DME 실용화를 위한 안전기술의 확보 필요성

디메틸에테르(Dimethyl Ether, 이하 DME)는 상온상압에서 기체이지만 약간의 압력을 가하면 상온에서도 쉽게 액체상태가 되는 물질로 탄소수가 가장 적은 에테르계의 화합물이다. 분자식은 CH3-O-CH3이고 분자량은 46.0인 특성을 갖는다. 비점은 프로판보다 높지만 부탄에 비해서는 낮고 증기압도 프로판과 부탄의 중간에 있는 등 기존 LPG와 유사한 물성을 갖고 있다. 특히 DME는 가연성가스로 공기중 농도가 3.4%~27%에 이르면 손쉽게 폭발하는 특징을 가지고 있다.

DME의 제조 원료는 천연가스, 석탄, 바이오매스 등으로 다양하다. 이들로부터 합성가스(CO, H2)를 추출, 합성해 제조함으로 이전 활용되지 않았던 자원을 이용한다는 점에서 기대를 낳고 있다. 최근에는 DME를 직접 합성할 수 있는 기술이 개발돼 대량생산의 길이 마련돼 앞으로는 저렴한 가격으로 공급이 가능할 것으로 예상된다. DME는 탄소(C-C)끼리의 결합이 없어 연소에 의한 NOx, CO2, 입자상 물질(Particle Material)이 매우 적게 생성되기 때문에 자동차 등 디젤연료를 대체할 에너지로 활용될 가능성이 높다.

DME 활용의 고려사항

국내에서는 DME를 주로 에어졸 분사제 등으로 사용하고 있지만 이를 연료용으로 확대하기 위한 다양한 연구들이 관련연구기관 등을 통해 수행되고 있다. 그러나 DME-LPG를 혼합연료로 사용하는 분야는 연구사례가 적어 이를 사용하려는 연구도 최근에야 관심이 높아지고 있는 상황이다.

DME를 사용하는데 고려되어야 할 중요 인자를 자세히 언급하면 다음과 같다.

환경적 측면에서 DME는 그 성분중 산소 함량이 35%로 높고 연기가 전혀 없어 연소성이 좋다. 연소시 황산화물이 없고 질소산화물은 천연가스보다 적다. 디젤과 비교해 질소산화물의 양은 무려 26%나 적은 청정에너지다.

대기중에서의 분해시간은 수십 시간 정도며 온실효과와 오존층 파괴의 염려는 없는 에너지원으로 보고되고 있다. 대기중으로 상승해 강우에 의해 지면에 강하되는 것은 미량에 불과하며 생분해성은 낮다는 특징을 갖는다.

화학적 안정성 측면에서는 에어로졸 분사제에 주로 사용되고 있어 각종 독성이나 안전성에 대한 사항은 검증되었다고 할 수 있다. 현재까지 생식독성을 동물종에 따라 실험한 결과 증세가 발견됐다는 보고는 없었다. 유해물질 생성이 가능한 물질은 bis-클로로 메틸에테르이며 과산화물의 생성량은 극히 작다. 기체 상태에서 피부와 눈에 대한 자극성은 불쾌감, 최루, 시야가 좁아지는 등의 자극이 있다. 화학적으로 400℃의 불활성 분위기에서 안정화돼 있고 중성, 희박한 산성, 알카리성 용액에서도 안전하다.

실링(sealing)측면에서 DME는 금속에 대한 영향이 적지만 고무, 플라스틱 등의 재료에 대한 용해 작용이 있어 이에 대한 문제해결이 요구된다. LPG시설에는 많은 부분에 팩킹, 개스킷, 고무링 등이 사용되고 있다. 가정용 LPG설비의 나사 접속부분의 실링에는 실링 테이프(PTFE)가 사용되고 있다. 실링 재료를 구성하는 재료는 사용압력, 내약품성, 내열성, 내한성 등이 있어야 한다. 여러 형상으로 사용되고 있는 재료는 팽창흑연, PTFE, 석면, 금속, 기타 무기재료(NBR, FKM) 등이 있다.

▲ DME 사용분야

DME 활용분야

DME의 용도는 공업용, 발전용, 가정용, 자동차용 등으로 폭넓게 사용이 가능하다. 국내에서 DME는 페인트, 화장품 약제와의 우수한 혼화성 때문에 고압가스용기 내의 분사제, 발포제 등으로 사용되고 있으나 현재 대량생산시설의 부족으로 인해 가격이 상대적으로 비싸고, 연료용으로서 안전기준, 법령 등이 미비해 대중 연료로는 보급되고 있지 않은 상태이다.

발전용 DME는 발전소의 DME 관련 터빈 기술개발이 완료되면 현재의 고압가스안전관리법령에 따라 발전용 연료로서 사용이 가능하다.

현재 국내 화력발전소는 석탄, 석유, 천연가스를 연료로 사용해 발전소 가동을 하고 있다. 석탄과 석유는 환경문제 때문에 인구 밀집지역인 도시지역에서 사용하지 못하고 있고 공해물질 배출이 적은 천연가스를 사용하고 있다. DME는 천연가스에 비해 연소후 공해물질이 적게 발생하므로 도시지역에서도 발전용 연료로 사용이 가능할 것으로 판단된다.

에너지 다원화를 위해 석탄을 화력발전에 사용하고 있지만 석탄은 연소되면서 CO2 배출량의 증가하고 연소후 고체생성물의 처리 문제가 발생한다.

이러한 문제를 보완하려면 석탄을 가스화한 후, DME로 제조해 사용하면 석탄사용으로 인한 분진 문제를 막을 수 있고 CO2 배출량이 크게 감소한다. LNG로 전환하기 어려운 중·소규모의 가스전에서 천연가스를 DME로 전환해 사용하면 발전용으로도 이용 가능하다.

현재 화력발전용 연료로 LNG가 많이 사용되고 있지만 수입기지 설비가 LNG보다 낮은 DME는 LNG와 같은 CIF가격(운임, 보험료, 권리사용료 등을 포함한 우리나라 정상 도착 가격)이면 발전비용을 낮출 수 있다. DME는 50만kW 정도 규모 발전에 적당할 것으로 생각된다.

DME 발전소는 석탄 발전소 비해 CO2 배출량이 약 50%(채굴에서 발전까지는 약 40%）감소될 것으로 예상된다.

일본의 JFE 엔지니어링(주)[JFE 홀딩(주)의 자회사]는 DME를 사용해 발전을 하고 있다. JFE엔지니어링(주)은 다이하츠디젤주식회사, 이와타니산업 주식회사와 공동으로 경제산업성의 ‘DME 연료 이용기기 개발비 보조 사업’으로 2002년 대형 DME용 디젤엔진 발전시스템의 개발을 추진했다. 디젤엔진은 다른 엔진에 비해 설비비가 저렴하고 열효율이 높은 특징을 가지고 있다. 디젤엔진에서 DME를 연소시키면 배기가스중의 NOx양을 저감할 수 있다.

가정용 DME는 아시아 지역의 경제성장으로 인한 기존 에너지의 부족을 보완할 수 있는 중요한 연료가 될 것이다. 아시아 지역은 에너지 공급 인프라가 조성되지 않았기 때문에 석탄 등 고체에너지를 많이 사용하고 있어 대기오염, CO2 증가의 원인이 되고 있다.

향후 경제성장에 따라 가정용 에너지로서 운송이 편리한 LPG 수요가 증가할 것으로 전망돼 아시아 지역에 에너지 수급은 어려움이 있을 것으로 예상E되고 있다.

따라서 중·소규모의 천연가스전 혹은 탄층가스(메탄)를 개질해 DME를 제조한 후 LPG와 같이 용기에 충전하여 운송하면 도시가스와 같이 대규모 인프라를 설치하지 않고도 비교적 단기간에 넓은 지역의 에너지 공급이 가능할 것으로 예상된다.

자동차용 DME는 세탄가가 높아 디젤연료를 대체 할 수 있다. 그러나 밀도와 발열량이 낮아 디젤연료에 비해 연료 소비량이 많기 때문에 연료공급시스템의 구조변경이 필요하다.

DME 자동차 엔진의 배출가스 특성은 메탄가스를 사용하는 엔진과 유사하며 디젤엔진과는 달리 분진(PM)과 NOx의 trade-off를 고려할 필요가 없어 EGR을 사용해 NOx를 대폭 저감할 수 있다. 세계적으로 시험용 DME 엔진의 배출가스는 이미 유럽의 EURO-3 수준에 접근했고 미국의 ULEV를 만족하고 있다.

AVL을 중심으로 Amoco, Navistar, HTAS 등에서 차량 탑재가 가능한 수준까지 연구가 진행되고 있으며, 볼보와 Haldor Topsoe사를 중심으로 1998년부터 2년간 실차에 적용해 실용성 검증을 위한 실제 운행연구가 실시됐다.

아시아 지역은 최근 수송용 연료용으로서 석유수요가 증가할 것으로 전망되고 있다. 이것을 대비하기 위해 석탄 또는 천연가스로부터 DME를 제조·공급함으로서 석유 의존도를 줄일 수 있다고 보고 있다. 또한 NOx, SOx, 입자상물질(Particulate Matter : PM)에 의한 대기 오염도 방지할 수 있다.

일본은 디젤 차량의 배기가스 대책(저유황화, 저PM화)으로서 DME를 디젤엔진에 적용하는 연구와 기존 LPG 유통 인프라를 적용할 수 있는지에 대한 연구가 진행중이다. 일본 JFE에서는 DME 자동차에 대한 주행시험을 실시하고 있다. 시판되고 있는 디젤 차량을 이용해 엔진본체는 개조하지 않고 연료분사계의 일부만을 개조해 주행시험을 실시했다.

공업용 DME는 산업용 보일러, 화학제품, 냉매, 미용용품 등으로 사용이 가능하다. 현재 페인트, 우레탄폼, 문구용품, 화장품 등의 분사제로 사용되고 있으며 농약 원료인 디메틸설페이트(DMS, dimethyl sulfate)를 제조하는데도 이용된다. 암모니아, 초산, 포름알데히드 등의 산업용 원료로서 DME는 유용한 원료 물질로 사용할 수 있다.

또 DME를 에어졸용 분사제로 사용된다. 화장품 등의 미용용품에서부터 건축용 우레탄폼, 페인트, 문구용 풀, 자동차용 미끄럼 방지제, 금속 부식방지제 등에 이르기까지 매우 다양하게 사용되고 있다.

DME 안전연구 필요분야

대표적인 에너지원인 석유를 비롯한 화석연료는 환경문제의 심각성과 석유자원의 고갈위기 등으로 인해 이를 대체할 있는 신재생에너지 개발에 대한 관심이 고조되고 있다.

이로 인해 에어로졸 분사제, 농약 등의 공업원료로 제한적으로 사용되고 있던 DME를 LPG나 NG와 같은 연료로 대체 가능성에 대해 중국, 일본 등에서는 많은 연구가 진행되고 있다.

자원이 부족한 우리나라도 대체에너지 개발, 에너지원 다원화 및 환경 문제가 정책의 큰 이슈로 대두되고 있기 때문에 DME에 적극적인 관심을 가져야 할 상황이다.

DME는 기존 가정·상업용 연료로 사용되고 있는 LPG(Liquified Petroleum Gas)와 물성이 유사하고 쉽게 혼합되는 특성이 있으므로 LPG와 혼합해 대체연료로서 사용하기 위한 연구가 활발히 진행중이다. 그 방안은 일정비율을 혼합해 LP가스기기에 사용하는 방식인데 일본, 중국, 이탈리아 등에서 이미 연구를 실시한 바 있고 혼합사용 가능성이 높은 것으로 보고됐다. 일본, 중국 등 에너지원을 수입에 의존하는 나라나 에너지 소비가 폭발적으로 증가하고 있는 나라들은 이미 DME를 가정용, 발전용 및 수송에너지로 활용하기 위한 기초연구와 인프라 구축 노력이 진행되고 있다.

DME의 사용가능 분야는 공업용, 발전용, 자동차용, 가정·상업용, 연료전지용 등으로 광범위하게 적용될 수 있다. 이중 LPG와 혼합해 가정·상업용으로 사용하는 것이 가장 실용화가 빠른 분야다. 따라서 이번 가정·상업용 DME-LPG 가스용품, 설비, 시설 등에 대한 체계적인 안전성 연구를 통해 DME-LPG 사용을 위한 안전성 확보뿐만 아니라 관련 안전기준(시설기준 및 기술기준)을 제시할 필요성이 있다. 안전성 연구를 통해 안전기준(안)이 제시되면 실용화 및 보급 활성화에 큰 전환점이 될 것으로 기대된다.

DME는 현재 고압가스로 분류돼 제조, 저장 분야에서 고압가스 관련 기술기준에 따라 적용을 받고 있다. 그러나 자동차용 및 가정용 연료로 이용하는데 필요한 충전시설, 운송설비, 저장탱크 등의 안전성 확보를 위한 안전성 평가 및 연구를 통해 연료용으로 활용할 수 있는 기반을 구축하는 것이 선결 과제라고 할 수 있다. 우수한 에너지원으로 활용하기 위해서는 이를 이용하는 가스용품, 설비 등의 안전성이 선행되어야 하며 안전성 데이터를 기반으로 안전기준 마련하는 것이 바로 안정적 사용기반을 구축하는데 도움이 될 수 있다.

DME가 대중연료로 상용화되기 위해서는 제조, 저장, 운송 등의 안전성 확보와 이 연료를 최종적으로 사용하는 사용인프라에 대한 기술기준이 마련돼야 한다.

DME를 LPG와 혼합해 사용하는 경우, 일정비율에서 기존 LPG 인프라의 교체 없이 이용할 수 있다면 도입 초기에 연료용 가스로서 시장 진입이 쉽고 별도의 시설비 및 관리비가 소요되지 않아 경제성이 높을 것으로 보고 있다. 다만 우리나라와 같이 국토가 좁아 인구·주택 밀도가 높은 특수성을 감안할 때 그동안의 사고발생 사례를 통해 위험성에 대한 충분한 검토가 필요하겠다.

연구분야는 △LPG 관련 가스용품(조정기, 가스계량기, 각종 연소기 등) △가정·상업용 DME-LPG 사용시설(조정기, 퓨즈콕, 호스, 가스렌지 등) △DME-LPG 탱크로리 및 소형저장탱크 설비 △DME-LPG 충전시설 및 관련 부속 설비 등이 대상이다.

그동안 DME 관련 연구는 연구기관, 가스공사 등에서 DME 제조기술, 이용기술 등의 기술개발에 많은 투자를 해오고 있다. 그러나 DME의 사용량에 큰 영향을 미칠 가정·상업용, 자동차용의 소비처 개발 및 안전기술에 대한 연구는 활성화되지 않았다.

DME-LPG 혼합연료의 LPG 인프라 사용가능성에 대한 종합적인 안전성 연구를 통해 앞으로 안전성을 검증받고 혼합연료의 공급 및 수요기반을 확보할 수 있을 것으로 보여지지만 현재까지는 이러한 분야의 연구가 미진한 상태다. 또 가스안전관리 전문기관에서 해당 연구를 추진해 안전성을 제시하는 것이 바람직하지만 부족한 것이 사실이다. 이와 함께 DME의 산업화 및 보급을 위한 인프라 구축과 안전기술개발에 대한 연계성이 부족한 관계로 기술개발, 보급, 상용화를 위한 시너지 효과도 미비한 실정이다.

따라서 앞으로 DME-LPG 혼합연료의 보급·확대를 대비하고 사용자의 안전을 확보하기 위해서는 가스안전관리 체계를 구축한 전담기관에서 총괄적인 안전성 연구를 동시에 수행하는 것이 필요하며 실용화를 대비한 실질적인 안전성에 중점을 두어야 할 것이다.