석유화학산업은 탄소중립 실현을 위한 투자가 본격화될 것으로 예상된다.
글로벌 석유화학기업들은 최근 탄소중립 실현을 위해 유럽을 중심으로 스팀 크래커의 전기화를 추진하고 있으며 북미는 탄소 포집‧이용(CCS) 적용을 본격화하고 있다.
동남아 메이저들은 석유화학 투자를 확대하면서 플래스틱 리사이클에 주력하고 있으며 친환경제품 및 프로세스 확대에도 관심을 표명하고 있다.
유럽, 재생에너지 도입으로 이산화탄소 감축
스팀 크래커는 나프타(Naphtha), 에탄(Ethane), LPG(액화석유가스)를 열분해함으로써 에틸렌(Ethylene), 프로필렌(Propylene) 등 석유화학 기초원료를 추출하고 있다.
천연가스 등을 고온에서 연소시킨 후 섭씨 750-800도 정도로 가열하는 방식으로 가동하고 있으나 화학산업의 이산화탄소(CO2) 배출량의 대부분을 차지하고 있으며 유럽을 중심으로 제로에미션화가 진전되고 있다.
바스프(BASF)는 사빅(Sabic), 린데(Linde)와 전열 크래커 기술을 2027년까지 확립하는 것을 목표로 공동 연구개발(R&D)을 추진하고 있다.
가스가 아닌 재생에너지 베이스 그린전력으로 크래커를 가동함으로써 온실가스(GHG) 배출량을 최대 90% 감축할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 2023년 상업가동을 목표로 출력 수MW급의 실증 플랜트 건설을 검토하고 있는 것으로 알려졌다.
실증 플랜트 프로젝트는 린데가 주도하고 있으며 바스프의 루트비히스하펜(Ludwigshafen) 페어분트(Verbund: 종합 생산기지)에 건설할 예정이다.
기존 스팀 크래커나 앞으로 건설할 신규 스팀 크래커를 대상으로 기술을 라이선스하는 방안도 검토하고 있다.
다우(Dow)는 쉘(Shell)과 공동으로 에틸렌 생산용 전열 크래커 개발에 도전하고 있다.
2025년까지 수MW급 실증 플랜트를 가동하고 2027년에는 신규 프로세스를 도입한 파일럿 플랜트를 완성할 계획이다. 네덜란드 정부로부터 지원받고 있어 네덜란드 테르뉴젠(Terneuzen) 소재 다우 사업장에 플랜트를 건설할 예정이다.
보레알리스(Borealis)와 토탈에너지(Total Energies), BP 등은 크래커 전기화를 위해 COF(Cracker of the Future) 컨소시엄을 조직했으며 지멘스에너지(Siemens Energy)와 테크닙에너지(Technip Energies)가 개발하고 있는 회전식 올레핀 크래커(ROC: Rotating Olefins Cracker) 실증실험을 진행한다.
ROC는 로터로 나프타의 흐름을 고속화해 분자운동 에너지로부터 전환된 열로 나프타 등을 분해하는 방식이며 전력원으로 모터, 수소연료 터빈을 채용하고 재생에너지 베이스 전력과 수소를 사용하기 때문에 탈탄소화에 유리한 것으로 평가되고 있다.
재생에너지 전력 선제‧대량 확보가 경쟁력 좌우
크래커 전기화는 경쟁력 있는 전력을 대량으로 확보할 것이 요구되고 있다.
바스프는 독일 에너지기업 RWE와 공동으로 북해에 대규모 해상풍력발전소를 건설하는 프로젝트를 추진하고 있다.
세계 최대 용량인 2GW 발전소를 건설할 예정이며 7500만GWh의 발전량 가운데 80%는 바스프가 사용할 방침이다.
다우는 미래 전력원으로 소형 모듈 원자로(SMR)에 기대를 걸고 있다.
설비를 미리 조립한 후 트럭 등으로 운반해 건설지에 설치하는 방식으로 품질을 높일 수 있으며 공사기간 단축, 코스트 감축 효과도 얻을 수 있을 것으로 예상하고 있다.
현재 세계 각국에서 SMR 관련 개발 프로젝트가 진행되고 있으며 미국은 에너지부(DOE) 지원 아래 뉴스케일테크놀러지스(New Scale Technologies)가 개발하고 있다.
북미, 석유화학 메이저 공동 CCS 프로젝트 가속화
북미는 CCS를 이용한 화학제품 생산을 본격화하고 있다.
엑손모빌(ExxonMobil)은 2021년 9월 미국 석유정제‧석유화학 중심지인 휴스턴(Houston)에 대규모 CCS 설비를 설치했으며 11사와의 협업 프로젝트에도 착수했다.
2030년까지 탄소를 최대 5000만톤 저장할 수 있는 설비를 구축하고 2040년까지 저장능력을 1억톤으로 대폭 확대할 계획이다.
엑손모빌 외에 칼파인(Calpine), 쉐브론(Chevron), 다우, 이네오스(Ineos), 린데, 라이온델바젤(LyondellBasell), 마라톤석유(Marathon Petroleum), NRG에너지(NRG Energy), 필립스66(Phillips 66), 발레로(Valero) 등이 참여하고 있다.
CCS 설비는 발전과 자동차용 연료, 플래스틱 제조 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집 및 저장해 활용할 방침이며 11사가 모두 실행하면 2040년 7500만톤을 포집할 수 있을 것으로 예상하고 있다.
휴스턴은 2050년 탄소중립을 선언했으며 엑손모빌 협업 프로젝트에 관심을 나타내는 곳이 늘어나고 있어 앞으로 포집량이 더욱 늘어날 가능성이 제기되고 있다.
미국 에너지정보국에 따르면, 휴스턴이 소재한 멕시코만은 이산화탄소를 5000억톤 저장할 수 있는 것으로 평가된다. 미국 발전‧산업 분야의 연간 이산화탄소 배출량 기준으로는 130년 이상 저장할 수 있는 수준이다.
블루수소 프로젝트에 제로에미션 크래커도…
에어프로덕츠(Air Products)는 루이지애나에서 대규모 블루수소 프로젝트에 착수했다.
하루 7억5000만입방피트(약 2120만입방미터) 이상의 수소를 미국 석유정제‧석유화학 집적지인 멕시코만의 수요기업에게 공급하는 것을 목표로 하고 있으며 2026년 가동 예정이다.
총 투자액은 45억달러(약 5조1500억원)이며 에어프로덕츠가 미국에서 추진하는 투자 가운데 사상 최대로 파악된다.
에어프로덕츠는 루이지애나 어센션(Ascension)에서 천연가스와 산소를 자동 열 개질(ATR) 처리해 수소를 제조할 예정이다.
부생하는 이산화탄소는 포집해 항구적으로 격리하고 블루수소는 에어프로덕츠가 구축한 멕시코만에서 출발해 텍사스 갤버스턴(Galveston)을 거쳐 루이지애나 뉴올리언스(New Orleans)에 이르는 약 1130km 이상의 수소 파이프라인을 통해 수요기업에게 공급할 계획이다.
다우는 캐나다의 앨버타 포트사스카추완(Fort Saskatchewan) 소재 에틸렌 및 PE(Polyethylene) 생산기지에서도 CCS를 활용한 제로에미션 크래커 건설을 추진하고 있다.
배기가스를 수소로 변환해 생산공정에 사용하면서 이산화탄소는 포집하고 인근 사업자에게 수송‧저장하는 프로젝트를 준비하고 있다.
2030년까지 단계적으로 약 180만톤의 생산능력을 확대함으로써 총 약 320만톤의 저탄소 혹은 배출량 제로 인증을 받은 PE와 에틸렌 유도제품을 생산할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
쉘도 앨버타에서 CCS 사업을 추진하고 있어 CCS 인프라 정비가 본격화될 것으로 예상된다.
일본, 이산화탄소 무배출에 CCUS 개발 주력
일본은 2050년 석유화학 컴플렉스 탄소중립을 실현하기 위한 기술 개발에 주력하고 있다.
일본 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO)는 에너지 이용 최적화, 연료‧원료의 이산화탄소 배출 제로화, CCUS(이산화탄소 포집·활용·저장) 등 다양한 연구개발(R&D) 프로젝트를 진행하고 있으며 실용화 기대가 높아지고 있다.
요코가와전기(Yokogawa Electric)는 치바(Chiba)의 고이(Goi) 지역에서 여러 석유화학 컴플렉스 운영기업과 함께 탄소 리사이클 타당성 조사(FS)를 진행하고 있다. 개별기업의 에너지 관리 시스템(EMS)을 연계해 전체를 최적화함으로써 2030년 이산화탄소 감축효과를 예상하고 재생에너지, 수소 도입 등을 통한 2050년 탄소중립 시나리오를 작성한다.
JGC Global, Japan NUS는 2022년 3월 철강, 시멘트를 포함 CCUS 조사사업을 수주했다. 2030년 실용화를 목표로 이산화탄소 포집 및 수송‧저장기술을 검토하고 드라이아이스 이용 가능성을 탐색할 계획이다. 연료의 이산화탄소 무배출화에는 수소, 연료 암모니아 도입이 유력한 것으로 알려졌다.
미쓰이케미칼(Mitsui Chemicals), 마루젠(Maruzen Petrochemical), 도요엔지니어링(Toyo Engineering), 소지츠기계(Sojitz Machinery)는 석유화학 프로세스에서 배출되는 이산화탄소의 약 25%를 차지하는 나프타 크래커 열원으로 암모니아를 이용하는 실증사업을 추진하고 있다. 2030년 완료를 목표로 암모니아용 버너, 분해설비를 개발하고 최종적으로 수만톤의 실증설비에서 성능을 확인할 예정이다.
이데미츠코산(Idemitsu Kosan), IHI도 도쿠야마(Tokuyama) 소재 나프타 크래커에서 암모니아 혼합연소 실증을 진행한다.
일본이 추진하고 있는 탄소중립 프로젝트는 모두 2030년을 목표로 설정하고 있으나 실용화까지는 많은 과제가 산적해 있는 것으로 파악된다.
이산화탄소 이용기술이 아직 확립되지 않은 단계에서는 회수한 이산화탄소를 땅속에 저장할 수밖에 없으나 탄소 크레딧, 탄소 가격화 등 관련제도가 정비되지 않아 동기부여가 부족하기 때문이다.
암모니아 연료도 이산화탄소를 배출하지 않는 암모니아의 국제 공급망 확립 선행이 요구되고 있다.
석유화학 원료의 이산화탄소 무배출화는 더욱 많은 시간이 소요될 것으로 예상된다.
나프타 대신 바이오 베이스 메탄올(Methanol), 에탄올(Ethanol)을 이용하는 방안이 검토되고 있으나 에틸렌 생산량을 충족시킬만한 물량을 확보할 수 있을지 미지수이기 때문이다.
이산화탄소 직접회수공법(DAC)으로 대기 중에서 회수한 이산화탄소와 수전해, 인공광합성으로 제조한 수소를 반응시키는 프로세스는 녹색화학의 끝판왕으로 주목받고 있으나 2050년 실현 가능성은 불투명한 상태이다.
한국, 2019년 이산화탄소 배출량 7224만톤 달해
국내에서는 NCC 공정에 투입되는 탄소를 감축하기 위한 수소에너지 기술이 주목받고 있다.
석유화학기업들은 보일러, 터빈, 소각로, 제조공정, 운송 등 석유화학제품 생산‧공급 과정에서 직접적으로 탄소를 배출하고 있으며 외부 에너지 생산기업으로부터 공정에 필요한 전기와 스팀을 구매해 사용함으로써 간접적으로 탄소를 배출하고 있다.
한국에너지공단에 따르면, 국내 석유화학산업은 2019년 이산화탄소 7224만톤을 배출했으며 직접배출은 4637만톤, 간접배출은 2494만톤으로 집계됐다.
국내 석유화학기업들은 생산과정에서 발생하는 직·간접적인 이산화탄소 배출 감축을 중심으로 논의하고 있다. 
직접적인 탄소감축 방안으로는 석유 베이스 원료 대신 바이오 베이스 나프타를 석유화학제품 생산에 투입하거나 폐플래스틱 열분해유를 원료로 사용하는 방안을 거론하고 있다.
SK지오센트릭, 한화토탈에너지스 등은 곡물 베이스 바이오 나프타 일부를 석유 베이스와 혼합하는 매스밸런스 방식으로 국제 친환경제품 인증 ISCC PLUS를 획득하는 등 기반을 다지고 있다.
시장 관계자들은 2025년에는 바이오 나프타 사용량이 2021년에 비해 10배 확대될 것으로 파악하고 있으며 석유 베이스 나프타 소비를 줄이는 방식으로 배출량을 감축할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
폐플래스틱을 열분해하는 CR(화학적 재활용) 역시 직접 배출되는 탄소를 감축하는 방법으로 떠오르고 있으며 열분해유를 원료로 투입해 화학제품을 재생산함으로써 전통적인 나프타 사용에서 탈피하려는 움직임을 보이고 있다.
다만, 열분해를 통한 재활용 과정, 기존 공정에 투입되는 열과 전기에너지 소비 과정에서 발생하는 배출비중이 여전히 70% 가까이 차지하는 것으로 알려졌다.
최근에는 정유기업까지 에틸렌 생산설비 신증설을 마무리함으로써 나프타 분해시설에 투입되는 에너지를 줄이거나 에너지 생산에 필요한 화석연료를 재생에너지로 전환할 필요성이 대두되고 있다.
환경부 온실가스종합정보센터에 따르면, 2018년 기초유분 생산량이 2.9% 증가하면서 이산화탄소 배출량이 13.1% 증가한 것으로 나타났다.
재생에너지 한계점에 수소를 주목하고 있으나…
국내에서는 단기적으로 촉매 개발을 통해 공정에 필요한 열에너지를 감축하는 방안을 추진하고 있다.
그러나 산업연구원과 전국경제인연합회는 국내 나프타 크래커의 에너지 소비량이 글로벌 평균 대비 67% 수준에 불과해 개선 여지가 크지 않은 것으로 분석했다.
따라서 나프타 분해공정에 투입되는 스팀 및 열원을 부생가스 연소 대신 전력으로 대체하고 전기 생산에 화석연료 대신 재생에너지나 수소에너지를 사용함으로써 이산화탄소 배출을 감축해야 한다는 주장에 무게가 실리고 있다.
바스프는 2030년 탄소 배출량을 2018년 대비 25% 감축하겠다는 목표를 세우고 탄소 저감에서 거리가 먼 사업을 정리 및 조정하는 경영전략을 펼치고 있다.
바스프의 탄소감축 시나리오에는 바이오 베이스 원료 투입 뿐만 아니라 재생에너지, 열 회수, 생산설비 운영효율성 개선 등 탄소배출을 감축하겠다는 내용이 포함돼 있다. 특히, 2019년 8월 보레알리스, 사빅 등과 나프타 크래커 전기가열로(e-Cracker) 기술 개발을 위한 컨소시엄을 구성했으며 2020년 6월에는 다우와 쉘이 전기가열로 개발에 협력하기로 했다.
나프타 열분해에 필요한 열에너지 생산에 전력을 이용하며 전기저항방식과 이온마찰(전극보일러)방식이 주목받고 있다.
전기저항방식은 발열체에 직접적으로 전기를 흘려 열을 발생시키며 발열체 재질에 따라 적용할 수 있는 온도가 달라질 수 있는 기술이고, 이온마찰방식은 물속에 전극을 담고 극성을 변경하면서 온도를 올리는 방식으로 대규모 스팀 생산에 적합한 것으로 알려졌다.
현재 전기가열로 기술 수준은 섭씨 350도 스팀 생산까지는 상용화돼 있으나 나프타 크래커에서 요구하는 800도 이상의 가열을 위해서는 추가 연구개발이 요구되고 있다.
전기에너지 생산을 위한 풍력, 태양광 등 재생에너지 도입 필요성 역시 꾸준히 제기되고 있다.
글로벌기업 위주로 재생에너지를 100% 사용하겠다는 RE100(사용 에너지를 100% 재생에너지로 전환) 선언 등이 이어지고 있으며 국내에서는 SK그룹과 LG화학이 적극적으로 참여하고 있다.
다만, 국내 환경여건 상 재생에너지의 경제성이 충분하지 않다는 점이 발목을 잡고 있다. 차세대 재생에너지원으로 지목되는 태양광과 풍력 에너지는 지형과 가용 면적에 따라 수급 불균형이 심각하고 원자력은 사고 위험 부담이 크다는 문제점이 제기되고 있다.
OECD(경제협력개발기구) 국가별 재생에너지 발전량 자료에 따르면, 한국의 재생에너지 발전 비중은 2019년 기준 4.9%에 불과한 것으로 나타났다. 독일이 39.9%로 가장 높고 일본 18.6%, 미국 17.4%로 뒤를 잇고 있다.
2020년 기준 한국의 재생에너지 기술 수준은 태양광 90%, 풍력 75%로 높은 수준이나 지역 환경과 날씨 여건으로 기술 활용이 여의치 않은 것으로 판단된다.
국내 탈탄소 연구 관계자들은 재생에너지와 함께 수소에너지를 활용하는 방안을 찾고 있다.
홍대식 LG화학 연구위원은 “탄소배출을 감축하기 위해 수소가 대체 에너지원으로 떠오르고 있다”며 “현재 글로벌 기술은 실증사업 추진단계”라고 밝혔다. 현재 수소 생산기술은 그레이 수소 수준에 머무르고 있다.
SK가 투자한 모노리스(Monolith)는 메탄(Methane) 열분해를 통해 카본블랙(Carbon Black)과 수소를 생산하는 기술을 보유하고 있으며, Hazor는 파일럿 형태이나 촉매 개발로 수소를 생산하는 기술을, 바스프는 메탄을을 열분해해 수소를 생산하는 기술 등을 개발하고 있는 것으로 알려졌다. LG화학은 메탄에서 발생하는 이산화탄소를 포집하는 기술을 개발하는 단계에 있다.
지멘스(Siemens), 아사히카세이(Asahi Kasei), 두산 등은 물을 전기분해해 수소를 생산하는 그린수소 프로세스 개발을 진행하고 있는 것으로 알려졌다.
수소의 운송과 저장 등 공급체계를 갖추기 위해 일본 가와사키중공업(Kawasaki Heavy Industries)은 액화수소 선박 사업, 포스코는 암모니아 가스터빈을 활용해 암모니아에서 수소를 분리하는 기술을 개발하고 있다.
홍대식 연구위원은 “수소 사업은 에너지 인프라 구축에 가까워 국가 주도가 필요하다”며 “어떠한 기술이 효과를 거둘지는 불투명하나 탄소감축은 어떻게든 해결해야 하는 과제”라고 강조했다.
산업통상자원부는 바이오 나프타 원료 및 소재 생산기술, 석유화학 부생가스 메탄 전환 기술, 석유화학 부생가스 CCUS 활용 기술이 실험실 수준에 불과해 2030년에나 파일럿 검증이 가능할 것으로 판단하고 있다.
산업통상자원부는 2022년 탄소중립 연구개발 예산을 1조2000억원으로 확대하고 2030년까지 예산 구조조정을 통해 산업통상자원부 연구개발비의 30% 이상을 탄소중립에 전략적으로 투자할 계획이다.
PTTGC, 이산화탄소 제로화 위해 대규모 투자
동남아에서는 타이 석유화학 메이저 PTT Global Chemical(PTTGC)이 2050년 탄소 배출량 제로(0)화를 선언했다.
△기존 플랜트 배출량 감축 △저탄소제품 생산비율 확대 포트폴리오 전환 △CCUS 등을 실행할 예정이다.
저탄소제품 확대를 위해서는 M&A(인수합병)에 170억달러(약 20조원)를, 온실가스 저감설비 투자와 기술개발에 50억달러(약 5조7000억원)를 투입한다.
PTTGC는 2020년 이산화탄소 배출량이 790만톤에 달했고 2025년 950만톤으로 정점에 도달할 것으로 예상하고 생산 현장에서 이산화탄소 약 100만톤을 감축할 방침이다.
기존 플랜트는 디지털 기술을 통해 생산효율을 높이고 플레어 저감 등 설비 개선도 추진하며 저탄소 프로세스 도입을 검토하면서 화석연료 대신 재생에너지 도입에도 박차를 가하고 있다.
저탄소제품 사업을 확대하기 위해서는 대규모 투자를 단행하며 330만톤 이상의 이산화탄소 배출량 감축 효과를 기대하고 있다.
또 고부가가치화 전략과 함께 실시함으로써 기능성 화학제품 생산비중을 3%에서 2030년까지 35%로 확대할 계획이다.
CCUS 실현을 통해서는 이산화탄소 630만톤을 감축하고 배출권 거래나 산림 재생 캠페인 등을 통해 100만톤을 추가 감축할 방침이다. (홍인택 기자: hit@chemlocus.com)
