제1장 구미에 있어서 케미컬 리사이클의 최신 동향과 앞으로의 과제 (1)

[YDfamily]

제2부 순환형 사회를 향한 기업의 노력

(기술 트렌드 리포트 “환경 배려형 재료” 발췌)

제1장 구미에 있어서 케미컬 리사이클의 최신 동향과 앞으로의 과제

머리말

온실효과 가스와 고형 폐기물의 배출 삭감은, 현재 지구에 있어서도 인류에 있어서도 피할 수 없는 중요한 과제다. 이것을 가능하게 하는 기능성과 내구성과 코스트 경쟁력이 우수한 플라스틱 제품의 철저한 유효 활용은, 차세대에 건전한 지구 환경을 이끌기 위해 더욱 중요한 위치를 이어 나가고 있고, 탈 플라스틱을 부르짖기만 해서는 무엇인가 건설적인 해결책이 될 수 없다. 코로나 사태에 빠져들어 계속되어 온 3년 간에, 이 의식은 세계의 사람들 간에 공유되고, 급속히 침투하고 있다.

Ellen MacArthur 재단은, 화석 유래 virgin plastic의 사용 삭감과 리사이클 가능, reuse 가능, compost 가능한 package의 보급을 주도하고 있다. 단 자원 폐기물의 회수, 분별 인프라의 취약성도 있고, 현재 주류의 mechanical recycle만으로는 그 야심 찬 목표에는 절대로 도달할 수 없을 것이다. 특히 자원 절약형 패키지로서 성장을 수행해 왔던 연포장은 여러 종류인 플라스틱이나 종이, 알루미늄박이 복합화 되어, 강고하게 접착되어 있고, 이것을 원래의 소재별로 분리하여, 수평 리사이클 하는 것은, 기술적으로도 경제적으로도 생각해도 사실상 불가능이라고 말할 수 있다.

Mechanical recycle 기술의 진화는 현저한데, 이 수법만으로는 막대한 양에 달하고, 앞으로도 증가를 계속하는 플라스틱 폐기물 문제를 해결하는 것은 불가능하다. Chemical recycle의 신뢰성과 투명성을 더욱 높여, 2가지의 기술을 조합하는 것에 의해, 이 난제를 해결해 가는 것이 올바른 선택지인 것이라고 필자는 생각한다. Compost화도 선택지 중의 하나인데, 2022년 2월에 발표된 OECD의 “Globa Plastics Outlook”에 의하면 2019년의 세계의 플라스틱 폐기물 발생량은 3억 5,300만톤에 달하고, 약 2/3는 내용 연수가 5년 미만의 플라스틱이고, 그 중 40%에 해당하는 1억 4,000만톤 이상은 유효 수명이 1년 미만인 패키지가 점하고 있다. OECD는 아시아를 중심으로 하는 신흥국의 급속한 인구 증가와 경제 발전에 의한 플라스틱 폐기물은 2030년에는 2019년보다 1억톤 증가한다고 예측하고 있다. 바이오 플라스틱(생분해성, compost 가능 플라스틱 포함)의 공급 능력이 현재 200만톤 근방에서, 만일 2030년까지 10배인 2,000만톤으로 증가한다 하여도, 바이오 재료에 의한 삭감 효과는 거의 기대할 수 없다. 도리어, 기존의 폐 플라스틱의 리사이클 scheme에 분해형 플라스틱이 혼재되는 리스크가 높아지고, 마이크로 플라스틱이 확산되는 등, 새로운 환경 오염의 원인으로 되고, 큰 사회적 혼란을 부를 수도 있다.

그래서 최근 이러한 플라스틱 폐기물의 과제를 해결하는 강력한 수단으로서 케미컬 리사이클 기술이 주목을 모으고, 유럽이나 미국, 호주를 필드로 많은 실증 실험이 진행되고, 설비 투자 계획이 차례로 발표되고 있다. 한편, 케미컬 리사이클에 개념을 제시하는 환경 단체도 있고, 그들의 정열적인 로비 활동을 받아, 구미의 회의에서는 이것을 규제하는 법안을 가격하도록 하는 움직임도 보인다.

1. 구미의 입법부가 좀처럼 인정하려고 하지 않는 케미컬 리사이클

구미의 의회에서는 케미컬 리사이클은 에너지를 대량으로 소비하고, 사람의 건강에 리스크를 초래하고, mechanical recycle 이상으로 플라스틱을 리사이클 하는 것이 불가능하다고 하는 비판이 있다. 케미컬 리사이클이 확대되어 가면 온실효과 가스의 배출량을 증가시키고, 플라스틱 오염을 억제하는 발걸음을 지연시키고, reduce나 reuse의 노력을 방해하고, 노동자의 건강과 안전을 위험하게 할 가능성이 있다고 하여 반대하는 의원도 많다. 현실적으로 미국의 연방 의회에서는 플라스틱 오염 방지법(Break Free From Plastic Pollution Act: BFPPA)이 심의 중이다. 이 법안에서는 케미컬 리사이클 등의 새로운 화학 플랜트의 건설이나 가동의 일시 정지 등의 조문도 포함시켜 있다.

하지만, 이러한 개념이나 비판에 노출되어 있어도 구미에서는 케미컬 리사이클 플랜트의 건설발표가 잇따르고, 케미컬 리사이클 기술로 재생된 플라스틱은 순환형 플라스틱(circular r-plastic)으로 불리고, 구미 각지에서 케미컬 리사이클 제품의 인증 기관이 속속 이름을 올리고 있다.

Mechanical recycle 기술이 진화하여도, 열용융 재생 플라스틱이 반복되면, 플라스틱이 본래 갖는 물성을 서서히 저하되고, 변색도 진행된다. Recycle이나 reuse의 역할을 마치고, 종말기를 맞이한 플라스틱 포장재는 머지않아 매립으로 폐기되거나 에너지 회수를 할 수 없게 된다. 폐기물 관리 인프라가 취약한 신흥국에서는, 쓰레기 집적장에 방치되고, 풍수해나 지진이 발생하면 내륙이나 수로를 통해 최종적으로 해양으로 누출되어 축적된다. 하지만 케미컬 리사이클에 의한 열분해유로 되돌려, 플라스틱의 원료인 에틸렌이나 프로필렌 monomer로 분해하는 것이 가능하면 다시 새로운 플라스틱으로서 생명을 불어넣어, 인류의 건강하고 문화적인 생활의 유지 향상에 공헌하는 것이 가능하게 된다.

2. 급속히 확대되는 케미컬 리사이클 건설 프로젝트

이 항에서는 세계에서 확대를 계속해 가는 케미컬 리사이클 기술의 유력 프로젝트에 대해서 본다.

2.1 영국 Plastic Energy사의 열분해 프로젝트

영국의 Plastic Energy사는 플라스틱 폐기물의 열분해 플랜트 건설 프로젝트를 대형 화학회사와 제휴하여 세계로 전개하고 있다.

2.1.1 Sabic과의 제휴: 2021년 1월 21일 발표

Plastic Energy는 네덜란드의 Geleen에 폐플라스틱을 원료로 하여 고순도 제셍유의 양산 플랜트(년 2만톤 생산)를 건설하고, 운영하는 계약을 Sabic과 체결하였다. 같은 지구에서 재생 플라스틱 사업을 전개하는 Renewl사가 폐플라스틱을 회수, Plastic Energy가 특허 취득한 Thermal Anaerobic Conversion(TAC: 무산소 조건 하에서의 열분해) 기술로 생산된 폐플라스틱 유래의 TACOIL을 Sabic은 자사 naphtha cracker에 투입하여 플라스틱 원료의 olefin monomer를 생산하고, polyolefin 수지로 재생한다. 생산된 원료 olefin은 투입된 화석 유래의 naphtha와 폐플라스틱 유해의 열분해유의 비율로 대응하여 계산되어, circular r-PE나 r-PP로서 인정을 취득하고, 판매된다.

Sabic의 목적은 리사이클 불가, 또는 곤란한 사용 후 플라스틱 제품을 재생하여, 식품용도에도 사용 가능한 circular r-PE, r-PP의 공급 능력을 확대하고, 화석 유래 자원의 사용을 삭감하는 것이다. 열분해 플랜트는 Plastic Energy와 Sabic의 절반 출자의 합병 사업으로서 운영되고, 네덜란드 경제성의 에너지 보조금도 받고 있다. 기존 스페인에서 이동하여 있는 Plastic Energy의 열분해 재상 TACOIL(2 계열에서 년간 7천톤)을 바탕 원료로, Sabic은 circular r-PE, r-PP를 생산, 2019년 초부터 “Trucircle”의 상표로 필드 테스트를 진행하고 있다.

2.1.2 Total Energies, Jindal Films와의 제휴: 2021년 7월 8일 발표

Total Energies는, 프랑스의 Grandpuits 지구에 제로 원유(zero crude)로 불리는, 원유를 대체하여 바이오매스를 사용한 바이오 연료, 바이오 플라스틱과, 폐플라스틱을 사용한 재생 플라스틱의 생산 설비를 2024년 가동을 목표로, 5억 유로를 투자하여 건설 중이다. 년간 생산 능력은 바이오 연료 40만톤, 바이오 플라스틱 10만톤, 그리고 TACOIL이 1.5만톤으로, 이것을 원료로 하여 circular r-PP를 생산한다. Total Energies는 기존에, 전술한 스페인에서 생산된 Plastic Energy의 TACOIL을 사용하여 circular r-PP를 제조하고 있고, ISCC PLUS(국제 지속 가능성 카본 인증 플러스: 바이오 재료와 화석 유래 폐기물의 재생 재료의 인증기관)으로부터 화석 유래의 virgin PP와 동일한 품질과 성능을 가진 Certified Circular PP로서의 인증을 취득하고 있다.

Total의 고객인 Jindal Films는 OPP 필름 25만톤, OPET 필름 12.7만톤의 능력을 가진 세계를 대표하는 2축 연신 필름 메이커이다. Jindal은 Total의 circular r-PP를 사용하여 circular 인증 OPP를 특성 평가를 종료, 식품 grade의 인증도 취득하여, 필드 테스트를 진행하고 있다. 또한, 파트너와 공동으로 사용 후의 포재를 회수하고, 다시 Plastic Energy의 열분해 플랜트에 투입, BOPP 수평 리사이클 실시 테스트도 병행하여 진행해 간다.

2.1.3 Exxon Mobil과의 제휴: 2021년 10월 19일 발표

프랑스 북부의 Havre 근교에 건설 예정인 Plastic Energy의 열분해 플랜트의 환경 assessment가 7월에 승인되어, Exxon Mobil과의 사이에 공동 투자가 합의되고, 2021년 10월부터 공사가 시작하였다. 플라스틱 폐기물을 열 분해하여 년간 25,000톤의 TACOIL을 생산하는 Exxon Mobil에 공급한다. 이 플랜트는 2023년 commissioning(설계회사, 시공회사 및 중립적인 제3자가 협력하여, 발주자의 요구 성능을 만족하고 있는가를 검증하는 것)하여, 가까운 장래 33,000톤으로 scale up하는 계획이다. Exxon Mobil의 프랑스의 Gravenchon 석유화학 complex에 인접하여 건설된 이 폐 플라스틱 열분해 플랜트는 프랑스 정부도 조성금을 거출(據出)하고 있다.

한편 Exxon Mobil은 미국에서도, 자신의 석유 정제, 석유화학 complex인 텍사스주 Baytown에 2022년 말에 년 생산 32,000톤 규모의 폐플라스틱의 열분해 플랜트를 완성시킬 예정이다. 이미 열분해 플랜트인 엔지니어링 회사 Agilyx와 제휴하여, 폐플라스틱의 회수, 분별을 하는 합병 기업 Cyclyx를 운영하고 있고, 미국에서도 케미컬 리사이클의 실증 실험에 착수한다.

2.1.4 Freepoint Eco-Systems, Total Energies와의 제휴: 2021년 10월 26일

Plastic Energy는 미국 텍사스주에도 폐플라스틱을 TACOIL로 전환하고, 프랑스와 동일하게, Total Energies에 공급한다. Total은 식품 그레이드로 패키지에 사용 가능한 circular r-PE, r-PP를 생산한다. TACOIL의 생산 능력은 년 생산 33,000톤으로 이 공장은 2024년 중반에 가동할 계획이다. Freepoint Eco-Systems는 텍사스주 유수의 재생 플라스틱 업자로 폐 플라스틱의 회수를 담당한다.

2.1.5 Sealed Air와의 제휴: 2020년 8월 13일 발표

세계 최대의 생육 포장 필름 메이커 미국 Sealed Air는, 2025년까지 자신들이 필요한 포장용 플라스틱 원료의 94%를, 케미컬 리사이클 기술에 의한 circular r-PE로 조달할 계획이다. 자신이 생산하는 고기능 barrier film은 PE를 비롯하여 이종(異種) 플라스틱을 복합한 것이기 때문에, mechanical recycle은 불가능하다. 사용 후 필름은 케미컬 리사이클 기술에 의지하지 않을 수 없어서, 재생재료의 안정 조달을 모색하기 위해 2020년 8월에 Plastic Energy의 주식을 일부 취득하였다.

Plastic Energy는 2025년까지 구미에서 폐플라스틱 유래의 열분해유(TACOIL) 플랜트의 총 생산능력을 30만톤 이상으로 확대하는 방침으로, 현재 세계 각지의 12개소에 건설 계획을 진행하고 있다. 기존에 접촉했던 것 같이, 네덜란드(Sabic과의 합병), 프랑스(Exxon Mobil이나, Total Energies와의 합병), 미국(Total Energies와의 합병)에서 플랜트를 건설 중이다. 영국에서도 INEOS Olefins & Polymers Europe, 스코틀랜드의 Grangemouth olefin, polyolefin의 생산 거점에서 2023년 초 Feasibility Study에 착수한다.

Global로 polyolefin 필름 사업을 전개하는 Sealed Air에 있어서, 이러한 Plastic Energy는 더 이상 바랄 나위 없는 파트너이다. Plastic Energy에 전략 투자하는 것으로 세계의 어디라도 circular r-polyolefin 수지를 안정적으로 조달 가능하다. Sealed Air는 Ellen MacArthur 재단을 비롯하여 복수의 단체와, 2040년까지 carbon neutral 기업으로 되는 것에 합의하고, 서약서에 서명하였다. 또한 2025년까지 자신이 공급하는 고기능 필름을 recycle 또는 reuse 가능하게 하여 순환형 플라스틱 필름의 비즈니스 기반을 구축하고, 또한 그 필름의 재생재 함유량을 50% 이상으로 높이는 것을 목표로 하고 있다.

패키지의 value chain 기업과의 이러한 노력은 기존에 세계 각지에 확대를 계속해 가고 있다. 예를 들어, 영국 소매 최대 기업 Tesco는, 쇼핑객이 점포 내의 회수 포인트에 되돌아온 사용한 polyolefin 필름이나 mono material 연포장재를 회수하고 있다. 이것을 플라스틱 원료로 하여 재이용 하기 위해 Plastic Energy는 열분해 플라스틱으로 되돌려 TACOIL을 생산하고 있다. Sabic은 이 TACOIL을 자사의 naphtha 플랜트에서 받아들여, 최종 제품으로서 circular r-PE와 화석 유래의 PE를 배합, mass balance 방식의 재생재 함유 PE 수지(r-PE의 최종 content는 최저 30%)로 하여 Sealed Air에 공급한다. Sealed Air는 이 수지를 EVOH 등의 차단 소재나 다른 포장 재료와 공압출 가공하여 두께 25㎛의 치즈용 high barrier film을 가공, 유업 메이커인 Bradburys Cheese사에 공급한다. 도1은 이 필름을 사용하여 진공 포장된 치즈의 사진이다. 치즈를 구입한 소비자는 사용 후의 필름을 Tesco의 회수 포인트에 되돌린다. Plastic to Plastic의 순환이 형성된다.

도1 Tesco의 수평 리사이클의 노력(1)

이러한 리사이클이 곤란한 사용 후 플라스틱 연포장의 수평 리사이클의 실증 실험이 유럽, 특히 영국에서 스타트하고 있다. 2022년 6월에는 Tesco는 Plastic Energy, Sabic을 파트너로, 이번에는 패키지 메이커인 Berry Global, 식품 메이커인 Heinz와 연대하여 실험을 개시하였다(도2). 여기서는 Berry는 Sabic의 r-PP를 사용하여 심교 트레이로 성형하고 있다.

도2 Tesco의 수평 리사이클의 노력(2)