석유화학산업의 탄소중립전략

석유화학산업이란 크게 정유회사와 석유화학회사로 구분된다. 그렇지만 에너지 생산과 화학산업은 사실상 한 몸으로 다국적 대기업인 엑슨모바일, 쉐브론, 셸, 시노펙, 사빅 등 오늘날 최대 화학기업은 동시에 석유 및 가스를 생산하는 기업이기도하다.

석유화학 시장을 지배력은 기초화학물질 생산을 규모의 경제를 통해서 저가로 만드는데 달려 있다고 한다. 그래서 가변적인 시장 상황, 유가의 변동 등을 고려해 최고의 수익을 내기 위해서는 설비 최대 용량에 가깝게 생산설비를 갖춰야 한다.

그리고 화석연료 가공과 석유화학산업 공정에는 극도로 높은 온도와 압력이 필요하므로 엄청난 운영비가 발생하기 때문에 석유화학업종들은 과잉생산, 과잉공급 성향을 반복하면서 경기변동에 따른 큰 영향을 받으면서 생존해 왔다.

그런데 ‘2050 탄소중립’은 석유화학산업의 생명줄인 화석연료를 중단 내지 감축시켜 나가는 일이기 때문에 탈탄소화에 대한 큰 변신을 통하여 생존을 모색해 나가야 되는 현안과제를 안고 있다고 할 것이다.

정유회사는 원유정제를 통해 연료유와 석유화학산업의 원료인 나프타를 생산하고 있다. 원유정제란 원유의 주성분인 탄화수소의 혼합물을 비등점 차이에 따라 정제하여 휘발유, 나프타, 등유, 경유 등 각종 정유제품을 생산한다. 그리고 정유제품은 나프타를 제외한 대부분 제품이 연료유 등 최종재로 사용되고 나프타의 경우에는 석유화학산업의 원료로 사용된다.

석유화학은 기초 화학물질은 전 세계 화학물질 생산 및 소비의 약 3분의 2를 차지하며, 단 7가지 석유화학물질(메탄올, 올레핀-에틸렌, 프로필렌, 부타디엔, 방향족 물질-벤젠, 톨루엔, 자일렌)이 90% 이상을 차지하고 있다.

여기에서 옷과 신발, 가구, 각종 용기제품 등 생활 전반에 쓰이는 각종 일상용품들을 만든다.

음식 배달 및 포장 등으로 인한 포장재, 위생장갑, 주사기 등 필수 소비재로 인류의 삶 전반에 걸쳐 지배하고 있다. 그렇지만 탄소배출량은 국내 제조업 중 1위는 철강(1억 1,700만톤)이고 그 뒤를 이어서 연간 약 7,100만톤을 차지하고 있다.

정유산업에서 주로 배출되는 온실가스는 이산화탄소이며, 고정연소에서 약 49%가 배출되며 공정과정을 통해 33% 배출된다. 정유산업의 온실가스 배출원은 공정설비 등에서 온실가스를 배출하는 직접배출과 외부 에너지 사용 등을 통한 간접배출로 구분된다.

직접배출은 고정연소와 공정배출, 기타배출로 구분되며 보일러 등의 설비에서 연료 연소시 발생되는 고정연소, 정유공정시 화학반응을 통해 생성되는 공정배출, 그리고 차량, 냉방설비 등에서 발생되는 기타 배출로 나뉜다. 간접배출은 사업장 외부에서 공급받는 전력, 열 등을 생산시 발생되는 온실가스 배출이다.

석유화학은 유화학산업은 원료로 사용하는 납사의 열분해(880℃) 과정에서 나오는 메탄 등 부생가스를 연료로 사용하는 과정에서 이산화탄소(CO2)가 대량 발생한다. 그리고 소각 전 단계에서 온실가스를 배출한다. 이와 함께 플라스틱 폐기물도 골칫덩어리다. 플라스틱은 대부분 한번 쓰고 버려지지만 자연 분해에 500년이 걸리기 때문이다

2021년 2월 9일, 석유화학업계는 ‘탄소제로위원회 출범식를 개최하였다. 여기에서 기존 납사이외에 수소, 탄소, 바이오, 신재생 에너지, 폐플라스틱 등을 석유화학 원료 및 연료로 활용하기 위한 대규모 R&D 추진키로 결정하였다. 그리고 아직 연구개발 단계인 석유화학 연료 및 원료 확대기술에 대한 선제적 도입을 위해 관련 R&D 지원확대 및 투자세액 공제를 정부측에 요청하였다. 중장기적으로는 수소, 탄소, 바이오납사 등으로의 원료대체, 신재생에너지 전기분해로 등 연료대체 및 폐플라스틱 재활용 방안 등을 마련하여 발표하였다.

한편 기업들이 RE 100 추진 등을 위해 재생에너지 전력을 원활히 도입할 수 있도록, 녹색 프리미엄 요금제, 제3자 전력구매계약(PPA), 재생에너지 공급인증서 구매(REC) 등 제도 활성화를 추진해야 한다.

그리고 ’자발적 에너지효율 목표제‘를 도입하여 우수 사업장으로 선정된 기업에 대한 세금감면 등 인센티브 확대를 요청하였다. 배출권 거래제 관련 ’배출권 유상할당 경매 수익‘을 온실가스 감축사업에 활용 및 ’해외 상쇄 배출권‘에 대한 국내 사용한도를 확대시켜 나가야 한다는 것이다.

석유화학산업이 가장 먼저 해결해야 될 과제는 기존에 원유를 사용하던 석유화학산업의 원료를 바이오매스와 폐플라스틱, 부생자원 등으로 대체여야 한다. 혁신 소재를 개발해 산업 전반에서 사용되는 재료 물질의 탄소배출을 줄려 나가야 한다. .

음식물 쓰레기, 농축산 폐기물을 통해 얻는 바이오매스는 석유화학 산업의 기초유분인 ‘나프타’를 만들 수 있다 특히 바이오매스를 액화, 가스화, 또는 유효성분으로 나눠 석유를 대체할 수 있는 원료로 만들어 고부가 소재로 업사이클링 하고 있다.

바이오매스뿐만 아니라 폐플라스틱을 활용하는 기술 개발도 지속적으로 이뤄지고 있다. 폐플라스틱을 마찬가지로 열분해하거나 가스화해 나프타를 만들거나 연료화할 수 있다. 부생가스와 메탄 등 미활용 가스자원을 고효율 에너지로 전환하는 기술도 지속적으로 개발하여 나가고 있다.

또한 석유화학 공정 중에 나오는 이산화탄소 등 온실가스를 감축하고, 재생에너지를 연계해 저에너지, 저탄소 전환 공정기술을 개발하고 있다. 석유화학 온실가스 배출량의 대부분은 석유화학 반응 및 분리에 필요한 화석연료를 소비하는 과정에서 발생한다. 이 때문에 화학원료 생산에 재생에너지를 연계한 반응과 분리공정 기술을 개발하고 있다.

이는 화학공정을 전기화시켜, 화석원료 기반 에너지원을 재생에너지 기반 전기 에너지원으로 대체하는 것이다. 그리고 석유화학 공정 전체에 투입되는 에너지를 줄이기 위해, 에너지 절약형 촉매와 분리 기술을 개발하는 일이다. 이를 위해서 국내 석유화학산업은 5대 기술개발에 힘을 쓰고 있다.

국내 석유화학산업의 온실가스 감축을 위한 5대 기술 중 플라스틱 업사이클링과 공정 개선 기술 개발은 단기적으로 상용화를 추진한다. 그리고 바이오매스 소재, 부생가스 전환, 전기가열 분해공정은 2030년이후에 상용화가 가능할 전망이다.

플라스틱 재활용 기술과 공정 개선 기술은 석유화학 탄소중립 대응기술 중 가장 먼저 상용화될 것으로 예상된다. 플라스틱 재활용 기술은 기계적 재활용 기술과 화학적 재활용 기술로 구분되는데, 기계적 재활용 기술은 이미 상용화되어 석유화학 공정내에서 연료로 사용되고 있다.

그런데 화학적 재활용 기술은 아직 상용화을 위한 시간이 필요하다. 즉 화학적 재활용 및 공정 개선 관련 기술은 2030년까지 실증을 마친 이후부터 상용화될 전망이다. 또한 바이오매스 유래 원료 및 소재 기술은 2035년까지 실증을 완료한 후 상용화될 전망이다. 기존 나프타 공정을 대폭 수정하지 않고 바이오매스로부터 추출한 유분을 사용하기 때문에 상대적으로 기간이 짧다는 특징을 갖고 있다.

탄소중립 대응기술 중 가장 늦게 상용화되는 기술은 전기가열 분해공정과 부생가스 원료 전환으로 2040년 이후에 상용화될 전망이다. 전기가열 분해공정은 기술 개발뿐만 아니라 기존 화석연료 기반 열분해로의 내구 연한까지 고려하여 도입할 필요가 있다.

1) 원료의 탈석유화 및 전환

전면적으로 대체하는 것은 매우 어려울 것으로 예상 되지만 화석연료를 최대한 재활용 플라스틱 및 바이오매스로 전환해야 한다. 플라스틱 재활용의 경우 아무리 재활용 비율을 높인다하더라도 화학산업이 필요로 하는 원료 규모를 만족시키기 어렵다. 때문에 이를 바이오매스 기반 원료가 보완적인 역할을 헤야 할 것이다.

2) 재생에너지 발전방식으로 전환

화학산업에는 다양의 열에너지가 적절한 방식으로 이용되어야 하므로, 전기로 도입 및 열선 배치에 최적화된 반응기 설계가 필수적이다.

3) 공정의 재설계

탄소중립 엔지니어링 관점에서는 탄소배출 최소화 목표가 최우선 사항이므로, 어느 정도 경제성이 확보되는 범위에서 탄소배출량이 최소화되는 조건으로 공정이 재설계 되어야 한다. 이를 위해 단기적으로는 공정 운전 조건(소프트웨어)의 변경, 중장기적으로는 탄소배출을 최소화하는 공정 하드웨어의 구축이 필요하다. 또한, 고온/고압에서 운전되는 화학공정을 최대한 저온/저압에서 운전되게 만들어 에너지 소모를 감축시켜야 한다. 이를 위해서는 화학반응에 대한 기초연구가 필수적이며 공학에서는 저온/저압 공정과 고효율 촉매의 개발 및 적용이 필요하다. 다만 석유화학공정은 자본 집약적인 거대공정이기에 기업들이 신기술을 도입하는데 있어 보수적인 입장을 취하고 있어 정부가 나서서 일관성 있는 지속적인 정책으로 이해관계자 간 소통 및 협력이 필수적이다.

4) 화학산업 내 순환구조 형성

구체적으로는 기존의 선형 구조이던 공정 플로우를 순환구조로 변경하여, 주요 원료인 나프타 소모를 줄이는 동시에 온실가스를 저감시켜야 한다. 이산화탄소의 경우 수소 첨가 공정을 통해 메탄올 전환후 Methanol-to-olefin (MTO) 공정을 이용해 올레핀으로 전환할 수 있다. 또한, NCC공정에서 부산물로 생산되는 메탄(에틸렌 1톤당 0.4톤 생산)의 경우 methane oxidative coupling을 통해 올레핀으로 전환할 수 있다. 또한 폐 플라스틱을 회수, 분류, 재가공 공정을 통해 다시 화학산업에서의 원료로 이용할 수 있다. 이상적으로는 기존 대비 50%까지 에너지 절감이 가능하다.

5) CCUS 활용

화학공정에서 어떠한 온실가스가 배출되지 않는 넷-제로(Net-zero) 상태가 이상적이지만 이것은 거의 실현불가능한 목표이다. 화학공정에서 어느 정도의 온실가스는 반드시 발생할 수밖에 없다. 따라서 화학산업에서 방출된 탄소를 포집하여 고립된 공간에 저장하거나 화학적/생물학적 전환, 석유회수증진법, 광물탄산화 등으로 활용하는 기술이 요구된다.