에틸렌(Ethylene)을 중심으로 올레핀을 제조하는 스팀 크래커의 전열화에 관심이 집중되고 있다.
NCC(Naphtha Cracking Center)는 분해로에 설치된 파이프를 천연가스 고온 연소를 활용해 섭씨 750-850도 정도로 가열한 다음 파이프 내부에 나프타를 통과시킴으로써 열분해해 올레핀(Olefin), 아로마틱(Aromatics) 원료용 분해 가솔린(Gasoline)을 추출하고 있다.
원료는 나프타(Naphtha), 에탄(Ethane)을 주로 투입하고 있으며, 파이프 가열을 위해 대부분 화석연료를 사용하고 있어 이산화탄소(CO2) 발생량이 많은 편이다.
그러나 스팀 크래커를 전열화하거나 신재생에너지 베이스 전력을 사용한다면 이산화탄소 배출량을 크게 줄일 수 있을 것으로 파악된다.
다우‧쉘, 2025년 MW급 e크래커 가동
다우케미칼(Dow Chemical)과 쉘케미칼(Shell Chemicals)은 전열 에틸렌 크래커인 e크래커를 개발하고 있으며 이르면 2025년 MW 수준으로 시험가동이 가능할 것으로 판단하고 있다.
다우케미칼의 네덜란드 테르뉴젠(Terneuzen) 사업장에서 e크래커를 실용화함으로써 이산화탄소 배출량이 많은 에틸렌 제조공정에서 탄소중립을 실현하겠다는 목표를 세우고 있다.
다우케미칼과 쉘케미칼은 2020년 e크래커 공동개발 계약을 체결하고 기존 열분해로의 전기화에 도전하고 있으며 전기화를 전제로 한 새로운 생산설비 설계를 추진하고 있다. 
앞으로는 투자 지원을 조건으로 기존 프로세스를 전열화함으로써 2025년경 MW급 실증 플랜트를 가동하고 2027년 신규 프로세스를 도입한 파일럿플랜트를 완성할 방침이다.
다우케미칼은 2050년까지 탄소중립을 달성하겠다는 목표 아래 네덜란드 테르뉴젠 사업장의 이산화탄소 배출량을 2030년까지 40% 이상 감축할 방침이며, e크래커가 이산화탄소 배출량 감축에 큰 도움이 될 것으로 기대하고 있다.
다우케미칼은 e크래커 개발을 위해 네덜란드 정부로부터 350만유로(약 46억원)를 지원받기로 합의했으며 네덜란드 응용과학연구기구(TNO), 지속가능한 프로세스 기술연구소(ISPT) 등과 협력하고 있다.
TNO는 고온열전달 응용과 관련된 노하우를 보유하고 있으며, ISPT는 혁신적인 전기기술의 실용화를 주도할 것으로 알려졌다.
바스프‧사빅‧린데, 2023년 시험가동 계획
바스프(BASF)도 사빅(Sabic), 린데(Linde)와 2023년 가동을 목표로 독일에서 전열 크래커 프로젝트를 추진하고 있다.
이르면 2023년경 바스프 본사 공장이 소재한 독일 루트비히스하펜(Ludwigshafen)에 도입할 예정이며, 실용화된다면 세계 최초여서 주목된다.
루트비히스하펜의 대규모 크래커를 전열 크래커로 전환할 수 있다면 기존 방식에 비해 이산화탄소 배출량을 최대 90% 감축할 것으로 판단하고 있다.
바스프-사빅-린데는 예전부터 온실가스 배출을 크게 줄일 수 있는 전열 크래커를 연구해왔으며 시험 크래커 건설과 함께 개발을 본격화할 방침이다.
바스프가 실용화를 준비하고 있는 전열 크래커는 가스를 연소시키는 대신 재생에너지 베이스 전력을 사용해 파이프를 가열함으로써 가열 프로세스에서 발생하는 이산화탄소 배출을 크게 줄이는 것이 특징이다.
NCC 등 스팀 크래커는 석유화학 밸류체인 가운데 이산화탄소 배출량이 가장 많아 올레핀이나 아로마틱 제조공정에서 환경부하를 크게 줄일 수 있다면 석유화학산업의 지속가능성을 크게 높일 수 있을 것으로 기대되고 있다.
바스프와 사빅, 린데는 앞으로 루트비히스하펜의 바스프 본사 공장(페어분트: Verbund)에 출력 멀티 MW급 시험설비를 도입함으로써 전열 분해로 실용화에 도전할 계획이다.
공공기관 등의 투자 지원과 재생에너지를 경쟁력 있는 가격으로 도입할 수 있느냐가 성패를 좌우할 것으로 판단된다.
3사는 유럽연합(EU)의 이노베이션 기금과 독일 연방정부의 산업탄소세 기금 보조금 등을 신청한 상태이며, 보조금 지원이 확정되는 즉시 2023년 가동할 수 있도록 건설에 착수할 예정이다.
바스프와 사빅이 크래커 운영 노하우를, 린데는 크래커 건설 관련 노하우를 제공하는 것으로 알려졌다.
SK, 열분해 10만톤에 PET 해중합 8만4000톤 건설
국내에서는 SK지오센트릭(대표 나경수)이 울산에서 페플래스틱 열분해를 추진하고 있다.
SK지오센트릭은 2025년까지 약 6000억원을 투입해 미포산업단지 16만평방미터 부지에 폐플래스틱 재활용 설비를 건설할 계획이다.
열분해와 폐 PET(Polyethylene Terephthalate) 해중합 방식으로 폐플래스틱을 재활용할 계획이다.
열분해·해중합 방식은 폐플래스틱을 기계로 분쇄·세척한 후 녹이는 기계적 재활용(MR: Mechanical Recycle) 방식이 아니라 화학반응을 통해 재활용하는 화학적 재활용(CR: Chemical Recycle) 방식이다.
SK지오센트릭은 플래스틱 자원 선순환 체계를 완성하기 위해 2021년 1월 미국 브라이트마크(Brightmark)와 열분해 기술과 관련해 협력하기로 합의했고, 6월에는 캐나다 루프인더스트리(Loop Industries)의 지분 10%를 5650만달러를 투입해 확보했다. 
2024년까지 브라이트마크와 협력해 울산에 10만톤 처리가 가능한 열분해 설비를 건설하고 열분해유를 석유화학 공정의 원료로 사용할 방침이다. 2025년까지 처리능력 8만4000톤의 폐 PET 리사이클 해중합 설비도 건설한다.
SK지오센트릭은 폐플래스틱 재활용 능력을 2025년 90만톤, 2027년 250만톤으로 확대함으로써 새로 생산하는 플래스틱의 100% 수준에 해당하는 만큼의 폐플래스틱을 모두 재활용하겠다는 목표를 세우고 있다.
SK지오센트릭은 울산 투자를 시작으로 아시아 지역으로 폐플래스틱 재활용 사업을 확대해 2030년까지 한국을 중심으로 아시아 4곳에 폐플래스틱 40만톤 처리가 가능한 해중합 설비를 건설할 계획이다.
SK지오센트릭이 도입하는 캐나다 루프의 해중합 기술은 PET 및 폴리에스터(Polyester) 섬유 폐기물을 저온에서 압력을 가함으로써 DMT(Dimethyl Phthalate)와 MEG(Monoethylene Glycol)로 분해하고 정제해 고품질의 재생 PET와 폴리에스터섬유를 생산할 수 있다.
SK지오센트릭은 PET를 재생한 후 식품용기 등으로 활용할 예정이다.
루프는 2018년 타이의 인도라마벤처스(Indorama Ventures)와 합작으로 미국에서 PET 리사이클에 착수했고 로레알(Lo’real)에게 재생 PET를 2020년 4만톤을 공급한 것으로 알려졌다. 캐나다 공장을 추가 건설하는 한편, 유럽에서는 스위스 공장을 건설하는 방안을 검토하고 있다.
MCH, 무라 기술 채용해 폐플래스틱 열분해
일본 미츠비시케미칼(MCH: Mitsubishi Chemical)은 영국 무라테크놀러지(Mura Technology)로부터 폐플래스틱을 원료로 화학제품 및 연료유 원료용 열분해유를 제조하는 CR 기술을 도입한다.
무라 기술은 실용화가 임박한 상태이며 석유 베이스와 동등한 품질로 중유, 나프타에 해당하는 유분을 얻을 수 있어 기존 설비에 직접 투입 가능하다는 점을 높게 평가하고 있다.
앞으로 NCC 투입부터 시작해 CR 기술 사업화에 적극 활용할 계획이다.
미츠비시케미칼이 도입을 결정한 무라 기술은 Hydro PRS이며, 고온고압 초임계수 중 수지를 분해하고 리사이클 생성유를 생성해 석유 베이스와 동일 품질의 유분을 얻을 수 있고 전처리 없이 기존 설비에 투입 가능한 것이 강점이다.
초임계수 중 플래스틱을 분해해 수소와 결합하기 때문에 일반적인 직접 열분해 기술보다 수율이 높은 것으로 파악되고 있다.
미츠비시케미칼은 에네오스(Eneos)와 공동으로 CR 사업화를 추진하고 있다.
미츠비시케미칼이 최근 도입한 영국 무라테크놀러지 기술을 도입한 폐플래스틱 처리능력 2만톤 설비를 공동 건설하고 2023년 가동할 계획이다.
미츠비시케미칼과 에네오스는 2019년 석유정제-석유화학 사업에서 연계하기 위해 가시마(Kashima) 컴플렉스 유한책임사업조합(LLP)을 설립했으며 CR 프로젝트도 공동으로 추진하고 있다.
외부에서 조달해온 폐플래스틱을 유화해 원료의 60-80%에 해당하는 열분해유를 생산하고 나프타 유분은 미츠비시케미칼의 NCC에, 중질유분은 에네오스의 석유제품 공장에 투입한다.
당분간 범용 합성수지를 처리할 계획이나 바이오매스 원료와 PVC(Polyvinyl Chloride) 처리 가능성도 열어두고 있다.
순환경제와 관련된 인증을 취득함으로써 생산제품의 고부가화를 추진하고 매스밸런스 방식을 채용하는 방안을 검토하고 있다.
미츠비시케미칼은 CR 기술을 직접 개발하는 방안을 검토하고 있으며 Mitsubishi Chemical Methacrylates와 함께 PMMA(Polymethyl Methacrylate) CR 사업화를 위해 일본에 실증 플랜트를 건설할 계획이다.
무라테크놀러지, 폐플래스틱 열분해 100만톤 건설
무라테크놀러지는 CR 프로세스 개발과 라이선스 사업을 동시에 영위하고 있다.
또 바이오매스와 CR 기술을 보유한 Licella를 통해 오스트레일리아에서 Hydro PRS 파일럿 플랜트를 가동하고 있다.
무라테크놀러지가 출자한 영국기업도 Hydro PRS 기술을 도입한 실증 플랜트를 건설하고 있으며 중장기적으로는 최대 8톤의 열분해유 생산능력을 갖추도록 할 계획이다.
무라의 Hydro PRS 기술은 일반적인 열분해 기술과 달리 고온‧고압 초임계수에서 수지를 분해해 열분해유를 생성하는 것이 특징이며, 이산화탄소 배출량이 플래스틱 1톤을 소각할 때보다 1.5톤 정도 적은 것으로 알려졌다.
무라테크놀러지는 2025년까지 세계적으로 리사이클 100만톤 설비를 건설할 계획이며, 영국 출자기업을 통해 Hydro PRS 기술을 도입한 2만톤 설비를 건설하고 있고 다우케미칼과도 연계를 모색하고 있다.
일본, 카본 프리 NCC 2030년까지 실증실험
일본은 탄소를 배출하지 않는 NCC 개발에 직접 나서고 있다.
일본 경제산업성은 최근 2조엔을 투입하는 그린 이노베이션 기금 사업에서 추진할 이산화탄소 등을 사용한 플래스틱 원료 제조기술 개발 프로젝트의 연구개발(R&D) 목표를 설정했다.
2030년까지 암모니아(Ammonia)와 수소 등 카본 프리(Carbone Free) 연료를 열원으로 이용한 NCC를 개발하고 실증실험을 진행하며 2021년 9월 이후 사업자 공모에 나설 예정이다.
연구개발 및 실용화 계획은 경제산업상의 자문기관인 산업구조심의회 그린 이노베이션 프로젝트 부회에 설치한 에너지 구조전환 분야 워킹그룹의 4번째 회의에서 공개했다.
그린 이노베이션 프로젝트의 기본 전략은 △제조 프로세스에서 열원 전환 △원료 순환 △원료 전환에 따른 탄소중립 실현 등이다.
카본 프리 NCC는 그린 이노베이션 프로젝트의 전략을 실현하면서 올레핀과 아로마틱 등을 골고루 추출할 수 있는 새로운 생산체제로 기능할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
열원 전환을 위해서는 2030년까지 수소 등 이산화탄소 프리 열원으로 나프타를 분해하는 버너 및 분해로를 개발할 계획이다.
1만톤급 시험 분해로를 통해 현재와 동등한 제조코스트를 달성하겠다는 목표 아래 에틸렌, 프로필렌(Propylene) 등 기초화학제품 제조 시 배출되는 이산화탄소를 올레핀 kg당 0.35kg 이하로 낮출 방침이다.
원료 순환을 위해 2030년까지 폐플래스틱 및 폐고무를 원료로 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔(Butadiene) 등 기초화학제품을 수율 60-80%에 제조할 수 있는 CR 기술을 개발할 방침이다.
수천-수만톤급의 실증실험을 거쳐 제조코스트를 현재의 리사이클 플래스틱보다 20% 줄이는 것을 목표로 하고 있다.
원료 전환을 위해서는 이산화탄소를 원료로 기능성 화학제품을 생산할 수 있는 기술을 실용화할 방침이다.
포스겐(Phosgene), EO(Ethylene Oxide) 등을 필요로 하지 않으며 제조할 때 kg당 0.35kg 이상의 이산화탄소를 원료화할 수 있는 PC(Polycarbonate), 우레탄(Urethane) 제조기술을 확립할 예정이다.
원료 전환에서는 인공광합성을 통한 화학원료 제조기술과 메탄올(Methanol)이나 에탄올(Ethanol)을 원료로 올레핀을 생산하는 MTO(Methanol to Olefin), ETO(Ethanol to Olefin) 수율을 향상시킬 수 있는 기술도 개발한다. 2030년까지 대규모 실증실험이나 양산화 검토를 끝내겠다는 목표를 세우고 있다.
이산화탄소를 투입한 플래스틱 원료 제조기술 개발과 함께 이산화탄소를 사용한 콘크리트 제조기술 개발 프로젝트도 연구개발 목표로 제시하고 있다.
MCC, 오사카 크래커에 바이오매스 나프타 1만톤 도입
미쓰이케미칼(MCC: Mitsui Chemicals)은 핀란드 바이오매스 연료 메이저 네스테(Neste)로부터 바이오매스 나프타를 조달한다. 
2021년 10월부터 2022년 3월까지 오사카(Osaka) NCC에 일본 최초로 바이오매스 나프타를 원료로 투입하며 매스밸런스 방식으로 생산한 페놀(Phenol) 등 바이오매스 화학제품과 바이오매스 플래스틱을 도요타통상(Toyota Tsusho)과 공동으로 판매할 방침이다.
원료 투입부터 플래스틱 폐기까지 전체 과정에서 석유 베이스 나프타를 사용했을 때보다 이산화탄소 발생량을 큰 폭으로 줄임으로써 2050년 탄소중립 실현에 다가갈 수 있을 것으로 기대하고 있다.
네스테는 식물유 폐기물과 잔사유를 원료로 바이오매스 연료를 제조하는 세계 최대 메이저로 SK지오센트릭도 협력하고 있으며, 유럽에서 바이오매스 연료를 사용해 바이오매스 플래스틱까지 제조하는 서플라이 체인을 구축하고 있다.
미쓰이케미칼 오사카 공장은 나프타 투입량이 150만톤에 달하며 앞으로 1만톤을 바이오매스 나프타로 대체할 예정이다. 1차적으로 3000톤을 도입하고 2021년 말 이전에 1만톤으로 확대할 계획이다.
이산화탄소 배출량은 LCA(Life Cycle Assessment) 관점에서 계산하면 석유 베이스 나프타를 사용했을 때보다 크게 줄일 수 있을 것으로 예상하고 있다.
바이오매스 나프타로 생산한 바이오매스 화학제품이나 바이오매스 플래스틱의 공급가격은 일반제품의 2-3배 수준으로 예상하고 있다.
매스밸런스는 투입한 자원량과 생산한 물질량의 수지를 가리키며, 바이오매스 원료 비중을 최종제품에 할당함으로써 소비자가 생산제품의 일부에 바이오매스 원료를 사용했다는 것을 인식할 수 있도록 할 방침이다.
유럽에서는 매스밸런스 방식을 통한 바이오매스의 유효성을 인정하는 ISCC(국제 지속가능 탄소 인증제도) 인증이 널리 사용되고 있어 미쓰이케미칼과 도요타통상도 이용할 예정이다.
미쓰이케미칼은 2050년 이산화탄소 배출량을 실질적으로 제로(0)화하는 탄소중립 달성을 목표로 화학제품과 플래스틱 리사이클, 바이오매스화를 추진하고 있다.
바이오매스 도입을 위해서는 바이오매스에서 얻은 당밀을 발효시킨 IPA(Isopropyl Alcohol), IPA를 탈수소화해 프로필렌을 얻고 PP(Polypropylene)로 중합하는 바이오매스 PP 사업화도 준비하고 있다. (박한솔 선임연구원)
