“역대 최대” 규모의 메탄올 프로젝트에 투입된 돈을 다시 회수할 수 있을까

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절벽 끝에 선 중국의 메탄올 산업, 재경톱뉴스넷. 출처: 재경톱뉴스넷. 작성자: 화성인. 조회수: 47411. 게시일: 2015-11-29 16:07:38. 제목은 다소 과장된 것처럼 보이지만, 먼저 이야기를 하나 들려드리겠습니다.어떤 사람의 집에 몇 무의 땅이 있었는데, 처음에는 그 땅에 모두 곡물을 심었습니다. 매년 수확량도 천 근가량 되어서, 가족들의 식량으로 쓰고도 남았습니다. 그래서 자급자족하며 살아가니 정말 행복했습니다.친구 중에 그의 곡물이 남아 있다는 것을 보고, 그에게 좋은 아이디어를 준 사람이 있었습니다. 곡물을 이용해 술을 만들 수 있다고 말한 것이죠. 술은 물보다 훨씬 좋은 것입니다. 【원본 정보】강세장은 아직 끝나지 않았습니다. 기회는 지금 바로 여기에 있습니다!【포커스】제2회 중국 저탄소 로드(국제) 고위급 포럼의 제목은 다소 과장된 것처럼 보이지만, 먼저 이야기를 하나 들려드리겠습니다.어떤 사람의 집에 몇 무의 땅이 있었는데, 처음에는 그 땅에 모두 곡물을 심었습니다. 매년 수확량도 천 근가량 되어서, 가족들의 식량으로 쓰고도 남았습니다. 그래서 자급자족하며 살아가니 정말 행복했습니다.친구 중에 그의 곡식이 남아돌자, 그에게 좋은 방법을 알려주었습니다. 곡식으로 술을 만들 수 있다는 것이죠. 그 술은 물보다 훨씬 좋은데, 식사할 때 조금 마시면 상쾌하고 기분도 좋아집니다. 마치 구름을 타고 날아가는 듯한 느낌도 듭니다.그 가족은 마음이 움직여서, 집에 남아 있는 곡물을 모두 술로 만들었습니다. 맛을 보니 정말 중독성이 있었죠. 그래서 다음 해에는 더 많은 곡물을 술로 만들어, 행복한 술의 기쁨에 취해 살았습니다.마침내 어느 날, 그 가족은 원래 산더미처럼 쌓여 있어서 1년 내내 먹어도 다 못 먹을 정도였던 식량이 이제는 부족해졌다는 것을 깨달았습니다. 그들은 자주 굶은 채로 술을 마셔야 했고, 그렇게 되자 맛있는 술도 쓴 술이 되어버렸습니다.무엇이 원인일까요?원래 예전에는 밥이나 쌀떡, 쌀가루 음식 등 다양한 방법으로 쌀을 먹었지만, 결국 그것도 모두 쌀일 뿐이었습니다. 하지만 쌀을 술로 만들려면 3근의 쌀이 필요해야 1근의 술을 얻을 수 있었습니다!무슨 문제가 보이나요?이것이 바로 단순한 에너지 보존 법칙이 작용하는 것으로, 구체적으로는 화학 반응에서 열역학 제2법칙을 따르는 형태로 나타납니다.모든 생화학적 반응은 일종의 에너지 전달이며, 자연 상태에서는 에너지 변환에 방향성이 존재합니다. 역방향으로 변환하려면 어느 정도의 추가적인 에너지가 필요하기 때문에, 어떤 형태의 에너지가 가장 적절한지라는 문제가 생깁니다.앞서 언급한 곡물의 경우, 술을 만드는 데 사용될 뿐만 아니라 바이오 기반 연료나 화학 중간체로도 전환될 수 있습니다. 하지만 일반적인 생물화학 공정에서는 많은 양의 전기가 필요하며, 에너지 소비가 많을 뿐만 아니라 경제성도 문제가 됩니다. 특히 산업용으로 대량으로 전환될 경우 인류의 식량 안보까지 위협할 수 있기 때문에, 초기의 열기가 가라앉은 후 이러한 공정 방식은 점차 사라지게 되었습니다.그렇다면 중국의 메탄올 산업도 마찬가지로 비슷한 혼란을 겪고 있을까요? 본래 진출해서는 안 될 분야에 무분별하게 투자하고 있는 것이죠. 과연 메탄올의 최적의 발전 방향은 무엇일까요?현재 인기 있는 메탄올의 다운스트림 응용 분야들 중에서, 몇 년 후에는 더 간단하고 저렴한 화학 원료들에 의해 대체되어 점차 사라지게 될 것은 어떤 것들일까?특히 재생 불가능한 화석 원료인 석유, 천연가스, 혹은 석탄을 기반으로 할 때, 어떤 원료를 사용하면 메탄올을 가장 경제적으로 생산할 수 있을까?많은 경우, 시장의 수요와 공급에 관한 신호들이 오히려 시장을 잘못된 방향으로 이끌 수 있습니다. 비용이라는 개념도 상대적이며 변동적입니다. 특히 현대적인 화학 공장들은 점점 더 크게 성장하고 있으며, 한계비용을 줄이고 경쟁력을 높이기 위해 의도적으로 생산 규모를 확대합니다. 새롭고 더 경쟁력 있는 제품이 등장하면 기존의 시장은 무너지게 됩니다. 화학제품 시장도 이런 식으로 계속해서 발전해 나갑니다. 과거에 번성했던 많은 산업들은 이제는 사라졌지만, 여전히 백 년이 지나도 여전히 활발하게 움직이는 산업들도 있습니다. 여기에는 보편적인 법칙이 있습니다. 바로 최적의 에너지 효율을 가진 방식만이 가장 생명력이 있다는 것입니다. 왜냐하면 특정 목표물을 만들어내는 화학 반응은 수백 가지가 있을 수 있기 때문입니다. 우리는 각각의 원료의 현재 비용을 비교함으로써 다양한 반응 경로의 장단점을 판단할 수 있습니다. 하지만 결국은 그 반응 경로가 얼마나 많은 에너지를 소비하는지, 그리고 얻어지는 제품에 얼마나 많은 에너지 밀도가 남아 있는지를 비교해야 합니다. 이것이 바로 그 제품이 앞으로 얼마나 효율적으로 사용될 수 있을지를 결정하는 가장 기본적인 원칙입니다.유럽과 미국에서는 일반적으로 열에너지 단위인 MMBtu를 사용하여 특정 에너지원의 활용 효율을 측정합니다.이 주장은 매우 실용적인 가치가 있습니다. 왜냐하면 MMBtu의 정의 자체가 ‘순수한 물 1파운드의 온도를 1F만큼 올리는 데 필요한 열량’이기 때문입니다；에너지 분야에는 이와 관련해 매우 흥미로운 비유가 있는데, 바로 인류의 에너지 대부분이 “물을 끓이는” 방식을 통해 얻어진다는 것입니다. 이 사실을 대부분의 사람들은 믿지 않을 수도 있지만, 실제로 그렇습니다.EIA의 2012년 자료에 따르면, 원유의 88%는 연료로 사용되며, 약 12%만이 화학 원료로 사용됩니다. 이 화학 원료들은 섬유 원료, 플라스틱, 건축 자재 등으로 변환되거나, 스킨케어 제품, 의류, 휴대폰, 전자제품, 파이프, 가구 등과 같은 우리 주변의 다양한 제품들을 만드는 데 사용됩니다. 우리 주변의 어떤 일상적인 물건에서도 석유화학 제품의 흔적을 찾아볼 수 있습니다. 하지만 아무리 널리 사용된다고 해도, 그것은 전체 에너지 사용량의 일부에 불과합니다. 대부분의 원유는 물을 끓여 증기를 만들거나, 가스로 전환하여 증기/가스 터빈을 돌려 전기를 생산하는 데 사용되거나, 혹은 연료로서 교통수단을 움직이는 데 사용됩니다.결론적으로, 이러한 에너지들은 처음에는 모두 열에너지 형태로 인류 사회에 의해 활용되었습니다.재생에너지는 잊어버리세요. 우리가 살아있는 동안 그것들이 발휘할 수 있는 역할은 제한적일 것입니다. 예를 들어, 우리나라의 전력 생산량 중 약 70%는 여전히 석탄에 의해 이루어집니다. 미국의 경우 2013년 기준으로 재생에너지가 차지하는 비율은 약 13%에 불과했습니다.전 세계의 재생에너지 활용 중에서, 실제로 터빈을 이용해 발전되지 않는 태양광, 풍력, 조력 에너지 등도 매우 작은 비중을 차지할 뿐입니다. http://www.cj1.com.cn/d/file/yes/2015-11-29/c7b774472645cdddc630d3e94e9649d1.jpg
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다시 본문의 주제로 돌아가기 —— 메탄올.앞서 설명한 논리에 따라, 우리는 메탄올을 사례로 삼아 그 하위 산업에서의 에너지 효율과 최종 제품의 에너지 밀도를 비교해 보았습니다. 이를 통해 중국의 메탄올이 전체 에너지 활용 체계에서 어떤 위치에 있는지, 그것이 합리적인지, 그리고 앞으로 어떻게 발전해 나갈지를 살펴보았습니다메탄올의 하위 산업 분야를 살펴보면, 해외에서의 메탄올 활용 현황과 우리나라의 상황을 비교해보면, 메탄올이 포름알데히드, 아세트산, 메틸아민 등으로 전환되는 비율은 대체로 비슷하며, 수요도 비교적 안정적입니다. 차이가 있다면 주로 메탄올 연료나 디메틸에터에 대한 수요, 그리고 최근에 급격히 증가하고 있는 다양한 올레핀의 MTO 생산에 대한 수요 때문입니다. 이러한 요인들이 중국 내에서 메탄올 수요가 폭발적으로 증가하는 원동력이 되고 있습니다.하지만, 왜 이런 차이가 생기는 걸까요? http://www.cj1.com.cn/d/file/yes/2015-11-29/2eb70c7b409b2cd25a246cdc8035e4b4.jpg
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1.1 다이메틸에터
다이메틸에터는 메틸에터라고도 불리며, 약자로는 DME입니다. 상압에서는 무색의 기체 또는 압축된 액체 형태로 존재하며, 약간의 에테르 향이 납니다.상대 밀도(20℃)는 0.666이며, 융점은 -141.5℃, 끓는점은 -24.9℃입니다. 실온에서의 증기압은 약 0.5MPa로, 석유가스(LPG)와 유사합니다.물과 알코올, 에테르, 프로판, 클로로포름 등 다양한 유기 용매에 용해된다.가연성이 있으며, 연소 시 불꽃에 약간의 빛이 동반된다. 기체 상태에서의 연소열은 1455kJ/mol이다.상온에서 DME는 불활성을 띠어 자가 산화되기 어렵으며, 부식성이나 발암성도 없습니다. 하지만 방사선이나 가열 조건에서는 메탄, 에탄, 포름알데히드 등으로 분해될 수 있습니다. http://www.cj1.com.cn/d/file/yes/2015-11-29/7b2baed1d665f6a791d995f48f220475.jpg 신생의 기본 화학 원료로서, 다이메틸에터는 많은 용도를 가지고 있습니다.일반적으로 우수한 압축성, 응축성, 증발 특성 덕분에, 국제적으로 다이메틸에터는 제약, 농약 등의 화학 산업 분야에서 다양하게 활용되고 있습니다. 고순도의 다이메틸에터는 프레온 대신 스프레이 제품이나 냉매로 사용될 수 있어, 대기 오염과 오존층 파괴를 줄이는 데 기여합니다.중국이 디메틸에터에 대한 수요 면에서 해외와 다른 주된 이유는 민간용 연료가스를 대체하기 위함입니다.국내에서 LPG와 휘발유·경유의 가격이 독점적으로 규제되고 있기 때문에, 민간 기업들은 연료로서의 다이메틸에터에 큰 기대를 걸고 있습니다. 실제로 국내에서는 10년 전부터 경유에 다이메틸에터를 혼합하는 방식이 사용되어 왔습니다. 명확한 법규나 기준은 없지만, 과거의 높은 유가 덕분에 다이메틸에터를 LPG나 휘발유·경유 대신 사용하는 것이 수익성이 있게 되었습니다. 게다가 다이메틸에터는 도시 가스망의 부하 조절용 가스나 액화가스 혼합용 가스로도 사용될 수 있기 때문에, 국내의 다이메틸에터 수요는 해외보다 훨씬 많습니다.현재의 문제는, 디메틸에터를 생산하는 방법이 주로 천연가스, 석탄, 또는 코크스 가스를 이용하는 것이라는 점입니다. 공정상으로는 ‘단일 단계법’과 ‘두 단계법’이 있지만, 실제로는 먼저 메탄올을 만든 다음, 그 메탄올을 탈수 축합시켜서 디메틸에터를 생성해야 합니다.앞서 언급한 바와 같이, 합성가스를 이용해 메탄올을 생산하는 데 드는 총 에너지 소비량은 약 46GJ/kg입니다. 메탄올이 축합되어 다이메틸에터가 생성될 때 발생하는 열량은 약 744KJ/kg이며, 메탄올 자체의 연소열은 약 19530KJ/kg입니다. 따라서 연소열이 약 36120KJ/kg인 다이메틸에터를 얻기 위해서는 두 개의 메탄올을 합성하는 과정에서 약 50GJ/kg의 에너지가 추가로 소모됩니다. 결국 최종적으로 얻어지는 결과는 메탄올을 그대로 연료로 사용하는 경우와 크게 다르지 않습니다；열량이 LPG의 약 2/3에 불과한 디메틸에터는 LPG를 대체하여 가스망에 사용하는 것도 바람직하지 않습니다. LPG는 중요한 화학 원료이며, 그 에너지 밀도는 NG보다 약 2.8배 높지만, 천연가스는 더욱 깨끗하고 환경 친화적이며 사용도 편리합니다. 앞으로도 가스 시장의 주력은 여전히 천연가스일 것이므로, 디메틸에터는 이 분야에서 큰 시장을 가질 수 없습니다.만약 디메틸에터가 연료 대체 시장에서 자리를 잡지 못하고, 오히려 다른 원료들에 의해 대체된다면, 실제로 그 수요 비중은 향후 메탄올 관련 산업에서 점점 더 줄어들 것입니다. 이는 분명히 예상되는 추세입니다.1.2 메탄올 연료: 중국에서 메탄올은 연료로서 두 가지 방식으로 사용됩니다. 하나는 휘발유에 섞어 M15, M30, M85, M100과 같은 등급으로 만들어 일반 주유소에서 판매하는 것이고, 다른 하나는 메탄올을 직접 휘발유로 전환하는 MTG 공정입니다. 석탄화학 산업의 발전에 따라 이 공정에 대한 시장의 기대도 점점 커지고 있습니다. http://www.cj1.com.cn/d/file/yes/2015-11-29/21a7c30bc2a3532cfa3abfac21e67cc1.jpg 사실 EIA의 자료에 따르면, 메탄올의 에너지 밀도는 휘발유의 약 절반 수준이며, 에탄올이나 천연가스에 비하면 낮습니다.그로 인한 장점은 산소 함량이 증가하고 연소가 깨끗해진다는 것이며, 단점은 독성이 강하고 부식되기 쉽다는 것입니다.1.2.1 메탄올 혼합 휘발유
메탄올 혼합 휘발유는 현재 국내에서 대체 에너지로 분류되고 있습니다. 2012년에 산업정보부는 산시, 산시, 상하이 등지에서 시범 사업을 추진하도록 지시했지만, 현재는 각 지역에서 외면받고 있습니다.경제성 측면에서 보면, 메탄올 혼합 비율이 높을수록 매력적이며, 가장 이상적인 것은 M100입니다.문제는 메탄올을 휘발유에 혼합할 때 가장 큰 어려움이 연소 후 생성되는 포름알데히드, 포름산 등이 엔진에 심각한 부식과 마모를 일으킨다는 점이며, 비싼 방청제와 같은 첨가제를 사용해도 효과가 거의 없다는 것입니다.미국 포드사의 연구에 따르면, 메탄올을 함유한 휘발유를 사용할 경우 엔진 윤활유 내의 철 함량이 무연 휘발유를 사용할 때보다 5.2배나 높아진다. 엔진의 마모는 주로 피스톤 링과 실린더 벽의 마모와 부식으로 나타난다. 또한, 메탄올의 증발 잠열이 크기 때문에 기화가 제대로 이루어지지 않고 실린더 벽으로 들어가게 되어, 윤활유층이 파괴되고 윤활유가 희석된다. 이로 인해 엔진 부품들 사이의 마찰과 마모가 심해진다.RIPP의 연구 결과에 따르면, 메탄올 가솔린은 자동차 연료탱크의 납-주석 도금층을 부식시키는 작용을 합니다. 또한 메탄올의 친수성 때문에 약간의 수분만 있어도 쉽게 상분리가 일어나, 저장이나 자동차의 정상적인 작동에 영향을 미칩니다.또한 메탄올은 전형적인 신경독소로, 호흡기, 위장관, 피부를 통해 흡수될 수 있으며, 인체의 호흡기 점막과 시력을 손상시키고, 인체의 신경계와 혈액계에 가장 큰 영향을 미칩니다.메탄올 휘발유의 개발 및 활용은 해외에서 70년대 제2차 석유 위기 때부터 시작되었으며, 대체 에너지라는 관점에서 독일, 미국, 일본 등 여러 국가들이 메탄올 연료와 메탄올 자동차 관련 기술을 연구개발해 왔습니다.이미 1970년대에 미국은 M85, M100용 메탄올 연료 자동차를 집중적으로 개발했지만, 통계에 따르면 1998년 이후 미국의 메탄올 연료 자동차와 메탄올 연료 자체가 줄어들고 있는데, 그 원인은 다양합니다.자동차 연료로서의 메탄올의 단점은, 특히 메탄올이 독성이 있다는 점입니다. 이로 인해 건강과 안전, 그리고 삶의 질을 중시하는 미국 시장에서는 메탄올이 인기가 없습니다. 게다가 LNG나 전기와 같은 대체 연료들이 더 안전하고 환경 친화적이기 때문에, 메탄올은 점차 사용되지 않게 되고 있습니다.또한 미국과 일본의 자동차 제조업체들은 휘발유에 메탄올을 혼합하는 것에 반대하고 있으며, 미국의 자동차용 무연 휘발유 표준인 ASTM 4814에서는 메탄올 함량이 0.3Vol%를 초과해서는 안 된다고 규정하고 있습니다.1998년 12월, 세계 자동차 제조업체들이 공동으로 발표한 “세계 연료 규격”에서는 “메탄올의 사용을 금지한다”고 명시되어 있습니다.유럽에서도 85/536/EEC 규정에 따라 휘발유에는 최대 3%의 메탄올이 포함될 수 있도록 되어 있지만, 통계 자료에 따르면 실제 연료에는 0.1-0.5% 미만의 메탄올만이 첨가되고 있는 것으로 나타났습니다.현재의 기술로는 메탄올 휘발유로 인한 금속 부식 문제를 완전히 해결할 수 없기 때문에, 미국의 제너럴모터스, 포드와 같은 자동차 제조업체들은 사용자 설명서에서 메탄올 휘발유를 사용하여 발생하는 손상은 보증 대상이 아니라고 명시하고 있습니다.국내 일부 지역에서는 메탄올 혼합 실험이 진행되고 있는데, 그 주된 이유는 지난 몇 년간의 높은 유가 압력 때문입니다. 특히 석탄 생산이 활발한 지역들은 메탄올을 대량으로 생산할 수 있기 때문에, 이를 시장에 판매하려는 동기가 있습니다.위와 같은 해외 사례들을 고려할 때, 향후 몇 년 동안 산업정보부가 시범 사업의 범위를 확대하는 데 동의할 가능성은 낮습니다. 게다가 메탄올의 혼합 비율도 현재의 15~85% 범위 내에서만 유지될 것으로 보입니다. 이러한 상황에서는 전체 시범 시장 내의 메탄올 총량이 증가하지 않을 것이며, 천연가스의 사용이 점차 확대됨에 따라 앞으로는 더욱 줄어들 것입니다.1.2.2 메탄올을 이용한 휘발유 생산 기술인 MTGMTG는 최근 몇 년간 석탄화학 산업의 발전과 함께 발전해온 기술입니다. 공정적인 측면에서 볼 때, 이는 상당히 성숙한 기술이라고 할 수 있습니다.석탄을 엄격하게 구분해 보면 실제로 두 가지 유형이 있습니다. 첫째는 석탄을 직접 액화시켜 휘발유와 디젤을 생산하는 방법으로, 이 과정은 합성가스를 이용한 피셔-트롭슈 반응에 기반을 둡니다. 이 방법은 석탄의 품질에 상당히 높은 요구사항이 있어서, 석탄의 회분 함량은 일반적으로 5% 미만이어야 하며, 석탄의 활성도와 분쇄 용이성도 좋아야 합니다. 또한 황이나 질소와 같은 불순 원소의 함량도 가능한 한 낮아야 합니다. 에너지 소비도 많기 때문에, 이 방법은 국내에서의 보급에 제약이 있습니다；또 다른 방법은 간접 액화법으로, 석탄이나 천연가스를 먼저 메탄올로 전환한 다음 그것을 통해 휘발유를 생산하는 것입니다. 이 공정은 석탄의 질에 대한 요구가 낮으며, 규모도 비교적 유연하게 조절할 수 있습니다. 심지어 석탄 생산 지역에서 멀리 떨어진 연안 지역에서도 수입된 메탄올만 있으면 생산이 가능하기 때문에 국내에서 많은 관심을 받고 있습니다.MTG 반응 과정은 먼저 메탄올이 탈수되어 다이메틸에터가 생성된 다음, 메탄올, 다이메틸에터, 그리고 물이 촉매의 작용으로 함께 반응하여 경질 올레핀(C2~C4)이 만들어집니다. 그 후 더욱 추가적인 반응을 거쳐 더 긴 사슬을 가진 올레핀, 직쇄/변쇄 파라핀, 방향족 화합물, 그리고 나프타 화합물들이 생성됩니다.대체로 원료의 톤당 소비량은 메탄올 2.5/가솔린이며, 공정에서 발생하는 열량은 1.74MJ/kg입니다. 외부에서 공급되는 에너지는 약 360KJ/mol입니다. 하지만 실제로는 에너지 밀도 측면에서 메탄올 자체가 가솔린의 절반에 해당하기 때문에, 가솔린과 같은 형태를 얻기 위해서는 공정에서 16배에 달하는 에너지가 필요합니다.MTG 가솔린에 상당량의 테트라메틸톨루엔이 함유되어 있다는 점을 고려하면, 이를 줄이기 위해 유분의 품질을 개선하기 위한 수소화 처리가 필요하며, 그로 인해 에너지 소비도 더욱 증가할 것입니다.따라서 에너지 효율 측면에서 보면, MTG는 여전히 비경제적이며, 이론상으로는 유가가 급등하고 메탄올이 과잉될 때에만 보조 연료로서 휘발유로 전환하는 것을 고려해볼 수 있을 뿐입니다.1.3 메탄올을 이용한 올레핀 생산 기술인 MTOMTO도 MTG와 마찬가지로, 최근 몇 년간 석탄화학 산업의 발전과 함께 발전해온 기술입니다.**신화바오투 MTO, 닝메이 MTP, 그리고 대당둬룬 MTP 프로젝트들이 차례로 가동되기 시작하자, 각지도 높은 유가 속에서 폴리올레핀을 생산함으로써 얻을 수 있는 엄청난 이익에 유혹되어 비슷한 설비를 도입하기 시작했습니다. 심지어 석탄 생산지가 아닌 지역들조차도 메탄올을 수입해서라도 MTO 설비를 구축하려 하고 있습니다. 그들은 처음에 추진된 3개의 **시범 프로젝트에 대한 결과 보고서가 나오기를 기다릴 수 없는 상황입니다.하지만 지금까지 이러한 종합 보고서는 공개되지 않았습니다. 다만, 관련 진입 요건을 강화하고 기준을 높이기 시작했다는 신호는 이미 나타났습니다.예를 들어, ‘12차 5개년 계획’에 명시된 현대 석탄화학 산업의 모델 프로젝트에 대한 기준에 따르면, 에너지 전환 효율은 40% 이상이어야 하며, 1톤의 올레핀 생산에 필요한 석탄 사용량은 5.3톤(표준 석탄으로 환산 시)을 초과해서는 안 됩니다. 또한, 1톤의 표준 석탄을 생산하는 데 필요한 신선한 물의 양도 4톤을 넘어서는 안 됩니다；선진 수준에 도달하려면 에너지 변환 효율이 44% 이상이어야 하며, 올레핀 1톤당 석탄 소비량은 5톤(표준 석탄으로 환산 시)을 넘어서는 안 됩니다. 또한, 표준 석탄 1톤당 필요한 신선한 물의 양도 3톤을 초과해서는 안 됩니다.신화의 수준이 어느 정도인지 모르겠지만, 아직 선진 수준에는 이르지 못했을 것입니다. 그렇지 않았다면 분명히 밝혔을 테니까요.하지만 현대의 석탄 연소 발전의 변환 효율은 약 40~45%에 불과하며, IGCC의 경우 그보다 높은 약 50%까지 달성할 수 있다고 합니다. 따라서 **석탄화학 에너지의 변환 효율도 최소한 열발전과 비슷해야 한다는데, 과연 그럴까요?현재 가장 널리 사용되고 있는 CTO 공정을 살펴보면, 전체 과정은 세 단계로 나뉩니다. 첫째는 가스화 과정으로, 000968 주식 관련 정보도 참고할 수 있습니다. 둘째는 합성가스를 만드는 과정이며, 셋째는 합성가스를 메탄올로 전환하는 과정입니다. 마지막으로 메탄올을 올레핀으로 전환하는 과정이 바로 MTO입니다.일반적으로 현재의 주류 기술 수준에서는 석탄을 이용한 메탄올 생산 비율이 약 2.7:1이며, 그 다음으로는 메탄올을 이용한 올레핀 생산 비율이 약 3:1입니다.1kg의 표준 석탄의 연소 에너지는 29306KJ이며, 메탄올의 경우는 19530KJ/kg입니다. 폴리올레핀의 경우에는 약 40000KJ/kg로, 이는 연료와 비슷한 수준입니다.연간 60만 톤 규모의 올레핀 생산 설비를 기준으로 보면, 에너지 전환 효율은 첫 번째 단계에서는 약 45%, 두 번째 단계에서는 약 70~80% 정도입니다. 전체 과정을 고려할 때는 약 30% 수준입니다. 따라서 효율만을 고려한다면 CTO/MTO도 에너지 소비가 많고 에너지 전환 효율이 낮은 공정입니다. 하지만 최종 제품에 포함된 에너지 밀도를 비교해보면 차이가 있음을 알 수 있습니다. 결국 폴리올레핀은 연소시켜 전기를 생산하는 데 사용되는 것도 아니며, 자동차의 연료로 사용되는 것도 아닙니다. 그 주된 용도는 다양한 제품으로 가공되어 인간의 삶의 여러 분야에서 활용되는 것입니다.화학공업 생산과 에너지 생산의 가장 큰 차이점은, 에너지 생산에서는 열엔트로피가 결국 연소되면서 에너지로 방출되는 반면, 화학공업의 최종 생성물에서는 그 열엔트로피의 대부분이 여전히 제품 내에 남아 있다는 점입니다.이러한 관점에서 볼 때, 화학공업에서는 가능한 한 순환적으로 자원을 활용하도록 노력해야 합니다. 비록 전체 수명 주기 동안 에너지 변환 효율이 높지는 않지만, 에너지를 보존하는 것은 여전히 가능합니다. 비록 각 과정에서 20~30%의 에너지가 손실되더라도, 일단 CO2와 H2O로 연소시킨 다음 다시 알케인으로 되돌리려는 것보다는 훨씬 낫습니다.화학제품의 단위 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라, 그 에너지의 수명도 휘발유와 같은 연료에 비해 길기 때문에 MTO의 전망을 단순히 부정하기는 어려워 보입니다. 하지만 이 기술의 발전을 가로막는 두 가지 중요한 요소가 있습니다. 바로 천연가스를 이용해 메탄올을 만든 다음 올레핀을 생산하는 공정과의 경쟁, 그리고 국내 폴리올레핀 시장의 수요가 과연 얼마나 될 것인가 하는 점입니다폴리올레핀에 대한 수요는 주로 중국의 거대한 인구를 고려하여 결정됩니다. 많은 업계 전문가들은 국내 폴리올레핀 시장에 여전히 큰 성장 가능성이 있다는 것을 입증하기 위해 다음 표를 자주 인용합니다. 하지만 과연 그럴까요? 폴리올레핀은 결국 전략물자가 아니므로, 중국은 폴리올레핀을 100% 자급자족하려고 에너지 상황을 고려하지 않고 대규모로 에틸렌 생산 시설을 확장할 필요는 없습니다. 외국에서 저렴한 가격에 수입하는 폴리올레핀 제품도 좋은 선택이며, 이를 통해 국내의 에너지 공급 압력을 줄이고 오염도를 낮출 수 있습니다；게다가 국내 폴리올레핀 소비량도 이미 세계 평균 수준에 근접했습니다.중국의 폴리올레핀 1인당 소비 수준이 미국과 같아지기를 기대하는 것은 비현실적입니다. 아래 두 그래프를 통해 알 수 있듯이, 앞으로도 오랜 시간 동안 중국은 1인당 GDP당 에너지 소비량을 선진국 수준으로 끌어올릴 수는 있겠지만, 1인당 GDP의 격차는 거의 변하지 않을 것입니다. 즉, 1인당 화학제품 수요는 선진국 수준에는 도달할 수 없으며, 최대한 세계 평균 수준에 이를 뿐일 것입니다.결론적으로 말하자면, 폴리올레핀 시장의 성장 가능성은 생각만큼 크지 않다는 것입니다! 1. 메탄올 생산을 위한 상류 원료 선택은 화학 반응 경로를 살펴볼 때, 메탄올은 주로 합성가스(CO2, CO 및 H2) 또는 CH4로 만들어집니다.전자는 주로 석탄을 가공하여 만들어지며, 후자는 천연가스나 셰일가스에서 얻어집니다.많은 논문들이 비용 등의 측면에서 어느 것이 우수한지에 대한 결론을 제시했지만, 여기서는 여전히 에너지 사용 효율이라는 관점에서 설명하고자 합니다.석탄으로 메탄올을 만들 때는 가스화로를 이용해 수소와 일산화탄소의 혼합물을 만든 다음, 변환로에서 수소와 탄소의 비율을 조절하여 합성탑에서 메탄올을 생산합니다；천연가스로 메탄올을 제조하는 방법은 CH4를 전환로에 넣어 합성가스로 만든 뒤, 합성탑에서 메탄올로 전환시키는 것입니다.따라서 석탄가스, 가스화된 석탄에서 나오는 가스, 코크스 오븐 가스든, 천연가스든 본질적으로는 모두 CO2, H2O, CO, H2가 포함된 합성가스를 이용해 메탄올을 생산하는 것입니다. 차이점은 단지 전환로에 들어가기 전의 수소와 탄소의 비율을 조절하는 방식에 있을 뿐입니다. 이론적으로 1톤의 메탄올을 생산하는 데에는 약 23GJ 이상의 에너지가 필요합니다. 반면, 전통적인 천연가스를 이용한 메탄올 생산 시에는 29~31GJ의 에너지가 필요합니다. 석탄을 이용한 메탄올 생산의 경우에는 수소와 탄소의 비율을 자주 조절할 필요가 없기 때문에, 반응에 필요한 에너지가 천연가스를 이용한 경우보다 약간 적어서 28~29GJ 정도입니다. 따라서 두 방법 간의 차이는 그리 크지 않습니다.우리나라는 천연가스 자원이 부족하기 때문에 앞으로는 대량의 천연가스를 수입해야 합니다. 또한 천연가스는 깨끗한 연료로서 주로 도시용 연료로 사용됩니다. 이러한 이유로 2007년 8월, **발전개혁위원회는 『천연가스 활용 정책』을 발표하여, 천연가스를 이용해 메탄올을 생산하는 것을 금지하고, 합성암모니아나 아세틸렌, 염화메탄 등을 생산하는 것도 제한했습니다.천연가스의 변수는 해외에서 옵니다.중동과 북미 지역에 천연가스가 풍부하고, 천연가스를 운송하는 것이 비교적 어렵기 때문에, 천연가스를 다른 액체나 고체 형태의 화학물질로 전환하는 것이 합리적인 방법입니다. 이렇게 하면 에너지 소비는 적으면서도 생성된 물질의 에너지 밀도는 높아 장거리 운송에 적합합니다. 현재의 기술 수준에서는 메탄올이 가장 적절한 선택입니다.물론 미국은 여전히 연구를 진행 중입니다. 만약 CH4가 분해되어 합성가스가 되는 과정을 거치지 않고 바로 올레핀으로 전환될 수 있다면, 이는 화학 산업에 있어 또 하나의 혁명이 될 것입니다!반응 단계를 줄이면 에너지 손실이 감소하기 때문이며, 폴리올레핀의 에너지 밀도는 메탄올보다 두 배 높을 뿐만 아니라 고체 형태라 운송에도 더 적합합니다. 따라서 앞으로 해외에서 바다를 거쳐 수입되는 것은 메탄올이 아닌 다양한 등급의 폴리올레핀이 될 것입니다!최근 징후들이 나타나고 있습니다. 미국의 작은 엔지니어링 기술 회사인 실루리아는 텍사스주에 위치한 시험 공장에서 성대한 가동식을 열었습니다. 이로써 실루리아는 세계 최초로 천연가스를 산업적으로 대량으로 에틸렌으로 전환하는 데 성공한 기업이 되었습니다. 또한 실루리아의 경영진은 미국 에너지부와 함께 미국의 향후 에너지 정책에 대해 논의할 예정입니다. 미국은 새로운 방식이 자국의 에너지 및 제조업에 미칠 전략적 가치를 인식하고 있으며, 해당 산업의 발전을 촉진하기 위한 정책을 마련하는 것을 고려하고 있습니다.IEA 2012년의 자료에 따르면, 미국의 천연가스 수요는 주로 발전과 난방에 사용되며, 에너지 측면에서 전체 에너지 소비량의 77%를 차지합니다. 이는 약 21,339,716TJ에 해당합니다. 반면 산업용으로는 17%만 사용되는데, 여기에는 생산 과정에서의 가열 등도 포함됩니다. 즉, 모든 천연가스가 화학적 변환을 통해 다른 화학물질로 만들어지는 데 사용되는 것은 아닙니다.지난 몇 년간 미국의 천연가스 산업에서의 사용량 변화를 분석해보면, EIA의 데이터에 따르면 이러한 변화 추세는 그다지 뚜렷하지 않습니다. 이는 미국 내에서 메탄 사용에 대한 태도가 여전히 매우 신중하다는 것을 의미합니다. 메탄은 주로 발전이나 난방용으로 사용되며, 메톡실렌을 만드는 데 사용된 후 MTO를 통해 폴리올레핀으로 전환되는 경우는 거의 없습니다. 비록 미국이 셰일가스 자원 면에서 큰 장점을 가지고 있음에도 불구하고 말입니다. 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3. 결론
위에서 살펴본 바와 같이, 전 세계적으로 메탄올의 대부분의 하위 산업에서의 수요는 비교적 안정적인 상태이며, 성장률도 대체로 한 자릿수에 머물고 있습니다. 이러한 수준으로는 향후 급격히 증가할 것으로 예상되는 메탄올 생산량을 감당하기에는 부족합니다；연료 대체 분야에서 메탄올이 돌파구를 마련하여 중국의 에너지 구조를 변화시킬 것이라고 기대하는 것은 현실적이지도, 실현 가능하지도 않다.현재로서는 CTO/MTO만이 약간의 생명력을 가진 것으로 보이지만, 여전히 불확실합니다.중국 고대의 병법서에는 이런 말이 있습니다: “세 곳을 포위하고 한 곳을 남겨두라.” 그들은 더 나은 에너지 운반체를 찾아내기 전까지, 중국의 거대한 시장을 통해 여분의 천연가스를 처리해야 합니다. 메탄올 수출이 바로 그 ‘한 곳’에 해당합니다. 반면 그들 자신은 새로운 MTO 설비를 건설하거나 확장하는 경우가 거의 없습니다. 분명히 그들은 LNG나 메탄올 외에도 메탄을 수출할 수 있는 더 좋은 방법이 있다고 확신하고 있습니다. 앞으로는 메탄을 직접 에틸렌으로 전환하는 것도 그러한 방법 중 하나가 될 것입니다.그때가 되면, 메탄올이 에너지와 화학 산업을 연결하는 매개체로서의 위상을 잃게 되면, 과연 얼마나 더 성장할 여지가 있을까?현재 “역대 최대” 규모의 프로젝트에 투입된 막대한 자금이 회수될 수 있을지는 아직 미지수입니다. 그러니 지금처럼 CTO/MTO 시장이 번성하고 있는 상황에서, 누군가는 현실을 직시하고 경고의 목소리를 내야 합니다. 중국의 메탄올 산업은 이미 위기의 강가에 서 있습니다!참고문헌:
1. 장윈펑, 덩슈핑, “메탄올을 이용한 휘발유 생산 방안의 기술경제적 분석”, 화공진전 2010(29)
2. 황칭, 루라이타오, “메탄올 및 디메틸에터의 합성 공정 현황과 경제적 분석”, 청정석탄기술 2006, 12(4)
3. 왕잉, 런시쉬안 등, “천연가스를 이용한 메탄올 생산의 에너지 소비 분석”, 응용화공 2003, 32(3)
4. 탕홍칭, “석탄을 이용한 올레핀 생산을 위한 기술 개선의 필요성”, 질소비료기술개선 2011(4)
5. Aligoli Amir Nazmi Afshar, “Chemical Profile: Methanol”, 2011

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