에스테르 교환 반응 / 한국건설기술연구원 제공 

탄소중립이란 기후변화를 막기 위해 대기로 순배출하는 온실가스의 양을 ‘0’이 되도록 하는 것이며, ‘넷제로(Net-Zero)’라고도 한다. 순배출은 산업활동에서 유래한 온실가스 배출량에서 인류의 노력에 의한 흡수량을 뺀 것으로, 두 양을 같게 하면 배출량이 제로(0)가 되는 셈이다.

유럽연합(EU)을 비롯한 미국, 일본 등은 2050년까지 탄소 배출량을 ‘0’으로 하겠다는 ‘2050 Net Zero’의 탄소중립 달성 목표 기후법안에 잠정 합의했다.

탄소중립은 국가 간의 협약을 넘어 경제 제재까지 이어진다. 2021년 7월 EU와 미국은 약속이나 한 듯 탄소국경 3가지 제도를 발의했다.

탄소국경세로 인해 자국의 기업이 철강·알루미늄·시멘트·비료·전기 등 온실가스 배출이 많은 산업에 속한 외국 기업과 무역 할 경우, 수입량에 따라 인증서 형태의 세금이 부과된다. 과세액은 수입품의 생산과정에서 발생한 탄소배출량이 된다. 따라서 생산과정부터 탄소배출량을 엄격하게 관리할 뿐 아니라 재활용 자원의 적극 사용을 통해 그 양을 줄여야 한다.

이에 한국건설기술연구원의 이재엽 환경연구본부 수석연구원은 ‘탄소중립 시대 자원순환 연구 개발 전략’이란 주요연구성과를 발표했다.

바이오매스 전환 기술

이재엽 수석연구원의 연구에 따르면, 바이오매스는 생산과정에서 다량의 이산화탄소를 흡수하기 때문에 이를 원료해 생산된 바이오 연료의 연소는 배출량에 가산되지 않는다. 이에 정부는 바이오 연료의 사용을 적극 장려하고 있다. 2022년 10월 산업통상자원부는 친환경 바이오 연료 확대 방안에 의해 2030년 바이오디젤 의무혼합비율 목표를 5%에서 8%로 상향했다.

바이오디젤은 팜유, 대두유, 포도씨유 등 트리글리세라이드(Triglycerides)가 포함된 유지와 메탄올을 합성하는 에스테르 교환 반응(Transesterification)에서 얻는다. 바이오매스뿐 아니라 폐식용유, 동물성유지, 음식물폐기물의 폐유에서도 같은 방법으로 바이오디젤을 얻을 수 있다.

바이오에탄올 또한 차세대 바이오 연료로 주목받고 있다. 에탄올을 그대로 사용할 수도 있지만 휘발유와 혼합해 사용할 수 있기 때문이다. 바이오에탄올을 비교적 쉽게 얻는 방법은 식량자원을 활용하는 방법이다. 사탕수수와 옥수수 등으로부터 글루코스를 추출하고, 해당 과정(Glycolysis)을 거쳐 에탄올을 생산한다.

비식량자원인 목질계 원료로부터도 에탄올을 생산할 수 있다. 리그닌을 분리한 셀룰로스에서 가수분해와 당화(hydrolysis and saccharification) 과정으로 글루코스를 얻는 것이다. 다만 식량자원에 비해 생산과정이 까다로워 상용화가 어렵다. 목질계 원료에서는 퓨란계 화합물인 FDCA(2,5-furandicarboxylic acid), GVL(γ-valerolactone), LA(levulinicacid) 등의 고부가가치 화합물을 추출하는 방법을 고려할 수 있다.

한편 식량자원을 바이오 연료의 원료로 사용하는 방법은 인플레이션을 유발한다는 지적이 있다. 에너지용으로 전환된 식량자원으로 인해 식량의 공급량이 줄고, 연계된 식자재 비용의 증가를 초래하기 때문이다. 최근의 설탕 감축 캠페인과 그로 인한 감미료 관련 산업의 성장으로 인해 식자재 비용 증가 추세는 가속화될 수밖에 없다. 따라서 식량자원을 이용한 바이오 연료 생산은 경제적인 검토가 뒷받침돼야 한다.

폐플라스틱 정책

2020년 조사 결과에서 생활계 폐비닐 재활용은 소각형이 80%인 반면, 화학적 재활용은 20%에 불과했다. 이를 개선하기 위해 2023년부터 환경부는 열 회수와 연료 활용 중심의 소각형 재활용을 고부가가치의 화학적 재활용(열분해)으로 전환하고자 다음의 정책을 추진하고 있다.

첫째, 2022년부터 폐플라스틱의 원료·연료화 기술 개발을 지원하며, 화학적 재활용 업체에 대한 지원금 단가를 상향한다.

둘째, 공공열분해시설을 지속적으로 확충하며 열분해유를 활용한 플라스틱 제품도 폐기물부담금을 감면받을 수 있도록 재활용 실적 산정방법 및 감면 기준을 마련한다.

셋째, PET 1만 톤/년 이상 플라스틱 생산 업체의 재생원료 사용을 2030년까지 30%로 의무화한다. 또, 재생원료 사용 표시제도와 공공기관의 재생원료 사용제품 구매 촉진 지침 마련 2024년에 발표한 주요업무 추진계획에서도 국가 전략산업 내 석유화학 부분을 지원하기 위해 폐플라스틱을 소각 처리하는 대신 열분해와 같은 화학적 재활용을 활성화하도록 방향을 설정하고 있다.

PET의 화학적 재활용 기술과 PEF

일회용 음료병으로 많이 사용되는 PET는 회수된 병을 분쇄해 작은 조각(Flake)으로 만들고 녹여서, 다시 음료병으로 성형하는 물리적인 방법으로 재활용된다. 그러나 재생산 과정에서 연결구조가 짧아져 품질이 저하된다는 단점이 있다. 반면 해중합(Depolymerization) 기술은 품질 저하를 막기 위해 폐 PET에서 원료를 흡수하는 화학적인 재활용 방법이다. 해당 반응(Glycolysis)이나 메탄 분해 (Methanolysis)으로 PET의 원료인 BHET 또는 DMT를 회수한다. 롯데케미칼은 울산2공장을 기존의 PET 생산 공정을 2024년 11만 톤 규모의 화학적 재활용 방법으로 PET를 생산하는 설비로 개조할 계획을 발표했다.

PEF(Polyethylene furandicarboxylate)는 PET를 대체하는 친환경 플라스틱 소재로 주목받고 있다. 석유 원료를 사용하지 않을 수 있고, 생분해성이 높다. PEF는 황산(H2SO4) 촉매 및 고온(100~250℃) 조건에서 글루코스와 같은 당으로부터 HMF, FDCA 등으로 전환하며, 에틸렌글리콜을 합성해 생산한다. 한국화학연구원에서는 키토산을 이용해 2, 5-FDCA를 얻는 고효율 촉매를 개발했다(ACSSustainable Chemistry&Engineering, 2019).

자원순환 연구개발 전략

바이오매스나 폐플라스틱을 보편적으로 재활용하는 방법으로는 열분해(Pyrolysis) 또는 가스화(Gasification) 기술이 있다. 무산소 조건에서 높은 열(600~850℃)을 가해 환원시키는 기술이다. 해당 기술은 다른 재활용 공정에서 적용이 어려운 원료까지 접근이 가능하다. 그러나 열분해와 가스화는 열을 사용한 공정이기 때문에 운영이 까다롭고 에너지 소비가 많다. 에너지 관점에서는 상대적으로 열 소모가 적은 공정의 재활용 처리를 우선해야 한다. 바이오매스와 폐플라스틱을 화학적으로 전환하는 기술은 대부분 비열 처리이거나 높은 열이 필요하지 않다.

이에 이재엽 수석연구원은 “자원순환에서 연구개발이 중점 할 과정은 바이오매스와 폐플라스틱 원료의 선별 및 폐유지의 정제 등 전처리 과정에 있다”라며 “전처리 과정은 원료의 안정적인 공급과 불순물로 인한 운영 손실과 품질 저하를 방지하며, 재활용 공정의 종착점이라고 볼 수 있는 열분해와 가스화, 소각 등 가열 공정의 부하를 덜게 하는 방법”이라고 설명했다.