2022.06.29 (수)

FOCUS

수소, 버린 플라스틱에서 얻는다

정부, 폐플라스틱 열분해 기술 적극 활용 추진
회분식과 연속식으로 나눠지는 폐플라스틱 열분해
리보테크, 국내 유일 연속식 상업화 운영 중
가스, 오일, 차 등 원료의 90% 이상 에너지원 생산

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[월간수소경제 박상우 기자] 환경부 산하 한국환경공단이 지난 1월에 발표한 자료에 따르면 2020년 가정에서 분리 배출된 폐합성수지는 3,065톤으로 전년 대비 17.7% 늘었다. 코로나19 확산에 따른 집콕 일상화로 음식배달이 75.1%, 택배주문이 19.8% 급증하면서 폐플라스틱 발생량이 14.6%, 폐비닐 발생량이 11% 증가했기 때문이다.

 

정부는 늘어나는 플라스틱 생활폐기물을 줄이고 해양 플라스틱과 같은 환경문제를 해결하기 위해 지난 2020년 12월 ‘생활폐기물 탈(脫)플라스틱 대책’을 확정·발표했다.

 

정부는 이번 대책을 통해 2025년까지 플라스틱 폐기물을 20% 줄이고 분리 배출된 폐플라스틱 재활용 비율을 현재 54%에서 2025년까지 70%로 상향시킬 계획이다. 중장기적으로는 석유계 플라스틱을 줄여 온실가스 배출량을 2030년까지 30% 줄이고 2050년까지는 산업계와 협력해 석유계 플라스틱을 100% 바이오 플라스틱으로 전환한다는 목표다.

 

폐플라스틱 열분해 활용 확대 추진
정부는 폐플라스틱의 소각과 매립을 최소화하고 재활용 비율을 높이고자 폐플라스틱 열분해 기술을 적극적으로 활용하기로 했다. 

 

 

폐플라스틱 열분해 기술은 무산소 조건에서 직간접 가열(300~800℃)을 통해 폐플라스틱을 가스, 오일 등으로 분해하는 기술이다. 이를 통해 만든 열분해유로 납사, 경유 등 석유화학제품을 만들 수 있고 합성가스는 개질·추출해 수소 등을 생산할 수 있다. 

 

환경부는 지난해 6월 산업계, 학계, 연구기관이 참여하는 민간전문가 전담반을 구성해 ‘폐플라스틱 열분해 활성화 방안’을 내놓았다.

 

정부는 2025년까지 전국에 연간 4만 톤의 폐플라스틱을 처리할 수 있는 열분해 시설 10개를 시범 설치하고 2030년까지 최소 45개 지자체로 확대할 계획이다.

 

현재 폐플라스틱 열분해 시설을 구축한 업체는 20여 개이며 이 중 저온 열분해기술로 저품질 연료유를 생산하는 업체는 11곳이다. 이 중 연간 2,000톤 이상 처리하는 업체는 3개에 불과하다. 8개 업체는 상황에 따라 간헐적으로 운전하며 연간 1,000톤 이하의 폐비닐을 처리하고 있다. 

 

또 정부는 부산시 강서구 국제산업물류산단에 국비 500억 원을 투입해 폐플라스틱으로 메탄올이나 석유원료인 납사와 친환경연료인 수소생산기술의 실증화를 지원하기 위한 자원순환 클러스터를 세우기로 했다. 이 클러스터는 이르면 내년에 완공될 예정이며 환경부가 사업을 직접 수행하고 운영한다. 

 

이와 함께 석유·화학기업이 폐플라스틱 열분해유를 납사, 경유 등 석유제품으로 재활용할 수 있도록 폐기물관리법 하위법령과 매립시설 설치 의무 대상 산업단지에 매립시설부지의 50% 범위에서 열분해시설 등의 입지를 허용할 수 있도록 폐기물시설촉진법 시행령을 개정한다.

 

여기에 석유·화학기업이 폐플라스틱 열분해유를 석유제품 원료로 활용하면 온실가스 감축 효과를 고려해 탄소배출권을 인정받을 수 있도록 관련 지침도 개정할 방침이다.

 

아울러 폐플라스틱으로 만든 합성가스(일산화탄소와 수소 혼합기체)를 원료로 메탄올, 암모니아 등을 생산하거나 수소를 개질・추출해 수소차 충전, 연료전지 발전에 활용하는 것도 지원할 계획이다.

 

이를 통해 현행 폐플라스틱 열분해 처리 규모를 연간 1만 톤에서 2025년 31만 톤, 2030년 90만 톤으로 확대할 방침이다. 또 폐플라스틱 발생량 중 열분해 처리 비중을 현행 0.1%에서 2025년 3.6%, 2030년 10%로 높인다.

 

 

환경부는 이 방안에 따라 지난 3월 ‘폐기물관리법 시행규칙’ 등 3개 자원순환 분야 하위법령 일부개정안을 입법예고했다. 

 

이 개정안의 핵심은 폐플라스틱 열분해유를 석유화학제품의 원료로 재활용할 수 있도록 재활용 가능 유형을 추가해 필요한 법적 기준을 완비하고 열분해 과정에서 생산된 합성가스에서 수소를 개질·추출해 연료전지, 수소차 충전 등에 활용할 수 있게 되는데 이를 재활용 가능 유형에 구체적으로 명시했다. 

 

먼저 소각시설 내 규정된 열분해(가스화)시설을 ‘열분해 소각시설’로 변경하고 종류, 기밀성, 온도, 압력 조절 등 재활용시설 내 열분해시설 설치기준을 규정했다 

 

또 재생 이용할 수 있는 상태로 만들거나 재생 이용하는 유형에 열분해 방법과 열분해유를 석유 및 석유화학제품의 원료로 활용할 수 있도록 규정하고 열분해 방법으로 기체 연료를 만드는 유형에 수소를 명시적으로 규정해 수소를 제조하는 경우도 인정하기로 했다.

 

폐합성수지류 폐기물의 재활용 가능 유형에 △열분해유를 석유 및 석유화학제품의 원료(납사, 중질유 등) 활용 △열분해유·합성가스를 수소로 제조하여 원료(메탄올 등) 활용 △열분해유·합성가스를 수소로 제조하여 연료(수소차, 연료전지)로 활용을 추가했다.

 

W2H 사업 적극 추진 중인 업체들
이에 업체들은 폐플라스틱 열분해 기술을 활용해 수소를 생산하는 사업을 추진하고 있다. 

 

먼저 한국지역난방공사는 자체 수소생산기술을 확보해 안정적인 수소생산 기반을 마련하고자 한국판 뉴딜 40대 중점 프로젝트로 선정된 W2H(Waste to Hydrogen) 사업을 추진하고 있다. 

 

이 사업은 폐비닐·폐플라스틱을 열분해해 청정유를 생산하는 1단계 청정유생산(W2O, Waste to Oil)과 청정유를 개질해 수소를 생산하는 2단계 수소생산(O2H, Oil to Hydrogen)으로 구성된다.

 

한국지역난방공사는 1단계 청정유생산(W2O) 사업 추진을 통해 지난 2020년 청정유 생산에 성공했고, 지난해에는 환경신기술(NET) 인증을 취득하고 실증 시험도 시행해 청정유의 신뢰성 및 기술 타당성을 확보했다.

 

이와 함께 열분해 청정유을 활용해 수소를 생산하는 2단계 수소생산(O2H) 기술개발에도 속도를 높이고 있다.

 

이미 열분해 청정유에서 청정수소 전환시험에 성공했고, 향후 상용화를 위해 수소생산 기술의 안정화와 발전사업을 위한 규모 확대 등 기술 고도화를 추진 중이다. 

 

그 일환으로 한국지역난방공사는 에이치앤파워와 협업해 폐비닐 열분해유에서 수소를 추출하는 실험을 진행했고 지난해 12월 수소를 추출하는데 성공했다.  

 

 

에이치앤파워가 보유한 가솔린 개질 기술을 응용, 수증기와 산소를 동시에 반응시키는 자열개질방식을 국내 최초로 적용해 사용 연료 대비 수소 전환효율 85%라는 세계 최고 효율을 달성했다. 이를 가지고 수소개질기의 성능 향상 및 고도화를 목표로 하는 2단계 연구를 진행할 예정이다.

 

한화건설은 지난 5월 한국에너지기술연구원과 폐플라스틱 열분해유 등을 이용한 가스화 수소생산 핵심기술 개발을 위한 업무협약을 체결했다.

 

이 협약은 한국에너지기술연구원이 보유한 가스화 공정 기술을 활용해 수소생산 핵심기술을 확보하고 이에 대한 실증사업 수행과 더불어 한화건설의 수소생산 신사업 개발 확대를 위해 추진됐다.

 

양 기관은 폐플라스틱 열분해유 등을 이용한 가스화 공정 활용 수소생산 기술 개발과 플랜트 안전관리를 위한 통합안전관리 시스템 기술 개발 등에 적극적으로 협력하고, 지속적인 기술 교류를 통해 추가 협력 분야를 논의하게 된다.

 

국내 유일 연속식 기술 상업화한 리보테크
이같이 떠오르고 있는 폐플라스틱 열분해 기술은 크게 회분식과 연속식으로 나뉜다.

 

전통방식인 회분식은 약 10톤의 폐플라스틱 덩어리 한 개를 넣어 하루 12~14시간 동안 열분해해 오일을 얻는다. 기술이 단순해서 초기 투자비가 저렴하고 운전이 유연하며 장애 시 대처가 쉽다. 

 

그러나 열분해 후 남은 찌꺼기를 수작업으로 제거해야 하고 악취와 오염물질을 배출하기 때문에 작업 강도가 크고 기본적으로 1일 1회 운전하는 방식이어서 용량을 확대하는 데 한계가 있다. 또 1회 운전을 위해 가열과 냉각을 반복하기 때문에 에너지 소모가 많고 그 영향으로 설비 수명이 빨리 단축된다. 아울러 폐기되는 잔사물 양이 많고 생산물의 질이 낮다. 

 

연속식은 압축해서 만든 폐플라스틱 덩어리를 풀어헤쳐 조금씩 지속적으로 투입하기 때문에 대용량 처리가 가능하고 장시간 안정적으로 운전할 수 있으며 생산한 가스를 자체 열원으로 재사용하므로 경제성 확보에 유리하다. 생산물 수요에 따라 오일과 가스의 생산수율을 조절할 수 있고 실시간으로 원자재 투입량이나 생산물의 물질수지를 조절할 수 있다. 

 

그러나 전처리 및 고도 반응 공정 추가 등으로 투자비가 상대적으로 크고 장애 시 대처 능력이 미흡하다. 이 연속식을 국내에서 유일하게 상업운전하는 곳이 바로 리보테크다. 

 

 

경북 문경 가은읍에는 1994년 폐광될 때까지 56년간 은성탄광에서 일하다 순직한 광부들의 고귀한 희생정신을 담은 ‘산업전사의 탑’이 있다. 그 탑 옆에 있는 산길을 오르다 보면 리보테크가 나온다. 

 

리보테크를 찾았을 때 기온이 31도에 달할 정도로 매우 무더웠다. 그래서 폐비닐 고유의 악취가 공장 외부까지 날 줄 알았는데 전혀 그렇지 않았다. 이 때문에 공장 외부만 보면 폐기물처리업체가 아닌 일반 제조시설로 여겨진다.

 

리보테크는 2005년부터 연속식 열분해 설비를 가동해왔으나 기술적 결함을 극복하지 못해 시스템 가동을 중단하다가 지난 2018년 현 리보테크를 이끄는 전옥연 CEO가 회사를 인수했다.

 

전옥연 CEO는 “전임 사장이 기술적 결함을 극복하지 못해 설비를 가동할 수 없으니 공장을 계속 가지고 있는 것이 무의하다며 인수를 제안했고, 향후 열분해 기술이 꼭 필요한 시기가 오겠다고 생각해 인수했다”라면서 “인수 후 33년간 삼성과 두산에너빌리티에서 열병합발전설비와 생활폐기물 소각로 시설 시운전 및 운영을 담당해온 황병직 대표이사가 합류했으며 2018년 9월부터 2019년 12월 말까지 1차 기술개발을 완료했다. 연속운전은 2019년 12월 말에 성공했으며 그 이후에 기술이 계속 진보해서 지금에 이르렀다”고 말했다.

 

연속식 열분해 공정은 자동화하지 않으면 구현하기 어려울 정도로 복잡하다. 그래서 리보테크는 폐비닐을 투입하는 과정을 제외한 모든 과정을 자동화했다. 설비는 월요일부터 금요일까지 5일간 24시간 연속으로 가동하고 주말에는 멈춘다.

 

황병직 대표이사는 “기술개발을 하고 상업화를 했지만 지리적 여건 등으로 생산되는 가스를 처리하는 양이 적어서 인력을 2교대(12시간씩)로 운영하고 있다”라며 “월요일에 가동을 시작하면 2시간 후에 화로가 다 달궈지는데 그 이후부터 5일 동안 24시간 연속 가동한다”고 설명했다.

 

 

먼저 압축해서 만든 폐비닐 덩어리를 기계를 통해 풀어헤친다. 이는 열분해 효율을 높이기 위해서다. 풀어헤친 폐비닐을 크레인을 통해 원료 투입구에 넣는다. 폐비닐 투입은 조금씩 지속적으로 이뤄진다. 이 원료 투입구에는 산소 유입을 차단하는 기술이 적용됐다. 

 

유동수 관리이사는 “열분해는 무산소 환경에서 간접적으로 열을 가해 폐비닐의 탄소고리를 끊어서 용융시키는 것인데 이 과정에 산소가 유입되면 산화가 돼서 소각되기 때문에 원료 투입단과 생산물 배출단에 공기가 들어오지 못하도록 차단한다”고 설명했다.

 

그래서 원료 투입부와 생산물 배출부에 산소 유입을 방지하는 것이 핵심기술이다. 투입된 폐비닐은 열분해로로 들어간다.

 

열분해로에는 온도가 각각 다른 4개의 스크류가 있다. 이때 화실의 온도는 650도에서 720도로 유지된다. 폐비닐이 4개의 스크류를 통과할 때 유증기가 만들어진다. 유증기는 덕트를 통해 설비 외부로 배출된다. 이때 유증기의 온도는 350도이며 이를 냉각시켜 첫 번째 생산물인 오일을 만든다. 이 과정에서 응축되지 않은 가스는 합성가스로 만들어진다. 열분해로를 통과한 폐비닐은 최종 배출물인 차(Cha)로 배출된다. 

 

 

이 모든 과정이 총 2시간 정도 소요된다. 하루에 처리하는 폐비닐양은 평균 10톤 정도이며 최대 20톤까지 처리할 수 있다. 생산수율은 가스가 평균 50%, 오일이 35~40%, 차가 10%다. 즉 폐비닐 1톤을 넣으면 오일의 경우 350~400kg 정도 만들어지는 것이다. 또 투입량의 90% 이상이 에너지 원료로 재탄생하는 것이다.

 

생산된 오일은 외부에 있는 2개의 저장탱크에 저장된다. 탱크의 총 저장용량은 4만6,000리터이며 저장된 오일은 재생유나 납사를 만드는 곳에 원료로 판매된다. 참고로 회분식 공정으로 만든 오일은 정제를 거쳐서 판매된다.  

 

가스는 생산량의 40%가 시스템 가동 등에 사용되고 나머지는 저장탱크에 저장된다. 이 가스는 회분식 공정으로 만든 가스보다 성분이 일정하다. 그래서 국내에서 유일하게 열분해 가스로 수소를 생산하는 테스트를 진행할 수 있다. 

 

유동수 관리이사는 “가스로 수소를 만들 때 기본 전제가 가스 성분이 일정해야 한다는 것이다. 일정해야만 정제와 개질을 할 수 있다”라며 “가스 성분은 온도에 민감하다. 회분식은 가열과 냉각을 반복하는데 그 과정에서 가스 성분이 변하고 바뀌기 때문에 성분이 일정한 가스가 나오기 힘들다. 그래서 회분식에서 나오는 가스로는 수소를 만들 수 없다”라고 밝혔다. 

 

 

이어 “이런 이유로 회분식은 오일을 끓여서 수소를 추출하는데, 이때 에너지를 다시 써야 한다”라며 “반면 연속식은 합성가스로 수소를 바로 만들기 때문에 경쟁력이 있다”라고 설명했다.

 

유 이사는 “연속식으로 만든 가스의 성분은 메탄이 40%, 수소가 10%, 나머지가 기타 성분인데 이것이 일정해서 수소를 만들 수 있다”라며 “1차 정제를 통해 핵심적으로 쓰고자 하는 성분만 남기고 2차로 개질해서 수소를 추출한다”라고 덧붙였다.

 

여기에 메탄이 많아 수소생산 수율이 바이오가스보다 2~3배 높다.  

 

황병직 대표이사는 “바이오가스의 경우 집어넣은 양의 10%가 수소로 나오지만, 열분해 가스는 메탄이 많아 집어넣은 양의 20% 이상, 최대 33%까지 나오는 것으로 보고 있다”며 “이를 감안해 하루 20톤의 폐플라스틱을 열분해하면 하루 2~3톤의 수소가 나올 것으로 예상된다”라고 설명했다. 2~3톤의 수소는 2MW급 연료전지발전소를 하루 동안 운영할 수 있는 양이다.

 

 

이에 두산에너빌리티는 지난해 5월 리보테크와 MOU를 맺고 폐플라스틱 열분해 가스에서 수소를 개질하는 핵심설비와 공정 개발을 진행했다.

 

두산에너빌리티는 연속식 열분해 기술이 원료의 지속 투입으로 연속 생산을 할 수 있어 처리 규모를 쉽게 확대할 수 있고 경제성도 확보할 수 있다고 봤다.

 

두산에너빌리티는 하루 약 0.3톤의 수소를 생산할 수 있는 수소개질기를 개발해 리보테크의 열분해 시설에 설치하고 하루 3톤 이상의 수소를 생산할 수 있는 기술을 상용화하기 위한 실증과제를 수행하기로 했다.

 

두산에너빌리티가 수소개질기를 설치하고 있을 때 한국서부발전이 참여 의사를 밝혔다. 이에 리보테크, 한국서부발전, 두산에너빌리티는 지난해 10월 ‘폐플라스틱 수소생산·발전 기술개발 및 사업화 업무협약’을 체결했다. 

 

이같이 3사가 진행한 실증사업은 지난 3월에 종료됐다. 그로부터 3개월 뒤 리보테크는 제이엔케이히터와 열분해 가스 정제·개질 수소화 사업 업무협약을 체결했다. 

 

 

제이엔케이히터는 열분해 가스를 정제, 개질해 수소를 생산하는 핵심설비를 리보테크의 열분해 시설에 설치하고 수소 관련 신규사업을 리보테크와 공동으로 추진하기로 했다.

 

제이엔케이히터는 기존 수소추출기와 수소충전소 사업에 더해 폐자원을 활용한 수소생산 사업에 진출해 그간 추진해 오던 수소에너지 관련 사업과 시너지효과를 기대할 수 있게 됐다. 

 

전옥연 CEO는 “제이엔케이히터와 올해 실증사업을 진행한 후 이르면 내년 하반기부터 상용화를 추진할 계획”이라고 밝혔다. 이와 함께 직매립금지와 소각금지로 인해 대안을 찾고 있는 지자체에 해당 기술 제공을 추진하고 합성가스를 활용한 가스엔진발전 등을 검토하고 있다. 

 

아울러 연속식 열분해의 최종 배출물인 차(Cha)도 활용할 수 있다. 파우더 형태로 생산되는 차는 발열량이 석탄보다 높은 4,000~5,000kcal인 데다 중금속이 없는 탄소 덩어리이기 때문에 발전소, 탄소섬유 등에 원료로 사용할 수 있다.

 

리보테크는 해당 공정의 원료를 현재 폐비닐에서 종이, 기저귀, 고무 등 생활쓰레기로 확대할 계획이다.

 

황병직 대표이사는 “매년 900만 톤의 생활쓰레기를 소각하는데 그중 50~60%가 열분해가 가능한 물질”이라며 “생활용품은 사람이 먹고 쓰는 것이기 때문에 인체에 해로운 물질이 없어 열분해 가스에서 타르, 황화수소 등 유해물질량이 열분해유를 통해 만든 가스보다 훨씬 적다”라고 덧붙였다.

 

 

무엇보다 회분식 공정과 연속식 공정이 나란히 성장할 수 있도록 정부의 균형적인 지원이 필요하다고 황 대표이사는 말했다.

 

황 대표이사는 “연속식 공정으로 만든 가스를 수소생산용이나 발전용 등으로 활용할 수 있는데 자금이 많지 않아 관련 설비를 설치하고 싶어도 못하고 있다”라며 “또 하루 처리용량을 30톤으로 확대하기 위한 설계를 완료했지만, 정부의 실질적인 지원이 없어 아무것도 못하고 있다”라고 운을 뗐다.

 

이어 “서울로 가는 길이 여러 갈래듯 기술도 2~3가지 정도는 키워야 한다”라며 “그래서 국가가 각자 자신의 기술개발에 집중할 수 있도록 통제를 해야 하는데 그러지 못해 서로의 약점을 가지고 싸우고 있어 열분해 기술개발 속도가 더디다”라고 덧붙였다. 

 

폐플라스틱을 처리하는 방법에는 재활용, 소각, 매립 등이 있다. 이 중 재활용이 66%로 가장 높고 소각이 30%, 매립이 4%를 차지하고 있다.

 

전문가들은 폐플라스틱의 소각과 매립을 최소화하고 재활용 비율을 높이기 위해선 물질재활용 비중을 높이고 친환경적이고 경제적인 열화학적 처리 비중을 높여 소각 비중을 낮출 필요가 있다며 폐플라스틱 열분해 기술이 좋은 대안이 될 수 있다고 조언한다.

 

정부도 이 점을 인지하고 폐플라스틱 열분해 기술을 적극적으로 활용하기 위해 분주히 움직이고 있다. 정부의 바람대로 폐플라스틱 열분해 기술이 활성화되기 위해서는 균형적인 지원이 필요하다. 





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