[논문]DME 상용화 플랜트 예비 타당성 조사

모용기; 강민서; 송택용; 백영순; 조원준

doi:10.7316/khnes.2014.25.2.173

DME 상용화 플랜트 예비 타당성 조사
Preliminary Feasibility Study for Commercial DME Plant Project 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.25 no.2, 2014년, pp.173 - 182

모용기 (한국가스공사 연구개발원 DME기술연구센터) , 강민서 (한국가스공사 연구개발원 DME기술연구센터) , 송택용 (한국가스공사 연구개발원 DME기술연구센터) , 백영순 (한국가스공사 연구개발원 DME기술연구센터) , 조원준 (한국가스공사 연구개발원 DME기술연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Dimethyl ether (DME) is a new clean fuel as an environmentally-being energy resources. DME has similar characteristics to those of LPG and can be substituted Diesel fuel. KOGAS has investigated and developed new innovative DME synthesis process from synthesis gas with KOGAS's own technologies. KOGAS had finished the construction of 10ton/day DME demonstration plant in 2008, we have established the basic design of commercial plant which can produce 3,000ton/day DME. Specifically, an economic model for a commercial DME project will be presented. It accounts for all the major cost factors that are considered in a commercial scale project as the model input for performing cash flow analysis, after which key economic indicators are produced including the internal rate of return (IRR), net present value (NPV). Sensitivity analysis is performed to identify dominant cost factors to the project economics and quantify their impact. The inputs to the economic analysis will be based on representative cost factors from the commercial-scale design of KOGAS' direct DME process supplemented by literature data. Case study results will be presented based on recent commercialization projects.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 보다 저비용이며 효율적인 CO2 분리공정을 위하여 보다 콤팩트한 CO2 분리막 공정 시스템을 개발하였다.
본 연구에서는 중동 및 아시아 등 해외에서 공급되는 천연가스를 원료로 하는 30만톤/년 규모의 DME 플랜트에 대한 상용기술을 언급하고 사업타당성의 경제성 평가를 수행하여 그 결과를 다음과 같이 요약하였다.
본 연구에서는 한국가스공사에서 독자적인 기술개발로 국산화에 성공한 DME 생산기술을 기반으로, 연간 30만톤 DME생산 플랜트에 대한 예비 사업타당성 조사를 실시하였으며, 기술성, 시장성, 경제성으로 분류하여 DME상용화 사업의 타당성을 검토하였다.
등을 효과적으로 제거 분리하여 효율을 높였다. 제조된 합성가스로부터 DME를 직접 합성하는 공정을 개발하였으며 이는 국내 가스화학플랜트의 독자적 기술로 평가받고 있으며, 공정개선, 최적화를 통하여 상용플랜트 기술 가치를 높이고자 한다.

가설 설정

30만톤/년 DME 생산 상용 플랜트에 공급되는 원료 가스는 중동이나 동남아시아에서 생산되는 천연가스를 배관을 통하여 공급 받는다고 가정하였다. 생산된 DME는 연간 30만톤으로 1/3에 해당하는 10만톤은 중동 및 아시아 소비용으로 판매하고 나머지 20만톤을 국내로 도입하는 것으로 간주하였다.
0/MMBtu으로 선정하였다. 플랜트 공사기간은 3년, 총 운전기간은 20년으로 가정하여 현금흐름분석(Cash flow Analysis)방법을 도입하였다.

제안 방법

Table 2에서 Site I은 30만톤/년 DME 생산플랜트의 경제성 분석 전제조건이며, Site II는 100만톤/년 DME 생산 플랜트의 경제성 분석 전제조건이다. 100만톤/년 DME 생산 플랜트의 경제성 분석은 30만톤/년 DME 생산 플랜트를 기준으로 Estimating factor를 적용하여 scale-up하여 실시하였다.
1은 2011년도에 2010년을 기준으로 LPG 와 DME의 향후 2035년까지 가격 전망을 나타낸 그래프 이다. LPG 가격은 미국 에너지정보청(EIA, 미국)에서 예측한 에너지 가격이며, DME는 현재까지 시장 규모가 작고 새로운 연료로서 가격 예측이 매우 어렵기 때문에 DME를 LPG 대비 동일 발열량(LPG의 63%)으로 환산하여 LPG 가격으로부터 DME 가격을 예측을 하였다.
이를 토대로 예측하면 2011년에서 2035년까지 평균 DME 가격은 $ 678/ton이 된다. 본 연구에서는 DME 판매 가격을 예측된 가격에 비하여 보수적인 관점을 적용하여 약 $ 650/ton으로 책정하였다. DME 연료는 기존의 화석연료와 비교할 경우 연소배기가스가 매우 청정한 연료로써 기후변화 대응에도 적절한 해결책으로 제시되고 있는 상황에서 $ 650/ton이란 판매 가격은 매우 높은 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 자본비용(CAPEX) 및 운영비용(OPEX)으로 경제성 분석을 수행 하였으며 전제조건 및 결과는 다음과 같다.
세 번째로 DME를 합성하는 ‘DME synthesis section’은 CO2가 제거된 합성가스로부터 DME를 합성하는 공정으로 합성가스로부터 DME를 직접 합성하는 직접합성공정을 적용하였다.
DME 직접합성법은 기존 간접합성법에 비하여 공정이 단순하면서 효율이 높기 때문에 훨씬 경제적이다. 여기서 사용되는 DME 촉매의 주성분은 CuO-ZnO-Al₂O₃/ɤ-Al₂O₃이며 CO₂/CO의 역수성반응(Reverse Water Gas Shift Reaction) 향상 및 DME의 선택도를 높이기 위하여 첨가물을 넣어 제조하였고 반응기에 공급되는 합성가스의 비율이 1.0~1.5에서 최적의 효율을 나타내는 촉매를 개발하였다(Fig. 6).
효율적인 반응열 제거를 위해 실증 플랜트의 DME 합성반응기에서는 Shell&Tube형태의 고정층 촉매 반응기를 적용하였으며, Fig. 7과 같이 자연 순환식 방법과 강제 순환식 방법을 병행하여 사용하는 시스템으로 구성하여 운영하였다12,14-15).

대상 데이터

그리고 국내로 도입되는 연간 20만톤의 DME는 국내 판매를 위해 해상운송 및 저장까지의 계획을 수립하여 수익성 분석에 반영하였다. 플랜트가 해외에 건설되는 점을 고려하여 원료 및 연료로 사용되는 천연가스의 가격은 $ 4.0/MMBtu으로 선정하였다. 플랜트 공사기간은 3년, 총 운전기간은 20년으로 가정하여 현금흐름분석(Cash flow Analysis)방법을 도입하였다.

데이터처리

앞서 개발된 경제성 분석 모델을 가지고 천연가스와 DME 판매 가격에 따른 내부수익률 (IRR)을 분석하는 민감도 분석을 실시하여 Fig. 14에 나타내었다.

성능/효과

DME 상용 플랜트의 경제성은 DME의 판매 가격의 영향보다 원료가스인 천연가스의 공급 가격에 대한 영향이 더 크게 나타났다.
Fig. 14에서 30만톤/년 DME 생산 플랜트에서 천연가스 공급가격 $ 5.0/MMBtu 기준으로 DME 판매가격이 각각 $ 500/ton, $ 550/ton, $ 600/ton, $ 650/ton일 때 IRR 민감도 분석 결과는 8.6%, 12.5%, 16.1%, 19.4%로 나타나서 천연가스 가격에 대한 민감도가 높다는 것을 알 수 있다.
KOGAS DME 직접합성공정을 적용한 DME 상용플랜트의 전체 공정 효율은 70.3%이며, 모든 공정은 실증플랜트(10톤/일)에서 최적화 되었다.
먼저 DME 수요는 2023년엔 1,139만톤/년으로 증가할 것으로 예상되며 현재 판매 가격인 $ 650/ton은 매우 높은 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
5%이며, 이때 NPV는 $ 123MM이다. 모든 비용요소를 적용하여 IRR, NPV 등의 경제지표들로 검토해본 결과 KOGAS DME 상용플랜트는 양호한 투자가치를 확보한 것으로 판단할 수 있다.
이를 통해 KOGAS DME 공정의 열효율이 Haldor-Topsöe사에서 발표한 열효율보다 상대적으로 더 높음을 알 수 있다.
6% 이상의 고순도·연료급 DME를 생산하게 된다⁹⁾ . 이와 같이 생산된 DME의 순도는 ISO Standard에서 규정하는 연료급 DME 순도인 99.5% 이상을 만족하는 결과이다.

후속연구

이러한 이유로 중국, 일본 등 에너지 수입 비중이 높으며 다소비 국가를 중심으로 DME 시장이 성장하고 있다. 유럽 및 미국을 중심으로 바이오매스를 원료물질로 DME를 생산하는 실증플랜트를 운영하는 등 세계적으로 활발히 연구가 진행되고 있으며 앞으로 청정 수송용 연료로 수요가 증가할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DME는 기존의 LPG 유통 인프라구조를 이용할 수 있는 이유는 무엇인가?	에너지 다원화와 지구온난화 등 기후변화에 대한 적극적 대응방안으로 떠오르는 DME는 환경 친화적인 에너지로서 LPG와 디젤 대체연료로서 주목을 받고 있다. DME는 물성이 액화석유가스(LPG)와 유사하여 기존의 LPG 유통 인프라구조를 이용할 수 있어 저렴한 비용으로 수송용, 가정용 및 상업용으로 보급이 가능한 연료이다1). 최근 천연가스 배관 공급이 어려운 농어촌 지역에서 소형 LPG 보급 사업이 활발히 진행되고 있는 상황에서 LPG와 혼합하거나 대체할 수 있는 DME는 타연료에 비하여 보다 저렴하게 공급이 가능하다2,3).
	한국가스공사에서 독자적으로 개발한 합성가스 제조 촉매는 삼중개질반응기를 이용하여 무엇에 의한 개질반응을 하는가?	한국가스공사에서 독자적으로 개발한 합성가스 제조 촉매는 삼중개질반응기를 이용하여 천연가스, .스팀, 산소, 이산화탄소에 의한 개질반응을 하여 H2와 CO로 구성된 합성가스를 생산한다10,11).
	DME가 디젤 기관의 경유 대체연료로서 활용이 가능한 이유는 무엇인가?	최근 천연가스 배관 공급이 어려운 농어촌 지역에서 소형 LPG 보급 사업이 활발히 진행되고 있는 상황에서 LPG와 혼합하거나 대체할 수 있는 DME는 타연료에 비하여 보다 저렴하게 공급이 가능하다2,3). 또한 자동차용 경유보다 높은 세탄가를 가지고 있어 압축착화가 가능하기 때문에 디젤 기관의 경유 대체연료로서 활용이 가능하고, 분자구조 내에 탄소-탄소간 결합이 없기 때문에(CH3-O-CH3) 연소시 매연이 거의 배출되지 않는 청정연료로서의 특성을 지니고 있다4)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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