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가스화를 통한 폐플라스틱의 재활용 기술
[플라스틱사이언스] 기사입력 2022-09-19 01:59:18

지난 2회 연재를 통해서 폐플라스틱을 하나의 자원으로 바라보는데 있어서 다양한(diversity) 접근 방법이 있음을 살펴보았다. 또한 폐자원의 리사이클에서 화이트바이오 기술의 연관성(connectivity)의 한 예로 효소를 이용한 PET 리사이클의 예를 살펴보았다. 앞으로 두 번에 걸친 연재에서는 폐플라스틱의 가스화를 통해서 폐플라스틱의 자원화를 이루는 회사들을 살펴보고 그 가운데서 미생물을 이용한 화이트바이오 기술의 가능성에 대해서 논하고자 한다. 생물학적인 지식의 발전은 폐자원의 리싸이클링에서도 중요한 역할을 담당하고 있음을 보게 될 것이다. 먼저 폐플라스틱의 열분해(pyrolysis)를 통한 액화 후 분리하여 기존의 화학 원료물질이나 연료를 생산하는 기술과는 달리 가스화(gasification)를 통한 기술 개발은 새로운 가능성을 보여주고 있다. 한 가지 흥미로운 점은 이제 폐플라스틱과 산림폐기물이나 볏짚과 같은 농업 폐기물과 같은 재생가능 자원을 가스화의 원료로서 회사들이 인식하면서 가스화 기술의 중요성이 더해지고 있다는 트렌드를 볼 수 있기를 바란다.

 

가스화를 통한 폐기물의 재활용에 관여된 회사들

1. 미국 펄크럼(Fulcrum)사

2022년 7월 13일에 SK이노베이션이 미국의 폐기물 자원화 (Waste to Energy, W2E) 회사 펄크럼 (Fulcrum BioEnergy) 사에 260억 원(미화 2,000만 달러)을 투자하여 폐기물 가스화 기술을 확보했다고 발표하였다. 생활쓰레기 가운데 더 이상 재활용을 할 수 없는 플라스틱 폐기물을 가스화해서 합성 원유를 생산한다. 작년 연말에도 SK㈜가 ESG투자 측면에서 펄크럼에 국내 사모펀드와 600억 원 (5,000만 달러)을 투자한 바 있다.

SK는 펄크럼사와 손잡고 폐기물의 가스화 사업의 아시아 시장 진출을 꾀하고 있는 것으로 알려진다. 펄크럼 공정을 활용하여, SK에코플랜트와 함께 국내 바이오에너지 시장 진출을 모색하고 있는 펄크럼사는 생활폐기물 기반 고순도 합성원유 생산 공정을 최초로 상업화한 기업이다. 플라스틱의 열분해(pyrolysis)와 더불어 가스화를 통한 자원 재활용의 가능성을 보여주었다고 할 수 있을 것이다. 이러한 펄크럼의 친환경성과 성장성에 주목해 미국의 신재생에너지 전문 투자사 US Renewables Group, 벤처캐피탈 러스틱 캐년(Rustic Canyon Patners), 에너지 기업 BP, 유나이티드항공, 미국 최대 폐기물처리 업체 웨이스트매니지먼트(Waste Management) 등이 펄크럼의 주요 주주로 참여하고 있다.

그렇다면 펄크럼의 기술은 무엇인가?

미국은 한국과 같이 플라스틱 재활용 인프라가 잘 갖추어지지 않고 있다. 최근 캘리포니아주에서 플라스틱 발생을 줄이기 위해 올해 7월 4일 주의회가 일회용 플라스틱 사용을 전면적으로 규제하는 법안을 통과시키고 주지사가 승인함으로써 플라스틱 발생을 줄이려는 노력도 하고 있다.

미국 각주의 노력과 더불어 오래전부터 폐플라스틱의 가스화를 통한 자원의 재활용을 위하여 기술개발을 진행해왔던 회사가 있으니 바로 펄크럼(Fulcrum BioEnergy)사이다.

펄크럼사는 자사의 특허 공정을 통해서 도시 고체 폐기물(MSW) 안에 있는 유기물들을 저탄소 drop-in 연료로 만들었다. 기존의 석유 정제 후에 얻어지는 화학원료 물질의 파이프 라인에 그대로 사용하여 석유에서 유래한 제품들을 만들 수 있다. 펄크럼의 바이오 제트유는 항공유로서 인증을 받았다.

2007년 캘리포니아 플레젠튼(Pleasanton)시에 설립된 펄크럼은 생활폐기물에 포함된 가연성 유기물을 선별 후 재합성해 고순도의 수송용 합성원유와 항공유로 전환하는 최적의 공정을 구현하며 전체 공정에 대한 독점 특허를 보유하고 있다.

펄크럼은 2021년 7월 네바다주에 세계 최초로 생활폐기물 기반 합성원유로 전환하는 상업공장을 통해 2022년 부터 연간 약 4만 톤의 합성원유를 생산하며, 향후 바이오 항공유도 추가 생산할 예정이다. 펄크럼은 현재 미국 내 주요 바이오연료 사업 가능성도 모색해 나감과 동시에 글로벌 폐기물 자원화 및 바이오에너지 시장 진출도 확대해나갈 것”이라고 밝혔다.

펄크럼사는 폐기물 수거 회사들과 장기 계약을 통해서 도시고형폐기물을 확보해 나가고 있기 때문에 생산량은 더 늘어나게 될 것이다. 또한 몇몇 에너지 및 항공사들에게 판매 계약도 이미 확보한 상태이다. 펄크럼은 원료에서부터 바이오 연료의 생산에 이르기까지 미국에서 특허를 확보하였고 운송용 연료의 탄소 배출에 관한 캘리포니아 저탄소 표준(LCFS)에서 인증을 받았다.

펄크럼사의 비지니스 모델은 온실가스 배출을 줄이고 매립을 줄임으로써 환경 문제를 해결하는 데에 있다. 펄크럼의 기술은 대용량의 도시 고형 폐기물을 지역의 매립에서 다른 방향으로 돌림으로써 폐기물의 분해에서 발생하는 온실가스의 주범인 메탄가스를 줄이게 된다. 국제 에너지 기구(IEA)에 따르면 전 세계 바이오연료 생산량은 2020년 기준 약 1,440억 리터이며 금액으로는 160조원 규모이다. 미국은 세계 최대 바이오에너지 시장으로 전 세계 생산량의 약 45%를 차지하며 전기차 확산에도 불구하고 바이오연료는 당분간 기존 내연기관차와 항공유 수요를 중심으로 견조한 성장을 이어갈 것으로 전망되고 있다. 펄크럼의 바이오연료는 온실가스 발생량을 현저히 낮출 수 있고 생활폐기물 매립지 부족 문제도 해결할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

SK이노베이션은 펄크럼의 혁신 공정을 활용하여 SK에 코플랜트와 함께 국내 폐기물 바이오연료 사업 가능성도 모색하면서 폐기물 자원화 및 바이오에너지 시장 진출도 확대하게 될 것으로 보인다.

2. 프랑스 Axens사의 리사이클링 비즈니스 모델

프랑스의 Axens사는 프랑스의 IFP그룹의 한 회사로서 에너지, 운송, 환경 분야에서 연구를 담당하는 IFP Energies nouvelles(IFPEN)의 연구 결과를 상업화하는 역할을 하는 회사이다. 오일, 바이오매스를 전환하여 청정 연료, 화학제품의 중간체들의 생산과 정제, 플라스틱의 화학적 리사이클링, 천연가스 취급과 전환 기술을 전문으로 하는 솔루션 제공 기업이다. 기술, 장비, 용광로(furnace), 모듈 장비, 촉매, 흡착제, 관련 서비스들을 제공한다.

Axens사는 이러한 과정에 관계되는 가치 사슬의 거의 전부를 다루면서 우수한 인력을 바탕으로 타당성 검토에서부터 공장의 시운전 그리고 전체 공정의 시작과 끝을 망라하는 후속 서비스를 담당한다. 이러한 독특한 비지니스 모델을 통해서 탄소발자국을 감소시키면서도 가장 높은 실적을 얻게 되는 것이다. Axens사의 고도로 숙련된 인력, 현대적인 생산설비 그리고 산업적, 기술 지원, 상업적 서비스 제공을 위한 전 세계적 네트워크를 통해서 이루어진다.

Axens사의 홈페이지에는 이런 글귀가 크게 적혀 있다. 플라스틱 가운데 8%만이 재활용된다는 것이다.

이러한 상황을 소비자들에게 알리면서 Axens사는 플라스틱의 재활용의 다양한 기술들을 개발하고 상용화하고 있다. ‘플라스틱 폐기물에 새로운 가치를 부여하자’라는 슬로건으로서, 매우 다양한 응용과 실제적인 용도를 가지고 있어서 가장 사람들이 많이 찾는 소재인 플라스틱을 바라보는 견해를 바꾸어가고 있다. 8%만이 재활용되고 있는 가운데 기존의 플라스틱 재활용 가치 사슬에서의 문제점들을 강조하면서 환경적, 그리고 자원의 문제를 플라스틱을 바라보는 시각의 변화에서 찾으려고 하고 있다.

플라스틱을 사용하고 난 후 처리 문제에 있어서 Axens 사는 혁신적인 기술들을 개발하여 기존의 기계적 재활용 기술의 한계를 넘어서 플라스틱 폐기물을 더 가치 있는 화학 소재와 화학제품으로 전환하여 시장에서 요구하는 가장 높은 수준에 맞추고자 하는 노력을 기울이고 있다.

‘플라스틱 폐기물로부터 더 많은 가치를 얻어내자’

 

더 자주 사용하는 것을 목표로 일회용 플라스틱 single use plastics(SUP)의 사용을 줄이고자 하는 방향으로 유럽이 가닥을 잡고 있기는 하지만, 이에 대한 반대의 목소리도 높다. 플라스틱을 포장재로 사용할 때 다중 필름, 새로운 첨가제, 염료, 색소 등을 첨가하여 점점 더 복잡해진다. 이러한 상황에 더하여, 새로운 플라스틱에서 특정물질을 사용하는 것을 금지하는 새로운 법령의 제정으로 인해서 플라스틱 리사이클은 큰 문제가 되고 있다. 이러한 복잡한 상황을 타개하기 위해서 기존의 리사이클 산업은 해결책을 모색하고 있다.

이러한 복잡한 상황 가운데서 석유화학 산업분야에서 현재 활동하는 기업들은 플라스틱 리사이클 가치 사슬에서 매우 중요한 역할을 담당하게 될 것이다. 브랜드 오너들이 재활용 소재들을 높이도록 요구하는 목소리가 커지고 있고 정부의 규제 조치들도 충족해야 하는 상황에 있다. 그러나 기존의 인프라에서는 플라스틱 폐기물의 처리가 매우 도전적인 것이 사실이다. Axens사는 석유화학에서 축적한 탄화수소 정제 노하우와 상당한 경험을 통해서 이러한 변화의 흐름 속에서 전이(transition)를 추구하고 있는 석유화학 업계를 도와서 서비스와 신뢰할만한 솔루션을 제공하고자 노력하고 있다.

Axens사는 리사이클에 사용되는 화학적 공정의 전문성을 활용하여 최적의 솔루션을 평가하면서 시장의 수요와 법령의 변화에 대처하고자 한다.

리사이클 제품의 품질은 매우 중요하다. 특별히 식품이나 의약품 포장 시장의 필요를 만족하고자 할 때는 매우 신경 쓰이는 문제가 아닐 수 없다. Axens사가 개발하고 상업화한 기술들은 석유로부터 만들어진 새로운 화학제품(virgin)과 동등한 리사이클 플라스틱을 생산하여 시장의 높은 요구 수준을 맞추는 것을 목표로 하고 있다.

 

Axens사가 중점적으로 추진하고 있는 프로젝트들을 몇 가지 소개하고자 한다.

1). BioTfueL 프로젝트, 리그노셀룰로스 및 폐플라스틱의 가스화를 통한 지속가능한 항공유(SAF)와 재생가능 디젤(RD) 생산기술

프랑스의 Axens사는 볏짚과 같은 농업폐기물, 산림 폐기물, 에너지 생산을 위해 재배하는 식물 (energy crop), 폐플라스틱에 이르기까지 다양한 원료를 열화학적 전환을 통해서 지속가능한 항공유(SAF)와 재생가능 디젤(RD)을 생산하고자 하는 노력을 기울이고 있다.

올해 7월 21일, 바이오분야에서의 영향력을 가진 Biofuel Digest 잡지에서 개최한 웨비나에서 Axens사의 두 엔지니어(David Schwalje, Nicolas Simon)는 BioTfueL 프로젝트를 소개했다.

이 프로젝트는 Axens, TotalEnergies를 비롯해 몇 개의 협력사들(CEA, IFP Energies Nouvelles, Avril, ThyssenKrupp Industrial Solutions)이 함께 하는 프로젝트로 바이오연료로 전환하는 공정으로서 가스화와 FT촉매기술이 관여하게 된다. 이 기술은 탄소의 전환을 통해 기후변화에 대응하고 탄소배출을 줄이면서 경제, 일자리, 에너지 안보의 변화를 가속화하는 기술이라고 할 수 있다. 미래에 RD와 SAF의 확장에 대해 회의적인 사람들도 있어서 웨비나에서는 원료의 가격과 공급에 대한 질문들이 있었다.

Axens사의 기술은 리그노셀룰로식 바이오매스를 열화학적으로 전환하는 기술이기는 하지만 위에서 SK와 협력하는 펄크럼사의 폐플라스틱 재활용과도 관련이 되는 기술이다. 다시 말해 자연에서 나오는 플라스틱이라고 할 수 있는 농림•산림 폐기물(일종의 방향족 고분자인 리그닌, 당의 고분자인 셀룰로스와 헤미셀룰로스로 구성된 리그노셀룰로스는 고분자 물질이다)을 원료로 한다는 점이 다르다고 하겠다. 이 협력 프로그램의 목적은 재생 가능한 RD와 제트유를 생산하는 것이다. 얻어지는 바이오연료는 황이나 방향족 화합물이 없이 모든 형태의 디젤과 터보제트 엔진에 적합하다. 가스화는 리그노 셀룰로스로부터 바이오연료를 가능하게 하는 기술로서 바이오매스와 석유계 유래 원료(폐플라스틱 포함)을 처리할 수 있는데 원료의 공급에서 계절에 따른 변화에 대처할 수 있을 것이다. 이 기술을 깊이 들여다본다면 중요하고 인기 있는 RD와 SAF를 위한 가능한 원료의 범위를 확장할 수 있다는 것을 보게 될 것이다.

이러한 가스화와 FT기술의 결합은 상업화 프로젝트 개발에 있어서 셀룰로식 연료, 저탄소 화학제품 그리고 플라스틱의 화학적 재활용 등에서 새로운 시장이 열리게 될 것으로 생각되고 있다. 이러한 점에서 웨비나에 참석한 엔지니어들 가운데 한명인 Nicolas Simon은 2세대 리그노셀룰로식 바이오매스(lignocellulosic biorefinery) 유래 바이오연료 분야의 전문가인점은 가스화 FT촉매 기술에 있어서 농업-산림폐기물과 플라스틱이 원료면에서는 큰 차이가 없다는 것을 보여주는 것이라고 하겠다.

 

2). Axens사 - Toray Films Europe, PET화학적 재활용 기술의 협력

최근 5월 22일 Axens사는 엔지니어링플라스틱 필름의 선두주자인 Toray Films Europe와 함께 PET의 화학적리사이클링 설비를 Toray Films Europe의 생산기지인 프랑스의 Ain지역의 Saint-Maurice-de-Beynost에 세우게 된다고 발표하였다. Axens사의 RewindⓇ PET 기술에 기초한 새로운 시설은 Toray Films Europe의 고분자 반응 기존 설비와 함께 서게 되는데 리사이클 하기 어려운 PET플라스틱 폐기물을 연간 8만 톤 리사이클 하기위한 것이다.

두 회사는 각자의 영역의 전문성을 충분히 활용하여 화학적 재활용을 통한 순환경제에서의 경쟁력을 갖추게 된다고 하겠다. PCR-PET플라스틱 폐기물은 기계적 재활용이 될 수 없어서 현재는 다운-사이클 되거나 소각, 매립되고 있는데 이제 고품질의 순환 PET 칩으로 바뀌게 될 것이다. 이를 통해 이러한 소재가 계속 리사이클링이 될 수 있는 루프(loop)를 만들게 될 것으로 기대하고 있다.

Axens사의 RewindⓇ PET 공정은 IFP Energies nouvelles, Axens 그리고 JEPLAN에 의해서 공동 개발되었는데 PET의 분해 방법 가운데서 글리코시스(glycolysis) 기술로서 특별한 분리정제 단계들이 포함되어 있다. 이 단계들에서 PET폐기물에 들어 있는 색소와 염료들을 포함한 모든 유기, 무기 불순물들을 제거하게 된다. 이 공정의 산물은 정제된 BHET(BHET: Bis(2-HydroxyEthyl)Terephthalate) 단량체이다. BHET 단량체는 이어서 Toray Films Europe 의 기존 연속 고분자 반응 설비에서 가공되어 100% 리사이클된 투명한 식품용 PET로 거듭나서 필름, 섬유, 음료수병 등과 같은 응용으로 태어나게 되는 것이다.

이 프로젝트는 현재 엔지니어링 단계이며 2025년 말까지(phase 1), 첫번째 RewindⓇ PET 기술의 운전을 통해 3만 톤의 리사이클된 PET를 생산하게 될 것이다. 두 번째 RewindⓇ PET공장이 2020년대 말에 지어지면 이 고분자 반응 전체가 모두 100% 리사이클 PET생산 설비로 탈바꿈하게 될 것이다. 이러한 투자는 폐기물 원료 공급을 위한 이상적인 인프라를 잘 갖추고 있는 Saint-Maurice-de-Beynost 산업 단지에 직간접 일자리 창출이라는 긍정적인 효과를 가져 오게 될 것으로 기대되고 있다.

RewindⓇ PET 공정을 가지고 Toray Films Europe와 함께 협력하는 것은 PET화학적 재활용 공정의 상업화를 가속화하는 큰 기회가 될 것이다. 이 공정은 기술적, 사회적, 경제적, 환경적 관점에서 볼 때 기존의 전문성과 자산을 함께 결합하여 맨땅에서부터 시작하는 것보다 훨씬 효과적이다. 브랜드 오너들로부터의 피드백도 긍정적이며 이러한 노력을 지지하고 있다. 이제 이 프로젝트를 위해서 어떻게 폐기물 원료들을 공급할 것인가의 또 하나의 숙제가 남아 있다.

 

3). Axens사의 혼합 플라스틱 리사이클링 솔루션

혼합된 플라스틱 폐기물을 자원화하는 방법 가운데 한가지 유망한 기술은 열분해이다(pyrolysis). 그러나 열분해 오일은 불순물이 매우 많아 위험부담이 높아서 증기분해기(steam cracker)에 직접 도입할 수 없다.

Axens사의 RewindⓇ Mix 공정은 열분해 오일을 정제하는 공정으로서 매우 요구사항이 높은 Steam Cracker의 필요를 만족하면서 갑작스런 공정의 정지나 촉매의 불활성화 같은 위험을 배제할 수 있다. Plastic Energy사와 협력하여 가열혐기전환(Thermal Anaerobic Conversion) 공정을 제안하고 기술이전을 하여 2024년도 공장 건설에 들어가게 될 것으로 보고 있다.




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