기후위기·탄소중립 시대, LNG 역할 확대 필요
플라스틱 발생량 매년 증가···탈 플라스틱 전환 추진
캐나다·일본, 폐플라스틱 가스화···국내, 에너지연 기술 개발 주도

[투데이에너지] ■ 플라스틱의 시대

플라스틱이 우리에게 주는 생활의 편리성은 매우 높고 많은 장점을 가지고 있는 물질이다.

플라스틱은 1846년 스위스의 크리스티안 쇤바린의 니트로셀룰로오스 합성을 통해 최초로 발견이 됐다. 우리가 많이 사용하고 있는 폴리에틸렌(PE)의 경우 1933년 영국 ICI사에서 최초로 개발돼 현재 사용 중에 있으며 1937년 듀폰사에서 나일론(nylon) 개발을 통해 본격적인 플라스틱의 시대가 열렸다고 볼 수 있다.

이렇듯 실제 플라스틱이 우리 생활 속에 들어온지 불과 100년이 되지 않았지만 버려지는 폐플라스틱이 증가함에 따라서 땅과 바다의 생태계 오염, 미세플라스틱 문제, 폐플라스틱 불법투기 등의 다양한 사회적 문제를 일으키고 있다.

국내 폐플라스틱 발생량은 2019년 기준 933만톤/년(가정생활폐기물+사업장생활폐기물+건설폐기물)으로 매년 증가되고 있으며 매립(4.7%), 재활용(65.8%), 단순 소각(29.1%)으로 처리되고 있다. 전 세계적으로도 플라스틱 사용량은 증가하고 있어 폐플라스틱 발생량 증가는 불가피한 상황이다.

이러한 폐플라스틱 문제 해결을 위한 다양한 정부의 정책이 발표되고 있다. 플라스틱 전주기 발생저감 및 재활용 대책(2020.12.24.), 2050 탄소중립 시나리오안(2021.10.18.)의 발표를 통해 폐플라스틱의 플라스틱 생산·소비를 원천 감축하고 수거된 플라스틱의 재활용을 확대하며 장기적으로 2050 탄소중립 전략과 연계해 탈 플라스틱 사회로 전환 추진하는 계획을 수립했다.

이를 기반으로 폐플라스틱으로부터 물질 재활용과 열적재활용(열분해, 가스화)을 통한 순환이 가능한 자원순환경제를 구축하고 위한 다양한 기술들이 개발 중에 있다.

국내 폐플라스틱 발생량과 처리현황

■폐플라스틱 재활용 기술

폐플라스틱의 재활용 공정은 크게 물질 재활용, 화학적 재활용, 열적 재활용으로 나눌 수 있다.

물질 재활용은 플라스틱의 화학구조를 유지한 상태에서 분리, 정제 과정을 통해 플라스틱으로 재생하는 기술이다. 물질 재활용을 위해서는 혼합된 폐플라스틱을 단일 종류의 플라스틱으로 분리, 선별하는 과정이 필수이나 물성 향상을 위한 복합소재 사용, 버려진 폐플라스틱의 오염으로 인해 이를 효과적으로 분리하는데 많은 어려움이 있다.

화학적 재활용은 플라스틱의 화학구조를 변화시켜 원료로써 활용하는 방법이다. 다양한 혼합 폐플라스틱을 처리할 수 있으며 플라스틱의 성상별 분류, 오염 물질을 포함한 폐플라스틱에 영향을 많이 받지 않는 특징을 가지고 있다. 대표적인 기술로는 해중합, 열분해, 가스화 기술이 화학적 재활용 기술에 해당된다고 볼 수 있다.

마지막으로 열적 재활용은 높은 발열량을 가지는 폐플라스틱을 연소시켜 열에너지를 회수하는 기술이 있다. 열적 재활용은 비교적 비용이 낮게 든다는 장점은 있으나 열손실이 크고 소각 시 발생하는 다량의 이산화탄소, 다이옥신 등으로 인한 환경오염 문제가 단점이라고 할 수 있다.

화학적 전환기술의 대표적인 기술에 열분해 기술과 가스화 기술이 있다. 열분해 기술은 폐플라스틱을 무산소 또는 저산소 상태에서 가열해 폐플라스틱을 기체나 액체로 분해하는 기술이다. 열분해 기술은 단일성상의 폐플라스틱 처리에는 유용하나 연속식 공정 구성이 어렵고 열분해 과정에서 생성물의 제어, 분리가 어려운 단점이 있다.

가스화 기술은 탄화수소계 연료를 부분산화를 통해 CO, H₂ 및 CH₄ 등을 포함한 합성가스로 전환하는 공정이다.

가스화의 장점으로는 대용량 처리, 연속운전, 혼합 폐플라스틱 처리가 가능하고 대기오염물질을 가스상으로 손쉽게 제거할 수 있는 특징이 있다. 그러나 공정 구축을 위한 초기 투자비가 매우 높고 가스화 기술의 기술성숙도가 낮은 단점이 있다. 기존 가스화 공정의 목적은 주로 석탄이나 바이오매스 등을 활용한 합성가스 생산이었으나 최근 폐플라스틱을 포함하는 폐기물의 연소를 통해 발생되는 환경적 요인 및 기술적인 문제를 해결하기 위해 폐플라스틱의 가스화 공정기술 개발이 이뤄지고 있다.

특히 폐플라스틱으로부터 합성가스를 생산할 경우 분리, 전환공정과 거쳐 수소를 생산하거나 촉매 합성공정을 통해 메탄올, 디젤, 암모니아 등의 유용한 화합물의 생산이 가능하며 미생물 공정과 연계해 유기산, 알코올 등을 생산할 수 있는 장점이 있다.

 폐플라스틱의 에너지화 방안.

외국의 경우 캐나다 Enerkem 사는 알버타주 에드먼트 지역의 폐기물을 처리하는 가스화 플랜트를 건설해 에탄올 및 메탄올 등을 생산하며 운영하고 있다.

일본의 Ebara-Ube공정은 2003년 기술 개발을 시작해 연간 7만톤 처리할 수 있는 폐플라스틱 가스화 공정을 운영하고 있으며 2018년 6월 가스화 공정에서 생산된 수소를 도큐REI호텔의 수소연료전지 시스템에 공급을 하고 있다.

국내에서 폐플라스틱의 가스화 공정 개발은 한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 에너지연) 및 국가 연구소를 중심으로 활발하게 연구 개발이 진행 중에 있다.

■폐플라스틱 가스화 공정 개발

에너지연 청정연료연구실은 석탄 및 바이오매스, 폐기물의 가스화 기술을 1989년부터 연구 개발을 진행하고 있으며 10톤/일급 석탄 가스화기, 20톤/일급 바이오매스 가스화기 등 국내 최대 규모의 실증 플랜트를 건설/운전한 경험이 있다.

이를 바탕으로 2020년부터 ‘자원순환경제 구축을 위한 폐플라스틱 가스화 기술 개발’을 통해 에너지연 화암캠퍼스 내에 1.0톤/일급 폐플라스틱 가스화 공정 개발을 진행하고 있다. 현재 사용될 폐플라스틱 성상분석 및 폐플라스틱 공급장치, 가스화기, 회재 배출장치의 설계, 제작 설치, 시운전을 완료한 상태이다. 안정적인 가스화 공정 운전이 가능한 플랜트 운영기술 확보에 중점을 두고 있으며 본 기술을 바탕으로 50~100ton/day급 폐플라스틱 자원화공정 실증 설계 PDP(Process Design Package)를 확보할 계획이다.

향후 기술개발을 통해 폐플라스틱의 분석, 가스화 공정설계, 가스화 플랜트 운영 등을 개발하고 실증할 수 있는 연구역량을 보유하고 있어 효율적이고 안정적인 운전이 가능한 폐플라스틱 가스화 시스템 개발을 통해 자원순환경제 구축에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

지속가능한 폐플라스틱 순환경제 구축을 위해서는 생산부터 유통, 수거, 재활용, 폐기까지의 전 과정 관리가 중요하고 이를 위해서는 생산 단계부터 재활용과 자원의 순환성을 고려해 제품이나 포장재가 만들어져야 하고 효율적인 수거와 분리를 거쳐 재활용 과정을 통해 다시 원료로 공정에 재투입되는 산업 구조를 만들어야 한다.

특정 분야의 기술이 현재 발생하고 있는 폐플라스틱 이슈를 모두 해결할 수 없다고 판단되며 친환경적이고 사회적 수용성과 경제성을 확보한 폐플라스틱 재활용 기술 개발이 필요한 상황이다.

 한국에너지기술연구원 1.0톤/일급 폐플라스틱 가스화 공정 구성도

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