GTL원천기술을 확보했지만 경제성 문제 남아

천연가스를 이용해 직접 액체연료(디젤)를 만드는 GTL(Gas to Liquid) 기술은 지속적으로 강화되고 있는 수송용 연료의 환경규제를 해결할 유일한 기술로서 수소연료의 상용화 이전까지는 유일한 청정연료 제조기술이다.

LNG 액화기술과 마찬가지로 선발업체들에 의한 시장진입 장벽이 높아 자체 기술개발에 의한 시장진입이 유일한 방안으로 향후 유가 추이, 시장 상황 및 기술 개발 수준에 따라 성장 가능성은 매우 높을 것으로 전망된다.

지난 2006년부터는 GTL기술이 국책연구과제(과제명 : 합성가스로부터 FT합성유의 제조기술 개발)로 선정돼 대림산업을 비롯해 한국석유공사, 한국가스공사 및 현대엔지니어링㈜ 등이 컨소시엄을 구성해 한국에너지기술연구원 및 한국화학연구원과 함께 연구를 수행하고 있다.

1단계 과제 수행을 통해 핵심 원천기술 확보뿐만 아니라 0.1BPD급 소규모 파일럿플랜트를 설치, 운영하면서 1.0BPD급 파일럿플랜트 기본설계 자료를 확보했다.

이를 기반으로 2단계에서는 1.0BPD급 파일럿플랜트를 성공적으로 건설·운영하였고, 이를 통한 100BPD급 실증플랜트 라이선스 패키지를 작성하는 2단계 연구사업이 완료된 상태이다. 해외 석유 의존도를 줄이기 위해 대체 에너지원으로부터 청정 수송용 연료(합성유와 경유)를 합성하는 GTL기술이 국내 기술진에 의해 마침내 현실화가 된 것이다. 

■<표>단계별 기간 및 개발목표

SCR 및 슬러리 반응기 설계기술 선진화

기술개발 세부 내용을 살펴보면 FT GTL기술은 크게 합성가스 제조공정과 FT합성 공정으로 구성되어 있다.

먼저 합성가스 제조기술은 기존에 선진업체 위주로 이미 여러 다양한 기술로 상업화된 기술이지만 국내 GTL기술에서는 에너지기술연구원에 의해 복합 리포밍이라는 SCR (Steam Carbon dioxide Reforming)기술을 개발해 수증기 및 온실가스의 주범인 이산화탄소를 활용한 경쟁력 있는 기술개발에 성공했다.

국내에서 SCR공정에 응용 가능한 수증기 리포밍 촉매의 탄소침적 저항성 강화에 초점을 맞춘 천연가스 리포밍 촉매의 개발은 당사와 함께 본 연구개발에 참여 중인 에너지기술연구원에서 꾸준히 진행해 왔다. 니켈계열 촉매에 미량의 증진제를 첨가해 수증기가 희박한 조건에서도 매우 우수한 탄소침적 저항성을 보인 바 있다.

SCR기술은 일본을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있다. 기초 연구를 통해 수증기 및 이산화탄소 복합 리포밍 공정에 적합한 촉매 개발과 반응기 및 공정 설계를 진행하고 있으며, 영국의 BP와 호주의 Central Petroleum Limited, 덴마크의 Haldor Topsoe 등도 이러한 개질 공정에 대한 연구를 활발히 수행 중이다.

GTL공정의 또 다른 핵심기술인 FT합성법은 1923년 독일에서 석탄의 가스화에 의한 합성가스로부터 합성유를 제조하는 기술이 처음 시작됐다. 현재까지 공정개선을 통해 상업화 공장이 운영되고 있다.

F-T 반응을 위해서는 코발트, 철 등의 촉매가 사용되는데 개발 초기에는 철계 촉매가 주로 사용되었으나 최근에는 액체연료나 왁스의 생산을 늘리고 전환율을 향상시키기 위해 코발트 계열의 촉매가 주류를 이루는 추세이다.

국내 GTL기술에서 적용된 FT합성 기술의 슬러리 반응기(Slurry reactor) 및 Co계 촉매는 화학연구원에서 개발했다. 슬러리 반응용 촉매의 단점인 마모현상을 획기적으로 개선했으며, 적절한 처리를 통해 촉매의 장기 활성이 안정적으로 유지된다는 게 개발된 촉매의 특징이다.

슬러리 반응기에서는 적정한 유속을 결정하기 위한 설계인자로서 중요한 흐름영역(flow regime)을 결정하기 위해 개발된 촉매 입자의 원활한 유동 및 반응 활성을 나타내도록 운전하기 위한 선속도에 대한 연구를 하였고 이 결과를 바탕으로 최적의 반응기가 개발됐다.

특히 반응기 내부 구조물의 존재 하에 가스 거동 및 기체 체류량 등의 연구를 위해 큰 실물 크기의 모형을 제작해 실험했으며 스케일업(scale-up)을 위한 기초자료로 활용됐다.

GTL공정은 일반 정유공장에 비해 에너지효율이 다소 떨어지기 때문에 합성가스 제조 리포머 및 FT 합성 반응기 등 핵심공정을 최적의 상태로 조합하는 통합엔지니어링 기술이 매우 중요하다. EPC Contractor로서의 역량과 경험을 바탕으로 통합공정 엔지니어링 기술 개발을 대림산업이 독자적으로 수행했다.

즉, GTL 플랜트 통합 공정의 공정모사를 수행해 이를 통한 1.0 BPD급 파일럿플랜트 기본설계 패키지 및 확보된 운전 자료를 기반으로 100 PBD급 실증플랜트 라이선스 패키지를 완성했다.

지난해 말 2단계 연구사업이 종료되며 앞서 언급한 참여기업들이 연구기관들로부터 핵심기술들을 모두 이전 받은 상태이다. 현재 3단계 진입을 위한 준비단계에 있다.

비록 국내 GTL 원천기술을 확보하였지만, 저렴하면서도 GTL 플랜트 공정에 적합한 가스전 확보의 어려움, 탄소 및 에너지 효율향상을 위한 공정개선 등 아직도 극복해야 할 과제들이 많다.

특히 배럴당 투자비가 3~4만불 수준인 GTL 기술의 경제성은 시급하게 해결해야 할 과제이다.

또한 국내기술에 의해 개발 확보된 100 BPD급 실증플랜트의 실증화 사업을 소수 민간기업 자체만의 사업으로 하기에는 기존 정유공장과의 경제성 차이로 인해 에너지 관련 기업들의 참여 유도와 동기 부여가 어려워 추진에 많은 어려움이 따르고 있다.

따라서 지금 상황에서 무엇보다 필요한 것은 정부의 적극적인 지원 하에 에너지 공기업, 에너지 민간기업, 엔지니어링 및 자동차 회사, 중공업 등이 국내 GTL컨소시엄을 구성해 해외 중소형 가스전을 대상으로 실증사업을 추진하는 것이 바람직하다.

이와 함께 GTL실증화 사업을 위해서는 제조원가에 영향을 주는 저렴한 가스전 확보가 필수이다.

최근 미국을 중심으로 셰일가스(Shale gas) 개발 활성화로 천연가스 가격이 많이 낮아져서 GTL실증화 사업에 유리한 환경이 조성되고 있는데 여기서 더 나아가 지속적인 기술개발로 국내 GTL 원천기술의 경제성을 개선시켜 나가야 세계 시장에서 선진기술과의 경쟁에서 살아남을 수 있을 것이다.