석유화학산업의 탈탄소화를 위한 대 변신전략

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 있다. 그런데 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 발생한다. 때문에 석유화학업종들은 과잉생산, 과잉공급 성향을 반복하면서 경기변동에 따른 큰 영향을 받으면서 생존을 위해 안간힘을 써 왔다.

그런데 ‘2050 탄소중립’이란 석유화학산업의 생명줄인 화석연료를 중단 내지 감축시켜 나가는 일이기 때문에 탈탄소화를 위해서 대변신을 하지 않으면 앞으로 생존할 수 없는 경영위기에 직면하게 된다.

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

국내 석유화학산업은 원유에서 유래한 나프타를 주 원료로 하여 이를 분해하는 생산공정을 통해 플라스틱이나 합성섬유, 합성고무 등의 원료가 되는 기초유분을 생산하고 있다. 이러한 기초유분을 생산하는 과정에서 화석연료를 연료나 원료로 사용하고, 엄청난 에너지가 사용하게 된다.

사업장 내에서 온실가스가 배출되는 직접배출의 비중이 64%로 높은 편이며 시설 가동을 위해 사용되는 전기에너지로 배출되는 간접배출 방식 역시 전체 중 34%나 된다.

석유화학산업의 온실가스 감축 전략은 4개 분야로 나누어지는데 이는 자원 순환, 연료 대체, 원료 대체, 공정 개선이다.

우선 GS칼텍스는 정유사 중 유일하게 생산하고 있는 복합수지를 활용한 사업을 더욱 확대한다는 계획이다. 폐플라스틱 재활용 소재로 만드는 친환경 복합수지는 화장품 용기, 자동차 부품 및 가전 부품 등의 원재료로 광범위하게 사용되는 기능성 플라스틱이다. 이를 활용해 GS칼텍스는 아모레퍼시픽과 플라스틱 화장품 공병 재활용 MOU를 체결한 바 있다.

GS칼텍스 관계자는 “친환경 복합수지 생산을 위해 재활용하는 경우 이산화탄소를 연간 6만 1000톤 감축하는 효과를 얻을 수 있다”고 평가했다.

또한 주유소를 활용한 신사업을 강화한다. GS칼텍스의 핵심자산인 주유소부터 디지털과 친환경을 중심으로 체질개선을 한다는 방침이다. 이를 위해 기존 주유소에 다양한 스타트업과 손잡고 세차사업, 카셰어링사업, 드론?로봇 배송서비스 등 주유소를 활용한 여러 종류의 사업에 발을 뻗고 있다.

GS칼텍스 관계자는 “친환경 에너지에 대한 수요 증가와 모빌리티 환경 변화에 대응, 주유소를 주유, 세차, 정비 등 일반적인 서비스 뿐만 아니라 전기차 충전, 수소차 충전, 카셰어링, 드론?로봇 배송 등 다양한 모빌리티 서비스를 제공하는 거점으로 육성해 나가겠다”고 말했다.

SK이노베이션은 미래 성장동력인 미래차 배터리사업에 과감한 투자를 결정했다. SK이노베이션은 지난 1월, 헝가리 이반차(Ivancsa) 시에 투자해 유럽 제3 공장을 건설할 방침이다. 이미 헝가리에 유럽1, 2공장을 세웠기 때문에 대규모 배터리 공장을 구축한 셈이다.

SK이노베이션은 이 공장을 통해 ‘2025년 연산 125GWh+α’ 생산능력을 보유한 명실상부 세계적 전기차 배터리 회사로 발돋움한다는 중장기 목표에 한발 더 다가선다는 방침이다.

SK이노베이션 관계자는 “유럽 3공장을 통해 빠르게 성장하는 전기차 시장환경 속에서 사업 경쟁력을 확보하고, 보다 공격적인 수주를 통해 글로벌 톱 플레이어(Top Player)로 도약하겠다는 의지”라고 설명했다.

또한 일찌감치 폐배터리 시장 확대를 염두에 두고 양극재에서 리튬을 비롯한 니켈, 코발트 등의 핵심소재를 분리해내는 핵심기술 개발에 뛰어들었다. 그 결과로 2019년 폐배터리 양극에서 고순도의 수산화리튬 형태로 회수할 수 있는 독자기술 개발에 성공했다.

개발한 폐배터리 재활용 기술은 배터리 폐기 시 유발할 수 있는 토양·해양 오염 등 심각한 환경문제를 저감시킬 수 있다는 점에서 주목 받고 있다.

이 기술력은 “자원고갈 문제와 환경문제를 해결하는 사회적가치와 안정적 원료 확보 및 새로운 비즈니스를 창출할 수 있는 훌륭한 사례로 ‘그린밸런스 2030’에 더욱 드라이브를 걸 수 있을 것으로 보인다”고 SK이노베이션 관계자는 강조했다.

현대오일뱅크는 신사업의 중심으로 올해 완공되는 초대형 석유화학 ‘HPC 프로젝트’에 초점을 맞췄다.

HPC는 롯데케미칼과 2조 7000억원 규모의 예산을 투입, 원유찌꺼기인 중질유분을 주원료로 사용해 올레핀과 폴리올레핀을 생산하는 설비로, 납사를 사용하는 기존 NCC(Naphtha Cracking Center) 대비 원가를 획기적으로 개선할 것으로 보고 있다.

현대오일뱅크 관계자는 “향후 탈황중질유 등 부산물 투입 비중을 80%까지 끌어올릴 것을 목표로 현대케미칼 HPC를 통해 기존 NCC 대비 연간 2000억원 가량의 수익성 개선 효과가 나타날 것”이라고 전망했다.

또한 현대오일뱅크는 주유소살리기도 핵심과제다. 이를 위해 전기차 충전소를 2023년가지 200개로 확대했는데, 특히 주요 유통업체 물류센터에 전기화물차 전용 충전소를 구축해 전기화물차 시장 선점에도 나선다. 아울러, 프리미엄 세차시장, 공유주차 등 유휴공간 활용 방안도 모색한다는 방침이다.

한화종합화학은 최근 사명을 ‘한화임팩트’로 변경하고 국내 기업 처음으로 탄소 배출 제로인 수소 발전의 전 단계로 평가 받는 ‘수소 혼소(混燒) 발전’ 기술을 보유하게 됐다.

혼소 발전은 두 종류 이상의 연료를 사용하는 발전으로, 수소 혼소 발전은 가스터빈에서 수소와 천연가스(LNG)를 함께 태워 전기를 만든다. 기존의 LNG 발전소는 온실가스와 미세먼지를 가장 많이 뿜어내는 오염원으로 지적돼왔으나 한화임팩트는 미국 PSM과 네덜란드 토마센(Thomassen) 에너지를 인수하면서 수소혼소 기술을 확보했다.

LG화학은 전지 소재, 친환경 소재, 글로벌 혁신 신약을 3대 신성장동력으로 정해 2025년까지 10조원을 투자하기로 했다. 이에 LG화학은 글로벌 4대 메이저 곡물 가공 기업인 미국 아처 대니얼스 미들랜드(ADM)와 옥수수를 원료로 한 바이오 플라스틱 합작공장 설립을 위한 주요 조건합의서(HOA)를 체결했다. 이를 계기로 2025년까지 미국에 연간 7만5000톤 규모의 폴리젖산(PLA·Poly Lactic Acid) 공장 및 이를 위한 젖산(LA·Lactic Acid) 공장을 건설할 계획이다.

PLA는 일정 조건에서 미생물 등에 의해 수개월 내 자연 분해되는 친환경 플라스틱이다. 옥수수에서 추출한 포도당을 발효·정제해 가공한 LA를 원료로 만든다. 100% 바이오 원료로 생산된 PLA는 주로 식품포장 용기, 식기류 등에 사용된다. 이는 일정 조건에서 미생물 등에 의해 수개월 내 자연 분해되는 친환경 소재이기 때문에 기후변화 대응과 폐플라스틱 등 환경문제 해결에 기여할 것으로 보인다.

롯데케미칼은 이산화탄소 포집 설비를 여수 공장에 설치해 연간 6만톤의 이산화탄소를 포집하고 있으며, 2023년까지 상용화 설비를 추가 완공해 연간 20만톤을 포집, 드라이아이스나 반도체 세정액 원료 등으로 이산화탄소를 가공할 계획이다.

현대오일뱅크는 충남 서산시에 위치한 대산공장 내 연간 10만톤의 탄산화 제품생산 공장을 건설해 최대 60만톤까지 생산량을 늘릴 계획이다. 이를 통해 정유 부산물인 탈황석고를 연간 50만톤 가량을 재활용할 수 있다. 탄산화제품 1톤당 이산화탄소 0.2톤을 포집·활용할 수 있어 연간 12만톤의 탄소배출을 줄일 수 있을 전망이다. 이는 소나무 1000만 그루를 심는 효과와 맞먹는 양으로, CCU 설비로는 국내 최대 규모다.

엑손모빌은 향후 6년간 CCS 기술 개발에 150억 달러 이상을 투자한다고 선언했다. 이를 기반으로 중공업, 상업 운송, 발전사업 등 온실가스 배출에 비중이 큰 산업을 대상으로 배출량을 줄이는 것에 중점을 둔 저탄소 솔루션 사업에 나선다는 계획이다. 그뿐만 아니라 연간 130만 톤 규모의 수소를 생산하고 있으며, 생산 비용을 낮추는 신기술 개발에 주력하고 있다.