디메틸에테르(화학식 CH3-O-CH3, DME)는 당초 가정용 캔 스프레이 등 분사 약제인 프레온의 대체 물질로 사용되기 시작했다. 그 후 양호한 압축 착화성이나 무연 연소하는 성질을 가지는 등 디젤 엔진의 연료로서 LP 가스와 동등한 증기압을 가져 LP 가스의 대체연료로서 현재 전 세계에서 활발히 연구개발이 이뤄지고 있다.
DME의 재료는 천연가스, 석탄, 바이오매스 등 다양한 자원에서 제조가 가능한데 이들로부터 합성가스(CO, H2)를 추출·합성해 제조한다. 이것은 경제규모에 미달하는 부존자원의 유효한 이용이나 자원의 다양화에도 연결되기 때문에 차세대 연료로서 주목받고 있다. 천연가스로부터 저가로 대량 생산이 가능한 직접법이나 메탄올을 탈수해 제조하는 간접법 등 제조 기술도 확립되어 있다.
자동차, 발전시스템 등 차세대 디젤연료 기대
● DME 제조 기술
이산화탄소와 천연가스로부터 DME를 제조하는 공정으로는 합성가스로부터 메탄올을 제조한 후 메탄올 두 분자를 탈수시켜 DME를 제조하는 2단계 공정을 거치는 방식과 혼합개질반응(Mixed Reforming 또는 Combination Reforming)에 의해서 합성가스를 제조하고 이로부터 DME를 직접 합성하는 1단계 공정이 있다.
일반적으로 천연가스, 석탄, 바이오매스 등의 화석연료로부터 합성가스를 제조한 후 메탄올을 합성하고 탈수반응에 의해 DME를 제조하는 2단계 공정을 거치는 간접합성법보다는 합성가스 제조 후 DME 합성으로 직접 전환하는 직접합성법이 초기 투자비 및 생산단가를 절감하는 방식으로 알려져 있다. 또한 DME와 메탄올을 병산하는 시스템을 덴마크의 Haldor Topsoe에서 기술개발을 완료한 Integrated DME 합성법도 있으나 이 공정의 상용 플랜트는 보고된 바가 없다.
2단계 공정은 메탄올 두 분자를 탈수시키는 반응으로 다음과 같은 공정을 거친다. 1단계 2CH4 + O2 → 2CO + 4H2 → 2CH3OH, 2단계 2CH3OH→ CH3OCH3 + H2O이다. 현재 합성가스로 부터 직접 DME를 합성하는 1단계 공정은 3CH4 + 3CO2 → 6CO + 6H2 → 2CH3OCH3 + CO2이다.
국내의 DME 생산기술은 국내 독자기술로 개발한 직접 합성법으로 2003년 4월 DME 파일럿 플랜트가 국내 기술에 의해 완성되면서 출발했다. 현재 가스공사 인천기지에서 가동 중인 DME 파일럿 플랜트는 하루 생산 50㎏ 규모로 합성가스 반응기, DME 반응기, CO2·DME 정제시설로 구성돼 있다. 이 파일럿 플랜트에서는 대형 플랜트 설비로의 확장에 필요한 설계 데이터 및 공정 운전 데이터 등을 수집하고 있다.
[DME 관련 동향]
■ 중국지난 2003년부터 LPG 혼합연료로 DME 사용을 시작한 중국은 세계 최초 상업용 DME플랜트 건설 및 사용을 개시했다. 중국의 DME사업은 산둥성을 중심으로 LPG가스레인지와 보일러 등을 DME로 교체하는 가정용분야와 LPG자동차와 오토바이 등에 이용되는 수송용 분야, 에틸렌 대체 절단기 및 에어로졸, 프레온 대체제로 사용되는 산업용 분야 등으로 다양한 이용기술을 개발했다.
LPG에 DME를 약 30% 혼합해 가정용 연료로 사용하고 있으며 오는 2007년까지 광주에 연간 30만톤, 내몽고지역에 연간 100만톤 규모의 플랜트를 건설할 계획이다. 또한 오는 2008년 북경올림픽때부터 상해시에 DME차량을 전격 보급할 계획이다
■ 유럽
유럽에서는 DME가 55이상의 세탄(Cetane)가를 지녀 압축착화방식의 디젤 엔진의 연료로 사용할 수 있기 때문에 디젤 대체연료로 활발히 기술개발이 이루어지고 있다.
DME 기술개발 초기에는 전력부하피크 조절을 위한 에너지 저장의 관점에서 활용할 것으로 기대된 물질이었으나 Haldor Topsoe, Air Products, Shell Oil 등에서 꾸준한 기술개발을 통해 지난 90년부터 자동차 연료로서의 DME에 대한 엔진 실험이 이루어졌고 97년 IEA/AMF의 Annex XIV의 공식적인 출범으로 인해 오늘날 디젤 대체연료로 DME의 중요성을 부각시켰다.
특히 최근에는 IDA(Interantional DME Association)의 출범으로 DME의 제조에서 사용에 이르기 까지 국제적인 기구로 활동 중에 있으며 청정연료로서의 DME 연료를 홍보하고 있다.
유럽, 일본 등 DME 기술개발 활발
▲ 한국가스공사의 DME 플랜트한국 DME 포럼(KDF)은 지난 5월 초 국내 DME 사업 추진계획을 밝힌 바 있다. 이에 따르면 향후 2008년까지 DEMO 플랜트를 건설하고 이후 상용화 플랜트 건설과 마케팅 사업을 추진할 계획이다. 2008년 가동목표인 10톤의 데모플랜트는 약 183억원이 투자돼 일 생산량 10톤을 목표로 하고 있다.
또한 DME 사업기반조성을 위해 진행되는 연구로는 먼저 가스안전공사 주관의 DME 연료 사용을 위한 안전기준 확립 연구(2004~2006), 발전자회사와 전력연구원에 의해 수행되는 DME연료 복합화력발전소 적용기술 개발 연구(2004~2007) 및 2005년부터 2008년까지 에너지기술연구원 주관의 DME 연료 중대형 디젤엔진 개발 연구가 있다. 올해부터 2007년까지 DME-LPG 혼합연료 실증화 기본특성 연구도 진행된다.
실증연구를 거쳐 2012년까지 중소규모 가스전개발 및 日 3,000톤 규모의 상용화 플랜트 설치 계획이 현실화 되면 본격적인 DME의 상용화가 시작될 것으로 전망된다. 이러한 사업화를 위해서는 경제성이 낮은 중소규모 가스전 개발을 목표로 하고 있으며 법규, 이용기술, 수요개발 등 DME 제조기술과 연계한 국내 사업 기반을 조성한다는 계획이다.
■ 일본
지난해 말 JFE엔지니어링과 다이하츠디젤, 이와타니산업 등 3사가 차세대 연료 DME를 사용한 디젤엔진에서 배기가스인 질소산화물(NOx) 농도가 낮은 발전시스템을 개발하겠다고 발표했다.
이 DME 디젤엔진은 대기오염도가 중유 디젤엔진의 1/30에 불과해 환경규제가 강하게 적용될 것으로 예상되는 도심 공장 등의 발전용 전원으로서 적합할 것으로 전망되고 있다.
DME는 천연가스 등에서 합성하는 가스로 건강에 유해한 분진(PM)을 연소시 발생하지 않는 장점을 들어 3사는 DME 연료의 보급과 병행해 개발한 엔진의 조기실용화를 추진할 계획을 수립하고 있다.
일본은 이러한 이용 기기의 개발과 더불어 DME 분야에서 품질 규격화를 적극적으로 추진하고 있다.
일본의 산업기술 종합연구소 에너지 기술 연구부문은 에너지 환경공학 표준 기반 연구를 수행하면서 일본 DME 포럼, LP가스 진흥 센터, 고압가스 보안 협회 등 각 관련 단체와 긴밀한 제휴를 통해 개발 기술 학회와 함께 DME의 제조에서부터 유통 과정에서의 품질을 고려한 TS(표준 사양서) 원안을 작성해 ‘TS K0011 연료용 디메틸에테르(DME)’로서 2005년 11월 20일에 공표되었다.
2001년 일본 자원 에너지청의 DME 검토회에서 정리된 보고서에 따르면 연료로서 DME의 시장 도입 개시의 목표 연도는 2006년이다. 자동차용 DME에 대해서도 일본 산업기술 종합연구소, 자동차 안전 환경연구소 등에서 차량이 개발되고 있어 규격화가 시급해지고 있다.
2006년에는 연료 메이커에 의해 DME 연료의 시장 유통도 검토되고 있다. 대규모 수요로서 가스터빈이나 보일러 등에 대한 규격화에 대해서도 에너지 환경공학 표준 기반 연구(2006~2008)를 통해 발전용 DME의 공업 표준화 연구에 착수했다. 이 연구로 DME 연료 규격의 체계화가 거의 완성될 전망이다.
이와 더불어 일본은 DME의 국제 표준화에 박차를 가하고 있다. 향후 DME의 국제적인 저온 액화 수송에 대비해 ISO/TC28(석유제품 및 윤활유 특수성 위원회)/ SC5(경질 탄화수소 유체의 측정 분과 위원회)에 대해 액화천연가스(LNG) 및 LP 가스에 관련한 수송·계량 방법의 국제 표준화와 같이 DME의 국제 표준화에 대해 검토를 진행시키고 있다.
[연료로서의 국내 도입 가능성]
■ 수송용 시장경유 자동차의 단점은 배출 가스에 포함된 NOx 등의 저감 장치나 필터가 추가로 필요하다는 점이다. DME를 자동차용 연료로 사용할 경우 이와 같은 추가적인 필터 등이 불필요하며 이산화 탄소의 발생은 경유보다도 적은 장점을 가진다. 이와 같은 이유로 DME 디젤 자동차용 엔진개발이 추진되어 경유 디젤 엔진과 동등하거나 높은 출력 성능이 실증되었다.
디젤엔진연료의 특징은 낮은 자기발화온도인데, DME는 디젤용 경유와 거의 같은 온도에서 발화한다. DME는 그 임계압력(53.7bar) 이상에서 엔진에 주입되며 높은 증기압으로 주입과 동시에 기화된다. DME는 점화온도가 낮은 이 외에도 세탄가(55 이상)가 높다. 더욱이 DME는 산소 함유율이 높고 탄소-탄소결합이 없기 때문에 디젤엔진에서 문제가 되는 매연가스를 발생하지 않는다.
2006년 3월 미국 워싱턴DC에서 열린 친환경적인 DME 트럭의 개발 및 생산에 관한 컨퍼런스에서 일본의 중대형 엔진에 대한 세계 배기 규정 및 DME 트럭의 운행 성능이 발표되었다.
2007년 이후 특히 2009~2010년에 일본과 미국은 중대형 디젤에서 배출되는 NOx 및 PM 규정을 거의 제로의 수준까지 더욱 강화할 전망이다. 이에 대응해 배출가스 감축 시스템 개발이 필요하며 현재의 수준에서 유망한 대안은 우레아를 이용한 선택적 촉매 환원 시스템(SCR)과 디젤 입자상물질-NOx 감축(DPNR) 시스템이다.
1)LPG, CNG, LNG는 2004년 판매량(만톤)2)경유는 2003년 소비량(천bbl)
■ 국내 LPG 시장
2004년의 국내 LPG 수요는 7.7Mt으로 이는 국내 전체 에너지 소비의 4.2%에 달하는 수준이다.
LPG는 2001년도 가격 자유화 이후 2002년도 여름 한때 하락세를 보이기도 했지만 이내 점진적인 상승세를 보이면서 LPG 가격은 최근 최고 수준을 기록하고 있다.
높은 가격으로 인한 수요 감소 장기화 추세는 LPG수입사, 충전사업자 등 관련 사업자들로 하여금 기존 사업 영역을 벗어나 충전판매 사업의 다각화를 고려하도록 압박하고 있다. 최근 들어 일부 판매사업자들이 충전사업자를 배제하고 정유, 수입사와의 직거래를 적극적으로 모색하는 양상을 보이고 있다.
LPG 산업 체인간의 상호업역 진출은 최근의 벌크로리 운행이 활발해지면서 업계의 이슈로 떠올랐다. 수도권과 제주 지역 일부 판매사업자들이 벌크로리 등을 구입한 후 수입, 정유사와 직접 접촉해 LPG를 공급받으려고 시도하고 있다. 판매사업자가 벌크로리를 통한 정유사 직거래 요청 사례가 늘자 충전사업자는 정유·수입사와 공조해 이를 차단하기 위한 방안을 모색하고 있다.
수송용 적용 가능성 충분
LPG 충전사업자 단체인 LP가스공업협회는 충전사업의 특성상 또 다른 사업 대안이 가능한 DME에 대해 산업연구원을 통해 ‘DME도입의 경제적 타당성 분석’ 연구 용역을 수행하는 등 적극적으로 검토해 왔다. 최근 들어서는 그 동안 다소 소극적인 태도를 보여온 LPG의 수입업자도 DME·프로판 혼합 사용을 통한 LPG의 보완재로서 DME의 용도에 관심을 가지게 되었다.
DME가 연료시장에 새롭게 뛰어드는 신 연료로서 기존 연료시장의 틈새시장을 노리는 전략을 시도할 것은 자명하다. 그러나 기존의 연료시장에 진입하는데 있어 가장 큰 장애중의 하나는 경쟁연료가 이미 보유하고 있는 인프라 구축이 상당한 수준의 장벽으로 존재한다는 점이다.
단기적으로는 LPG 시장의 유휴설비의 이용 가능성도 배제할 수는 없을 것이다. 장기적인 관점에서는 LPG와 DME, 또 NGV(Natural Gas Vehicle)의 연료로서 LNG나 NG의 경우는 서로 양립할 수 없는 경쟁 관계를 지양하고 충전소라고 하는 제한된 인프라를 공유하는 가운데 연료 특성에 맞는 수요를 중심으로 상품 경쟁을 하는 구도가 국가적 연료 이용의 효율 측면에서 더 바람직하다고 판단된다.
이 경우 국내 1,300여개의 LPG충전소와 더 많은 규모의 주유소라는 인프라는 모든 수송용 연료의 공동이용의 대상으로 삼을 수 있는 가능한 방안의 모색이 중요한 과제로 부상하게 된다.
■ 발전용 시장
발전용 연료로서 DME는 LNG와의 경쟁대상이 될 것으로 전망되고 있다. 일본의 한 보고서에 따르면 DME의 (CIF 3.6$/MMBTU 기준) 원단위는 7엔/kWh으로 시산돼 도입 인프라가 확보된 지역의 LNG 발전 원단위인 6.5~7엔/kWh 수준과 비슷한 수준을 보이고 있다. LNG 도입 인프라를 추가로 갖추어야하는 지역의 경우 상대적으로 DME의 경쟁력을 기대할 수 있다.
국내에서는 LNG 발전와 직접 경쟁은 관련 설비들의 기술 수준 확보가 관건이 될 것이다. 단기적으로는 대체재로서 역할을 기대할 수 있으며 소규모 가스전으로부터 생산되어 도입되는 DME로서 이 수요를 충당할 것이라는 전망이 나오고 있다. DME 전용 가스 터빈에 대한 테스트는 발전자회와 한전 전력연구원 주관으로 2004년부터 2007년까지 기간으로 100MW 급 DME 연소 터빈의 개발을 목표로 수행되고 있다.