세계적으로 기후변화에 대한 우려가 높아짐에 따라 화학산업도 대응이 불가피해지고 있다.
기후 변동은 2013년 9월 기후변동에 관한 정부간 패널(IPCC) 제5차 보고서, 2014년 4월 IPCC 보고서, 5월 미국 Nation’s Climate Assessment 등을 통해 보고되고 있다.
지구온난화는 인류의 산업활동, 특히 화석자원 연소에 따른 이산화탄소(CO2) 배출이 핵심 원인으로, IPCC는 2014년 4월 보고서에서 “2030년까지 CO2 저배출 및 무배출 신기술을 상당 수준 도입하지 않으면 21세기 말에는 이상고온, 가뭄, 대규모 태풍, 허리케인이 빈발하는 등 대재앙이 닥칠 가능성이 있다”고 강조한 바 있다.
이에 따라 앞으로는 혁신적인 CO2 저배출·무배출 에너지 관련기술을 개발해 실용화해야 할 필요성이 높아지고 있다.
다만, 혁신적인 CO2 감축대책은 산업·사회 인프라와 정합성을 가지는 형태로 현실적인 시간과 경제성을 의식하면서 실시해야 하고, 단기적으로는 화석자원과 CO2, 중기적으로는 바이오매스(Biomass), 장기적으로는 Solar 수소와 CO2를 이용해 화학원료, 합성연료를 제조하는 방안이 주목받고 있다.

석유화학, 순환형 탄소화학으로 전환…
화학산업은 20세기부터 석유 베이스 나프타(Naphtha)를 주원료로 사용함으로써 지구환경에 악영향을 미치고 있다.
지구온난화의 주범인 CO2는 수소비율이 높은 원료나 바이오매스 등 재생가능한 자원을 사용함으로써 배출량을 대폭 감축할 수 있을 것으로 기대되고 있으나 코스트가 낮은 화석자원에 대한 의존도는 좀처럼 낮아지지 않고 있다.
화석자원 중에는 천연가스(CH4)가 가장 바람직하지만 천연 광합성 산물인 바이오매스, 배출 CO2와 물 분해로 생성되는 수소인 Solar 수소를 원료로 사용함으로써 탄소중립(Carbon Neutral)을 통해 CO2 배출량 감축이 가능한 것으로 나타나고 있다.
기초화학제품은 원료를 석유에서 천연가스로 전환함으로써 CO2 배출량을 30% 수준 감축할 수 있으며, Solar 수소와 CO2 자원은 CO2를 감축할 뿐만 아니라 소비할 수 있어 혁신적인 기술로 주목받고 있다.
그러나 혁신기술을 실용화하기 위해서는 기존 사회·산업 인프라의 변경이 필수적이어서 상당시간이 소요될 것으로 예상되고 있다.
현실적으로는 원료를 석유에서 천연가스, 셰일가스(Shale Gas)로 전환함으로써 CO2 배출량을 감축하는 방안이 적합한 것으로 평가되고 있다.
셰일가스 혁명의 영향으로 보급되고 있는 에탄(Ethane) 크래커, 천연가스·셰일가스로 제조할 수 있는 메탄올(Methanol) 및 DME(Dimethyl Ether), 제철용 코크스(Cokes)를 제조할 때 부생되는 COG(Cokes Oven Gas) 등은 이미 산업에 큰 영향을 미치는 인프라로 자리잡고 있으며 장기적으로 CO2 배출 감축에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.
다만, 바이오매스를 비롯해 Solar 수소와 CO2 베이스 올레핀(Olefin)은 제조 프로세스를 개발하는 단계로 단기간에 큰 효과를 기대하기 어렵기 때문에 기존 산업 인프라와의 정합성을 고려한 기술 개발이 요구되고 있다.
특히, 화학기업은 지속가능성(Sustainability), 원료의 다양성, 기술 호환성, 경제적 타당성 4가지를 종합적으로 고려할 때 석유화학에서 순환형 탄소화학으로 전환하는 작업이 불가피해지고 있다.

화석자원, 지속가능한 프로세스 개발
올레핀은 나프타 크래커의 가동조건에 따라 생산비율을 조절할 수 있는 범위가 좁기 때문에 화학제품 수급이 균형을 이루지 않을 때는 원료 조달방법이 중요하며, 최근 개발된 촉매 프로세스 기술이 파일럿 가동에 성공해 실용화를 앞두고 있다.
탄소수 4 이상인 올레핀 혼합물과 메탄올을 원료로 프로필렌(Propylene)을 제조하는 촉매 프로세스인 DTP 프로세스, 선형 부텐(Butene)류 혼합물을 산화해 부타디엔(Butadiene)으로 변환하는 BTcB 프로세스 등이 개발됐다.
DTP 프로세스는 원료로 천연가스 베이스 메탄올을 사용하며 발열·흡열반응이 병발적으로 일어나 열적으로 균형을 이룸으로써 결과적으로 석유와 천연가스를 혼합한 것과 같은 원료를 사용하는 CO2 배출량 감축형 촉매 프로세스로 주목받고 있다.
주반응이 산화반응인 BTcB 촉매 프로세스는 자기발열형으로 외부에서 열을 공급할 필요가 없는 것이 특징이나 DTP 및 BTcB 프로세스는 지속가능성보다 목적물 지향성이 강한 문제가 제기되고 있다.
반면, 에틸렌(Ethylene)을 프로필렌으로 변환하는 촉매기술인 ETP 프로세스는 아직 개발하고 있지만 지속가능성이 중시되고 있다.
또 ETP 프로세스는 거의 모든 원료를 사용할 수 있어 원료의 다양성에 적합하고, 에탄 및 나프타 크래커에서 생성된 에틸렌, 에틸렌·프로필렌 혼합물을 직접 사용할 수 있어 기술 호환성이 양호할 뿐만 아니라, 다른 프로세스에 비해 프로필렌 수율이 압도적으로 높아 반응·분리에 사용되는 에너지가 적고 셰일가스 성분 가운데 함유율이 더욱 높고 저렴한 에탄을 이용해 프로필렌은 물론 부타디엔도 생산할 수 있어 경제적으로 타당성이 높은 것으로 평가되고 있다.
아울러 바이오 에탄올(Ethanol)의 이용이 가능해짐으로써 가장 단순한 바이오매스 베이스 프로필렌을 제조할 수 있어 지속가능성을 평가할 수 있으며, 21세기 화학산업의 환경변화에 대응할 수 있는 유망기술로 주목받고 있다.
일본은 올레핀 수요가 감소함에 따라 ETP를 실용화할 가능성이 낮으나 에탄 크래커, 바이오 에탄올 자원화 관점에서 해외시장을 공략할 수 있는 혁신기술로 기대하고 있다.
최근에는 비교적 코스트가 낮고 CO2 배출량이 적은 CH4 활용방법으로 CO2를 이용해 CH4를 개질하는 기술을 개발하고 있다.
외부에서 열을 공급해야 하고 FT(Fischer-Tropsch) 반응, 메탄올 합성에 적절하지 않은 단점이 있으나 DME(Dimethyl Ether) 제조에는 적합한 것으로 평가되고 있다.
BASF가 2020년 상업가동을 계획하고 있는 북미 소재 셰일가스 베이스 프로필렌 플랜트는 CO2 개질을 경유한 DME 베이스 프로세스를 채용할 것으로 알려지고 있다.

바이오매스, 생산성·질적 향상 필수적
광합성에 따른 CO2 자원화의 산물인 바이오매스 베이스 화학제품 프로세스는 아직까지 대규모 생산제품에 적용되지 않고 있다.
바이오매스 베이스 화학제품은 본질적으로 CO2 배출량 감축에 기여할 것으로 기대되고 있으나 고부가가치제품은 생산량이 적고 범용화학제품은 제조코스트에 알맞은 가격을 설정하기 어려운 딜레마에 빠져 있다.
이에 따라 이소솔비드(Isosorbide) 및 퍼푸랄(Furfural) 유도제품이 주목받고 있다.
Mitsubishi Chemical은 글루코오스(Glucose)를 수소화해 생성되는 솔비톨(Sorbitol)을 탈수축합한 이소솔비드를 원료로 사용하는 폴리에스터(Polyester)를 개발했다.
물성이 매우 높은 수준으로 균형을 이루고 있으며, 폴리머의 왕으로 불리는 PC(Polycarbonate), 폴리머의 여왕으로 불리는 PMMA(Polymethyl Methacrylate)와 물성이 비슷한 것으로 알려졌다.
Mitsubishi Chemical은 고부가가치제품으로 소규모 사업을 진행하고 있으나 기초물성이 뛰어나 장기적으로 PC, PMMA를 일부 대체할 것으로 기대하고 있다.
리그노셀룰로오스(Lignocellulose)의 주성분인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스(Hemicellulose)를 촉매 반응시켜 변환할 수 있는 퍼푸랄은 Mitsubishi Chemical이 개발한 촉매를 이용해 고선택적·고생산성으로 푸란(Furan)으로 변환할 수 있으며, 푸란은 촉매를 변경해 THF(Tetrahydrofuran), 1,4-BDO (Butanediol), 부탄올(Butanol)로 변환할 수 있는 것으로 알려졌다.
하지만, 바이오매스 베이스 화학제품은 본질적인 문제가 있어 대규모 사업으로 이어지지는 않고 있다.
광합성 산물인 바이오매스는 성장속도가 느릴 뿐만 아니라 탄소질을 물로 희석한 탄수화물 자원이어서 화학원료용으로 채용하기에는 질적으로 문제가 있기 때문이다.
따라서 바이오매스 화학제품은 최초의 CO2 자원화 변환반응에서 본질적인 문제를 안고 있어 저가에 질 좋은 화학자원을 대량 공급하기 어려워 생산성 및 질 향상이 요구되고 있다.
기술을 완성하기까지는 상당시간이 소요될 것으로 예상되고 있다. 다만, 일본은 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)가 비식용 식물 베이스 화학제품 제조 프로세스 기술 개발 프로젝트를 출범시키고 비식용성, 대량조달, 목질계 바이오매스 활용 등 대응방안을 검토하고 있어 현실적인 바이오매스 화학제품 개발이 기대되고 있다.

인공광합성, CO2 자원화 방안으로 부상
일본은 Honda-Fujishima 효과를 발견한 이후 광촉매에 대한 연구를 지속하고 있다.
TiO2(Titanium Dioxide) 광촉매는 환경촉매로 실용화되고 있으나 물 완전분해를 통한 수소·산소 제조 프로세스는 20세기 말까지 자외광 조사가 필수적이어서 상용화에 어려움을 겪고 있다.
가시광을 통한 완전분해는 아직까지 꿈의 기술로 평가되고 있으나 2002년 도멘 카즈나리 도쿄공업대학 교수가 기존 광촉매에 비해 활성이 10% 이상 뛰어난 고용체형(Solid Solution) 광반도체 촉매를 개발해 전환점을 맞고 있다.
Mitsubishi Chemical은 도멘 교수의 발표 직후 공동연구를 시작했으며 지구쾌적화기관(TKI)을 통해 국내외 대학 7곳, 연구실 8곳과 가상시험을 진행한 후 NEDO 프로젝트인 인공광합성 화학 프로세스(ARPChem)에 참여하고 있다.
ARPChem은 광반도체 촉매에 따른 가시광 물 분해 촉매, 동시 생성되는 수소·산소 분리기술, 수소(Solar 수소)와 CO2를 원료로 사용하는 에틸렌, 프로필렌 등의 촉매 프로세스를 개발하는 3개 부문으로 구성돼 있다. 기본적으로는 물과 CO2를 원료로 사용하는 인공광합성 프로세스로, 원료코스트 면에서 설비에 대한 상각이 완료됨으로써 경쟁력이 크게 높아질 것으로 기대하고 있다.
가시광 물 분해 반응은 매우 어려운 과제로 상각액, 태양전지·풍력발전과 물 전기분해로 대표되는 다른 재생에너지 이용 기술에 대한 우위성을 고려해 최종목표를 태양광에너지 변환효율=10%로 설정했다.
아울러 ARPChem은 CO2를 얼마나 효율적으로 자원화할 수 있는지에 초점을 두고 있다.
CO2와 H2를 원료로 사용하는 올레핀 합성 프로세스는 CO2/H2로부터 형성된 CO/H2를 이용해 올레핀을 직접 생성하는 FT 반응, 메탄올을 경유해 제올라이트(Zeolite) 촉매를 활용함으로써 올레핀을 생성하는 MTO(Methanol to Olefin) 반응으로 한정되고 있으며 모두 화석자원 베이스 올레핀 제조공법으로 공업화되고 있기 때문이다.