[에너지리포트] 석유화학 산업의 현재와 미래

석유화학의 현재 : 석유 소비 중 성장세가 가장 빠름

• 석유화학 제품(petrochemicals)은 일상생활 어디에나 존재.
  • 석유 및 가스를 통해 플라스틱, 비료, 포장, 섬유, 디지털 기기, 의료장비, 세척제 등 인류가 매일 사용하는 제품들이 생산되기 때문에 석유화학 제품은 현대 문명사회에 필수적임.
  • 일상 제품 이외에도 태양광 패널·풍력 터빈날개·빌딩 단열재·전기차 부속품처럼 현대 에너지 시스템 내 에너지 효율 개선에도 이바지함.
• 석유화학 제품의 중요성은 점점 증대.
  • 미국, 유럽 등 선진국에서는 인도, 인도네시아 등 개발 도상국가 대비 1인당 플라스틱 사용량이 최대 20배, 비료 사용량이 최대 10배 많음.
  • 석유 및 가스로부터 생산된 화학물질은 ‘원료’로 알려진 원재료의 약 90%를 차지함(나머지는 석탄 및 바이오매스로부터 원재료 생산).
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• 석유화학 제품은 세계 석유 소비처 중 가장 성장세가 빠름.
  • 석유화학 제품이 2030년까지 세계 석유 수요 증가분의 1/3 이상을, 2050년까지는 거의 절반을 차지함(트럭, 항공, 해운용 수요 증가를 앞섬).
  • 현재 석유 수요를 지배하는 여객 수송 수요는 향후 연비 개선, 대중교통 발달, 대체 연료, 차량의 전동화로 그 중요성이 약화될 것임.
  • 석유화학 분야는 2030년까지 천연가스를 추가적으로 560억m³ 소비할 예정 ▶︎ 이 수치는 현재 캐나다 총 가스 소비량의 약 절반 수준.

• 단기적으로 중국·미국 위주의 증설, 장기적으로는 아시아 및 중동의 설비 증설이 두드러짐.
  • 미국의 세계 에틸렌(steam cracking) 시장점유율 전망 : (2017년) 20% ▶︎(2025년) 22%
    • 미국은 중동처럼 천연가스 공급이 풍부한 탓에 저렴한 에탄 사용이 가능하게 됨.
      ▶︎ 미국과 중동에서 에탄 기반 화학제품 수출에 따른 이익을 가장 많이 향유함.
  • 중국의 석탄 기반 올레핀 생산 능력은 2017년 대비 2025년에 약 두 배로 확대될 전망.
  • 장기적으로 아시아 및 중동의 고부가가치 화학제품 생산 점유율이 최대 10% 상승되는데 반면 미국 및 유럽의 점유율은 하락할 것으로 전망됨.
    • 2050년까지 인도+동남아시아+중동이 세계 암모니아 생산의 약 30%를 차지할 것임.
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• 세계 경제 성장, 인구 증가, 기술 진보가 석유화학 제품 수요를 증가시킴.
  • 특히 유럽, 일본, 한국에서 플라스틱 재활용을 선도하고 있기는 하지만 개발 도상국에서의 급격한 플라스틱 소비 증대로 상기 노력에 따른 수요 둔화 효과는 상쇄될 것임.
  • 대체재 모색 곤란은 전체 석유화학 제품의 수요를 지탱하는 또 하나의 요인임.

화학제품 생산-소비-처리가 수반하는 환경적 영향

• 석유화학 제품은 다양한 기후, 대기 질, 수질 오염 문제에 직면함.
  • 석유화학 제품은 우리 사회에 막대한 혜택을 제공하며 지속 가능한 에너지 시스템에 필수적인 최첨단의 청정 기술이 다양한 형태로 적용됨.
  • 따라서 석유화학 제품을 생산-소비-처리하는 과정은 지속 가능성 측면에서 해결되어야 할 도전과제들이 상존함.
• 화학 부문이 대략 ‘철강+시멘트 부문’에서의 에너지 소비량만큼 에너지를 소비하지만, 이 두 부문의 CO₂ 배출량보다 CO₂ 배출이 적음.
  • 화학 부문에서 배출되는 CO₂는 약 15억 톤인데 이는 전체 산업부문 CO₂ 배출량의 18% 또는 전체 연소 관련 CO₂ 배출량의 5%를 차지함.
    • 이는 다른 중공업에서는 석탄에 보다 많이 의지하는 반면, 화학 산업은 석유 및 가스에 대한 의존도가 더 크기 때문임.
    • 또 다른 요인은 화학 원료에 포함된 탄소는 대개 플라스틱과 같은 ‘최종제품’에 갇히게(locked) 되어, 제품이 연소되거나 분해될 때에만 외부로 배출되기 때문임.

석유화학의 미래 : 달성 가능하고 비용 효과적인 솔루션 제공

• 에너지 및 환경 분야에 있어 두 가지 예상 시나리오는 아래와 같으며, 본 고에서는 CTS 시나리오를 기준으로 솔루션을 살펴볼 예정임.
  • RTS(Reference Technology Scenario) 시나리오 : 현재부터 2050년까지의 화학 부문에서 발생 가능한 전망 모델으로 산업 설비 및 운영상의 비용 최적화 결정(cost-optimal decisions)을 기반으로 함. 여기에 접목되는 에너지 가격 및 화학물질 수요는 현존하는, 그리고 발표된 정책 및 기타 외생변수를 고려함. 동 시나리오에서 향후 폭넓은 에너지 시스템으로 가정한 내용은 IEA의 신정책 시나리오와 일맥상통함.
  • CTS(Clean Technology Scenario) 시나리오 : 동 시나리오에 접목된 여타 환경 영향, 미래 에너지 시스템 양상은 IEA의 지속가능 시나리오와 일맥상통함. RTS 시나리오와 동일한 방법론이 적용되는데 예를 들어 공정 선택에 있어 자본 투자비용, 연료비용의 최소화에 기반을 둠. 다만 CTS에서 접목되는 다양한 제약요건에는 2050년까지 기초 화학물질 생산량은 40% 증가함에도 불구하고 CO₂ 직접 배출량이 현행 대비 최대 45%까지 감축이 요구됨.
• CTS 시나리오에서는 화학 부문에서 야심 차지만 달성 가능한 목표를 제시함(환경적 영향 저감).
  • CTS 시나리오에서는 기준 시나리오 대비 2050년까지 기초 화학물질(암모니아, 메탄올, 고부가가치 화학물질) 생산에 따른 대기오염물질 배출을 최대 90%까지 감축. 물 수요는 약 30% 이상 감축.
• 2050년까지 플라스틱 재활용 증가 및 재사용에 따른 CO₂ 배출 저 감량은 오늘날 화학 부문의 연간 배출량의 약 절반 수준임.
  • CTS 시나리오에서 세계 평균 플라스틱 수거율은 2050년까지 거의 3배 증가하며, 이를 통해 재활용 플라스틱 생산이 증가하고 고부가가치 화학제품 수요가 약 5%(누적 기준) 저감됨.
• 화학 부문에서 청정에너지로의 전환 : 탄소 포집/활용/저장(CCUS), 촉매 공정, 석탄에서 천연가스로의 전환이 선도함.
  • CCUS : 화학 부문에서 가장 비용 효과적인 방안이자 배출량 대량 감축에 적합한 옵션.
  • 촉매공정 : 기존 공정 대비 15% 이상의 에너지 절감 효과 기대.
  • 석탄 ▶︎ 천연가스로의 전환 : 암모니아, 메탄올 생산용 원료를 석탄에서 천연가스로 전환(특히 중국) 함에 따라 공정 배출 및 에너지 집적도(원단위)가 감소됨.

• 석유화학 원료용 경질 제품의 점유율 상승으로 정유 부문은 도전에 직면함.
  • 2050년까지 플라스틱 소비 관련 석유 수요(석유화학용)가 도로 여객 수송용 석유 수요를 앞지를 것임. ▶︎이는 현재 공정이 heavy, light 한 제품 모두를 생산하는 데 셋업 된 정유사들에게 중요한 의미임.
  • 단기적으로 미국의 셰일오일(LTO: light tight oil) 생산 증대는 이러한 도전과제를 해결하는 데 도움이 됨(셰일오일은 보다 light 한 석유제품 생산을 용이하게 함).
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10가지 정책제안

• 생산 관련
  • 지속 가능한 화학물질 생산 경로에 대한 R&D 투자 촉진
  • 공공-민간 공동 운영 체계를 통한 플랜트 수준의 벤치마킹 계획 수립 : 에너지 퍼포먼스, CO₂ 배출 감축 목표 및 재정 인센티브를 통한 적용 촉진
  • CO₂ 배출 감축을 위한 효과적인 정책 시행
  • 대기오염물질 관리 기술 개발 및 설치, 연료 전환, 연료 품질 기준 개선을 통한 엄격한 대기 질 기준 준수
  • 연료 및 원료 가격은 현실의 시장 가치를 반영
• 사용 및 처분 관련
  • 단일 목적의 플라스틱 사용에 대한 의존도를 낮추어야 함
  • 전 세계 폐기물 관리 개선 : 재활용률 제고 및 플라스틱 폐기물 누출 대폭 감축
  • 소비자의 인식 제고
  • 제품 설계 단계에서 폐기물 처분을 고려
  • 단순히 생산을 넘어서 생산자의 책임감 확대

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