DME(Di-methyl-ether)는 천연가스, 석탄, 환경 폐기물 등을 열분해해 얻어지는 수소(H2), 일산화탄소(CO)를 포함하는 생성 가스부터 제조되고 프로판, 부탄 등과 유사한 물성을 가진 신재생 액화 가스이다.
상온, 상압 하에서는 가스체이지만 가압 또는 저온냉각으로 용이하게 액화할 수 있다. 그 때문에 수송시에는 액체로 다루고 연료로 이용할 때에는 가스체 또는 액체로 사용하는 것이다. 따라서 제조 원료가 석탄이나 가스를 열분해해 생성된 수소와 일산화탄소 가스를 정제하기 때문에 지금까지의 석유계 연료와 비교해 유황분이나 연소 때에 매연의 원인이 되는 방향족류를 일절 포함하고 있지 않은 LNG와 같은 크린(clean)한 연료로 평가된다.
그 때문에 대기 환경 규제가 엄격해지는 가운데 신재생 DME 연료 출현은 지금까지의 석유를 중심으로 한 연료 체계를 크게 변환시킬 가능성을 내포하고 있다.
DME의 제조 기술이 향상돼 어떻게 이 편리하고 저렴한 연료로 도입 사용할 수 있는가에 있다. 실제로 DME가 대량으로 생산돼 저렴하게 이용할 수 있게 된 경우로 현재 사회 에너지 시스템 중에서 어느 정도 기존 에너지의 위치에 대신할 수 있는 것인가가 아주 중요하다. 또 기존 시스템 그대로 대체할 수 없는 것도 있지만 어떠한 조건에서 기존 시스템을 어느 정도 정비하면 손쉽게 DME로 대체할 수 있다고 본다.
DME는 우수한 특성으로 산업용, 민생용 LP가스 대체로서의 가능성, 발전 연료로서의 가능성과 더욱이 자동차 연료로서의 가능성이 매우 큰 것으로 인정돼 IEA(국제에너지위원회) 자동차 연료분과위원회에서 신자동차연료로 협약돼 있고 현재의 사용 연료 중 어느 정도의 DME 잠재 수요가 있을 것이 예상된다.
또 DME는 에너지 절약 기기로 보급하는 코제너레이션용 연료와 현재 실용화가 진행되고 있는 연료 전지용 연료로서 높이 평가되고 있고 또한 화학 원료로 장래는 중요하게 될 것이다. 이러한 결과에 입각해 세계에서 새로운 크린 에너지 연료인 DME 이용 조기 실현이 각 방면에서 촉진될 것이 예상되고 있다.
DME의 특성
가. 물성면의 특성
DME의 비점(Boiling Point)은 -25 이고 석유계 가스인 프로판은 -42 와 부탄의 0과의 거의 중간적인 것으로 상온, 상압에서 가스체이지만 6기압 정도로 가압을 하든가 또는 -25 이하로 냉각하면 간단히 액화해 액체로 된다. 이런 저온 특성이 있어 LP가스 대체시 겨울철에 -25 이하가 되는 추운 지역에서 쉽게 기화하지 않아 이용하기가 어렵다.
DME의 액체 밀도는 20 에서 0.67이고 프로판에 비교해 1.4배, 부탄의 1.2배, 경유와 비교하면 0.8배가 된다.
발열량은 용적당 1만4,200kca1/Nm3에 중량당 6,900kcal/kg이고 이것을 다른 연료와 비교하면 용적 당으로는 LP가스의 80%정도, 경유의 50%정도이고 중량당에서는 LP가스의 60%, 경유의 70% 이다. 증발잠열은 메탄, 메탄올보다 적고 프로판보다는 좀 크다.
가스의 비중은 공기에 비해 프로판이 1.55이고 DME는 1.59로 프로판에 비해 약 2.6% 정도 크나 시중의 부탄과 혼합된 LPG와는 유사하고 부탄은 2.07로 DME는 부탄 보다는 30% 적다. 이외에도 대기 중에서 쉽게 분해돼 오존파괴나 지구온난화의 문제가 없고, 유황분이 전혀 없어 인체에 무독성인 고급 청정연료이다.
나. 연소성
DME를 연료로서 LP가스 사양의 가스 테이블 등으로 연소시키는 경우(부분 예혼합 연소 방식), 이론공연비가 프로판의 60%이기 때문에 웨버 지수(가스체 연료의 연소 장치에 있어서, 연료 가스 종의 호환성으로 관계하는 지표에 이 지수가 같으면 동일의 연소 장치에 같은 압력에 연료가 공급될 때 열량이 변하지 않는 것으로 판정된다.)가 프로판의 70%를 대해서 불꽃 길이가 짧아지고 연소 속도는 반대로 프로판의 1.2배에 이르기 때문에 역화를 일으키기가 쉽다. 따라서 연료노즐(nozzle)경을 크게 하고 노즐수를 늘려 1차 공기 흡인량을 줄일 필요가 있다. 그러나 신규로 버너를 제작하는 경우에는 1차 공기가 0인 경우에서도 매연이 발생하지 않기 때문에 사용할 수 있는 공기의 폭이 넓어 설계가 용이하다.
DME는 천연 가스에는 가까운 연소성으로 천연 가스 사양의 기기를 그대로 사용할 수도 있지만 연소 속도, 공연비가 다르기 때문에 천연가스 연소기구 그대로 사용할 시에는 가장 좋은 연소 상태라고는 할 수 없으나 연소기를 보완하면 큰 차이가 없이 연소된다.
다. 안정성
DME는 공기를 접촉한 상태에서는 소량이지만 LPG와 같이 폭발할 가능성이 있고 DME에 혼입하는 불순물의 종류에 의해서는 분해·폭발을 일으킬 가능성이 있으나 저장중 불순물과 접촉하지 않으면 문제가 없을 것이다. 폭발 한계는 3.4∼18vol%와 프로판의 2.2∼9.5vol%, 부탄의 1.9∼8.5vol% 보다 범위가 넓은 메탄과 유사한 것 등이 특징이다.
따라서 안전면에서 열이나 충격이 더해질 가능성, 정전기가 발생할 가능성, 불순물의 혼입 가능성, 혼입이 DME의 분해 등으로 이어질 가능성, 산화물을 생성할 가능성, 혹은 용기 재질의 문제등에 대해 취급 조건에 맞는 환경을 조성하면 발화나 폭발 등의 위험성을 막을 수 있다.
화재시의 조치는 일반 가스 화재시와 같이 살수하든지 분말 혹은 탄산가스 소화기를 사용한다.
라. 환경성
DME는 산소함유 화합물이기 때문에 연기를 내지 않고 연소하는 외에, 유황분, 질소분 또는 시커먼 연기의 원인이 되는 벤젠 등의 방향족 분을 포함하지 않기 때문에 매우 좋은 연료라고 할 수 있다. 분해성이 커서 대기 중에서 수십 시간내에 쉽게 분해돼 지구 온실 효과나 오존층 파괴와 같은 걱정은 없다라고 생각되고 또한 공기 중에 상승한 물질이 강우에 의해 지상에 내리게 되는 분량은 매우 적다.
가스터빈에서 연소시험을 한 결과 질소산화물 발생량은 천연가스보다 적고 디젤자동차에서 디젤과 비교하면 매연 분진 발생량이 0에 가까울 정도로 극히 적고 질소산화물 발생량도 디젤에 비해 적은 크린 에너지이다.
연소 배기가스는 LNG와 유사한 배기 가스 특성(NOx, CO, UHC)을 가진다.
kWh당 CO2 배출량은 LNG
마. 수송성
DME는 초저온 LNG 수송과 같이 고가가 아니고 LP가스와 물성 등이 유사하고 액화 가스인 것으로 현재 LP가스의 인프라스트럭처(infrastructure)를 그대로 활용하는 것으로 생각된다. LP가스와 완전히 유통을 공유할 수 있을 가능성이 있고 또는 별도의 해상수송 인수기지, 배송 설비 등을 건설한다해도LPG 96kg/cm2로 압력저장 또는 -25 (LPG:-45)로 저온저장을 하므로 LPG보다 압력저장 및 보온 비용, 투자비 및 운용비용이 저렴해 용이하게 유통할 수 있을 것이라고 생각된다.
현재는 국내가격이 대략 750$/톤으로 살충제, 향수 등 스프레이 분사제, 냉매 등으로 사용하나 앞으로 신제조 공법에 의해 LPG보다 저렴하게 대량 생산돼 산업, 가정의 LPG연료 대체와 세탄가가 디젤보다 높고 청정연료로 디젤자동차의 대체연료, 크린하고 고효율성으로 발전용 대체연료 화학공업용 원료로 이용될 것이다.
경제성
일본에서 발표한 자료에 의하면 천연 가스전에서 생산돼 그리고 일본에 수송된 DME의 가격을 시산했다. 일본에 DME를 도입할 수 있는지 어떤지는 주로 DME에 의해 대체되는 기존 연료의 CIF가격과 비교할 수 있다. DME제조가 가능과 평가되는 가격의 기준치는 칼로리 등가 CIF가격으로서 2.5엔/ Mca1이라고 요약된다.
일본에서 도입되는 연료가격과 예상 DME 가격을 비교하면 물론 LPG가격보다 저렴하고 LNG가격보다도 저렴할 것으로 예상된다.
발전용 신 연료로서의 DME
화력발전에서 에너지 공급의 안정성과 경제적인 관점에서 연료의 다양화가 진행되고 있다.
화석 연료 중에 석탄은 광범위하게 매장된 자원과 가격이 안정하다는 이유로 사용되고 있지만 최근 CO2월 배출량 저감에 대한 세계적인 여론 상승으로 국제적으로 어떤 제약을 내릴 가능성이 있고 또 동시에 석탄의 가격적인 매력을 일으킬 가능성이 높아지고 있다. 한편, 천연 가스(LNG)는 높은 열효율의 combined 싸이클 발전에의 사용이 증가하고 있다. 천연 가스는 상대적으로 환경에의 부하가 작고 자본 코스트를 낮추기 위해 앞으로도 이 경향이 계속될 가능성이 높다고 생각된다.
천연 가스는 가스 매장지에서 액화된 후 해상수송으로 도입이 된다. 근래에는 생산지가 원거리로 600만톤/년, 20년 간 생산할 수 있는 대규모인 가스전을 개발하는 것이 거의 필수적이고 또한 LNG 도입국은 대수용가 및 각 수용가, 특히 치밀하게 연락해 액화기지 건설 생산 일정에 맞추어 가스 공급을 할 수 있도록 공급 배관을 건설해 공급자와 수요자가 긴밀히 협력해 이루어지는 경직된 체인 사이클로 사업에 상당히 제한이 돼 중·소 가스전은 LNG 사업이 경제적으로 성립되지 않아 개발되고 있지 않지만 DME는 최신의 합성 기술에 의해 액화해 수송 및 취급 효율을 향상시키는 것에 따라 이러한 중·소 가스전도 효율적으로 사용해 경제성 있는 상업화가 돼 있다. 가스 생산지나 소비지인 발전소 양방이 LNG에 비해 투자 규모가 적고 공급 소비의 경직성이 적고 특히 앞에서 서술한 것 같이 환경성이 매우 우수한 연료로 발전소에 있어서는 안성맞춤인 연료로 생각된다.
연소기는 터빈 입구 온도 1,300 에 대해 설계된 예혼합 저NOx 연소기를 구비한 combined 싸이클 발전 설비에 경미한 개조를 하는 것만으로 사용할 수 있어 그로 인해 연구 개발에 긴 세월을 요구하지 않고 다른 액화가스와 달리 버너까지 액체 상태로 분사할 수 있으며 또한 연소속도가 빨라 액체상태로도 연소가 잘된다. 단, 이에 맞는 버너나 연소 시스템으로 수정해야 한다.
차량용 신 연료 DME
자동차에서 DME사용은 LPG와 같이 휘발유 자동차에는 사용할 수 없고 세탄가가 디젤보다 높아 디젤자동차에 사용할 수 있고 효율도 좋으나 현 디젤자동차 그대로 사용할 수 없다. 디젤과 같이 DME에는 윤활성이 없어 엔진을 일부 개선하여 사용할 수 있고 자동차 연료로 사용시에 LPG, NGV 자동차와 같이 매연 및 유황 산화물이 없다. 불완전연소 탄화물도 거의 없으며 NOx도 디젤에 비하여 적다. 단점은 윤활성이 없고 윤활방식 개선 및 유기물질의 용해성이 있어 연결부에 누설방지를 위한 패킹을 사용시는 내용해성 합성수지나, 고무류 패킹을 사용해야하고 연료 용적이 디젤보다 커서 저장탱크가 크다.
세계 각 국에서는 도시의 차량공해를 개선하기 위해 자동차 배기가스 대책을 더욱 강화해 도시 환경을 개선할 계획이고 특히 디젤유 중 유황분은 (PM: Particulate matter) 의 분량을 증가시키기 때문에 구미, 일본 각국에서는 경유의 품질규제가 더욱 강화해 차량의 배기가스 대책을 강구하고 있다.
또한 매연발생의 주성분인 방향족 분은 15%이하로 하는 것도 제안하고 있어 청정연료인 DME는 차량연료로 더욱 각광 받을 것이다.
DME 제조 원료 공급의 가능성
일본 에너지 연구소의 조사로는 매장규모가 적고 경제성이 없어 LNG를 생산 못하지만 DME 생산이 가능한 생산능력 5,000톤/일을 충족하는 소요 가스량은 207MMSCF/D로 20년간에 1.4TCF가 된다고 한다.
석탄을 원료로 사용하는 것도 문제가 없으며 석탄은 화석연료로 가장 매장량이 풍부해 원료의 고갈은 없을 것이다.
특히 석탄을 수입하지 않고 석탄 매장지에서 석탄을 원료로 해 DME를 제조해 도입할 경우 회분 및 석탄의 공해물질을 완전히 제거하고 청정연료만을 도입할 수 있다. 선적 및 저장관리가 석탄에 비해 신속하고 편리해 앞으로 석탄을 원료로도 사용할 것이다.
환경폐기물을 원료로 사용할 수는 있지만 폐기물의 성질에 따라서 가스의 정제비가 많이 소요돼 그 자체로는 경제성은 적다. 그러나 소각처리할 경우에는 어차피 배기가스를 정제 배출해야 하므로 그런 비용을 감안할 때는 경제성이 있어 서구에서는 환경폐기물 액화가스화를 깊이 연구 개발하고 있다.
생산계획
가. 국내
한국가스공사는 산자부 지원하에 97년 천연가스로부터 액체연료 기획연구를 기획 한후 99년 자체적으로 DME 제조기술을 개발하고 있다.
2001년 과기부지원으로 50kg/cm2 DME Pilot Plant 제조공정개발 설치, 올해 4월 플랜트를 시운전중에 있고 산자부 지원하에 SK연구소에서 DME를 이용한 자동차이용분야를 연구하고 있다.
나. 외국
일본의 경우 1997년도부터 4년간, DME제조량 5t/일 대형 벤치 plant를 사용하는 공동연구를 실시했다.
2002년도부터 5년간의 예정으로 연구법인 유한회사 DME 개발에 의한 100t/일 규모 파일럿 plant를 사용하는 개발연구를 하고 있다. 유한회사 DME 개발은 일본강관 외에 일본 토요다, 히타찌, 이데미츠 코우산, 마루베니(Marubeni), 국제 석유개발, LNG Japan, Total Fin Elf 9개 회사가 공동 출자한다. DME직접 합성 기술의 상용화를 지향하고 기술개발을 추진하기 위해 2001년 12월에 연구법인을 설립하고 대량생산을 추진하고 있다.
1999년 8월에 태평양탄광 구시로(釧路) 광업소내에 일본강관에 의한 설계, 건설한 시험 plant의 합성 가스는 태평양탄광의 탄광가스(메탄40%, 공기60%)를 Auto thermal reformer에서 산소, 수증기, 리사이클 이산화탄소에 의해 개질 해 제조된다. 탄광가스만으로는 합성 가스 중의 질소 농도가 높아지고 합성 가스 조성이 제약되기 때문에 원료로서 프로판을 사용했다. 가스 제조 설비에 첨가하는 수증기, CO2의 분량에 의해 발생하는 가스의 H2/ CO를 조절할 수 있다.
2002년도부터 2003년도에 걸쳐 5t/일 대형 벤치 plant의 성과 및 2001년도에 실시한 100t/일 시험plant의 개념설계 성과를 기본으로 기초데이터의 재검토, 엔지니어링 검토부터 100t/일 규모 파일럿 plant를 설계, 건설한다. 2004년도부터 2006년도에 걸쳐 2∼3개월간 연속운전을 5회 행하고 기술 실증을 행하는 동시에 상용 plant 설계 스케일업 기술 확립을 목표로 한 각종 엔지니어링 데이터를 취득해 대용량 프란트 (1000톤/일) 설계에 활용할 예정이다.
상업적으로 2006년부터 100만톤/년 생산하고 2010년부터는 3000만톤/년 생산할 예정이고 예상생산국은 호주, 동남아로 예상한다.
수요현황
DME가 가진 우수한 특성으로 지금까지의 석유계로 의존하게 된 에너지원에서 새로운 에너지 공급원으로 되려고 한다. 더욱이 에너지 자원에 부족과 국적으로 환경 규제로 이와 같은 크린 연료의 등장은 에너지의 선택 종을 넓히는 것뿐만 아니라 각종 산업에의 파급효과는 예측할 수 없는 부분이 있다. 그 때문에 많은 외국의 관련 업계가 뜨거운 기대를 갖고 주목하고 있다.
DME의 연료 대체가 기대되는 market에 대해서 개략으로 보면 우선 그 물성이 프로판에 유사하여 LP가스의 대체로서의 기대가되고 있다. LP가스는 석유수반 가스로서 산출하고 있는데 생산지는 사우디아라비아, UAE를 중심으로 하는 아랍 지역에 국한돼 있고 우리나라의 수입도 이들 중동 지역에 대부분을 의존하고 있어 이 때문에 LP가스 가격은 이러한 몇 나라들에 의해 지배돼 있는 것이 현상이다. 근래에는 중국, 인도 등 아시아제국의 소득수준 상승에 수반해 LP가스의 수요가 급증하고 있고 아시아에 있어서 특히 수급이 타이트화 하고 있다. 이상과 같은 배경부터 DME를 LP가스 대체로 한 민생용, 공업용 연료로 하여 이용하는 것에 기대가 높아지고 있다. 또 중국 및 인도를 중심으로 하는 아시아 제국이 민생용 연료로 LP가스를 적극적으로 사용하는 때가 도래해 오고 있고 인도네시아 브르나이 같은 많은 섬으로 구성된 나라는 발전설비도 분산형 가스발전으로 할 것이 예상된다. LP가스의 수요 증대가 예상돼 제한된 자원을 서로 확보하려는 경쟁이 우려되고 있는 시점에서 DME 의 전향적인 검토가 필요하다.
또 대량인 수요를 기대할 수 있는 것이 발전용 연료로서의 이용이다. 우리나라 및 극동지역의 전력 사용량은 해마다 증가하고 있고 이 수요를 만족시키기 위해서 신규 발전소 건설이 행해지고 있다. 우리나라는 에너지 자원의 90%이상을 해외에 의존하고 있기 때문에 전원도 다양화를 도모할 목적으로 수력, 화력, 원자력의 밸런스가 중시되고 있다. 그러나 1997년에 지구 온난화 방지를 위한 쿄토 의정서가 합의됐던 것에 의해 서구 각국은 또한 한층 더 탄산가스를 삭감하는 일에 최대한의 노력을 기울이고 있고 우리나라도 화석 연료에 의한 화력발전을 줄이고 원자력발전을 늘릴 계획이지만 원자력발전소 건설부지 주민들의 님비로 예정된 원자력발전소를 건설해 나가는 것은 상당히 어려움이 있다. 석탄은 세계적으로 CO2 총량규제가 진행되고 있어 손쉽게 증설이라는 것은 문제점이 있다. 화석 연료 중에서는 크린한 천연 가스 연료를 늘리는 방향으로 전환해야하나 LNG는 액화기지, LNG기지의 인수기지 건설 등 역시 LNG개발에는 막대한 투자가 필요하다. 또한 배관으로 공급하는 천연 가스 개발을 하기 위해 가스 매장지의 탐광, 막대한 수요가 필요하고 국제간 가스 파이프라인의 부설 등으로 장기간의 소요와 막대한 국제적인 투자로 손쉽지가 않다. 가스전이 실제로 생산될 때까지는 긴 세월이 걸려 개발에는 큰 Risk를 동반하게 된다. DME는 설비투자가 배관 가스나 LNG에 비교해 적고 LNG와 같은 큰 가스전은 아니고 중소 가스전에서도 채산성이 있고 환경성이 좋은 화력발전 연료로서 평가되고 있다.
다음으로 자동차용 연료로서의 기대이다. 특히 디-메틸-에텔 물성에 세탄가가 자동차 연료인 경유에 필적하는 것으로 경유를 연료로서 달리는 디젤차용의 연료로 해 대체가 기대 되고 있다. 경유 연료는 가솔린 연료와 비교해 저렴해 화물 트럭등은 경유를 연료로 하고 있지만 디젤엔진 자동차의 경우 그 배기가스 처리는 용이하지 않다.
결론
DME사업은 다음 몇 가지 장점을 가지고 있다.
첫째, DME는 대체 에너지로서 소비자에게 선택의 다양을 부여할 수 있다는 점을 들 수 있고 또한 유한한 에너지지 자원의 활용도를 높임으로써 소비자들의 요구를 극대화하는데 기여할 수 있다.
둘째, DME는 에어로졸 분사제로서 CFC를 대체함으로써 오존층파괴를 방지해 지구 온난화를 예방할 수 있다.
셋째, 환경세가 부가돼 DME관련 기술진보가 따를 경우 DME가 타 에너지에 비해 경제성 우위 확보가 가능함에 따라 DME 생산이 경제적인 타당성이 있다.
넷째, DME는 수송과 저장이 용이해 재고 비용이 저렴할 뿐만 아니라 수급 조절이 편리하다는 점에서 현재 천연가스가 안고 있는 수급조절의 경직성을 완화해 줄 수 있다.
다섯째, DME의 원료는 석탄, 메탄가스, 환경 폐기물, 바이오매스로 다양한 원료를 용이하게 확보할 수 있으므로 원료의 다원화할 수 있다.