석유화학기업들이 NCC(Naphtha Cracking Center)에 바이오 원료 투입을 본격화하고 있다.
석유화학기업들은 에틸렌(Ethylene) 크래커에서 배출되는 온실가스가 화학산업 배출량의 대부분을 차지함에 따라 석유 베이스 나프타(Naphtha) 대신 바이오 원료를 투입할 수 있는 방법을 모색하고 있다.
일본에서는 미쓰이케미칼(Mitsui Chemicals)이 바이오매스 나프타를 도입했고, 이데미츠코산(Idemitsu Kosa)과 레조낙(Resonac)은 그룹 조달능력과 자체 설비를 갖추었다는 강점을 살려 바이오 에탄올(Ethanol) 및 디젤(Diesel) 사용을 검토하고 있다.

일본, 메이저 중심 바이오 나프타 투입 확대
이데미츠코산은 이르면 2026년경 일본 내외에서 18만킬로리터의 바이오 에탄올을 조달해 치바(Chiba) 사업장에서 10만킬로리터급의 지속가능 항공연료(SAF) 공급을 시작하는 방안을 검토하고 있다.
화학부문은 2025년 이후 에탄올 조달량 일부를 탈수화해 바이오 화학제품으로 유도할 계획이다.
이밖에 Environment Energy와 함께 폐플래스틱 유화장치 신규 건설도 준비하고 있어 2020년대 말에는 원료 다양화를 대폭 확대할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
2022년 3월에는 도쿠야마(Tokuyama) 사업장에서 매스밸런스 방식의 유효한 인증제도인 ISCC 플러스 인증을 취득했으며 업스트림부터 화학제품 그린화를 추진할 계획이다.
일본 최대 화학기업 미츠비시케미칼(Mitsui Chemicals) 그룹은 도요타통상(Toyota Tsusho)과 함께 바이오 에탄올을 원료로 에틸렌, 프로필렌(Propylene) 및 각각의 유도제품을 생산할 계획이다.
특히, 이바라키(Ibaraki) 사업장에 유도제품 EO(Ethylene Oxide) 클러스터를 갖추고 있어 2025년부터 수만톤급으로 실증 플랜트를 건설하고 2030년 이후 수십만톤대로 생산능력을 확대할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
바이오 원료 가운데 가장 먼저 도입이 시작된 것은 바이오매스 나프타로 특별한 설비 조정 없이 기존 NCC에 그대로 투입할 수 있는 점이 강점으로 파악된다.
미쓰이케미칼은 2021년 12월 오사카(Osaka) NCC에 3000톤의 바이오매스 나프타를 도입했으며 2022년 3월 3000톤을 추가 도입했고 10월에는 3차로 수천톤을 공급받은 것으로 알려졌다.
바이오 나프타는 마루젠석유화학(Maruzen Petrochemical)도 치바 NCC에 도입하기 위해 ISCC 인증 취득을 준비하고 있고, 미츠비시케미칼과 아사히카세이(Asahi Kasei)의 50대50 합작기업인 Asahi Kasei Mitsubishi Chemical Ethylene(AMEC) 역시 2023년 도입할 예정이다.
바이오 나프타는 현재 공급량이 50만톤 정도로 한정적이나 2030년에는 200만톤으로 대폭 확대할 수 있을 것으로 예상하고 있다.
미쓰이케미칼은 오사카 공장의 나프타 수요만 150만톤에 달하고 앞으로도 원료 다양화를 계속할 예정이어서 바이오 나프타 수요가 꾸준히 증가할 것으로 판단된다.

바이오 나프타 대신 바이오 에탄올‧디젤 도입 검토
바이오 나프타보다 시장이 큰 바이오 에탄올이나 디젤 사용을 시도하는 사례도 등장하고 있다.
2030년 이후 세계적으로 전기자동차(EV) 보급이 본격화되면서 연료유에 투입되는 바이오 에탄올은 잉여물량이 다량 발생함에 따라 안정 공급이 기대되고 있다.
공급량이 1억킬로리터로 추정되는 바이오 에탄올을 일부라도 석유화학 원료로 사용한다면 큰 잠재력을 발휘할 수 있을 것으로 예상되고 있다..
바이오디젤은 레조낙, 마루젠석유화학이 채용을 검토하고 있다.
레조낙은 샘플을 취득해 오이타(Oita)에서 원료 다양화 비중을 전체 생산능력 기준 60% 정도로 높이기 위한 검증작업을 진행하고 있다. 다만, 코스트가 바이오 원료 도입을 가로막고 있다. 바이오 나프타는 현재 석유화학 베이스의 3배 정도에 거래되고 있다.
화학기업들은 탄소중립을 위해 바이오 원료 도입 뿐만 아니라 폐플래스틱의 CR(Chemical Recycle) 처리도 본격화하고 있으며, 앞으로 각종 탄소중립 라인업 확충 및 코스트 다운을 위한 활동을 활발히 진행할 것으로 예상된다.

MCC, 100% 식물 베이스 에틸렌 생산
일본에서는 미츠비시케미칼(MCC)이 바이오 에틸렌에 가장 적극적으로 나서고 있다.
미츠비시케미칼은 2025년까지 100% 식물 베이스 에틸렌과 프로필렌, 유도제품 생산을 개시할 계획이다.
생산능력과 공장 소재지 등은 공개하지 않았으나 유도제품은 세제, 기저귀 등 회수나 리사이클이 어려운 생산제품에 사용되는 화학제품을 사업화할 것으로 알려졌다.
2022년 사업 타당성을 조사해 수요기업의 니즈를 충족시킬 수 있도록 사업 계획을 결정하고 지속가능한 자원순환경제 실현에 박차를 가할 방침이다.
바이오 에틸렌 원료로는 옥수수, 사탕수수 등으로 제조한 바이오 에탄올을 사용하며 도요타통상과 협력해 미국, 브라질산을 조달한다.
미츠비시케미칼은 이바라키(Ibaraki)와 오카야마(Okayama)에서 에틸렌 약 73만톤 크래커를 가동하고 있으나 원료는 현재 전량 화석자원을 사용하고 있다.
식물은 이산화탄소를 흡수하며 자라기 때문에 바이오 에틸렌은 기존 기술보다 온실가스 배출량 감축 효과가 탁월할 것으로 기대하고 있다.
바이오 에탄올을 원료로 에틸렌을 제조하는 기술은 외부로부터 도입하고 자체 개발한 Olefin Conversion Unit(OCU)을 활용해 에틸렌에서 프로필렌도 제조한다.
에탄올을 베이스로 에틸렌을 생산하는 과정은 스미토모케미칼이 프랑스 기술을 도입한 바 있으나 바이오 프로필렌까지 생산하는 것은 미츠비시케미칼이 최초이다.
바이오 에틸렌과 바이오 프로필렌을 원료로는 EO 등 유도제품도 생산한다.
유도제품은 포장‧용기와 위생용품에 사용되는 화학제품, 수지 중 회수와 리사이클이 어려운 품목을 중심으로 사업화화며 세제에 사용되는 계면활성제, 기저귀 원료 등에 주목하고 있는 것으로 알려졌다.

SCC, 자원순환형 에틸렌 생산
스미토모케미칼은 치바 공장에 에탄올 베이스로 에틸렌을 생산하는 시험 플랜트를 신규 건설할 계획이다.
원료용 에탄올은 세키스이케미칼(Sekisui Chemical)이 폐자원과 식물 베이스로 생산한 것을 이용하며 에틸렌 기술 검증 및 양산화를 거쳐 자동차부품이나 식품포장용 폴리올레핀(Polyolefin) 생산까지 추진하는 방안을 구상하고 있다.
에탄올을 원료로 에틸렌을 제조하는 기술은 프랑스 국영 IFP Energies Nouvelles(IFPEN)의 자회사 악센스(Axens)로부터 도입했으며, 시험 플랜트는 상업화 직전 파일럿 단계로 건설하고 2022년 5월 가동, 검증 및 양산화 검토를 거쳐 2025년 사업화할 예정이다.
에탄올 베이스 에틸렌으로 화석자원 베이스와 동등한 품질을 갖춘 PE(Polyethylene), PP(Polypropylene)를 기존 양산 플랜트에서 제조함으로써 순환경제 확립에 도전할 계획이다.
일련의 제조공정을 거친 폴리올레핀은 환경배려제품으로 출시하며 매스밸런스 방식을 적용해 바이오매스 원료를 사용하는 서플라이체인에 대한 ISCC 인증 취득이나 독자적인 산출법을 이용한 온실가스(GHG) 감축 효과 가시화에 나설 방침이다.

세키스이, 바이오 에탄올 기술 상용화
세키스이케미칼은 바이오 리파이너리 에탄올 기술 상용화에 속도를 내고 있다.
여러 종류의 폐기물이 섞여 있어 기존 기술로는 처리할 수 없었던 폐기물을 원료로 에탄올을 제조한 후 에틸렌으로 전환하고 PE 등 플래스틱으로 제조하면 몇번이든 순환시킬 수 있어 각종 폐기물 및 폐플래스틱 문제 해결에 화석자원 사용량을 감축하는 효과를 기대하고 있다.
세키스이케미칼은 2025년까지 바이오 리파이너리 에탄올을 사업화하기 위해 이와테현(Iwate)에 실증 플랜트를 건설하고 10분의 1 스케일로 실증실험을 진행하고 있다. 이와테 실증 플랜트는 사이타마현(Saitama) 파일럿 플랜트에서 축적한 기술을 도입해 2022년 4월부터 가동하고 있다.
에탄올화는 크게 폐기물 공급, 가스화, 정제, 에탄올 생산, 증류 공정으로 진행되며 이와테 실증 플랜트는 지역에서 수거한 폐기물 하루 60톤 중 일부를 처리할 계획이다.
폐기물을 분쇄하고 열풍으로 건조시켜 높이 20미터의 가스화로로 옮긴 다음 가열해 모래 안에 소량 단위로 투입하며 비탄, 금속, 도자기 등 무기물은 다시 회수해 지역사회에 환원하는 것을 목표로 하고 있다.
현재까지 2입방미터 사이즈의 무기물을 컨테이너 2개 분량 환원한 것으로 알려졌다.
가스 중에는 필요한 일산화탄소(CO)와 수소 이외에 400여종에 달하는 내화물질이 혼합돼 있으며, 특히 에탄올을 생성하기 위한 미생물이 혐기성이기 때문에 산소를 제거하는 작업이 필수적이다.
미생물에 악영향을 미칠 수 있는 10개 정도의 물질을 주의하면서 흡착 소재를 투입하고 10개의 처리조를 거쳐 내화물질을 제거함으로써 미생물이 활동하기 쉬운 환경을 정비하고 있다.
2개의 반응조를 통해 비타민제와 같은 역할을 수행하는 액체배지 중에서 미생물이 가스를 초산(Acetic Acid), 에탄올 등으로 변환하도록 도우면 에탄올 농도 5%를 확보할 수 있으며 이후 증류공정을 통해 JAAS 규격을 충족시킬 수 있는 99.5%까지 농도를 높인 다음 출하한다.
미생물 관련 기술은 LanzaTech에서 라이선스했으며, 파트너인 스미토모케미칼과 함께 PE 생산에 활용할 수 있는 방안을 찾고 있는 것으로 알려졌다. (강윤화 책임기자: kyh@chemlocus.com)