신상길 에너지신문 논설위원.
[에너지신문] 석유산업의 시작은 약 200년전 미국 남부산 원유의 초기단계 가공·과정을 거친 등유보급으로 시작됐다.
그후 1,2차 대전으로 대규모의 군 수송과 전투기용 연료공급이 필요, 석유정제산업의 중심이 등유에서 차량용 휘발유, 전투기용 항공유 그리고 선박용 벙커유가 추가됐다.
2차 대전 이후 석유산업은 석유화학산업이 더해져 페놀형수지에 변형이 가능한 초기합성수지산업이 탄생했고, 현재는 엔지니어링 플라스틱 산업까지 발전됐다.
하지만 과학의 진보는 에틸렌산업에서 머물리지 않고 이제는 LNG산업에서 수소산업으로 빠르게 변화하고 있다.
석유산업은 이제 석유가스산업으로 영역이 확대‧재편되는 과정에서 기후변화와 코로나19로 인해 제품 공급이 과거와 달리 수요공급상에 불균형이 발생, 제품의 잉여율이 급격히 상승했다.
싱가폴 정제비용이 하락해 정유산업은 불황에 처하게 됐다. 그리고 미국을 중심으로 한 세일오일과 세일가스산업의 출현으로 원유가공을 주업으로 운영해온 정유산업이 타격을 입게 됐다. 최근에는 이상기온의 원인이 미세먼지와 탄산가스 과다발생에서 원인을 찾고자 한다.
왜 이러한 석유제품전환이 석유산업에서 발생했는지는 아직 기후변화만으로 설명이 부족한 것 같다.
즉 지구생태계의 변화는 석유제품가공과 석유화학제품 합성 시 발생하는 COX, NOX, SOX 그리고 미세먼지 등으로 원인을 설명하기에는 불충분하므로 보다 더 광범위한 추가적인 이유를 찾아야 할 것이다.
또한 수소산업이 지구환경 관련 공해와 이상기후 변화, 온도의 급격한 변화와 빙하기 같은 이변을 해결하기에는 한계가 있을 것이다. 특히 석유산업 가공처리와 분해합성공정이 탄소발생의 일부 원인이기는 하지만 전체는 아닌 것 같다.
현재까지는 석유가공 공정에 필요한 공정열을 석유 또는 가스연료로부터 얻어왔다. 그러나 미래 중화학공업에 필요한 열공급 방식을 복사열 또는 열분해로 얻어진 정제부산물인 혼합저분자가스류로 대체하면 탄산가스 발생량이 현저히 감소될 것으로 보인다.
정유설비의 단열보온 미비로 발생되는 공정열 손실은 열정산표를 데이터화해 IT기술지원으로 열효율을 향상시킴과 동시에 정유설비의 단열기준을 현재보다 높게 설정, 공정제어에 도움이 되도록 메뉴얼을 개선해야 한다.
미래 석유 및 석유화학 산업은 친환경적이면서 기업 이윤과 사회적 공정성을 보장하는 기술 공정상의 변화를 주는 ‘혁신적인 경영상’의 결단이 필요하다.
이를 위해 기술, 경영상의 변화와 전환이 필요한 분야는 에너지절약, 탄소저감공정으로 공정선택과 설계기술투자 그리고 친환경제품 출시 등이라 할 수 있다.
우선 설비와 유틸리티(Utility) 공정을 IT 로봇형 자동운전시스템으로 개조해야 한다. 인공지능형 유틸리티(Utility) 설비운영과 유지보수시 열, 물질수지 데이터, 각 설비의 표준제작데이터 그리고 계절별 외부온도 등을 참조하고, 최적 운전 조건에 더해 디지털 자율운전과 비상안전대기형으로 전환하면 로봇형 자동운전시스템 공장이 될 수 있을 것으로 본다.
앞으로는 차세대 원유가공 및 석유화학설비로만 구성된 정유공장이 더이상 건설하지 않을 것이 때문에 미래 정유공장은 새로운 아이디어형 공장으로 구상해 소량, 로봇자동화 설비를 설계‧건설해야 할 것이다.
두 번째는 ‘정유공장의 업무교대’라 할수 있는 ‘시스템 전환’이 필수조건이라 할 수 있다. 과거에는 벤젠, 나프탈렌 등 아로마틱(Aromatic)과 같은 화합물은 석탁건류과정에서 생성된 Tar, Pitch에서 추출, 정밀화학계열인 염료, 안료 그리고 의약품제조 기초원료로 활용했다.
지금은 점진적으로 석유잔사유 중 Bitumina로부터 추출해야 할 시대가 도래한 것이다. 특히 특수 프라스틱제품과 고급다기능화학섬유 그리고 IT 소재 중 일부 원료는 석탄화학추출물이었다.
이제는 석유잔사유로부터 기초원료를 얻어야할 시기가 도래했다. 약 500여개의 석유공정을 검토한 결과, 휘발유는 납사로 전환해 석유화학 에치렌, 프로필렌 생산원료로 공급이 가능하다.
하지만 내연기관의 폐쇄로 용도가 불분명해질 디젤유와 등유, 선박유는 약 10년후에 새로운 공급처를 찾야할 것이다.
등유, 경유 그리고 고분자선박유 등은 휘발유보다 밀도와 분자량이 크다. 특히 선박유의 경우 고분자 아로마틱(Aromatic)계의 평균분자량 2400~3300정도의 중분자 탄화수소화합물이 모여있는 석유계 화합물로 고분자에 해당된다.
특히 이들 제품군에는 벤젠, 나프탈렌 등의 고분자화합물이 많이 포함돼 있어 FCCU(유동형 촉매분해설비)를 거치면 LPG와 납사 그리고 아직 용도가 불분명한 경질유제품(Distillate)을 생산할수 있다.
필자는 이들 Heterogene 화합물에서 미래화학, 정밀화학 등 새로운 소재가 탄생할 수 있다고 본다. 그리고 이 특수소재는 전기차, 드론, 생활로봇, 건자재, 정밀화학제품의 중간원료 등을 대량 생산있는 소재로 주목받게 될 것이다.
아울러 남은 석유류 중간물은 1단계로 NGL(Natural gas Liquides)화해 새로운 GTL(gas-to-Liquide) 공정으로 합성항 공유를 생산할 수 있다. 합성항공유를 핵심상품으로 설정, 휘발유와 더불어 정유산업의 명맥을 유지하도록 해야 한다.
다음 단계는 미래 연료인 수소생산으로 방향을 급격히 바꾸는 전략이 필요할 것으로 보인다.제품은 수소나 원료는 다양하다. 이는 원유정제공정의 역방향 공정이다. 납사, 등유, 경유, 선박유 A,B,C를 단계별로 캐스캐이드(Cascade)형 1,2,3,4,ㅡFCCU설비에서 원료의 분자량을 낯추면 마지막 공정에서 메탄, 에탄, 에치렌, 프로피렌 등 혼합가스산업용 가스를 생산할 수 있다. 이를 카스카데식 분해공정이라 한다.
또한 메탄, 에탄 복합체로부터 수소를 얻는 공정은 스팀 개질법이나 연료전지형 이온화 분해공정 등이 존재한다.
이와 유사한 산소없는 메탄분해메카니즘은 약 100개이상의 메탄열분해반응 기초이론연구에서 가능성을 얻어야할 것이다. 만일 열분해가 아닌 고온, 고압 고주파이온분해가 가능해지면 정유공장은 원유가공산업에서 다기능 화학산업으로 전환이 가능하다.
이러한 변화는 100년전 등유에서 휘발유로 전환보다 더 큰 시대적 변화며 수소시장은 수소승용차에서 상용차, 건설장비에 더해 대양선박(IMO의 미래선박 표준)으로 발전하게 될 것이다.
여기에 제철산업이 수소환원공정으로 방향전환을 하게 되면 국내 수소 수요는 1000만톤을 가볍게 넘어설 전망이다.
결론적으로 이제부터는 그린수소, 불류수소, 그레이수소 개념을 벗어나 수소를 대량생산할 수있는 값싼 수소공정을 개발해야 한다.
수소경제만이 우리나라 기계산업, 조선산업, 자동차산업, 드론항공산업, 화학산업, 석유화학산업 그리고 제철산업을 지원할 수 있는 경제 정책이 될 것이며 이것이 그린뉴딜 산업 육성을 위한 4차 산업혁명의 기본정책이라 할 수 있다.
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