기름 한 방울 안나는 나라인데…'비닐봉지'서 석유 터졌다

비닐봉지 녹였더니 기름이 쭉쭉…현실이 된 '현대판 연금술'

대전 SK이노베이션 환경과학기술원 연구동에서 한 연구원이 폐플라스틱을 열분해하고 후처리 해 정제유로 재탄생시키는 과정에 대해 설명하고 있는 모습/사진=이기범 기자

지난 18일 방문한 대전 SK이노베이션 환경과학기술원 행정동의 뒷 편에 자리한 S10 건물. 주변엔 안전모를 착용한 인부들이 분주히 오갔다. 이 건물에선 내부 리모델링을 마친 후 가림막을 가린 채 장치와 배관 설치 막바지 작업이 한창이었다. 이르면 다음달 중 가동을 시작할 '열분해유 후처리' 파일럿(시험) 공장 준공 현장이다.

열분해유는 매립·소각될 수밖에 없는 비닐봉지 등 폐플라스틱을 300~800도(℃) 고온으로 녹여 만든 재활용 원유다. 여기에 후처리 과정을 통하면 불순물이 저감되고 끓는점에 따라 다시 다양한 정제유로 활용될 수 있다. 묻거나 소각할 수밖에 없는 운명의 폐플라스틱을 다시 정제유로 되돌리는 '현대판 연금술'이 현실이 되는 과정이다. 후처리까지 포함한 재생 과정은 국내에서 처음 이뤄지는 시도다.


SK이노베이션 자회사 SK지오센트릭은 지난해 9월, 폐플라스틱을 고열로 분해해 만든 '열분해유'를 SK이노베이션 울산컴플렉스(CLX·단지) 정유·화학 공정에 원료로 국내 최초 투입했다고 밝히며 이 연금술의 가능성을 입증했다. 일반 원유와 함께 희석해 투입한 것이지만 최종 제품 성상이나 설비 등에 문제가 없음을 확인했다.

SK이노베이션은 '화학에 대해 가장 잘 아는 만큼 화학 산업 문제를 해결하겠다'는 의지를 갖고 각종 재활용 사업을 추진중이다. 이 '그린 트랜스포메이션'을 이끌고 지원하며 점검하는 핵심기지가 바로 환경과학기술원이다.

버려진 플라스틱으로 다시 원유(열분해유)로 만들어 석유화학제품 원료로 쓰게 되면 말그대로 '두마리 토끼'를 잡을 수 있다. 기름 한 방울 나지 않는 나라에서 원유 수입을 일정 부분 대체할 수 있을 뿐 아니라 환경 문제도 해결할 수 있어서다. 대한석유협회에 따르면 우리나라는 지난해 총 9억6014만7000배럴, 금액으로 환산시 672억9000만달러(83조2000억원) 어치의 원유를 수입했다. 이는 우리나라 총 수입액 중 약 10.9%다. 폐플라스틱을 열분해유로 전환시 탄소배출 감축을 인정받는다면 경제적 가치는 더 높아진다. SK지오센트릭은 최근 환경부 배출량 인증위원회로부터 열분해 사업의 탄소저감 효과를 인증받았다.


그러나 이 선순환 구조를 기술적으로 구축하는 것이 말처럼 쉽지 않다. 우선 폐플라스틱에서 열분해유를 추출하는 수율이 국내에서 높다고 하는 곳도 60% 수준이다. 열분해유를 추출해낼 때 오염물을 걸러내는 것과 대기오염 물질이나 폭발 위험이 있는 물질 등을 최대한 줄이는 것도 관건이다.

환경부에 따르면 국내 중소기업을 중심으로 지난 2021년 기준 11개 기업이 총 4100톤의 열분해유를 생산한 것으로 집계됐다. 투입된 폐플라스틱 양은 1만여 톤이다.

이 열분해유를 가져다 곧바로 플라스틱 원료로 쓰기도 어렵다. 기존 정제유 대비 염소, 황, 질소 등 고농도 불순물이 많아 대기오염 물질이 나오거나 설비 부식을 일으킬 수 있어서다. 불순물을 낮추는 게 열분해유 활용의 관건인데 불순물을 낮추는 기술, 즉 후처리 기술을 개발하고 있는 곳이 바로 SK환경과학기술원이다.

SK환경과학기술원은 수소 첨가 반응 기술을 통해 열분해유를 후처리한다. 수소와 반응시키고 촉매를 첨가해 불순물을 염화수소, 황화수소, 암모니아 등 기체화해 분리해내는 원리다.

폐비닐을 재활용해 열분해 정제유로 재탄생되는 과정의 제품들/사진=이기범 기자

짙은 갈색의 열분해유는 기껏해야 산업용 보일러나 농가용 보일러 연료유로밖에 쓰지 못하지만 후처리 기술을 통하면 비점에 따라 석유화학 제품 원료가 되는 나프타, 항공유, 디젤유 등으로 활용할 수 있는 정제유를 얻을 수 있다. SK환경과학기술원의 열분해유 후처리를 통한 열분해 정제유는 수율은 95~100%다.

이날 기술원 연구동 내 고온고압촉매실험실에서는 열분해유를 대상으로 다양한 온도, 압력, 촉매를 가한 뒤 나타나는 변화들이 집중 모니터링되고 있었다. 어떤 환경에서 가장 이상적으로 불순물 농도가 낮아지는지, 원유 정제유에 가장 가까운 성질이 얼마나 발현되는지 등을 알아보는 과정이다. 조성이나 불순물 함량 차이가 제각각인 열분해유를 처리하는 것이 쉽지 않다. 최적화된 온도, 압력, 촉매를 찾아는 게 경쟁력이 된다.

SK는 다양한 후처리 기술을 연구해 최대한 다양한 용처의 열분해 정제유를 얻고자 한다. 그 바탕에는 이미 수 십 년간 수 많은 원유를 정제하고 연구해 온 노하우가 축적돼 있다.

SK환경과학기술원의 후처리 기술이 상용화되면 열분해유의 활용처가 대폭 늘어날 수 있다. 경제성도 그만큼 더욱 높아질 것이란 기대다.

열분해유를 바라보는 SK환경과학기술원의 시야는 훨씬 더 넓고 장기적이다. 현재는 폐비닐을 위주로 재활용하고 있지만 폐비닐 외 나일론, 기타 플라스틱류 등 전반을 활용할 방법도 연구중이다. 환경부는 열분해유를 만들기 위해 활용하는 폐플라스틱 양을 2030년까지 90만톤 수준으로 늘린다는 계획이다.

박민규 SK이노베이션 환경과학기술원 PL(프로젝트리더)은 "지금은 '피드전쟁'이란 말이 나올 만큼 열분해유를 만들기 위한 쓰레기 자원을 대량으로 구하기가 점점 더 어려워지고 있다"며 "대량의 열분해유를 한 번에 처리할 수 있다면 경제성도 더 높아질 것이고 이를 위해 다양한 폐기물 자원을 쓸 수 있도록 그 성질에 대해 계속 연구하고 있다"고 말했다.

SK환경과학기술원 내 후처리 파일럿 공장은 연간 100톤의 열분해유를 처리하는 것이 목표다. 여기서 습득한 상용화 기술과 데이터를 토대로 울산에 짓게 될 공장의 열분해유 후처리 1차 목표는 연간 15만톤이다. 기술원 측이 예상하는 열분해유 회수율 70%를 가정하면, 이를 위해 필요한 폐플라스틱 양은 약 21만톤으로 예상된다. 약 110만 배럴의 원유를 이 폐플라스틱으로 대체하는 셈이다.





포켓몬빵 먹고 남는건 스티커뿐? 봉지 10㎏→석유 6㎏ 뽑아낸다

#. 품절 대란을 겪고 있는 포켓몬빵에는 빵과 띠부띠부씰(떼었다 붙였다 하는 씰)만 있는 게 아니다. 빵과 스티커를 꺼내고 나면 이를 포장하고 있던 비닐 봉지가 남는다. 우리나라 가정에서 이런 식으로 배출되는 비닐쓰레기는 1년에 약 44만6161톤(2020년 기준)에 달한다.

비닐은 PE(폴리에틸렌), PET(페트) 등으로 이뤄진 석유화학 물질이다. 지금까지 비닐쓰레기는 태우고 땅에 묻는 것 말곤 별다른 처리 방법이 없었다. 하지만 이젠 달라졌다. 포켓몬빵 봉지와 같은 비닐쓰레기에서 석유를 뽑아내는 기술이 나왔다. 이른바 '플라스틱 유전'을 가능케 한 열분해유 기술이다. 폐플라스틱 열분해유 공정으로 석유화학제품을 만들면 폐플라스틱을 태우는 방식에 비해 2배 이상 온실가스 감축 효과가 있는 것으로 나타났다.

■ 폐비닐→열분해유 "목표는 80%"

24일 환경부와 한국환경공단, SK이노베이션 환경과학기술원 등에 따르면 현재 폐비닐을 통한 열분해유 생산수율은 50~60%로 추산된다. 폐비닐은 PE와 PET, 접착제 등을 쉽게 분리할 수 없는 탓에 폐플라스틱 열분해유 공정에 주로 쓰인다. 폐비닐 1톤을 투입해 가열하고 촉매 반응을 거치면 최대 600㎏의 열분해유를 만들 수 있다는 얘기다.

이렇게 나온 열분해유를 곧바로 석유화학 공정에 투입할 수는 없다. 열분해유는 불순물이 많이 섞인 탓에 설비를 망가뜨리고 제품 불량을 불러올 수 있다. 공정 투입을 위한 후처리를 거치면 열분해유의 95% 수준의 공정 투입용 열분해유를 만들 수 있다. 열분해유 600㎏를 가정할때 570㎏ 정도다.

SK이노베이션 관계자는 "기존 공정에 들어가는 원유에 열분해유를 섞어 투입하는 방식으로 현재 휘발유와 경유, 납사 등 석유화학 제품 원료를 만드는데 성공했다"고 설명했다. 다만 열분해유는 원유에 비해 염소, 질소 등 함량이 높은 탓에 희석한 뒤 원유에 투입하고 있다. 앞으로 기술 개발의 관건은 원유에 투입하는 열분해유 비중을 늘리면서 최대한 설비에 무리를 주지 않는 것이라고 한다.

김태진 SK이노베이션 환경기술연구센터장은 "열분해유 반응기를 끄지 않고 열처리를 이어가면 궁극적으로는 투입하는 폐비닐 양의 80%까지 열분해유를 만들 수 있을 것"이라며 "폐플라스틱은 지역이나 계절, 환경 등에 따라 불순물 등 상태가 달라지는데 이를 석유화학 공정 요구 스펙에 얼마나 적합하게 맞추는 지가 연구의 관건"이라고 했다.

■ '탄소중립 치트키' 열분해유

폐비닐에서 생산한 열분해유을 단계별로 나눠놓은 모습. 열분해유는 후처리를 거쳐 공정 투입용 원유로 만들고, 재생 납사(나프타)까지 석유화학 제품 생산이 가능하다. /대전=이기범 기자 leekb@

비용만 놓고 보면 열분해유를 만들어 투입하는 것은 기존 석유화학 공정보다 오히려 비싸다. 폐플라스틱에 열을 가하고, 불순물을 제거하는 과정에서 기체로 사라지는 성분 손실과 에너지 손실 등은 모두 경제성을 떨어트리는 요인이 된다. 쉽게 말하면 배럴당 100달러를 넘어선 원유라도 열분해유에 비해선 '싼 재료'라는 얘기다.

그럼에도 열분해유 시장이 주목받는 것은 탄소배출 감축 의무와 기업의 환경적·사회적 책무 때문이다. 전 세계적으로 설정된 2050년 탄소중립 목표에 비춰보면 열분해유라는 탄소배출 저감 기술을 무시하기 어렵다.

SK이노베이션이 한국기후변화연구원(KRIC)와 공동개발해 환경부 배출량 인증위원회로부터 승인받은 '폐플라스틱을 활용한 열분해 정제유를 석유정제제품 원료로 사용하는 방법론'에 따르면 폐플라스틱 1톤(t)을 열분해유로 사용할 경우 폐플라스틱을 소각하는 것보다 2톤 이상 이산화탄소가 줄어드는 것으로 나타났다.

현재 폐비닐의 처리방식인 소각에는 가열을 위한 연료와 폐비닐이 타는 과정에서 △이산화탄소(CO₂) △메탄(CH₄) △아산화질소(N₂O) 등 온실가스가 배출된다. 열분해유 공정은 기존 사업에 비해 온실가스를 감축·흡수·제거가 가능한데 폐플라스틱 1톤을 기준으로 비교하면 열분해유 활용이 소각에 최대 2.7톤까지 이산화탄소 감축효과가 있는 것으로 추산됐다.

■ 독일·네덜란드·일본 멈췄던 열분해유 산업 재시동

한정애 환경부 장관이 21일 오후 인천시 서구 수도권매립지 내 폐플라스틱 유화 실증연구 플랜트 현장을 찾아 폐플라스틱 열분해 과정을 살펴보고 있다. /사진제공=환경부

우리나라뿐만 아니라 독일과 네덜란드, 일본 등 해외 주요 석유화학 업계도 폐플라스틱 열분해유 기술 개발에 박차를 가하고 있다.

폐플라스틱 열분해유 시장은 1990년대초 일본과 유럽, 미국 등 나라에서 싹트기 시작했다. 당시 기술은 폐플라스틱을 중질유로 만들어 산업용 난방 등에 쓰는 데 초점을 맞췄다. 하지만 폐플라스틱 원료 수급이 어려워지고 열분해유의 열효율이 떨어지는 탓에 2000년대 들어 기술개발과 상업화가 중단됐다.

최근 들어 다시 열리기 시작한 열분해유 시장은 석유화학 제품의 원료와 수소·메탄올 합성 소재 등 열분해유를 통한 고급 소재 개발에 집중돼 있다. 독일의 바스프(BASF)는 2023년 가동예정인 열분해 오일 플랜트를 건설 중이고, 네덜란드의 사빅(SABIC)은 지난해 하루 2만톤의 생산 능력을 갖춘 열분해 오일 플랜트를 만들었다.

일본의 에바라(Ebara-Ube)와 캐나다의 에너켐(Enerkem) 역시 하루 생산량 300톤 규모의 열분해유 시설을 각각 2기, 1기씩 상업운전하고 있다. 이들 기업 모두 기술고도화를 통해 오일과 합성가스 생산수율을 극대화하고 열분해유 정제를 거친 납사(나프타) 생산을 목표로 삼고 있다.

우리 정부도 지난해 말 발표한 'K(한국형)-순환경제 이행 계획'을 통해 2020년 1만1000톤 수준인 열분해유·가스생산량을 2030년까지 연간 90만톤까지 늘리고, 버려지는 폐플라스틱의 열분해 비중을 2020년 0.1%에서 10%로 끌어올릴 계획이다. 이를 위해 지방자치단체와 순환자원유통지원센터, 업계 간 폐플라스틱 공급계약을 체결하고 열분해유 지원금을 신설하는 등 제도적 지원을 추진 중이다.



"SK, 열분해유 후처리 기술 선도···2025년 상용화 목표"

김태진 SK이노베이션 환경기술연구센터장 /사진=대전=이기범 기자 leekb@

"2025년까지 후처리된 열분해유 상용화를 목표로 하고 있다. SK가 수 십 년 간 쌓아온 정제 및 석유화학 R&D(연구개발) 역량을 바탕으로 이 시장을 선도하겠다."

김태진 SK이노베이션 환경과학기술원 환경기술연구센터장은 지난 18일 기자와 만나 SK가 집중 연구중인 열분해유 후처리 기술에 대해 이같이 강조했다.

열분해유는 비닐봉지 등 폐플라스틱을 300~800도 고온에서 가열을 통해 가스, 오일 등으로 분해해 만들어낸 원유 성상의 기름을 뜻한다. 열분해유 내 포함된 염소, 황 등 다양한 불순물을 제거하는 과정을 열분해유 후처리하고 한다. 후처리까지 거친 열분해유는 납사, 경유, 중유 등 고품질 연료유 및 석유화학 제품 공정에 투입이 가능해진다.

SK이노베이션의 자회사 SK지오센트릭은 현재 단일재질로 이뤄진 페트(PET) 등을 대상으로 하는 물리적 재활용은 물론 복합재질로 이뤄진 플라스틱을 대상으로 화학적 재활용도 추진한다.

화학적 재활용을 위해 필요한 용매추출, 해중합, 열분해 기술을 모두 확보했다. 이를 통해 2027년까지 SK지오센트릭이 국내외에서 생산하게 될 플라스틱 최소 250만톤 이상에 대해 100% 재활용하겠다는 계획이다. '플라스틱 재활용 끝판왕'이 되는 셈이다.

열분해유 후처리 기술은 매립이나 소각될 수 밖에 없는 다양한 폐비닐을 원유로 재활용 할 수 있단 점에서 각광받는다. 재활용이 까다로운 'OTHER' 표시가 붙은 비닐도 열분해유대상이다.

김 센터장은 "플라스틱마다 특성이 모두 달라 각 개체별로 가장 에너지가 적게 드는 방법들을 다양하게 개발하고 있다"며 "특히 열분해유는 불순물이 많이 포함돼 제대로 정제하는 방법들에 대한 연구가 이제 막 시작단계인데, SK는 해외 기술을 들여오는 방법은 물론 30년 넘게 석유화학 사업을 해온 경험에서 얻은 자체 기술을 통해 좀 더 빨리 정상에 도달할 것"이라고 말했다.

원유가 사우디아라비아, 러시아 등 생산지마다 성상이 다르듯 폐플라스틱도 다 같은 폐플라스틱이 아니다. 어느 국가, 어느 지역에서 들여온 것인지에 따라 성질과 오염 수준이 다를 뿐더러 심지어 같은 장소에서 들여오는 폐플라스틱이라 하더라도 계절에 따라 상태가 제각각이란 점이 물성 연구에 어려운 점이다. 이 성질을 빨리 파악하고 각각에 맞는 최적의 열분해유 정제 기술을 쓰는 것이 경쟁력이 될 수 있다.

김 센터장은 "폐플라스틱을 분리하는 단계에서 인공지능(AI)이나 디지털 전환(DT) 등을 적용할 수 있는 방법들이 개발되면 경쟁력을 더욱 높일 수 있을 것"이라고 말했다.

SK이노베이션 환경과학기술원은 폐플라스틱을 다양한 연료유·원료유로 활용하기 위해 후처리 뿐 아니라 열분해유 자체에 대한 R&D도 진행중이다. 피드, 즉 원재료에 대한 이해는 효율을 높이는데 필수다. 따라서 추후 열분해유를 중소기업들을 통해 조달받는 방법 외 직접 생산도 병행한다.

투입되는 비용만 놓고보면 현재 열분해 정제유가 실제 원유 대비 높은 경제성을 갖기란 쉽지 않다. 고난이도 기술과 장비들이 필요하기 때문인데 탄소중립을 위해선 반드시 가야 할 길이다. 초기 시장이 열리려면 정부의 적절한 지원과 대중의 인식 개선이 필요하다.

김 센터장은 "초기에 보조금을 통해 전기차 시장을 키우려는 노력과 마찬가지로, 후처리 열분해유 시장도 지금부터 경제성 잣대를 들이대면 살아남기 쉽지 않을 것"이라며 "그럼에도 불구하고 경제성을 최대한 높이기 위해 열분해유를 최대한 용도에 맞게 재활용할 수 있는 각종 방안들을 다각도로 연구하고 있다"고 말했다.

이어 "국내는 물론 전세계적으로 봐도 이 시장은 이제 막 경쟁에 진입한 상황이어서 우열을 가리기 어렵다"며 "SK가 빨리 시장에 뛰어든 만큼 표준도 개척하고 원료도 선점한다면 충분히 시장을 선도할 수 있을 것"이라고 강조했다.