 더 많은 연료가 필요하므로 제동 연료소비효율은 높아지는 경향을 보인다. DME 혼합율 증가에 따라서 배출가스 온도도 증가하는데 이는 DME 연료 자체가 함산소 연료이자 LPG에 비해 이론공연비 값이 낮아 기존 ECU 매핑 상태에서는 희박연소를 하기 때문이다.

또 고회전 엔진회전수 영역에서는 노킹이 생기면서 분사 시기가 지각돼 배출가스 온도의 상승률이 커진다. 1,800rpm과 3,600rpm의 엔진 회전수 조건에서 유해 배출가스의 배출량을 측정한 결과 DME 혼합비율이 20% 이하에서는 배출가스 배출량의 증가가 크지 않기 때문에 LPG 연료와 혼합해 사용하는 것이 가능할 것으로 판단했다.

또한 운영 온도 -165℃인 LNG에 비해 DME는 -25℃에 불과해 보다 효율적으로 운영할 수 있는 장점을 지니고 있다. LNG의 경우 보관이 어려운 문제뿐만 아니라 세계 LNG시장이 생산국 위주로 재편됨에 따라 물량계약에 있어서도 다소 불공정한 계약을 감수해야 한다. 그러나 DME의 경우 이 같은 문제점을 해결할 수 있는 차세대 연료로서의 충분한 가능성을 지니고 있다.

DME는 LPG 대체연료 혹은 LPG 수입가격을 견제할 수 있는 연료이기 때문에 일본, 중국과 유사한 LPG 산업 환경을 가지고 있는 우리나라도 향후 DME가 LPG 대체연료로 활용될 때를 대비해 실제 활용 잠재력에 대한 면밀한 분석과 연구가 필요하다. DME 소비를 확대하기 위해서는 대량 소비처가 개발돼야 하는데 이에 대한 선결조건은 대형 DME 제조공장을 건설해 다른 에너지와 경쟁할 수 있는 수준으로 생산원가를 낮추고 이를 소비자가 저렴하게 사용할 수 있도록 하는 노력이 필수적이다.