1. 서 론
기후변화와 환경문제는 많은 면에서 긴밀하게 연관되어 있다. 에너지와 자원순환에서 그 연관성이 매우 높으며, 기후변화와 환경위기를 극복하기 위해 전 세계적으로 많은 노력들이 이행되고 있다[1-23]. 산업혁명 이후 인구의 증가, 소비 형태의 변화 및 경제성장과 같은 다양한 이유로 기하급수적으로 증가하는 폐기물 문제는 심각한 환경문제가 되고 있으며, 자원순환이 중요해진 요즘은 더욱 관심을 받고 있다.
1995년 17만 5,334톤/일이었던 폐기물 발생량은 2020년 49만 7,238톤/일까지 연평균 4.64%만큼 증가하였으며 증가 추세를 보인다. 특히 코로나19 팬데믹 이후 국내 플라스틱 폐기물 발생량이 2019년 402만 톤/년에서 2021년 468만 톤/년으로 매년 증가하고 있다[24].
에너지 생산의 대부분을 차지하는 화석연료 사용량 또한 증가하는 추세를 보인다. BP에너지통계[25]에 따르면, 에너지 사용량은 지속해서 증가하고 있으며, 대부분의 국가에서 석탄, 석유, 천연가스의 사용량이 타 에너지원에 비해 최소 60퍼센트를 차지한다(Figure 1).
또한 학계의 지속적인 피크오일에 대한 경고도 무시할 수 없다. 과거에는 채굴 비용이나 가공 비용의 문제로 전망이 없는 것으로 여겨졌던 셰일오일 등의 자원을 채굴하는 기술이 발전하게 되고, 발견하지 못했던 유전을 발견, 채굴함에 따라 피크오일의 시점을 늦춰 현재까지도 계속해서 원유 및 지하자원의 생산량을 증가시켜 올 수 있었지만 결국 지하자원의 고갈은 시점이 언제인지와는 상관없이 닥쳐올 미래이다.
지금까지 자원을 이용해 제품이 만들어지고 사용 이후 폐기물에 대한 처리는 소각 혹은 매립, 즉 폐기(Dispose)가 흔하게 사용됐다. 그러나 이와 같은 종래의 폐기물 처리는 선형 경제의 한계에 부딪히게 되어, UN을 포함한 여러 국제기구의 글로벌 환경정책 기조는 자원순환으로의 전환을 도모하게 되었다. 우리나라를 살펴보면 자원순환으로의 전환을 위해 석유·화학을 비롯한 철강·비금속, 배터리 등 9개의 산업에서 순환 경제 조성을 위한 과제로 CE9(Circular Economy9) 프로젝트를 추진 중이다[26].
폐기물의 매립과 소각 과정에서 대기오염물질을 비롯한 유해 물질이 방출되어 대기, 수질 오염을 야기하며, 동식물의 생태계에도 영향을 미친다. 동시에 지구온난화와 관련된 온실가스 배출을 증가시키며, 기후변화의 가속을 촉진한다. 특히 플라스틱은 소각, 매립, 재활용의 세 가지 방식을 통해 처리되는데, 이중 소각하는 과정에서 수많은 유해물질과 온실가스를 배출한다.
우리나라는 세계 8위의 에너지 소비국임과 동시에 소비한 에너지의 94% 이상을 수입에 의존하는 에너지 빈곤국이다. 2021년 기준 에너지/자원 수입에 지출된 비용은 1,359억 달러로[27], 이것은 우리나라 전체 수입액의 22.1%에 해당하는 규모이다. 우리나라는 이처럼 높은 해외 의존도로 인해 자원 가격 상승 및 수급 불균형 등 세계적인 에너지 시장 변화에 매우 취약하다고 할 수 있다. 또한 석유/천연가스 등 주요 에너지/자원의 수입원이 특정 지역에 편중해 있다는 문제점 역시 같은 맥락으로 볼 수 있다. 예를 들어, 한국에서 사용하는 석유의 경우 약 59.0%를 중동지역에서의 수입에 의존하고 있다[27]. 또 위에서 언급한 것과 같이 세계적으로 기술의 발전을 통해 시기를 늦추고 있음에도 국가를 초월한 전 지구적 자원의 고갈이 점차 다가오고 있다.
따라서 우리는 원유추출기술이 폐기물 문제와 자원 의존 현상을 타개할 수 있는 해결책으로 판단했고, 이에 본 연구에서는 원유추출기술에 사용하는 각 원료와, 원유추출기술의 정의 및 원리, 특징을 정리하고, 동향과 함께 평가를 진행하여 원유추출기술의 현황을 파악했다.
2. 원 료
2.1. 폐플라스틱
매년 증가하고 있는 폐플라스틱은 국내에서 2021년 기준 468만 톤의 폐기물이 발생하였으며, 현재 85%가 매립, 소각처리 되거나 유출되고 있어 지구환경 부하의 원인으로 부각되고 있다. 이는 플라스틱 제품이 혼합원료로 제작되어 분리배출이 불가능한 경우가 많고, 일회용품으로 저렴한 가격으로 인해 재활용 의지가 크지 않기 때문이다. 또한 매립이나 소각처리를 위한 공간 역시 지역주민의 반대와 경제적, 사회적 문제가 부각되고 있어 어려움이 가중되고 있다[28]. 이러한 어려움을 해결하기 위하여 국내에선 탄소중립 K-순환 경제 이행계획 발표와 같은 폐플라스틱 저감 정책과 함께 폐플라스틱의 재활용 처리에 대한 관심이 증가하고 있다.
폐플라스틱의 재활용 방법은 에너지 재활용, 화학적 재활용, 물질적 재활용으로 분류된다[29]. 에너지 재활용은 소각 기술과 고형연료화 등이 있다. 소각 기술은 폐플라스틱을 소각로를 이용해 고산소 조건에서 연소시켜 스팀, 온수 같은 열원을 생산하는 것이다. 고형연료화는 선별, 파쇄, 건조를 통해 연료화시킨 고체연료를 의미한다. 화학적 재활용의 경우 열분해, 가스화, 해중합 기술들이 있다. 열분해는 관형 반응기를 이용해 고온 고압 상태에서 원료를 추출하며, 가스화는 유동층 반응기를 이용해 고온 고압 상태에서 가스를 추출한다. 해중합은 플라스틱을 화학적으로 분해 후, 유기물질을 제거하여 다시 본래의 단량체로 재융합하는 기술로, 열 또는 촉매를 이용하는 중합반응의 역반응을 이용한다. 마지막으로 물질적 재활용은 재사용과 기계적 처리를 통해 폐플라스틱을 추가적인 탄소 배출 없이 재활용하여 제품을 생산하는 것이다.
최근에는 PCB, 저층 필름 등과 같이 단일 종류로의 분리 및 선별이 어려운 혼합 폐플라스틱이 증가하고 있기 때문에 화학적 재활용 기술의 중요성이 다른 재활용 방법들에 비해 커지고 있다. 화학적 재활용 방법은 앞서 언급했던 것과 같이 열분해, 가스화, 해중합 기술이 있다. 이중 열분해 공정을 살펴보면 폐플라스틱의 원료인 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS) 등을 이용한 열분해 플랜트가 가동되고 있으며, 열분해 및 촉매를 사용한 화학반응을 조합해 플라스틱 80% 이상을 유화 제품으로 회수하고 있다. 또한 열분해 공정을 이용하여 원유추출 시 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), ABS플라스틱, 폴리우레탄(PU)등의 원료를 이용하였을 경우 소각, 가스화에 비해 환경오염이 적고, 고열량의 연료를 생산할 수 있으며 프로세스 최적화가 용이하다는 장점이 있다.
촉매분해 공정을 이용하여 원유를 추출하는 경우에는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS)의 원료를 사용하면 반응시간이 짧고 낮은 온도에서 작동할 수 있어 생산비용 및 에너지 절감, 불순물과 숯 생산이 감소하는 장점이 있다[28].
폐플라스틱 시장 규모는 현재 약 60조 원으로, 작년 대비 7.4% 상승하여 지속적인 성장률을 보이는 분야이다. 업계에서는 2027년까지 83조 원, 2050년까지 600조 원까지 성장할 것으로 예측하고 있다[30].
2.2. 바이오매스
바이오매스란 원래 생물량을 의미하는 생태학적인 용어로 사용되었으나 현재는 ‘에너지나 자원으로 이용할 수 있는 생물체’로 사용되고 있다. 식물은 태양에너지, 탄산가스, 물을 이용하여 당, 전분, 섬유소를 합성하고 이를 저장한다. 그리고 동물이 이를 섭취하고 동식물은 미생물에 의하여 종국적으로 탄산가스와 같은 무기물로 분해되는 하나의 순환과정을 형성한다. 이러한 생태계의 순환과정과 관련된 모든 유기체를 일컬어 바이오매스라 한다[31].
바이오매스는 곡류, 감자류를 포함하는 전분질계의 자원 농부산물을 포함하고 있는 셀룰로스계의 자원, 당질계의 자원, 동물 단백질계의 자원, 이들 자원에서 파생되는 다양한 유기성 폐기물 자원 등의 종류가 있다[32]. 유기성 폐기물은 2019년 기준 6,537만 톤이 발생하며, 이중 가축분뇨가 86%, 하수찌꺼기 6%, 음식물류 8%로 나타났다. 이렇게 발생한 유기성 폐자원은 75%가 퇴,액비화되며 정화가 10.4%, 바이오가스화 5.7%, 사료화 2.9%, 기타 2.7% 등으로 처리되고 있다[33].
식물이나 미생물 같은 바이오매스를 원료로 만들어지는 연료를 바이오연료라 한다. 바이오연료는 열화학적 변환, 생물학적 변환, 기타 세 가지로 변환 기술을 정리할 수 있다. 열화학적 변환에는 발전, 폐열발전, 가스화(Gasification), 열분해(Pyrolysis), 직접액화, 간접액화, 에스테르화(Esterification) 등이 있으며 생물화학적 변환은 알코올 발효(Alcoholic fermentation), 메탄발효와 수소발효 등이 있다. 그 외 펠리트와 추출도 사용하고 있다[31]. (Figure 2)
바이오연료는 2020년 기준 국내 총 11,104,564TOE의 재생에너지에서 37.4%의 비율을 차지하는 태양광에너지 다음으로 35.1%의 높은 비율을 차지하고 있다. 또한 2020년 기준 국내 바이오에너지의 유형을 살펴보면, 목재펠릿 34%를 뒤이어 바이오디젤이 17.7%, 바이오중유가 10.5%를 차지하고 있다.
바이오연료는 다른 신･재생에너지의 적용이 불가능한 직접 운반이 가능하며 석유 에너지의 대체 효과가 높다는 장점이 있다. 또한 자원이 많고 파급효과가 크며, 환경 친화적으로 생산이 가능하고 화석연료에 의한 온실가스 양을 감축할 수 있고 다양한 형태의 에너지(연료, 전력, 천연화합물 등)가 전환이 가능한 특성을 가지고 있다[34].
3. 원유추출기술
3.1. 열분해
3.1.1. 정의 및 소재
열분해는 폐플라스틱 등의 원료에 열을 가하여 고분자 물질에서 저분자 수준으로 분해해 오일을 추출하는 방식으로, 통상 섭씨 300~600℃의 저산소･무산소 환경에서 플라스틱을 가열해 가스, 오일, 잔류물 등으로 환원시켜 고분자 물질인 플라스틱을 저분자 화합물로 전환하는 기술이다[35]. 한 연구에서는 섭씨 450℃에서 600℃에서 바이오매스를 원료로 해 열분해오일을 생산하였으며[29], 다른 연구에서는 원료 투입량에 따라 섭씨 300℃에서 700℃까지 올리는 등[36] 상이한 가열 온도의 차이를 보인다. 열분해는 기계적 재활용과 같은 기존 재활용 방식과는 다르게 화학적 재활용 기술로서 복합 재질의 혼합 폐플라스틱도 처리가 가능하며, 폐플라스틱 이외에도 바이오매스 등의 비석유계 고분자 물질에서도 동일한 방식으로 원유를 생산할 수 있다는 장점을 가지고 있다[37].
열분해유 추출에 사용되는 원료로는 크게 폐플라스틱과 바이오매스가 있는데, 주로 사용되는 폐플라스틱으로는 앞서 언급한 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), ABS플라스틱, 폴리우레탄(PU) 등을 주로 사용하며 이중 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)이 잔여 고형물을 거의 남기지 않아 액화하는데 있어 용이하다[36].
3.1.2. 공정 원리
열분해의 원리는 타 원유추출기술에 비해 간단하다. 가하는 온도와 촉매의 차이는 있지만 가스화 공정과 기본적으로 동일하다. 폐플라스틱 또는 바이오매스 등의 원료를 무산소 또는 저산소 환경에서 가열하면 연소와는 반대로 흡열반응으로 진행되는데, 이때 탄소-탄소 고리를 가지고 있는 유기 화학 물질이 환원 분위기에서 분해되어 기체 또는 액체로 증발/용융되며, 분해되지 않은 물질은 고형물로 남게 된다. 분해된 기체를 정제하여 바이오가스 등으로 사용할 수 있고, 생성된 액체를 정제한 것이 바로 열분해유이다.
3.1.3. 공정
열분해 유화 공정은 분리/분별 공정과 탈염화수소 공정, 이후에 열분해 공정과 유수분리 등의 오일화를 위한 냉각 공정으로 이루어져 있다. 이외에 부수적인 공정으로 유수분리 공정을 거치고, 열분해 공정에 가스 순환 장치, 버너 등을 포함하고 있다. 분리 및 분별 공정을 거쳐 성상에 따라 구분과 잘게 부순 원료를 열분해 반응기(Pyrolysis reactor)에 투입한다. 이 원료를 열분해 반응기에 투입한 후 각 기업 또는 연구실에서 진행하는 공정에 따라 낮게는 섭씨 300℃에서 600℃까지 무산소･저산소 환경에서 가열한다. 열이 가해진 원료는 원료의 특성에 따라 기체 또는 수분을 포함하는 액체, 고형 잔류물로 전환된다.
열분해를 통해 생성된 액체는 회수하여 수분을 제거한 후 발전소 등으로 공급된다. 또한 생성된 기체는 가스 순환 장치를 통해 버너로 재공급되어 반응기의 가열에 필요한 연료로 사용하고, 기체 중 일부 유증기는 냉각 공정을 통해 액체로 회수하여 유수분리 공정을 거쳐 액체오일로 정제한다. 남은 고형물의 경우 원료에 따라 다르지만 약 20wt%에서 53wt% [37]까지 차지하게 되는데, 폐플라스틱 등의 원료에서 플라스틱 외에 혼입된 인쇄도료와 같은 불순물이 60% 이상을 포함하고 있다. 때문에 플라스틱과 같은 성상으로의 물리적, 기계적 재활용은 불가능하지만, 이 잔여 고형물의 대부분이 탄소-탄소 고리를 유지하고 있으므로 열분해 반응기에 재투입해 오일화 또는 가스화를 진행할 수 있다[37].
3.2. 파동에너지
3.2.1. 정의 및 소재
파동에너지에서 파동이란 에너지를 전달하는 진동을 의미한다. 이 과정에서 입자의 운동 없이도 에너지는 전달이 된다. 파동의 한 종류인 전자기파는 자기장과 전기장의 상호작용으로 전자기장의 변화가 공간상으로 퍼져 나가는 현상으로, 전파, 적외선, 가시광선 등이 있다. 이러한 전자기파는 매질 없이도 빛의 속도로 전파되는 특징을 가지고 있다[39].
파동에너지를 이용한 추출유의 원료로는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP) 등을 혼합한 폐플라스틱, 폐비닐을 사용한다[40]. 오염된 혼합재질류의 폐비닐, 폐플라스틱도 원료로 사용할 수 있어 인적, 물적 비용의 소모를 최소화할 수 있다.
3.2.2. 공정 원리
파동에너지 기술은 세라믹볼의 파동에너지를 활용하여 폐플라스틱을 유증기로 분해한다. 폐플라스틱을 유증기로 분해하기 위해서는 흡열반응이 일어나야 하며 에너지 공급원이 필요하다. 이 과정에선 파동에너지가 에너지 공급원이 되며, 밀폐식 반응기에서 전기에너지로 발생한 파동에너지가 빛과 진동에너지로 세라믹 촉매에 가해져 UV-C(120~280 nm) 파장을 가진 강력한 에너지의 Pulse Wave가 불연속적으로 발생하게 된다. 이때 방출되는 UV의 파동에너지와 열에너지(180~270℃)의 조합으로 수백, 수천만 개의 탄소가 사슬 구조로 엉켜있는 상태인 폐플라스틱의 분자 구조에서 탄소 수 9-40개 사이의 중질유증기를 추출하는 원리이다[41].
3.2.3. 공정
파동에너지 기술의 생산 공정은 1차 기기에서의 분해처리 공정(Decomposition process)과 2차 기기에서의 정제 공정(Refining process)으로 이루어져 있으며 다음의 단계에 따라 원유를 추출한다[40].
a. 플라스틱 분해 : 1차 기기에 탑재된 세라믹볼을 활성화해 UV-C(120-280 nm) 파동에너지와 열에너지 조합으로 고체 플라스틱이 Oil mist로 분해되어 유증기 상태로 반응기 상부로 방출한다. 이때 발생된 유증기는 냉각 및 응축 과정을 통해 저장탱크(Mid-storage)에 저장된다. 공정 이후 1차 기기 반응로(Primary device)의 탄화된 잔재물은 전체 공정 완료 이후, 2차 기기 잔재물과 함께 고체연료로 생산된다.
b. 1차 정제 과정 : 2차 기기에서는 내부 온도를 상온~200℃로 유지하여, 세라믹 촉매를 통한 교반작업과 함께 재생연료유의 불순물 및 수분성분을 분리한다.
c. 2차 정제 과정 : 세라믹 촉매를 기반으로 하여 1차 재생 연료유 중에 포함된 각기 다른 성분을 비등점 차이를 이용해 추출한다.
d. 3차 정제 과정 : 최종 하이 크래킹(High cracking) 공정으로 인체에 유해한 유황, 질소, 금속 성분 등을 제거하여 소비자가 요구하는 품질의 재생 연료유를 생산한다.
3.3. 전이에스테르화
3.3.1. 정의 및 소재
전이에스테르화란 유지나 지방을 알코올과 반응시켜 에스터와 글리세롤을 형성하는 반응으로, 바이오디젤과 바이오중유가 전이에스테르화를 통해 추출된다.
바이오디젤은 식물성 유지, 동물성 지방 등을 메탄올과 화학적 방법으로 생성된 지방산에틸에스테르로서 자동차용 경유에 혼합 후 사용하기에 충분한 성능을 가지고 있는 석유대체연료이다[42]. 『석유사업법』[43]에 따르면, 석유 제품 연소 설비에 있어 근본적인 구조 변경 없이 석유 제품 대체가 가능한 연료로 석유대체연료라 칭하며, 『신재생에너지법』[44]에 따라 생물자원을 변환시켜 사용하는 바이오에너지에 속한다. 바이오디젤은『석유대체연료의 종류법』[43]에 따라 바이오디젤 및 이를 석유 제품인 경유와 혼합하여 제조한 연료를 말한다.
일반적으로 바이오디젤 원료를 식용 식물성 오일, 비식용 식물성 오일, 동물성 유지, 그 외 등의 그룹으로 분류한다. 식물성 오일과 동물성 유지는 경유 연료의 에너지와 유사한 에너지를 가진 무한한 신재생에너지원으로 여겨지고 있으며, 350여 종 이상의 바이오디젤 원료가 연구되고 있다. 현재는 대두유, 해바라기(sunflower)유, 팜유, 면실(cottonseed)유, 카놀라(canola)유 등이 가장 경제성이 있는 원료로 상용화되고 있으며[45], 국내 바이오 디젤의 경우 수입산(팜부산물 등) 71%, 국산(폐식용유 등) 29%의 비율로 생산하고 있다[42].
바이오중유란 동식물성 유지를 메탄 및 에탄올과 반응시킨 바이오연료로 2014년부터 국내에서 활용되고 있는 발전용 중질유의 대체연료이다. 바이오중유는 『발전용 바이오중유 시범보급사업 추진에 관한 고시』 및 『석유 및 석유대체연료 사업법』에 근거를 두고 있고, 『발전용 바이오중유 시범보급사업 추진에 관한 고시』에서는 바이오중유를 지방산 메틸(에틸) 에스테르, ‘동식물성 유지 또는 이 두 가지를 혼합하여 품질기준을 충족시킨 제품’으로 정의하고 있다. 바이오중유라는 용어는 학술적으로 명확히 정의된 것이 아니며 시범 보급 사업 추진 과정에서 이름이 붙여졌다[46].
국내에서 사용되고 있는 주원료 물질은 팜 오일 계통의 팜 원유(CPO), 팜 지방산(PFAD), 정제 탈취 팜유(RBDPO), 팜 스테아린(Palm Stearin), 팜 산유(PAO) 등과 동물성 유지인 돈지, 우지, 그리고 바이오디젤(BD) 및 바이오디젤 피치(BD pitch) 등이 사용되고 있다. 팜 원유란 팜 열매를 착유한 오일이며 정제 탈취 팜유란 팜 원유를 물리적으로 정제(탈색, 탈검, 탈취)하여 생산된 정제 팜 오일이다. 팜 스테아린이란 정제 팜유의 저온 분리 공정을 이용해 생산된 스테아린이며 팜 산유란 팜 원유의 화학적 정제 공정 중 염기･탈검 및 산처리로 가공된 중화된 비누 분리물을 포함한 오일이다.
3.3.2. 공정 원리
바이오디젤과 바이오중유에서는 전이에스테르화 원리가 이용된다. 에스테르(이하 에스터)란 유기 화합물 중 하나로, 유기 라디칼이 산소의 수소 분자 자리에 치환된 것을 말한다. 에스터는 에스테르화라는 알코올과 산 사이의 축합 반응을 통해 합성된다. 축합 반응 시 부가 생성물이나 물이 생성되며, 이 공정에서는 알코올이 생기게 된다.
전이에스테르화란 유지나 지방을 알코올과 반응시켜 에스터와 글리세롤을 형성하는 반응으로, 트리그리셀라이드가 전이에스테르화를 통해 지방산 알킬 에스터와 글리세롤이 된다(Figure 3). 반응에선 디글리세라이드(diglyceride)와 모노글리세라이드(monoglyceride) 같은 중간체가 생성되며 이들의 잔류는 내연기관 부조화 현상을 일으킬 수 있어 관리가 필요하다. 전이에스테르화는 가역반응으로 알코올을 과량으로 사용하게 되면 평형이 에스터 형성 쪽으로 이동한다. 과량의 알코올이 존재함으로써 정반응은 1차 반응, 역반응은 2차 반응이 된다. 알칼리 촉매를 사용할 경우 반응이 더 빠르게 진행된다. 알칼리 촉매를 사용할 때 반응 메커니즘은 Figure 4과 같다.
3.3.3. 공정
a. 수집 및 전처리(Collection and preparation) : 원유를 수집하고 수분을 제거한다.
b. 정제 공정(Refinde process) : 인지질과 자유지방산이 제거되며 총 3단계로 진행된다. 첫 번째로 탈검 공정이다. 콩기름을 물과 혼합한 후 고온에서 기계적 교반을 통해 인지질과 검이 수화하게 된다. 그리고 여과와 원심분리를 통해 이를 제거한다. 두 번째로 중화, 탈산 공정이다. 중화 공정에서는 유지 내에 있는 잔류 자유지방산을 제거한다. NaOH와 같은 알칼리 용액을 사용하여 비누를 형성시킨다. 이후 수세 과정을 통해 비누를 제거한다. 마지막으로 유지 내 색성분을 제거하는 과정을 거친다. 표백용 백토를 이용하여 잔여 비누 성분이나 금속 성분, 황 성분을 제거한다.
c. 전이에스테르화 : 전이에스테르화 공정에서는 메탄올이 사용되어 트리글리세라이드가 지방산 알킬 에스터와 글리세롤로 바뀌게 되며 글리세롤은 가라 앉게 된다.
d. 수세, 건조, 증류 : 에스터와 글리세롤을 분리하고 정제를 위해 수세, 건조, 감압증류 과정을 거치게 된다.
바이오중유는 석유 제품 생산과정인 정제 및 증류 과정 없이 전처리 공정, 처리 공정, 혼합 공정 순으로 처리하여 생산한다[42].
a. 전처리 공정 : 원료에 포함된 이물질이나 금속분(칼륨, 나트륨, 인 등) 등 불순물을 촉매나 필터를 통해 제거한다.
b. 처리 공정 : 높은 산성의 원료를 중화, 냄새나 색 등을 제거한다.
c. 혼합 공정(Mixing tank) : 처리 공정을 거치고 난 원료를 품질기준에 맞게 혼합한다.
3.4. 열수액화
3.4.1. 정의 및 소재
열수액화의 열수는 지질학에서 비롯된 용어로, 지각 속 물이 고온, 고압에서 미네랄과 반응하는 것을 의미한다. 이후 고온, 고압 조건에서 수용액을 반응시키는 것을 의미했고, 현재는 여러 분야에서 사용되고 있다[48]. 또한 열수처리는 반응 조건에 따라 열수탄화(HTC), 열수액화(HTL), 열수가스화(HTG)로 구분된다[48]. 열수액화와 다른 바이오 연료 생산의 가장 큰 차이는 생성물 회수이다.
열수액화의 바이오매스로는 하수 슬러지, 음식물 쓰레기 등 다양한 바이오매스들과 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등의 폐플라스틱이 테스트 되고 있다.
3.4.2. 공정 원리
열수액화는 화학적 방법인 열해중합 중 하나로, 열을 이용하여 폴리머를 모노머 혹은 모노머 혼합물로 변환되는 과정이다[48]. 열수액화 공정의 주요 구성 요소는 물이며, 물은 임계점에 도달할 때 가장 큰 변화가 일어난다. 이러한 특성은 열수액화 반응에 큰 영향을 미치며, 오일 정확도는 온도 및 가열속도, 압력, 용제, 체류시간, 촉매 등의 여러 변수에 따라 달라진다. 사용되는 원료에 따라 이상적인 온도는 상이하며 이상적 온도보다 높을 경우에는 숯 형성이 증가하고 낮을 경우에는 제품 수율이 감소하게 된다. 온도와 마찬가지로 가열 속도가 낮게 되면 숯이 형성되고, 높은 가열 속도는 액체 생성이 억제되기 때문에 임계 가열속도가 존재한다. 압력의 경우에도 용매의 초임계 혹은 미임계 상태를 결정한다. 열수액화는 짧은 시간 안에 일어나는 공정으로 일반적으로 15분~60분 단위로 측정된다. 수용성 무기화합물, 니켈, 팔라듐, 백금과 같은 전이 금속 촉매를 이용할 경우 오일 수율이 20% 증가할 수 있다. 이처럼 열수액화는 다양한 변수의 영향을 받게 된다.
3.4.3. 공정
열수액화 반응 후 하이드로차(Hydrochar)와 바이오오일은 슬러지 상태로 혼합되어 있다. 고체와 액체를 분리하기 위해 여과 과정을 거치고, 이후 액체 생성물을 분리하기 위해 유기용매를 이용한다[48]. 바이오오일의 회수에는 주로 알코올, 에테르를 사용하며 목표로 하는 물질을 분리할 경우 두 가지 이상의 용매를 사용한다. 선행 연구에 따르면 열수액화는 표준 조건(반응 온도 275℃, 시간 30분, 에탄올 50%)을 기준으로 공정을 전개한다.
a. 회분식 반응기를 사용하여 바이오매스와 용액을 혼합한 후 교반을 진행한다.
b. 반응이 끝난 후 상온에서 내부 온도가 40℃가 될 때까지 냉각한다.
c. 가스 측정 후 용기 속에 남아있는 고체, 액체 혼합물을 뷰흐너를 통해 분리한다. 이때 분리된 액체를 ‘액상 1(Organic phase A)’이라 칭하고 분리된 고상(Solid residue)은 에틸 아세테이트를 이용하여 세척한다. 세척한 고체는 ‘하이드로차(Hydrochar)’, 액체는 ‘액상 2(Organic phase B)’라 한다.
d. 액상 1과 2를 서로 다른 용기에 보관 후 에틸 아세테이트를 첨가하여 혼합한다. 이후 두 액상 속 수분을 제거하기 위해 24시간 동안 수분리를 진행한다. 액상 1에서 얻어진 바이오오일을 ‘라이트오일(Light oil)’, 액상 2에서 얻어진 바이오오일을 ‘헤비오일(Heavy oil)’이라 한다.
4. 기술 동향
4.1. 열분해
2005년 원유 가격 상승으로 인해 관심받았던 열분해는 2014년에 원유 가격의 하락과 원료 확보 문제가 발생하며 상업화까지 연결되지 못했다[49]. 이후 중소기업 중심으로 열분해 기술 개발이 진행되었으나 플라스틱 폐기물량 증가와 지구온난화와 같은 환경 문제들이 부각되고, 이에 맞춰 정계의 관심과 기업의 ESG 경영 선언에 따라 열분해 기술에 대한 연구들이 활발하게 이루어지고 있다.
먼저, 정책적인 측면에서는 업계의 관심을 따라가지 못하는 구식 제도들로 기술 개발에 어려움을 겪었다. 이에 정부는 ‘석유 및 석유대체연료 사업법 일부개정법률안’을 통해 친환경 원료의 정의를 신설하고, 이 친환경 원료의 정제 공정을 석유정제업에 합류시키는 등의 석유와 석유정제업 관련 사업의 규모가 확대될 수 있게 하였다. 또한 탄소중립 K-순환 경제 이행 계획을 발표하며 열분해 등의 화학적 재활용을 통한 폐플라스틱 연료화 비중을 20년 0.1%에서 25년 3.6%, 30년 10%로 확장하는 계획을 수립했다[50].
국내에 상용화된 열분해 공정 업체는 2022년 기준 16개이다[28]. 이 중 가장 적극적으로 투자하고 있는 기업은 LG화학과 한화를 꼽을 수 있다. LG는 현재 충남 당진에 열분해유 공장을 건설하고 있는데, 이 공장은 24년 완공이 목표이며, 연간 2만 톤의 열분해유를 생산할 수 있는 규모이다[51]. 동시에 한화에서도 24년 1분기까지 저온 열분해를 통한 원유추출기술을 통해 플라스틱 열분해 시설의 실증화 테스트를 진행하고 있다[52].
이 외에도 SK이노베이션에서는 폐플라스틱 열분해유를 연간 400톤 이상 생산해 SK 울산 석유화학 공장 원료로 투입하여 생산 제품의 품질을 검증하는 테스트를 진행하고 있으며[53], GS칼텍스도 2000배럴의 열분해유를 생산해 자원순환형 제품을 생산하는 실증 테스트를 진행하는 등의 열분해유 상용화 시험을 진행하고 있다[54]. 추가로 SK지오센트릭은 2027년까지 약 250만 톤 규모의 재활용시설을 구축할 계획을 추진하고 있다[53].
해외 기업들도 열분해유 생산에 투자를 진행하고 있다. 독일의 BASF는 연간 2만 톤의 혼합 플라스틱, 폐플라스틱 처리를 목표로 공장을 가동 중이며 미국의 Shell은 25년 100만 톤의 폐플라스틱을 열분해/고부가 화학 제품으로 전환을 추진하고 있다. 또한 핀란드의 Neste, 네덜란드의 SABIC은 각각 연 7천 톤, 2만 톤의 폐플라스틱 처리가 가능한 공장을 가동 중이다[28].
4.2. 파동에너지
㈜전영R.G.O는 광양시 초남 2공단에 세계 최초로 도시유전의 핵심 기술을 활용한 폐플라스틱 저온 분해 및 정제유 생산 상용화 공장을 건설하는 선도 기업으로 나섰다. 광양시에 착공되는 이 프로젝트에는 ㈜캡코이에스와 ㈜하이테크엔지니어링이 투자하였으며, 현지 업체인 ㈜승창개발 등도 참여하였다[55].
또한 ㈜도시유전은 2021년 춘천시와 폐비닐, 폐플라스틱 문제를 해결하기 위한 업무 협약을 체결하였다. 하루 23톤의 폐플라스틱과 폐비닐이 발생하고 있는 춘천시는 ㈜도시유전 재활용 시설을 이용해 폐합성수지와 영농폐기물 등을 재생유로 재생하여 친환경적으로 처리할 수 있게 되었다. 춘천시는 하루 6톤의 폐플라스틱과 폐비닐을 처리할 수 있는 시설을 가동할 경우 재생유 판매로 연간 7억 6천만의 수익을 올릴 수 있을 것으로 기대했다[56].
동남아시아 시장에서도 R.G.O기술에 대한 관심이 늘어나고 있다. 특수 목적 법인 태인이에스지를 통하여 종합 물류 기업 국보와 베트남의 푸타이 홀딩스 그룹 자회사 푸타이켓이 폐플라스틱 재활용을 목적으로 하는 합작법인 설립 협약을 체결하였다. ㈜도시유전과 국보가 공동으로 투자한 태인이에스지는 베트남 내에서 ㈜도시유전의 R.G.O 기술을 활용하여 폐플라스틱을 화학적으로 재활용하는 친환경 자원선순환 사업을 추진할 예정이다[59]. 뿐만 아니라 ㈜도시유전의 R.G.O 기술은 최근 한국환경공단이 주관한 ‘탄소중립 순환 경제 공동이행을 위한 협력 워크숍’에서 말레이시아 재생에너지 및 폐기물 처리 시장에 진출하는 등 동남아시아 시장에서도 높은 관심을 얻고 있다[59].
4.3. 전이에스테르화
4.3.1. 바이오디젤
정부는 수송부문에서의 바이오에너지 산업 성장과 온실가스 감축을 촉진하기 위해 연료혼합의무화제도(RFS)를 운영하고 있고, 바이오디젤에 한하여 시행 중이다. 국내 바이오디젤은 2006년 상용화를 시작으로 2021년 기준 자동차용 경유에 3.5% 비율로 보급되고 있으며, 매년 0.5% 상향해 2030년 이후 5% 보급을 추진하고 있다. 또한 정부는 기존에 사용되는 원료 외에 국내 폐자원 및 미세조류와 같은 비식용 원료를 활용한 바이오디젤 연구에 주력하고 있다. 한국의 바이오디젤 산업은 2023년 기준 생산 부문에서 세계 16등, 소비 부문에서 20등을 차지하고 있는 등 성장세를 보이고 있지만, 세계 시장에서는 아직 약 1% 수준의 점유율을 가지고 있다. 또한 2020년 녹색기술센터에 따르면 미국 대비 한국의 수송용 바이오연료 생산기술 수준은 4.5년의 기술격차가 존재하는 것으로 나타났다.
현재 국내 바이오디젤 생산량은 874,000TOE로 국내 20여 개의 중견, 중소기업들이 바이오디젤과 중유를 생산하고 있다. 또한 국내 주요 정유, 석유화학 기업들도 수송용 바이오디젤 부문에 대규모 투자를 진행 중이다. 중견기업 중 하나인 단석산업은 연간 14만 톤의 폐식용유를 수거하여 34만 킬로리터를 생산하는 국내 최대 규모의 회사이며, 국내 바이오디젤 수출의 71%를 차지하고 있다[60]. 또한 울산시는 2023년 케이디탱크터미널㈜와 375억 규모의 바이오디젤 생산 공장을 설립 체결을 진행해 연간 9만 톤 생산이 가능한 공장을 설립하고 있다.
바이오디젤은 유럽과 아시아를 중심으로 자동차용 경유에 혼합하여 사용하며, 유럽은 최대 7%, 아시아에서는 인도네시아가 이미 최대 20%로 의무 혼합하여 사용하고 있다. 또한 미국, 유럽 외에도 브라질, 인도, 인도네시아 등의 국가에서 바이오디젤 혼합 의무화 정책에 따라 바이오디젤의 수요가 크게 증가하고 있다. 2019년 세계 바이오디젤 생산량은 410억 리터를 기록 후, 2020년엔 코로나 팬데믹의 영향으로 370억 리터로 감소하였으며, 2019년 바이오디젤의 국가별 생산량은 독일, 네덜란드, 프랑스, 스페인 등의 유럽 국가 생산량이 157억 리터, 미국이 84억 리터, 인도네시아 72억 리터 순으로 나타났다. 특히 인도네시아의 경우 팜유로 추출한 바이오디젤의 비중을 40%로 증가시키기 위해 추진하고 있다. 인도네시아는 최대 팜유 생산국으로, 2018년부터 팜유를 섞은 바이오디젤을 경유를 사용하는 차량과 기계에 사용하도록 의무화하고 있다. 2018년에는 팜유 함량이 20%인 바이오디젤 B20을 도입하였고 2020년 부터는 팜유 함량을 30%로 올린 B30을 사용하고 있다. 2023년에는 B40 도입을 목표로 하고 있으며 현재 연료 성능 평가를 위해 도로 주행 시험을 진행 중이다.
4.3.2. 바이오중유
바이오중유는 2012년에 도입된 신재생에너지 공급 의무화 제도(RPS)에 따라 중유를 대체하도록 의무화되었고, 2013년에는 산업통상자원부의 주도로 ‘발전용 바이오중유 시범 보급 사업 추진에 관한 고시’의 제정을 통하여 발전용 바이오중유의 보급 확대의 필요성과 품질 및 성능, 안정성 등을 검증하기 위해 시범 보급 사업을 추진하였다. 실증연구 결과 발전기에 적합한 품질 및 성능, 안정성이 확보되어 이에 따라 2019년부터 발전용 바이오중유가 상용화되었다[42].
현재 바이오중유는 ㈜이맥솔루션, ㈜단석사업 등 9개 사가 생산업자로 등록되어 있고, 연간 생산능력은 약 214만 킬로리터 수준으로 나타났다. 그러나 바이오중유의 약 75%를 소비하는 남부발전, 중부발전이 위치한 제주도에 LNG 생산기지가 건설되어 발전단가가 저렴한 LNG 발전으로 인하여 바이오중유의 보급이 감소할 전망이다[42].
바이오중유는 발전용뿐만 아니라 수송용으로도 활발한 연구가 이루어지고 있다. 국내 해운업체 HMM은 2021년도에 최초로 바이오중유 선박 실증을 완료하였다. 1.3만 TEU급 컨테이너선인 ‘HMM 드림호’는 바이오중유에 대한 선박 실증을 위하여 부산에서 파나마 운하까지 약 10일간의 운항을 통해 실증을 완료하였으며, 상용화에 성공하였다[61]. 바이오에너지 분야를 대표하는 ㈜단석사업은 2022년 샘플테스트를 완료한 친환경 선박유 완제품 3,000톤이 네덜란드로 수출하는 등 수송용 바이오중유를 활용한 바이오선박유의 유럽 수출에 성공하였다. 이를 통해 ㈜단석사업은 바이오선박유의 글로벌 수출을 지속해서 확대할 예정이며, 유럽 뿐만 아니라 싱가포르 및 국내 시장에도 바이오선박유의 공급을 늘릴 예정이다[62].
4.4. 열수액화
열수액화를 이용한 원유추출기술은 다수의 연구가 진행되었으나, 아직은 상용화가 많이 이루어지지 않았다. 그러나 Licella/Ignite Energy Resources(호주), Altaca Energy(터키), Circlia Nordic(덴마크), Steeper Energy(덴마크, 캐나다)와 같은 기술 회사는 열수액화의 상용화를 지속해서 모색하고 있다[63].
특히 덴마크, 캐나다의 열수액화 기술회사인 Steeper Energy에서는 하이드로팩션(Hydrofaction)이라는 독점 버전의 열수액화를 개발하여 바이오매스 폐기물 흐름을 재생 가능하고 지속 가능한 바이오원유로 전환하는 기술을 개발했다. 이를 상용화 하기 위해 2011년 덴마크에 실험실 규모의 공장을 건설하였으며, 이를 토대로 2013년 올보르 대학의 에너지 기술학과와 함께 파일럿 플랜트를 완공하였다. 또한 노르웨이 토프테에 위치한 SGF(Silva Green Fuel) 플랜트에 상업용 규모의 시범 플랜트를 2021년에 완공하는 등 상업화에 노력을 기울이고 있다[64].
바이오매스를 이용한 열수액화와 더불어 플라스틱을 이용하는 열수액화도 상용화 단계에 있다. Arbios Biotech와 Licella 의 열수액화 기술인 Cat-HTR™기술을 기반으로 한 Mura Technology는 HydroPRSTM(열수 플라스틱 재활용 솔루션)라는 고급 재활용프로세스를 활용하여 잉글랜드 북동부 윌튼에 2만 톤의 상업시설을 설치하였으며, 2024년 초에 첫 번째 재활용 탄화수소 제품을 납품하는 것을 목표로 하고 있다[65].
5. 평 가
5.1. 열분해
먼저 열분해의 원료로 사용하는 것은 3.1에서 다루었던 것과 같이 대부분 폐플라스틱이다. 열분해에 이용하는 플라스틱 원료의 종류는 다양하지만, 혼합된 플라스틱이라고 하더라도 같은 석유 유래 고분자물질의 물성을 가지고 있기 때문에 유화시키는 데 어려움이 적다. 혼합플라스틱을 분리해 같은 재질의 플라스틱만 재활용할 수 있는 물리적/기계적 재활용보다 재활용의 범위가 넓다는 것도 하나의 장점이다. 하지만 연구 결과에 따르면 동물성 폐기물에서 열분해 유화를 진행하였을 때 오일의 점도가 높고 불순물 제거에 어려움이 있는 등의 저하된 성능을 보였고, 이 때문에 바로 액상연료로서 사용하기 힘들다는 단점을 가지게 되는 등 폐플라스틱을 제외한 각종 유기성 폐기물의 경우 공정은 단순하나 결과물이 좋지 않다는 특징을 보인다. 또한 열분해를 통한 생물 유래 폐기물이나 폐어망 등의 기타 유기성 폐기물의 원유추출기술의 연구는 지속해서 진행되고 있으나 실질적인 상용화가 이루어질 만큼의 메리트를 가지지 못해 상용화가 거의 이루어지지 않았다는 단점이 있다.
제조 공정상에서 살펴보면, 먼저는 열분해의 공정이 간단해 크게 복잡한 설비가 필요하지 않다는 장점이 있다. 열분해의 일반적인 제조 공정상 수율은 오일 기준 약 35%에서 65%인데, 이는 원료의 오일화 될 수 있는 고분자화합물을 제외한 불순물이 얼마나 들어있는지에 따라 크게 달라진다. 이에 가장 큰 영향을 미치는 요인 중 하나로 원료의 유통과정 또는 원료 자체에 포함되어 있는 수분의 함량인데, 특히 장마와 태풍이 주기적으로 발생하는 한국에서는 원료의 공급 일자에 따른 수율의 유동성이 매우 크다는 특징을 가진다.
열분해는 폐기물의 재활용을 통한 자원 재순환의 면에서는 뛰어난 해결책 중 하나이다. 하지만 에너지 소비 측면과 탄소 배출량 측면에서는 물론 소각과 비교했을 때 보다는 매우 뛰어난 기술임에 분명하지만, 기계적 재활용에 비해서는 에너지 소비량과 탄소 배출량 모두 열분해가 더 많다. 21년 영국 맨체스터대학 연구결과에서 열분해의 탄소 배출량은 2.13톤, 기계적 재활용은 1.99톤인 것으로 조사됐고, 마찬가지로 BASF의 분석에서도 열분해에서 2.12톤, 기계적 재활용에서 1.98톤으로 열분해의 탄소 배출량이 더 높은 것으로 나타났다[66].
종합적으로 평가하였을 때, 사용하는 원료가 플라스틱일 경우 원료의 성분에 크게 구애받지 않고, 폐플라스틱 이외의 원료도 분해하여 유화가 가능하다는 점에서 범용성이 좋다. 또한 제조공정상 타 재활용법이나 원유추출기술 중에서도 간단하고, 자원 재순환을 강조하는 최근의 정책상 변화에 잘 맞기 때문에 타 기술에 비해 상용화가 잘 이루어졌다는 점 역시 장점으로 작용한다. 하지만 원료의 불순물의 종류나 성상에 따라 수율이 크게 달라지고, 탄소 배출량과 에너지 소비량에서 큰 이점을 가지지 못한다는 단점 역시 가지고 있다. 따라서 열분해를 통한 원유추출기술은 유용한 기술임에 분명하지만, 현재 발전상태 그대로 이용하기보다는 연구기관, 기업 등의 투자와 개발을 통해 기술의 부족한 점을 보완할 필요가 있다.
5.2. 파동에너지
파동에너지와 세라믹볼을 이용한 원유추출기술인 ㈜ 도시유전의 R.G.O 기술은 환경적 측면으로 전체처리 공정 온도가 300℃ 미만으로 다이옥신 생성을 원천적으로 차단하고, 그 외에 악취와 유해 물질의 배출을 원천적으로 차단하여 환경친화적이다. 또한 폐비닐과 폐플라스틱 폐기물을 최대 90% 감량이 가능하며 현재 매립 및 소각 시설을 통해 충분히 처리할 수 있어, 환경 오염 및 폐기물 소각시설 설치로 인한 지역 갈등도 해결할 수 있다. ㈜ 도시유전의 R.G.O 기술과 다른 원유추출기술의 가장 큰 차이점은 전처리(선별) 과정이 별도로 필요하지 않다는 점이다. 오염된 혼합재질류 폐플라스틱, 폐비닐을 한꺼번에 투입 가능하여 인적이나 물적으로 비용의 소모가 최소화된다는 장점이 있다.
R.G.O 공법으로 정제된 연료유는 한국석유관리원, 석유기술연구소에서 테스트한 결과 카드뮴, 크롬, 납, 비소, 수은등의 금속 성분의 인체유해물질 성분은 품질 기준치 이하로 나타났으며, 에너지 발열량은 10,000kcal 이상 높고, 유동점은 영하 48℃ 미만으로는 굳지 않고 액체의 성질을 유지한다. 또한 고온 열분해 업체에서 생산된 열분해유는 산업용 등유 및 경유 품질에 미달하는 것과 달리 도시유전의 RGO 공법으로 정제된 연료유는 정유 회사급의 등유, 경유와 성분이 동일해 품질이 우수하다[41].
파동에너지와 세라믹볼을 이용한 ㈜도시유전의 R.G.O 기술은 다른 열분해 기술과는 다르게 전처리(선별) 과정이 필요하지 않고, 유해 물질 및 악취 등을 배출하지 않고 매우 친환경적이며 이 기술로 추출한 원유 또한 품질이 우수하다고 볼 수 있다. 이러한 장점들을 통해 R.G.O 기술은 환경친화적 측면, 에너지 효율성 측면 및 고부가가치 화합물을 생산한다는 측면에서 기존 열분해 기술에 비해 효율적이고 친환경적인 기술이다. 그러나, R.G.O 기술의 상용화는 최근 들어 진행되고 있으며, 해외 사례에 비해 국내 사례가 적을 뿐만 아니라 이마저도 기술을 평가하기에 적용 사례가 부족한 상황이다. 따라서 R.G.O 기술을 객관적으로 평가하기 위해서는 보다 확장된 적용과 연구가 필요하다.
5.3. 전이에스테르화
5.3.1. 바이오디젤
바이오디젤 생산 공정을 통하여 생산되는 순수한 FAME 바이오디젤은 B100으로 알려져 있고, 석유기반의 디젤과 달리 탄화수소 연료가 아니기 때문에 몇 가지 차이점이 있으며 실제 사용에 있어 단점이 존재한다. 첫째로 FAME 바이오디젤에는 분자 내에 산소를 포함하고 있어 높은 산소의 함량은 수분 발생 및 부식들을 유발하는 산화로 인해 저장 가능 시간이 제한될 수 있다. 두번째로 FAME 바이오디젤의 화학성분은 저장탱크 관리가 부실할 시 미생물 오염에 더 취약하고, 이로 인해 저장탱크 부식 및 연료관 막힘 우려가 있다. 마지막으로 FAME 바이오디젤은 상대적으로 높은 온도에서 동결되기 시작하여 눈에 보이는 결정이 형성되어 결정이 생성되는데, 이러한 동결과정이 지속되면 겔화 상태로 응고되어 흐르지 않게 된다. 이러한 단점들로 인해 FAME 바이오디젤을 실제 화석 연료 디젤과 혼합하여 사용해야 하는데, 혼합 사용 시 환경, 경제적 측면에서 단점을 극복할 수 있게 된다[33].
환경적 측면에서 1 kL의 바이오디젤을 경유와 혼유하면, CO2 2.59톤을 저감할 수 있다. 또한 SOx 배출이 전혀 없으며, 미세먼지와 차량 배출가스 저감 효과도 있다. 2019년 폐식용유, 동물성 기름은 약 177억 톤이 재활용되었다[67]. 허나 바이오매스를 생산하는 과정에서 경작지를 형성하기 위해 숲을 제거하거나 생산 효율을 늘리고자 농약을 사용해 환경오염을 유발하는 이면이 존재한다.
경제적 측면에서 경유 차량의 기존 엔진을 그대로 사용할 수 있으며 바이오디젤 내 10%의 산소를 함유하고 있어 완전 연소를 유도하며, 국산 에너지 확보 효과가 있다. 국내 농작지에 유채와 해바라기를 재배하여 원료를 공급할 수 있다[42,68]. 또한 생산과정에서 다양한 원료를 사용하여 생산 가능하고, 사회적, 지역적, 환경적 여건에 따라 적절한 원료를 사용하여 생산 단가를 낮추고 있다.
바이오디젤은 2050 탄소중립 시대로 가기 위한 중요한 수단이라 판단한다. 하지만 동물성 유지와 식물성 오일을 이용한 바이오디젤로 화석연료 기반 디젤을 대체하기에는 부족한 실정이며, 생산 과정에서 환경오염을 유발하는 등 본연의 역할을 수행하지 못하고 있다. 1세대 바이오매스를 이용한 생산을 넘어 2세대, 3세대 바이오매스의 상용화가 필요하며, 수확된 바이오매스를 에너지로 전환하는 기술들의 효율성 향상도 필요하다. 또한 경작지 개발에 있어 무차별적인 개발이 아닌 경제적 측면과 환경 보호를 고려하여야 한다. 바이오매스의 개발 및 상용화와 전환 기술 효율성 상승을 위한 연구, 정부의 탄소중립 기술혁신 추진 전략 등이 어우러지게 되면 기존 화석 연료의 자리를 대체할 수 있을 것으로 전망한다.
5.3.2.바이오 중유
바이오중유 발전소의 SOx 배출량 평균 원 단위는 0.078 kg/MWh로 중유발전소의 SOx 배출 원 단위 1.315 kg/MWh에 비해 평균 94% 이상의 저감효과가 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 바이오중유 발전소의 NOx 평균 배출량 원 단위는 0.625 kg/MWh로 중유발전소 NOx 평균 배출량 원단위인 0.720 kg/MWh에 비해 13% 이상의 저감효과가 있는 것으로 확인할 수 있다. 마지막으로 바이오중유 발전소는 중유발전소에 비해 초미세먼지 배출량 평균 원 단위가 82.3% 낮게 나타났다. 이는 바이오중유가 SOx 저감 효과가 반영된 것으로 간주할 수 있으며, SOx 초미세먼지의 2차 생성에 높은 영향을 미치기 때문이다. 또한 한국석유관리원 보고서에 따르면 바이오중유의 미세먼지 주범인 황산화물은 거의 배출되지 않으며 중유 대비 질소산화물은 39%, 미세먼지는 28%, 온실가스는 85% 저감되는 등 환경개선 효과가 우수한 것으로 나타났다[67].
바이오중유는 국내에서 대부분 생산, 소비되고 있는 대체 에너지원으로 화력발전소에서 사용 중인 기존의 B.C유를 대체하여 환경오염 물질인 SOx, NOx, 미세먼지 등의 배출을 저감시키기 위해 사용된 원료이며, 동･식물성 유지, 바이오디젤의 부산물 등의 주원료로 연료의 품질에 맞게 정제 가공하여 만든 친환경적인 발전용 연료이다[33]. 또한 발전용으로도 사용될 뿐만 아니라 선박용으로도 발전이 이루어지고 있으며 실제 상용화에 성공하여 수출까지 이루어졌다. 그러나 바이오연료의 원료인 팜유는 생산과정에서 팜나무 재배를 위한 경작지 확보 과정 중 생기는 발생하는 환경문제 등이 대두되고 있다[69]. 이러한 이유로 세계적으로는 주요 에너지원으로 주목받지 못했다. 국내에서는 활발한 생산과 소비와 함께 해외로의 수출도 이루어지고 있지만 상용화로의 발전까지는 시간이 걸릴 것으로 판단된다.
바이오중유는 환경오염 물질을 저감시키는 친환경적인 발전용 연료로서의 장점을 가지고 있으며, 선박용으로도 사용되며 해외로 수출되는 등 상용화에 성공한 점은 주목할 만하다. 그러나 이러한 발전과는 별개로, 팜유의 경작지 확보 과정에서 발생하는 환경문제가 대두되는 등 친환경의 양면성을 보여주고 있다. 이러한 문제로 인해 바이오중유는 세계적으로 주요 에너지원으로 인정받지 못하고 있으며, 이에 대응하기 위해서는 경작지 개발에 대한 환경보호 측면을 강화하는 노력이 필요하며, 새로운 생산 및 공급 체계를 구축하여 환경적 영향을 최소화하는 방안을 모색해야 한다.
5.4. 열수액화
열수액화는 리그노셀룰로오스에서 유기폐기물까지 지질함량 제한 없이도 습식, 건식 바이오매스를 효율적으로 처리가 가능하다. 이 과정에서 생성된 생성물을 바이오원유라 하며, 이는 다양한 액체 연료로 업그레이드가 가능한 높은 에너지밀도의 중간체이기 때문에 석유와 동등한 재생가능 에너지원으로 취급된다[70].
다른 바이오연료의 생산공정에서는 바이오매스의 수분 제거를 가장 중요하게 생각해 반응 전 전처리 과정을 중요하게 여긴다. 그러나 열수액화는 바이오매스와 반응용액이 혼합된 것을 액상에서 반응시키고, 이것으로 반응물의 수분함량에 큰 영향을 받지 않는다. 또한 고품질 오일을 얻는 과정에서 바이오오일은 균질 촉매와 비균질 촉매를 모두 사용할 수 있다는 장점이 있다[48].
열수액화 기술은 환경적 측면에서도 이점을 가지고 있다. 열수액화 기술을 사용하여 바이오연료를 생산하는 데 사용되는 식물재료는 광합성을 통해 자라나기 때문에 CO2를 흡수한다. 생산된 바이오연료를 연소시키면 CO2가 방출되지만, 이는 재배 과정에서 흡수된 이산화탄소로 상쇄되어 결과적으로 생산된 에너지 kWh 당 15-18 g의 CO2만이 방출된다. 이는 천연가스 446 g/kWh, 석유 813 g/kWh, 석탄 955 g/kWh와 같은 화석연료 기술의 CO2 배출량보다 현저히 적어 친환경적이라 할 수 있다[70]. 또한 기존 석유 인프라에서 직접 분배가 가능한 드롭인(drop-in) 특성을 가진 바이오오일을 생산할 수 있는 장점이 있다.
이처럼 열수액화는 바이오연료 생산 과정에서 중요한 전처리를 요구하지 않는, 전 과정에서 기존 연료 대비 낮은 CO2 배출 등의 장점을 가지고 있다. 2014년 국내 기술 개발을 시작으로 많은 연구가 진행되었으나, 아직 연구 수준에 머물러 있어 상용화까지 오랜 시간이 소요될 것으로 판단된다. 국내 외에도 해외에서 열수액화에 대한 연구가 진행되고 있지만 이 또한 상용화까지 오랜 시간이 소요될 것으로 판단한다. 상용화에 있어 다른 기술과 비교하였을 때 뒤처지고 있지만, 지속적인 연구와 그를 도울 수 있는 여러 지원이 갖춰진다면 보다 성숙한 기술이 될 수 있을 것이다.
6. 결 론
본 연구에서는 자원의 고갈과 폐기물의 증가 문제의 해결과 함께 자원 재순환의 필요성에 의한 대안으로 제시된 원유추출기술에 대해 각 기술의 정의, 사용하는 원료, 원리와 공정에 대해 분석하였으며, 각 기술에 대한 전체적인 상용화 또는 개발 동향을 살펴보았다. 또한 연구 결과를 바탕으로 기술의 장단점과 환경성에 대한 평가를 진행하였다.
먼저 원유추출기술을 알아보기에 앞서 원유추출기술에서 사용하는 원료를 크게 폐플라스틱과 바이오매스 두 가지로 나누어 각각의 특성에 대하여 정리하였다.
원유추출기술은 현재 개발 중인 기술 중 상용화가 일정 이상 진행되었거나, 상용화 가능성이 충분하다고 판단한 기술을 기준으로 작성하였고, 이에 따라 열분해와 파동에너지, 전이에스테르화와 열수액화로 나누어 분석하였다. 각 원유추출기술의 정의와 사용하는 원료, 전체적인 공정을 정리하고, 이후 기술별 현재 투자와 규제 등의 동향, 환경성과 원유의 품질, 기술의 발전도 등을 기준으로 해당 기술의 평가를 진행하였다.
이러한 기술의 현황을 알아본 것과 같이, 원유추출기술은 환경적인 측면에서 내놓을 수 있는 대안으로서 뛰어난 장점을 가지고 있고, 이에 많은 연구와 투자가 활발하게 진행되고 있다. 물론 기술이 개발 중인 만큼 종합적으로 평가했을 때 이전부터 발전해 왔던 타 재활용 기술과 에너지 생산 기술을 원유추출기술이 따라잡았다고 말할 수는 없다. 하지만 장기적으로 바라보았을 때 생산에서 폐기로 이어지는 선형 구조의 한계를 벗어나 자원의 재순환을 이룰 수 있으므로, 원유추출기술은 개발과 투자의 가치가 충분한 큰 잠재력을 가지고 있다. 위와 같이 원유추출기술을 비롯한 기후변화와 환경위기 극복을 위한 인류의 다양한 시도를 통해 인류가 지구에 영속할 수 있는 지속가능한 사회의 기반이 만들어 지기를 기대한다[31,71-86].
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