GTL(Gas To Liquid) - CHERIC

특별기획

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 25, No. 1, 2007 … 23

최근급격한유가상승으로인하여 2005년현재우리나라원유도입액은연간 500억달러를초과한것으로추

산되고있으며, 신고유가시대를맞이하여천연가스를이용한합성석유제조기술개발의중요성이점차로부각

되고있는상황이다. GTL(Gas To Liquid 천연가스액화기술)이란천연가스를화학적으로가공하여액체상태

의 석유제품을 만들어내는 기술 및 제품을 통칭하는 말로서, 최종 제품이 액상의 제품인 관계로 기존의 가스전

개발방식이갖는다음과같은여러가지문제점들을해결할수있다. ①취급이용이한액체를다룸으로써가스

운반에따른원거리수송문제를해결할수있으며, ②별도의운반, 입출하, 저장등의시설을구축할필요없이

도기존시설을이용할수있으며, ③제품을직접생산함으로써즉시판매가가능하고고가에청정연료를판매

할 수 있는 장점이 있으며, ④ 수요지로부터 멀리 떨어져 있는 중소규모의 가스자원인 stranded gas의 활용이

가능하여 매장량이 약 1조 입방피트만 확보되어도 LNG 방식과 같이 별도의 운반설비 구축 없이 경제성 있게

활용이가능한것으로보고되고있다.

FT 합성기술에 기반한 GTL 기술은 가스전의 환경개선에 기여가 가능함과 동시에 유전에서 발생하는 가스

(flared gas)를 처리하여 합성 청정연료의 생산이 가능하다. 또한, 유황성분을 거의 포함하지 않는 청정한 액체

연료인 GTL 제품들이 원유를 정제하여 만들어지는 기존의 석유제품에 비하여 높은 시장가치를 얻을 수도 있

다. 일례로, 미국과 유럽, 일본 등 선진

국에서 자동차용 연료인 경유의 황 함

유량 규제치를 기존의 500ppm에서

2004년부터 이미 50ppm으로 강화하고

미래에는 10ppm 이하로 규제를 강화

시킬 전망이다. FT 합성유는 최근 교

토의정서발효에따라거세게압박되는

선진각국의환경규제강화에효과적으

로 대응할 수 있는 연료로서, Sasol의

LCA 결과에 의하면 GTL 합성연료는

유황성분 및 방향족 성분이 거의 없어

서 매연 및 질소산화물 배출량이 적고

GTL(Gas To Liquid) 전 기 원

한국화학연구원신화학연구단, [email protected]

그림 1. GTL 기술 개요.

특·별·기·획(Ⅰ)

24 … NICE, 제25권 제1호, 2007

기존제품과 비교하여 대기 산성화도를 40% 이상 감소시킬 수 있는 것으로 보고되어 있다. 또한,

PM(particulate matter) 배출량을 40% 이상저감할수있으며, FT 합성유에의한경유승용차의보급확대와

열효율증가에의하여온실가스배출량은12% 이상저감가능한것으로보고되고있다.

세계전체가스매장량 6,000tcf(=160조입방미터)로추정되는양중에서 75%가 stranded 가스전이며연간

15.5tcf의천연가스가위치상이용하기가어려워태워지거나대기중으로방출되고있는실정이므로미개발가스

전은상대적으로풍부하고가스전개발에대한참여기회는상대적으로더크다고볼수있다. GTL 기술개발에

있어서후발주자인우리나라의업체는기술을보유한외국회사와협력할수도있으나, 상용화에이미도달한주

요 기술 보유사의 경우는 기술 이전 자체를 기피하고 있는 상황이다. 따라서, 1차 에너지 중 석유 의존도가 약

46% 정도에달하는우리나라에서는GTL 공정을국내독자기술을이용하여성공적으로개발하여합성석유를

생산할필요성이대두되고있다.

천연가스의 액체연료화 기술은 촉매기술, 재료기술, 공정기술, 엔지니어링기술 등 화학, 화공, 기계분야의 각

요소기술이유기적으로결합되어야만개발될수있는종합기술로서, 본GTL 기술은미래의탈석유시대에대

비한타변환기술로의파급효과가클것으로기대된다. 또한, GTL(Gas To Liquid) →CTL(Coal To Liquid)

→ BTL(Biomass To Liquid)과같이대체에너지/재생가능에너지로의전환중간단계에서화석연료사용의다

변화시대도래에대비하여GTL 기술은그응용분야가향후더욱확장될것으로기대된다. 따라서, 본특별기

획에서는GTL 기술의개발동향을①천연가스 reforming 기술, ② FT 합성유제조기술및③FT 합성유의

자동차연료로서의적용에중점을두고서소개하고자한다.

GTL주현규·김학주·양정일·윤재경·정 헌

한국에너지기술연구원합성석유연구센타

{hkjoo, hakjukim, yangji, jyoon, jungh}@kier.re.kr

리포밍 기술 개론GTL(Gas To Liquid) 기술은, 유전에서 부산물로

배출되거나 양적 또는 지역적인 제한으로(remote 또

는 stranded) 경제적활용이어려운천연가스를대부

분 연소시켜 지구온난화의 주범인 CO2를 배출시키는

상황을극복하는방안으로주목을받고있다. 또한중

소규모 가스 자원의 활용, 석유 자원 고갈에 대응, 청

정연료제조가치, 그리고원유정제및출하설비이

용가능등의기술적정책적장점들로인하여상업플

랜트 가동을 비롯하여 많은 메이저 석유업체들의 주

요사업 아이템들이 되어 오고있다. GTL을 위한 리

포밍(reforming)은메탄이주성분인천연가스를합성

가스(synthesis gas, syngas)로 전환하는 공정으로,

합성가스를 액화하는 사용 기술에 따라 합성가스의

최적 조성에 차이가 있다. 합성가스는 일산화탄소와

수소의 혼합가스로 사용하는 촉매와 운전 조건에 따

라 메탄, 수소, 메탄올, 암모니아 및 oxygenates를 포

함한탄화수소를합성하는데사용될수있다[그림1].

리포밍 기술은 GTL을 비롯하여 CTL과 XTL 등

의 합성연료 제조 기술에 필수불가결한 세부 기술로

현재 메이저 기업들(Sasol, Shell, BP 등)에 의해 독

점되어 있는 상태이며, GTL의 경우 초기 투자비의



60% 이상을 차지하는 이유로 투자비의 절감을 위한

연구 개발이 집중적으로 이루어지고 있다. 이 기술의

특징을살펴보면다음과같다. 일단선진기술이전도

용이하지않으며(기술이전의경우도국산기술확보

가 관건이고, 전략적 원천 기술의 필요), 최종 액화물

의 종류(디젤, 납사 또는 DME)에 따라 요구되는

H2/CO 비가 다르며, 가스전의 규모 및 위치에 따라

적용 리포머 기술이 달라져야 한다[그림 2]. 일례로

autothermal reforming(ATR) 및 steam carbon

dioxide reforming(SCR, 복합리포밍)은각각장단점

이존재한다(ATR은기술개발에리스크가적고대형

GTL Plant에적합한기술(낮은 steam/HC 비, 높은

GHSV)이고 SCR은 신생 기술로 리스크가 있는 기

술이나 성공할 경우 중소규모의 stranded 가스전 활

용에이점이있음).

리포밍 기술 현황(ATR과 SCR)

최근의 추세는 GTL용 리포머로 ATR(Sasol,

ExxonMobil) 또는 POX(부분산화개질, Shell) 등의

CH4

HydrogenEconomy

Ammonia

CH3OH

CO + H2

C + H2O

CxHyCxHyOz

methane

Cu/ZnO

methanol carbon, water

carbon monoxide + hydrogen

higher alkohols,

aldehyds, acidshydrocarbons

(fuel, diesel, waxes)

Nitrogen

Fe

Fe, NiNi

Cu/ZnO

+Cs, Co...

그림 1. 합성가스의 대표적 활용분야.

TECHNOLOGY

SMR

CMR

ATR

MPG

H2 / CO Ratio of Syngas1 2 3 4

Acronym

SMR

POX

ATR

SMR+ATR

GHR+ATR

CR

Vendor PrincipalAdvantages

PrincipalDisadvantages

numerousNo oxygen plantneeded, maturetechnology

Good control overH2:CO, ease of wastestream disposal,mature technology

Can have very largesingle-unit train

Uses less oxygen thanstand-alone ATR,good heat balance

No oxygen plantneeded, compact,modular, good heatbalance

(1) Power is generated from excess steam (2) Efficiency is defined as the lower heating value of all natural gas supplied to the plant divided by the barrels of collected C5+ crude product (3) Carbon efficiency is defined as carbon in collected C5+ crude product divided by carbon in all natural gas supplied to the plant

Uses about 1/2 the O2of stand alone ATR,much larger single-unittrain than standaloneSMR, net waterexcess

Steam MethaneReforming

Chevron Texaco,Shell, Lurgi

Johnson Matthey(Synetix)

Davy ProcessTechnology

numerous

numerous

Partial Oxidation

Autothermal Reforming

Steam MethaneReforming

+AutothermalReforming

Gas-Heated Reforming+ Autothermal

Reforming

Compact Reformer

CapitalCost

ExportedPower(1)

CarbonEfficiency(3)

Applicationsthat are well

suited:Efficiency(2)

Single unit sizelimitation to about

10,000 bbl/day.Net water

consumption

Large exportedpower, large O2

requirement

Large O2requirement

ASU is still needed

Not yet commercialat large scale

Not yet commercial(presently in largedemo), net water

consumption.

low

high

middle

middle

highest

lowest ~6 ~60

~6

~9

~5

~0

~0 ~10

low 10's

low 11's

11's

11's

high 11's

(kWe-day/bbl) (MMB TU/bbl) (%)

~55

~60

~60

~65

~65

Remote sites withpower market andthat are capexsensitive.

Low gas cost andmarket for power

Very large single-train plants

Where largersingle train thanSMR and betterefficiency than ATRare desired, andwhere water isscarce.

Sites with no powermarket, high gascost

FPSO, sites withno power market,higt gas cost

Copyright Rentech, Inc. 200312/5/2002

그림 2. 리포밍 기술별 장단점 비교(리포밍 기술별 합성가스 조성비, 아래).


26 … NICE, 제25권 제1호, 2007

‘oxygen routes’ 기술을 사용하고 있으며, Conoco

Phillips는 CPOX(촉매부분산화개질), Syntroleum은

공기 사용 ATR을 사용하고 있다. 자료에 의하면(R.

Hansen, STATOIL, 2005; S. Walter et al., Lurgi,

2005; Peter Brook, Foster Wheeler Energy Limited

등) 500,000Nm3/h(18mscf/h) single train이상의 규

모에는 ATR이 적합하다 언급되고 있다. 현재 부가

장비의 규모로 ASU(3,600ton per day(tpd) O2),

ATR, 1train, 8,000tpd)로 17,000bpd GTL 합성원유

를 생산하는 정도이며, 2004년 7월에 현존 최대 규모

의 pearl project를 시작하는 agreement가 Shell과

Qatar Petroleum에 의해 체결되었다(2phases,

140,000bpd 규모, 2010여년경완공예정).

또한 2006년 10월에산소필요개질장치의단점을

보완하고, 남동아시아(인도네시아 등) 가스전에 다량

포함되어 경제성을 확보할 수 없었던 CO2를 반응물

로 사용하는 GTL 기술 개발(SCR)이 일본

JOGMEC을비롯한6개업체의컨소시엄으로시작되

었다(인도네시아의 가스전을 중심으로 150,000bpd

규모의GTL 플랜트에대한타당성조사를 Indonesia

state oil 및 Pertomina사와 진행함. 동남아의 1.75tcf

가스전의경우 150,000bpd 규모GTL 플랜트건설에

는 약 $460million($30,000/barrel)이 소요될 것으

로 예측함). SCR은 일본을 중심으로 가장 활발히 연

구되어왔으며, 1998년이후 7bpd급 demo 시설이운

전된바있다(건설기간 2000~2002년, 시운전 2004년

완료, 6,600시간이상의장기운전). 기초연구를통해

수증기 및 이산화탄소 복합 리포밍 공정에 적합한 촉

매의개발과반응기및공정설계를진행하고있으며,

촉매는 귀금속 계열로 최소 유량의 원료를 사용하여

합성가스 생산이 가능하고, 탄소 침적 저항성 강화에

가장주안점을두었다(Chiyoda, Nippon Steel Corp.).

국의 메이저 기업인 BP(British Petroleum)는

모듈화 컴팩트 리포밍 공정을 개발해 전체 합성가스

제조 공정의 무게 및 부피를 획기적으로 절감하 다.

이때공급되는원료는천연가스와수증기, FT 공정에

서 배출되는 이산화탄소로 복합 리포밍 공정의 형태

를 가지지만 생산되는 수소의 비율이 높아서 수소 분

리막을 이용해 합성가스의 최적 조성을 맞추고 있다.

알라스카에 300bpd 규모의 실증용 플랜트를 2001년

건설해 2002년부터 가동을 시작했으며(건설비용

$64million), 컴팩트 반응기의 테스트와 최적 운전

조건을 확립하 다. 호주의 Central Petroleum

Limited는자국내Amadeus 가스전개발에GTL 기

술을 적용하여 청정 경유를 생산하는 것이 가장 경제

적인 결론을 내렸으며 FT 공정을 위한 합성가스 생

산에 복합 리포밍 공정을 선택하 다. 자열개질 공정

이 상용 플랜트에 많이 적용되어 있지만 10,000bpd

규모로계획되고있는가스전개발에는자열개질보다

복합 리포밍 공정이 더 경제적인 것으로 결론을 내린

바있다. 남아공과카타르의GTL 공정에자열개질공

정을 공급한 Harldo Topsoe 측도 산소분리설비를 이

용하는 기존 ATR의 단점을 극복하기 위한 방법으로

이산화탄소의재순환을통한복합리포밍공정을제시

한바있으며, 전세계적으로복합리포밍공정핵심기

술및반응촉매에대한연구가활발히진행중이다.

수증기개질(SMR), POX 및ATR 반응에있어서

공업용 촉매로 거의 대부분 니켈계 촉매가 사용되고

있다. 탄화수소의 수증기 개질 촉매로서 니켈에 코발

트를 첨가한 지르코니아 담지 니켈 촉매가 공개된 바

있고 USP(4,026,823) 또 다른 방법으로 니켈 촉매에

란타늄, 세륨등의금속과은의적정비율을조촉매로

첨가한 것을 일반적인 담체인 알루미나, 실리카, 마그

네시아, 지르코니아 등에 담지한 촉매가 각각 공개된

바있다USP(4,060,498). 그러나이러한개질공정에서

는 개질촉매의 탄소 침적에 의한 촉매 비활성화 방지

가가장큰문제로발생하는데니켈촉매에소량의귀

금속을 사용함으로서 탄소 침적을 억제할 수 있다는

연구결과가발표되기도하 다. 국내에서는리포밍관

련다음과같은기술개발과제를수행한적이있으나

(화학연구원, 에너지기술연구원, 남대, 성균관대등),

FT용합성가스생산을위한과제는수행된적이없다.



현 기술상태의 취약성국내에서는 수소연료전지사회 구현에 필요한 수소

제조용 개질기 연구는 일부 진행되어 왔으나, 아직까

지 FT합성유 제조를 목적으로 하는 합성가스 제조

개질 연구는 많이 이뤄지지 않아 이의 연구가 시급하

다. 국내외를막론하고, 현기술은앞서리포밍기술의

비교에서도 언급했듯이 산소가 필요하여 ASU가 필

요하다는것이큰설비비비중을차지하게되었다. 그

러므로 ASU 기술의 발전은 전체 플랜트 건설비(전

체의약 30%)를줄일수있으며, 산소의소비를줄이

거나 H2O/C(steam/C, S/C)의 비율을 낮추는 시도,

그리고 공기를 사용할 수 있는 기술이 필요할 것으로

판단되며, 더불어 열효율을 향상시킬 수 있는 반응기

디자인 또는 컴팩트 리포밍 기술이 필요할 것으로 판

단된다.

KIER의 제안 GTL 리포밍 기술한국에너지기술연구원(KIER)에서는 천연가스로

부터합성유를제조하는과제의세부주관기관으로천

연가스로부터합성가스를제조하는연구 “천연가스로

부터 FT합성용 합성가스의 제조 기술 개발”를 2006.

8. 1일자로 시작하 다. 본 과제의 단계별 목표는 아

래와 같으며, 이를 위한 새로 제안된 개질 기술의 비

교를 기존 개질 기술과 비교하여 도식으로 표현하

다. 먼저 KIER-ATR은 본 센타에 축적되어 있는

electrically heated catalyst(EHC) 기술을 버너 대용

으로사용하고자하며, CPOx와 SMR을동시에구현

하는 방안이 첨부되었다. 또한 KIER-SCR은 riser

tube 형태의반응기를사용하여열효율을증가시키고,

CO2를반응물로사용하는기술이제안되었다.

리포밍 기술의 파급효과약 6,000Tcf(약 4,500Tcf stranded/remote, 1Tcf

는 30년 동안 하루에 만배럴의 합성연료 생산이 가능

한 양)의 매장량을 보유한 천연가스의 활용 기술 개

발은 앞서 언급한 지구온난화 방지, 청정 연료 보급,

석유대체 관련 포트폴리오 전개에 이바지할 뿐 아니

라 플랜트 수출 등의 국가 산업/경제에 이바지하는

바가 클 것으로 판단된다. 또한 정책적으로는 에너지

안보 대책, 최근 발효된 교토의정서와 관련 거세지는

각국의 환경 규제에 대응, 빠르게 증가하는 세계적인

디젤수요와엄격해지는황함유량및스펙규제에대

한대처등을확보할수있다.

리포밍 관련 기술의 특허 현황현재 국내외 출원된 특허의 수를 세부 기술별로 조

사해 보면, 합성가스의 제조 분야에 약 30건, 분리/정

제에 약 10건 등으로 합성가스로부터 탄화수소를 제

조하는기술인약 80건보다적은것으로나타났다. 직

접 관련 특허는 수건에 불과하며, 해외특허는

‘Autothermal refoming’을 검색어로 사용하 을 때

약80건이다(미국공개 20건, 미국등록 18건, 유럽공개

29건, PCT 9건, 일본PAJ 4건으로조사되었다).

1단계：

–FT용 합성가스 제조촉매 및 반응기 개발：0.1

bpd 규모합성유제조용ATR 및 SCR 리포머

개발및1bpd급(10,000NG cfd) 파일롯설계

–CH4 전환율 > 95%, H2+Co selectivity > 90%,

H2/Co 2.0

2단계：

–1bpd급(10,000NG cfd) 파일롯플랜트제작및

운전및실증플랜트(100bpd급) 기본설계

그림 3. 전형적인 리포밍 기술과 KIER 리포밍 기술 비교.


28 … NICE, 제25권 제1호, 2007

시장현황 및 사업화전망BP의 CEO는 다음과 같이 말하며, 가스 소비 증가

를언급한적이있다.

“...though oil remains a vital fuel..., technical

advances have encouraged gas consumption, as has

the desire to move to fuels that emit less carbon.”

이러한 언급 외에도, 현재 미개발 상태나 태워버리

는 천연가스가 많은 이유는 충분한 양이 아니거나 시

장과 거리가 먼 지역에 존재하여 수송비가 많이 소요

되기 때문으로 알려져 있다(2004년 기준, 태워버리는

천연가스 양이 10billion ft3/day로 유럽 하루 사용량

의25% 또는미국하루소비량의17%에해당). 그러

므로 이를 경제적으로 활용하고 청정 수송연료의 필

요성이 증가함에 따라 액화가 반드시 필요하게 되었

으며 연료나 화학원료로 사용하기 위해서는 GTL 기

술활용이필수적으로인식되고있다.

GTL 제품은 환경오염물질이 거의 없어 최근 선진

국들을 중심으로 한 환경규제 강화 추세에 효과적으

로 대응할 수 있는 청정연료이기 때문에 앞으로 경유

승용차의 보급시 대기환경의 개선을 위한 최선의 해

결책을 제시하게 될 것이다(GTL 합성연료: 유황성

분/방향족 없음, 매연/질소산화물 낮음 → 기존제품

에 비해 대기산성화도 40% 이상 감소, PM 배출 저

감 40%, 열효율 증가에 의한 CO2 저배출 → 기존제

품에 비해 온실가스 배출 12% 저감). 경제성 문제가

걸림돌이었으나, 현재 고유가 시대 도래에 대한 위기

감 및 디젤 수요 증대, 연료의 청정화 등의 상황에서

충분한 시장성 및 사업화가 가능하리라 판단되어 많

은 메이저 석유회사 및 엔지니어링회사 등에서 거대

한프로젝트들을수행하거나계획하고있다.

세계 강국들은 현재 에너지 전쟁 중으로 에너지에

대한 관심도가 집중되고 있다(미국(이라크 전쟁), 중

국(석유회사 인수, 2005. 8.), 일본(러시와의 송유관

분쟁, 2005. 7. 10) 그리고최근최대규모유전인카샤

카유전지분확보노력(미국, 프랑스, 중국, 카자흐스

탄); 2006. 4. 22~, 중국사우디와송유관, 석유단지

건설(5조원) 합의, 나이지리아에 40억 달러 투자

(CNPC의 유전개발입찰 우선권 등)와 바로 전 주 27

억달러 출자로 2008년 이후 나이지리아 유전 지분의

45% 인수). 이러한 일련의 사건들이 사업화 전망을

밝게 해준다는 것은 자명하다. 또한 [그림 5]에서 보

듯이 천연가스 매장된 지역이 아프리카와 중동, 러시

아에치중되어있으며, 그러므로GTL 플랜트도이들

지역과매장량등에따라결정될것으로판단된다.

감사의본 연구는 에너지자원기술개발사업의 일환으로 수

행되고 있으며, 참여기업들(대림산업(주), 두산메카

텍(주), 한국석유공사, 현대엔지니어링(주), SK(주))

의참여와기여에감사드립니다.

그림 4. GTL 관련 특허 출원 현황.

source: shell / EFI Conference 2000. Oll & Gas Journal

Gas

Res

erve

s, T

rilli

on m

3

Life

time,

yea

rs

NorthAmerica

S & CAmerica

Europe Africa MiddleEast

Russia AsiaPacific

60

50

40

30

20

10

0

300

200

100

0

56.7

106

10.338

282

49.5

215

11.2

5.112

68

6.310

7.3

그림 5. 지역별 천연 가스 매장량 분포.

특·별·기·획(Ⅱ)


FT 기술의 중요성GTL(Gas To Liquid, 천연가스 액화기술)이란 천

연가스를 화학적, 물리적으로 가공하여 액체(liquid)

상태의 석유제품을 만들어내는 기술 및 제품을 통칭

하는말이다. GTL 제품으로는경유, 휘발유, 납사, 왁

스, 메탄올등많은종류가있는데, 기존의석유제품이

원유를 정제하여 얻는 것인데 비해 GTL은 천연가스

를가공해서얻는다는점이가장큰차이점이다. 전통

적인 GTL 기술은 천연가스로부터 합성가스(CO+

H2)를 거쳐 액체 연료 또는 화학제품을 제조하는 기

술을 말하며 그 2차, 3차 제품까지 포함할 경우에는

매우 다양한 제품군이 형성될 수 있다. GTL 합성유

는 유황성분을 거의 포함되지 않고 방향족 화합물의

함유량이 매우 낮은 이유로 원유를 정제하여 만들어

지는 기존의 석유제품에 비하여 매우 청정한 연료로

최근 선진국들을 중심으로 한 환경규제 강화 추세에

효과적으로 대응할 수 있는 제품이 된다. 그리고

GTL 사업은 천연가스를 원료로 하면서 최종 제품이

액상의 제품인 관계로 기존의 가스전 개발방식이 갖

는여러가지어려운문제점들을극복할수있으며고

유가시대 도래와 함께 경쟁력 있는 산업으로 전개될

전망이다. 우리나라 산업과 경제에서 석유가 차지하

는비중, 고유가시대도래와불안한세계석유시장정

황 등으로 볼 때, 자주개발원유 확보를 위한 하나의

방안으로 GTL 기술을 이용할 수 있다. 또한 해외에

서 활발히 전개되고 있는 GTL 플랜트 건설 사업에

국내 엔지니어링사, 플랜트 설비 제작사 및 건설사들

의사업참여기회확대를위해서도국내관련기술의

확보가매우필요하다할수있다.

이 기술에 있어서는 Fe나 Co 촉매상에서 합성가스

로부터 액체 탄화수소를 만드는 Fischer-Tropsch

(FT) 합성반응이 핵심이 된다. FT 합성반응은 석탄

으로부터 합성석유를 만들기 위한 방법으로 원래 개

발된 것이고 남아공의 Sasol도 이를 이용하여 자국의

풍부한석탄으로부터합성석유를지난 50여년간제조

하여 사용해 왔다. 이와 같이 FT 합성반응은 CTL

(Coal To Liquid) 및 BTL(Biomass To Liquid) 기

술에도쉽게접목하여활용이가능하다. 미래의탈석

유시대에적극적인대비하여대체에너지/재생가능에

너지로의 전환 중간단계로 화석연료 사용의 다변화

시대도래에대비할수있는기술일뿐아니라재생가

능에너지인 바이오매스를 적극적으로 활용하기 위한

기술이될수있다.

FT 기술 개발 현황GTL 기술의핵심공정인FT 합성법은 1923년독

일의화학자Fischer와Tropsch가석탄가스화에의한

합성가스로부터 합성연료를 제조하는 기술을 개발한

데서 처음으로 시작되었다. FT 합성반응은 철 또는

코발트를촉매로사용하여200~350℃의반응온도와

10~30기압의 압력에서 수행되는 다음과 같이 4개의

주요반응으로이루어져있다.

(a) Chain growth in FT synthesis

CO + 2H2 → -CH2- + H2O

△H(227℃) = -165kJ/mol

(b) Methanation

CO + 3H2 →CH4 + H2O

△H(227℃) = -215kJ/mol

(c) Water gas shift reaction

CO + H2O ↔CO2 + H2

△H(227℃) = -40kJ/mol

Fischer-Tropsch전 기 원

한국화학연구원신화학연구단, [email protected]


30 … NICE, 제25권 제1호, 2007

(d) Boudouard reaction

2CO ↔C + CO2

△H(227℃) = -134kJ/mol

주요 생성물인 직쇄상 탄화수소의 생성

mechanism은 주로 Schulz-Flory의 polymerization

kinetic scheme으로 설명되고 있으며[그림 1], FT

공정에서는 60%이상이 경유보다 고비점인 생성물이

1차로 합성되므로[그림 2] 수첨분해의 후속 공정을

거쳐서 경유를 추가로 생산하고, 탈왁스 공정을 거쳐

서왁스성분은고품질의윤활기유로전환된다.

일반적으로 정유플랜트에 적용되는 상압잔사유나

감압잔사유를처리하는개질공정은지금까지촉매및

공정기술의 개선으로 신뢰성이 확보된 기술이지만

FT 합성유는 정유플랜트의 개질공정에서 처리되는

원료와는 성상 및 물성이 매우 상이하므로 적절한 탄

화수소개질공정을선정할필요성이있다. FT 1차생

산품을 처리하는 공정으로는 수첨분해, 탈왁스, 이성

질화, 알킬화 등을 들 수 있으며, FT 반응의 주요 생

성물로는 나프타, 중간유분(middle distillate), 알파-

올레핀, 옥시게네이트와 왁스 등의 제품이 포함된다.

FT 합성유는고품질경유(높은세탄가, 무황, 무방향

족)의 생산에는 적합하나 휘발유 생산에는 옥탄가가

낮아 후차적인 처리가 많이 요구되어 화학산업 기간

원료인나프타로사용하는것이나을수있다.

1) FT 촉매개발현황

FT 합성반응에 유효한 금속성분으로는 니켈, 철,

코발트, 루테늄 등이 있다. 이 중 니켈은 메탄화 반응

의 선택성이 너무 큰 문제점이 있으며 루테늄은 너무

고가인 문제가 있으므로 결국 철과 코발트 계열의 촉

매가 상업적으로 사용되고 있다. 철과 코발트계의 촉

매에는 [그림 3]에서 보인 바와 같이 반응성, 선택도

향상및열적안정성증가등의목적으로추가로여러

조촉매를 첨가하여 제조되고 있으며 주로 사용되는

금속으로는 Ru, Rh, Pt 계열의 귀금속과 K, Zn, La,

Mg 등의다양한메탈옥사이드를사용하여상업용촉

매로활용되고있는실정이다.

FT 합성반응을 위해서는 철 및 코발트계열 등의

그림 1. Chain Growth Probability of F-T Synthesis.

그림 3. FT 합성 촉매의 주성분 및 조촉매.

C1

C2-C4

C5-C9C10-C20

C21+

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

00 0.1 0.2 .0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

PROBABILITY OF CHAIN GROWTH

SE

LEC

TIV

ITY,

C-%

그림 2. FT 합성 생성물의 분포.



촉매가 주로 사용되는데, 초기에는 철계 촉매가 주로

사용되었으나최근에는액체연료나왁스의생산을늘

리고 전환율을 향상시키기 위해서 코발트 촉매가 주

류를이루는추세이다. 철계및코발트계촉매의특성

은다음의[표1]과같이정리할수있다.

2) FT 반응기개발현황

FT 합성공정의 발전은 Sasol에서의 오랜개발경험

에 기초하여 촉매와 함께 반응기의 진보가 주로 이루

어졌으며, 초기의 고정상 반응기에서 순환식 유동층

반응기로 그리고 고정식 유동층 반응기와 슬러리 반

응기로 점차로 FT 반응기 형태가 진보하여 왔으며

[그림4], 최근의Sasol에서는슬러리반응기를사용하

면 기존의 다관식 고정상반응기에 비해 plant 비용을

25~30% 절감할 수 있다고 보고한 바 있다. 고정상

반응기 및 슬러리 반응기는 중간유분과 왁스를 주로

생산하는 저온FT(LTFT) 공정에 사용되고 순환식

유동층 반응기와 고정식 유동층 반응기는 나프타와

올레핀을 주로 생산하는 고온FT(HTFT) 공정이 사

용되는 것으로 알려져 있으며 각 공정에서 생성물의

선택성은[표2]에나타내는바와같다.

이외에도 Shell의 SMDS(Shell Middle Distillate

표 1. FT 합성 반응을 위한 Fe계 촉매와 Co계 촉매의 특성 비교

Fe-based 촉매 Co-based 촉매

FT 촉매 중 가장 저가이며 고온에서 메탄 생성이 낮으며,탄화수소 중 올레핀의 선택성이 높음

제품은 연료로의 용도 이외에 경질 올레핀이나 알파올레핀로서 화학산업 원료로 사용되며, 탄화수소이외에도 알콜, 알데히드, 케톤 등의 부산물이 많음

Sasol의 왁스 생산을 위해 주로 사용되고 있는 저온 FT철계 상용 촉매는 Cu와 K의 성분이 조촉매로 함유되어있고 SiO2가 바인더로 사용되고 있으며 침전법으로 제조됨

Sasol의 고온 FT 촉매는 마그네타이트와 K, 알루미나,MgO 등을 용융시켜 제조함

철계 촉매는 사용 전에 반드시 수소나 합성가스로 환원처리되어야 함

Fe 촉매에 비해 200배 이상 고가인 단점이 있음

높은 활성과 긴 수명 그리고 CO2 생성이 낮으면서 액체파라핀계 탄화수소의 생성 수율이 높은 장점이 있음

CO2가 다량 포함된 합성가스에서는 활성이 낮아지는 문제가 있다고 보고됨

고온에서는 CH4을 다량 생산하는 문제가 있어 저온 촉매로만 사용이 가능함

고가인 이유로 알루미나, 실리카, 티타니아 등의 고표면적의 안정적인 지지체 위에 잘 분산시켜야 하며 소량의Pt, Ru, Re 등의 귀금속 조촉매가 추가로 첨가됨

그림 4. Sasol의 FT 반응기 형태.

CH4 4 7

C2 to C4 olefins 4 24

C2 to C4 paraffins 4 6

Gasoline 18 36

Middle distillate 19 12

Heavy oils and waxes 48 9

Oxygenates 3 6

LTFT: 저온 F-T 합성공정, HTFT: 고온 F-T 합성공정

표 2. Sasol 공정에서의 생성물들의 선택성(탄소기준)

Product LTFT HTFT


32 … NICE, 제25권 제1호, 2007

Synthesis) 공정은촉매를사용치않는부분산화법으

로합성가스를제조하고FT 반응기로는다관식고정

상 반응기를 사용하고 후단에 고비점 유분을 수첨분

해시켜 중간유분으로 변환시키는 공정을 개발한 바

있으며, 1994년에 상용화를 시작하여 현재 추가로 개

선된공정을상용화예정인것으로보고되고있다.

Exxon사에서는 FT 반응기로는 slurry bubble-

column reactor를 사용하고 촉매로는 코발트를 사용

하는 공정의 개발을 마치고 현재 상용화가 진행 중인

것으로 알려져 있으며, Syntroleum사에서는 산소를

분리하지않고공기를직접사용하는ATR 방식으로

합성가스를 생산하고 두 단계의 slurry FT 반응기에

서 코발트 촉매를 사용하며 tail gas는 재순환하지 않

는공정을개발하 다고보고되어있다. FT 생성물은

정제 및 수첨분해 공정을 통해 하계용 경유, 동계용

경유, 제트연료, 나프타 등의 최종품으로 생산하며 타

공정에비해서경제적이고소규모가스전에도사용할

수 있는 장점이 있다고 주장하고 있으며, 현재

Oklahoma에서 100bpd의 실증플랜트가 운 중인 것

으로보고되고있다.

3) FT 공정개발및상업화현황

기존의 FT 공정 개발의 주된 흐름은 투자비용의

절감을 위하여 GTL 플랜트의 대형화 및 이를 위한

단위반응기의대형화가능기술의개발에치중하 으

나 이는 이미 어느 정도는 Sasol이나 Shell에 의해 이

루어지고 있는 추세이다. 따라서, 운전비용의 절감을

위해서는 열효율과 탄소효율의 추가향상이 필요한데

이를위해서는좀더높은생산성과선택성을갖는FT

합성기술의 개발이 필요하여 이 분야에 대한 연구가

현재많이진행되고있는실정이다. 이와함께, 기존의

대규모 GTL 방식과 더불어 소규모이면서 이동 가능

한 플랜트 기술개발도 병행하여 이루어지고 있는 실

정이다. 소규모 플랜트는 입지조건이 훨씬 유리해지

고 대상 가스전 선정에 제한이 줄어드는 이점이 있으

나 아직 이러한 GTL 플랜트 기술이 상용수준으로는

개발되지 않았다. 다음의 [그림 5]에서 보는 바와 같

이 남아공과 말레이시아의 기존 상업화된 GTL 공정

과함께, 현재 진행 중에 있는 카타르 GTL 프로젝트

를필두로하여전세계에서많은GTL 프로젝트가진

행될 예정인 것으로 알려져 있으며 이는 향후 고유가

그림 5. 전세계 GTL 상업화 플랜트 및 개발 계획.



시대의 지속 가능성에 대비하여 각국에서 에너지 안

보 문제에 대한 관심이 점차로 증대되고 있다는 반증

이기도하다.

다음의 [표 3]에서는 각사별 FT 합성기술 보유현

황 및 각 공정의 특징을 나타내었으며, 이와 관련된

미국 등록 특허 중 합성가스에서 FT 합성유 제조관

련특허는전체 458건이검색되었으며대부분은미국

에서출원되었다. 특히연도별특허등록추이를살펴

보면70년대와80년대초의오일쇼크때각각많은연

구가 진행되었음을 알 수 있으며, 2000년대에 들어서

신고유가시대로접어들면서합성유제조특허의등록

수가 급격히 늘어나는 있는 추세이다. 이중에서도 FT

합성유 제조관련 특허는 Exxonmobil, Chevron, Shell,

Coconophillips 등과같은대부분미국계회사들에서활

발히 출원되고 있으며 그 밖의 프랑스계 Francais du

Petrole와남아공의Sasol 회사가눈에띈다.

4) 국내FT 기술개발현황

국내의 FT 합성반응에 대한 연구는 한국화학연구

원, 엘지환경연구원, 경희대 등에서 지난 10년간 이산

화탄소의 활용 또는 바이오매스의 활용 목적으로 연

구과제가수행되어산업재산권을확보하고있으나경

제적인 수소 공급의 어려움 때문에 현재는 활용되지

는 못하고 있는 실정이다. 이산화탄소의 수소화 반응

의경우는mini-pilot 수준(<0.1 bbl/d)의개발까지진

행된바있으나, 국내의FT 반응에대한연구는청정

연료를 겨냥하기 보다는 알파-올레핀 또는 윤활기유

의 생산을 목표로 수행되었다. 따라서, 현재까지의 국

내의FT 촉매개발경험은이산화탄소의수소화를목

표로 하 기 때문에 거의 철계 촉매만을 개발대상이

되었으며 최근 들어 일산화탄소의 수소화를 위하여

코발트 촉매를 시험한 바는 있으나 아직 독자적인 촉

매개발이되지는않았다. 국내FT 반응공정개발은주

로 FBR 위주로 수행되었으며 실험실 규모에서 기초

적으로슬러리반응기를시험한바는있으나이산화탄

소의수소화에는적합하지못하여중단한상태이다.

연구 개발 추진 방향 및 경제성Fisher와 Tropsch에 의하여 FT 합성법이 발견된

이후로 괄목한 만한 GTL 공정상의 발전이 이루어졌

지만, 여전히 현 FT 기술에는 다음과 같은 개선점이

존재하고 있으며 향후에도 하기 서술 분야에 관한 연

구가 활발하게 진행될 것으로 판단된다. 먼저 ①

GTL 기술이 더욱 경쟁력을 지니기 위해서는 자본비

용와 운전비용을 절감하기 위한 공정의 개발이 필요

하며, 특히 자본비용을 절감하기 위해서는 대형의 싱

-트레인플랜트와같이장치의대형화기술이필요

함과 동시에 운전비용 절감을 위해서는 촉매 및 공정

개선에 의한 열효율와 탄소효율을 추가로 향상할 필

요성이 존재한다. 이와 함께, ② 소규모의 한계가스전

(stranded gas)에도 적용이 가능한 compact process

를개발하여경제성이우수한GTL 공정개발이병행

되어야 한다. 일반적으로 알려진 바에 의하며 현재의

60%수준의 열효율은 향후 73%까지 향상될 수 있을

Sasol 34000bbl/d 건설중 Slurry Co 촉매

Shell 12000bbl/d 상용화 FBR Co 촉매

ExxonMobil 300bbl/d 실증화 Slurry Co 촉매

Syntroleum 100bbl/d 실증화 Slurry Co 촉매

Rentech 235bbl/d 실증화 Slurry Fe 촉매

ConocoPhillips 400bbl/d 실증화 FBR Co 촉매

BP 300bbl/d 실증화 FBR Co 촉매

JOGMEC 7bbl/d 파이롯트 Slurry Co 촉매

표 3. FT 공정 기술 보유 현황 및 각사의 공정별 특징

기술보유사 수준 반응기 형태 촉매

특·별·기·획(Ⅲ)

34 … NICE, 제25권 제1호, 2007

것으로 예상되며, 77% 수준의 탄소효율은 향후 90%

까지향상이가능하여향후GTL 공정은더욱경쟁력

을지닐것으로예상되고있다. 또한, 국내의FT 반응

에대한연구도향후중간유분의제조기술부분에대

한 연구를 수행할 필요성이 있으므로 철계 촉매 이외

에도 최근의 선진국의 추세에 맞추어 고활성/선택성

의 코발트 촉매의 개발이 시급하다. 현재까지 FBR

위주로수행되었던연구도GTL 공정개발을위한확

대 규모의 FT 반응용 고효율 슬러리 반응기의 개발

이필요하다고판단된다.

국내 GTL 기술 개발에 의한 독자 공정의 보유는

향후 가스전이나 가스하이드레이트(국내 예: 동해에

매장된 메탄하이드레이트는 약 6억톤 규모로써 국내

소비량의 30년분에해당함)를유전으로변환시킬수

있는기술의확보차원과미래의탈석유시대에대비

한 타 변환기술로의 파급효과가 클 것으로 예상된다.

이와 함께, 저가의 합성석유 사용이 가능함으로써 외

화지출절약이가능하여년간수십억달러이상의외

화절감효과가있을것으로추산된다. 이는고유가시

대 도래와 불안한 세계 석유시장에서의 자주적인 합

성석유 기술의 확보와 해외 가스전 개발에 의한 국가

에너지 안보 구현을 가능하게 할 수 있으며, 현재 국

내의 1차 에너지 중 석유 의존도를 낮추는데 기여할

수 있을 것으로 예상된다. 또한, GTL 제품은 환경오

염물질이 거의 없어 최근 선진국들을 중심으로 한 환

경규제 강화 추세에 효과적으로 대응할 수 있는 청정

연료이기 때문에 앞으로 경유 승용차의 보급시 대기

환경의 개선을 위한 최선의 해결책을 제시하게 될 것

이다. GTL 합성유 생산 공정은 원유가 30$/bbl 이

상이면 경제성이 있는 것으로 분석되기 때문에(근

거：석유공사 2005년 보고서), 현재의 고유가가 지속

되는 경우 GTL 사업은 매우 경쟁력 있는 산업으로

전개될 가능성이 충분한 것으로 전망된다. 이미 선진

각국은 GTL 사업에 경쟁적으로 참여하고 있으며 향

후 더 활발해질 전망이므로, 이러한 세계적인 추세에

동참하고미래에너지산업을이끌어가기위해우리도

보다 적극적으로 GTL 기술개발에 투자하여 핵심기

술의독자적인국내기술보유가필요하다고사료된다.

이러한 필요성이 인식되어 최근에 국내 5개 기업

(대림산업(주), 두산메카텍(주), 한국석유공사, 현대

엔지니어링(주), SK(주))이 참여하여 산업자원부의

에너지자원 기술개발사업으로 GTL 기술개발사업이

착수된 것은 매우 다행스러운 일이라 할 수 있겠다.

앞으로도국내GTL 기술보유를앞당기기위한관련

연구개발에더많은자금과인력이투입될수있는환

경이조성되어야겠다.

GTL정 동 수

한국기계연구원친환경엔진센터, [email protected]

서론최근지속적인고유가상황과기후변화협약에의한

교토의정서발효로국제적인각종규제가가시화되고

있는 시점에서 유럽을 비롯하여 전 세계적으로 정유

회사와자동차제조업들은너도나도환경친화적이고

CO2 배출을 줄이면서도 성능면에서 기존 연료를 대

체할수있는저렴한연료개발에나서고있다.

미국 DOE의 한 전문가 표현에 의하면 이제는

“What engines will power the future?” 보다 “What

energy source will power engines of the future?”라

는표현이더적절하다고주장하고있다. 기존엔진차

량 뿐만 아니라 하이브리드 차량의 엔진에도 무슨 연



료를사용하느냐에따라그효과는크게달라질수있

는것이다.

기후변화협약 시대를 맞이하여 최근의 세계 주요

자동차 선진국의 에너지 관련 기술동향을 간추려 보

면 일본은 하이브리드 자동차 시대를 선도해 나가고

있고, 유럽은 하이브리드 자동차보다 경제적인 소형

디젤차량에 치중하고 있는데 반해, 가솔린차량 시장

이대부분인미국은이두기술에서모두뒤져있기때

문에실용화가불투명한연료전지자동차에승부를걸

고엄청난예산을집중했다가자동차산업의추락이라

는 쓴 경험 끝에 아직도 유엔기후변화회의에 가입도

못한 체 이제는 가솔린엔진에 당장 적용이 가능한 바

이오에탄올연료로정책방향을전환하고있다고요약

할수있다.

이제는 전 세계가 에너지 전쟁시대라고 불릴 만큼

국가 내에서 에너지의 중요성은 큰 비중을 차지하고

있으며, 그중자동차보급의급증으로인하여자동차

에너지가 차지하는 비중은 점점 높아지고 있는 실정

이므로 자동차 에너지의 올바른 선택은 국운을 좌우

할수있을만큼중대한사항임에틀림없다.

기후변화협약의 본고장인 유럽에서는 이미 향후

2030년까지 CO2저감을위한연료정책시나리오와자

동차연료보급전망시나리오를[그림 1, 2]에서와같

이발표를하고있다.

이러한 유럽의 정책자료 분석표에서 알 수 있듯이

엔진효율이우수한압축점화방식이선호되고엔진효

율이 열등한 전기점화 방식의 가솔린이나 LPG,

CNG 엔진차량은차세대대상에서점점제외되고있

는반면, 향후가장유망한연료는바이오연료와디젤

대체 합성연료로 압축이 되고 그 중에서도 가장 유망

한 연료는 천연가스를 원료로 하는 GTL(Gas To

Liquids)이라고 할 수 있고 지금은 아직 생산공급량

이 적고 상대적으로 생산단가가 비싼 경향이 있지마

는 향후 가장 유망한 연료로는 BTL(Biomass To

Liquids)임을알수있으므로F-T(Fischer Tropsch)

공법으로 제조되는 GTL과 BTL연료에 대한 세계적

인차량적용현황을소개하고자한다.

Scenario of CO2 reduction in Europe

HydrogenBiomass based sunfuel(Biodiesel, BTL)Natural gas based synthetic fuel(GTL, DME)Others(CNG)

Today

40.00

35.00

30.00

25.00

20.00

15.00

10.00

5.00

0.00

Year

CO

2 re

duct

ion

(%)

10 20 30

그림 1. 유럽의 CO2저감을 위한 연료정책 시나리오.

Scenario of Fuel diversification in EuropeHydrogen regenerative

Crude oil based with <10ppm sulphur

others(CNG)

SunFuelBiomass based

SynFuelNatural gas based

Crude oil based50ppm S

today 10 20 30Years

그림 2. 유럽의 자동차 연료보급 전망 시나리오.

En

erg

y E

ffic

ien

cy

Fu

el E

co

no

my

CI

SI

Conventional Alternative

Urban Air Quallty Benefits

그림 3. CO2저감과 emission을 고려한 자동차 연료보급전망.


36 … NICE, 제25권 제1호, 2007

GTL/BTL과 타 연료와의 특성 비교GTL(Gas To Liquids)연료는 100% 디젤대체 가

능 에너지로서 F-T(Fischer Tropsch)공법이라는 생

산기술 상의 어려운 점과 윤활성이 부족하여 윤활향

상제의 첨가가 필요하고, 고무류와 반응성이 나쁜 몇

가지 문제점을 갖고 있지만 기존 디젤엔진에 적용이

용이하고, 방향족및유황성분이매우적으며, 세탄가

(87)가 높고, 착화지연이 짧아 열효율 제고와 배기가

스 절감 효과가 높은 장점이 있으며, 기존 엔진은 물

론연료탱크, 충진시설등을개조없이그대로활용할

수 있고 또한 시장으로부터 원거리에 위치해 있는 막

대한양의천연가스를이용할수있다는큰장점을갖

고있다.

이에비해DME는역시 100% 디젤대체가능에너

지로서GTL과비슷한장점을갖고있으나기존디젤

엔진에 사용 시 엔진의 구조를 많이 변경해야 하고

DME전용 엔진을 새로 개발해야 하므로 GTL에 비

해 시장성(가격)면에서 불리하다. LPG의 infra를 이

용할 수 있고 생산기술이 쉽다는 장점 등으로 일본,

중국, 한국에서관심을갖고있으나Shell 등세계적인

에너지회사는이미DME보다GTL에치중하고있는

실정이다.

그리고일반바이오디젤과비교해보면바이오디젤

은생산기술이쉽다는것과식물성원료를사용한다는

장점은 우수하나 아직 20% 이하 정도로 혼합연료의

한계를벗어나지못하고있으므로 100% 대체가가능

한 GTL보다 불리하고 생산가격도 GTL보다 높으며

식물성원료를 사용하는 BTL에 비하면 생산단가를

제외하고는모두불리하다.

바이오에타놀역시생산기술이쉽다는것과식물성

원료를사용한다는장점은우수하나디젤엔진보다연

비가열등한가솔린엔진에만사용되고역시혼합연료

의한계를벗어나지못하며, 생산가격도GTL보다높

다. 그러나소형디젤차량보급이거의없는미국시장

에서는 GTL보다 가솔린 혼합용인 바이오에타놀의

보급이필요하겠지만식용연료사용으로인한식량부

족사태도심각하게고려되고있다.

‘태양연료(sunfuel)’라고 불리고 있는 BTL

(Biomass To Liquids)은 비식용 원료인 나무조각,

표 1. 도요타사 발표 근거 차세대 유망 연료별 특성 비교평가(만점: 5점)

그림 4. 각 연료별 생산단가 비교표.

Future Automotive Fuels by Toyota

TargetClean Clean

LPG CNGSynthetic Fuel Bio- Bio- Renewable

Gasoline Diesel DME GTL BTL Ethanol diesel Hydrogen

Emissions3 3 3 4 4 4 4 2 2 5

(Urban Air Quality)

CO2 2 3 2 3 2 2 4 4 4 5(Climate Change)

Energy Alternative2 2 3 4 4 4 4 3 3 5

(Energy Security)

Market Availability5 5 3 2 2 4 2 3 2 1

(Cost & Supply)



생물쓰레기, 보릿짚, 톱밥 등 목질계 바이오매스

(biomass)에서GTL 연료처럼F-T(Fischer Tropsch)

공법의 액화과정을 거쳐 만들어지고 GTL과 연료특

성이 유사하지마는 제조단가가 비싼 단점이 있으나

가장 큰 장점은 배출된 CO2가 식물에 다시 광합성작

용으로 흡수되므로 기후변화협약에 대응하기에 가장

유리할것으로전망되고있다.

GTL(Gas To Liquids)의 차량적용 현황GTL(Gas To Liquids) 디젤유는 천연가스로부터

액체연료를 생산하는 것으로 현재 Shell사의 말레이

시아 상용공장 외에 2006년 말에 Sasol/Conoco

Phillips사의 Qatar 공장이 가동 예정이며, Sasol

Chevron사의 Nigeria 공장도 곧 완공 예정이고 Shell

사의 대규모 Qatar 공장이 2010년 예정으로 건설 중

이다. 미국 Exxon사, Syntroleum사도 기술개발 목적

의 Fischer-Tropsch 합성법의 시험공장을 가지고 있

으며, 상용공장건설을추진하고있다.

그 동안 Shell사는 말레지아의 GTL 생산공장에서

하루 12,500배럴을 생산하여, [그림 5]의 세계지도에

서와 같이 디젤연료 혼합용으로서 유럽, 미국(캘리포

니아주), 동남아등에보급판매하고있다.

2002년 1월부터태국에서는Shell Pura Diesel의이

름으로 주유소에서 세계 최초로 판매를 시작하고 있

고, 그리스 아테네에서는 2004년 올림픽을 대비하여

2003년 7월부터 ‘Shell Diesel 2004’라는 30% 혼합

GTL 연료를판매하고있다.

그리고 2003년 7월에 Shell사와 Daimler-Crysler의

자회사인 EvoBus사는 국교통부의 지원으로 Shell

Centre 옆에위치한워털루역과빅토리아역을왕복하

는 런던의 507번 ‘bendy bus’를 대상으로 100%

GTL 디젤유를 적용하여 3개월 동안 시운전을 실시

한적이있다.

1년 후인 2004년 7월에는 Euro IV 규제를 만족시

키기 위해 PM과 NOx를 동시에 저감시키는 혁신적

인 catalytic converter 시스템인 D-CAT(Diesel

Clean Advanced Technology) 배기시스템이장착된

국 생산 Toyota의 Avensis CRDI 디젤승용차 10대

를 대상으로 100% GTL연료를 사용하여 런던 시내에

서3개월동안8,000km를문제점없이시운전을하 다.

그림 5. Trials and Lunches of Shell GTL Fuel Worldwide.


38 … NICE, 제25권 제1호, 2007

이 시운전의 목적은 기존차량을 변경하지 않고

100% GTL연료가출력의저하없이저공해성으로사

용될 수 있다는 가능성을 보여주기 위한 것으로 차량

과연료의신기술개발을위한Toyota와 Shell의공동

연구프로그램의일환으로수행된것이다.

독일의 폭스바겐(Volkswagen)사는 2003년 5월에

Shell사와 슈뢰더 독일 수상이 참석한 가운데 GTL

디젤유에대한공동설명회를개최하고, 25대의Golf승

용차(TDI engine 74kW/100 PS)를 대상으로 베를

린에서 5개월간의 시운전을 개시하 고, 폭스바겐사

는 2003년 10월 베를린에서 5개월간 100% GTL 연

료로실시한이주행시험결과기계적인부작용없이

Euro3 수준의엔진을GTL연료만의변경으로Euro4

수준까지 만족시킬 가능성을 확인하 다고 발표하

다.

이어서 2003년 11월 4일, 폭스바겐사와 Shell은 벨

기에의브뤼쎌에서차량과연료의신기술개발을위한

공동연구프로그램을발표하 는데양사의대표는자

동차연료의 변천을 예측하고 향후 30년 동안의 계획

중에시내버스나택시와같은도심지운행차량에서의

GTL 역할의중요성과Shell과폭스바겐은차세대청

정연료의 개발과 보급에 선도적인 역할을 하고 있음

을강조하 다.

이 공동사업은 폭스바겐사의 첨단엔진기술과 Shell

사의 신 연료기술의 만남으로 배출공해와 연비를 동

시개선을목표로하고있으며, 1단계는천연가스로부

터 합성한 GTL연료를 활용하는 것이고, 2단계에는

CO2 balance를 개선하기 위하여 biomass 원료들로

부터보다더저렴하고공급지속성이우수한BTL 즉

‘Sunfuel’을개발하기위한것이다.

미국의 경우, 이미 2002년에 Shell사는 California

교통부(CALTRANS)와함께 69대의 truck, pickup,

tractor 그리고 건설기계에 100% Shell GTL 연료를

사용하여 시운전 시험을 완료하 고, 시운전 결과는

긍정적이었으며, California 주정부에서도연료와관련

된 문제점은 전혀 없었고 다시 ULSD(Ultra Low

Sulphur Diesel)연료로 교체한 이후에도 여전히 문제

가없었음을공식적으로확인을하 다.

그 이후 2002년 11월부터는 Yosemite Waters 생

수회사의대형운반트럭 3대에 100% GTL연료를사

용하여 2004년까지 생수운반을 위해 남부 California

에서 도심지와 고속도로 상을 운행하며 운전성과 배

그림 6. 태국 GTL 주유소, 아테네 올림픽과 런던 GTL 시내버스, 런던 도요타 GTL 승용차.

그림 7. 독일 폭스바겐의 GTL 승용차, 미국 요세미티 생수회사와 일본 COOP의 GTL 트럭.



기가스저감성능을점검하고있다.

일본의 경우도 이미 국 등에서 도요타사에 의해

진행이 되고 있지만 일본 내에서도 2대의 트럭을 대

상으로 실험실내 시험, 시험트랙에서의 주행시험, 그

리고 도로상 일상운행 시험의 3단계로 나누어 Shell

GTL 연료와 표준 디젤연료를 사용하여 시운전과 배

출가스시험사업이진행중에있다.

중국의 경우, Shell사와 Shanghai의 Pudong Ba-

Shi 버스회사는 2004년 8월 25일부터 2개월간에걸쳐

Shanghai의 Pudong시내 번잡한 노선에서 12대의

Euro1급 엔진이 장착된 시내버스를 대상으로 시운전

을 시작하 다. 이 시운전의 목적은 Shanghai 시내

도심지의 대기오염 방지 운동(Cleaner Energy

Makes a Better City)의 일환으로 배기 및 소음공해

의저감을위한GTL 연료의가능성을확인하기위한

것으로 12대중 8대의시내버스는 30% GTL과 70%

일반디젤을혼합하여운행하고나머지 4대는현행대

로디젤로운행하여, 배기공해및소음저감, 연비향상

등에대해비교시험을하 다.

국내에서도 2004년 8월부터 산업자원부 사업의 일

환으로 한국기계연구원(KIMM)에서 PM원천저감을

위하여GTL 엔진개발관련연구를시작하 으며, 또

한 현대자동차 투산 디젤차량에 100% GTL 연료를

적용하여시운전도병행하고있다.

BTL(Biomass To Liquids)의 차량적용 현황BTL은 GTL과 F-T공법의 생산공정과 연료특성

이 유사하지만 주 원료가 나무조각, 생물쓰레기, 보릿

짚, 톱밥 등 목질계이므로 비식용계 연료라는 장점외

에도 배출된 CO2가 식물에 다시 광합성작용으로 흡

수되므로유엔기후변화협약에따라75%는식물이흡

수하는 것으로 간주하여 25%만 순수 배출로 인정되

고있어 ‘태양연료(sunfuel)’라고불리고있다.

최근 독일의 Choren사는 다임러크라이슬러와 폭스

바겐의 지원을 받아 BTL 합성연료 개발에 주력하여

2003년에 대량생산 공정개발에 성공하 으며, 최근

Shell사와 독일 북부 발틱 해변에 세계 최초의 대형

생산공장 건설을 추진하고 있다. 그러나 아직 유럽의

일부 몇 나라와 미국에서 시험공장을 가동하고 있는

실정이라 생산단가가 높은 게 단점이지만 향후 양산

그림 8. 중국 상해 GTL 시내버스, KIMM의 현대 투산 GTL 디젤승용차.

그림 9. 독일 드레스덴시 근교 Choren사의 BTL 공장과 BTL 100% 시운전 차량, 상표.


40 … NICE, 제25권 제1호, 2007

단계에서는 비용절감 가능성이 충분하다고 전망하고

있다.

독일Choren사는 ‘SunDiesel’이라는고유상표명으

로 100% BTL 연료를폭스바겐과다임러크라이슬러

등여러차종에적용하여시운전을하고있다.

결론기후변화협약과 고유가시대를 맞이하여 전 세계가

합종연횡 작전과 전략수립에 총력을 기울이고 있어

마치총성없는전쟁터라고표현되기도한다.

고유가시대를 맞이한 차세대 유망연료의 조건으로

는 석유대체성이 우수하고 원료의 공급이 원활하여

경제성이 있어야 하며, CO2저감 시대를 맞이한 차세

대유망연료의조건으로는가능한식물성원료이되비

식용성이어야하며, 친환경연료라야한다.

이러한여러조건을고루만족하는연료로써유럽에

서는 엔진효율이 좋은 기존 디젤엔진에 대체사용이

가능한 청정합성연료인 GTL(Gas To Liquids)연료

와바이오연료인BTL(Biomass To Liquids)이차세

대 연료로 가장 선호되고 있으므로 도요타, 폭스바겐,

다임러크라이슬러등세계유명자동차회사들이다양

한차량에적용을하고있고그보급이점차확대되고

있는실정이므로그적용사례를소개하 다.

우리나라는서울시수도권대기보전을위해천연가

스시내버스운행과운행중인디젤차량의LPG화개

조작업, 후처리장치 부착 등에 많은 보조금 지원으로

지원하고 있으며, 전국 지자체로 정책을 확대해 나가

는정책을추진하고있다.

유럽 자동차 회사나 도요타사 등 세계 유명 자동차

회사의 향후 연료정책방향 등을 세심하게 검토하고

분석하여 올바른 정책방향의 설정과 수정이 필요한

시점이다.

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GTL(Gas To Liquid) - CHERIC