롯데케미칼, 산업계 적용 친환경 분리막 포집 기술 고도화

대산공장 배출 배가스 대상 100kTA FEED 완료 후 포집 기술 현실화 실시

24년 평택 탄소중립 수소 복합지구, 개선 공정 분리막 포집 상업화 구축

탄소 포집, 활용 및 저장(Carbon capture, Utilization and Storage, CCUS)분야는 기후변화를 야기하는 CO₂를 대기로 유입되기 전에 포집해 활용하는 기술로, 이는 환경과 인류의 생존과 연관돼 있어 현재 전 세계적으로 주목을 끌고 있다. 주요 탄소 배출원인 발전소를 기점으로 포집 기술은 많은 노하우가 축적돼 많은 발전을 하게 됐고, 앞으로 산업계 적용을 위한 연구 및 실증이 증가될 것으로 전망되고 있다.

포집한 CO₂는 석유와 같은 화석원료 생산량을 늘리기 위해 인위적으로 압력을 높이는데 사용하고 있다. 이 외에 CO₂를 저장하거나 다른 물질로 전환하는 경우는 높은 비용으로 인해 사용이 늦어지고 있다. 저농도로 배출되는 CO₂를 포집하고 활용하는데 있어서 발생되는 비용, 즉 에너지는 상업 설비 구축에 있어 해결이 필요한 과제다.

롯데케미칼은 2021년 3월, 여수공장 NC Furnace에서 배출되는 저농도의 CO₂(10~12 vol%)를 분리막기술을 이용해 포집하는 설비를 구축했다. 석유화학산업 핵심 설비인 NC Furnace에서 실제 배출되는 가스를 이용해 장기간 실증을 했기에 계절별, 원료별, 현장 상황에 따른 다양한 조건의 결과를 확보할 수 있었다.

축적된 결과를 기반으로 국내 최초 당사의 대산공장 NC Furnace에 포집 상업화 설비 구축을 위한 FEED를 2022년 3월에 실시했다. 기존 설비의 유지관리를 위한 부지를 제외하고 500평 규모의 부지를 어렵게 확보해 상업화 설비 설계를 완료, 지금은 FEED를 기반으로 공정을 고도화 하는 연구를 실시하고 있다.

탄소포집의 상용화를 위해서는 에너지 최소화가 필요한데 FEED 결과, 포집 하는데 소비되는 전력이 예상보다 높다는 문제가 있었다. 에너지 소비가 높은 이유는 공급부 Compressor, Vacuum system에 회전기기 용량 및 수량을 들 수 있다. 이를 개선하기 위해 롯데케미칼은 신규 공정을 개발했고 탄소를 포집 하는데 있어 에너지와 부지를 최소화하도록 연구 방향을 설정하게 됐다.

CCUS는 CO₂를 제거하는 것이 아닌 분리하는 기술로 배출원에서 분리한 CO₂를 활용해야 기술이 완성된다. 때문에 포집과 활용(저장)을 별도의 기술처럼 구분하면 안 되고 에너지를 최소화해 포집하고 활용에서 요구하는 CO₂ 및 Product 조성을 맞춰 부가가치가 높은 물질로 전환해야 한다.

롯데케미칼에서는 FEED 이후 석유화학산업 내 분리막 포집을 상용화하기 위해 포집과 활용의 에너지, 공정, 부지를 고려해 최적화를 실시했다. 2022년 7월부터 FEED 결과를 분석, 상업화하는데 있어 부족한 부분을 분류하고 이를 개선할 방법을 도출하는 업무를 진행했다. 그 결과, 기존의 공정구성과 비교해 많은 에너지 효율을 개선하게 됐고, 이 기술을 평택 수소복합지구 내 상업 설비에 적용해 공장을 구축하고 있으며, 당사의 공장에서 배출되는 배가스를 대상으로 한 포집 상용화 설계에 반영했다.

▲ 롯데케미칼 여수공장 NC Furnace에서 배출되는 저농도의 CO₂(10~12 vol%)를 분리막기술을 이용해 포집하는 설비

■ 신규 공정 개발·분리막 포집 E 개선

국내를 대표하는 석유화학기업 롯데케미칼은 ESG 비전 ‘Green Promise 2030’ 달성을 위해 탄소포집 연구 및 상용화를 앞장서서 실시하고 있다. 많은 탄소를 배출하는 석유화학산업 특성상 미래 경쟁력을 확보하고 리스크를 최소화하기 위해서는 CCUS 기술 개발이 무엇보다 필요하다. 당사는 지난 100kTA 용량의 상업설비에 대한 FEED 결과를 기반으로 탄소포집의 현실화를 위한 연구를 실시해 대표적인 성과로 공급 Compressor의 최적화를 이끌어냈다.

화학물질 사용이 전혀 없어 친환경 기술로 불리는 분리막 포집 기술은 압력차를 이용한 가스분리이기에 막에 공급하는 가스의 승압을 위한 Compresso 있고, 이는 전체 전력량의 52%를 차지하고 있다. 분리막을 이용한 탄소포집의 상업화를 위해서는 공급부에 위치한 Compressor의 에너지를 효과적으로 낮춰야 하며 이에 대해 두 가지 방향으로 연구를 실시했다.

첫 번째는 Compressor의 승압하는 압력 범위를 낮게 운영하는 방법이다. 이는 2021년부터 여수공장의 실증 Pilot을 이용해 저압 운영 기술을 개발했다. 당사는 일반적인 분리막 포집 운영 압력과 대비해 낮은 압력에서 포집 효율 및 회수율을 최적화했고 이에 대한 공정을 특허(출원번호 10-2022-0165174)로 확보했다. 이 방법은 공급부의 압력을 낮춰 전체 공정을 최적화해 성능은 동등 이상으로 유지하고 소비되는 에너지는 저감시킬 수 있었다. 두 번째는 Compressor의 Capa를 축소하는 방법이다.

일반적인 분리막 포집은 1단, 2단, 3단에 위치한 분리막에서 가스를 분리하고 남은 가스를 Recycle하는 방식을 적용하고 있고, 이는 전체 분리 효율을 높여주는 우수한 공정이다. 하지만 상업화에 있어 이러한 공정은 Compressor의 Capa를 증가시키는 원인으로 에너지 측면에서 비효율적이다.

기존 Recycle을 별도의 분리막을 구성해 실시하면 Compressor의 유량이 축소돼 에너지 소비가 개선되고 Recycle Membrane을 통해 고농도의 CO₂를 확보해 전체 효율을 높일 수 있다.(출원번호 10-2023-0173918) 이렇게 개발된 기술은 탄소포집의 부족한 경제성을 개선하는데 큰 효과가 있었다. 또한 Vacuum system도 실 설비 검증 과정을 통해 회전기기 수량을 최소화해 운영, 유지관리 효율을 향상시키고 부지에 대한 부담도 감소시킬 수 있었다.

▲ 분리막 흡수확산 메커니즘

▲ 롯데케미칼은 기존 Recycle을 별도의 분리막을 구성해 효율을 높인 기술을 개발했다.

■ 배가스 모든 성분 활용, 부산물 정제 기술 개발

일반적인 배가스는 CO₂, O₂, N₂, H₂O로 구성돼 있으며 탄소포집은 CO₂를 분리해 대기로의 유입을 차단하는 기술이다. 롯데케미칼이 보유한 탄소포집 기술은 CO₂ 분리가 1차적인 목적이고, 경제성 개선을 위해 발생된 H₂O를 활용하는 기술까지 확보하고 있다. 또한 탄소포집 경제성의 추가 확보를 위해 CO₂를 분리하고 배출되는 N₂ 가스 활용에 초점을 두고 기술개발을 실시했다.

탄소포집은 저농도의 CO₂를 대상으로 하기에 공급 가스에 70% 이상의 N₂가 존재하고, 분리막 후단에는 CO₂가 분리되고 남은 N₂가 배출되며 농도는 90~95% 수준이다. N₂는 안정적인 가스로 공기의 4/5를 차지할 만큼 많은 가스다. 산업계에서는 배관의 세정, 밸브 이물질 제거, Flare stack 내 공급, 건조 등 다양한 용도로 N₂를 활용하고 있다. 롯데케미칼에서도 매년 많은 양의 고순도 N₂를 사용하고 있고 일부는 자체 생산해 공급하고 있으나 대부분 외부 구매에 의존하고 있다.

N₂는 대기 중 78% 농도로 존재하며 저온으로 낮춰 액화하는 방식으로 분리 및 활용되고 있다. 분리막 포집의 부산물인 N₂는 90% 이상의 농도로 배출되기에 활용 측면에서 용이해 당사는 직렬막, 흡착 기술을 활용해 고순도화 하는 실증 설비를 구축했다. 공정은 직렬막, PSA(Pressure-Swing-Adsorption), VSA(Vacuum-Swing-Adsorption)을 여수 실증 Pilot 현장에 신규 구축해 평가를 실시했다.

결과적으로 분리막 후단에서 배출되는 부산물 N₂를 99.9~99.9999% 농도별로 정제하는 공정을 개발해 기술화했고, 이를 당사 내 상업설비에 동일하게 반영한 상태며 평택 내 상업공장 구축에 반영할 계획을 하고 있다.

▲ N₂ 고순도화를 위한 실증 설비

■ CO₂ 활용 탄소중립 실현

포집한 CO₂의 활용 기술은 다양하게 연구되고 있으나 아직까지 상업화에는 어려운 부분이 있다. 당사에서는 포집한 CO₂를 고순도화 원료로 활용할 수 있는 공정을 보유하고 있어 산업계 배가스를 이용한 CCUS 기술개발이 타사와 비교해 빠르게 진행되고 있다.

롯데케미칼은 충남 서산 대산석유화학단지에 에틸렌 카보네이트(EC), 디메틸 카보네이트(DMC) 공장을 구축하고 있고 리튬이온 배터리 소재인 전해액 유기용매 공장 구축도 계획하고 있다. EC를 생산하기 위해 필요한 에틸렌 옥사이드(EO)는 고순도 CO₂를 원료로 사용하기에 포집한 CO₂를 활용할 수 있고 CO₂를 원료 물질로 활용하는 공장이 여수에도 있어 효율적이다.

포집해 정제한 CO₂를 원료로 사용하면 탄소중립 기여는 물론, 생산한 전해액도 전기차 배터리에 활용돼 일석이조의 효과다. 하지만 원료로 요구하는 CO₂ 양은 한정돼 있기에 탄소중립을 위해서는 활용기술의 발전과 정부의 다양한 지원이 필요하다.

불과 몇 년 전에는 고농도 CO₂를 분리하는 탄소포집 분야가 주요 시장이었다면 이제는 저농도 CO₂를 분리하는 새로운 시장이 생겼다. 기존 시장은 규모가 작지만 농도가 높기에 효율이 우수했고 신규 시장은 규모가 매우 크나 효율이 부족한 실정이다. 하지만 탄소중립을 위해서는 규모가 큰 신규 시장에 적합한 기술 개발이 필수적이다.

롯데케미칼은 신규 시장 대응을 위해 다양한 포집 기술 중 친환경 기술인 분리막 포집을 선정해 2019년부터 기술 개발을 실시했고 지금은 에너지를 최소화하는 공정 기술을 개발해 저압, 저에너지 및 분리막 세정 기술 등을 확보했다. 이렇게 개발한 기술을 평택 수소복합단지 내 상업화 및 석유화학산업에 적용해 앞으로의 탄소리스크를 최소화하고 탄소중립에 기여할 것이라 기대하고 있다.

▲ 롯데케미칼 이노베이션센터 탄소포집 PJT 연구원