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[기고] DME 보급현황과 전망조원준 대표 (㈜바이오프랜즈)
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[1363호] 승인 2018.10.11  23:14:00
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▲ 국내 과채류를 재배하는 농가에 DME를 연료로 하는 이산화탄소 발생기가 설치되어 있다.

 

에어로졸 화합물의 변신, 청정연료 DME

‘수소사회’의 한 축 수소생산 용이한 제조원료
유가 배럴당 $70 상회 수요량 증가하는 추세

   
 

몇 해 전부터 해마다 봄철이면 우리나라는 황사와 더불어 미세먼지라는 새로운 대기오염원에 대해서 인식이 심각한 수준으로 피부에 와닿으면서, 수많은 정책과 기술개발에 온 국민이 해결책을 마련하기 위하여 온 힘을 쏟고 있다. 심지어 지방선거에서 미세먼지는 후보자 공약의 중요한 이슈가 되고 있으나 아직까지 그 해결책에는 뚜렷한 대안이 없어 보인다. 물론 미세먼지는 산업화에서 비롯한 화석연료를 사용함으로써 발생하게 되어, 도시화와 도시의 인구집중 등에 의한 자동차 증가로 배출되는 배기가스로부터 악화일로를 걸어왔다. 따라서 미세먼지 저감을 위해 정부는 2005년부터 수도권 대기환경관리에 많은 노력을 기울여 지속적으로 개선되는 듯 하였으나 2013년부터 정체기에 이르고 2017년 이후 고농도 미세먼지가 봄날은 물론 4계절 국민의 안전을 위협하는 치명적인 요인이 되고 있다.

따라서 이러한 미세먼지가 많이 발생하는 노후화된 경유차량에 대해서 대안적 저공해 연료인 DME를 소개하고자 한다.

DME(Di-Methyl Ether)는 분자식 CH₃OCH₃로 표현되는 가장 탄소수가 적은 에테르(ether, 산소 원자 하나로 두 개의 작용기가 연결된 화합물)이고 상온 상압에서 무색의 기체로 미미한 단맛의 향을 가지고 있다. 또한 가스밀도는 공기 보다 무겁고, 많은 화학물에 대해 높은 용해성을 가지고, 화학적, 열적으로 안정되고, 적당한 증기압을 가지는 것으로 LP가스와 같이 에어졸용 분사제로 이용되고 있다. DME의 비점은 -25℃로서 상온, 상압에서는 기체이지만 20℃ 약5기압에 액화하여 상온가압 용기에 의한 수송이 가능하다.  

DME와 LP가스(프로판, 부탄)를 비교하면 증기압은 프로판과 부탄의 중간 또는 약간 프로판과 유사하다. 더욱이 가스밀도, 분자량도 프로판 보다 약간 높지만 거의 동등하다. 이와 같이 DME는 LP가스와 유사한 물성이 많고, 저장, 취급은 LP가스의 기술을 응용할 수 있다고 보고하여 에어로졸, 발포제, 냉매 등에 혼합하여 사용하거나 유리한 화학물질을 선택하여 사용하고 있다. 하지만 LP가스는 탄소와 수소만으로 이루어지는 탄화수소류인 것에 반하여 DME는 산소를 포함하는 에테르류이기 때문에 화학적 특성에 기인하는 물성에 관해서는 다른 점이 많다. 그래서 LP가스 장치, 설비를 혼합하여 공용으로 또는 전용으로 사용할 때에는 장치 설계 등에 있어서 차이가 있는 물성에 관하여는 충분히 유의할 필요가 있다.

 

국내 분사제 에어로졸 시장 사용, 연 1만톤 수준 

DME는 현재 주로 스프레이 분사제인 에어로졸 시장에 사용되며 우리나라에서 연간 1만톤 수준, 아시아 지역에서 연간 22만톤만이 사용되고 있으며, 전 세계적으로는 연 45만톤의 시장을 갖고 있으며 평균 4%대의 연평균 성장률을 갖는 화합물이다. 2004년부터 DME는 화학원료 뿐만 아니라 청정연료로서 사용이 가능하여 중국시장에서 연료시장으로 주목을 받고 2013년까지 연 600만톤까지 시장이 커졌던 것이다. 2012년의 셰일가스가 시장에 판매되면서 유가와 LPG가 하락하게 되었고, 이러한 가격 하락으로 DME는 시장경제에 밀려 2017년까지 연 300만톤까지 연료시장이 축소하게 되었으나, 최근 유가가 배럴당 $70을 상회하면서 그 수요량이 증가하는 추세이다.

이러한 DME 연료를 내연기관의 연료로 관심을 갖고 시도한 사례는 처음에는 메탄올 기관의 시동보조연료로 사용하면서 부터이며, 이때 메탄올은 비점이 낮기 때문에 저온 시동성을 향상시키기 위해서 메탄올을 DME로 전환하는 것으로서 시동성을 높였다. 그 다음으로는 메탄올-Diesel 기관의 착화 보조연료로 사용하여 세탄가가 낮은 메탄올 특성상 자연착화하지 않기 때문에 DME로 착화시킨 다음 메탄올을 연소하게 되면서 연료로 검토하게 되었다. DME를 합성가솔린, 합성경유 등 전체물질로서 검토한 Haldor Topsoe(덴마크 업체)의 기술자가 DME를 불꽃 점화 기관(SI Engine)으로 운전한 때에 운전 부하가 높아져 노크 현상이 나타난다는 것으로부터 압축 점화기관(CI Engine)의 연료를 사용하는 것이 검토되었다.

디젤기관의 연료로서 DME가 주목된 것은 1995년의 DME를 공랭 직분 디젤엔진의 연료로 사용하여 운전한 결과 우수한 배기성능을 SAE에 보고하면서부터 시장에서 주목을 받게 되었다. 이후 일본, 독일, 스웨덴, 미국 등에서 직분사식 범용 디젤기관을 연료공급계의 가압과 윤활 향상제(바이오디젤 등) 첨가만으로 원활히 운전할 수 있는 것을 실증하게 되었다.

2017년부터 미국의 뉴욕, 뉴저지에서 Oberon Fules와 스웨덴의 Volvo사에서 중대형 디젤기관에 적용하여 실증하고 있으며, 그 결과 NOx, HC, CO 배출이 베이스엔진에 비하여 많이 낮으며, 이중에서도 미세먼지로 알려져 있는 PM의 배출이 현저히 낮아서(기존 연료대비 95% 저감), DME 엔진의 배출가스가 매우 청정함을 확인하였다.

현재 우리나라가 고민하고 있는 미세먼지 저감과 청정 자동차연료 사용으로 연료전환하는 중요한 시점에 서 있다. 전기자동차나 수소전기차는 그 필요성이나 친환경에 대한 이견은 없으나 새로운 인프라 구축이나 화물차량에 대한 시원한 솔루션을 제시하는데 더 많은 시간이 소요되며, 향후 2040년까지 전체 자동차 시장에서 전기, 수소전기차가 25%를 차지한다고 하더라도 여전히 75%는 석유계 화석연료를 사용하는 내연기관으로 청정 화석연료인 DME 연료를 기존의 노후화된 경유차와 중소형 화물차, 대형화물차에 대하여 디젤기관에 최적화된 연료로 대체하기 위한 실증과 상용화가 절실히 요구된다. 이러한 청정연료 DME는 미세먼지를 저감하여, 친환경연료로 실증 검증되어 국제 인증기준인 EuroV 또는 EuroVI에 맞는 시스템으로 재구성하는 노력이 필요하겠다.

여기서 우리는 DME 보급체계에 대해서 고민하지 않을 수 없다. 에너지원으로써 청정연료 공급인프라를 구축하는 사업은 대단위 투자가 필요하며, 관련된 사회간접자본과 관련시설의 건설은 용이한 일이 아니다. 다만 DME는 LPG와 유사한 성질이 있어 에어로졸 시장에서도 혼합하여 사용하기 때문에 에어로졸 업체에서는 LPG와 DME 저장탱크 시설을 동시에 갖추고 있어서, 이러한 에어로졸업체 또는 일부 산업용 연료공급업체가 신규사업 영역으로 확대하고자 하며 DME 화합물을 DME 연료시장으로 시장확대를 꾀하는 관심업체가 시장에서 서서히 늘어나고 있다. 갑작스럽게 경유를 대체하는 시장이 열리는 것도 아니기 때문에 노후화된 경유차를 개조하는 시장에 실증과 상용화하기 위한 준비를 하면서 다른 DME 연료시장을 개척하면서 순차적으로 시장을 열어가는 아이디어가 필요한 시기라고 본다.

 

   
▲ 농가 비닐하우스 안에 이산화탄소 발생기 제어 패널이 가동 중이다.

 

인니, 2025년까지 DME 100만톤 혼합 시도 진행 중

해외사례를 살펴볼 때, 인도네시아에서는 2017년 이후 LPG와 DME를 혼합하는 시장을 열어보기 위한 에너지기본계획을 수립하고 2025년까지 100만톤의 DME를 LPG와 혼합하려고 많은 시도를 하고 있다. 남수마트라 가스전이나 파푸아 빈투니 석유화학단지 조성에서 DME를 생산하는 사업을 기획하고 있으며, 필자는 인도네시아 파트너와 자카르타 인근 산업단지에서 연간 2만톤 DME 사업을 기획 중에 있다. 이를 통하여 LPG-DME 혼합연료로 각 가정에 가정용 연료로 공급하고 일부는 산업용 에어로졸 시장에 보급하고자 한다.

따라서 LPG인프라가 구축된 인도네시아, 인도, 터키, 중국 등에서 산업용, 가정용으로 DME를 연료로 보급하는 시나리오가 가장 타당성이 있어 보인다. 국내의 경우 ㈜바이오프랜즈와 유니시스인터내셔날(주)에서 농촌에 딸기재배, 토마토재배 등 과채류 재배용으로 겨울용 난방과 CO₂를 공급하는 시스템으로 보급하는 사업과 연계하는 사업을 추진하고 있어서 다양한 DME 연료 시장을 개척하고자 한다. 특히 농어촌에 적용할 경우 유통과정에 활용되는 소형화물트럭에 적용하여 보급하는 계획으로 추진 중에 있다. 이미 국내 화성농가, 논산농가, 광주농가에 DME를 연료로 보급하여 난방과 CO₂공급을 하는 실증연구를 거쳐서 상용화를 눈앞에 두고 있다.

DME는 지금까지 스프레이 추진제용으로 주로 활용되어, 그 수요가 국내에서 연간 1만톤 수준으로 원료인 메탄올로부터 DME를 생산하였다. 수요가 점진적으로 성장하여 연간 5만톤 시장까지 성장한다면 당분간 원료는 메탄올에서 DME를 생산하여야 할 것으로 보여지나 국내에서도 시장규모가 연간 10만톤으로 성장한다고 가정하면 해외 소규모 가스전이나 국내외 바이오매스 등에서 DME를 생산하는 사업도 고민하여야 할 것으로 보여진다. 이에 기존의 한국가스공사에서 개발한 DME 기술은 매우 유용한 기술로써 해외자원개발과 국내 에너지플랜트의 기술수출의 한 축으로 작용할 것이라고 믿어 의심치 않는다. 기관의 사업화 역량과 사업화 의지를 개발자에게 떠넘기는 식의 논란이 있었으나 새로운 연료시장은 시장경제 논리에 따라서 기획되고 개발된다면 좀 더 시장에 맞춰질 것이라 내다본다. ㈜)바이오프랜즈는 메탄올에서 DME를 생산하는 고효율의 플랜트 기술 개발에 박차를 가하고 있으며, 기존의 가스원료(바이오가스, 폐기물 가스화, 석탄가스화 등)으로부터 생산하는 DME와 메탄올 병산하는 플랜트 기술에도 많은 기술개발을 기울이고 있다.

 

중소규모 소비처 발굴해 시장 접근해야

더욱이 DME는 ‘수소사회’의 한 축에서 수소를 생산하는데 매우 용이한 제조원료로 사용될 것이라 예측하고 있으며 많은 기술개발과 실증시범사업을 수행 중에 있다. 석유화학공장의 수소제조원료로 부탄이나 나프타보다 저렴한 가격에 도입된다면 석유화학 공정의 수소 생산원으로 훌륭한 가능성을 지니고 있다. 더욱이 수소전기차에 사용되는 수소제조에 대해서는 천연가스, LPG와 거의 비슷한 출발선에 있기 때문에 DME로부터 소규모 수소 생산 설비에서도 기존의 원료를 대체하는 좋은 방안이 될 수 있다. 다만 국내에서는 아직 연료용으로 DME를 대량 유통, 생산하는 수요처가 개발되지 않아 우선적으로 산업용으로나 소규모 분산 발전용도로 중소규모 소비처를 발굴하여 시장에 접근할 필요가 있어 보인다.

지난 9월 10일부터 미국 캘리포니아 새크라멘토에서 개최된 DME8에서는 전 세계의 저명한 석학과 DME 상용화에 성공한 기업에서 참여하여 다양한 DME 응용분야와 시범보급을 소개한 바 있으며, 국내에서도 울산대학교, 한국에너지기술연구원과 ㈜바이오프랜즈에서 국내 DME 사업소개를 진행했다. 향후 DME 연료 보급사업과 국내외 시범보급 사업, 기존 사업영역에 대해서 더 많은 지면을 통해서 관심이 있는 독자에게 전할 방침이다.

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