2021.10.07 (목)

TREND

폐플라스틱이 수소로 재탄생한다

플라스틱 14%만 재활용되고 나머지는 매립・소각
폐플라스틱서 청정유 생산, 청청유서 수소 추출
환경부, ‘폐플라스틱 열분해 활성화 방안’ 발표
지역난방公・두산・SK, 폐플라스틱 수소화 사업 추진

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[월간수소경제 이종수 기자] 일상생활에서 사용되는 제품은 대부분 석유화학으로 만들어진 플라스틱이다. OECD 보고서에 따르면 천문학적인 양으로 사용되는 플라스틱 중 단 14%만이 재활용되고, 62%는 매립, 24%는 소각된다. 소각 시에는 NOx(질소산화물) , SOx(황산화물) 등의 오염물질이 발생하고, 약 500년 동안 썩지도 않아 환경오염의 주범이 되고 있다.


이에 따라 등장한 개념이 순환경제다. 대량생산-소비-폐기로 이어지는 기존의 선형 경제에서 벗어나 생산-소비-회수-재활용으로 이어지게 하는 선순환 경제구조를 만드는 것을 말한다. 

프랑스가 지난해 1월부터 플라스틱 접시 등 일회용품 사용을 전면 금지하는 한편 영국이 플라스틱 포장세 도입(2022년)을 발표하는 등 세계 주요국들은 플라스틱 순환경제를 강력하게 추진 중이다. 특히 EU 회원국은 2030년까지 모든 플라스틱 포장재를 재활용하겠다고 선언했다. 

우리나라도 자원순환기본법, 자원순환기본계획 등을 통해 순환경제를 추진해오고 있다. 최근 기업들이 ESG 경영 차원에서 폐플라스틱・폐비닐 등 폐기물 재활용 사업에 적극 나서고 있다.  

폐기물 재활용은 ‘물질 재활용’, ‘화학적 재활용’, ‘열적 재활용’으로 구분된다. ‘물질 재활용’은 폐플라스틱을 물리적으로 가공해 다시 플라스틱을 생산하는 것이다. ‘화학적 재활용’은 탄화수소 등의 성분으로 분해해 재활용하는 것으로, 주로 열분해 및 화학 반응 공정을 거친다. ‘열적 재활용’은 폐플라스틱을 연료화하는 것으로, 대표적으로 고형연료(RDF, RPF)가 있다.   

최근 ‘탄소중립’과 ‘수소경제’가 화두가 되면서 화학적 재활용에 속하는 폐플라스틱 수소화 사업이 주목받고 있다. 폐플라스틱에서 청정유를 생산하고, 청정유에서 다시 수소를 추출하는 사업이다. 



이미 일본이 세계 최초로 실증사업에 성공했다. 일본 석유화학기업인 쇼와덴코는 환경성의 ‘폐플라스틱 유래 저탄소 수소를 활용한 지역순환형 수소 자급자족 모델 실증사업’의 일환으로 지난 2018년 6월 폐플라스틱에서 생산한 수소를 도큐REI호텔에 처음으로 공급했다. 

이 호텔은 공급받은 수소로 연료전지를 작동시켜 생산된 전기와 열을 호텔 내 설비와 객실 등에서 활용하고 있다.      

국내에서도 폐플라스틱을 활용한 수소화 사업을 추진하는 움직임이 본격적으로 시작됐다. 
 
폐플라스틱 열분해 기술 ‘각광’
환경부는 폐플라스틱 열분해 처리를 순환경제와 탄소중립 실현을 위한 핵심과제 중 하나로 보고, ‘폐플라스틱 열분해유의 화학 원료 재활용 활성화’를 추진하고 있다. 

열분해는 열의 작용에 의해 화합물이 두 가지 이상의 물질로 분해되는 반응을 말한다. 폐플라스틱 열분해는 폐플라스틱에 열을 가해 고분자의 화합물을 저분자화하여 가스나 액체를 얻는 기술이다. 

열분해는 처음 열을 가할 때 별도의 에너지를 사용하는 것 외에는 오염물질이 나오지 않는 게 장점이다. 

열분해는 반응온도에 따라 저온열분해와 고온열분해로 구분된다. 저온열분해는 500℃ 미만의 열을 약 10시간 이상 가열해 유류나 가스를 얻는 방식으로, 하루 10톤급의 작은 규모로 가동된다. 고온열분해는 800℃가 넘는 열을 가해 짧은 반응시간(2~12초)으로 가스를 얻을 수 있다. 고온방식은 하루 100톤 이상 규모로 가동되고, 투입되는 원료에 대한 전처리(균질)가 필요하다.  

열분해 기술을 활용해 폐플라스틱에서 생산된 열분해유는 석유·화학 제품의 원료로 재활용될 수 있다. 열분해유에서 수소를 생산할 수도 있다. 

최근 폐플라스틱 문제를 해결하기 위한 환경부의 움직임이 빨라졌다. 한정애 장관이 직접 현장을 방문하는 등 폐플라스틱 재활용 활성화에 적극 나서고 있다. 



한정애 환경부 장관은 지난 3월 26일 충청북도 옥천군에 소재한 ㈜에코크레이션 현장을 방문해 폐플라스틱 열분해 기술개발 현황을 점검했다.

방문 시설은 환경부(한국환경산업기술원) 연구개발(R&D) 지원사업을 통해 2019년부터 2년간 총 30억 원이 투자되어 개발된 열분해유 생산 실증설비다.

이 실증설비는 에코크레이션이 한국지역난방공사, 퍼시픽바이오와 함께 개발(운영사: 에코크린)했고, 저급 폐비닐을 열분해하여 고품질 열분해유를 생산하고 있다.

먼저 반응로에 원료(폐비닐 압축)를 투입하면 열분해 반응이 일어나고 촉매탑(왁스 제거), 냉각(가스, 오일 분리), 인화점 조절(30℃ 이상), 이물질(점성물질) 제거, 저장 공정을 거쳐 출하된다.    

한정애 장관은 “폐기물 분야의 탄소중립, 순환경제 실현을 위해 폐플라스틱의 열분해와 화학적 재활용을 높일 필요가 있다”라며 “관련 기반을 조성하기 위해 정부의 지원을 아끼지 않겠다”라고 밝혔다.



또 한 장관은 지난 6월 21일 SK종합화학에서 사업화를 추진 중인 폐플라스틱 열분해 연구시설과 친환경 플라스틱 제품 기술개발 현황을 점검하기 위해 SK이노베이션의 연구시설(대전 유성구 소재)을 방문했다.

SK종합화학은 폐플라스틱을 열분해를 통해 플라스틱 제품의 원료인 나프타로 재탄생시키는 열분해유 제조기술 개발에 주력하고 있다. 지난해 10월에는 SK이노베이션 환경과학기술원과 폐플라스틱에서 생산한 열분해유로 솔벤트와 윤활기유 등의 시제품을 만드는 데 국내 최초로 성공했다.  

아울러 미국 열분해유 전문 생산 업체인 브라이트마크와 폐플라스틱 열분해유의 한국 첫 상용화 및 설비 투자를 검토하는 등 친환경 열분해유 사업을 적극 추진하고 있다. 

환경부는 한 장관이 SK이노베이션 연구시설을 방문한 날 ‘폐플라스틱 열분해 활성화 방안’을 발표했다. 

환경부는 폐플라스틱의 안정적인 처리와 재활용 고도화를 위해 올해 3월부터 산업계, 학계, 연구기관이 참여하는 민간전문가 전담반(TF)을 구성·운영해 ‘폐플라스틱 열분해 활성화 방안’을 마련했다.

활성화 방안의 주요 내용을 보면 먼저 폐플라스틱의 열분해를 통해 석유·화학 기업이 원유를 대체해 나프타, 경유 등 석유제품으로 재활용할 수 있도록 ‘폐기물관리법’ 하위법령을 올해 안으로 개정할 계획이다.

또한 폐기물 매립시설 설치의무 대상 산업단지 내 매립시설 부지의 50% 범위 내에서 열분해시설 등의 입지를 허용하기 위해 ‘폐기물시설촉진법’ 시행령도 개정한다.

석유·화학 기업이 폐플라스틱 열분해유를 석유제품 원료로 활용할 경우에는 온실가스 감축효과를 고려해 탄소배출권(2021년 6월 14일 종가 기준: 1만5,550원/톤)을 인정받을 수 있도록 관련 지침을 개정한다.

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

환경부는 이러한 지원책과 재정사업을 통해 석유·화학 업계, 지자체의 투자와 참여를 이끌어 현행 폐플라스틱 열분해 처리 규모를 연간 1만 톤에서 2025년 31만 톤, 2030년에는 90만 톤으로 확대할 계획이다. 

폐플라스틱 발생량 중 열분해 처리 비중도 현행 0.1%에서 2025년 3.6%, 2030년 10%로 높인다는 계획이다. 

지금까지 열분해유 수요처는 이물질 비중이 높아 소규모 보일러 시설로 제한적이었다. 약 65%가 정제업체로 판매되고, 유지공장(약 18%), 세탁공장(약 15%) 등에서 중유 대체연료로 사용되고 있다. 

한정애 장관은 “폐기물 분야의 탄소중립과 순환경제 실현을 위해 소각・매립되는 폐플라스틱은 열분해 및 가스화를 거쳐 플라스틱 원료나 수소로 재활용할 필요가 있다”라며 “폐플라스틱 열분해 재활용 체계를 조성하기 위해 원료 수급부터 제품 사용까지 면밀하게 살피고 신기술 연구개발과 혜택 제공으로 열분해와 가스화를 활성화하겠다”라고 밝혔다.
 
폐플라스틱 수소화 사업 확산 
현재 국내에는 10여 개 중소 업체가 열분해시설을 운영하고 있으며 한국지역난방공사, 두산중공업 등의 기업과 공공기관이 열분해유의 정제 및 원료 이용과 수소화 사업을 준비 중이다. 



한국지역난방공사는 지난해 12월 에코크레이션, 에코크린과 ‘열분해 청정유(PYCO) 신에너지사업’ 추진을 위한 업무협약을 체결했다.

기존 열분해 기술은 인화점이 30℃ 이하여서 화재・폭발 위험성이 있었다. 또 왁스 등 이물질이 다량 발생해 품질이 낮은 수준이었다. 생산수율도 50% 미만으로 생산성도 낮았다. 

에코크레이션이 한국지역난방공사와 함께 환경부 연구과제를 통해 개발한 열분해 청정유 생산기술은 촉매탑과 인화점 조절 및 점성물질 제거 공정이 추가되어 재생유 생산수율 60% 이상, 염소 제거율 80% 이상(잔존염소량 200ppm 이하), 인화점 30℃ 이상을 확보했다. 

이 기술은 산업통상자원부 국가기술표준원과 한국산업기술진흥협회가 공동으로 주관하는 신기술(NET) 인증을 받았다. 



에코크레이션의 열분해유 생산시설은 일반적인 열분해유에서 흔히 나타나는 유기물 찌꺼기(왁스, 점성물질) 등의 이물질이 제거되어 경유・중유와 성상이 비슷한 열분해유와 석유화학의 주원료인 나프타를 안정적으로 분리해 생산한다. 하루 10톤 이상의 폐플라스틱을 처리해 열분해유를 6톤 이상 생산할 수 있다. 

지역난방공사가 추진 중인 ‘열분해 청정유 신에너지사업’은 정부의 한국판 뉴딜 40대 중점 프로젝트로 선정된 W2H(Waste to Hydrogen: 폐기물 수소화)의 일환으로 추진되는 사업이다. 1단계로 폐플라스틱, 폐비닐 등을 저온 열분해하여 청정유를 생산하는 ‘W2O(Waste to Oil)’, 2단계로 열분해 청정유에서 수소를 생산하는 ‘O2H(Oil to Hydrogen)’ 사업으로 구분된다. 

지역난방공사는 에코크레이션과의 기술개발을 통해 열분해 청정유 생산기술을 확보함으로써 1단계 사업이 가능해졌다. 자체적으로 유류 개질기(리포머)를 제작해 열분해 청정유에서 수소를 생산하는 것까지 확인했다. 향후 수소화 사업 추진 시 수소생산 과정에서 발생하는 이산화탄소는 CCUS(이산화탄소 포집・저장・활용) 기술을 통해 처리할 계획이다.   

지역난방공사는 에코크레이션, 에코크린과 함께 열분해 청정유 사업화 모델을 개발하고, SPC(특수목적법인) 설립을 통한 시범사업을 추진할 계획이다. 이를 위해 향후 시설용량 100톤 규모의 설비 구축 등에 약 460억 원을 투자할 예정이다. 이미 설비 구축을 위한 부지를 확보해 인허가를 받은 상태다. 

지역난방공사는 지난 4월 폐플라스틱 처리업체인 에코그린과 1단계 ‘W2O’ 시범사업 추진을 위한 업무협약을 체결했다. 이번 협약을 통해 연간 약 2만 톤의 폐비닐·폐플라스틱을 열분해 청정유로 재활용할 예정이다.
이와 동시에 한난은 열분해 청정유로 수소를 생산하는 O2H 기술개발에도 박차를 가해 폐기물에서 수소를 생산하는 전체 사업 프로세스를 완성한다는 계획이다.

한난은 청정유에서 생산한 수소를 연료전지에 활용하는 사업에 초점을 맞추고 있다. 1단계로 열분해유 개질을 통한 수소생산 테스트를 한 뒤 2단계로 생산된 수소를 이용한 연료전지 운전 데이터를 확보하고, 3단계로 저온 열분해유 수소 전용 연료전지를 이용한 발전사업을 추진한다는 계획이다. 

한난 관계자는 “‘열분해 청정유 신에너지사업’은 국가적 화두로 떠오르고 있는 폐기물 문제 해결을 위한 혁신적 사업모델로, 향후 W2H(폐기물 수소화) 사업의 2단계 기술인 청정유의 수소화를 통해 수소경제 활성화에도 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.



두산중공업은 지난 5월 폐플라스틱 연속식 열분해 전문기업인 리보테크와 MOU를 체결하고  폐플라스틱 수소화 사업에 뛰어들었다. 

리보테크는 폐플라스틱을 연속식으로 열분해(고온)해서 가스를 생산하고, 두산중공업은 열분해 가스를 수소로 개질하는 핵심설비와 공정을 개발할 예정이다. 

두산중공업 관계자는 “이번에 적용하는 연속식 열분해 기술은 원료의 지속 투입으로 연속 생산을 할 수 있어 처리 규모를 쉽게 확대할 수 있고 경제성도 확보할 수 있다”고 밝혔다. 

두산중공업은 올해 안으로 하루 0.3톤 가량의 수소를 생산할 수 있는 수소 개질기를 개발해 경상북도 문경시에 위치한 리보테크에 설치, 운전할 예정이다. 이후 실증과제를 통해 폐플라스틱으로부터 하루 3톤 이상의 수소를 생산할 수 있도록 기술을 상용화한다는 계획이다. 

송용진 두산중공업 부사장은 “매년 국내에 800만 톤 이상의 폐플라스틱이 배출되는데, 이 중 매립, 소각 및 SRF(고형폐기물) 원료가 되는 약 400만 톤의 폐플라스틱에 이 기술을 적용할 수 있다”라며 “폐플라스틱 수소화로 자원순환과 탄소중립 실현에 기여하는 것은 물론 생산된 수소는 추후 연료전지, 수소가스터빈 등에 활용할 수 있다”고 말했다.



SK에코플랜트(구 SK건설)도 폐플라스틱 수소화 사업에 나선다. 

SK에코플랜트는 지난 6월 기후변화센터, 한국에너지공단, 한국지역난방공사, GS파워와 ‘순환경제도시 구축 실증사업’을 위한 업무협약을 체결했다. 

폐비닐·폐플라스틱을 열분해해 청정유를 생산하고, 청정유를 다시 개질해 수소를 생산하는 실증사업을 포함해 다양한 폐자원들을 에너지화하는 사업을 공동 추진한다. 

폐기물 처리에 고심하는 전남도, 강원도 등의 지자체들도 폐플라스틱 수소화 사업을 추진하고 있다. 
 
강원도는 오는 2025년까지 총 2,727억 원(국비 577억, 지방비 540억, 민간 1,610억)을 투입해  태백시 일원에 플라즈마 그린수소 클러스터를 조성할 계획이다. 플라스틱, 석탄, 목재, 가스(LNG, LPG)로부터 이산화탄소를 배출하지 않는 그린수소를 제조하는 연구개발과 기술 고도화를 추진한다.  

첫 번째로 올해 사업비 25억 원을 투입해 태백시 통리 재활용선별시설에 폐플라스틱을 활용한 그린수소 생산 실증센터를 구축해 폐플라스틱에서 수소를 생산(하루 100kg)하는 연구개발 실증을 진행한다는 계획이다. 태백에서 매일 재활용선별시설로 유입되는 폐플라스틱은 10.6톤으로 이중 1톤을 활용하면 100kg의 수소를 생산할 수 있다는 계산이다. 

2단계로 170억 원을 투입해 생산시설 확대 및 기술 고도화를 추진해 하루 1,000kg의 수소를 생산할 계획이다. 3단계는 1,240억 원을 투자해 대규모 플랜트를 제조, 하루 1만kg의 수소를 생산한다는 계획이다.



마이크로파 발열체 기반 로터리킬른 열분해기에 폐플라스틱을 투입하면 마이크로파 토치 가스화기를 통해 일산화탄소와 수소로 구성된 합성가스를 생산한 뒤 플라즈마 수소 발생기를 통해 수소를 생산, 수소 정제기를 거쳐 그린수소로 재탄생시키는 방식이다.

이 과정에서 발생하는 타르, 다이옥신, 일산화탄소, 이산화탄소 등의 오염물질은 고온·고압으로 밀폐된 마이크로파 플라즈마 토치 가스화기 안에서 대부분 제거된다. 

이번 사업에 플라즈마 전문기업 그린사이언스가 참여해 이러한 핵심기술을 제공한다.  

도는 태백시 실증사업을 거쳐 춘천에 1일 2.5톤, 동해에 0.35톤, 삼척에 1톤의 수소를 생산하는 폐플라스틱 수소생산시설을 구축할 예정이다.  

2025년 강원도의 하루 수소 소비량이 20.6톤으로 전망됨에 따라 이중 절반에 달하는 10톤을 폐플라스틱에서 생산한 그린수소로 확보한다는 전략이다. 

전라남도는 정부 공모사업을 통해 폐플라스틱 수소화 사업을 추진하고 있다.

전남은 지난 5월 산업통상자원부의 2021년도 제1차 에너지 기술개발 공모에서 ‘폐플라스틱 활용 무산소 열분해 전환을 기반으로 하는 수소 생산공정 기술개발 및 실증사업’이 선정돼 국비 50억 원을 확보했다.

이 사업은 폐플라스틱을 열분해한 후 고순도 분리공정 등을 거쳐 순도 99.95%의 수소를 하루 110kg 생산하는 50N㎥/hr 수소생산 설비를 구축해 실증하게 된다. 부산물인 이산화탄소의 스마트팜 재활용 기술도 확보할 계획이다.

실증사업 총괄을 맡은 스마트그린에너지는 강진 산단에 입주한 폐비닐 열분해 정제유 생산기업으로, 폐플라스틱 무산소 열분해 설비와 수소생산 실증설비 구축을 주관한다.

전남환경산업진흥원은 보급형 모델 연구를, 한국에너지연구원은 상업용(300~3,000N㎥/hr) 수소 생산공장 설계 등을 지원한다.

국비, 지방비 등 총 74억 원의 사업비를 들여 오는 2024년까지 실증사업을 완료할 계획이다.

김신남 전남도 에너지산업국장은 “버려진 폐자원 등을 활용한 다양한 방법의 수소 생산기술을 선점할 획기적 발판이 마련됐다”라며 “앞으로 수소경제 활성화를 선도하고 에너지산업을 육성할 기술개발에 박차를 가하겠다”고 말했다.




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