가스플랜트사업단 사전기획 최종보고서 by 이화진

제

건설교통기술평가원장

출

문

귀 하

본 보고서는 2007년 2월 26일 제출한 ‘가스플랜트 사업단’의 사전기획 연구보고서를 보완하여 제출 하는 최종보고서입니다.

2007. 07. 31

연구책임자 ː 황인주 연구책임자 ː 김선욱 연구책임자 ː 손영순 연구원 ː 이태원

연구원 ː 유시경

연구원 ː 김병화

연구원 ː 이상규

연구원 ː 손병후

연구원 ː 최성희

연구원 ː 이홍철

연구원 ː 서흥석

연구원 ː 우남섭

연구원 ː 김석순

연구원 ː 이승철

연구원 ː 조원준

연구원 ː 구도균

연구원 ː 송택용

연구원 ː 안 훈

- 1 -

요

약

문

Ⅰ. 목적 본 연구는 대규모 가스플랜트 사업단 과제의 원활한 출범을 위한 사전 기획연구로서 그 대상은 천연 가스를 원료로 하는 LNG(liquefied natural gas) 및 GTL(gas to liquids) 플랜트를 대상으로 하고 있으 며, 선진기업 주도로 형성되어 있는 해외 가스플랜트 시장 진입을 위한 EPC 필수기술(공정기술, 설계 응용 및 FEED 패키지 등) 개발과 이의 실증을 위한 테스트베드(Test-Bed) 구축 등을 수행할 사업단 과제를 사전 기획하는 것이다.

Ⅱ. 내용 및 범위 본 사전 기획연구에서는 '해외시장 성장사업모델인 가스플랜트의 원천기술과 첨단 시스템엔지니어링 기술의 자립화'를 사업단 과제의 기본방향으로 설정하고, 이를 달성하기 위한 비전을 제시하고 구체적 인 목표(정량적, 정성적)와 추진방안을 마련하는 것을 주요 내용으로 설정하였으며, 그 골격은 다음과 같다. - 가스플랜트기술 확보를 통해 성취할 수 있는 국가적, 사회적 차원에서의 비전을 제시 - 가스플랜트(LNG 및 GTL) 관련 국내외 정책/기술/인프라/시장/R&D 투자현황 등 환경 분석 - 가스플랜트 사업단 과제의 최종 연구목표 및 범위 설정 (상용화 시기, Test-Bed 규모 포함) - 연구목표 달성을 위한 핵심과제를 기술트리(technology tree) 검토, 전문가 협의를 통하여 도출 - 가스플랜트 사업단 과제 추진전략 수립 (사업단 컨소시엄 형태, 국제 공동연구, 테스트베드 등 구체적 사업화 방안과 운영ㆍ관리 등) 1) 국내외 정책/기술/인프라/시장/R&D 투자현황 등 환경 분석 - 가스플랜트사업의 연구개발의 배경과 국내외 기술동향 및 사례를 분석하여 새로운 개념의 플랜트 사업건설에 관한 동향을 분석 - 또한 정부 부처 및 민간 기관의 기존 연구개발과제를 분석하여 연계성과 중복성 그리고 차별성을 파악하고, 기술개발과 관련된 정책/시장/인프라/SWOT 등 현황을 분석하여 비전 및 총괄 목표 설 정의 기초자료를 확보 2) 가스플랜트사업단 과제의 최종 연구목표 및 범위 설정 - 환경 분석을 토대로 과제의 최종 연구목표 및 범위 설정하는데 있어서 직접적으로 적용될 수 있는 기술을 중심으로 구체적이고 현실 가능하도록 목표와 범위를 설정 - 또한 목표를 정량적으로 측정할 수 있는 성과지표를 연결하여 목표를 명확히 하고 향후 객관적이고 타당한 평가를 수행할 수 있는 지침자료를 제시 3) 가스플랜트사업 핵심과제와 연구목표 달성을 위한 세부기술 도출 - 위에서 도출된 가스플랜트사업을 위해 주요 핵심과제를 도출하고, 세부기술을 우선순위별로 선정하 고, 핵심과제간의 연계성과 통합성을 검토하여 가능성이 높은 실용화 기술을 도출

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- LNG 및 GTL 가스플랜트의 기술요소 연관도를 작성하고 기술의 특징(기초․원천, 기반, 시스템엔 지니어링 등)을 정의하고 필수기술/응용개발기술/보유기술 등을 고려하여 사업의 목표에 기여하는 역할관계를 분명히 하여 핵심과제 대상을 설정 4) 연구 추진전략 수립 - 핵심과제와 세부기술별로 분석된 국내외 환경을 토대로 하여, 국제 공동연구 등 연구역량 확보 방 안 제시, 시범사업(Test Bed 구축) 등 사업화 방안 제시, 기타 추진시 고려사항 등을 수립 - 또한 기술트리에 의하여 도출된 핵심과제의 특성(기초․원천, 기반, 시스템엔지니어링 등)에 적합한 과제 선도기관과 지원기관의 역할 등 컨소시엄 형태와 추진체계 등을 제시 5) 사업단장 공모 RFP 작성 및 평가기준 설정 - 건설교통 R&D 혁신로드맵 수립에 따라 추진키로 한 사업단 과제의 본격적인 추진에 앞서 사전기 획을 바탕으로 사업단 과제를 공모하기 위한 RFP를 작성 - 향후 사업단을 이끌어가는 사업단장 자격 요건, 사업단장 평가기준, 사업단장의 책임과 권한 등을 정량적으로 평가․관리할 수 있는 지표를 제시

Ⅲ. 결론 본 사전 기획연구를 통하여 가스플랜트 기술 현황과 제반 여건을 진단․정리하고 해외시장을 전망하 였으며, 이를 토대로 사업단 과제의 비전과 목표를 설정하였다. 가스플랜트 기술구성과 최근의 기술변화 등을 토대로 기술개발 포트폴리오(portfolio)를 작성하였으 며, 핵심과제의 선정기준과 절차에 따라 1개의 총괄과제와 5개의 핵심과제를 도출하였다. 또한 핵심과 제의 범위, 소요예산 등을 설정하였다. 그리고 효과적인 연구수행을 위한 산․학․연 협동연구, 해외 선진기관 제휴, 핵심기술 개발 등 추진 전략을 제시하였으며, 개발된 성과를 집적하기 위한 테스트베드(Test-Bed) 구축 및 활용방안, 사업단 장 후보 선정을 위한 자격조건 및 평가기준 등을 제시하였다.

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목 1. 서

차

론 ········································································································································································8

1.1 기획의 범위 및 세부내용 ·······························································································································8 1.2 추진체계 ···························································································································································15 1.3 방법론 ·······························································································································································19 1.4 추진일정 ···························································································································································27 2. 기술⋅산업환경 분석 ··········································································································································28 2.1 기술동향 ···························································································································································28 2.2.1 국내 기술개발 동향 ····························································································································31 2.2.2 선진국의 기술개발 동향 ····················································································································24 2.2 시장환경 분석 ·················································································································································76 2.3 연구개발 인프라 분석 ···································································································································81 2.4 향후 산업동향과 정책방향 ···························································································································83 2.4 핵심기술 선정기준 ·········································································································································86 3. 추진계획 ·································································································································································93 3.1 추진전략 ···························································································································································93 3.2 단계별 추진대상과제 ···································································································································106 3.3 예산소요계획 ·················································································································································107 3.4 인력투입계획 ·················································································································································109 3.5 사업화(Test-Bed 등) 추진 전략 및 계획 ······························································································110 3.6 사업단장 선정기준 검토 ·····························································································································115 4. 기술개발 효과 ·····················································································································································116 4.1 기술적 효과 ···················································································································································116 4.2 사회․경제적 효과 ·······································································································································116 4.3 전략적 효과․정책적 기대효과 ·················································································································117 5. 결

5.1 핵심과제선정 논리 ·······································································································································118 5.2 공고내용 작성 ···············································································································································121 5.2.1 핵심과제의 목표 및 내용 ················································································································121 5.2.2 핵심과제의 최종기술개발일정(안) ·································································································127 6. 기획위원회 명단 ·················································································································································128 7. 참고문헌 ·······························································································································································129 부

록 ·······································································································································································131

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표 차 례 <표 2-1> 국내 LNG 저장탱크 건설현황 ·············································································································29 <표 2-2> LNG 플랜트 액화 기술 보유현황 ·······································································································32 <표 2-3> LNG 공정별 주요특징 ···························································································································34 <표 2-4> 세계의 주요 LNG 플랜트 ·····················································································································51 <표 2-5> 각 기업의 GTL 프로세스 비교 ···········································································································54 <표 2-6> GTL 상업화 플랜트 현황 ·····················································································································60 <표 2-7> 세계 천연가스플랜트 수요 전망 (IEA 2004 보고서) ······································································76 <표 2-8> GTL 플랜트 건설계획 ···························································································································80 <표 2-9> 가스플랜트 연구개발 인프라 SWOT 분석 ·······················································································82 <표 2-10> LNG/GTL 플랜트의 기술적, 사업적 모델 검토 ············································································84 <표 2-11> 가스플랜트 기술변화에 기초한 기술발전주기 및 전개방향 ························································87 <표 2-12> 가스플랜트 기술 영향인자 및 핵심기술 후보군 ············································································88 <표 2-13> 세부기술 선정기준 ································································································································83 <표 2-14> LNG 플랜트 기술트리 (Level Ⅳ) ····································································································90 <표 2-15> GTL 플랜트 기술트리 (Level Ⅳ) ····································································································91

<표 3-1> 사업단 과제의 추진방향과 방법 ··········································································································91 <표 3-2> 건설교통부와 산업자원부 GTL 과제의 특징과 중점추진분야) ··················································102 <표 3-3> 공정기술 개발 및 미개발에 따른 제반 영향 검토 ········································································105 <표 3-4> 테스트베드 구축시나리오 및 활용방안 ····························································································111

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그 림 차 례 <그림 1-1> 2030년까지 세계 가스수요 전망 ········································································································8 <그림 1-2> 2030까지 가스부문 투자전망 ··············································································································9 <그림 1-3> 가스의 이용계통 ····································································································································9 <그림 1-4> 천연가스 이용 LNG 및 GTL 기술요소 개요도 ···········································································10 <그림 1-5> 세계 환경표준의 변화 (출처: Australian diesel standards, 2001) ··········································10 <그림 1-6> Hydrocarbon flaring from worldwide oil gas production ·······················································11 <그림 1-7> 공동연구 추진체계도 ··························································································································15 <그림 1-8> 가스플랜트 사업단 기획연구 기관별 역할 구분과 연계성 ························································16 <그림 1-9> 연구역량 강화방안 ····························································································································17 <그림 1-10> 핵심과제 및 세부기술 도출과정 ····································································································20 <그림 1-11> 특허/논문 분석 flow ························································································································21 <그림 1-12> 특허 정량분석의 예시 ······················································································································24 <그림 1-13> 특허 정성분석의 예시 ······················································································································24 <그림 1-14> 가스플랜트 사업단 추진과정 예시 ································································································25 <그림 1-15> Natural Gas Proved Reserves at End 2004 (출처: BP Statistical Review of World Energy, June 2005) ················································26 <그림 2-1> 국내 LNG 소비현황 (2005, 자원에너지 통계, 산업자원부) ······················································28 <그림 2-2> DME pilot plant (한국가스공사) ··································································································31 <그림 2-3> LNG 플랜트 공정 흐름도 ·················································································································32 <그림 2-4> Trend in LNG train size in the future ························································································33 <그림 2-5> LNG train size - Past & Future Trends ···················································································33 <그림 2-6> Floating LNG Plants ·························································································································34 <그림 2-7> 천연가스 초저온 액화사이클 기술변화 ··························································································35 <그림 2-8> LNG block flow diagram ·················································································································36 <그림 2-9> Cooling curve of LNG cycle ···········································································································36 <그림 2-10> LNG 액화공정 ···································································································································37 <그림 2-11> 액화공정도 ··········································································································································37 <그림 2-12> LNG 플랜트 주요 장비류 ···············································································································43 <그림 2-13> World's largest non-associated gas field ·················································································46 <그림 2-14> Frame 9E 가스터빈 ·························································································································46 <그림 2-15> AP-XTM cycle ·································································································································47 <그림 2-16> Darwin LNG Project Field ············································································································47 <그림 2-17> Phillips Optimized Cascade LNG Technology ··········································································48 <그림 2-18> Bonny Island LNG Plant Field ····································································································48 <그림 2-19> 광동 LNG Terminal Field ··············································································································49 <그림 2-20> LNG

트레인 규모 및 소요비용 변화 분석 ···············································································49

<그림 2-21> GTL플랜트 value chain ··················································································································53 <그림 2-22> 기존의 개질기술 ································································································································53

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<그림 2-23> 미국 DOE의 GTL Demo. Facility 및 주요기술 ·······································································55 <그림 2-24> 일본의 GTL 플랜트기술 개발사례 ·······························································································56 <그림 2-25> 선두/후발기업의 기술개발 현황 ····································································································57 <그림 2-26> 세라믹 멤브레인에서 개질반응기술 ······························································································58 <그림 2-27> 마이크로 채널을 이용한 steam methane reforming 개량기술 ··············································58 <그림 2-28> GTL Capital Cost (7th World Congress of Chemical Engineering, 2005) ·······················62 <그림 2-29> Economic Comparison of Gas-To-Liquid and LNG (7th World Congress of Chemical Engineering, 2005) ··························································63 <그림 2-30> 전처리 분야 특허의 연도별 동향 ··································································································66 <그림 2-31> 전처리 분야 특허의 출원인 랭킹 분석 ························································································67 <그림 2-32> 액화 분야 특허의 연도별 동향 ······································································································67 <그림 2-33> 액화 분야 특허의 출원인 랭킹 분석 ····························································································68 <그림 2-34> 액화 분야 특허의 기업별 분석 (상위 5위 기업) ·······································································68 <그림 2-35> 액화 분야의 연도별 IPC 출원 건수 ·····························································································69 <그림 2-36> 저장 분야 특허의 연도별 동향 ······································································································70 <그림 2-37> 저장 분야 특허의 국가별 동향 ······································································································70 <그림 2-38> 저장 분야 특허의 출원인 랭킹 분석 ····························································································71 <그림 2-39> 저장 분야 연도별 IPC 출원 건수 ·································································································71 <그림 2-40> 합성가스제조 분야 특허의 출원 연도별 추이 ············································································72 <그림 2-41> 합성가스제조 분야 특허의 기업별 분석 (상위 5위 기업) ·······················································73 <그림 2-42> 합성가스제조 분야 연도별 IPC 출원 건수 ·················································································73 <그림 2-43> 촉매 분야 특허의 출원 연도별 추이 ····························································································74 <그림 2-44> Fischer-Tropsch 촉매 부분 특허의 기업별 분석 (상위 5위 기업) ······································75 <그림 2-45> 촉매 분야 연도별 IPC 출원 건수 ·································································································75 <그림 2-46> 해외 LNG 플랜트시장 주요 계약자 ·····························································································77 <그림 2-47> 세계 지역별 GTL 생산전망 (IEA 2004 보고서) ·······································································78 <그림 2-48> 국내 기업과 선진 기업의 Value Chain 수준 비교 ···································································82 <그림 2-49> 천연가스관련 세계투자전망 (IEA 2004 보고서) ········································································84 <그림 2-50> 수송거리 및 생산용량에 따른 타당성 평가 ················································································85 <그림 2-51> 주요 선진국의 환경규제 전망 ········································································································85 <그림 2-52> 주요 선진사의 기술 경쟁력 분석자료 ··························································································86 <그림 2-53> 기술개발 portfolio 분석결과 ···········································································································88 <그림 2-54> 기술개발범위 설정 ····························································································································89 <그림 3-1> 가스플랜트 연구개발사업 기본방향 연관관계 ··············································································98 <그림 3-2> 공정 데이터와 EPC 수행 연관도 ····································································································99 <그림 3-3> 가스플랜트 사업단 과제 거시로드맵 ······························································································99 <그림 3-4> 기술 확보를 위한 수행 흐름도 ······································································································100 <그림 3-5> 테스트베드와 핵심과제의 연관관계 ······························································································101 <그림 3-6> 건설교통부와 산업자원부 GTL 기술개발의 중점분야 검토 ···················································103 <그림 3-7> 가스플랜트 사업단과제의 사업비 적정성 검토 (추세곡선) ·····················································107 <그림 3-8> 테스트베드 연계 단계별 시장진입전략 흐름 ··············································································114

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1. 서 론 1.1 기획의 범위 및 세부내용 □ 사업단과제 추진 필요성

가스플랜트(LNG, GTL)는 중장기적인 천연가스 수요의 증가에 따라 해외 건설시장에서 ① 고 부가가치 성장사업모델로 주목받고 있으며, ② 선진국 중심의 국제환경 규제에 따른 에너지 이 용기술의 패러다임 변화와 ③ 국가적인 에너지 안보(가스전의 개발․생산․공급)에 대응하기 위한 국가 차원에서 가스플랜트기술에 대한 대규모 실용화 연구개발이 필요함.

① 가스플랜트는 고부가가치 성장사업 모델로서 해외시장 진출과 수주액 증대를 위한 독자기술(원천, 응용)의 확보가 필수적임. ◦ 세계 가스수요 전망: 세계적으로 천연가스의 수요는 2030년까지 2002년 대비 거의 2배 수준으로 증가하여 4,900 bcm에 이를 것으로 예상되며, 이를 원료로 하는 합성유 또한 2010년까지 0.4 Mb/d, 2030년까지 2.4 Mb/d에 이를 것으로 전망됨.

World Gas- Production Capacity Additions

GTL Production by Region

<그림 1-1> 2030년까지 세계 가스수요 전망

◦ 가스플랜트 투자전망: 2003～2030년: 가스부문의 투자금액은 향후 2030년까지 동안 총 2조 7천억 달러로서 연평균 약 1000억 달러 임. 이 중 절반 이상은 탐사 및 개발 분야에 사용될 것으로 전망되며, 나머지는 액화플랜트 및 수 송 및 저장 등 하류(downstream)부분에 투자가 필요할 것으로 예측됨.

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<그림 1-2> 2030까지 가스부문 투자전망 1) LNG (liquefied natural gas): 천연가스를 초저온 액화공정을 통하여 물리적인 액체연료로 전 환하는 기술로서, 이렇게 생산된 LNG는 수요처에서 다시 기체로 전환하여 사용하는 기술 2) GTL (gas to liquids): 주로 천연가스를 화학적으로 재조합하여 F-T 합성경유, 납사, 메탄올, Dimethyl Ether 등과 같이 기존 석유를 대체할 수 있는 액체원료나 연료로 전환하는 기술 3) World Energy Investment Outlook, 국제에너지기구(IEA), (2004)

<그림 1-3> 가스의 이용계통 ◦ 가스플랜트분야의 해외 진출시 EPC 실증기술 요구에 대응할 수 있는 독자기술이 필요 - 세계 가스플랜트 시장이 확대되고 있으나 우리나라 기업은 주변기술 또는 유틸리티 중심의 부 분적인 참여를 하고 있는 실정임. - 프랑스, 일본 등과 같은 후발국가나 업체 등은 독자적인 기술 확보를 위하여 적극적인 R&D 투 자를 해왔으며, 일부 확보된 상용화 기술을 기반으로 국제적인 기술제휴 및 J/V (joint venture)를 통하여 해외시장 진입을 시도하고 있음.

- 9 -

- 국내 기업의 경우에도 가스플랜트 시장 진출을 위한 원천기술, 기본설계, 시스템엔지니어링, IT 기반 운영기술 등에 관한 특화기술의 확보가 필요함.

천연가스

PrePre-Treatment

Liquefaction

PrePre-Treatment

Reforming

Synthesis Gas

Methane

Coupling

Methanol

Ethane

Cracking

MTO

Naphtha

Cracking

Gas Oil

Cracking

Separation

LNG Storage

[LNG] FTFT-synthesis

석유(화학)시장의 패러다임 변화

Crude Oil

Refining

Ethylene [GTO]

Fuel

[GTL]

<그림 1-4> 천연가스 이용 LNG 및 GTL 기술요소 개요도 ② 국제 환경규제 강화에 따른 에너지이용패러다임 변화에 대응기술이 필요 ◦ 세계적으로 쿄토의정서에 의한 온실가스 저감에 대한 의무 부담이 강제됨에 따라 청정에너지의 개발 및 사용처 확대에 대한 연구개발이 가속화 되고 있으며, 이러한 청정연료 경제구조로 전환 에 따른 배출가스 등 환경규제 강화에 대응하기 위한 기술개발이 필요

<그림 1-5> 세계 환경표준의 변화 (출처: Australian diesel standards, 2001)

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825

MMSCFD

550

275

0 2000

2001

2002

2003

2004

2005

YEAR

<그림 1-6> Hydrocarbon flaring from worldwide oil gas production ③ 국가적인 에너지 수급을 위한 안보차원 접근이 필요 - 향후 수소경제로 진행하는 과정에 과도기적으로 천연가스는 중요한 에너지원으로 평가되고 있으 며, 선진 각국에서 에너지안보 측면에서 국가전략산업으로 육성하고 있음. - 또한 기존 화석연료(석유류) 가격의 급등 추세가 지속됨에 따라 중소규모의 가스전 개발과 소각 되어 버려지는 가스(flared gas)의 활용에 메이저 석유회사들의 관심이 증가하고 있으며, 세계 각 국 정부 역시 에너지 안보 차원에서 가스전 개발을 위한 정치/외교적 역량을 기울이고 있음. - 이러한 고유가시대의 도래와 불안한 세계 석유시장에서의 주요국의 에너지 확보전략은 해외 가 스전의 개발과 이를 통한 천연가스, 신개념 석유(GTL) 등을 확보하는 것임. □ 연구의 중요성

․가스플랜트(LNG, GTL)기술은 우리나라 플랜트산업의 ① 지속적인 성장을 담보할 수 있는 사업모델로서 해외시장 진출을 위한 독자기술의 개발이 시급하며, ② 또한 산업의 전후방 연관효과가 크고 에너지 안보측면에서 경제적, 사회적 파급효과가 큰 기술임. ․따라서 국가 차원의 대규모 가스플랜트기술에 대한 연구개발 투자와 지원이 필요하며, 이의 효율적인 추진을 위한 체계적이고 목표 지향적인 사업계획 및 추진 전략의 수립을 위한 사 전 기획연구가 매우 중요함.

◦ 가스플랜트는 앞서 필요성에서도 설명한 바와 같이 우리 기업이 해외 플랜트 시장에서 지속적인 성장을 담보할 수 있는 사업모델과 기술임. - 석유가격의 상승세가 지속될 전망으로 중소형 가스전을 대상으로 우리 기업의 독자적인 해외 가스전 개발과 생산기술의 확보가 필요 - 가스 플랜트 분야의 핵심공정에 실질적으로 참여한 실적은 없으나, 그동안 정유나 석유화학 등 의 분야에서 수행한 실적을 감안하면, 상세설계 및 건설사업관리 분야에서 확보된 기술력을 바 탕으로 기술개발 및 상용화에 대한 잠재력은 매우 큼.

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◦ 또한 가스플랜트는 산업의 전후방 연관효과가 크고 국제적인 환경 규제 및 에너지 안보 측면에서 그 파급효과가 매우 큰 중요한 기술임. - 플랜트산업의 전후방 연관효과: 94% (제조업: 57%, 서비스업: 39%) - 고부가가치창출 효과: 건설비용이 1～10억 달러 이상 - 청정연료 경제구조로 전환에 따른 선진국의 기술투자 확대 - 주요국의 에너지 확보전략: 천연가스, 신개념 석유(GTL) 개발 ◦ 연구 개요에서 언급한 바와 같이 가스플랜트 사업은 다양한 학제와 원천기술, 응용기술이 집적되 어 있는 Complex로서 대규모 응용 및 실증(Test-Bed 등)이 필수적인 과제임. 이에 따라 사업위 험 감소와 성과달성을 담보할 수 있는 연구 컨소시엄 구성과 추진이 요구되며, 이의 성공을 위해 서는 명확한 미래 비전과 목표의 설정, 목표 달성을 위한 수단(핵심과제)과 일관성 있는 추진전략 의 사전 기획 및 수립이 매우 중요함. ◦ 이에 본 사전 기획연구에서는 가스플랜트 연구개발사업이 명확한 비전 및 목표를 가지고 효과적 으로 추진될 수 있도록 체계적이고 목표 지향적인 사업계획과 추진체계 및 수행전략을 기술트리 및 기술변화를 기반으로 국내 및 국외 전문가 참여를 통하여 제시하고자 함. □ 목표 및 내용 (1) 연구의 최종목표

① 가스플랜트 사업단의 연구목표를 제시하고 추진전략 수립 - 가스플랜트 시장/기술/인프라 등 환경 분석 - 사업단의 비전, 정성 및 정량적 목표를 제시 - 연구목표를 달성하기 위한 핵심과제와 범위, 성과지표 작성 - 사업단 형태, test-bed, 상용화 시기 등 사업화 방안 제시

② 가스플랜트 사업단 과제 공모를 위한 RFP 제시 - 사업단장 자격요건, 평가기준 등 설정 - 총괄과제의 필요성 검토 및 RFP 작성 - 개발목표 설정, 주요 수행내용, 추진전략, 연구수행방법 등 사업단 RFP - 연구성과의 활용방안 및 기대효과 등 제시

◦ 기본적으로 사전기획 RFP에서 요구하는 사항을 충족 ☞ 건설교통 R&D 혁신로드맵 수립에 따라 추진키로 한 사업단 과제의 본격적인 추진에 앞서 관련 기술 및 시장과 인프라 현황 분석에 기초한 최종 연구목표를 설정하고 이를 위한 주요 연구내용 및 추진전략을 수립하고, 이를 바탕으로 사업단 과제를 공모하기 위한 RFP를 작성

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◦ 기술트리(technology tree) 및 흐름(trends)에 기반한 주요 핵심과제를 설정 ☞

LNG 및 GTL 가스플랜트의 기술요소 연관도를 작성하고 기술의 특징(기초․원천, 기반, 시 스템엔지니어링 등을 정의하고 필수기술인가, 응용개발기술인가, 보유기술인가 등을 고려하여 사업의 목표에 기여하는 역할관계를 분명히 하여 핵심과제 대상을 설정

◦ 기술특성을 고려한 사업단 컨소시엄 형태 등 추진체계 ☞ 기술트리에 의하여 도출된 핵심과제의 특성(기초․원천, 기반, 시스템엔지니어링 등)에 적합한 과제 선도기관과 지원기관의 역할, 컨소시엄 형태 등을 제시 ◦ LNG 및 GTL 분야의 사업화 예상시기, 전략적 중요도를 고려 ☞ LNG와 GTL 플랜트의 시장진입 및 사업화 예상시기가 다르고 국가 전략적 중요도(국가 에너 지 안보, 가스전 기획․개발 등)가 다르므로 이에 관한 접근방법(병행수행전략, 기간별 투자비 중 등)을 고려한 우리업체의 전략방향과 방법을 제시 (2) 세부 목표별 연구내용 연구목표

주요 연구내용 ▪관련분야 선행기술/시장/ 개발여건/인프라 등 분석을 통 한 총괄 목표 설정

▪가스플랜트 기술, 시장 및 인프라 등 분석

▪연구개발의 배경과 국내외 기술동향 및 사례를 분석 ▪가스플랜트 기술구성 및 연계 트리 작성 ▪정책/시장/인프라 등의 현황 분석에 기반한 SWOT 분석 ▪정부 부처 및 민간 기관의 기존 연구개발과제 분석(연계 성, 중복성, 차별성) ▪환경 분석을 토대로 과제의 최종 연구목표 및 성과물 제

▪사업단 과제의 목표 및 범위 설정

시 (예, 원천기술, 공정기술, 용량 등) ▪가스 플랜트 사업단 과제의 연구범위 설정 ▪기술 트리 분석을 통한 핵심기술 도출 ▪주요 핵심과제 대상과 범위 도출

▪핵심과제 및 세부기술 도출

(기초, 기반, 핵심, 응용기술이 상호 연계되어 시너지 효 과를 가지도록 설정) ▪우선순위 선정을 통한 핵심과제 선정 ▪개발기술의 경제/산업적 가치 예측 ▪시급성을 고려한 과제추진의 최적 일정 설정

▪사업단 과제 추진전략 제시

▪사업단 컨소시엄 형태 등 추진체계 ▪국제 공동연구 등 연구역량 확보 방안 제시 ▪테스트베드의 구체적인 방법 제시 (장소, 규모, 방법 등

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에 대한 비교연구 수행) ▪기타 추진시 고려사항 (상세기획 방안 등) ▪가스플랜트 사업단장 자격 요건 ▪사업단장 공모 RFP 작성 및 평가기준 ▪가스플랜트 사업단장 평가기준 제시

▪가스플랜트 사업단장의 책임과 권한 ▪총괄과제의 필요성과 RFP 작성

(3) 연구 범위 ◦ 가스플랜트 사업의 배경 및 기술동향 분석 - 가스플랜트사업의 연구개발의 배경과 국내외 기술동향 및 사례를 분석하여 새로운 개념의 플랜 트 건설사업을 위한 기술에 관한 동향 분석 ◦ 가스플랜트사업단 과제의 최종 연구목표 및 범위 설정 - 환경 분석을 토대로 과제의 최종 연구목표 및 성과물 제시하고 과제의 연구범위 설정하는데, 이 는 직접적으로 적용될 수 있는 기술을 중심으로 구체적이고 현실 가능하도록 목표와 범위를 설 정하도록 함. - 성공 가능성을 제고하기 위하여 환경 분석에 기초한 현실적인 대안(기술도입, 기존 기술의 통 합, 개발기술의 중간진입 등)을 검토할 것임. ◦ 가스플랜트사업 핵심과제와 연구목표 달성을 위한 세부기술 도출 - 가스플랜트 사업단의 주요 핵심과제를 도출하고, 세부기술을 우선순위별로 선정하고, 핵심과제 간의 연계성과 통합성을 검토하여 가능성이 높은 실용화 기술을 도출함. - 중장기적 관점에서 기초기술 및 기반 인프라가 구축될 수 있도록 대학, 연구소 등에서 도출되 는 결과가 산업체에서 수행하는 응용기술에 연계되도록 체계를 검토함. ◦ 국내외 정책/기술/인프라/시장/R&D 투자현황 등 환경 분석 - 국내외 정책․시장현황 및 전망, 관련 인프라 및 R&D 투자현황 등의 환경 분석에 기반한 SWOT 분석, 기존 연구개발과제 분석(연계성, 중복성, 차별성)은 위에서 고찰된 세부기술(연구 단)와 핵심과제(연구팀)별로 국내외 환경을 분석함. ◦ 연구 추진전략 수립 - 핵심과제(연구단)와 세부기술(연구팀)별로 분석된 국내외 환경을 토대로 하여, 사업단 컨소시엄 형태 등 추진체계, 국제 공동연구 등 연구역량 확보 방안 제시, 시범사업(Test-Bed 구축) 등 사 업화 방안 제시, 기타 추진시 고려사항 등을 수립함. ◦ 사업단장 공모 RFP 작성 및 평가기준 설정 - 향후 사업단을 이끌어가는 사업단장 자격 요건, 사업단장 평가기준, 사업단장의 책임과 권한 등 을 정량적으로 평가․관리할 수 있는 지표를 제시함.

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1.2 추진체계 □ 연구 추진체계 ◦ 본 가스플랜트 사업단 사전 기획연구는 한국건설기술연구원, 현대엔지니어링, 한국가스공사가 공 동으로 추진함. 또한 기술적 보완을 위하여 분야별 소위원회를 운영하고자 함. ◦ 주관기관은 국내외 전문가들로 구성되어 있는 자문위원 풀(Pool)을 최대한 활용하여 세부기술별 요소기술을 실제 Test-Bed에 적용하는데 필요한 체계적인 프로그램을 구성하며, 연구가 상호 기 술 간의 연관성을 갖고 개발될 수 있도록 전체적으로 조율하고 실제 적용할 수 있도록 유기적이 고 통합적인 연구추진체계를 구축함. ◦ 협동연구를 수행하는 관계로 협력관계와 성과의 관리가 중요하며, 이를 위하여 주 단위의 세부수 행계획을 수립하고 이에 따른 성과를 확인하고자 하며, 중요사항은 워크샵을 통하여 관리하고 결 정하는 체계를 도입하고자 함.

가스플랜트 사업단 사전기획팀 사업단 사업단 기획 기획 소위원회 소위원회

한국가스공사 (GTL 공정 / Test-Bed 구축)

한국건설기술연구원 (총괄/전략 및 운영방안/기반기술)

현대엔지니어링 (LNG 공정 / 설계응용기술)

사전기획 실무작업을 위한 소위원회 구성

해외 해외 협력 협력 Network Network •• KBR/LNG KBR/LNG tech. tech. •• JOGMEC JOGMEC •• Chart Chart /Salof /Salof •• CII CII FIATECH FIATECH •• ENAA ENAA PMCC PMCC

과제운영위원회 과제운영위원회

국내 국내 협력 협력 Network Network 플랜트육성협의회 •• 플랜트육성협의회 플랜트정보기술협회 •• 플랜트정보기술협회 해외건설협회 •• 해외건설협회 한국플랜트산업협회 •• 한국플랜트산업협회 기술 및 산업현황 조사 및 분석, 비전 및 목표 설정, 핵심과제 도출, 한국석유공사 •• 한국석유공사 정부 부처 부처 추진전략 및 수행체계, 사업단 공모 RFP •• 정부

연구성과

가스플랜트 사업단 사전 기획(안)

<그림 1-7> 공동연구 추진체계도

◦ 각 기관별 주된 역할과 연계성은 다음과 같음. - 주관(한국건설기술연구원): 전반적인 기획 및 관리, 특허 및 논문 분석, 추진전략 및 사업단 운 영방안 종합 등을 수행함. 또한 주관연구기관 내부적으로 기술팀과 운영팀을 구성하여 각각 가

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스플랜트 기술주기 분석 및 사업단 운영방안 수립에 관한 연구를 수행함. - 협동(현대엔지니어링): 가스플랜트 국내외 핵심기술 및 요소기술을 분석하여 기술트리를 작성하 고, 해외시장 분석, 상용화 전략 등을 수행함. - 협동(한국가스공사): 국내 인수기지 및 해외 가스전 등 가능한 시나리오를 설정하여 가스플랜트 Test-Bed 구축방안, 경제성 분석 등을 수행함. - 공동수행: 비전과 목표 설정, 사업단 RFP 작성과 평가기준 등 객관성이 요구되는 사항

KICT

•

핵심/요소기술 분석

•

기술개발 전략

•

해외시장분석 및 상용화 전략

• 기획 및 관리 사업단 운영방안 • 기술주기 분석

비전 및 목표

•

기술차별화 전략 •

사업단 RFP

Test bed 시나리오 작성 및 경제성 분석 해외시장분석 및 상용화 전략

KOGAS

HEC

•

기술자문

국내외 전문가 그룹 <그림 1-8> 가스플랜트 사업단 기획연구 기관별 역할 구분과 연계성

◦ 가스플랜트에 관한 국내의 건설 실적이나 경험이 전무한 실정을 고려하여, 해외전문가의 자문이 필요한 사항은 ① 사업계획단계에서 사업의 기본 방향 설정 ② 전체적인 과제 수행에 영향을 미 치는 초기 연구분야 설정, ③ 핵심기술사항 설정, 그리고 ④ 기술개발과정에서 기술적 확인이 필 요한 예상 문제점 예측과 이에 대한 대책을 수립하는 것임. ◦ 확보된 해외 전문가 중에서 공정 설계/프로젝트 관리 경력 소유자 2인을 사전기획 단계 중에 국 내로 초청하여 아래의 내용에 대한 세미나 및 세부분과 회의 진행 ① 현 시장 상황에 대응할 수 있는 가스플랜트 연구개발사업의 기본방향 및 전략 ② 전체적인 과제 수행에 영향을 미치는 초기 연구 분야 설정 ③ 핵심기술사항 설정 ④ 기술개발과정에서 기술적 확인이 필요한 예상 문제 예측과 이에 대한 대책.

◦ 본 연구팀은 연구추진역량을 강화하기 위한 방안으로 다음의 3가지를 적용하고자 함.

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<그림 1-9> 연구역량 강화방안 ◦ 본 연구개발사업에 해당하는 가스플랜트는 국내에 전무한 상태이므로 해외의 관련 플랜트를 방문 하여 실제 규모의 플랜트 상황 분석을 수행할 것임. ◦ 연구에 참여하는 전문연구인력은 총 12인으로서 각각 가스플랜트 설계 및 시공, 에너지, 화공, 제 어, 시뮬레이션 등의 전공으로 구성됨. - KICT 전문연구인력 활용: 주관기관인 KICT의 연구인력은 에너지, 제어, 시뮬레이션 등으로 구성되어 있으며, 국가 R&D 및 신기술 기획연구를 추진한 경험과 실적, 국내외 응용기술분야의 전문가 풀(pool)을 보유하고 있으므로 전문인력 활용이 용이하며 효율적임.

성명

소속/직위

최종학력

세부전공

황인주

KICT/수석

박사

에너지공학

이태원

KICT/수석

박사

기계공학

김병화

KICT/수석

박사

제어공학

손병후

KICT/연구원

박사

냉동공학

우남섭

KICT/연구원

석사

기계공학

이홍철

KICT/연구원

석사

전산해석

이승철

HEC/부장

박사

화학공학

김선욱

HEC/차장

박사

화학공학

구도균

HEC/

박사

화학공학

권준희

HEC/대리

석사

화학공학

안훈

HEC/대리

석사

화학

유시경

HEC/대리

석사

화학공학

손영순

KOGAS/선임

석사

화학공학

이상규

KOGAS/선임

박사

화학공학

최성희

KOGAS/선임

석사

화학공학

서흥석

KOGAS/선임

석사

기계설계

김석순

KOGAS/연구원

석사

에너지공

조원준

KOGAS/책임

박사

화학공학

송택용

KOGAS/선임

석사

화학

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연구경력

기획관리경력

(2) 세부 추진계획 및 방법 일련 번호

연구내용

세부추진 계획 및 방법

수행기간 (주)

￭가스플랜트 기술/시장 및 인프라 분석 1 -국내외 기술/시장 분석 -R&D 인프라 및 투자현황 -국외 전문가 세미나

-국내외 통계를 통한 시장분석 및 투자전망 -국내외 정책/인프라 등에 기반한 SWOT 분석 -가스플랜트 기술구성 및 연계 트리 작성 -연구진 및 전문가 워크샵을 통한 시사점 접근 -해외 전문가 초청 세미나 및 자문 실시

￭ 사업단 과제의 목표 및 범위 설정 2 -사업단 목표 설정 -성과지표 정리

-유사 규모의 국내외 연구개발 프로젝트 벤치마킹 -전문가 회의를 통한 정성적, 정량적인 연구목표 및 범위를 분석 -기술적 니즈(needs)와 세부기술 간 목표의 연계성 을 토의분석 -워크샵을 통하여 최종 연구목표 및 범위를 설정 -목표달성 확인을 위한 성과지표 검토 및 정량화

-기술트리, 국외 전문가 자문결과를 이용하여 개발 분야를 분류 ￭핵심과제 및 세부기술 도출-특허, 논문분석 등 조사방법을 적용하여 기술대상 3 -핵심과제 분류 핵심과제 설정의 타당성, 차별화 방안 도출 -핵심과제별 범위 설정 -구성되는 여타 세부기술을 연계하여 범위를 설정 -기술 및 제품, 서비스의 수요처나 사회 인프라를 종합적으로 고려할 수 있는 정책 및 제도 검토

-프론티어사업 등 벤치마킹 -전문가 의견 수렴을 통하여 사업단 구성, 운영요 소 등 수행전략 수립 -연구기간, 중요도, 투입자원 등 시뮬레이션 -외국기관과의 네트워킹 구축방안 수립 -실용화 및 test bed 적용을 위한 구체적인 시나리 오 검토를 통한 조기 시범사업 유도

-가스플랜트 사업목표 및 성과달성을 위한 사업단 ￭사업단장 공모 RFP 작성 장 자격요건 및 평가기준 검토 및 평가기준 설정 5 -기반기술, 설계기술, 유지관리기술 등의 연계를 위 -공모 RFP 작성 한 총괄과제의 필요성과 역할 및 범위 설정 -평가기준 설정 -실용화를 위한 사업단장의 역할 및 기준 설정

-연구진 및 전문가 워크샵을 통한 의사결정 -총괄과제 성공을 위한 종합적 분석을 기초로 한 보고서 작성

￭ 연구추진전략 -사업단 추진체계 4 -선진기술 확보방안 -Test bed 구축방안 -사업단 운영방안

6 ￭종합보고서 작성

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1.3 방법론

Part 1 : 가스플랜트 사업의 배경 및 기술동향 분석

○ 기술동향조사의 범위 - 기술동향조사대상의 범위는 사전기획연구결과 도출된 가스플랜트 관련 핵심기술을 조사대상 범위 로 하되, 전문가의 의견을 수렴하여 최종 확정 - 가스플랜트 기술특성 정의 및 세부항목 내용 분석을 바탕으로 범위 설정 - 국가적으로 에너지 및 자원의 확보와 세계적인 환경규제 움직임에 관한 실태 조사를 통하여 대응 논리 등을 강화 ○ 국내 선행연구 및 사례 공유 - 산업자원부, 과학기술부 등 국가 R&D 지원연구사례 조사 및 분석 - LNG 및 GTL 관련 유사연구나 선행 연구성과를 활용하거나 차별화하는 방안을 검토 ○ 국외 사례 벤치마킹 (일본 JOGMEC, 미국 GTI 및 KBR 등) - 핵심기술 및 투자비 배분, 사업 추진방향 및 전략, 세부 추진프로세스 등 - 기술 개발국 대상: 미국, 일본, 프랑스 등 주요 선진국을 대상으로 조사 - 기술 적용국 대상: 중동, 동남아시아 지역을 대상으로 조사 ○ 해외 전문가 초청 세미나 및 자문 - KBR 전문가 2인 - 사전 질의서 작성 및 준비작업을 통하여 자문의 효율성 제고

Part 2 : 가스플랜트 사업단 연구목표 달성을 위한 핵심과제 및 세부기술 도출

○ 핵심과제 및 세부기술 도출 방법론 - 중점 연구 분야별 핵심과제 및 세부기술 도출은 설정된 사업 목표와 기술개발 내용 및 범위를 충 족시키기 위하여 과학적이고 합리적인 다양한 방법들을 고려 - 가스플랜트 기술개발과제 진행과정의 각 단계에 맞는 핵심과제 및 세부기술의 도출과 동시에 각 단계가 다음 단계로 전파된 이후 검증 및 개선 방안을 고려 - 각계각층의 관련분야 일반전문가들의 의견 수렴을 위한 개발기술의 수요조사를 실시하였고, 중점 분야의 전문가로 구성된 분과위원회에 의한 전문가 판단법으로 핵심과제의 도출 - 설정된 중점 연구 분야별 개발필요 핵심기술들은 수요조사법과 전문가 판단법 등에 의해 도출하 고, 핵심기술들을 중심으로 그룹화하여 개발 시스템을 구성 - 도출된 대안 시스템들은 가중치 기법으로 최적 시스템을 도출하고, 선정된 최적 시스템의 완성을 위한 세부과제의 선정과 개발 우선순위를 결정 - 세부과제 도출과정 예시

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① 가스플랜트 사업단 비젼 및 최종목표 설정 ② AHP 기법에 의한 기본목표의 가중치 산정 ③ 중점 연구분야

설정

④ 중점 연구분야별 연구내용 및 범위 설정 ⑤ 개발기술 수요조사에 의한 세부과제 도출 ⑥ 전문가판단법에 의한 세부과제 도출 ⑦ TRIZ 기법에 의한 세부과제 도출 ⑧ 그룹화에 의한 시스템 도출 ⑨ 분야별 최적시스템 도출 ⑩ 중점 개발 시스템 선정 ⑪ 세부과제 선정 및 우선순위 도출 ⑫ 최종 세부과제 결정

<그림 1-10> 핵심과제 및 세부기술 도출과정

Part 3 : 국내외 정책/기술/인프라/시장/R&D 투자현황 등 환경분석

○ 특허동향조사 분석 방법 ▷ 특허/논문 분석 흐름

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• 분석대상기술의 정의는 시장/사업적 관점의 분류와 기술적 관점의 분류를 통합하여 Matrix형 분석이 가능토록 대상기술을 정의 • IPC/UPC 및 기술영역별 주요 키워드를 도출 • 기술분야별 특허 및 논문 검색을 위한 주제어를 도출하고, 1차적 검색 착수 • 검색결과에 대한 리뷰를 통하여 검색식을 보정 • 특허검색 프로그램인 KnowledgistTM, 특허검색 서비스인 WIPS, 논문검색시스템인 Sciencedirect 등을 활용하여 특허 및 논문을 검색 • 검색된 Data Set에 대한 리뷰를 통하여 노이즈를 제거하고, 세부 기술 분류체계에 따라 특허 및 논문을 분류 • 세부기술분야별, 국가별, 출원기관별 추세분석 및 비교분석 • 활동도, 인용도, 기술혁신주기, 특허패밀리 등에 대한 지표 분석 • 인용도가 높은 중요기술, 주요 출원기관에 대한 특허분석 등 의미 가 있는 특허에 대한 정성분석을 수행 • 정량분석 및 정성분석 결과를 토대로 기술개발 동향 및 중요 기술 군에 대한 종합분석을 추진

<그림 1-11> 특허/논문 분석 flow ▷ 특허/논문 분석 대상 범위 및 분류 - 대상영역: 시장/사업적 관점의 분류와 기술적 관점의 분류를 혼합하여 매트릭스형 분석 대상 범 위 및 분류 도출 - 대상국가: 미국, 일본, EP - 대상기간: 최근 20년간을 기본으로 하되, 첨단기술 등과 같은 분류는 최근 10년 이내로 적용할 수도 있음. ▷ 특허 및 논문검색을 위한 주요 키워드 - 가스플랜트기술분야는 복합기술분야로 IPC/UPC 분류만으로는 특허문헌에 대한 정확한 검색이 불가능한 경우가 많음. 따라서 키워드 검색이 불가피하고, 적절한 검색식의 활용이 중요함. - 기술분야별로 같은 용어에 대해 다양한 용어가 혼용되므로 검색식 구성을 위한 다양한 키워드에 대한 검색을 선행함. ▷ 가스플랜트기술 세부 분야에 대한 Data Set 추출 - 분석 대상 전체 Data Set을 대상으로 키워드 또는 IPC/UPC를 이용하여 Data Set 내에서 세부 기술 분야별 Data Set을 추출함.

- 21 -

▷ 특허 정량분석방법 : 다양한 방법을 이용하여 정량분석을 추진할 수 있는데, 대표적으로 많이 활용 하는 특허분석지표는 다음과 같음.

지수명

특허활동지수 (Activity Index)

정의 특정 기술분야의 특정 출원인 건수/ 특정 기술분야 전체출원건수

의미/해석

- 특정 특허주체의 특정 분야에서의 활동력을 나타냄 - AI가 높을수록 다른 분야에 비해 해당 특허주체의 특허활동이 상대적으로 왕성함을 의미

특정 출원인 총건수/ 전체 총건수 인용도지수 (Cities Per Patent)

피인용수/특허건수

- 보유 특허당 평균 인용건수를 나타냄 - CPP가 높을수록 해당 특허주체의 타 특허 주체로 의 영향력이 큼을 의미

영향력지수 (Patent Impact Index)

해당주체의 피인용비/전체피인용 비

- CPP의 상대적 크기를 의미함 - CPP가 높을수록 타 특허 주체에 비해 상대적인 영 향력이 큼을 의미

기술력지수 (Technology Strength)

특허건수×영향력지수

- 특허건수와 CPP를 조합한 지수 개념임 - TS가 높을수록 기술력이 높음을 의미

시장확보지수 (Family Patent Size)

해당주체 평균 특허 Family 수/전체 평균 특허 Family 수

- 보유 특허당 평균 패밀리 사이즈의 상대적 크기를 의미 - PFS가 클수록 특허를 통해 확보가능한 시장의 크 기가 큼을 의미

과학연계지수 (Science Linkage)

인용된 비특허 문헌수/특허건수

- 특허당 인용한 비특허 문헌의 평균 개수를 의미함 - SL이 클수록 기초과학과의 연계성이 높다는 것을 의미함

○ 사업단 과제를 특허 분석 ▷ 특허 분석의 목적 - 기술동향분석 및 신기술의 개발 현황을 관련업계에 제공하여 기술개발의 활성화 및 산업발전에 기여하는 것에 목적을 둠. - 특정한 기술분야 또는 최근 권리침해로 인해 사용이 어려운 기술에 대한 특허맵을 작성함으로써 대체기술이나 공백기술 분야를 제시하여 효과적인 연구개발을 유도하고 기술력 강화 및 경쟁력 확보에 이바지 하는 효과를 추구함 - 권리확보에 소극적으로 대처함으로써 특허권 획득에 실패하는 사례를 사전에 방지하기 위해 특 허맵 분석을 진행하여 공백출원 분야를 검토하고 특허출원을 독려하여 특허권 확보를 통한 국 제경쟁력 강화 및 지식재산 수익 창출함에 기여 - 연구개발 분야의 효과적인 운영을 위해 특허 분석을 통한 연구개발 분야의 중복여부를 간접적으

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로 사전에 확인함으로써 예산의 효율적 운영을 도모 함 ▷ 특허 분석방법

󰋮 1단계 (사전 정보조사) - 연구과제 혹은 관련업계의 연구분야의 특허맵 작성대상 주제 선정 - 특허정보검색 이전에 해당 기술분야의 시장정보, 경쟁구조, 국제관계, 수출입 및 기초통계자료, 관련 법률정보 등을 검토하여 시대흐름을 정확히 파악하고 기술분야를 이해하기 위한 기초데이 터를 수집/분석함

󰋮 2단계 (특허정보검색) - 한국, 일본, 미국, 유럽 등을 중심으로 검색하여 국제적 특허기술의 현황을 파악 - 정량적 통계분석결과는 사업단 과제의 기초 자료로 활용 가능 - 정성적 분석결과를 통한 특허권 구축 현황을 파악하여 권리저촉가능 기술분야를 공지하여 불필 요한 특허권침해소송을 미연에 방지할 수 있도록 할 수 있음. - 국제적 특허동향 분석을 통해 건설관련 기업 및 국가들의 연구개발 동향을 파악함으로써 향후 연구추진분야 및 대응전략수립이 용이해짐.

󰋮 3단계 (기술분류) - 기술의 구성, 목적, 효과 측면 등을 고려하여 관련 건설기술의 분류를 진행함으로써 기술분야별 해당업체에게 특허분석결과 정보를 제공할 수 있으며, 필요시 기술 분류별로 결과정보를 재편집 가공하여 2차적 파생 연구보고서를 작성할 수 있는 기초 자료로 활용이 가능함. - 기술분류를 통해 유사 관련 기술의 출원인(기업)의 군집형성이 가능하여, 향후 공동 과제 추진 및 공동연구과제를 기획할 수 있는 기초 자료로 활용이 가능함.

󰋮 4단계 (정보 필터링) - 단순 정보필터링이 아닌 확산가능 기술분야 및 전용기술 분야를 고려한 필터링 작업을 진행 - 협소한 기술분야의 특허분석이 아닌 폭넓고 현장에서 활용 가능한 특허맵을 제공함으로써 특허 맵 작성 사업의 효용성과 당위성을 제공함.

󰋮 5단계 (정보가공) - 특허전문가 그룹의 작업을 통해 정확한 특허정보가공을 진행하여 결과도출의 신뢰성을 확보함.

󰋮 6단계 (중요특허 선별) - 특허권 확보현황을 분석하여 권리존속기간이 남아있는 중요특허를 제시 - 기술리더의 동향 및 보유기술을 인지시켜주고 이들의 향후 연구개발 분야 및 관심분야의 변동추 이를 예측하여 제공함으로써 기업측면에서 대응전략 수립을 할 수 있는 가이드라인을 제시함

󰋮 7단계 (정량적 분석) - 각종 특허정보들을 일목요연하게 도표화하여 제공함으로써 쉽게 기술분야의 트랜드를 파악할 수 있도록 함.

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기술 A 50 40 기술 B

기술 F

20 10 0

기술 C

기술 E

기술 D

<그림 1-12> 특허 정량분석의 예시

󰋮 8단계 (정성적 분석) - 특허명세서의 면밀한 내용분석과 다양한 특허지수들을 활용한 분석결과를 토대로 시대흐름을 파 악하고 미래 기술흐름을 예측하여 가스플랜트 연구개발의 전략적 방향을 제시함.

<그림 1-13> 특허 정성분석의 예시

󰋮 9단계 (개발대상 기술 도출) - 특허의 흐름 및 중요성 등을 고려하여 가스플랜트 관련 핵심기술을 도출하고 개발을 위한 우선 순위를 선정함. ○ 시장 및 산업동향 조사 및 분석 방법

󰋮 문헌조사 및 분석 - 전자저널, IEA, DOE 등 국제 에너지관련 보고서, 연구논문 등의 문헌을 조사하여 시장 및 산업 동향을 파악

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󰋮 협력업체 자료 활용 - 가스플랜트 관련업체 시장동향 조사자료, ENR 등을 분석함으로써 세계 시장의 방향 및 전망을 예측.

󰋮 외국 전문가 초청 및 자문 - 가스플랜트 분야의 20년 이상 경험을 가지는 국외 전문가를 초청하여 활용함으로써 시장 및 산 업동향에 대한 자문

Part 5 : 연구 추진전략 수립

○ 사업단 컨소시엄 형태, 운영방안 등 추진체계 제시

󰋮 바람직한 사업단 컨소시엄 구성 형태 검토 - 가스플랜트의 성격상 상용화가 중요하며, 이의 선도역할은 현장적용기술 중심의 기업임. 대기업 과 중소기업을 기술의 성격에 따라 결합하는 방안이 필요 - 산업체, 대학, 연구소, 협회 등 주체별로 필수기술에 집중하고 주체별로 성과의 공유체계를 통하 여 Test-Bed 구축시 중간 진입시키는 방안을 검토 - 성공 가능성을 제고하기 위하여 선진기관과 국제공동연구, ISO 표준화 활동을 추진토록 가이드 라인을 제시

4단계 : Process commercialization

최종 성과물의 package화 및 상업화

상업화 3단계 : Process verification

Pilot test를 통한 설계 검증 및 EPC Know-how 축적

Test Bed 운전

검증 /개선

2단계 : Process development 검증 /개선

1단계 : Process study

공정 모델링/모사/최적화와 경제성 검토를 통한 독자 공정 설계

차별화 된 독자 공정 개발 Feed 유형/최종 제품 spec.에 따른 설계 조건 도출 및 프로세스 개발

Gas Plant 설계조건 결정

<그림 1-14> 가스플랜트 사업단 추진과정 예시

○ Test-Bed 추진전략 수립방법

󰋮 Test-Bed 규모 및 방법 선정: 기술 개발의 목표를 달성하기 위해서는 다음과 같은 기본방향을 유지함. - LNG 플랜트: 초저온 액화공정 및 저장탱크 국산화, pilot 플랜트 실증 - GTL 플랜트: 소규모 pilot 플랜트 실증과 digital simulator 구현을 병행 - 일정규모 이상의 가스플랜트 Test-Bed 구축 및 운영

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(예시: 10,000 gallons/day 규모의 LNG 플랜트 실증) - 기본적으로 국내에 Test-Bed를 운영하되 보다 적극적으로 우리나라가 사업권을 행사하는 해외 현장에 적용을 검토하는 것이 필요함. - 최종적인 Test-Bed 추진방법은 기획연구를 통하여 결정함.

󰋮 Test-Bed 설치 가능지역에 대한 현장조사 및 비교 - 인수기지/동해 가스전: 기존 가스공급시설과 연구시설, 전력 및 용수 등과 같은 유틸리티를 모두 갖추고 있어 초기 비용을 대폭 절감할 수 있을 것으로 분석되며, 공공의 다양한 활용과 유지관 리의 장점이 있음. - 해외 가스전 개발시 반영: 사업단에서 개발한 기술을 우리나라가 사업권을 행사할 수 있는 해외 가스전 개발시에 액화공정장치 중심의 Test-Bed 구축을 고려할 수 있으며, 이 경우에는 설치규 모, 자산의 관리와 소멸 등에 관한 검토가 필요함.

<그림 1-15> Natural Gas Proved Reserves at End 2004 (출처: BP Statistical Review of World Energy, June 2005) - 국외 전문가 적극 활용: 해외의 가스플랜트 전문인력을 적극적으로 활용하여 해외시장에서 경 쟁력을 갖춘 기술 및 플랜트를 개발하기 위한 기반을 마련함. 기획연구의 효율적 추진을 위하여 해당분야 해외기술사의 엔지니어를 확보 - 최신의 방법론을 적용한 정량적인 접근: 특허, 가중치기법 등의 조사방법론과 기술수요조사, 전문가 판단법 등을 이용하여 핵심과제 및 세부과제를 도출하고 이에 대한 정량적인 목표를 설 정함.

- 26 -

1.4 추진일정

일련 번호

추

진 일 정 (주)

연구내용 1

비중 (%)

가스플랜트 일반현황 분석

국내외 기술개발사례 분석

4 5 6 7 8 9 10

가스플랜트 기술 트리 분석

(해외 전문가 초청) 가스플랜트 기술변화(특허,

논문) 분석 사업단 목표 및 범위 설정

핵심과제 및 세부기술 도출

(워크샵) 성과지표 매칭

핵심과제 및 요소기술의 경제적

가치 예측

사업단 과제 구성방안 사업단 추진전략/수행방안

(워크샵)

국제공동연구방안

테스트베드 구축방안

13 14 15

가스플랜트 사업단장 자격요건

및 평가기준(안) 작성 사업단 공모 RFP 작성

보고서 작성

(공개 세미나)

- 27 -

2. 기술⋅산업환경 분석 2.1 기술동향

□ 국내: 독자기술 확보의 필요성 증대에 기인하여 각 기업별 기술확보방안을 모색 - LNG: 저장탱크와 인수터미널 외에 초저온액화공정 설계/건설 경험이 없음 - GTL: slurry식 반응기와 촉매와 관련된 원천기술 개발을 산업자원부 지원으로 추진 □ 국외: 선진기업은 원천기술과 수행경험을 보유하고, 카르텔을 형성하여 시장을 독점 - LNG: 5 Mton/year 전후의 대용량 플랜트 건설기술, 대용량에 적합한 고효율 액화사이클 최적화, 이에 적합한 열교환기, 압축기, 전기모터 구동장치, 공정 및 계통 간 에너지 흐름 통합/최적화, power system 최적화 등에 관한 기술이 전개되고 있음. - GTL: 개질기술(플라즈마, 일반 공기이용, micro-channel, 세라믹 반응막 등), FT 반응기(촉매 수 명/생산성, 발열제거, 구조, 모듈화, scale-up, 에너지 효율 등), 이산화탄소 저감기술, 설비와 유틸 리티 통합기술 등이 전개되고 있음.

2.2.1 국내 기술개발 동향 ◦ 국내 가스플랜트는 자체 기술 개발보다는 외국으로부터 도입되는 기술 용역을 소화시키는 수준이 며, 주 관심의 대상은 외국으로부터의 기술/설계사항을 도입하는 수준 ◦ 미국, 일본과의 플랜트 산업 각 부문에서의 수준을 평가해 보면 플랜트 설계 단계에서의 원천기 술 개발 및 원천기술을 이용한 기본설계 부문이 취약 ◦ 국내 가스플랜트 산업현황은 주로 해외 가스전에서 생산된 액화천연가스를 도입하여 공급하는 구 조이며, 합성유(GTL)의 경우에는 국내 산업기반이 전무함. 이와 관련하여 주로 천연가스 공급을 위한 인수터미널과 저장탱크, 공급망 건설 등이 주된 산업임.

14.0 12.0

도시가스용(A)

12.5

11.2

12.0 10.3

발전용(B) 9.5

10.0

8.8 7.9

8.0 5.8

6.0

4.6 3.3

4.0 2.0

1.5

1.9

1.7

1.7 1.8

2.2

0.1

0.2

0.3

0.6 0.9

1.3

'87

'88

'89

'90 '91

'92

2.5

6.2 4.2

4.8

4.7

6.5

'02

'03

5.3

4.65.4

3.4 3.6

1.8

0.0 '93

'94

'95

'96

'97

'98

'99 '00 '01

<그림 2-1> 국내 LNG 소비현황 (2005, 자원에너지 통계, 산업자원부)

- 28 -

'04

◦ 국내의 LNG 플랜트 관련 기술개발 사례는 저장탱크 및 인수기지 등을 제외한 액화공정과 이의 응용기술 분야는 전무하다. 그리고 국내 업체의 LNG 플랜트 건설사업에 참여한 내용은 국내에서 LNG 인수기지 및 저장탱크 등이며, 해외에서는 주된 액화 공정을 제외한 주변 장치 설계 (sub-contractor) 및 건설 부문으로 제한되고 있는 실정임. ◦ 천연가스가 추출되지 않는 국내 가스플랜트 시장은 LNG 생산시설 보다는 LNG 이송 및 저장시 설에 한정되어 있는 이유로 현재까지 LNG 생산시설에 대한 연구 실적이 전무한 실정임. ① 전처리공정: 국내의 EPC 업체에서는 다수의 프로젝트 경험을 보유하고 있으며, 생산된 가스의 수분을 dehydration 공정으로 없애고 CO2, H2S 등의 불순물을 제거하는 공정으로 일반화된 기 술(open technology)로 평가됨 ② 액화공정: 국내 업체는 천연가스 액화공정에 대한 원천기술과 응용설계기술에 관한 연구실적이 없으며, EPC 프로젝트 수행 경험이 전무함. 현재 산업자원부 주관으로 진행되고 있는 LNG 선 박에서 발생하는 BOG (boil-off gas)의 재액화시스템의 기술개발사업이 진행중임. ③ 저장탱크 - LNG 저장탱크의 경우에 국내 업체의 경우, 시공 및 일부 상세 설계에 참여한 경험 및 이를 바탕으로 자체적인 기본설계 능력을 갖춘 업체도 있으나 대외적으로 이에 대한 객관적인 검증 이 이루어지지 못하였거나 독립적인 설계 수행능력 부족으로 인하여 해외 시장 진출에 어려움 을 겪고 있는 상황임. <표 2-1> 국내 LNG 저장탱크 건설현황 구 분 (기지명 #○호기 평택기지 11~14호기 통영기지 1~3호기 통영기지 4,5호기 통영기지 6,7호기 통영기지 8~10호기 통영기지 11~12호기 통영기지 13,14호기 인천기지 11,12호기 인천기지 13,14호기 인천기지 15,16호기 인천기지 17,18호기 인천기지 19,20호기 포스코 광양기지 1,2호기

탱크 형태

탱크 분류 기 초 형 식 저 부 가열식

용 량

설계사

(m3)

설계 압력 (mbar)

무

140,000

290

KOGAS

건설 중

설 치 위 치

방액제

〃

현

황

내부탱크

외부탱크

방 호 형 식

9% Ni

〃

Full

〃

“

〃

KHI

2002 완공

〃

TKK

2003 완공

〃

KOGAS

2005 완공

〃

2006 완공

〃

건설 중

〃

200,000

〃

건설 중

멤브레인 SUS304

Single

직접기초

지중

무

140,000

〃

MHI

2001 완공

〃

강관파일

〃

200,000

〃

IHI

2002 완공

〃

KHI

2004 완공

〃

2004 완공

〃

KOGAS

2004 완공

9% Ni

〃

Full

저 부 가열식

〃

무

100,000

290

Whessoe

2005 완공

* RC : Reinforced Concrete , PC : Prestressed Concrete

- 29 -

- LNG 저장탱크의 경우 특허를 가진 액화공정과는 달리 국제적 규격 및 코드에 따라 설계, 시 공 및 안전성이 확보될 경우 원가 경쟁력을 갖추기만 한다면 약 50여기에 이르는 국내 LNG 저장탱크 시공경험을 갖춘 국내 업체들이 충분히 국제 EPC 턴키 시장에 진출 할 수 있는 기 회를 창출 할 수 있음. - 최근 들어 LNG 저장탱크 관련 핵심기술의 발전으로 인하여 저장탱크의 용량은 대형화 되어 가는 추세이며, 이는 LNG 저장탱크의 용량을 증가시키는 것이 저장용량대비 상대적인 시공비 용을 절감할 수 있는 방안으로 평가됨. ◦ 한편, 국내 GTL 관련기술은 과거 10여 년 전부터 화학연구원과 일부 대학에서 합성가스 제조, 메탄 리포밍, 연구 수행하였으나 그 실적은 미미한 실정이다. GTL과 유사한 기술로 산업자원부 의 지원으로 2004년부터 DME (Dimethyl Ether) 변환공정 개발이 추진되었으며, 한국가스공사에 DME 파일롯 플랜트가 설치된 바 있음. ◦ 2006년부터 산업자원부의 기술개발과제 (청정에너지기술개발사업)로 GTL 공정의 주반응 촉매 및 반응기 관련 원천기술 개발 과제가 진행되고 있다. 동 과제에는 국내 정유회사를 비롯하여 엔지 니어링 업체 설비제작 업체 등이 참여함. ◦ 그동안 국내 업체가 GTL 플랜트 사업에 참여한 경험이 전혀 없었으나, 2001년을 전후하여 사업 참여를 검토한 바 있다. 2006년에 현대중공업과 현대건설/현대엔지니어링이 최초로 카타르의 Pearl GTL 프로젝트에 분야에서 각각 feed gas 전처리 및 GTL 합성유의 후처리 분야를 수주함. ◦ 국내의 FT 반응에 대한 연구는 청정연료를 겨냥하기 보다는 알파올레핀 또는 윤활기유의 생산을 목표로 수행되었으며 middle distillate의 제조의 기술수준은 매우 취약하다 .국내의 F-T 촉매 개 발경험은 이산화탄소의 수소화를 목표로 하였기 때문에 거의 철(Fe)계 촉매만을 개발대상이 되었 으며, 최근 들어 일산화탄소의 수소화를 위하여 코발트 촉매를 시험한 바 있으나 아직 독자적인 촉매개발이 되지는 않음. ◦ 최근의 선진국의 추세에 맞추어 고활성/선택성의 코발트 촉매의 개발이 시급한 것으로 분석됨. 이제까지의 국내 FT 반응공정 개발은 FBR 위주로 수행되었으며 실험실 규모에서 기초적으로 슬 러리 반응기를 시험한 바 있으나 이산화탄소의 수소화에는 적합하지 않아 중단됨. ◦ GTL을 위한 FT 반응공정의 개발을 위해서는 고효율 슬러리 반응기의 개발이 필요함. F-T 합성 공정의 확대규모 연구 수준이 외국에 비하면 매우 취약하다. (구미에 비해 뒤늦은 일본의 경우도 7~8 bbl/d 수준이나 국내는 CO2/H2를 원료로 한 F-T 합성에서<0.1 b/d 수준에 있음) 국내의 경 우 GTL 통합공정 기술은 전무함. ◦ 국내의 F-T 합성반응에 대한 연구는 한국화학연구원, 엘지환경연구원, 경희대 등에서 지난 10년 간 이산화탄소의 활용 또는 바이오매스의 활용 목적으로 연구과제로 수행되어 산업재산권을 확보 하고 있으나 경제적인 수소 공급의 어려움 때문에 활용되지 못하고 있음.

- 30 -

<그림 2-2> DME pilot plant (한국가스공사) ◦ 이산화탄소의 수소화의 경우는 mini-pilot 수준(<0.1 barrel/day)의 개발까지 진행됨. 국내의 FT 촉매 개발경험은 이산화탄소의 수소화를 목표로 하였기 때문에 거의 철계 촉매만을 개발대상이 되었으며 최근 들어 일산화탄소의 수소화를 위하여 코발트 촉매를 시험한 바 있음. ◦ 이와 같이 GTL의 핵심 플랜트 건설 관련 EPC 기술개발 및 국제 컨소시엄 건설기술 개발 및 국 제 컨소시엄 참여 실적은 전무하며, 핵심 공정 (합성가스제조, GTL 합성유 제조)의 경우 기술보 유업체 (Shell/JGC)에 의해 독점적으로 주도되고 있음.

2.2.2 선진국의 기술개발 동향 (LNG) □ 개요 및 현황 ◦ LNG (liquefied natural gas)기술은 주성분이 메탄인 천연가스를 초저온(약 -162℃) 액화공정을 통하 여 액체연료로 전환하는 기술로서, 액화되면 부피가 가스 상태의 약 1/600로 감소하여 보관 및 운송 이 용이해짐. 이렇게 생산된 LNG는 수요처에서 다시 기체로 전환하여 사용되며, 일반적인 LNG 생산 프로세스는 아래 그림과 같음.

<그림 2-3> LNG 플랜트 공정 흐름도

- 31 -

◦ 가스전 개발과 가스생산분야는 가스전으로부터 천연가스를 추출하는 공정으로 공개된 기술이 많 아 특허나 라이센스(license) 에 대한 구속이 낮은 편이며, 가스 생산을 위한 기자재나 장비의 제 작기술이 보다 중요하게 평가됨. 그리고 가스 전처리 분야는 생산된 가스의 수분을 Dehydration 공정으로 없애고 CO2, H2S 등의 불순물을 제거하는 기술로서 역시 공개된 기술이 많음. ◦ 천연가스를 액화하기 위한 사이클에는

Joule-Thomson 팽창, 팽창기관, cascade 방식 등이 있으

며, cascade 방식이 천연가스의 액화에 경제적인 것으로 평가됨. 이러한 방식의 선택은 플랜트 사 업성에 큰 영향을 미치는 인자로서 플랜트의 규모, 가스의 조성, 목적, 입지 등을 고려하여 열역 학적 유용성, 건설비, 운전비 등을 감안하여 종합적으로 평가하여 결정함. ◦ LNG 플랜트의 액화기술은 ’70년대 전반기까지 확립되었으며, 표에 요약한 바와 같이 5개의 기술 이 개발되었으나 APCI사의 기술이 주로 적용되고 있음. 주요 액화공정의 특징은 다음과 같음. ① C3 Pre-Cooled Mixed Refrigerant Process (C3/MR process): 기술을 보유하고 있는 기업은 APCI이고,

현재

세계

시장의

60%

이상을

점유하고

있음.

현재

공칭생산용량(normal

production capacity)은 연 4.7 백만 톤이나 최근에 N2 expander를 추가한 AP-X 개량공정이 개발되어 연 6백만 톤 이상도 가능해짐. ②

Optimized

Cascade

Process/CoP

LNGSM

Process:

기술을

ConocoPhillips이며 초기 LNG 플랜트에 적용됨. 최근에 CoP LNG

보유하고

있는

회사는

개량공정이 개발되고 에

너지 소모가 적은 것으로 평가되어 Trinidad 및 이집트 LNG플랜트 등 시장 점유율이 증가함. ③ Mixed Fluid Cascade Process (MFCP): Statoil/Linde가 보유한 기술로 mixed refrigerant와 cascade 공정이 결합된 기술이다. 공칭생산은 연 4백만 톤 이상이며 최근 노르웨이의 Snohvit LNG 플랜트에 처음으로 적용됨. <표 2-2> LNG 플랜트 액화 기술 보유현황 기술사 APCI ConocoPhillips Shell Statoil-Linde IFP-Axens

기술명

현황

Refrigerant - 세계시장 최대점유 (60% 이상) - Bechtel 독점계약 SM Pure refrigerant cascade CoP LNG Process - Trinidad/이집트에 적용 Propane Pre-cooled (C3-MR) Process

Mixed

Dual Mixed Refrigerant (DMR) Technology

- 사할린 및 오만에 적용

Mixed Fluid Cascade (MFC) Process

- 노르웨이 Snohvit에 적용

Liquefin Process

- 이란 사우스파 적용 예정

◦ 한편, 세계 LNG플랜트 시장은 JGC/KBR, Chiyoda, Bechtel 및 Technip 등 선두그룹과 이를 추격 하는 Snamprogetti, Linde 등 후발그룹으로 구분됨. 이러한 LNG 플랜트시장은 프로젝트의 규모 가 평균 10억불이 넘는 대형 프로젝트로 기술 선진국들의 각축장이며, 선두기업들은 후발 참여기 업의 진입을 제한하기 위하여 시장 카르텔을 형성하고 기술이전을 회피하고 있음. ◦ 이에 따라 이탈리아의 Snamprogetti, 독일의 Linde 및 일본의 TEC 등 2위 그룹들은 경험과 실적

- 32 -

을 축적하기 위한 노력을 강화하고 있으며, 특히 Linde는 Statoil사와 공동 개발한 MFCP 기술로 노르웨이의 Snohvit, 이란의 NIOC 프로젝트 참여를 추진중임. Linde는 계약사가 극저온 관련기 술을 보유하고 있어 선두그룹으로 진출할 가능성이 큼. □ LNG 생산량 증가에 때라 대용량 액화공정기술 개발 ◦ 국제적으로 LNG 무역량의 급격한 증가함에 따라 약 40 train의 신규 LNG 생산설비 계획중 (현 재 건설중인 설비를 포함하여 약 75 train의 액화설비) ◦ 플랜트 용량은 향후 8 MTPA(million tonnes per annum) 이상 증가할 것으로 전만되며, 대용량 생산설비에 적합한 새로운 액화공정 개발이 예상됨.

Train capacity (Mtpa)

Train size evolution 8

Shell designed projects

Existing Under Construction Proposed

Other projects

Existing Under Construction Proposed

5 4 3 2 1 0 1960

1970

1980

1990 Start up Year

2000

2010

<그림 2-4> Trend in LNG train size in the future

MTPY

9 8 7 6 5 4 3 2

Probability

7-8 MTPY

Large Expansion; Large & Distant Markets; Very high gas supply and sales

20%

5-6 MTPY

Expansion or grass-roots; Higher gas supply and sales;

30%

Expansions

3-4 MTPY

1 0

1960

50%

Single-train projects; Limited gas supply or sales

1970

1980

1990

2000

2010

2020

<그림 2-5> LNG train size - Past & Future Trends

- 33 -

□ 대용량 및 Compact 액화사이클의 개발 요구 ◦ 세계적인 엔지니어링사에서 다수의 액화공정 개발 - C3MR : APCI(Air Products and Chemicals Inc.) - POCLP(Phillips Optimized Cascade LNG Process) : ConocoPhillips - APCI사의 C3MR 공정이 지배적임. ◦ 액화공정기술 변화 (그림 2-7 참조) - 열효율 보다는 설비의 안전성과 단순함(simplicity)이 중요한 설계 인자 - 5 Mton/year 이상의 대용량에 적합한 사이클 및 트레인 - FPSO 등에 집적을 위한 단순하고 compact한 사이클 <표 2-3> LNG 공정별 주요특징

□ FPSO(Floating Production, Storage, and Off-loading) 플랜트 기술 ◦ 가스전이 육지에서 먼 경우 offshore LNG 플랜트에 유리하며, 1970년대 페르시아만의 “Kangan 가스전”에서 이용한 바 있으며, 전통적인 onshore 플랜트에서 근해의 FPSO 생산설비로의 전환 ◦ 기술적 요구사항 - Compactness, 고효율의 C3MR 공정 부적합, 탄화수소계의 냉매 최소화 - Shell side의 설계 압력 증가(incidental flare 최소화)

<그림 2-6> Floating LNG Plants

- 34 -

(a) 사이클 및 용량 변화

(b) 시스템 구성요소 변화 <그림 2-7> 천연가스 초저온 액화사이클 기술변화

- 35 -

□ 주요 공정 및 시스템 기술 설명 (1) 액화공정(Liquefaction Process) 기술 ◦ 냉동 및 액화공정은 LNG 플랜트 설계에서의 핵심부분 - 액화공정은 LNG 플랜트 비용의 30～40% 차지 - 주요 설비 : 압축기, 열교환기, 터빈 등

Acid Gas Incineration

Feed Gas

Gas Conditioning

Fuel Gas Distribution

Propane Refrig. System

Ethylene Refrig. System

Methane Compressor

LNG Storage and Loading

LIQUEFACTION

Condensate Stabilization Condensate To Acid Gas Incinerator / Trucks

Vapor Recovery

Nitrogen

<그림 2-8> LNG block flow diagram

<그림 2-9> Cooling curve of LNG cycle

- 36 -

Ship Vapors

Marine Facilities

LNG to Ship

Nitrogen Rejection

Condensate Storage

Plant Fuel

◦ 액화공정 - 84%가 C3MR 공정 - 신기술 개발로 2006년 이후 36%로 감소 예상 - 건설지역의 지역적인 환경 및 용량에 따라 회전기계, 냉매, 주위 냉각매체 및 열교환기 형태 등이 결정됨.

<그림 2-10> LNG 액화공정

<그림 2-11> 액화공정도

- 37 -

◦ LNG 공정별 에너지 이용 비교(100% 압축효율 가정)

◦ APCI propane pre-cooled mixed refrigerant process(MCRTM) - 2개의 공정으로 구성(precooling cycle, liquefaction/subcooling cycle) - 용량 : 4.7 million t/y - Precooling cycle ․프로판을 냉매로 사용, -40℃ 까지 냉각 ․Kettle-type heat exchanger ․원심압축기 - MR cycle ․-150～160℃ 까지 냉각 ◦ Phillips optimized cascade process - 1960년대 Alaska 플랜트에서 이용했던 공정 수정 - Atlantic LNG 플랜트에 이용

- 이집트 공사중

- 용량 : 3.3 million t/y

- 열교환기: PFHE

- 3개의 순수한 냉매(프로판, 에틸렌, 메탄)를 이용한 cascade 공정 - Brazed aluminum PFHE(수직한 cold box 내)

- 38 -

․Precooling : core-in-kettle type exchanger - Frame 5 가스터빈

◦ Black & Veatch PRICO process - 단일 MR 공정(Algeria에서 사용)

- Train capacity : 1.3 million t/y

- MR 구성 : 질소, 메탄, 에탄, 프로판, 이소펜탄 - 축류압축기(증기터빈으로 구동)

◦ Statoil/Linde mixed fluid cascade process(MFCP) - Snohvit LNG project(Ekofisk, Norway) - 용량 : 4 million t/y

- Precooling : PFHE

- Liquefaction/Subcooling : SWHE - 냉매 : 메탄, 에탄, 프로판, 질소 중 선택(three mixed refrigerants)

- 39 -

◦ Axens Liquefin

process

- 2개의 MR process(Dual MR)

- 용량 : 6 million t/y

- Precooling Loop : 온도 -60℃, 3단계 압력 level 이용 - PFHE

- 냉매 : 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 질소

- 2개 drivers(Frame 7 GT)

- 40 -

◦ Shell double mixed refrigerant process(DMR) - Dual MR 공정

- Sakhalin Island Project TM

- Shell's SplitPropane

- 용량 : 4.8 million t/y

공정

․프로판 흡입유량 제한 ․프로판 압축기는 4.2 MTPA로 용량이 제한적임. → 5 MTPA 까지 사용 가능

Traditional Line-up

HHP

SplitPropane

- Shell PMR(Parallel MR) 공정 ․1개의 precooling cycle과 2개의 PMR 사이클로 구성되며, 8 MTPA 까지 확장 가능 ․1개의 액화공정이 사고로 중지되면, 다른 1개의 공정 생산량을 60%로 제한하고 있기 때문에 신뢰성을 향상시킨 액화공정임.

- 41 -

◦ AP-X

액화공정

- 단일 트레인에서 높은 용량 달성 - C3MR의 효율성을 유지하면서 LNG 플랜트 비용을 감소 - C3MR 공정의 대형화 - C3MR 공정의 개선: 혼합냉매 대신 단순/효율적인 질소 팽창기 Loop를 이용하여 LNG를 과냉 각시킴. Dual MR version(추가적으로 MR 냉동 Loop가 예냉각에 이용되고, 마찬가지로 질소가 과냉각에 이용됨)

- 42 -

□ 설비 기술의 변화

<그림 2-12> LNG 플랜트 주요 장비류 (1) 냉매 및 장비 ◦ 냉매의 종류에 따른 설비 특징 - 프로판 ․1개 또는 2개의 압축기 필요(증기/가스터빈에 의해 구동)

- 에틸렌

- 43 -

․1 compressor casing ․매우 높은 압축비와 많은 임펠러 수 때문에 로터 동력학(rotor dynamics) 중요 - 메탄 ․매우 높은 압축비를 갖는 압축기 필요(three casing train) ․1st, 2nd stage : horizontally split ․3rd stage : barrel type compressor - 혼합냉매 ․1개의 압축기 필요 ․용량이 큰 경우 축류압축기 요구 ․Off-design 설계 조건 중요 ◦ 압축기(compressors) - 축류압축기+원심압축기의 조합 또는 원심압축기 단독 이용

◦ 터빈(turbine) - 냉매압축기 구동 ․대부분의 냉매압축기는 frame-type 가스터빈 ․전기모터(starter-helper 모터)에 의해 초기 구동 ․Helper 드라이브의 용량을 극대화 하여 가스터빈을 사이클에서 제외하려는 경향 - GE frame 6, 7 이용(3600 rpm) - 설비의 대형화에 따라 rame 9E(3000 rpm, 126MW) 사용(Qatar II Train) ◦ 열교환기(heat exchanger) - Plate-fin heat exchanger(PFHE)

- 44 -

․플레이트, 핀, 사이드 바 등을 600℃의 진공로에서 브레이징 ․LNG base load 플랜트에 사용하고 있으나, 온도변화에 민감하기 때문에 spiral wound 형의 열교환기에 비해 튼튼하지 않음(less robust). ․Precooling section에서는 진공 용접된 알루미늄 PFHE가 우수

- Spiral wound heat exchanger(SWHE) ․재료 : 구리에서 스테인리스/알루미늄으로 변화 ․액화 및 과냉각 공정에 사용하는 것이 유리함.

□ 국내외 건설사례조사 (1) Qatar Gas II Project(Ras Laffan, Qatar) ◦ 참여기업 : Qatar Liquefied Gas Company Limited ◦ Joint venture : Qatar Petroleum(65%), ExxonMobil(18.3%), Total(16.7%) ◦ Plant Layout

- 45 -

<그림 2-13> World's largest non-associated gas field

◦ World's largest non-associated gas field ◦ Train 4는 2007년 말 가동 예정 ◦ 용량 : 7.8 MTPA(million tonnes per annum) ◦ 투자비용 : 120억 달러 ◦ 엔지니어링/건설 비용 : 40억 달러(Technip SA & Chiyoda Company) ◦ 액화공정 - APCI AP-X 사이클 이용 ※AP-XTM : C3MR 공정에 질소 Expander Loop 추가 - GE Frame 9E 가스터빈 - 130MW ISO

<그림 2-14> Frame 9E 가스터빈

- 46 -

AP-XTMHYBRIDCYCLE

LIQUEFACTION ANDSUBCOOLING

PROPANECOMPRESSOR SUB- LNGFLASH COOLER DRUM (SWHE) E

PRE-COOLING: PROPANE SYSTEM SWEET LEAN GAS

LNG

COMPANDERS

PROPANECHILLING &SMALLEXPANDER

DEHY

PROPANECHILLERS

SCRUB COL.

COLDBOX

MIXEDREFRIGERANT(M.R.) COMPRESSORS

<그림 2-15> AP-X

MAIN EXCHANGER (SWHE)

NITROGEN REFRIGERATIONSYSTEM

cycle

(2) Darwin LNG Project(Darwin Harbour, Australia) ◦ 참여기업 : ConocoPhillips ◦ Plant layout

<그림 2-16> Darwin LNG Project Field ◦ 2003년 6월 공사 시작, 2006년 중반 가동 시작 ◦ 용량 : 3.24 MTPA ◦ 엔지니어링/건설 비용 : 10억 달러 ◦ 액화공정 - Phillips Optimized Cascade LNG Technology - LM 2500+ 가스터빈

- 47 -

NITROGEN RECYCLE COMPRESSOR

<그림 2-17> Phillips Optimized Cascade LNG Technology (3) Bonny Island LNG Plant : 나이지리아 ◦ 용량 : 6 MTPA ◦ 구성 : 2 train 가스액화 플랜트, 가스이송 시스템, 저장 설비, 7 LNG vessels ◦ 건설기간 : 1999년 ◦ 건설비용 : 9억 달러 ◦ Plant Layout

<그림 2-18> Bonny Island LNG Plant Field (4) 광동(Guangdong) LNG Terminal : 중국 ◦ 중국 최초의 LNG terminal 3

◦ 용량 : 3.3 MTPA(4 billion m a year of natural gas) ◦ 건설기간 : 2002년～2008년 ◦ 건설비용 : 9억 달러

- 48 -

◦ STTS 그룹(영국/이탈리아 합작 회사) ◦ Plant layout

G uangzhou D ongguan

Foshan

E a s t P e a r l R iv e r D e lta P o p u la tio n : 3 1 m

S henzhen W e s t P e a r l R iv e r D e lta P o p u la tio n : 8 m H ong Kong Hong Kong P o p u la tio n : 7 m

M acau P o p u la tio n : 0 .4 m

M acau

P ip e lin e R o u t e

$ 1 0 b ln o f G D P

<그림 2-19> 광동 LNG Terminal Field

□ LNG 플랜트의 Capcity 증가와 투자비 ◦ 유틸리티 등에서의 신규 설비가 정비되고 있고, 주요 기기인 압축기 성능 향상 및 액화공정의 효 율적인 설계 등의 기술적 고도화에 따른 생산량 증가로 LNG 플랜트 투자 비용은 1990년대 $300/ton에서 현재 $150/ton 수준으로

하락하고 있음.

<그림 2-20> LNG

트레인 규모 및 소요비용 변화 분석

- 49 -

◦ 생산설비규모는 1980년대 초의 1.5-2.5 MTPA (Million Tonnes Per Annum)에서 2004년 준공된 이집트 SEGAS 의 5.0 MTPA 로 급격히 증가됨. LNG 생산설비규모의 증가는 직접적으로 단위 생산량당의 건설단가를 갖추게 되고 건설공사단축에 따라 EPC 이행 공사비 또한 절감됨. ◦ 플랜트의 대규모화를 통한 LNG 생산비용을 절약하려는 움직임도 등장하고 있음. LNG 도입 초기 의 플랜트는 1계열 당 100만 t/y 정도였지만, 현재 진행되고 있는 SAKHALIN II는 1계열 당 450 만 t/y로 종전의 5배 이상의 규모임. 현재 계획 중인 Qatar Gas II 프로젝트는 1계열 당 780만 톤 이라는 엄청난 규모이며 이에 따라 LNG공급 가격은 계속 떨어지고 있음. ◦ LNG 플랜트 적용 시장의 다변화 - 액화 플랜트 시장은 최근의 고유가 및 세계적인 온실가스저감 노력에 따라 고립/원격지 가스전 의 개발과 기존의 유전에서 수반되어 나오는 천연가스(associated gas)의 활용 그리고 매립지 가스의 활용을 위한 기술로 인정되고 있음. - 다변화된 LNG 플랜트 시장에 적용할 수 있는 자체 공정기술을 확보하고 있는 기술사가 다수 있으나 개념적인 설계 수준이거나 파일럿 성공 수준으로 실제 적용 사례 없는 곳이 대부분이고 Linde와 Salof 만이 실제 플랜트 건설 경험을 가지고 있음. - 기술 Licensor: Linde / Chart / Kryopak / Mustang / SINTEF / GTI / Etc. - EPC major contractor: Linde / Salof (Kryopak) / ABB (SINTEF) / BOC (GTI)/ Hammworthy ◦

미국의

Gas

Technology

National Lab의 지원 하에

Institute에서는

에너지성(Department

Energy)과

Brookhaven

천연가스차량/수급조절/원격지 가스전 개발/매립지가스 개발 용도의

액화 플랜트 건설을 위한 4 m3/day 규모의 pilot 테스트에 성공 ◦ GTI는 개발된 액화공정시스템의 상용화를 위하여 2005년 11월에 영국의 BOC사를 사업 파트너로 하여 플랜트 시장에 진입을 시도하고 있으며, BOC는 이를 기반으로 미국 및 전 세계 시장으로의 LNG 관련 사업에 진출을 추진 ◦ 터보기계 전문 제작업체인 미국의 Dresser-Rand사는 최근 프랑스의 Le Harve에 LNG 개발용 테 스트 플랜트를 프랑스 정부 지원 하에 건설하기로 결정한 바 있음. 초기 설비 투자비가 250억원 수준이며 전기모터나 큰 용량의 가스터빈을 사용하는 고출력/고속 유체흐름의 압축기를 사용하는 공정으로 2007년에 가동하는 것을 목표로 하고 있음. ◦ 미국의 Idaho National Energy and Environmental Laboratory(INEEL)에서는 천연가스의 주 공 급망의 높은 압력과 소비자 공급망의 낮은 압력 운전에 따른 압력차를 이용하여 운전되는 액화공 정 기술을 개발하였음. INEEL의 개발 기술을 기반으로 Pacific Gas & Electric (PG&E)에서 1단 계 소규모 파일럿 테스트를 끝내고 상용화 사업을 추진 중임.

- 50 -

<표 2-4> 세계의 주요 LNG 플랜트 Location

Client

Start Year

Train #

Liquefied process

Contractor

Productivity

per train

Arzew –GL4Z Algeria

SONATRACH

1964

Train 1

Cascade Teal

Technip / Pritchard

1.1

Kenai U.S.A.

Kenai LNG

1969

Train 1&2

Cascade Phillips

Bechtel

1.3

1970

Train 1,2,3 & 4

APCI-SMR

Bechtel Snamprogetti

0.6 (0.75)

1972

Train

Teal-SMR

Technip

0.9 (1.0)

1981 1982

Train1 Train 1&2

Prico-SMR Prico-SMR

Kellog Kellog

1 1

Marsa al Burayqah Skikda GL1-K Algeria (GL2-K Expansion) (GL3-K Expansion)

SONATRACH

Lumut Brunei

Brunei LNG

1972

Train 1,2, 3,4 & 5

APCI-MCR

JGC

1.3 (1.1)

Das Island Abu Dhabi

ADGAS

1977 1994

Train 1,2 Train 3

APCI-MCR

Chiyoda

1.2 2.5

Badak (Botang) Indonesia

PERTAMINA

1977 1983 1989 1993 1997 1999

Train A,B Train C,D Train E Train F Train G Train H

APCI-MCR

Bechtel Bechtel Chiyoda Chiyoda Chiyoda MW Kellog

1.6 (2.0) 1.6 (2.0) 2.6 2.6 2.7 3

Arun Indonesia

PERTAMINA

1978 1983 1986

Train 1,2,3 Train 4,5 Train 6

APCI-MCR

Bechtel Chiyoda JGC

1.5 1.7 1.7

Bethouia GL1-Z Algeria (Expansion GL3Z)

1978

Train

Bechtel

1.5

SONATRACH

Kellog

1.5

APCI-MCR 1981

Train

Bintulu Malaysia MLNG DUA

Malaysia LNG

1983

Train

Malaysia LNG DUA

1995

Train

Karratha NW Australia

Austrailian NW Shelf

1989 2004

Train 1,2,3 Train 4

- 51 -

2.7 APCI-MCR

JGC/Kellog

APCI-MCR

JGC/Kellog (Kaiser)

2.7

2.5 4.2

<표 2-4> 세계의 주요 LNG 플랜트(계속) Location

Client

Start Year

Liquefied process

Train #

Contractor

Productivity

per train

1996 1998 2005

Debottlenecking

Chiyoda/Technip

2007 2009 2010

Train 4,5 Train 6 Train 7

Chiyoda / Technip

1999 2004 2005

Train 1,2 Train 3 Train 4

APCI-MCR

JGC/KBR JGC/KBR Chiyoda/Sna m

2.5 4.7 4.7

1999 2002 2003

Train 1 Train 2 Train 3

Phillips Cascade

Bechtel

3 3.3 3.3

Train 1,2 Train 3

APCI-MCR

Chiyoda Chiyoda

2 2 1

Quatar Gas Ras Laffan Qatar

RASGAS

Point Fortin Trinidad

Atlantic LNG

Under Construction Train 4 Bonny Island Nigeria

Bonny LNG

1999 1999 2005

Train 1,2 Train 3 Train 4,5

APCI-MCR

Technip-Sn am KBR-JGC (“TSKJ”)

2.95 2.95 4

Qalhat Oman

Oman LNG

2000

Train 1&2

APCI-MCR

Chiyoda Fosterw heeler

3.3

Bintulu Malaysia

Malaysia LNG Tiga

2002 2003

Train 1 Train 2

APCI-MCR

JGC-KBR

3.8 3.8

Damietta Egypt

Spanish Eg yptian Gas Compan y

2004

Train 1

APCI-MCR

JGC-KBR

Qalhat Oman

Qalhat LNG

2005

Train 1

APCI-MCR

Chiyoda Fosterw heeler

3.3

Sakhalin Russia

Sakhalin Energy

2007 2008

Train 1 Train 2

Shell – DMR

Chiyoda / Toyo

4.8 4.8

(GTL) □ 개요 및 현황 ◦ GTL (gas to liquids) 기술은 천연가스의 주성분인 메탄 (CH4)을 고온, 고압에서 반응시켜

합성

가스를 생산하고, 이를 F-T 반응기에서 다시 액체상태의 합성 석유류 제품(디젤, 납사 등)을 생 산하는 기술임. GTL 기술의 핵심 공정인 Fisher-Tropsch (FT) 합성법은1923년 독일의 화학자 Fischer와 Tropsch가 석탄가스화에 의한 합성가스로부터 합성연료를 제조하는 기술을 개발한데 서 처음 시작됨. ① 천연가스를 대부분 수소와 일산화탄소의 합성가스로 전환 ② Fishcer-Tropsch 전환법으로 합성가스를 대부분 지방족 탄화수소와 물의 혼합물로 처리 ③ 얻어진 탄화수소를 연료 수준의 스펙을 갖도록 일반적인 수소화분해장치 (hydrocracker)로 다 듬는 단계 ◦ 천연가스를 비롯한 탄화수소화합물로부터 일산화탄소와 수소의 혼합물인 합성가스제조기술로 스 팀개질(SR, steam reforming)법과 부분산화(POX, partial oxidation)법이 가장 보편적으로 사용되

- 52 -

어왔으나 최근에는 두 공정의 조합이라고 볼 수 있는 Auto-thermal Reforming (ATR) 방법이 개발되어 대규모 공장에서 적용되고 있음.

<그림 2-21> GTL플랜트 value chain

<그림 2-22> 기존의 개질기술 ◦ 개질기술은 GTL, CTL과 XTL 등의 합성연료 제조 기술에 필수불가결한 세부 기술로서 메이저 기업들 (Sasol, Shell, BP 등)에 의해 독점되어 있는 상태이며, 초기 투자비의 60% 이상을 차지하 는 합성가스 제조 공정 투자비의 절감을 위한 연구 개발이 집중되고 있음.

- 53 -

◦ F-T 합성기술은 합성가스로부터 액체연료를 제조(CO +2H2 → -CH2- + H2O)하는 기술로서 -CH2- 결합고리의 길이는 촉매의 선택성과 반응조건에 따라 결정되며, 기술의 핵심은 반응기, 촉 매, 열공급과 개량, H2O와 CO2등의 제거 또는 이용임. ◦ Hydrocracking은 촉매상에서 수소첨가분해반응으로 GTL 정유공정에서 동일하며, GTL 플랜트에 서 생산된 탄화수소화합물을 촉매상에서 수소와 반응시켜 목적하는 원료나 연료로 전환하는 과정 임. ◦ 석유회사로는 Shell, Sasol, ExxonMobil 벤처기업으로는 Syntroleum, Rentech가 그리고 BP, Conoco 등도 연구개발을 통해 GTL 기술을 보유 하고 있음. (표 참조) <표 2-5> 각 기업의 GTL 프로세스 비교 기술보유사

수준

Reforming

F-T synthesis

Sasol

34,000 b/d 건설중

Haldor-Topsoe ATR

Slurry, Co촉매

Shell

12,000 b/d 상용화

POX[무촉매]

FBR, Co촉매

ExxonMobil

300 b/d 실증화

Fluidized ATR

Slurry, Co촉매

Syntroleum

100 b/d 실증화

Air-ATR

Slurry, Co촉매

Rentech

235 b/d 실증화

ATR

Slurry, Fe촉매

ConocoPhillips

400 b/d 실증화

CoPOX [촉매부분산화]

FBR, Co촉매

300 b/d 실증화

Compact Steam Reformer

FBR, Co촉매

JOGMEC

7 b/d 파일롯트

Steam-CO2 Reformer

Slurry, Co촉매

Axens+Eni

20 b/d 파일롯트

Methanol SMR

Slurry, Co촉매

GTL F1 (Statoil+PetroSA+Lurgi)

1000 b/d 준상업화

Lurgi ATR

Slurry, Co촉매

◦ 미국은 GTL 청정연료프로그램(DOE's Ultra Clean Fuels Program)에 ‘03년부터 3년간 36백만 달 러를 Demonstration Facility 건설에 투자하고 있으며, 또한 제조공정의 비용 절감을 목표로 세라 믹 반응막 실증 플랜트 연구를 지원하고 있음. - 시기: 2003년～2005년 - 건설비: 38백만달러 (정부지원 18백만달러, 48%) - 규모: 70 barrel/day - 참여기관: DOE, Syntroleum, Marathon Oil Co. 등

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￭Novel reforming catalysts. ￭Nano-catalysts. ￭Simplified reactor designs. ￭Short contact time reactors. <그림 2-23> 미국 DOE의 GTL Demo. Facility 및 주요기술 ◦ 일본은 석유공단에서 1998년부터 GTL 연구를 시작하여 2001년에 10 b/d 파일럿 플랜트를 건설 하였음. JOGMEC-GTL pilot plant (‘02년부터 40억엔 투자), ’06년부터 대규모(360억엔, 데모 플 랜트) 실증연구 등을 수행 중임. - 시기: 2006년～2010년 - 예산: 360억엔 (정부지원 240억엔, 67%) - 규모: 500 barrel/day (Demonstration Plant) - 참여기관: JOGMEC(독립핵정법인) + 민간기업 등 ※ 일본은 GTL 개발계획에서 2001년부터 Pilot Plant 건설에 약 40억엔(정부지원 30억엔, 75%) 을 기 투입한 바 있으며, 추가로 Demo. Plant를 추진하여 국제 컨퍼런스 및 위원회에서 적 극적인 홍보 추진 중임.

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GTL Demo. Plant 관련 총 사업비 : 360 억엔 (국가에서 240억엔 지원)

JOGMEC +

Demo. Plant Pilot

(a) 추진경과

(b) pilot & demo. plant 구축현장 <그림 2-24> 일본의 GTL 플랜트기술 개발사례

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<그림 2-25> 선두/후발기업의 기술개발 현황

□ 주요 공정기술 변화 ◦ 개질공정에서 차지하는 설비의 크기와 에너지를 절감하는 기술로 Syntroleum사는 산소를 분리하 지 않고 공기를 직접 사용하는 ATR 방식으로 합성가스를 생산하고 두 단계의 slurry FT 반응기 를 거치고(코발트 촉매 사용) tail gas는 재순환하지 않는 공정 개발을 통하여 중소형 플랜트의 가격 경쟁력을 확보한 것으로 평가되고 있음. ◦ 또한 개질기술에 있어서 반응기를 획기적인 수준으로 줄일 수 있는 기술로 세라믹 멤브레인을 이 용하여 마이크로 통로(micro-channel) 내에서 개질반응을 수행하는 기술을 연구 (APCI)

(a) 반응원리

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(b) 세라믹 멤브레인과 마이크로 채널의 집적 개념 <그림 2-26> 세라믹 멤브레인에서 개질반응기술 ◦ 기존의 steam methane reforming 방식을 개량하여 아래 그림과 같이 마이크로 채널 내에서 반응 시켜 반응기를 줄이기 위한 연구를 수행 (Velocys and Total)

<그림 2-27> 마이크로 채널을 이용한 steam methane reforming 개량기술 ◦ 캐나다는 저온 플라즈마에 의한 천연가스 개질기술 (Synenery Technologies 사)을 개발하고 알바 타 주에 0.1 MMCFD 실증플랜트 건설 및 연구 (2001년부터)를 수행중임.

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□ F-T 반응기 ◦ F-T 합성공정의 발전은 Sasol 에서의 오랜 개발경험에 의하여 촉매와 함께 반응기의 진보에 의 해 이루어짐 (Fixed bed → Circulating fluid bed→ Fixed fluid bed → Slurry). Sasol은 새로운 공정으로서 Slurry phase bubble-column reactor 를 개발하여 기존의 다관식 fixed bed reactor 에 비해 plant 비용을 25-30% 절감할 수 있는 기술을 개발

◦ Shell의 SMDS(Shell Middle Distillate Synthesis) 공정은 촉매를 사용치 않는 부분산화법으로 합 성가스를 제조하고 FT 반응기로는 다관식 fixed bed reactor를 사용하고 후단에 고비점 분을 hydrocracking에 의해 분해시켜 middle distillate 로 변환시키는 공정을 개발

◦ 반응기에서는 촉매의 수명/생산성을 개선하고, 반응기 내 발열제거 구조, 반응기의 모듈화 및 scale-up 기술이 중점적으로 연구되고 있음.

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□ 공정 및 유틸리티 통합기술 ◦ 운전비용의 절감을 위해서는 thermal efficiency와 C efficiency 의 추가 향상이 필요하며, 이를 위 해서는 좀 더 높은 생산성과 선택성을 갖는 F-T 합성기술의 개발이 필요함. ◦ GTL 플랜트는 LNG 플랜트에 비하여 집적되는 공정 및 설비가 복잡하고 규모가 큰 특징이 있으 며, 이에 따라 시스템에서 합리적인 에너지 이용과 에너지 효율을 개선하는 기술(공정간 열 및 물질 수지 등)이 중요하게 다루어지고 있음.

□ 국외 적용사례 ◦ Sasol, Shell, ExxonMobil 등 선도기업은 반응공정/촉매개발을 완료하고 상용플랜트 건설 중이거 나 계획하고 있음. <표 2-6> GTL 상업화 플랜트 현황 Company

Location

Sasol-I

Sasolburg, 남아공

Sasol-II/III

Capacity (b/d)

Status

Raw material Coal → 천연가

Product

7000

1955년 가동

Secunda, 남아공

150,000

1980년 가동

Coal

수송용 연료

PetroSA

Mossel bay, 남아공

20,000

1991년 가동

천연가스

수송용 연료

Shell

Bintulu, 말레이시아

14,700

1993년 가동

천연가스

수송용 연료

Sasol

Ras Laffan, 카타르

34,000

2007년 가동 예정

천연가스

수송용 연료

Shell

North Field, 카타르

140,000

2009년 가동 예정

천연가스

수송용 연료

Sasol-Chevron

Lagos, 나이지리아

34,000

2009년 가동 예정

천연가스

수송용 연료

World GTL Trinidad

Trinidad & Tobago

2,250

2007년 가동 예정

천연가스

수송용 연료

(1) ORYX GTL PROJECT (2007 완공)

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스 (2004년)

화학제품 위주

◦ 위치: Ras Laffan Industrial City, Qatar ◦ 용량: 34,000 bbl/day GTL products ◦ 참여기관: Qatar Petroleum, Sasol Synfuel Int.Technip (EPC) ◦ 특징: - 남아프리카 이외 지역에서 최초의 상업용 스케일의 GTL 플랜트 - Slurry bed reactor, ATR ◦ 공정계통

◦ Layout

(2) 말레이시아 및 남아프리카공화국 사례

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◦ Capital Cost - 100,000 BPD의 GTL product 생산하며 5-6개 train으로 구성 - 예상 Capital Cost : $ 2.5 Billion - LNG chain의 구성 Unit 및 Unit별 capital cost 구성비

。Gas plant

20%

。Other processing unit

。Synthesis unit including ASU :

24%

。Utilities

12%

。Fischer-Tropsch unit

12%

。Offsites

16%

。Product upgrading unit

<그림 2-28> GTL Capital Cost (7th World Congress of Chemical Engineering, 2005) ◦ Economic Assessment ․ LNG 및 원유가격 기준 - LNG :

$0.6~1.0/MMbtu

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- Crude Oil :

$18~25/BBL

․ GTL 1 배럴 생산시 10,000 SCF (10 MMbtu)의 천연가스 소요되는 것으로 가정할 경우, GTL feedstock cost는 배럴당 $6~10 소요

<그림 2-29> Economic Comparison of Gas-To-Liquid and LNG (7th World Congress of Chemical Engineering, 2005) ◦ LNG와 GTL이 연계된 설비를 구축할 경우 다음과 같은 synergy 효과 발생 ․ LNG production increased ․ Steam/Power utility Synergies ․ General Utility 공통 사용 등 ◦ GTL 합성유의 생산은 원유가 30 $/b 이상이면 경제성이 있는 것으로 분석되기 때문에(근거: 석 유공사 2005년 보고서), 현재의 고유가가 지속되는 경우 GTL 사업은 매우 경쟁력 있는 산업으로 전개될 전망.

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(공통․기반기술) □ 건전성 평가 및 첨단 유지관리기술 ◦ 주요 공정기기의 사용 적합성 평가기술(RAM 등 정적, 동적 거동 평가) - 수명평가, 교체주기 예측, 조치시나리오(가상환경 등에서 설계시 사전 예측 및 계획에 반영) - 플랜트가 작동할 가능성인 가용도를 다양한 시스템 구성과 변수를 고려하여 평가 - 주요 기기 및 모듈의 파손 및 고장 데이테베이스 구축 - 피로파괴, 열화기구, 고장사례, 공개 DB 활용 등 ◦ 대규모 모델링/시뮬레이션, 동적 시뮬레이터, Virtual Plant ◦ IT/UT 기반의 유지관리, 지능형 진단 및 조치(원격)기술 등

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□ ISO 표준화 ◦ STEP 등 일부 분야는 ISO로 통합되고 있는 추세

□ 국내외 특허조사 ◦ 특허 분석범위, 기간 및 해당국가 - 본 분석에서는 연구 성과의 파급 효과 및 연구의 필요성을 고려하여 선택된 LNG (Liquefied Natural Gas)관련3개 및 GTL (Gas to Liquid) plant 원천기술 관련 2개의 연구 기획 기술 분 야를 대상으로 하여 1976년부터 2007년까지 공개된 한국, 일본, 미국 및 유럽 특허를 분석 대상 으로 함 - 분석 대상 특허 (2007.02.08 기준)

특허 DB 종류

제공기간

한국 공개 (특허, 실용)

1983.03.25-2007.01.26

일본 특허/실용 등록

1996.05.29-2007.01.24

일본 등록실용

1994.07.26-2007.01.25

미국 공개 (Application)

2001.03.15-2007.01.25

미국 등록 (Granted)

1976.01.06-2007.01.30

EP-A (Application)

1978.12.20-2007.01.24

EP-B (Granted)

1980.01.09-2007.01.24

◦ 분석 방법: 본 분석에서는 양적인 통계를 의미하는 정량분석과 각 특허가 갖는 기술적인 내용을 의미하는 정성분석으로 나누어 분석함 ① 정량분석 방법 – 특허를 출원 연도별, 국가별, 기술별, 및 출원인별로 분류하여 각 부분별 특허건수, 점유율

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및 증가율 등으로 구분하여 분석을 수행함 -

이를

통해

세계

기술환경과

우리의

수준을

알아보고,

LNG

관련

기술인

전처리

(pretreatment), 액화 (liquefaction) 및 저장 (storage) 분야/ GTL plant 원천기술인 합성가 스제조기술 (reforming) 및 Fischer-Tropsch 촉매 (catalyst) 분야에서 연구개발 현황과 주 요리더를 살펴봄으로써 국가차원의 연구 개발의 필요성 및 국제협력의 필요성 등에 대한 기초자료를 제시함 ② 정성분석 방법 - 특정기술분야에 대하여 특허 망 구축을 하고 있는 주요 기업을 살펴보고, 그 사례를 몇 가 지로 심층 분석함 - 심층분석 내용은 특정기술에 대한 주요기술을 대상으로 관련 특허에 대하여 특허 망 구축 여부를 살펴보고 주요 출원인을 중심으로 어떠한 주변기술이 분포되어 있는지 살펴봄

◦ LNG 특허분석 ① LNG 전처리 - 선진 엔지니어링 업체들이 보유하고 있는 공정 분야의 원천기술은 없고 일부 전처리 분야에 서 기본 설계기술을 보유 - 전처리 공정기술에 대한 해외플랜트건설업계의 체계적이고 조직적인 기술 개발을 위한 과감 한 투자 필요 - 전처리 분야 특허의 출원인을 보면 일반화된 기술(open technology)로 평가됨

<그림 2-30> 전처리 분야 특허의 연도별 동향

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<그림 2-31> 전처리 분야 특허의 출원인 랭킹 분석

② LNG 액화 - 1983년부터 APCI (Air Products and Chemicals Inc,)사의 기술개발로 다수의 특허출원 - 2000년부터 Philips가 본격적으로 참여하여 특허 출원수가 급격히 증가 - 액화기술 특허 보유현황을 보면 APCI, Philips, Linde, IFP 및 Exxon사등 선진 엔지니어링 업체가 주도 - 1983년부터 1990년까지 APCI사의 기술 개발로 대부분의 가스플랜트 액화 공정에서 사용 (licensed technology) - 과거에는 부분적인 응고에 의한 방법으로 액화공정에 대한 특허가 출원되다가 1990년 이후 로

기체/기체혼합물의 액화/응고 방법으로 다수의 특허 출원

<그림 2-32> 액화 분야 특허의 연도별 동향

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<그림 2-33> 액화 분야 특허의 출원인 랭킹 분석

<그림 2-34> 액화 분야 특허의 기업별 분석 (상위 5위 기업)

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<그림 2-35> 액화 분야의 연도별 IPC 출원 건수 F25J-001/00 : 기체/기체혼합물의 액화/응고 방법 F25J-001/02 : 냉동법의 사용 필요 (ex. 수소, 헬륨 등) F25J-003/00 : 액화/응고에 의해 기체혼합물의 성분을 분리하는 방법/장치 F25J-003/02 : 증기류와 액체유간의 열교환 및 물질교환을 연속해서 행하는 방법 F25J-003/06 : 부분적인 응고에 의한 방법 ③ LNG 저장 - 미국에서 출원이 1973년에 최초로 나타나며, 그 뒤를 이어 유럽에서 1979년에 나타나고, 일 본은1992년, 한국은 1999년에 최초 출원이 나타나므로 출원시점을 기준으로 보면 한국의 선 진국 대비 LNG 저장 기술에 대한 특허기술은 26년 뒤쳐짐 - 1999년 이후로 각국의 특허 출원 증가 - 일본의 특허점유율은 29%로 특허출원시점을 기준으로 보면 상당한 특허 보유 - 저장 분야의 기술혁신 리더로는 일본의 미쯔비시 중공업이며 상위 3개사 모두 일본 기업 - 최근 특허 출원은 용기의 세부/용기의 충전/방출에 관한 방법에 관해 출원되고 있으며 저장 탱크에 단열층을 적용시키는 특허도 출원되고 있음

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<그림 2-36> 저장 분야 특허의 연도별 동향

<그림 2-37> 저장 분야 특허의 국가별 동향

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<그림 2-38> 저장 분야 특허의 출원인 랭킹 분석

<그림 2-39> 저장 분야 연도별 IPC 출원 건수 F17C-003/00 : 압력이 걸려있지 않은 용기 F17C-003/04 : 단열층에 관한 방법 F17C-011/00 : 용기내에 가스용제/가스흡수제 사용 F17C-013/00 : 용기의 세부/용기의 충전/방출에 관한 방법 F17C-013/12 : 폭발사고 방지/억제를 위한 장치/장치의 부착

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◦ GTL 특허분석 ① 합성가스 제조 - 초기 투자비의 60% 이상을 차지하는 합성가스 제조 공정 투자비의 절감을 위한 연구개발이 집중되고 있음. 전체 350건 정도의 특허 출원 - Sasol은 합성가스제조공정 단계에서 자체기술을 보유하고 있지 않음. 따라서 특허가 존재하 지 않음 - Texaco의 특허수가 다수인 이유는 Syntroleum과 전략적 제휴를 통해 합성가스 제조기술 개발 - 1978년부터 Exxon은 합성연료 기술개발 착수. 이 신기술 개발프로그램을 지원하기 위해 Exxon은 미화 1억 5천만 달러를 투입하였고, 그 결과 다수의 특허 취득. - 선진 각국에서 에너지 안보 측면에서 국가전략산업으로 육성 중, 또한 건설비용이 10~20억 달러에 이르는 고부가가치 복합플랜트로서 차기 해외 플랜트시장을 주도 (5년 내 가시화)할 것으로 예측 - 탄소산화물의 수소화에 관한 특허가 1976년부터출원되기 시작하였으며, 1997년부터는 탄화 수소+기화제를 촉매로 사용하는 특허가 출원되기 시작하여 점점 증가하는 추세 C01B-003/26 : 탄화수소 촉매 사용 C01B-003/38 : 탄화수소+기화제 촉매 사용 C07C-001/02 : 탄소산화물의 화합물로부터 탄화수소 제조 C07C-027/00 : 두 클라스 이상의 산소를 함유하는 화합물을 동시에 제조하는 공정 C07C-027/06 : 탄소산화물의 수소화에 의한 것(산소를 함유하는 화합물)

<그림 2-40> 합성가스제조 분야 특허의 출원 연도별 추이

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<그림 2-41> 합성가스제조 분야 특허의 기업별 분석 (상위 5위 기업)

<그림 2-42> 합성가스제조 분야 연도별 IPC 출원 건수

② Fischer-Tropsch 촉매 - 1996년 이후로 환경규제강화추세와 상업화의 낙관적인 시각에 따라 활발한 연구활동 - 국내의 기술 수준이 낮고 경험이 전무하여 촉매 분야의 특허 없음 - Shell, ExxonMobil, Sasol 주도 연구개발이 이루어지며 다수의 특허 기술 보유 - 앞으로 고유가가 지속되면서 GTL의 경제성이 좀 더 좋아질 것으로 보이며 GTL의 상업적 규모의 EPC Project 수행은 지금 시작하는 시점으로 판단 - 최근 Fischer-Tropsch 합성에 이상적으로 필요한 수소와 일산화탄소의 혼합비율을 만들기 위한 특허가 출원

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- 액체연료나 왁스의 생산을 늘리고 전환율을 향상시키기 위해서 코발트 (CO) 촉매가 주류, 이것에 영향을 받아 탄소산화물에서 액체 탄화수소 혼합물 생산을 증가시키기 위한 특허 증가 - 미국에 등록된 특허중 합성가스에서 FT 합성유 제조관련 특허는 전체 458건이 검색되었으 며 대부분은 미국에서 출원하였으며, 년도별 특허 등록 추이를 살펴보면 70년대와 80년대 초의 오일쇼크때 각각 많은 연구가 진행되고 몇 년의 시간을 두고 많은 70, 80년대 중반에 많은 특허가 등록되는 것을 볼 수 있다. - 또한 2000년 들어 신고유가 시대로 접어들면서 합성유 제조 특허의 등록수가 급격히 늘어나 는 것을 볼 수 있으며,최근 몇 년간의 특허수가 적은 것은 출원에서 등록에 걸리는 시간의 차이로 볼 수 있다. - FT 합성유 제조관련 특허는 Exxonmobil, Chevron, Shell, Coconophillips 등과 같은 대부분 미국계 회사들에서 활발히 출원하고 있으며 그밖의 프랑스계 Francais du Petrole와 남아공 의 Sasol 회사가 있다. B01J-023/00 : (Mg, Al, Si, Ti 등 제외) 금속/금속산화물/금속수산화물로 된 촉매 B01J-023/75 : 코발트 촉매 C07C-001/04 : 일산화탄소와 수소에서의 탄화수소 제조 C07C-027/06 : 탄소산화물의 수소화에 관한 것 C10G-002/00 : 탄소산화물에서 액체 탄화수소 혼합물의 제조

<그림 2-43> 촉매 분야 특허의 출원 연도별 추이

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<그림 2-44> Fischer-Tropsch 촉매 부분 특허의 기업별 분석 (상위 5위 기업)

<그림 2-45> 촉매 분야 연도별 IPC 출원 건수

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2.2 시장환경 분석

□ 국내: - 액화공정의 국내 건설수요는 제한적임. - LNG 또는 GTL 도입을 통한 저장/보급에 관한 value chain 중심의 시장을 전망 □ 국외: - 세계 가스 수요는 2025년까지 지속 상승 전망 (석유보다 높은 증가율) - 선두기업의 시장카르텔을 공략하기 위한 후발기업의 약진과 제휴가 전망됨.

◦ 가스플랜트 해외시장 전망 - 2015년 천연가스 소비가 세계 에너지의 27%를 차지할 것으로 예측 (미국 DOE) - 2001～2025년까지 천연가스 소비증가는 연평균 2.8%로 석유(1.8%)와 석탄(1.5%)에 비하여 높은 수치로 전망 (출처: 세계에너지전망, IEO2003) - 세계적으로 천연가스의 수요는 2030년까지 2002년 대비 약 2배 수준 증가할 것으로 전망 (출 처: World Energy Investment Outlook, 국제에너지기구(IEA), 2004)

<표 2-7> 세계 천연가스플랜트 수요 전망 (IEA 2004 보고서)

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◦ 세계 LNG플랜트 시장은 선두 그룹과 그 뒤를 추격하는 후미 그룹이 있음. 선두에는

JGC/KBR,

Chiyoda, Bechtel 및 Technip 등이 있고 그 뒤로는 Snamprogetti, Linde 등이 있음. ◦ LNG플랜트는 첨단 고부가가치 분야로 프로젝트의 규모가 평균 10억불이 넘는 대형 프로젝트이 기 때문에 기술 선진국들의 각축장임. 선두기업들은 후발 참여자의 시장진입을 극히 경계하며 기 술이전을 하지 않고 과점하고 있음. - 이 분야의 선두기업은 JGC/KBR 합작 팀이며, 이들은 전 세계 시장의 50% 이상의 점유율을 보 이고 있으며 지역적으로 동남아 및 아프리카 시장을 주 활동무대로 하고 있음. 2위는 전세계 시장점유율을 30% 정도 차지하고 있는 Chiyoda로 러시아 및 카타르에서 두각 - Phillips의 OCP 기술을 독점적으로 사용하고 있는 Bechtel사는 시장 점유율이 약 10% 정도이며 Trinidad, 이집트 및 적도기니 등의 수의계약 프로젝트 위주로 참여하고 있음. - 시작이 제일 늦은 Technip은 자국의 TOTAL 프로젝트에 참여하여 나이지리아, 카타르, 예멘 등지에서 꾸준히 LNG 프로젝트에 참여하고 있음.

<그림 2-46> 해외 LNG 플랜트시장 주요 계약자 ◦ 2위 그룹들은 메이저가 되기 위하여 각종 프로젝트에 선두그룹과 같이 프로젝트에 공동으로 참여 하기를 원하나 선진그룹 들은 후발주자들이 경쟁우위를 갖는 지역 국가에 주공정이 아니라 유틸 리티(utility)나 오프사이트(off site) 정도만 참여시키고 있음. - 2위 그룹으로는 이탈리아의 Snamprogetti, 독일의 Linde 및 일본의 TEC 등을 들 수 있음. 단 독 수행경험이 없는 Snamprogetti는 모회사인 ENI 투자 프로젝트를 위주로 참여하면서 실적을 축적하고 있음. - 한편 Linde는 Statoil사와 공동 개발한 MFCP 기술로 노르웨이의 스노빗 LNG 플랜트를 수행 중에 있고 이란 NIOC LNG 프로젝트에 EPC로 참여할 예정으로 있음. Linde는 계약사가 극저 온 관련기술을 보유하고 있어 선두그룹으로 진출할 가능성이 가장 큼. - TEC는 단독수행 경험이 없어 러시아 지역의 지역적 우위성을 바탕으로 Chiyoda와 공동으로 사할린 LNG플랜트에 참여하고 있음. ◦ 고립/원격지 가스전의 개발과 기존의 유전에서 수반되어 나오는 천연가스(associated gas)의 활용 그리고 매립지 가스의 활용에 적용되는 LNG 플랜트는

설비의 규모가 축소됨에 따라 가용한 설

비들의 구성이 바뀌게 되며, 이에 따라 평균적인 LNG 생산단가가 상승함. 이의 경제성 확보를 위해서는 구성 설비의 효율성 확보를 위한 플랜트 엔지니어링 기술의 확보가 필수적임.

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◦ 중국의 Weizhou Island terminal processing factory에서 소각되던 수반가스로부터 천연가스를 액 화시켜 Guangxi 자치구역에 공급하는 110 TPD (Ton/day) LNG 플랜트가 건설됨. ◦ 호주에서는 North West Shelf로부터 공급되는 천연가스를 이용, 생산된 LNG는 Load Tanker (트 럭)를 이용하여 natural gas power plants에 공급되며 이때 160 TPD의 LNG 플랜트가 건설됨 . ◦ 미국에서는 2002년 통계로 이미 차량용 연료로 LNG가 120~130 million gallons의 가솔린/디젤을 대체하였으며, 이후 시장 점유율 10% 규모로 계속 증가 추세임. 미국 내에는 45개의 LNG fuel station과 2100 대의 LNG 차량이 운행 중임. ◦ 중국의 경우에도 2001년에 중국 최초로

LNG fueling station과 LNG vehicle tanks를 베이징에

설치하였고. 현재까지 중국은 40개의 LNG station이 운전 중에 있음. ◦ 일본 에너지경제연구소에 의하면, 세계의 LNG거래는 ‘80년 1조1,000만 입방피트에서 ’03년에는 약 6조 입방피트로 확대되었는데, 이것은 연 7.6%의 증가를 나타낸다고 함. ◦ LNG는 불순물이 거의 없고, 탄산가스 발생률도 다른 석유화학연료에 비해 낮은 청정연료라는 점, LNG플랜트가 증가하고 있는 추세로 그 공급 면에서도 안정화되고 있다는 점, 또한 플랜트의 대규모화에 의해 가격이 안정화 되었다는 점 등의 이유로 수요가 증가해 왔음. ◦ 현재 세계의 LNG생산량은 연간 1억 2,000만 톤이지만, 2015년에는 2억 3,000만 톤, 2020년에는 3 억 1,000만 톤까지 확대 될 것이라고 예측하고 있음. (EnB, 변모하는 LNG비즈니스, 2004) (GTL) ◦ 가스 매장지역 중심으로 유관 플랜트와 지속 발주 예상: 2015년에 1～2백만 b/d 예측, ‘02년 대비 20배 이상 (출처: Alexander's Gas and Oil Connections, Sasol/Chevron 등)

<그림 2-47> 세계 지역별 GTL 생산전망 (IEA 2004 보고서) ◦ GTL 합성유의 생산은 원유가 30 $/b 이상이면 경제성이 있는 것으로 분석되기 때문에(근거: 석

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유공사 2005년 보고서), 현재의 고유가가 지속되는 경우 GTL 사업은 매우 경쟁력 있는 산업으로 전개될 전망. ◦ 한편, 청정한 액체연료인 GTL은 기존의 석유제품에 비하여 유황성분이 획기적으로 낮음(미국과 유럽, 일본 등 선진국에서 자동차용 연료인 경유의 황 함유량 규제치를 기존의 500 ppm에서 2004년부터 이미 50 ppm으로 강화하고 미래에는 10 ppm 이하로 규제를 강화시킬 전망) ◦ 잠재 시장규모 구

분

현재 (2006년)

예상 ( 2015년 )

세계시장규모

219조원

292조원

한국시장규모

7.3조원

9.7조원

※ 산출근거 (Source: International Energy Outlook, IEA, 2002, 에너지경제연구원 자료) - 세계 시장 규모 (수송용 디젤연료 소모량) 2005년 1200만 b/d, 디젤가격 50 $/b로 산출하여 연 간 219조원 (12 x 106 b/d x 365 d/y x 50 $/b = 2,190억 $), 매년 3% 성장 가정 2015년 세계 시장 규모 1600만 b/d (292조원) - 한국 시장 규모 (경유) 2005년 약 40만 b/d, 디젤가격 50 $/b로 산출하여 년간 7.3조원, 매년 3% 성장 가정 2015년 한국시장 규모 53만 b/d (9.7조원) ◦ 선진 업체의 천연가스로부터 합성가스를 거쳐 합성유를 생산하는 기술 수준은 Sasol/Chevron /Shell/ExxonMobil 등의 회사들에 의하여 15만 bpd 의 상용화가 가능한 수준이며, Syntroleum, Rentech, Conoco-phillips, BP, Synfuels 등의 후발업체에 의하여 활발한 추격이 이루어지고 있는 양상임. ◦ 이와 같이 선진 각국에서 에너지안보 측면에서 국가전략산업으로 육성하고 있으며, 또한 건설비 용이 10～20억 달러에 이르는 고부가가치 플랜트로서 차기 해외 플랜트시장을 주도 (5년 내 가시 화)할 것으로 예측됨. ◦ Sasol, Shell, ExxonMobil 등 선진기업이 GTL plant 원천기술(공정, 촉매 등)을 기반으로 시장 카 르텔을 형성하고 있으며, 프랑스나 일본 등 후발업체는 기술제휴 및 J/V를 통하여 시장진입을 시 도하고 있음.

- 79 -

<표 2-8> GTL 플랜트 건설계획 회사

장소

규모(배럴/일)

상황

Sasol-Chevron

Ras Laffan, 카타르

65,000

계획

Sasol-Chevron

Ras Laffan, 카타르

130,000

계획

ExxonMobil

North Field, 카타르

154,000

계획

ConocoPhillips

North Field, 카타르

160,000

계획

Marathon Oil

North Field, 카타르

120,000

계획

콜롬비아

50,000

계획

Syntroleum

Aje Field,나이지리아

10,000

계획

Syntroleum

Burrup Peninsula,호주

15,000

계획

PetroSA, Statoil

Assaluyeh, 이란

70,000

계획

Shell

인도네시아

70,000

계획

Shell

이집트

75,000

계획

EM, BP, ANGTL

North slope,알래스카

100,000

계획

Sasol, ANGTL

North slope,알래스카

50,000

계획

Sasol-Chevron

호주

30,000

계획

Shell

호주

75,000

계획

Shell

아르헨티나

75,000

계획

PDVSA

베네주엘라

15,000

계획

Syntroleum

페루

5,000

계획

Rentech

파푸아 뉴기니

15,000

계획

Rentech

볼리비아

10,000

계획

- 80 -

2.3 연구개발 인프라 분석 ◦ 본 보고서에서는 사업별 기반역량을 전문가 의견을 토대로 인력 보유현황과 자금 지원수준, 연구 개발 인프라, 기술 수준 등을 평가하였으며, 이러한 결과를 표에 나타냄. ① LNG 플랜트 항목

인력보유

지원수준

개발인프라

기술수준

중소형 LNG 액화공정

보통

아주 낮음

낮음

독자모델 필요

대형 LNG 액화공정

낮음

아주 낮음

독자모델 필요

초저온공정 모사 및 최적화

보통

아주 낮음

보통

초저온 소재 및 기자재 국산화

보통

아주 낮음

낮음

보통

인력보유

지원 수준

개발인프라

기술수준

아주 낮음

독자모델 필요

낮음

아주 낮음

도입단계

인력보유

지원 수준

개발인프라

기술수준

액화공정 연구인력

아주 낮음

낮음

Digital Simulator

낮음

아주 낮음

도입단계

건전성평가 및 수명관리기술

낮음

첨단소재 및 특성화 기자재

낮음

아주 낮음

보통

낮음

표준/기준, 시험 평가

낮음

아주 낮음

낮음

플랜트 구성 및 fabrication 최적화

낮음

아주 낮음

낮음

건설수행기술

보통

낮음

높음

기술명

② GTL플랜트 항목 기술명 GTL 촉매 및 반응공정 GTL 공정 모사/평가기술

③ 기반기술 및 건설기술 항목 기술명

Offshore(FSRU/FPSO) LNG/GTL 플랜트

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◦ 또한 아래 그림에서와 같이 플랜트 건설사업 전체 가치사슬(value chain)에 있어서 기획 및 기본 설계, 유지관리 분야에 있어서 수준차이가 크게 나타나고 있어 이에 대한 전략적 접근이 시급함. 선진 건설․엔지니어링 업체는 전체 value chain을 다양한 형태로 모두 구사하며, 특정한 핵심기 술(주로 공정관련 원천기술-지적재산권이나 노하우 등)로 특화를 하여 주로 라이센스 대여, 기본 설계, FEED package 등 고부가가치 분야에 참여하고 있음.

<그림 2-48> 국내 기업과 선진 기업의 Value Chain 수준 비교 ◦ 기회요인으로는 세계 천연가스 수요의 증가에 따라 가스플랜트 건설수요가 증가할 것으로 예상되 며, 또한 국가 R&D의 확대로 양호한 기술개발 여건을 들 수 있음. ◦ 위협요인으로는 기술경쟁의 심화와 선진사의 시장 카르텔을 들 수 있으며, 우리의 강점으로는 IT 관련 인프라와 우수인력을 평가할 수 있으며, 약점으로는 원천기술(촉매, 공정 등)과 엔지니어링 능력의 미비를 들 수 있음. <표 2-9> 가스플랜트 연구개발 인프라 SWOT 분석

외부환경 내부요인

< 강

점(S) >

IT 및 고급인력 보유 석유화학분야 건설경험 보유 개발의지 (민간기업) 첨단 소재 개발투자 증가 < 약

점(W) >

원천공정/촉매/재료 취약

< 기회 요인(O) >

< 위협 요인(T) >

세계 천연가스수요 증가

글로벌 기술경쟁 증대

세계 각국의 에너지 안보차원 접근

연구개발 기반기술 투자 미흡

플랜트분야 국가 R&D 확대

이공계 지원 기피현상

실증개념의 Test-Bed 조성

시장진입장벽(기술, 카르텔)

(SO 전략)

(ST 전략)

• 엔지니어링 지식 확충

• 국제 교류 확대

• LNG/GTL 액화공정기술

• 특성화 소재, 장비

• U-기반 제어/운영기술

• 기술개발/실적 확보

(WO 전략)

(WT 전략)

• 원천기술 연계/융합연구

엔지니어링 기반이 취약

(초저온 액화공정, 합성공정

핵심액화공정 실적 부재

응용설계)

기획, 개발형 사업 부재

• R&D 기반 확충, 인력양성 • Test-Bed 성공적 운영

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• 선진업체 기술제휴 • 특화/기반기술 지원 강화 • 현지화/동반진출 추진 • 연구성과 홍보

2.4 향후 산업동향과 정책방향

□ 국내: - 국제 환경규제, 에너지안보 등으로 천연가스 수요는 지속 증가할 것으로 보임. - 일부 공단 및 산업시설을 제외한 투자는 정체 또는 감소할 것으로 전망 □ 국외: - 천연가스 관련 value chain 전반(탐사/개발-액화-수송-저장/보급)에 걸쳐 지속 성장을 전망 - 원천/기초/응용기술 확보를 통하여 고부가가치 사업분야 경쟁이 치열해질 것으로 전망 (기획․개발형 사업모델의 수행역량 강화가 필요)

◦ 플랜트 건설산업의 새로운 기술 변화 및 가치를 고려한 기술혁신 - 공종별 기술변화(공정방식, 공법, 재료 등)를 고려한 가치 제고 - 시장흐름과 제품의 기능과 서비스, 기술을 고려한 중장기 로드맵을 마련 ◦ 고부가가치 가스플랜트 해외시장 전망 - 가스부문의 투자금액은 향후 2030년까지 동안 총 2조 7천억 달러로서 연평균 약 1000억 달러 - 이 중 절반 이상은 탐사 및 개발 분야(상류)에 사용될 것으로 전망 - 나머지는 액화플랜트 및 수송 및 저장 등 하류부분에 투자될 것으로 예측

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<그림 2-49> 천연가스관련 세계투자전망 (IEA 2004 보고서) ◦ LNG/GTL 가스플랜트의 기술적 특징과 사업모델 검토 <표 2-10> LNG/GTL 플랜트의 기술적, 사업적 모델 구분

Technology

Business Model

◦Value Chain 특징: 생산/가스액화 – 액화가스 수송 – 가 스 기화 및 보급 (가스 상태로 난방, 발전, 수송용 연료로 주로 이용) ◦물리적 액화공정/초저온 저◦전망: 석유 대비 비교적 청정연료로서 각국의 에너지 확보 장기술 (초저온 -165℃) 및 다변화 정책에 따라 수요 증가 (특히 최근에 유럽, 미 국, 중국 등). LNG ◦가스의 특성을 유지 ◦사업성: 기본적으로 경제성을 고려하여 대형화 (대형 유전/ (가스생산→액체수송→가스이 생산 트레인) 용) ◦사업성 영향인자: 가스량과 수송거리에 사업성이 좌우 - 중거리/중형 가스전, 장거리/대형 가스전에 유리 - 수송거리의 영향이 큼 (특수한 LNG 선박, 초저온 저장 탱크 등). ◦Value Chain 특징: 생산/용도별 원료로 액화 – 액체원료/ 연료 수송 – 석유화학공업의 원료나 디젤/가솔린 등 수송연료로 보급 ◦전망: 청정경제체제로 전환에 따라 초청정 원료/연료인 ◦화학적 개질/액화공정기술 GTL에 관심이 증가하고 있으며, 유럽을 중심으로 본격적 (상온, 350℃ 내외) 인 보급이 예상됨. ◦사업성: 기본적으로 경제성을 고려하여 대형화 (대형 유전/ GTL ◦천연가스에서 다른 원료로 생산 트레인) 변화 ◦사업성 영향인자: 가스량과 수송거리에 사업성이 좌우 (가스생산→액체원료수송→액 - 중/원거리의 중/대형 가스전에 유리 (특히 원거리 중소 체원료/연료로 이용) 형에도 유리) - 수송거리의 영향이 적음 (일반적인 오일 선박, 원유저장 탱크 등). - 원유처럼 다용도 변환이 가능하여 활용도(가치)가 큼

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<그림 2-50> 수송거리 및 생산용량에 따른 타당성 평가

<그림 2-51> 주요 선진국의 환경규제 전망

◦ 원천/기초기술 확보를 위한 지속적, 장기적 투자가 요구됨 - 중소형(1,000-10,000 gallons/day) 가스플랜트(에너지원천이 기존 석유류에서 가스류로 다양화되 고, 기술변화가 석유자원개발과 석유화학(정제포함)기술에서 가스류를 개발․이용기술로 변화되 고 있어 기회요인으로 볼 수 있음. - 초저온기술; 저온액화기술, 초저온저장기술 - GTL 합성기술; 반응공정, 촉매 등 - 시스템 및 요소기기 위험평가기술; 해석기술, 진단기술, 모니터링기술 등 - LNG 및 GTL 플랜트 기본설계기술; specification - LNG 및 GTL 플랜트 운영관리기술; 통합제어, 시스템 진단․조치 등

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- Revamping (maintenance & renovation, scale-u, test&adjustment&balancing) - 향후 수소경제로 전환됨에 따라 먼 장기적인 관점에서 확보된 가스에너지기술은 수소에너지기 술의 중요한 기반기술로 활용 가능함. - 산․학․연․관 인적, 기술적 네트워크 구축: 주요 이슈에 관한 포럼, 공동연구 등을 통한 인지 도 제고

<그림 2-52> 주요 선진사의 기술 경쟁력 분석자료 ◦ 기획․개발형 사업의 수행역량 강화가 필요 - 조사․분석능력 선진화 (해외정보 수집/가공/데이터베이스, Case Study 등) - 프로젝트 기획능력 제고; 수요처에 적합한 플랜트 기획, 시나리오 기반의 사업 타당성 평가기법 및 절차, 개념설계(grand design) 등 - 사업수행능력 제고; 사업위험평가, 종합수행체계(EPC O&M) 고도화 - 성과측정지표 개발 및 활 용, 국제 호환의 STEP (Standard for The Exchange of Product Model Data) 기반의 정보 등 분류체계 표준화 (도면, 기준 및 절차서, 시방서, 공사비, 각종 정보 등), 선진사업관리시스템 구 축 및 정착, IT 인프라 구축 및 활용 등), vendor list, financing 등

2.4 핵심기술 선정기준 □ 21세기 산업주도형 기술, 복합적 연구과제, 기술의 위험도 및 난이도, 상업화 가능성, 개발의 적시 성, 기술트리 등 개발기술 순위결정을 위한 기술․정책적인 평가항목과 가중치를 이용하여 선정함. 선정 절차는 각 기술개발 분과의 개발 과제 요청과 취합을 통해 분과별로 기술수요를 도출한 후 기 술위원회의 최종 선정으로 이루어짐. 각 분과는 관련 산업의 전문적 지식과 기술을 가지는 학계와 연구계, 그리고 산업계에 개발 과제를 요청한 후 각 관련 기관의 전문적 의견을 수렴.

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□ 본 사전기획에서는 핵심과제와 범위를 아래 절차에 따라 도출하였으며, 세부과제는 별도로 지정하 지 않고 분야 또는 범주로 제시하였으며, 이는 향후 상세기획과 사업단장의 역할을 고려한 것임. ◦ 기술트리 분석을 통하여 가스플랜트 구성을 이해 ⇒ 기술분야 도출(H/W, S/W) - H/W 구성: 가스 전처리, 초저온 액화, LNG 저장, 가스 개질, FT 합성, 소재, 기자재 - S/W 구성: 물성, 사이클 해석, 설계, 시공, 평가, 유지관리 ◦ 기술흐름(특허, 논문, 보고서) 분석 ⇒ 기술발전 주기 (도입⇒성장⇒발전⇒성숙) <표 2-11> 가스플랜트 기술변화에 기초한 기술발전주기 및 전개방향 기술분야

기술주기 선진사 국내

기술전개방향

가스 전처리

성숙

발전

과제 발굴 우선 순위에 가중치

초저온 액화

발전

도입

집중적인 육성이 필요

LNG 저장

발전

가스 개질

발전

성장

과제 발굴 우선 순위에 가중치

FT 합성

발전

도입

집중적인 육성이 필요

기자재

성숙

성장

집중적인 육성이 필요

시공기술

성숙, 발전

발전

안정적인 기간 사업화(고도화)

유지관리

발전

도입

집중적인 육성이 필요

기반기술

발전

도입

집중적인 육성이 필요

성장, 발전 과제 발굴 우선 순위에 가중치를 두고 육성

◦ 기술변화 맵핑(mapping) 및 기술트리 - 상기 기술흐름 반영

- 국외 선진사 보고서 분석

<표 2-12> 가스플랜트 기술 영향인자 및 핵심기술 후보군 구분

세부내용 ∘플랜트 핵심공정 및 촉매

영향인자

∘플랜트 구성 및 배치

∘에너지 효율 및 물질손실 ∘통합관리

∘재료

- F-T 또는 Non F-T 합성기술 - GTL 반응기 설계기술 - 에너지 효율적인 초저온 cycle 핵심기술 후보군

- 초저온 재료 및 저장공법 - 초저온 공정모사 및 운전제어기술 - FEED 패키지 설계기술 - 통합운전제어 및 유지관리기술 - 위험성 평가기술

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◦ 기술수요 및 이슈 (산학연 전문가)와 연계한 평가 ⇒ 내부 연구진 의견 종합 <표 2-13> 세부기술 선정기준 항목

최우수

우수

보통

다소미흡

미흡

2. 개발의 적시성

3. 기술의 파급성, 기여도 (기반)

4. 개발의 가능성

5. 미래 지향성

1. 기술의 수요 및 이슈 대응 (시장, 기업, 환경)

총

총 35점

만 점

<그림 2-53> 기술개발 portfolio 분석결과

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비 고

(a) LNG 플랜트

(b) GTL 플랜트 <그림 2-54> 기술개발범위 설정

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<표 2-41> LNG 플랜트 기술트리 (Level Ⅳ)

Gas Processing

Pretreatment - Fractionation (Stabilization) Feed Gas Treatment - Dehydration - Desulphurization - Mercury removal - CO2 removal

Liquefaction

Cryogenics Engineering - Thermodynamics of liquefaction (Exergy study) - NG / Refrigerant physical properties DB - Cryogenic Material Process Equipment Design - Compressors - Drivers - Heat exchanger - Columns - Expander Heat Exchanger Network Design - Heat exchanger design - Cooling medium & temp. - Circulating refrigerant - Number of cycles - Arranging of cycles - Compressor configuration

Storage / Loading

Storage Tank

LNG Terminal

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<표 2-12> GTL 플랜트 기술트리 (Level Ⅳ)

Treatment

Process

Product Upgrading

Utility

Feed Gas Treatment

Acid Gas Removal Dehydration Technology Mercury Removal

By-Product

Condensate Treatment NGL Extraction & Fractionation Ethane Treatment LPG Treatment

Syngas Reforming

POX/ATR Catalyst POX/ATR Reactor Operation & Control

F-T synthesis

F-T catalyst F-T reactor Separation & Purification Operation & Control

DME synthesis

DME catalyst DME reactor Separation & Purification Operation & Control

LTFT Syncrude

Lube by dewaxing Diesel by hydrocracking Diesel isomerization

HTFT Syncrude

Gasoline by oligomerization Naphtha reforming Aromatization Alkylation

Air Separation Unit

N 2/O 2 separation

Steam-Power Integration

내부에너지 통합시스템 연구 최적 시스템 및 운전 절차 개발

Water Treatment

Process Water Treatment Treated Water 활용

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◦ 가스플랜트 선두그룹과 후발그룹 전략 - 선두그룹은 오랜 기간 인력, 예산, 시간을 투자하여 특허기술을 보유하고, 시장 카르텔을 형성 하여 가스플랜트 시장을 독점하고 있으며, 후발기업의 핵심영역 진출을 배제하고 기술혁신과 비용절감을 통한 우위 확보전략 - 후발기업의 경우에 경쟁기술 개발을 통하여 선진기업과 제휴하거나 독자사업에 적용하는 전략 을 구사 (일본, 프랑스, 이탈리아 등은 공정개발과 demo plant, 상용화 참여, 기술/사업제휴 등 을 적극 추진) - LNG 분야 ․ 선진 기술사 그룹(APCI, Conocophillips, Shell) ․ 후발 그룹 (Axens, Linde, Statoil) - GTL 분야 ․ 선진 기술사 그룹(Sasol, Shell, ExxonMobil) ․ 후발 그룹 (Axens, 일본 JOGMEC, Syntroleum, Rentec, Synfuels) - 일본의 사례: 경쟁/특화기술 확보 ⇒ 기술제휴, 해외 컨소시엄 참여 ․Chiyoda (과거): 우수한 액화․제조설비, LNG 인수설비 설계기술 ․JGC (현재): Biomass, DME 등 신에너지 독자기술 개발에 투자 ․JOGMEC (현재): GTL 개발 컨소시엄 주도 ◦ 가스플랜트 선진그룹과 후발그룹 전략에 따른 연구사업의 방향 전개 - 보수적인 가스플랜트 시장의 특성상 해당분야의 건설경험 유무가 시장 진입의 중요한 요소임. - 과거 정유․석유화학, 발전 분야 공정기술은 선진기업과의 기술제휴․도입이 가능하였으나 대 규모, 고부가가치 플랜트사업인 LNG, GTL분야의 경우에 선진기업의 기술이전 기피로 기술제 휴․도입이 사실상 어려움. - 이러한 여건에서 고부가가치 핵심분야인 사업 기획, 기본설계, 운영유지기술 등 핵심기술의 확 보는 불가피함. 또한 관련된 주요 기자재의 국산화 등은 국내 중소기업 등 산업 파급효과가 매 우 큰 분야임을 감안할 때 전략적인 결정이 요구됨. - 우리의 여건에서 경쟁기술 개발을 통하여 선진사와 기술을 제휴, 해외사업 공동 진출을 위한 전략적 도구를 마련할 필요가 있음. - 기술개발의 기본 방향은 시장성이 큰 원천기술의 조기 확보와 기존 기술 우위분야에서 차별화 된 특화기술 개발이 필요함. - 차기(5년 내 가시화) 해외플랜트 주력시장 참여를 위한 기술의 자립화가 시급하며, EPC 건설사 관점에서 LNG/GTL plant 기본설계/FEED/운영기술 등 확보가 중요함. - 지속 가능한 플랜트 기술경쟁력을 보유하기 위해서는 플랜트의 특성을 고려하여 첨단기술과 융 합, 성능 혁신과 고부가가치를 달성할 수 있는 기반기술에의 선행투자가 요구됨.

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3. 추진계획 3.1 추진전략 □ 비전과 목표 ◦ 비전 (연구개발 성공시 모습) - 가스플랜트(LNG/GTL)기술의 국제 경쟁력 확보를 통하여 - 고부가가치 가스플랜트 건설․엔지니어링 시장 진출 ◦ 목표 - 정성적 목표: 가스플랜트 독자기술 개발 및 Test-Bed 구축 - 정량적 목표: ․20-50 ton/day 급 LNG Test-Bed 구축(2012년) ⇒ 5 Mton/year 급 실용모델 설계에 활용 ․50-100 barrel/day 급 GTL Test-Bed 구축(2015년) ⇒ 30,000 b/d 급 실용모델 설계에 활용 ․LNG/GTL 플랜트 엔지니어링 생산성 20% 향상 - 근거 (사회/기술적 needs와 목표 연계성) ․ 세계 가스시장 확대

⇔

LNG/GTL 플랜트 자립기술

․ 청정경제체제로 전환

⇔

GTL 플랜트 자립기술

․ 미래 에너지 안보 확보

⇔

LNG/GTL 플랜트 자립기술

․ LNG/GTL 건설경험 전무

⇔ LNG/GTL 플랜트 Test Bed

․ 국내적 LNG/GTL 기술 기반 취약

⇔ 기술기반 확충

․ LNG/GTL 성능/기능 개량화 진전

⇔ 첨단기술 및 기반 확충

․ 대용량 LNG 플랜트

⇔ 5 Mt/y 급 LNG 상용화 패키지

․ GTL 상용기본모델(난이도/비용 high)

⇔

- 93 -

10,000 b/d 급 GTL 상용화 패키지

□ 핵심과제별 세부내용 ◦ 총괄과제: 가스플랜트 시스템 엔지니어링(SE)기술 - 개발 단계화 (configuration, function, product) - 시스템 엔지니어링(SE) 프로세스(수명주기 정의, 통합 등) - SE 고려사항 모니터링(solution, decision, interface 등) - 상위 레벨의 통합제어 및 운영기술 (상위 레벨에서 각 시스템과 기술을 엮는 역할) - LNG/GTL Test-bed 건설계획 마련 - 협업인프라(대기업-중소기업 간) - 해외 지역별 진출을 위한 사업모델 (지역특성 + 사업 + 기술) ◦ 제1핵심과제: 가스플랜트 핵심기반기술 - Digital Simulator 개발 ․Real&Virtual 환경 통합 플랫폼 (knowledge/rule 구축 포함) ․요소부품/모듈 데이터 모델 개발 (Life Cycle Data - 형상, 재질, 결함, 응력 등) ․대규모 모델링 및 시뮬레이션기술 (에너지 유효이용 및 통합관리기술 등) ․기획․타당성 평가(F/S)를 위한 전문가시스템 ․가스플랜트 운영 및 훈련 시뮬레이터 - 건전성 평가 및 유지관리기술 개발 ․인공지능 기반의 사용 적합성 평가기술 (수명평가, 교체주기 예측, 조치시나리오, Operation & Maintenance 검증 포함) ․주요 기기 및 모듈의 파손 및 고장 데이테베이스 구축 (피로파괴, 열화기구, 고장사례, 공개 DB 활용 등) ․주 공정 또는 플랜트의 RAM (reliability, Availability, Maintainability) 평가기술 ․RT/UT기반의 지능형 O&M/PLM 기술 ․주요 부품․소재 열화 및 강도 실시간 지능형 진단 및 조치 (센싱-conditioning-진단(DB, 알고리즘)-조치(원격 등) 등을 수행) ․설비의 안전진단을 위한 통합 안전진단 시스템 개발 및 시범 모형 구축 - 핵심기자재 국산화 및 성능혁신기술 개발 ․초저온 단열소재 및 구조 ․Expander / 펌프 등 ․초저온 자동제어밸브 ․초저온 배관소재 및 구조 ․Flashing Liquid Expander 기술 ․Gas Phase Auto-Refrigeration Process 기술 ․Large-Scale Vacuum Brazing(Furnace) 기술 ․Electric Motor Driver 기반기술 ․Heating/Cooling Medium ․Micro-channel 내 열유동 제어기술

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․Nano-catalysts ․초저온 유체기계의 Stress/Distortion/Modal Frequency 해석기술 ․압력손실 및 누설 최소화, 열전달 극대화기술 - 국제 표준 기반의 인프라 구축 ․국제 표준 기반의 국내 표준/법체계 정비 ․플랜트 설비 표준화 기술/기자재 인증체계 ․국제 표준화 기술 도출 및 위원회 참여 (규격제안 및 제정 등) ․플랜트 설비의 수명 및 효율성 향상을 위한 표준화 기반구축 ․공정 부품․소재의 화학분석, 물성시험, 비파괴시험 및 표면처리 시험기준 ․가스터빈, 압축기, Turbo-Expander 등 유체기계 시험평가 시스템 기반 구축 ․열교환기를 포함한 Cold Box 성능평가 시스템 기반 구축 ․각종 기기의 신뢰성 확보를 위한 내구성 및 가혹 Test 등 가속시험방법(규격) ◦ 제2핵심과제: 고효율 LNG 공정기술 - 천연가스 전처리기술 개량 ․feed gas treatment ․fractionation - 초저온 공정 기초자료 연구 (가스 물성, 물리화학적 특성) ․가스, LNG, 냉매 물리/화학 특성 연구 ․초저온 재료 연구 ․단일/혼합냉매의 열전달 특성 평가 - 고효율 액화 사이클 (Liquefaction Cycle) ․사이클 구성요소 벤치마킹 및 선정 ․초저온 열전달 제어기술 개발 ․열교환기를 포함한 Cold Box 설계 및 제작기술 ․액화사이클 모델링 및 해석(사이클, 냉매, 물성 등), 변수 최적화 ․성능 평가 및 검증, 안정화 ․초저온 액화 사이클 및 시스템 성능 개량 ․에너지 및 물질흐름을 고려한 공정/시스템 최적화 (entropy, exergy) - 신 공정 개발 및 구성요소 배치 기술 ․공정 모델링 및 모사 실시 ․차세대 고효율 액화사이클 컴포넌트 통합 ․파일럿 플랜트 기본설계 ․파일럿 운영을 통한 공정 완성 및 License package 제작 ․초저온 공정 제어시스템의 통합설계 S/W 구축 ․공정 최적화 기술 개발 ◦ 제3핵심과제: 대용량 LNG 플랜트 건설기술

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- 대용량 시스템 설계를 위한 Scale-Up 기술 ․벤치마킹을 통한 선진 설계기술 확보 ․LNG 공정 및 주요 구성요소 선정 (benchmark) ․Heat & mass balance, Process flow diagram ․FEED (Scale-up/down), 공정제어 ․설계검증 및 HAZOP 평가, 기본설계 ․LNG 공정(초저온/냉매)에 요구되는 소재(내식성/내산성 등) DB 구축 ․공정 핵심장비에서의 기계적 및 열적 손실 최소화 기술 ․열교환기를 포함한 cold box 시스템 고효율화 기술 - Test Bed 상세설계 및 건설, 운전 평가 ․Test Bed 구성요소 선정 및 사양 최적화 ․액화공정 핵심장비(압축기/열교환기 등)에 대한 국산화 ․건설 및 시운전, 적용기술 평가 ․상용화 플랜트 모델 설계에 응용 - 통합 운영, 유지관리기술 Feedback ․RFID/USN 기반 통합제어 및 운영시스템 ․실시간 지능형 진단 및 조치, 유지관리 ◦ 제4핵심과제: 고효율 GTL 공정 응용설계기술 - GTL 선행기술 검토 및 촉매/공정기술 기반 연구 ․각 선행 기술별 촉매/공정 장단점 분석, 차별화 요소 도출 ․FT 생성물 upgrade 방안 선정 - 도출된 GTL 핵심 요소기술 성능 평가 ․FT 반응 및 리포밍 공정 응용설계 ․GTL 생성물 upgrade 관련 기술 ․Energy 효율화 관련 기술 (유틸리티 포함) - GTL 공정 국산화 기술 (bench scale 규모) ․GTL 통합 공정의 문제점 파악 및 개선점 도출 (simulation 등) ․국산화 기술 검증을 위한 pilot plant 설계안 도출 (1bpd급) ․플랜트 기반 기기 및 핵심 장치 국산화 기술 ․GTL 공정 통합 및 성능 개선 ◦ 제5핵심과제: GTL 플랜트 건설기술 - 대용량 시스템 설계를 위한 Scale-Up 기술 ․벤치마킹을 통한 선진 설계기술 확보 ․GTL 공정 및 주요 구성요소 선정 (benchmark) ․Heat & mass balance, Process flow diagram ․FEED (scale-up/down), 공정제어

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․설계검증 및 HAZOP 평가, 기본설계 ․공정에 요구되는 소재(내식성/내산성 등) DB 구축 ․공정 및 계통간 에너지흐름 최적화 - Test Bed 상세설계 및 건설, 운전 평가 ․설계검증 및 HAZOP 평가 ․Test Bed 구성요소 선정 및 사양 최적화 ․건설 및 시운전, 기술평가 ․30,000 barrel/day 급 GTL 상용 플랜트 모델 설계 - 통합 운영, 유지관리기술 Feedback ․RFID/USN 기반 통합제어 및 운영시스템 ․실시간 지능형 진단 및 조치, 유지관리

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□ 전략과 방법 ◦ 기본방향: 해외시장 진출을 위한 EPC 독자기술 확보와 대규모 실용화 경험 확보 - 가스플랜트 해외시장 진입을 위한 EPC 필수기술(공정, 설계응용, FEED 패키지 등) 확보 - 선진 업체의 가스플랜트 시장 카르텔 형성 및 기술이전 기피에 다른 자체기술 개발 - 이의 실증을 위해서는 Test-Bed 구축 등 대규모 사업단 과제의 추진

<그림 3-1>

가스플랜트 연구개발사업 기본방향 연관관계

◦ 추진방향과 전략의 연계성 확보 <표 3-1> 사업단 과제의 추진방향과 방법 추진방향

기준

전략 및 방법

-핵심공통기반기술

-선진 연구사례 Benchmark 심화

-전략적 중요성/개발 가능성

-국제컨소시엄(FIATECH, UPSI-NL 등)

과제 선정에 있어 -시장 및 기술 변화추세

-국내외 연구기관 (NIST, CII) 보고서

서 선택과 집중

-기술적/경제적 기대효과

-철저한 시장조사/사업성 분석

-비교우위확보 가능성

-국제컨퍼런스(Daratech, APEX 등) 교류

-타 산업 연관효과

-분야별 전문가 그룹 의견수렴 -국제 컨소시엄과 공동연구 추진

-중복연구방지 과제 수행에 있어 서 생산성 극대화

-기초기술도입, 응용기술개발 -산․학․연 파트너쉽 유지 -세부과제간 연계성 강화 -기술별 선도기관과 협력

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-기 개발 상업용 솔루션 벤치마킹 -기존 연구결과(ISO, FIATECH등) 활용 -상시 평가 및 feedback 체제 유지 -요소기술별 전문업체 아웃소싱 추진 -협회 보유자원 최대한 활용

◦ 가스플랜트 사업수행에 중요한 핵심 Value Chain에 연관된 로드맵 마련 - 가스플랜트 Value Chain에 직접 관련되고 목표 달성에 영향이 큰 핵심기술 선정 (대형 사업으로서 파급효과와 전략적 중요도, 기초/원천기술에의 접근성과 개발 가능성)

<그림 3-2> 공정 데이터와 EPC 수행 연관도 - 시장 ⇔ 가스플랜트 ⇔ 기술 ⇔ 기반 인프라 간의 연계성을 동시에 고려한 로드맵 작성 (상세기획에서 세부과제 및 성과물이 기업의 사업전략과 연계하여 R&BD로 추진)

<그림 3-3> 가스플랜트 사업단 과제 거시로드맵 ※ 시장수요와 가스플랜트: LNG 및 GTL, 기타 연료 및 추출물 등 ※ 가스플랜트에 소요되는 기술변화: 공정기술, 요소기술, 재료, 촉매, 설계, 평가 등 ※ 기술변화를 지원하는 기반 인프라: 인력, 시설, 기초이론, 정보 등

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◦ Fast Track 방식의 기술확보전략 (전략적 선택과 실증 중심) - 우수사례를 벤치마킹(위탁, 협동) + 새로운 idea와 우수한 기술의 접목을 병렬적으로 진행 ① 기술개발체계/관련지식/접근방법 등 습득: 선진사례 벤치마킹, 선진기관 협동/위탁 ② 기술분류 및 선택과 집중: 원천/일반/보유/중간진입/경쟁기술 ⇒

전략적 특화기술로 재분류

③ 공정과 설계/건설기술의 병행 개발 ․정부 각 부처 연계: 산자부 GTL 원천기술 접목, 관련 공사의 LNG 인프라 활용 ․위험회피전략: 기술경쟁체계(실증기술 중심 + 특화/기반기술 ⇒ Fast Track 방식 보완) - 목표 지향적이고 성공 가능성에 영향을 크게 미치는 접근법 마련

◦ 기술확보시나리오 ⇒ ① 자체개발(선진기관, 전문가 공동연구), ② 라이센스 도입 - 자체개발의 개념: 원천 및 차별화기술 + 중간진입기술 ⇒ 비용 및 기간 단축 - 라이센스 도입: 시장변화, 사업비 등에 따라 사업단에서 건의 및 재검토 - 선진기술 제휴: Benchmarking, Commissioned Engineering ※ 국내 기업의 접촉사례: KBR, Axens, KHI, Whessoe, Sasol 등으로 조사되었음.

<그림 3-4> 기술 확보를 위한 수행 흐름도

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◦ 사업단 추진체계: 우선순위에 따라 LNG/GTL 단계별, 병행 추진 - 시나리오별 장단점 분석 구분 병행 추진 단계별 추진

장점

단점

․시장진입시기 대응 가능

․사업비 분산, 사업비 증가

․각 플랜트별 역량 집중이 가능 ․GTL 기술확보 지연, 시장진입시기 지연

- 추진전략 ․방안: 병행 추진하되 시기 및 사업비는 단계별 조정 (초기: LNG 중심, 중기: GTL 중심) ․GTL의 경우에 산업자원부 과제와 연계하여 synergy 효과 극대화 (산자부(원천)와 건교부(설계 및 시공 및 운전) 연구 협력/병행 추진을 통하여 비용/기간 단축, 성공 가능성 제고) ※ 산자부 및 관련기관 협의 ⇒ 정례화, 기능과 역할 및 대응시나리오 마련이 필요 - 산자부 지원 GTL 연구사업 총괄기관(석유공사) 방문협의(1차): 참여기관 의견 수렴 - 산자부 GTL 연구사업 참여기관 의견 수렴(2차) - 건설교통부, 산업자원부 담당부서 담당자/책임자 협의 실시 (3차, 유관기관 참석) ◦ Test-Bed형 시범사업 실시 - Test-Bed를 중심으로 사업단 총괄과제에서 개별 핵심과제에서 도출되는 성과를 점검하고 최종 Test-Bed에서 구현될 수 있도록 추진일정과 요구사항을 설정하여야 함. ․사업단 시스템엔지니어링기술: 사업단장 책임, 개별 핵심과제에서 전담요원 참여 ․첨단 융합형 기반기술: 연구기관을 중심으로 공공기반기술, 융합기술의 적용과 학계의 창의적 아이디어를 결합하여 중장기적으로 지속 가능한 경쟁력을 확보할 수 있도록 추진 ․핵심공정기술: 독자공정 개발로서 학계의 기초기술과 업계/연구계의 응용기술을 결집 ․설계, 건설기술: 산업계를 중심으로 추진하되, 학연의 아이디어가 반영되어 성과의 수준과 완성도, 사업화 제고가 필요

<그림 3-5> 테스트베드와 핵심과제의 연관관계

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◦ 국내 인프라 및 선행연구 연계 - 핵심요소기술(냉매, 촉매, 개질 및 F-T 반응기, 초저온 사이틀, 열교환기 등)에 대한 국내외 특 허 및 논문 분석을 통한 기술트리를 상세화 - 핵심요소기술이나 해외 선진기술에 대한 검증 및 평가를 대학이나 연구소에서 선행적으로 수행 하여 중간진입전략을 마련 - 공정 평가는 pilot 플랜트의 경험이 있는 산업체의 사업화 전략과 밀접하게 연결될 수 있도록 정교한 타당성 검토 및 연구 수행 - 산업자원부 GTL 원천기술, 국내외 경쟁 우위기술 등을 접목하여 한국형 플랜트 기술을 확립 ◦ 산업자원부 GTL 연구개발사업과 연계방안 수립 - 기본방향: ‘시스템 통합(공정응용+연계장치 및 계통 등) 및 대규모 건설기술 개발’을 목표로 업 계의 사업전략 등을 고려하고 산업자원부 GTL 추진과제와의 연계 및 시너지 효과 유발을 통 하여 EPC 종합기술을 조기에 확보 - 차별화 방안: ‘GTL 촉매 및 반응기(개질, FT)’와 같은 기초․요소기술 보다는 이를 응용하여 건설 및 엔지니어링 업계에서 요구하는 시스템 통합기술 및 대규모 건설기술에 중점 - 추진방안: 가스플랜트 세부분야(LNG, GTL)의 우선순위를 고려하여 LNG 분야를 우선 추진하 면서 예산을 집중하고, 이어서 GTL 분야는 산자부 과제의 성과와 해외 경쟁기술을 검토․평가 하여 중간진입․활용 등을 추진할 수 있도록 상세기획(예정)에서 계획 수립 <표 3-2> 건설교통부와 산업자원부 GTL 과제의 특징과 중점추진분야 구분

산자부 과제: 촉매, 반응기 등 요소기술

건교부 과제: 시스템 통합기술

(1단계: 2006-2009)

(2008-2015) 1. 플랜트시스템엔지니어링

1. 개질기 기술

2. F-T 촉매 및 반응기

- 계통 최적화: 성능, 에너지 등

3. 개질/FT 공정 통합

- Risk/RAM, 운영 및 유지관리 등

개발

2. 건설기술(계획/FEED/시공/사업관리) 3. 공정(개질, F-T 합성) 응용설계 4. F-T 생성물 upgrade 기술 선정 1. 개질촉매 및 개질기 개발

1. 기술별 장단점 평가/사양선정

2. F-T 촉매 및 반응기 개발

2. 차별화 요소 도출 및 개량 설계 3. 핵심 기자재/시스템 국산화

업무

4. Test bed 건설 및 운영

범위 ※ 2단계(2010-2011)에서 1 bpd 급 F-T 공정 파일롯플랜트

※ 2014년 까지 100 bpd 급 Test-bed 건설

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산자부 과제범위:

건교부 과제범위:

- 개질반응 촉매 및 반응기 - FT반응촉매 및 반응기

- 개질/FT공정 응용 및 개량기술 - FT 생성물 upgrade 기술 - 플랜트시스템 엔지니어링기술 (계통최적화, Risk/RAM, 운영/유지관리 등) - 건설기술(계획/FEED/조달/시공/사업관리)

ByProducts Natural Gas

Syngas Production

FT Synthesis

Product Workup

Utilities Integration

Liquid Products

Power Steam Fuel

Offsites / Infrastructure

<그림 3-6>

건설교통부와 산업자원부 GTL 기술개발의 중점분야 검토

□ 공정기술 확보전략 ◦ 국내외 여건 및 배경 검토 - 고부가가치 플랜트 핵심기술 제휴․이전 기피 ․과거 정유․석유화학, 발전 분야 공정기술은 선진기업과의 기술제휴․도입이 가능하였으나 ․대규모, 고부가가치 플랜트사업인 LNG, GTL분야의 경우에 선진기업의 기술이전 기피로 기술 제휴․도입이 사실상 어려움 ․이러한 여건에서 고부가가치 핵심분야인 사업 기획, 기본설계, 운영유지기술 등에 직접적으로 연계되는 공정기술의 확보는 불가피함 ․또한 관련된 주요 기자재의 국산화 등은 국내 중소기업 등 산업 파급효과가 매우 큰 분야임을 감안할 때 전략적인 결정이 요구됨 ※ 해외 사업에서 전처리공정, 상세설계, 시공분야 외에 핵심분야의 진입이 어려움 (특히 한국, 일본, 인도, 중국 등은 선진기업의 경계 대상) - 핵심공정, EPC 기술이 대규모 기획․개발형 사업의 성공요인 ․선두기업의 경우에 시장 카르텔 형성을 통하여 후발기업의 핵심영역 진출을 배제하고 기술혁 신과 비용절감을 통한 우위 확보전략 ․후발기업의 경우에 경쟁기술 개발을 통하여 선진기업과 제휴하거나 독자사업에 적용하는 전략 을 구사 (일본, 프랑스, 이탈리아 등) ․일본의 사례: 경쟁/특화기술 확보 ⇒ 기술제휴, 해외 컨소시엄 참여 - 기술제휴, 사업진출 등에 활용 가능한 전략적 도구 확보가 필요 ․공정데이터는 사업의 기획, 설계, 조달, 시공, 운영/유지 등 수행과정에서 필수적으로 요구되는 데이터임

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․완성품으로 공정개발이 아니더라도 기술체계상 공정데이터의 확보과정은 EPC 기술개발 과정에서 기본적으로 다룰 수밖에 없음. ․우리의 여건에서 경쟁기술 개발을 통하여 선진사와 기술을 제휴, 해외사업 공동 진출을 위한 전략적 도구로 활용할 필요가 있음 ◦ 공정기술 개발능력 - LNG 공정개발은 투자비와 기간의 문제로 기술개발이 가능함 ․기본 공정은 20～30년 전에 확립된 기술로서, 최근의 첨단소재, 기계․장비개량, NT, IT 등 접 목을 통하여 성능향상과 차별화 가능 ․사전기획, 전문위원을 통하여 수렴된 국내․외 전문가 의견은 국내 여건에서 LNG 공정개발은 투자비와 기간의 문제로 판단하고 있음 ․플랜트 설계, 시공, 운영기술 연구과정에서 생성되는 데이터를 기반으로 공정을 집적하고 검증 하여 완성된 패키지로 개발이 가능함. -

GTL 공정 개발 여건 ⇒ 산업자원부에서 기 추진 (2006. 8 착수)

․석유공사 컨소시엄에서 산업자원부의 지원으로 2006. 8～2009. 8까지 개질/FT 합성공정관련 촉매 및 반응기 개발을 추진 ․플랜트기술고도화사업에서는 해당 연구결과와 경쟁기술을 연계하여 응용 설계하는 방안을 설 정함 - 국내 독자개발 추진사례 ․DME 파일롯 플랜트 (산업자원부 지원, 한국가스공사 수행/완료) ․GTL 공정 개발 (촉매 및 반응기, 산업자원부 지원, 2006년 착수) ․LNG 탱크 개발 (한국가스공사, LNG 인수기지 연계 기술제휴․도입 후 독자기술화) ◦ 연구개발 사례

Shell-LNG: Parallel Mixed Refrigerant Process (2005 start up) C on de nsa te sta bilisa tion

F rac tion ation L iqu efa c tion

G as R e ce ivin g

G as T rea tin g

E nd flash

P re c ooling L ique fa ctio n

- Single pre-cooling and two parallel liquefaction cycles - Propane or Mixed Refrigerant in pre-cooling - Three Frame 7 drivers: production up to 8.5 Mtpa - Flexible driver & compressor selection

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LN G tan k

<표 3-3> 공정기술 개발 및 미개발에 따른 제반 영향 검토 구분

연구개발

미개발 (또는 license 구매/제휴)

◦전략적 배경

◦License 구매 및 기술제휴의 현실적 어려움◦기업의 단기적인 사업모델에 적합 (선두그룹의 시장카르텔, 기술이전 회피 등) ◦주도적인 기획/개발형 사업을 전제 ◦전체 value chain에 미치는 영향이 매우 큼 (가스전 개발/사업권, 주도적인 자본 투 ◦연관산업(기자재 등) 파급효과 자 등)

◦전략별 장점

◦License 구매/기술제휴 성공시에는 ◦성공시 기술력 입증과 파급효과가 매우 큼 → 개발위험 회피, 단기적인 시장 진입 ◦선두/후발그룹과 전략적 기술제휴가 가능 이 가능 ◦기획/개발형 사업, 고부가가치 분야 주도 ◦실제 프로젝트의 기술적 안정성 제고

◦기술도입/기술제휴가 현실적으로 어려움 ◦국내 기술기반 및 개발 경험이 빈약 ◦설계/건설 실적이 없어 주도적 역할의 ◦문제점 ◦사업화 및 시장 진입에 소요기간 증가 (상 한계 및 한계 업용 플랜트 건설 등) ◦지속적인 기술 종속, 고부가가치분야 참 여 제한

◦대안

◦공정 부분에 있어서 국외 선진연구기관 또는 후발그룹과 협동/위탁 개발을 필수적으 로 추진 ◦주요 특화기술을 중심으로 중간진입전략 추진 - 주요기술: 혼합냉매, 계통구성 및 기기 최적화, 에너지 회수, 합성공정, IT 응용, Compact화 등 - 추진방법: 국내외 협동/위탁연구 ⇒ 독자 공정화, 개발기간 및 위험 감소 (LNG: 국외 선진기관 협동연구, GTL: 산업자원부 연구개발사업 연계) ◦사업화 전략 마련: 해외 사업권, 국가간 정책교류 등 연계방안 (총괄과제, 사업단장) ※일본의 경우에 선진사와 GTL 기술제휴의 어려움으로 독자기술을 개발하는 방향을 설 정하였으며, 파일롯 단계를 거쳐 현재 Demo 플랜트를 2006년부터 추진하고 있음. ※중국의 Sinopec 은 미국의 Syntroleum 사에게 GTL 기술을 지원받는데 5년간 총 1억 달러를 지불하는 것으로 양해각서 체결한 바 있음 (2007). 이는 Syntroleum 사가 중 국 시장의 가능성을 높게 평가하여 가능한 것으로 보임.

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3.2 단계별 추진대상과제

단계별 추진일정 순서

추진대상과제

1단계

2단계

3단계

1년 2년 3년 4년 5년 6년 7년 8년 0

▪총괄: 가스플랜트 시스템엔지니어링기술 - 대상: Life Cycle, Value Chain

▪가스플랜트 핵심기반기술 - 대상: 표준, 평가, 유지관리, 소재 등

▪고효율 LNG 공정기술 -대상: 가스처리, 액화공정

▪대용량 LNG 플랜트 건설기술 - 대상: 기본설계, 공정제어, 시공, 운영 등

▪고효율 GTL 공정 응용설계기술 - 대상: 개질, 합성액화

▪대용량 GTL 플랜트 건설기술 - 대상: 기본설계 공정제어, 시공, 운영 등

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비고

3.3 예산소요계획 □ 작성 근거: 인건비, 직접비 (기자재, 시작품, 기술경비, 기타 여비 등), 간접비, Test Bed ◦ 인건비: 직접비의 30%로 추정 (과제 규모에 따라 조정 가능) ◦ 직접비: - 기자재: 투입되는 연구장비, 상용코드, 센서 등 추정가격 - 시작품: Lab facility, Pilot Plant 등 추정가격 - 기술경비: 10%로 추정 (과제 규모에 따라 조정 가능) - 기타: 10%로 추정 ◦ 간접비: 관련 규정(정출연 기준)에 의거 인건비의 40% 계상 (기관별 상이함.) ◦ Test Bed 사업비 산정 (1) 국내 DME 건설사례를 기초로 추정(2개 협동기관: 현대엔지니어링, 한국가스공사) (2) 국내․외 전문가 (LNG Tech.) 비교평가 (3) 국외 건설사례(미국, 일본의 유사 규모)를 비교하여 타당성 평가 □ 적정성 검토: ◦ 단계별, 연차별 사업비 추세곡선: 적정한 흐름으로 평가됨. 30,000 합계 총괄 1핵심 2핵심 3핵심 4핵심 5핵심

25,000

Cost, 백만원

20,000

15,000

10,000

5,000

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

Year

<그림 3-7> 가스플랜트 사업단과제의 사업비 적정성 검토 (추세곡선) ◦ 적용한계: - 사전기획에서는 핵심과제별 범위에 따라 관련규정 및 정부출연기관 기준으로 계상되었으며, 가중치에 따라 10% 내외의 변동성을 가지는 것으로 판단됨. - 보다 정확한 예산은 상세기획시 세부과제와 세세부과제를 도출하는 과정에서 총괄표 및 주요 근거가 제세되어야 함.

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□ 총소요 예산 (단위: 백만원)

자 금 형 태 구분

소요금액

비고 출연금

융자금

민간

2007년

9,600

6,800

2,800

2008년

17,300

12,300

5,000

2009년

36,370

25,700

10,600

테스트베드 70% 지원시

2010년

41,770

29,700

12,000

테스트베드 70% 지원시

2011년

38,570

27,500

11,000

테스트베드 70% 지원시

2012년

37,270

26,200

11,000

테스트베드 70% 지원시

2013년

34,070

24,000

10,000

테스트베드 70% 지원시

2014년

15,200

10,700

4,500

합계

229,800

162,900

66,900

□ 핵심과제별 소요예산 (단위 : 백만원)

순서

핵심과제명

단계별 추진일정 1단계 2단계 3단계 1년 2년 3년 4년 5년 6년 7년 8년

비 고

▪총괄: 가스플랜트 시스템 엔지니어링 기술

정부 4,000 민간 0

▪가스플랜트 핵심기반기술

정부 22,500 민간 9,900

- 대상: 표준, 평가, 유지관리, 소재 등

정부 14,800 민간 6,500

▪고효율 LNG 공정기술 -대상: 가스처리, 액화공정

정부 50,300 민간 21,000

▪대용량 LNG 플랜트 건설기술 - 대상: 기본설계, 공정제어, 시공 등

정부 15,900 민간 5,500

▪고효율 GTL 공정 응용설계기술 - 대상: 개질, 합성액화

정부 54,900 민간 24,000

▪대용량 GTL 플랜트 건설기술 - 대상: 기본설계 공정제어, 시공 등

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3.4 인력투입계획 □ 기본방향 ◦ 플랜트는 다양한 학제, 기술분야가 결합되어 있는 특성을 가지고 있음. 따라서 산․학․연 전문기 관은 물론, 기계, 화공, 전기, 전자, 정보, 토목 등 다양한 연구인력의 참여가 필요함 ◦ 가스플랜트사업은 해외 플랜트 수주를 목적으로 개발사(license 보유사)와 건설․엔지니어링사가 2단계에서 집중하는 것이 필요하며, 설비 유지보수 분야는 3단계에서 단계적으로 인력을 증가시 키는 방향으로 추진 □ 핵심과제별 투입계획 ◦ 가스플랜트 핵심기반기술 (★ 국제 공동연구 추진, SINTEF 등) ․1단계: DB/Rule, F/S 전문가시스템, digital simulator 등 설비, 정보, 제어 등에 관한 전문연구인 력 중심의 투입이 필요 ․2단계: 부품/소재/시스템 국산화 및 시험․건전성 평가, 실시간 감시 및 지능형 진단․제어 및 원격조치 등에 관한 전문인력의 투입이 필요 ․3단계: Offshore LNG/GTL 플랜트 개념설계 추진을 위한 전문인력의 투입이 필요 ◦ 고효율 LNG 공정기술 (★ 국제 공동연구 추진: LNG Tech. 등) ․1단계: 냉동사이클, 가스 전처리 등에 관한 전문연구인력 중심의 투입이 필요 ․2단계: 설계 시뮬레이션, 장치 제작 및 평가 등에 관한 전문인력의 투입이 필요 ◦ 대용량 LNG 플랜트 건설기술 (★ 국제 공동연구 추진 후보: LNG Tech. 등) ․1단계: LNG 공정, Heat & mass Balance, Process Flow Diagram 등에 관한 인력 중심의 투입과 Test Bed 구성요소 선정 및 사양 최적화 등에 관한 전문인력 중심의 투입이 필요 ․2단계: FEED (Scale-up/down), 공정제어, HAZOP 평가, 상세설계, 장치 제작 및 평가 등에 관한 전문인력의 투입과 상세설계 및 건설, 통합 운영, 유지관리, 평가 등에 관한 전문인력의 투입이 필요 ◦ 고효율 GTL 공정 응용설계기술 (★ 국제 공동연구 추진: 2-3개 벤처기업 후보군 검토) ․1단계 - 2단계: GTL 공정 통합 및 성능평가에 관한 전문연구인력 중심의 투입이 필요 ․3단계: FEED 패키지, 공정제어, pilot 설계 및 검증 등에 관한 전문인력의 투입이 필요 ◦ 대용량 GTL 플랜트 건설기술 ․1단계: Test Bed 구성요소 선정 및 사양 최적화 등에 관한 전문인력 중심의 투입이 필요 ․2단계: 상세설계 및 건설, 통합 운영, 유지관리, 평가 등에 관한 전문인력의 투입이 필요

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3.5 사업화(테스트배드형 등) 추진 전략 및 계획 □ 필요성 ◦ 가스플랜트 연구기반 구축, Value Chain 확보전략으로 공공 연구개발투자 필요 (플랜트연구개발클러스터 구축, 기술개발과 공동 활용 촉진, 차기 성장동력 확보 등) ◦ 비교적 큰 투자비가 소요되고 기술별 위험이 큰 분야로서 정부지원이 필요 ◦ 우리나라와 여건이 유사한 일본은 전략적으로 에너지확보/해외시장 진출을 위하여 지원 (일본 JOGMEC 프로젝트: 총건설비의 약 67% 지원, 미국: DOE에서 Ultra Clean Fuels Program 건설비의 48%) □ 목적 ◦ 개발된 프로세스와 관련기술을 집적한 테스트베드 설계 및 건설을 통한 완성도 제고 - 개발된 액화공정을 상용 액화 플랜트에 적용하기 위해서는 개발된 기술의 타당성과 신뢰성 확 보가 관건이며, 일정 규모의 시설로 개발기술을 집적하여 Test Bed를 구축하여 제반 사항(설 계변수, 성능, 안전성, 운용성 등)을 검증하고 피드백(feedback)함. - Test Bed를 통한 개발 프로세스 및 EPC 기술의 입증 시험은 개발된 프로세스 그 자체의 성 능 입증뿐 아니라 이 과정을 거쳐서 여러 가지 알려지지 않았던 다양한 설계 인자들이 각각 의 프로세스 계통에서 검증하는 과정임. □ 추진시나리오 ◦ 추진방향: - 기존 인프라 활용, 일반 현장 활용, 해외 현장 활용 등으로 구분되며, 시너지 효과를 고려한 장소 선정 및 소요비용 등은 상세기획에서 기업의 사업모델과 연계(기술 등)하여 구체적인 현 장조사를 통한 검토가 필요함. - 핵심기술의 성공 가능성을 평가(1-2년차)하여 테스트베드 건설계획을 추진하는 것이 바람직하 며, 상세기획 단계에서 검토되는 핵심과제의 추진시기와 연계하여 검토가 필요함. ◦ 시나리오 - 시나리오Ⅰ: 기존 인프라를 활용하는 방안 (인수기지, 동해 가스전 등) ․기존 가스공급시설과 연구시설, 전력 및 용수 등과 같은 유틸리티를 모두 갖추고 있어 초기 비용(총 사업비의 1/4 예상)을 절감할 수 있을 것으로 분석됨. ․다양한 활용과 유지관리의 장점이 있음. 향후 지속적인 Demonstration Plant의 역할을 담당 할 최적의 site 임. ․기존 인프라 구성설비 : 가스 전처리설비, LNG 저장탱크, 제어실 및 제어시스템, 수전시스템, 유틸리티 설비(질소, 공기등), 방재시스템 등 - 시나리오 Ⅱ: 일반 현장에 적용하는 방안 ․Test Bed에서 필요한 가스공급/처리시설과 전력 및 용수 등 유틸리티를 신규로 설치함으로 초기투자비용 과다 소요. 신규 설비 설치에 따른 인허가 사항에 애로가 있음. ․충분한 건설비가 확보될 경우에 민간 가스터미널을 이용하여 건설이 가능하나 연구기간 종 료후 유지관리상의 문제가 어려움.

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․정부관련 기관이나 유사시설을 건설, 운영, 관리한 경험이나 실적이 있는 기관에서 추진하는 것이 바람직함. - 시나리오 Ⅲ: 해외 현장에 적용하는 방안 ․사업단에서 개발한 기술을 우리나라가 사업권을 행사할 수 있는 해외 가스전 개발시에 액화 공정장치 중심의 test-bed 구축을 고려할 수 있으며, 이 경우에는 설치규모, 자산의 관리와 소멸 등에 관한 검토가 필요. ◦ 시나리오 비교 및 활용방안 <표 3-4> 테스트베드 구축시나리오 및 활용방안 구 분

기존 인프라 활용

일반 지역

해외 가스전

장 점

◦기존 유틸리티 확보를 통하여 초기 비용을 절 감 ◦각종 인허가사항 처리가* 공개경쟁 용이 ◦사후 유지관리가 비교적 용이

단 점

◦설치규모 제한, 의사결정의 ◦유틸리티 소요비용 증가 ◦액화 Value Chain이 없 어려움 ◦액화 Value Chain이 없음 음 ◦자산의 관리와 소멸 등에 관 ◦제반 인허가사항 애로 예 * 경쟁 제한 한 상 검토가 필요

◦우리나라가 사업권을 행사할 수 있는 해외 가스전에 설치 ◦지속 가동 / 사후관리 ◦개발기술의 홍보효과 극대화

◦지원범위: 상용화 전단계인 실용화를 목표로‘Test-Bed 구축’까지를 지원범위로 설정 ◦민간참여: - 실용화를 전제로 하므로 민간부담 개발비의 증가가 요구되나 - 국내에 액화분야의 Value Chain이 전무한 관계로 투자 Risk가 큰 Test-Bed에 민간부담은 제한적 참여범위 - 일본 JOGMEC Demo. Plant에 약 67%를 지원, 미국 Ultra Clean Fuel Demo Plant에 약 48%를 지원

- 정부 지원범위는 총 건설비의 50-70% 범위에서 인프라/기업여건/기술별 Risk를 고려하여 결정 ◦개발기술 집적 및 검증, 개발기술의 인지도 확산 ◦가스플랜트 연구개발클러스터 구축을 통하여 공동활용(관련된 연구개발시 실험시설 활용방안 또는 시뮬레이터 등) ◦사업용으로 전용하여 지속 가동 및 투자비 회수

< 사업 수행시 활용방안 > - 고유목적으로 사업계획상 개발기술의 집적과 feedback을 통한 기술의 완성도 제고에 활용

- 111 -

< 사업 종료 후 활용방안 > - LNG 테스트베드 ⇒ 가스 재액화, 공기액화 등 사업용으로 활용 ․국내 인수기지(가스공사, 포스코, 기타 민간 등)에 설치시 자연 기화에 따른 가스 재액화설비 에 적절한 용량으로 활용이 가능함. ․국내에서 공단지역에서 공기액화를 통한 질소, 산소분리 등 공업용으로 활용 가능하여, 이를 통하여 사업용도로 활용가능 - GTL 테스트베드 ⇒ 화학, 실험원료 생산시설로 활용 ․현재와 같은 고유가 체제하에서 용도에 따라 원료로 판매 가능 ․청정연료 보급을 위한 사회실험(일정 지역에서 스테이션 등 관련된 시설을 구축하여 사회적, 기술적 안정성 등을 모니터링, 평가) 수행을 위한 기반시설으로 활용 - 연구개발클러스터로 활용 ․관련 연구, 후속연구 등 실증실험시설로 활용 (향후 연관기술: 부유식 액화플랜트 탑재, 중소형 액화플랜트 등) ․중소형, 초대형 등 용도별 개발, 실증에 활용 □ LNG Test bed 건설계획 ◦ 액화용량 : 20 - 50 ton/day 이상 ◦ 범위 - 설비구성 : 전처리 공정, 액화 공정 (열교환기, 압축기), 저장탱크 - 테스트 베드는 기술검증을 위한 1개의 트레인과 다양한 기술 검토를 위한 1개의 추가 트레인을 건설함. ◦ 소요비용: 420억원 (운영비 20억 포함) ◦ 기간 (총 50개월) - 건설계획: 6개월 - 건설기간: 30개월 - 운영/평가: 12개월

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◦ 특수사항: - 본 LNG 플랜트 Test Bed는 가스전에 적용하지 않는 이상 부가가치가 발생하는 시설이 아니 며, 다양한 주체에서 개발한 기술의 집적체로서 공공의 파급효과가 큰 시설임. - 일반기업이 건설하기에는 어려움이 있으며, 이에 따라 건설비의 성격과 기술료에 관한 면밀한 검토가 상세기획 단계에서 필요함. - 가스의 조성과 물성, 그리고 공급조건을 고려한 민감도 평가실험이 수행될 수 있도록 구성하여 야 함. □ GTL Test Bed 건설계획 ◦ 액화용량 : 50 - 100 barrel/day 이상 ◦ 범위 - 설비구성 : 개질공정, 액화 공정 (촉매, 반응기) - 테스트 베드는 기술검증을 위한 1개의 트레인과 다양한 기술 검토를 위한 1개의 추가 트레인을 건설함. ◦ 소요비용: 500억원 (운영비 20억 포함) ◦ 기간 (총 60개월) - 건설계획: 12개월 - 건설기간: 36개월 - 운영/평가: 12개월 ◦ 특수사항: - 본 GTL 플랜트 Test Bed는 가스전에 적용하지 않는 이상 부가가치가 발생하는 시설이 아니 며, 다양한 주체에서 개발한 기술의 집적체로서 공공의 파급효과가 큰 시설임. - 일반기업이 건설하기에는 어려움이 있으며, 이에 따라 건설비의 성격과 기술료에 관한 면밀한 검토가 상세기획 단계에서 필요함. - 가스의 조성과 물성을 고려한 민감도 평가실험이 수행될 수 있도록 구성하여야 함. □ Test-bed 연계 시장진입전략 ◦ 가스플랜트 value chain 이 제한적인 국내 여건에서 대규모 연구개발사업 및 Test-bed 구축을 통하여 기술의 신뢰성과 완성도 제고하고, ◦ 국내 공기업, 민간기업 주도의 해외 가스전 사업권과 연계하여 우리 기술의 적용이 가능할 것으 로 예측되며, ◦ 현장 수행실적과 독자기술을 토대로 원격지 중소유전을 대상으로 기획․개발형 건설사업모델의 개발과 적용을 통하여 선진사와 제휴 등을 통하여 시장 경쟁력을 확보 ◦ 시장진입전략과 활용방안 - 1단계: 국내 기업(석유공사, 가스공사, 민간기업 등)에서 개발하거나 사업권을 확보한 가스전을 중 심으로 우선 적용하여 대외 신뢰도, 실적을 확보할 수 있으며, 필요시 선진기업과 기술제휴나 공 동사업을 모색할 수 있는 장점이 있음. - 2단계: 주로 대규모 가스전에 집중하고 있는 선진사의 진출이 거의 없는 원격지, 중소 가스전을 대상으로 기획․개발형 사업을 추진하여 대외 인지도 및 실적을 확보할 수 있으며, 선진사와 본격 적인 기술제휴 및 컨소시엄 구성에 있어서 전략적 활용도가 큰 장점이 있음. - 3단계: 주요 해외 프로젝트에서 선진기업과 대등한 참여가 가능하며, 대규모 사업에 참여시 사업 위험 감소를 위한 컨소시엄 구성과 핵심기술 참여가 가능할 것임.

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- 상기 내용은 사전기획에서 1차 검토하였으며, 관련 공사 및 업계에서 추진하는 사업전략과 연계성 이 큰 것으로 분석됨. - 보다 구체적인 타당성은 상세기획에서 2차 검토가 이루어질 것이며, 사업단 착수 후 총괄과제에서 지속적으로 시장 및 업계 전략을 모니터링하여 사업과 연계될 수 있는 방안을 제시

<그림 3-8> 테스트베드 연계 단계별 시장진입전략 흐름

- 114 -

3.6 사업단장 선정기준 검토

구분

주요 내용 •연구개발계획 → 70점 (항목, 가중치, 총점 유지) •사업단장 및 총괄기관 → 30점

선정기준

(항목 유지, 기획 및 운영능력 가중치 증가, 총점 유지) •발표평가 (항목/가중치/총점 유지) •가스플랜트에 관한 넓은 이해도, 사업단 비전과 목표 설정이 가능 •가스플랜트 관련 프로젝트(연구, 설계, 건설 등) 수행/관리 경험을 보유 •가스플랜트와 관련된 국내외 인적, 기술적 네트워크 데이터베이스 보유

자격조건

•해외시장과 기술흐름에 관한 모니터링/분석능력 보유

⇒ 사업계획, 이력사항, 인터뷰 •사업단 기획 및 운영(통솔력 등)능력

기존

개선

평가항목

가중

평가항목

가중

사업단장 역량

판 정 근 거

∘관련 프로젝트 수행실적

연구수행 실적 및 주요 업적

좌동

∘관련 업무실적 ∘국내외 인적/기술적 네트 웍

연구수행 실적의 적합도

사업단과제 기획능력 및 운영능력 사업단 총괄기관 역량 사업단 총괄기관의 보유 역량 사업단 총괄기관 지원시 스템의 적절성 사업단과제 추진을 위한 제안의 적정성

좌동

0.5

∘주요어, 기술적 연계성 ∘역할 ∘세계시장과 기술흐름 분석

기획능력 및 운영능력

능력 ∘프로젝트 조직화/조정능력

사업단 총괄기관 역량

좌동

제안 및 활용방안의 적 정성

- 115 -

∘인력, 수행실적, 인프라 ∘매칭펀드, 지원인력,

IT인프라

0.5 ∘현실성, 실현 가능성

4. 기술개발 효과 4.1 기술적 효과 □ 국내 가스플랜트 기술을 보유 (현재 선진 기술 보유사들이 카르텔을 형성하고 기술이전을 하지 않 고 있어 고부가가치 핵심사업에 국내 업체의 참여가 제한되고 있음) □ LNG/GTL 플랜트 설계기술의 확보 (국내업체들의 해외 가스 플랜트 건설 사업 참여 가능) Fischer-Tropsch 촉매의 상용화 기술 확보 (합성석유 제조용 촉매기술의 Licensing도 가능) □ 가스전이나 가스하이드레이트를 유전으로 변환시킬 수 있는 기술의 확보 □ 미래의 탈 석유 시대에 대비한 타 변환기술로의 파급 (GTL → CTL → BTL: 대체에너지/재생가 능에너지로의 전환 중간단계로 화석연료 사용의 다변화 시대 도래, GTL 기술은 바이오매스 기술 에도 쉽게 접목하여 사용가능) □ Test-bed 건설 및 운영을 통한 노하우 축적으로 해외 기술시장 진출 교두보 확보 □ GTL의 경우 산자부 과제와 연계하여 원천기술 확보로 완전한 기술 자립화 및 시너지 효과 기대 □ 주요 설비 및 핵심기기 국산화로 국내 장치 산업 경쟁력 향상 기대 4.2 사회․경제적 효과 □ 해외 플랜트 건설 사업 참여시 수억달러의 엔지니어링 및 건설 수입 가능 □ Test-bed 건설 및 운영을 통한 국내 GTL분야 전문인력 양성 □ 해외시장 참여시 국내 플랜트산업 활성화 및 신규 고용 효과 창출 □ 천연가스로부터 합성석유 제조기술의 확보에 의한 해외 미개발 가스전에서의 사업 참여시 막대한 기술료 지출 절감 및 사업 참여 기회 증대 (예: cross-licensing의 이점) □ GTL에 의한 청정연료 제조는 원유를 정제시켜서 초저유황 경유를 제조하는 방식과 경쟁 가능하 며 경제성에 있어서 우위에 설 수 있음. □ GTL에 의한 가스로부터 합성석유의 생산 기술 확보시 동해에 매장된 메탄 하이드레이트에 적용 하여 산유국 대열에 합류 (약 6억톤, 국내소비량의 30년분) □ 해외가스전에 진출하여 수송용 연료를 생산 도입하므로 국가에너지 자급률에 기여 □ 수입대체 효과 : 5,850억 (가정: 원유 도입액의 8%를 GTL 연료로 대체 가정, 원유도입단가 $50/bbl 로 가정, GTL 연료 $30/bbl 로 가정, 10,000 bbl/d GTL 공장 18기 필요) □ 환경 개선 효과 : CO2배출량 127만톤 + PM(particulate materials) 156톤/년 감소 □ 환경 개선 금액 : 381억원/년 + 470억원/년 = 851억원 (근거: - 보급 잠재량 = 경유 1.6억 bbl/yr; 보급 가능량 = 3360만 bbl/yr - Sasol 의 LCA 데이터 (GTL 이 기존 석유에 비해 12% CO2 배출 저감) - 계산근거: 1toe = 7.33 bbl, 1toe = 2.31 tCO2, 연료 25euro/t CO2 (`05.9 탄소거래가격) - PM 근거: 환경부, 󰡐경유의 밀도품질과 차량열화가 배출가스 성능에 미치는 영향에 관한 실증실험연구󰡑보고서 내용 중 EU의 편익비용 계산법 적용)

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4.3 전략적 효과․정책적 기대효과 □ Test-Bed 보유 및 운영 자체만으로 전세계 기술 시장에 광고 효과 기대 ( 일본 JOGMEC, 미국 Syntroleum, 프랑스 Axens 등) □ GTL의 경우에 기술 조기 확보로 선진업체와 기술격차를 줄일 수 있을 것이며, 해외 선진업체와 Cross Licensing 효과 기대 □ 경쟁력 있는 국산화 기술확보를 바탕으로 해외플랜트 시장 진출을 위한 정책적 지원 유도 □ 연구개발에 다양한 국내기업들이 참여를 유도하므로 해외시장 진출 시 컨소시엄 구성으로 Risk 분 산 및 사업 추진력 향상 가능 □ 고유가시대 도래와 불안한 세계 석유시장에서의 자주적인 합성석유 기술의 확보와 해외 가스전 개 발에 의한 국가 에너지 안보 구현 □ 1차에너지 중 석유 의존도를 현저히 낮춤 (2004년 의존도: 45.6%, → 37%대로 낮출 수 있음) □ 유황성분을 거의 포함되지 않은 청정한 액체연료인 GTL제품들이 원유를 정제하여 만들어지는 기 존의 석유제품에 비하여 높은 시장가치를 얻을 수 있다. (미국과 유럽, 일본 등 선진국에서 자동차 용 연료인 경유의 황 함유량 규제치를 기존의 500ppm에서 2004년부터 이미 50ppm으로 강화하고 미래에는 10 ppm 이하로 규제를 강화시킬 전망) □ GTL에 의한 수송용 청정 합성 연료의 생산 및 이의 보급으로 대기환경의 개선 (GTL 합성연료: 유황성분/방향족 없음, 매연/질소산화물 낮음 → 기존제품에 비해 대기산성화도 40% 이상 감소, PM 배출 저감 40%) □ 청정연료인 FT 합성유에 의한 경유 승용차의 보급 확대로 수송용 연료소모에 있어서 열효율 증가 에 의한 이산화탄소 배출 저감 가능 (SASOL의 LCA 결과: 기존제품에 비해 온실가스 배출 12% 저감).

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5. 결론 5.1 핵심과제 선정논리 □ 고부가가치 핵심기술의 확보가 시급 - 가스플랜트 기술은 탐사/시추, 액화, 수송, 가스화 설비 기술들이 복합된 종합적인 엔지니어링 기 술의 집약체로서 단위 건당 1억 달러에서 10억 달러에 달하는 메가(mega) 프로젝트가 많으며, 고부가가치 핵심기술(개발․기획-grand design, 공정, 기본설계, 핵심 장비)을 보유하고 있는 선 진사에서 대부분의 시장을 점유하고 있어 후발 기업의 접근은 제한적임. - 이에 본 연구에서는 앞서 핵심과제 선정을 위한 기준에 따라 LNG/GTL 기반, LNG/GTL 공정, Test-Bed를 포함한 설계 및 건설분야로 제시하였으며, 선정된 기반, 핵심공정과 설계/건설기술은 가스플랜트 해외 진출에 필수적인 사항으로 개발의 우선순위가 큼. - 또한 기반기술 분야는 우리나라 플랜트 산업의 기반지원이 매우 취약한 상태이고 이러한 기반 구축과 첨단기술을 접목하여 선진기술과의 차별화 및 경쟁 우위를 점할 수 있는 구동(driver)의 기능이 절실한 실정이며, 이에 따라 플랜트 산업계에서 공동으로 활용이 가능한 분야로 산학연이 참여하고 정부 주도의 지원이 시급함. □ 가스플랜트 사업수행에 중요한 핵심 Value Chain

범위에서 도출

- 가스플랜트 value chain에 직접 관련되고 목표 달성에 영향이 큰 핵심기술을 선정 - 공정기술의 경우에 완성품으로서 개발 목표가 아니라도 기술체계상 공정데이터의 확보과정은 EPC 기술개발 과정에서 기본적으로 다룰 수밖에 없음 - 대형 사업으로서 파급효과와 전략적 중요도, 기초/원천기술에의 접근성과 개발 가능성을 고려 □ 합리적이고 객관적인 선정기준에 따른 도출 - 기술흐름(특허, 논문, 보고서)에 기반한 기술발전주기, 전략적 중요도와 경제적 파급효과를 평가 - LNG, GTL 등 가스플랜트 관련 21세기 산업 주도형 기술을 파악하고 그에 필요한 핵심 기술 및 요소 제품 개발 항목을 선정하였다. ․궁극적인 목표(process licensor / EPC 수행) ․자체 공정 및 플랜트 설계기술 확보 ․효과적인 LNG 시장진입 - 또한 단계별로 상업화 가능성을 고려하여 시스템 통합 및 신뢰성확보 기술을 고려 □ 성공적인 수행을 위해서는 핵심 소재개발 및 부품 국산화와 같은 원천기술 개발이 동시에 필요 - 한국형 핵심공정, 에너지효율 향상, 시스템 성능 개량에 필수적인 소재 및 장비의 국산화를 통한 기술과 시장 확보가 필요하며, 이를 통하여 중소기업의 육성에 도 기여가 가능함. - 플랜트 분야는 비교적 장기적이고 대규모의 투자를 필요로 하는 사업으로 국가적 수준에서의 일 관된 정책적, 전략적 지원이 반드시 필요함. □ Value Chain과 기술을 고려한 핵심과제 시나리오 검토 - 공정기술

- 공정설계기술

- 대용량 플랜트 설계기술

- 건설기술

- 118 -

- 유지관리기술

번호

VC 시나리오

기반 + 공정 + 설계 + Test-Bed (건설, 운영)

기반 + 공정 + 설계 ․ 건설 (Test-Bed, 운영)

- 소재 및 장비

- 기반기술

핵심과제 구성

비고

▪가스플랜트 기반기술 ▪고효율 대용량 LNG 공정기술 ▪대용량 LNG 플랜트 설계기술 ▪GTL Test-Bed 구축 및 운영기술 ▪고효율 GTL 공정설계기술 ▪GTL Test-Bed 구축 및 운영기술 ▪가스플랜트 기반기술 ▪고효율 LNG 공정기술 ▪대용량 LNG 플랜트 건설기술 (20-50 t/d 급 LNG Test Bed 구축 및 운영 포함) ▪고효율 GTL 공정 응용설계기술 ▪대용량 GTL 플랜트 건설기술 (50-100 b/d 급 GTL Test-Bed 구축 및 운영 포함)

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□ 핵심과제별 검토 ◦ 총괄과제: 가스플랜트 시스템 엔지니어링 기술 - 사업단 차원에서 방대한 기술요소와 관리요소를 가지고 있는 가스플랜트 연구개발사업을 효 과적으로 통합하기 위해서는 보다 체계적인 개발단계를 정립하고 각 핵심과제 또는 세부과제 의 수명주기를 규명하여 모니터링할 필요가 있음. - 특히 기술적인 측면에 모든 과제요소를 컨트롤 할 수는 없으며, 목적물을 대상으로 각 개별과 제와 기술이 통합될 수 있도록 상위레벨에서 통합요소와 제어요소를 파악하고 시스템을 엮을 필요가 있음. - 또한 가스플랜트 해외 지역별 진출을 위한 사업모델을 조기에 제시할 필요가 있으며, 이를 위 하여 해외 지역별 기획․개발형 플랜트 시장 조사․분석, 기획․개발형 가스플랜트 사업의 핵 심성공요인(CSF) 분석, 기획․개발형 플랜트 사업모델의 핵심기술 분석이 요구됨. ◦ 제1핵심: 가스플랜트 핵심기반기술 - 가스플랜트의 경우에 국내 기술기반(연구인력, 시설 및 장비, 법제도, 시험평가 등)이 미흡한 실정으로 지속 가능한 가스플랜트 경쟁력을 확보하기 위해서는 필수적으로 수행되어야 함. - 이러한 기반기술은 개념적으로는 첨단기술을 지원하기 위한 플랫폼 기술로 정의할 수 있으며, 기능적으로는 창의적 아이디어와 첨단 응용기술의 접목을 통하여 성능 혁신, 표준이나 제도 등 인프라 구축 등 차별화된 가스플랜트 특화 및 고부가가치 기술 개발에 중점을 두고 있어 중기적인 관점에서 driver 역할 제고를 위한 지원이 시급함. ◦ 제2핵심: 고효율 LNG 공정기술 - 국산 프로세스 개발은 본 사업단과제의 Driver로서의 역할과 또 프로세스 입증을 위한 Pilot Plan의 기본이 될 뿐 아니라, 이러한 과정을 거쳐서 전수되지 않은 설계 인자들과 이들이 LNG 플랜트 기본설계, 조달, 시공 및 운영관리 등에 미치는 영향도가 매우 큼.

- 119 -

- 이는 기존의 상업적으로 획득이 가능한 프로세스들 (특허나 출판된 프로세스들)을 검토하여 각각의 장단점을 비교 분석해서 다른 프로세스들과의 차별화, 개량과정을 통하여 자립화 가능 - 선정된 프로세스들을 프로세스 설계 기준을 바탕으로 simulation model 을 개발하고 그 시뮬 레이션 결과를 바탕으로 프로세스의 LNG 생산 능력, 소요 동력, 열교환기의 요구 특성, 기타 프로세스 제어의 적정성 등을 검토해서 최적의 프로세스를 선정함. ◦ 제3핵심: 대용량 LNG 플랜트 건설기술 - 전세계 LNG 액화기지 건설 시장은 거의 플랜트 설계기술을 이용한 사업화에 있고 공정 개발 은 공정 제공사가 그 역할을 맡고 있다. 또한 액화공정을 개발하고 Pilot Plant를 통해서 기술 검증과 축적이 이루어져도 플랜트 설계기술이 없을 경우 상업화에 어려움. - 플랜트 설계 기술의 개발은 프로세스 엔지니어들로 구성된 팀이 기존의 엄선된 Front End Engineering and Design 설계를 benchmarking 함으로써 1) 기본 설계 능력을 배양하고 2) 설계기준이나 중요한 설계 환경이 변하더라도 기본 설계를 수행할 수 있도록 하고, 3) 궁극적 으로는 본 과제의 신기술을 이용한 pilot

EPC의 안정적이고 빠른 수행과 4) 조기 상업화로

연결하기 위하여, 과제 수행 초기에 필수적으로 수행되어야 함. - 이를 위해서는 일반적으로 LNG 플랜트의 발주자가 기술적인 사항에 대해 상당한 기술적 능 력이 있는 경우가 많고 또 다양한 설계 환경적 요인들이 있으므로 최소한 2개 이상의 서로 다른 특성을 갖는 프로세스의 벤치마킹을 집중적으로 실시하는 것이 필요함. - 사업단 개발기술의 집적 및 검증을 통하여 기술의 신뢰성을 제고하기 위하여 20-50 t/d 급 LNG 플랜트 Test Bed 구축 및 운영은 반드시 수행되어야 함. ◦ 제4핵심: 고효율 GTL 공정설계기술 - 산자부에서 추진중인 GTL 공정의 핵심요소기술 및 원천기술과 연계하여 응용설계기술을 확 보하고, 해외 경쟁기술의 검증과 분석을 통하여 GTL 공정에 용이하게 접근하고자 함. 또한 사업 타당성과 해외 플랜트 수주에 필요한 가스전 조사 및 투자 환경분석을 수행함으로써 GTL 공정에 대한 효과를 단기간에 극대화 하고자 함. - 해외 기술협력선(또는 도입선)을 통하여 선진기술을 도입을 검토하고 국내 원천기술 또는 독 자기술이 확보되는 시점에서 융․복합 통합 시스템을 구축하는 방안으로 사업과제를 추진함. 특히 가스전 개발국과 개발사에서 수행하게 되는 FEED 단계에 적극적으로 진출할 수 있도록 license를 개발하는 과정이 본 사업을 통하여 완수하여야 함. ◦ 제6핵심: 대용량 GTL 플랜트 건설기술 - 플랜트 설계 기술의 개발은 프로세스 엔지니어들로 구성된 팀이 기존의 엄선된 Front End Engineering and Design 설계를 benchmarking 함으로써 1) 기본 설계 능력을 배양하고 2) 설계기준이나 중요한 설계 환경이 변하더라도 기본 설계를 수행할 수 있도록 하고, 3) 궁극적 으로는 본 과제의 신기술을 이용한 EPC의 안정적이고 빠른 수행과 4) 조기 상업화로 연결하 기 위하여, 과제 수행 초기에 필수적으로 수행되어야 함. - 특히 GTL 플랜트는 대단히 복잡한 공정 및 장치가 연계되어 계통을 구성하고 있으며, 유틸 리티, 인프라 등과 효율적으로 통합․설계되어야 함. 전체 계통간 에너지 및 물질흐름의 최적 화가 대단히 중요하며, 개발기술의 신뢰성을 제고하기 위하여 반드시 수행되어야 함.

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5.2 공고내용 작성 5.2.1 핵심과제의 목표 및 내용

총괄과제명

▪가스플랜트 시스템 엔지니어링 기술

총개발기간

8년 (2007 - 2014)

1단계개발기간

2년 (2007 - 2008) 정부

민간

계

총사업비 4,000

4,000

정부

민간

계

1단계사업비 800

800

1. 연구과제의 목표 총개발목표

가스플랜트 사업단 핵심과제 통합기능 마련

1단계 목표

가스플랜트 시스템 엔지니어링 기반 및 타당성 확보

2단계 목표

LNG 플랜트 시스템 통합 및 사업모델 개발

3단계 목표

GTL 플랜트 시스템 통합 및 사업모델 개발

2. 연구과제의 주요내용(1단계)

- 시스템 엔지니어링 ․핵심과제별 개발 단계화 (configuration, function, product) ․SE 프로세스(수명주기 정의, 통합 등) 정립 ․SE 고려사항 모니터링(solution, decision, interface 등) ․Test-bed 건설계획 마련 - 가스플랜트 통합제어 및 운영기술 ․상위 레벨의 통합제어기술 (상위 레벨에서 각 시스템과 기술을 엮는 역할) ․시스템 운영기술 - 해외 지역별 진출을 위한 사업모델 개발 ․해외 지역별 기획․개발형 플랜트 시장 조사․분석 ․기획․개발형 가스플랜트 사업의 핵심성공요인(CSF) 분석 ․기획․개발형 플랜트 사업모델의 핵심기술 분석 및 확보 방안 ․가스플랜트 사업의 단계별 진입전략 도출

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핵심과제명

▪가스플랜트 미래기반기술 - 대상: 표준, 평가, 소재, 성능

총개발기간

8년 (2007 - 2014)

1단계개발기간

2년 (2007 - 2008) 정부

민간

계

22,500

9,900

32,400

정부

민간

계

4,200

1,800

6,000

총사업비

1단계사업비 1. 연구과제의 목표 총개발목표

가스플랜트 기반기술 구축 및 성능혁신

1단계 목표

기술기반 구축

2단계 목표

LNG 요소기술 개발 및 기반 구축

3단계 목표

GTL 요소기술 개발 및 기반 구축

2. 연구과제의 주요내용(1단계) - Digital Simulator 개발 ․Real&Virtual 환경 통합 플랫폼 (knowledge/rule 구축 포함) ․대규모 모델링 및 시뮬레이션기술 (에너지 유효이용 및 통합관리기술 등) ․기획․타당성 평가(F/S)를 위한 전문가시스템 ․가스플랜트 운영 및 훈련 시뮬레이터 - 건전성 평가 및 유지관리기술 개발 ․인공지능 기반의 사용 적합성 평가기술 ․주 공정 또는 플랜트의 RAM (reliability, Availability, Maintainability) 평가기술 ․RT/UT기반의 지능형 O&M/PLM 기술 - 핵심기자재 국산화 및 성능혁신기술 개발 ․초저온 단열소재 및 구조

․Expander / 펌프 등

․초저온 자동제어밸브

․초저온 배관소재 및 구조

․Gas Phase Auto-Refrigeration Process 기술 ․Heating/Cooling Medium

․Nano-catalysts

․Micro-channel 내 열유동 제어기술 - 국제 표준 기반의 인프라 구축 ․국제 표준 기반의 국내 표준/법체계 정비 ․플랜트 설비 표준화 기술/기자재 인증체계 ․플랜트 설비의 수명 및 효율성 향상을 위한 표준화 기반구축

- 122 -

핵심과제명

▪고효율 LNG 공정기술 -대상: 가스처리, 액화공정

총개발기간

5년 (2007 - 2011)

1단계개발기간

2년 (2007 - 2008) 정부

민간

계(백만원)

14,800

6,500

21,300

정부

민간

계(백만원)

5,700

2,400

8,100

총사업비

1단계사업비 1. 연구과제의 목표 총개발목표

LNG 액화 플랜트 신 공정 데이터 및 라이센스 확보

1단계 목표

신 공정 개발 및 데이터 확보

2단계 목표

Pilot plant 검증을 통한 개발공정 완성 및 license package 작성

3단계 목표 2. 연구과제의 주요내용 - 천연가스 전처리기술 개량 ․feed gas treatment ․fractionation - 초저온 공정 기반 기술 연구 (가스 물성, 물리화학적 특성) ․가스, LNG, 냉매 물리/화학 특성 연구 ․초저온 재료 연구 ․단일/혼합냉매의 열전달 특성 평가 - 고효율 액화 사이클 (Liquefaction Cycle) ․초저온 열전달 제어기술 개발 ․열교환기를 포함한 Cold Box 설계 및 제작기술 ․액화사이클 모델링 및 해석(사이클, 냉매, 물성 등), 변수 최적화 ․성능 평가 및 검증, 안정화 ․에너지 및 물질흐름을 고려한 공정/시스템 최적화 (entropy, exergy) - 신 공정 개발 및 구성요소 배치 기술 ․차세대 고효율 액화사이클 컴포넌트 통합 ․파일럿 운영을 통한 공정 완성 및 License package 제작 ․초저온 공정 제어시스템의 통합설계 S/W 구축 ․공정 최적화 기술 개발

- 123 -

핵심과제명

▪대용량 LNG 플랜트 건설기술 - 대상: 가스처리, 액화공정

총개발기간

5년 (2007 - 2011)

1단계개발기간

2년 (2007 - 2008) 정부

민간

계 (백만원)

50,300

21,000

71,300

정부

민간

계(백만원)

7,100

2,980

10,080

총사업비

1단계사업비 1. 연구과제의 목표 총개발목표

LNG 플랜트 설계/건설기술 개발 및 EPC 경험 축적

1단계 목표

설계 사항 benchmarking 및 테스트베드 기본설계

2단계 목표

테스트베드 운전을 통한 신뢰성 확보 및 scale-up 개발

3단계 목표 2. 연구과제의 주요내용

- 대용량 시스템 설계를 위한 Scale-Up 기술 ․벤치마킹을 통한 선진 설계기술 확보 ․LNG 공정 및 주요 구성요소 선정 (benchmark) ․Heat & mass Balance, Process Flow Diagram ․FEED (Scale-up/down), 공정제어 ․설계검증 및 HAZOP 평가, 기본설계 ․LNG 공정(초저온/냉매)에 요구되는 소재(내식성/내산성 등) DB 구축 ․공정 핵심장비에서의 기계적 및 열적 손실 최소화 기술 ․열교환기를 포함한 Cold Box 시스템 고효율화 기술 - Test Bed 상세설계 및 건설, 운전 평가 ․Test Bed 구성요소 선정 및 사양 최적화 ․액화공정 핵심장비(압축기/열교환기 등)에 대한 국산화 ․건설 및 시운전, 적용기술 평가 ․상용화 플랜트 모델 설계에 응용 - 통합 운영, 유지관리기술 Feedback ․RFID/USN 기반 통합제어 및 운영시스템 ․실시간 지능형 진단 및 조치, 유지관리

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핵심과제명

▪고효율 GTL 공정설계기술 - 대상: 개질, 합성액화

총개발기간

2007년 ~ 2014년 (8년)

1단계개발기간

2007년 ~ 2009년 (2년) 정부

민간

계

15,900

5,500

21,400

정부

민간

계

1,100

462

1,562

총사업비

1단계사업비 1. 연구과제의 목표 총개발목표

GTL 공정 응용설계

1단계 목표

GTL 공정기술 조사 및 평가

2단계 목표

핵심공정기술의 통합 및 scale-up

3단계 목표

국산화 기술 접목을 통한 GTL 독자 공정기술 개발

2. 연구과제의 주요내용

- GTL 선행기술 검토 및 촉매/공정기술 기반 연구 ․각 선행 기술별 촉매/공정 장단점 분석, 차별화 요소 도출 ․FT 생성물 upgrade 방안 선정 - 도출된 GTL 핵심 요소기술 성능 평가 ․FT 반응 및 리포밍 반응기 설계 ․GTL 생성물 upgrade 관련 기술 ․Energy 효율화 관련 기술 (유틸리티 포함) - GTL 공정 국산화 기술 (bench scale 규모) ․GTL 통합 공정의 문제점 파악 및 개선점 도출 (simulation 등) ․국산화 기술 검증을 위한 pilot plant 설계안 도출 (1bpd급) ․플랜트 기반 기기 및 핵심 장치 국산화 기술 ․GTL 공정 통합 및 성능 개선

- 125 -

핵심과제명

▪대용량 GTL 플랜트 건설기술 - 대상: 개질, 합성액화

총개발기간

2009년 ~ 2014년 (6년)

1단계개발기간

2009년 ~ 2011년 (3년) 정부

민간

계

54,900

24,000

78,900

정부

민간

계

총사업비

1단계사업비 1. 연구과제의 목표 총개발목표

30,000 bpd 급의 GTL 실용화 설계모델 개발

1단계 목표

1bpd 급 pilot plant 건설 및 시운전, 실증플랜트 기본설계

2단계 목표

실증 플랜트 상세 설계 건설 및 시운전, 상용화 플랜트 FEED

2. 연구과제의 주요내용

- 대용량 시스템 설계를 위한 Scale-Up 기술 ․벤치마킹을 통한 선진 설계기술 확보 ․GTL 공정 및 주요 구성요소 선정 (benchmark) ․Heat & mass Balance, Process Flow Diagram ․FEED (Scale-up/down), 공정제어 ․설계검증 및 HAZOP 평가, 기본설계 ․공정에 요구되는 소재(내식성/내산성 등) DB 구축 ․공정 및 계통간 에너지흐름 최적화 - Test Bed 상세설계 및 건설, 운전 평가 ․설계검증 및 HAZOP 평가 ․Test Bed 구성요소 선정 및 사양 최적화 ․건설 및 시운전, 기술평가 ․30,000 barrel/day 급 GTL 상용 플랜트 모델 설계 - 통합 운영, 유지관리기술 Feedback ․RFID/USN 기반 통합제어 및 운영시스템 ․실시간 지능형 진단 및 조치, 유지관리

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5.2.2 핵심과제의 최종기술개발일정(안)

추진일정 순서

핵심과제명

1단계

2단계

3단계

1년 2년 3년 4년 5년 6년 7년 8년

▪총괄: 가스플랜트 시스템 엔지니어링 기술

▪가스플랜트 핵심기반기술 - 대상: 표준, 평가, 유지관리, 소재 등

▪고효율 LNG 공정기술 -대상: 가스처리, 액화공정

▪대용량 LNG 플랜트 건설기술 - 대상: 기본설계, 공정제어, 시공 등

▪고효율 GTL 공정 응용설계기술 - 대상: 개질, 합성액화

▪대용량 GTL 플랜트 건설기술 - 대상: 기본설계 공정제어, 시공 등

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비 고

6. 기획위원회 명단 < 가스플랜트 사업단과제 기획위원회 > 성명

기관명

부서명

직책

전문분야

이백연

건교부

건설지원팀

사무관

산업설비건설

백동규

현대엔지니어링

기술연구소

연구소장

가스플랜트

백영순

한국가스공사

연구개발원

책임연구원

DME

양영명

한국가스공사

연구개발원

부장

가스플랜트

신안식

한국플랜트정보기술 협회

기술센터

수석

화공플랜트

김용웅

(주)에젤

기술본부

부사장

LNG, DME, GTL

손우화

(주)주춧돌ENC

총괄

부사장

GAS플랜트 토목 설계검토 및 시공

박의승

(주)대우건설

플랜트사업본부

전무

LNG,가스플랜트

송석용

현대중공업

에너지환경연구실

연구실장

환경 및 에너지

이봉진

대림산업㈜

기술연구소 플랜트 연구팀

부장

플랜트설계

전기원

한국화학연구원

신화학연구단

책임연구원

GTL

김태형

한국건설기술연구원 화재및설비연구부

팀장

산업설비

정광덕

한국과학기술연구원

환경공정연구부

책임연구원

GTL

유영돈

고등기술연구원

Plant Engineering 센터

수석연구원

가스화 및 액화

정상권

한국과학기술원

기계공학과

교수

저온 공학

신영기

세종대학교

기계공학부

부교수

플랜트계통제어

김윤제

성균관대학교

기계공학부

교수

플랜트기계

송인규

서울대학교

화학생물공학부

부교수

촉매공학

장진구

해외건설협회

플랜트수주지원센타

실장

플랜트(기계)

오윤택

현대건설

플랜트사업본부

상무

발전/에너지/설비

이동철

한국플랜트학회

부회장

GTL

이창원

산자부

에너지기술팀

- 128 -

사무관

7. 참고문헌 1. International Energy Outlook, 2006, DOE (USA) 2. World Energy Investment Outlook, 2004, 국제에너지기구(IEA) 3. GTL 프로젝트 개발동향과 우리의 참여가능성, 2003, 건설교통부 4. 산업설비 통합수행체제 핵심기술 개발, 2006, 건설교통부 5. 플랜트엔지니어링기술 로드맵, 2005, 산업자원부 6. Capital Project Roadmap, 2004, FIATECH 7. Annual Report, 2005, Technip 8. Annual Report, 2005, Bechtel Corporation 9. Annual Report, 2005, ConocoPhillips Co. 10. Ronald M. Smith, New developments in gas to liquids technologies, 2004, CERI Petrochemical Conference 11. Michael Barclay, Natural gas liquefaction process selection for emerging markets, 2005, 5th Doha Conference on natural Gas 12. Mona J. Molnvik, Statoil-NTNU global watch seminal: gas technology, 2003, SINTEF Energy Research 13. Michael Barclay and Noel Denton, Selecting offshore LNG process, 2005, LNG Journal 14. Bahram Ghaemmaghami, GTL: Progress and Prospects - Study yields generic, coastal-based GTL plant 2001, Oil&Gas Journa 15. Gas to liquids industry development discussion paper, 2001, Industry Science Resources 16. Gas to liquids life cycle assessment synthesis report, 2004, ConocoPhillips and Sasol Chevron and Shell 17. Troy A. Semelsberger, Dimethyl ether as a alternative fuel, 2005, Case Western Reserve University 18. Chris noble, GTL challenges, 2005, Foster Wheeler 19. 플랜트 IT 컨퍼런스 논문집, 2004-2006, 한국플랜트정보기술협회 20. 한국가스공사 카탈로그, 2006, 한국가스공사 21. ITER 카탈로그, 핵융합연구센터 22. LNG 플랜트 기술개발 해외 전문가 초청세미나 자료집 23. Alexander S. Adorjan, 1991, Heat Transfer In LNG Engineering, Hemosphere Publishing Coporation 24. 말레이시아 빈툴루(Bintulu) 액화기지 소개자료 25. A guide to LNG,

(www.ferc.gov/industries/LNG.asp)

26. 설비공학 편람-냉동편 27. Dr. tariq Shukri, 2004, LNG technology selection, FosterWheeler 28. GTL 기획자료, 2005, 화학연구원 29. Preliminary screening technology and economic assessment of sybthesis gas to fuels, NREL, 2003. 30. Evaluation Of Liquefied Natural Gas Receiving Terminals For Southern California, University

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Of California, 2004.

․ CII (http://www.construction-institute.org) ․ NIST (http://cic.nist.gov/plantstep/) ․ SINTEF (http://www.sintef.no) ․ NTNU(http://www.ntnu.no) ․ Technip (http://www.technip.com) ․ Bechtel (http://www.bechtel.com) ․ LNG plants (http://www.lngplants.com) ․ Idaho National Laboratory (http://www.inl.gov) ․ JOGMEC (http://trc.jogmec.go.jp)

- 130 -

부

록

1. 국외 전문가 초청세미나 자료: 별첨 2. Binuilu 액화기지 방문 및 소개자료: 별첨

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