글로벌 화학기업들이 순환경제를 실현하기 위해 화석연료 사용 감축에 박차를 가하고 있다.
바스프(BASF), 다우케미칼(Dow Chemical)은 NCC(Naphtha Cracking Center) 가열에 천연가스 대신 전력을 투입함으로써 이산화탄소(CO2) 배출량을 대폭 감축하는 프로젝트를 진행하고 있으며 3-4년 후 시험설비를 가동하겠다는 목표를 세우고 있다.
아울러 폐플래스틱 리사이클을 적극화하기 위해 기술을 개발하는 한편으로 폐플래스틱 조달을 확대하기 위해 폐기물 처리업자 등과 제휴를 추진하고 있다.
2020년대 초부터 코로나19(신종 코로나바이러스 감염증) 팬데믹(Pandemic: 세계적 대유행)이 발생하고 태풍, 호우, 무더위 등 지구온난화에 따른 위협이 심화되고 있기 때문으로, 글로벌 화학기업들은 환경문제 해결을 위한 움직임을 강화하고 있다.
화학은 환경 및 사람에게 유해한 물질을 유용한 물질로 변환하는 기술을 개발할 수 있어 지구적인 문제 해결에 필요한 이노베이션을 창출할 수 있을지 주목된다.
NCC, 연소용 천연가스를 전력으로 대체
나프타(Naphtha)를 원료로 올레핀(Olefin), 아로마틱(Aromatic)을 생산하는 NCC는 천연가스 등을 연소해 내부에 설치된 파이프를 섭씨 750-850도로 가열한 후 파이프에 나프타를 통과시켜 분해하는 방식을 채용함으로써 이산화탄소 배출원 역할을 하고 있다.
그러나 탄소중립을 위해서는 가열에 사용하는 연료를 비화석 자원으로 전환할 것이 요구되고 있으며, 바스프와 다우케미칼은 2050년 탄소중립 실현을 목표로 NCC에 전력을 활용하는 전화 프로젝트를 추진하고 있다.
바스프는 2023년 가동을 목표로 사빅(Sabic), 린데(Linde)와 공동으로 독일 루트비히스하펜(Ludwigshafen) 소재 페어분트에 시험설비를 건설하고 있다.
세계 최초로 실용화를 앞두고 있으며, 대규모 NCC를 전화함으로써 이산화탄소 배출량을 최대 90% 감축할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
바스프와 사빅은 NCC 운영을 담당하고, 린데는 NCC 건설에 관한 노하우를 제공해 실용화에 박차를 가하고 있다.
다우케미칼은 2025년을 목표로 메가와트(MW)급 실증 플랜트 가동을 검토하고 있다.
2020년에는 쉘(Shell)과 NCC 전화를 위한 공동개발 계약을 체결하고 에틸렌(Ethylene) 생산설비 설계를 근본적으로 재검토하기 시작했으며 2027년에는 신규 프로세스를 적용한 파일럿 플랜트를 완공할 계획이다.
2050년 탄소중립을 달성하기 위해서는 네덜란드 크래커에서 배출되는 이산화탄소를 2030년까지 40% 감축하는 등 구체적인 계획을 포함한 공정표를 작성해 공개했다. 2030년 이후 NCC의 전화가 가능할 것으로 예상하고 있다.
대규모 재생에너지 베이스 전력 조달이 필수조건
NCC 전화는 경쟁력 있는 전력의 대량 조달이 선결조건으로 요구되고 있다.
바스프는 2020년 이산화탄소 배출량이 독일 루트비히스하펜 본사 공장에서 배출된 약 800만톤을 포함해 약 2100만톤에 달했으나 NCC를 비롯한 화학제품 생산에 전력을 이용하는 전화 프로젝트를 진행함으로써 2035년 전력 수요가 최소 1만GWh로 3배 가량 확대될 것으로 예상하고 있다.
전력 조달을 위해서는 독일 에너지기업 RWE와 공동으로 총 40억유로를 투입해 북해에 대규모 해상풍력발전소를 건설하는 프로젝트를 진행하고 있다. 발전용량은 세계 최대급인 2GW이며 발전량은 7500만GWh로 바스프가 80%를 사용할 예정이다.
본사를 시작으로 독일에서 가동하고 있는 화학공장에 투입해 화석연료에 의존하고 있는 기초화학제품 제조를 전화할 계획이며, 프로젝트를 통해 재생에너지를 대량으로 조달함으로써 이산화탄소 배출량을 280만톤 감축할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
바스프는 독일 루트비히스하펜, 벨기에 앤트워프(Antwerp)에 이어 중국 광둥성(Guangdong)에서 새로운 페어분트 건설을 추진하고 있으며, 광둥성이 발전기업으로부터 직접 재생 가능한 전력을 구입할 수 있는 제도를 구축함에 따라 거래를 시작했다.
광둥성 페어분트는 2030년 완공을 목표로 사상 최대인 약 100억달러를 투입하며 2022년까지 EP(엔지니어링 플래스틱)와 열가소성 폴리우레탄(Polyurethane) 플랜트를 가동할 계획이다.
다우케미칼은 전력 조달과 관련해 SMR(소형모듈 원전)을 주목하고 있다.
SMR은 소형화함으로써 안전성을 높인 원자로이며, 공장에서 생산해 조립한 후 트럭 등으로 운반해 현장에 설치할 수 있어 품질관리 향상, 공사기간 단축, 코스트 감축이 가능한 강점이 부각되고 있다.
세계 각국이 개발에 박차를 가하고 있으며 미국에서는 New Scale이 에너지성(DOE)의 지원을 받아 개발을 진행하고 있고 유타주(Utah) 공공전력사업체가 DOE의 아이다호(Idaho) 국립연구소에 1호기를 건설할 계획이다.
바스프, 폐플래스틱 리사이클로 원료 조달
순환경제를 실현하기 위해서는 기술개발과 함께 재생 가능한 원료의 대량 조달도 요구되고 있다.
바스프는 2025년까지 리사이클 원료 25만톤을 활용한다는 목표를 세우고 노르웨이의 혼합 플래스틱 폐기물 열분해·정제 전문기업 콴타퓨엘(Quantafuel), 독일 폐기물 처리기업 레몬디스(Remondis)와 공동으로 폐플래스틱 CR(Chemical Recycle)을 추진하고 있다.
목표 달성을 위해서는 리사이클이 이루어지지 않는 폐플래스틱을 활용할 수 있도록 전환하는 기술이 필요하고, 3사는 레몬디스가 공급하는 플래스틱 폐기물 가운데 CR 가능성을 타진하고 있다.
바스프는 2018년부터 독일 페어분트에서 플래스틱 폐기물을 이용해 생산한 열분해유를 스팀 크래커의 원료로 일부 투입하고 있다.
2019년에는 콴타퓨엘에게 2000만유로를 투입하고 기술을 공동으로 발전시키기 시작했으며, 화학제품 원료로 사용할 수 있는 생산량을 최대화하기 위한 연구개발(R&D)을 진행하고 있다.
바스프는 콴타퓨엘이 덴마크 스키브(Skive)에서 가동하고 있는 약 1만6000톤 공장에서 열분해유를 우선 구입할 수 있는 권리를 확보했다.
폐타이어도 중요한 원료로 주목하고 2020년 헝가리 뉴에너지(New Energy)와 폐타이어 베이스 열분해유를 최대 4000톤 구입하는 계약을 체결했으며, 폐타이어 열분해 공장 확장과 기술 발전을 지원할 목적으로 독일 파이럼이노베이션(Pyrum Innovations)에게 1만6000유로를 투입했다. 파이럼은 앞으로 몇년 이내에 생산능력을 최대 10만톤으로 확대할 계획이다.
그러나 페플래스틱을 NCC의 원료로 투입하는 기술은 불순물 혼입이 문제시되고 있다.
염소나 황은 플랜트 부식, 산소나 질소는 폭발을 일으킬 수 있어 바스프는 콴타퓨엘과 협력해 촉매를 사용함으로써 열분해유가 함유하고 있는 탄소 및 수소를 99.9%까지 정제하는 기술을 확립하고 있다.
다우케미칼, 무라와 제휴해 폐플래스틱 CR
다우케미칼은 2030년까지 폐플래스틱 100만톤을 회수, 재이용, 리사이클하겠다는 목표를 세우고 초임계수를 이용한 촉매수 열반응에 따라 페플래스틱 CR을 실시하는 영국 무라테크놀러지(Mura Technology)와 제휴했다.
무라테크놀러지는 2025년 글로벌 생산능력을 100만톤으로 확대하기 위한 프로젝트에 다우케미칼의 지원을 받고 다우케미칼에게 재생원료를 공급할 방침이다.
무라테크놀러지는 영국에서 최초로 폐플래스틱 CR 기술 HydroPRS를 도입해 상업 플랜트를 건설하고 있으며, 2022년 2만톤 처리를 시작해 다우케미칼에게 재생원료를 공급하고 처리능력을 최대 8만톤까지 확대할 계획이며 독일과 미국에도 공장을 건설할 예정이다.
HydroPRS는 초임계수를 이용해 폐플래스틱을 나프타, 경유, 왁스로 변환하는 기술이며 PP(Polypropylene)를 비롯해 LDPE(Low-Density Polyethylene), HDPE(High-Density PE), PET(Polyethylene Terephthalate), PS(Polystyrene) 등이 CR 대상이다.
식품, 종이 등이 섞여 있어도 분리하지 않고 처리할 수 있으며 폐플래스틱 질량의 85% 이상을 회수할 수 있는 것으로 알려졌다. 처리시간은 20-25분으로 프로세스에서 수소를 얻어 화학구조의 수복에 필요한 수소 조달이 불필요한 것으로 파악된다.
다우케미칼은 무라테크놀러지의 재생원료를 이용해 식품포장용으로 사용할 수 있는 플래스틱을 개발할 방침이며, 무라테크놀러지와의 파트너십을 강화해 리사이클 전략에서 협력하고 기술 뿐만 아니라 자금적으로도 지원할 계획이다.
2019년에는 무라테크놀러지와 제휴하기에 앞서 네덜란드기업과 폐플래스틱 베이스 열분해유 공급계약을 체결했고 다우케미칼이 네덜란드에서 가동하고 있는 플래스틱 플랜트에 원료로 투입할 계획이다.
중국에서는 2019년 종합폐기물 관리기업 Luhai Huanbao와 제휴했다.
다우케미칼의 소재과학, 응용개발 관련 전문지식을 활용해 Luhai Huanbao가 회수하는 폐플래스틱 리사이클을 확대하고 재생 플래스틱으로 다양한 패키지 용도를 개발·실증함으로써 아시아·태평양 시장에 새로운 플래스틱 순환 솔루션을 공급할 방침이다.
화학산업, 원료‧프로세스‧제품으로 탄소중립에 기여
화학산업은 산업혁명 수준의 대대적인 변화가 일어나고 있다.
석유를 수입해 정유공장에서 정제한 후 추출한 나프타를 크래킹해 얻는 기초화학제품을 시작으로 새로운 기능성 소재를 개발하며 발전했으나 탄소중립은 화석자원에 의존하는 프로세스를 부정하고 플래스틱 재이용(Reuse) 및 재활용(Recycle)을 요구하고 있다.
석유화학 컴플렉스는 바이오 자원, 폐플래스틱을 원료로 화학제품을 생산하거나 발전소에서 발생하는 이산화탄소를 고정화해 생성된 메탄(Methane), 메탄올(Methanol)을 활용하는 등 기능 및 역할이 서서히 변화할 것으로 예상된다.
일본 화학공업협회는 2020년 10월 일본 정부가 탄소중립 목표를 발표하자 워킹그룹을 결성해 화학산업의 대응방안을 검토한 후 2021년 5월 탄소중립에 대한 화학산업의 입장을 발표했다.
지속가능 사회에서는 사회 인프라에 플래스틱 등 화학제품이 필수적이며 위생적인 측면에서도 중요한 역할을 담당함에 따라 앞으로도 화학산업이 크게 성장할 것으로 예상하고 ①원료의 탄소순환, ②에너지 이용 극소화 프로세스 개발 및 구조 전환, ③화학제품 라이프사이클 
전반의 온실가스 배출량 감축, ④탄소 순환경제를 위한 기술 및 비즈니스 모델의 해외 적용을 추진하고 있다.
CCU(이산화탄소 포집·활용) 등 이산화탄소 원료화, 바이오매스 원료 이용, 탄소원으로서의 폐기물 이용 등 자원순환 전략을 시작으로 에너지 이용 극소화를 위한 기술혁신, 디지털전환(DX) 활용 등이 필요한 것으로 판단하고 있다.
온실가스 감축은 밸류체인 전체의 이노베이션으로 이어지는 신소재 개발, 다른 업종과의 협업체제 구축으로 달성할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
탄소중립은 세계적인 협력이 필요하고 기술 및 시스템을 해외에 적용해 글로벌 온난화 대책에 영향을 미칠 필요가 있다는 내용도 포함하고 있다.
생산활동에서 발생하는 온실가스는 화석자원 원료 이용, 자가발전설비 등에 투입하는 화석연료, 구입 전력 및 증기 사용 등에 따른 간접배출에 의거한다고 판단하고 각각의 대응을 요구하고 있다.
온실가스 감축을 위한 구체적 대책으로는 촉매를 개량해 수율을 높이거나 폐기물을 감축하는 등 프로세스 합리화, BAT(이용 가능한 최선의 방법) 및 DX를 활용한 혁신기술 도입을 가장 중시하고 있다.
배출량 감축은 자가발전설비 연료를 변경하는 것이 가장 큰 효과를 발휘할 것으로 판단하고 ①석탄‧석유를 LNG(액화천연가스) 등으로 대체하는 저탄소화, ②바이오연료‧메탄화(Methanation) 등 합성연료를 도입하는 순환탄소화, ③수소‧암모니아를 통한 탈탄소화로 분류해 초기에는 LNG 등을 도입하고 마지막에는 이산화탄소를 함유하지 않은 암모니아, 수소를 유효 이용하는 방식으로 단계적인 대책이 필요하다는 의견을 제시하고 있다.
일본, 화학 메이저 중심 CR 기술 개발 가속화
화학산업은 원료에 탄소순환을 적용하기 위해 새로운 화석자원 베이스 탄소 투입량을 감축할 필요가 있으며 CR, 바이오매스 원료 이용이 요구되고 있다.
플래스틱은 코로나19 상황 속에서 마스크, 방호복 등 일회용품 용도로 사용되면서 생활과 산업을 광범위하게 뒷받침하는 유용성이 높이 평가됨에 따라 앞으로도 수요가 계속 증가할 것으로 예상된다.
이에 따라 탄소중립을 실현하고 순환경제를 구축하기 위해서는 폐플래스틱 순환이용이 요구되고 있으며, 특히 폐플래스틱을 소각처리하지 않고 동일 품질의 모노머로 재생하는 CR이 주목받고 있다. 
일본은 2019년 페플래스틱 유효이용률이 85%에 달했으나 열적회복(Thermal Recovery)이 60%에 육박하고 CR은 27만톤으로 3%에 불과한 것으로 파악되고 있다. CR은 원료 수준으로 동일 성능을 회복할 수 있는 유일한 기술로 업사이클이 가능하다.
일본 화학공업협회는 순환형 CR에 따른 폐플래스틱 처리량을 2030년 150만톤, 2050년 250만톤으로 확대하겠다는 목표를 세우고 있다.
화학기업들도 기술 개발을 위해 경영자원을 적극적으로 투입하고 있다.
미츠비시케미칼(Mitsubishi Chemical)은 2021년 7월 에네오스(ENEOS)와 CR 유화 공동사업을 시작할 방침이라고 발표했고, 스미토모케미칼(Sumitomo Chemical)은 2022년 가을 에히메(Ehime) 공장에서 아크릴수지(Acrylic Resin) CR 실증시험을 진행해 2023년 샘플을 제공할 계획이다. 화석자원 베이스 신규 소재와 비교해 라이프사이클 전체의 온실가스 배출량을 60% 이상 감축할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
미쓰이케미칼(Mitsui Chemicals)은 바스프 기술을 도입해 열분해유 설비 건설을 검토하고 있고, 세계에서 유일하게 가스화 기술을 장기 가동하고 있는 쇼와덴코(Showa Denko)는 2050년 탄소중립을 목표로 유화 기술 도입을 검토하고 있다.
PS(Polystyrene) 생산기업 PS재팬(PS Japan), 도요스타이렌(Toyo Styrene), DIC도 외부기술을 도입해 실증체제 구축에 박차를 가하고 있다.
서플라이체인 신뢰성 보장에 주력…
최근에는 플래스틱 자원순환을 위해 서플라이체인을 가시화하는 플랫폼을 구축하는 움직임이 잇따르고 있다.
CR 등 차세대 기술을 실용화하기 위해서는 서플라이체인의 안전성 및 신뢰성을 보장하는 시스템이 필수적이며 재생 플래스틱제품 보급을 견인하는 역할이 기대되고 있다.
미츠비시케미칼은 2021년 8월 블록체인 기술을 활용한 플래스틱 추적 시스템 실증시험을 실시한다고 발표했다. 플래스틱 원료를 최종제품으로 설정하고 소비자에게 유통하는 과정에서 원료와 제품의 리사이클 비율, 온실가스 배출량, 용도 및 사용장소를 가시화하며 폐플래스틱을 회수·분리한 후 재이용하는 과정에서 조성 및 온실가스 감축량을 파악하는 것으로 알려졌다.
플래스틱 원료를 제품화하는 Dai Nippon Printing(DNP), 폐플래스틱 회수·분리기업 리파인버스(Refinverse Group)가 참여하고 있으며 블록체인은 네덜란드 스타트업 서큘러라이즈(Circularise) 기술을 도입했다.
마루베니(Marubeni)도 서큘러라이즈와 제휴하고 있으며 블록체인을 활용한 서플라이체인 관리 플랫폼을 구축할 계획이다.
미쓰이물산(Mitsui)은 지속가능경영추진기구(SuMPO)와 LCA(Life Cycle Assessment)를 가시화하는 플랫폼을 개발하고 있다. SuMPO는 일본에서 유일하게 ISO(국제표준화기구)에 따라 탄소발자국을 인증하는 기관으로 산정기준을 제공하거나 객관적 검증으로 데이터 신뢰성을 담보하고 있다.
아사히카세이(Asahi Kasei), 미쓰이케미칼은 일본 IBM과 함께 자원순환 플랫폼을 구축하고 있으며, 재생 플래스틱제품에 인쇄된 QR코드 등을 이용해 이력 확인이 가능한 시스템을 확립할 방침이다.
일본 화학공업협회 등 5개 단체로 구성된 해양플래스틱문제대응협의회(JaIME)는 2021년 9월 플래스틱 용기·포장재에 이어 산업폐기물계 플래스틱의 LCA를 평가하기 위해 워킹그룹을 결성했고, 산업폐기물계 플래스틱을 원료로 사용하는 CR 등 새로운 기술을 평가해 2022년 8월까지 보고서를 작성할 계획이다.
바이오 플래스틱도 순환경제의 한 축
바이오 플래스틱은 식물 베이스인 바이오매스 플래스틱과 특정조건에서 물과 이산화탄소로 분해되는 생분해성 플래스틱으로 분류되며 환경오염을 억제할 수 있는 소재로 부상하고 있다. 
바이오 플래스틱은 코스트가 높고 가공이 어려워 보급이 확대되지 않았으나 최근에는 화석자원을 비롯한 고갈성 자원 사용 감축, 온실가스 배출, 해양 플래스틱 쓰레기에 따른 환경오염 억제에 필수적인 소재로 주목받고 있다.
유럽 바이오플래스틱협회에 따르면, 세계 바이오 플래스틱 생산능력은 2020년 211만톤으로 전년대비 8.2% 증가했고 2025년에는 287만톤으로 36% 확대될 것으로 예상된다.
일본은 바이오 플래스틱 출하량이 2017년 3만9500톤에서 2019년 4만6650톤으로 18% 증가했다.
일본 정부는 2019년 6월 오사카(Osaka)에서 열린 주요 20개국(G20) 정상회의에 앞서 플래스틱 자원순환 전략을 발표했고 2030년까지 일회용 플래스틱을 25% 감축하고 플래스틱 용기·포장재의 60%를 재이용·재활용하며 바이오매스 플래스틱을 최대 약 200만톤 도입하겠다는 목표를 세우고 있다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)
