1. 서 론
1)기후위기는 현실이다. 세계 곳곳에서 폭염, 홍 수, 화재, 열대성 저기압과 같은 이상 자연현상과 생태계의 변화가 극단적이고 복합적인 형태로 일 어나고 있다. 기후위기가 현실이라는 것도 과학적 인 연구로 제시된다. 기후변화이슈에 있어 가장 권위있는 UN 산하조직인 IPCC (기후 변화에 관 한 정부간 협의체)의 최신 제6차 평가보고서(2021) 에는 기후변화에 대한 지금까지의 관측치와 예측
주저자(E-mail: jeyong@snu.ac.kr)
치가 보고되어있다. 2010년 이후 지구의 평균 기 온은 산업화 이전 대비 1.09 °C 상승했으며, 이 상 승량은 2021과 2040년 사이에 1.5 °C가 될 것으로 예측했다[1]. 이러한 예측은 수년 전 IPCC 1.5 °C 특별보고서(2018)에 비해 10년가량 앞당겨진 것 으로, 기후위기가 다가오는 속도가 예상보다 빠르 고 심각하다는 것을 뜻한다[2]. 이러한 추세가 지 속된다면 2100년 세계 평균기온은 4 °C 이상으로 어떠한 기후재앙이 일어날 지 아무도 장담할 수 없다. 195개국이나 동의한 파리기후협약(2015)에 서는 기후위기 극복을 위해서 지구 평균기온 상승 을 산업화 대비 2 °C 이내로 유지하고, 가능하다
기후위기 극복을 위한 화학산업 분야 탄소중립 엔지니어링에 대한 제언
주 화 주⋅윤 제 용† 서울대학교 화학생물공학부
Basic Concept of Carbon Neutral Engineering in the Chemical Industry to Overcome the Climate Crisis
Hwajoo Joo and Jeyong Yoon†
School of Chemical and Biological Engineering and Institute of Chemical Processes (ICP), Seoul National University, Seoul 08826, Republic of Korea
Abstract: Climate crisis appears to be a reality, and carbon neutrality is the goal of the times. The world must reduce its greenhouse gas emissions to zero by 2050. For this, the world order is changing rapidly, and governments continue to declare carbon neutrality. Carbon neutrality is a huge and comprehensive paradigm change including the transformation of carbon-based civilization and a socio-economic system. To overcome these difficulties, techno- logical innovation must precede. It will be achieved by dismantling and reconstructing the engineering system in a distinctive way. Meanwhile, traditional chemical industry relies almost entirely on fossil fuels for materials and energy. Because of this inherent characteristic, the chemical industry is one of the industries that emit enormous greenhouse gases, and must be reconstructed to minimize its emission. Carbon neutral engineering proposed in this article is an engineering system that minimizes greenhouse gas emissions while maintaining the productivity of existing engineering system. It consists of five directions: (1) conversion of feed, (2) conversion of energy, (3) conversion of process, (4) conversion to a circular economy, and (5) carbon capture utilization and storage (CCUS).
Taking the chemical industry as an example, the concept and specific direction of carbon neutral engineering were explained and discussed.
Keywords: carbon neutral engineering, climate crisis, carbon neutrality, chemical industry
면 1.5 °C를 위해 노력한다고 합의하였다. 이런 거 대하고 유례가 없는 범지구적인 목표를 달성하기 위해 2020년 각 협약 당사국들은 2050년 탄소중 립 사회에 대한 구체적인 목표와 전략을 유엔기후 변화협약 사무국에 제출하였다. 우리나라도 2030 년까지의 자율적인 목표인 국가 온실가스 감축목 표(NDC)와 2050년 탄소중립을 목표로 하는 장기 저탄소발전전략(LEDS)를 제출하였다. 이중 탄소 중립은 기후위기의 주범으로 지목되는 온실가스 순 배출량을 제로로 만들겠다는 선언이다. 전 세 계 136개국(세계 총 온실가스 배출량의 88%)은 이미 탄소중립 선언을 통해 탈 탄소 사회로의 전 환을 약속하였다. 세계 11위 수준의 온실가스 배 출하는 우리나라 또한 2020년 10월에 2050 탄소 중립을 선언하였고 국회를 통하여 법제화하였다.
경제사회시스템의 대전환인 탄소중립은 이제 선택 이 아닌 필수인 것이다[3].
2. 본 론
2.1. 온실가스 배출량과 화학산업
그렇다면 도대체 얼마만큼의 온실가스를 제로가 되도록 감축해야 할까? 현재 글로벌 온실가스 배출 량은 1년에 548억 톤 정도(2018년)이다. 대한민국 은 이 중 약 1.3%인 7.3억 톤을 배출하며, 전세계적
인 목표 달성을 위해 우리도 7.3억 톤을 제로로 감 축해야 한다[4]. 국내 온실가스 배출량 중 산업부분 의 배출량은 2.6억 톤 정도로 약 36%를 차지한다.
산업 부문에서 화학산업 분야는 철강분야 다음으로 가장 많은 온실가스를 배출하는 분야이다.
2018년 기준 한국의 화학산업 분야는 석유정제 부문 1,586만 톤, 화학 부문 4,595만 톤으로, 총 6,181만 톤의 온실가스를 배출하였다. 주력 화학 산업을 석유화학산업이라고도 칭하듯이 대부분 원료는 석유 또는 가스 등과 같은 화석원료를 기 반으로 한다[5]. 석유 없는 (석유)화학산업은 어떻 게 존재할 것인가? 이를 뒷받침하는 공학적 토대 를 어떤 모습을 띨 것인가? 탄소 중립시대에 맞는 화학산업로의 전환은 매우 큰 어려움이 예상되지 만 미래사회에 화학산업이 없어지지 않을 것으로 예상된다. 화학반응과 공정을 이용해 현대사회가 필요로 하는 각종 상품 등을 만들고 서비스를 제 공하는 화학산업은 현대사회의 주요한 물질적 토 대이며 미래에도 필요한 산업이기 때문이다.
2.2. 탄소중립 시대 이전과 이후의 화학산업의 구조
탄소중립 시대 이전과 이후의 화학산업의 구조를 살펴보자(Figure 1). 전통적인 화학산업(Figure 1a) 은 원료와 1차 에너지로 원유, 석탄, 천연가스와
Figure 1. Structure of the chemical industry (a) before and (b) in the carbon neutrality era.
같은 화석연료를 이용한다. 원료 흐름부터 살펴보 면 구성성분들의 끊는점 차이를 이용해 다양한 성 분들로 분리 & 정제하는 공정을 통해 원유는 정유 제품(LPG, 가솔린, 경유 등)과 나프타를 생산하는 데 사용된다. 그리고 정제 공정에서 생산된 나프 타는 석유화학공정을 통해 합성수지, 합성고무, 그 리고 합성섬유를 생산하는 데 사용된다[6].
원료→ 정유제품 → 석유화학제품으로 이어지는 공정을 통해 구성성분들은 탄소사슬에 따라 분리 되기도 하고 분해하고 합치는 과정이 동반되면서 탄소기반 온실가스, 즉 이산화탄소 및 메탄 발생 은 필연적이다. 화학반응에 필요한 온도와 압력을 제공하기 위한 에너지 흐름을 살펴보면 화석연료 는 연소 등을 통해 열, 전기, 스팀과 같은 최종 에 너지가 되며, 정유공정과 석유화학 공정에서 그대 로 사용된다[7]. 많은 화학공정은 주로 고온과 고 압 하에서의 반응과 세부공정을 포함한다. 따라서 화석연료의 에너지 전환과정에서 또한 온실가스 가 필연적으로 생산된다. 요약하면 전통적인 화학 산업 공정에서는 물질 및 에너지 흐름에서 온실가 스 발생은 필연적이며 전통적인 화학산업의 화석 연료와 화학 반응과 공정 특성에 기인한다. 따라 서 화학산업에서 온실가스 배출을 중단시키거나 최소화하기 위해서는 화석원료와 연료를 다른 대 체제로 교체해야만 한다. Figure 1(b)에 탄소중립 시대의 화학산업을 나타내어 보았다. 탄소중립사 회의 화학산업도 전통적인 화학산업과 정유 및 석 유화학 공정의 기본 틀인 원료에서 정유, 석유화 학으로 이어지는 100년 역사의 화학공정의 큰 틀 은 유지된다. 하지만 전통적인 화학산업과 달리 탄소중립시대의 화학산업은 화석원료와 화석연료 에 대한 의존도가 대폭 줄어들며, 새로운 원료와 에너지로 대체된다. 원료 부분에서는 일부 화석원 료가 여전히 이용되기는 하지만, 재활용 플라스틱 과 바이오매스로 점차적으로 대체될 것으로 예상 된다. 최근 국내기업의 변화도 감지되는데 SK케 미칼은 화장품 용기, 생활용품, 가전 등의 용도로 활용가능한 화학적 재활용 기반의 코폴리에스터 양산 라인을 세계 최초로 구축하였다. 그렇지만
우리나라의 플라스틱 자원순환 생태계는 불완전 하여 플라스틱 자원순환 수거/선별 및 정보화 시 스템 체계가 미흡하여 재활용 플라스틱의 활용양 이 많지 않다[8].
이미 언급하였듯이 에너지 부분은 화학공정의 특성인 고온 고압 반응에 필요한 조건을 위해 화 석연료의 연소과정과 깊은 관련이 있다. 그렇다면 에너지 부분에서는 1차 에너지 공급원으로 기존의 화석연료 대신, 태양광, 풍력과 같은 재생에너지 활용이 적극적으로 검토되어야 한다. 재생에너지 는 최종에너지인 전력으로 변환되므로, 기존에 최 종에너지로 석유, 석탄, 가스 등의 화석연료를 소 비하던 공정과는 구별이 되는 재생에너지 전력을 직접 또는 간접적으로 활용할 수 있도록 모든 기 술 체계가 변경되어야 한다. 이를 전기화라고 한 다. 전기화된 시스템 체계 하에서는 화석연료를 연소시켜 열에너지를 얻는 대신 전력을 이용하여 열에너지를 얻는 전기로 방식으로 전환된다. 또한 재생에너지 공급 전력은 IT 기술과 결합하여 효율 적이고 유연하게 사용될 수 있도록 공정 내/공정 외 전력망의 첨단화, 즉 스마트 그리드 시스템의 구축이 이루어져야 한다.
재생에너지 기반의 전력에는 두 가지 중요한 단 점을 가지고 있다. 첫째는 잉여 전력의 저장 및 이 동이 어렵다는 점이고 둘째는 특정 시간에만 발전 이 이루어지는 간헐성이다. 이를 보완하는 에너지 캐리어가 바로 수소이다. 수소는 대량 저장 및 운송 이 용이하다. 따라서 재생에너지의 잉여 전력을 수 소의 형태로 생산 및 저장하고, 연료전지와 수소가 스터빈을 이용해 필요한 시간과 장소에서 발전시키 면 재생에너지의 한계를 보완할 수 있을 수도 있다.
화학산업에서의 수소는 공정 유연성을 더욱 높 여주는 역할을 할 수 있는데, 그 이유는 바로 화학 산업에서 수소가 자체적으로 생산되고 활용될 수 있기 때문이다. 화학산업에서는 납사(Naphtha)의 개질 및 분해반응과 클로로-알칼리 공정에서 수소가 부산물로 생산되는데, 이를 정제해 순도를 높인 것을 부생수소라고 한다. 탄소중립시대와 상관없이 화학산업에서 부생수소의 활용도는 높은 편인데
공정 내 에너지원으로 활용가능하고, 추가적으로 원료로도 활용가능(예: 수첨탈황공정)하다. 미래 에 이산화탄소와 같이 산화된 형태의 탄소 물질과 수소의 반응(환원반응)을 통해 기초유분으로 활용 되는 탄화수소를 생산하는 화학적 전환 기술이 널 리 쓰이게 된다면, 화학산업에서 수소의 역할은 더 커질 것이다. 2018년 ‘혁신성장전략투자방향’
에서 수소경제를 3대 투자 분야 중 하나로 정부 정책이 발표된 이후 수소경제에 대해, SK E&S, 한화솔루션과 같은 화학산업 기업들의 사업화에 대한 적극적인 관심과 참여가 이루어지고 있다.
화석연료 기반의 화학산업은 탄소중립 시대의 화학산업으로 대전환이 일어나며 이를 뒷받침하 는 공학적 토대가 시급하다. 탄소중립에 대응하는 화학산업의 구조 조정은 화석연료의 기반을 뒤엎 고, 그 자리에 새로운 원료 및 에너지 체계를 재구 축을 동반하는 대변혁이며 성공적인 전환에 대한 민국 화학산업의 미래가 달려있다. 탄소중립 엔지 니어링(carbon neutral engineering)이라는 개념을 기반하여 탄소중립사회의 화학산업이 변화해야 할 특징적 방향을 살펴보았다.
2.3. 탄소중립 엔지니어링의 개념과 특징 탄소중립 엔지니어링이란 기존의 개별적이고 국소적인 엔지니어링 체계에서 벗어나 탄소중립 달성을 위해 모든 공학 분야에서의 협력과 혁신을 기반으로 하는 포괄적인 접근방식이다. 이 체계는 기존의 엔지니어링 체계의 생산력에 순응하면서 도 탄소배출을 최소화하고자 하는 목표를 가진다.
탄소중립 엔지니어링 체계에서 공정이 기존 엔 지니어링 체계와 어떤 다른 방식으로 최적화되는 지 간략하게 설명하자면 다음과 같다. 기존의 전 통적인 엔지니어링 체계에서의 최적해는 제약조 건(인력, 자원, 자본, 법률 등)으로 제한되는 범위 안에서 비용, 이윤, 생산성, 설비성능 등을 최적화 하는 운전조건, 생산량, 설비투자 등의 변수로 결 정된다. 하지만 탄소중립 시대에는 온실가스 배출 을 제한해야 하므로 기존의 최적해는 더 이상 유 효하지 않다. 즉, 기존의 제약조건에 더불어 온실
가스 배출량이라는 새로운 제약 조건이 더해져, 최적해에도 변동이 생긴다. 이는 곧 전통적인 엔 지니어링으로 최적화된 변수는 미흡하며, 탄소중 립 엔지니어링을 통해 새로운 조건이 설정되어야 함을 뜻한다. 간략한 개념과 달리 실제 세계에서 는 비선형적이고 다양한 제약조건과 목적함수로 인해 상황이 훨씬 더 복잡하므로, 이 모든 상황을 복합적으로 고려하여 한층 더 높은 시선으로 엔지 니어링 체계를 바라보는 것이 필요하다.
기존의 엔지니어링과 탄소중립 엔지니어링은 다음과 같은 순서도로 모형화할 수 있다(Figure 2).
기존의 엔지니어링(Figure 2a)에서는 일반적으로 원료(feed)와 에너지(energy)가 공정(process)에 투 입(input)되며, 생산물(product), 부산물(byproduct), 그리고 온실가스(greenhouse gas)가 출력(output) 된다. 생산물은 추후에 폐기물(waste)이 되어 버려 지는 선형공정으로 특징적으로 소개되어 왔다. 사 회전체로 보면 선형경제는 더 이상 지속가능하지 않고 많은 양의 온실가스를 발생시킨다[9]. 이를 극복하기 위해 탄소중립 엔지니어링 체계하의 공 정은 순환성을 가지는 형태로 교체되어야 한다.
이는 순환경제하에서의 산업공정을 의미한다.
2.4. 화학산업에 탄소중립 엔지니어링 방법론의 적용
탄소중립 엔지니어링(Figure 2b)에서는 공정의 온실가스 배출 최소화와 환경의 지속가능성을 위 해 크게 5가지 방법론을 적용할 수 있다. 실제 화 학산업 분야를 예로 들어 구체적인 방향을 설명해 보고자 한다.
첫째로는 원료의 탈석유화 및 전환이다. 전면적 으로 대체하는 것은 매우 어려울 것으로 예상되지 만 화석연료를 최대한 재활용플라스틱 및 바이오 매스로 전환해야 한다. 플라스틱 재활용의 경우 아무리 재활용 비율을 높인다 하더라도 화학산업 이 필요로 하는 원료 규모를 만족시키기 어려울 것이기 때문에 이를 바이오매스 기반 원료가 보완 적인 역할을 할 것으로 본다.
둘째는 기존 화석연료 기반의 에너지 발전 방식
에서 벗어나는 것이다. 즉, 재생에너지 발전방식을 택해야 한다[10]. 그리고 화학산업에는 다양의 열 에너지가 적절한 방식으로 이용되어야 하므로, 전 기로 도입 및 열선 배치에 최적화된 반응기 설계 가 필수적이다.
셋째는 공정의 재설계이다. 탄소중립 엔지니어 링 관점에서는 탄소배출 최소화 목표가 최우선 사 항이므로, 어느 정도 경제성이 확보되는 범위에서 탄소배출량이 최소화되는 지점의 조건으로 공정 이 재설계 되어야 한다. 이를 위해 단기적으로는 공정 운전 조건(소프트웨어)의 변경, 중장기적으 로는 탄소배출을 최소화하는 공정 하드웨어의 구 축이 필요할 것으로 생각된다. 또한, 고온/고압에 서 운전되는 화학공정을 최대한 저온/저압에서 운 전되게 만들어 에너지 소모를 감축시켜야 한다.
이를 위해서는 화학반응에 대한 기초연구가 필수 적이며 공학에서는 저온/저압 공정과 고효율 촉매 의 개발 및 적용이 필요하다. 다만 석유화학공정 은 자본 집약적인 거대공정이기에 기업들이 신기 술을 도입하는데 있어 보수적인 입장을 취하고 있 다. 따라서 정부의 일관성 있는 지속적인 정책하 에서 이해관계자 간 소통 및 협력이 필수적이다. 넷째로는 화학산업 내 순환구조 형성이다. 구체 적으로는 기존의 선형 구조이던 공정 플로우를 순
환 구조로 변경하여, 주요 원료인 나프타 소모를 줄이는 동시에 온실가스 저감하는 것이다. 이산화 탄소의 경우 수소 첨가 공정을 통해 메탄올 전환 후 Methanol-to-olefin (MTO) 공정을 이용해 올레 핀으로 전환할 수 있다. 또한, NCC공정에서 부산 물로 생산되는 메탄(에틸렌 1톤당 0.4톤 생산)의 경우 methane oxidative coupling을 통해 올레핀으 로 전환할 수 있다. 앞서 언급했듯이 폐 플라스틱 또한 회수, 분류, 재가공 공정을 통해 다시 화학산 업에서의 원료로 이용할 수 있다[11]. 물질 측면뿐 만 아니라 에너지 측면에서도 순환 구조의 형성은 가능하다. 에너지 집약적인 정유 공정에서의 폐열 을 회수하는 방안(DEC) 기술이 연구되고 있으며 이상적으로는 기존 대비 50%까지 에너지 절감 가 능하다.
마지막으로 CCUS (carbon capture utilization and storage)이다. 화학공정에서 어떠한 온실가스 가 배출되지 않는 넷-제로(Net-zero) 상태가 이상 적이다. 하지만 이것은 거의 실현불가능한 목표이 며, 화학공정에서 어느 정도의 온실가스는 반드시 발생할 수밖에 없다. 따라서 화학산업에서 방출된 탄소를 포집하여 고립된 공간에 저장하거나 화학 적/생물학적 전환, 석유회수증진법, 광물탄산화 등 으로 활용하는 기술이 적용되어야만 탄소중립을
Figure 2. Conceptual input and output (I/O) diagram of (a) the previous and (b) carbon neutral engineering.
달성할 수 있다[12].
3. 결 론
우리는 이 제언에서 새로운 시대의 공학체계로 탄소중립 엔지니어링의 개념을 제안하였고, 이를 바탕으로 화학산업이 나아가야 할 방향을 제시하 였다. 탄소중립 달성을 위해 화학산업은 기존의 물질과 에너지 기반인 화석원료를 최대한 배제해 야 하는 어려움에 봉착해 있다. 이런 탄소중립의 높은 목표는 위기이지만, 한편으로는 엔지니어링 분야의 발전 기회이기도 하다. 새로운 물질인 재 활용 플라스틱과 바이오매스, 새로운 에너지인 재 생에너지와 수소, 그리고 이로 인해 변화될 공정 시스템과 구조들이 화학산업의 신성장 동력 창출의 기회가 될 수 있는 것이다. 탄소중립이라는 시대 의 큰 변화 속에서 어려운 임무를 맡은 화학공학 자들에게 응원을 보내며 이 글을 마치고자 한다.
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1993 미국 뉴욕주립대 (버팔로) 토목공학 박사
2000~현재 서울대학교 화학생물공학부 교수 2004~현재 (사)한국공업화학회 이사/평의원 2019~2021 한국환경연구원 원장 2020~현재 국가 과학기술자문회의 위원 2021 경사연 탄소중립연구단 단장 2022~현재 국회기후변화포럼 대표
