고유가가 지속되면 자연스레 유행처럼 일어나는 현상이 있다. 에너지원으로서의 석유를 대체할 수 있는 태양광, 풍력 등 신재생에너지에 대한 관심이며 또 하나는 화학원료로서의 석유를 확보하기 위한 움직임이다. 이중 석탄과 바이오물질에서 필요한 화학원료를 얻는 기술은 석유보다 더 오래전에 개발됐으나 경제성 문제로 인해 유가의 추이에 의해 주춤한 것이 사실이다.

그러나 최근 석탄·바이오화학 분야에서 대형 프로젝트가 활발히 추진됨에 따라 기존 석화산업의 근본적 구조까지 흔들 것이라는 전망이 나오고 있다. 석유자원보다 월등히 매장량이 많은 석탄을 이용한 화학산업은 중국, 인도, 인도네시아 등 환경규제가 약한 신흥 개도국을 중심으로 프로젝트가 진행 중이다. 특히 중국 정부는 자국의 풍부한 석탄자원을 바탕으로 최신 기술을 개발해 석탄화학 육성에 적극적인 모습을 보이고 있다.

지속 성장이 가능한 바이오화학 또한 기업들의 대규모 투자와 최근 바이오화학 벤처들의 활발한 활동으로 인해 전망이 밝다.

이에 기존 석유 중심의 화학산업은 석탄, 바이오 등 다양한 원료와 기술로 변화를 겪게 될 것으로 기대되고 있다. 이는 우리나라 화학기업들에게 위기와 기회로 다가올 것이다. 이에 본지는 LG경제연구원 홍정기 수석연구위원이 작성한 보고서 ‘화학산업의 새로운 지평을 여는 석탄화학과 바이오화학’을 통해 미래 석화사업의 모습을 그려보는 자리를 마련했다. -편집자주-

■새 기술로 옷 갈아입은 석탄화학
오늘날 우리는 ‘석유의 시대’에 살고 있다. 화학(유기화학)산업도 예외는 아니어서 플라스틱 등의 석유화학제품은 물론 의약품, 화장품, 염료, 도료 등의 대부분 화학제품들이 석유나 가스에서 나온다. 그러나 이같은 석유의 시대가 도래한지는 그리 오래되지 않다. 1920∼1930년대 초대형 유전의 잇따른 발견과 함께 석유가 대량 생산되면서 가격경쟁력에서 앞선 석유가 당시의 주력 에너지원이었던 석탄을 대체하기 시작한 것. 화학산업의 원료도 1940년대를 전후로 자연스럽게 석탄에서 석유로 전환됐다.

더 과거로 거슬러 올라가면 석탄 이전에는 천연 유기물(바이오매스)이 주 원료였다. 19세기 중반 석탄으로부터 얻은 합성염료나 합성수지, 합성섬유가 천연 염료나 천연 소재를 대체한 것. 결국, 한 시대의 주력 에너지원이 어떻게 변화하는가에 따라 화학산업도 절대적인 영향을 받을 수밖에 없다는 결론이 나온다.

고유가 지속 및 신흥 개도국의 에너지 수요 급증으로 석탄 수요는 당분간 꾸준한 증가세를 유지할 전망이다. 미국 에너지성에 의하면 석탄 소비의 한 지표로 사용되는 세계 합성가스(Synthesis gas) 생산량이 2004년 이후 높은 증가세로 돌아섰으며, 최근에는 증가 속도가 더욱 빨라지고 있다고 발표했다. 이러한 추세는 앞으로도 지속돼 2016년 합성가스 생산능력은 2010년 수준보다 70% 이상 증가할 것으로 전망하고 있다.

석탄은 전체 소비량의 약 2/3가 발전용으로 사용되고 있다. 이러한 석탄의 소비 패턴은 앞으로도 큰 변화가 없겠으나, 상대적으로 석탄액화(Coal-to-liquids, CTL)나 산업용(철강, 화학 등)의 높은 성장세가 예상되고 있다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 2008년에서 2035년 사이 석탄의 수요 증가분 중 60%가 발전 부문에서 이루어지고, 30%가 산업용 및 석탄액화 부문에서 이루어질 것으로 내다보고 있다. 석탄 소비의 또 다른 특징은 선진국(OECD국가)과 개도국(非 OECD국가) 간의 소비 양극화가 갈수록 심해지고 있다는 것이다. 선진국들은 온실가스 감축을 위해 석탄 소비를 되도록 줄이려는 입장인데 반해 개도국들은 값비싼 석유를 풍부한 석탄으로 대체한다는 계획이다.

현재 석탄액화를 포함한 석탄화학 투자에 가장 적극적인 국가는 중국이다. 중국은 세계 최대의 석탄 소비국이자 생산국으로 이미 다양한 석탄화학제품들을 생산 중이다. 생산능력 기준으로 메탄올의 74%, PVC의 84%가 석탄을 사용해 만들어지고 있다. 최근의 석탄화학 투자는 기술 발전에 힘입어 생산 가능한 제품이 다양해지고 있고, 갈수록 대형화돼 가는 추세이다. 예를 들면 석탄을 올레핀(에틸렌, 프로필렌 등), 파라자일렌, 에틸렌글리콜 등 중국 내 자체 공급이 부족한 석유화학제품 원료로 전환하는 프로젝트나, 석탄을 천연가스나 합성석유 등 석유계 연료로 전환하는 프로젝트가 급증하고 있다. 그 규모도 무시할 수 없는 수준이다. 올레핀의 경우 현재 20개 이상의 프로젝트가 계획 중이며, 이를 모두 합하면 연간 생산능력이 1,000만톤 이상에 달할 전망이다. 합성섬유의 원료로 사용되는 에틸렌글리콜 역시 약 20개의 프로젝트가 계획 중이며, 총 400만톤 규모에 달하는 것으로 추정된다. 특히 천연가스의 경우는 2009년 이후 제안된 프로젝트가 연간 생산능력 기준으로 총 850억 입방미터에 달한다. 이는 지난해 중국 천연가스 공급량의 90%에 달하는 수준이다.

▲ ▲CTL시스템 구성도. ▲CTL시스템 구성도

그러나 석탄화학의 약점은 역시 환경문제에 가장 취약하다는 점이다. 현재 석탄의 이용 과정에서 발생하는 환경문제로는 과다한 물 사용, 대량의 온실가스 배출, 광산 개발에 따른 환경 훼손 등을 들 수 있는데, 이는 기본적으로 석탄의 에너지 밀도가 낮다는 데서 비롯된다. 예컨대 현재 기술로 석탄 1톤을 가공하면 1∼2배럴의 석유를 얻을 수 있다. 석유나 가스에 비해 에너지 밀도가 현저히 낮기 때문에 동일한 양의 제품을 생산하기 위해서는 당연히 많은 양의 자원을 투입할 수밖에 없어 환경오염을 더 유발하게 된다.

특히 대량의 온실가스 배출은 해결이 가장 어려운 과제다. 석탄의 이산화탄소 배출량은 석유나 가스에 비해 월등히 높은 수준이다. 일본 전력중앙연구소에 의하면 LNG복합발전의 경우 kwh당 이산화탄소 배출량은 474g인데 비해 석탄화력발전은 약 2배인 943g에 달하는 것으로 조사되고 있다. 이를 해결할 유일한 방법은 이산화탄소를 포집해 분리·저장하는 CCS(Carbon Capture and Storage) 기술을 적용하는 것인데, 이 역시 비용이나 입지 면에서 제약이 많다.

현재 미국, 호주 등 석탄 자원이 풍부한 국가들을 중심으로 CCS 기술 개발 및 상용화를 위한 연구가 한창이나, 아직까지 경제성 있는 기술은 개발되지 못하고 있는 실정이다. 결국 석탄화학 프로젝트는 중국, 인도, 인도네시아 등 신흥개도국을 중심으로 지역 별 편중 현상이 당분간 지속될 전망이다.

석탄, CTL·산업용 비중 높아질 것

中, 석탄화학산업 메카로 지속 성장

■석탄화학산업 최강자 중국, 글로벌 기업에 러브콜
석탄화학 분야의 주목할 기업들은 역시 남아프리카공화국의 종합 에너지·화학 기업인 Sasol이다. 남아공은 인종차별정책으로 석유 수입이 봉쇄당하자 궁여지책으로 자국 내의 풍부한 석탄 자원을 활용하기로 결정하고 1950년 Sasol을 설립한다. Sasol은 독일 기술을 기반으로 1955년 석탄액화 및 이를 기반으로 한 화학 콤플렉스를 구축, 운영하기 시작했다. 현재 남아공의 세쿤다(Secunda) 콤플렉스는 연간 4,000만톤 이상의 석탄을 이용해 일산 16만배럴 규모의 합성연료와 각종 화학제품을 생산하는 거대 거점으로 성장했다.

2000년대 들어 고유가로 석탄에 대한 관심이 높아지자 60년 전통의 Sasol은 화학산업의 변방 기업에서 하루아침에 가장 인기있는 기업의 하나로 변신했다. 현재 Sasol은 이러한 강점을 바탕으로 중국, 인도 등의 거대 석탄화학 프로젝트와 연결되고 있다. 특히 중국에서 합작으로 추진 중인 석탄액화 프로젝트는 약 200억달러 규모의 초대형 프로젝트로 현재 중국 정부의 최종 승인을 기다리고 있다. Sasol은 자국 내 제 2의 석탄화학 콤플렉스를 포함해 석탄자원을 보유한 국가들을 대상으로 향후에도 적극적인 사업 확대를 추진한다는 계획이다. Sasol 이외에도 석탄화학사업에 다우 케미칼(에틸렌글리콜, 아크릴산, PVC 등), Total Petrochemicals(폴리올레핀), Celanese(에탄올) 등이 중국 기업과 합작으로 중국에서의 대규모 프로젝트를 추진 중이다.

최근 중국 정부는 석탄화학 분야의 투자 과열을 막기 위해 프로젝트의 허가 기준을 강화하는 동시에 지방정부의 무분별한 프로젝트 추진에도 제동을 걸고 나섰다. 현재 계획 중인 프로젝트가 모두 성사될 경우 연간 1억톤 이상의 엄청난 석탄이 소요되는데, 이는 결국 국가의 전략 자원 낭비 및 환경 훼손으로 이어진다는 판단에서다.

그러나 중국 정부는 석탄 이용 고도화에 대한 확고한 의지가 있어 장기적으로는 긍정적인 영향을 미칠 것이라는 전망이다. 세계 3위의 석탄 보유국인 중국은 석유에 대한 의존도를 낮추고 전략 자원인 석탄을 최대한 효율적으로 활용한다는 목표 하에 이미 오래전부터 연구개발을 추진해왔다. 석탄 발전을 비롯해 석탄화학 분야에 대한 선진기술 습득과 동시에 기술 자립을 추구한 결과 선진국과의 기술 격차도 크게 축소된 것으로 알려지고 있다. 중국 최대의 석탄기업인 Shenhua의 경우 Sasol, Dow 등과의 합작을 추진하는 한편 자체 연구를 통해 세계 최초로 석탄직접액화 설비를 가동 중이기도 하다. 중국 최대의 석유화학기업인 Sinopec도 자체 석탄액화기술 확보를 위해 최근 미국의 Syntroleum에 2,000만 달러를 투자한 바 있다.

석탄 전문가들은 장기적으로 중국 석탄화학기술의 수출도 충분히 가능할 것으로 보고 있다. 미국, 일본 등을 비롯한 과거의 석탄기술 강국들이 자국 내의 반대로 상업화 연구가 부진한 반면, 중국은 세계 최신 석탄화학 기술의 실험 무대라고 할 정도로 다양한 프로젝트가 가동 또는 시험 중이다. 이러한 프로젝트들이 본격적인 상업화에 돌입해 경험을 축적할 경우 또 하나의 Sasol이 탄생하는 것은 시간 문제로 보인다.

■바이오화학, ‘지속발전가능’ 아이템으로 인기
바이오화학이란 바이오매스(재생가능한 생물자원)를 원료로 연료나 석유화학 제품, 정밀화학 제품 등을 생산하는 것을 말한다. 의약품, 농산물 등과 구분해 각종 산업용 제품을 생산한다는 점에서 산업용 바이오(White Biotechnology) 분야라고도 부른다. 바이오화학은 바이오의약(Red Biotechnology), 바이오농업(Green Biotechnology) 분야에 비해 상대적으로 부가가치가 낮고, 이에 따라 성장도 더딘 분야로 인식돼 왔다.

그러나 최근 들어 바이오화학의 성장세가 빨라지고 있다. 바이오화학의 성장을 견인하고 있는 주역으로는 바이오플라스틱으로 대표되는 바이오재료와 정밀화학제품이나 각종 화학물질 등의 바이오케미컬 분야가 있다. 지금까지 바이오화학 분야는 바이오연료 중심으로 성장해 왔으나 경쟁이 가열되면서 부가가치가 저하되고, 대규모 원료 확보가 갈수록 어려워진다는 문제에 직면하고 있어 상대적으로 고부가가치 창출이 가능한 바이오플라스틱이나 바이오케미컬 분야로 눈을 돌리는 기업들이 늘어나는 추세이다.

▲ ▲코카콜라는 자사 PET용기에 바이오플라스틱을 사용하고 있으며 장기적으로는 100% 대체할 계획이다.. ▲코카콜라는 자사 PET용기에 바이오플라스틱을 사용하고 있으며 장기적으로는 100% 대체할 계획이다.

이는 안정적 수요 창출과 사용용도가 늘어가고 있기 때문이다. 소비자들의 환경의식이 높아지고 기업의 사회적 책임이 강조되면서 바이오화학 원료는 지속가능성을 강조하고자 하는 기업들의 요구를 충족시킬 수 있다. 코카콜라, 펩시, 하인즈, P&G, 토요타, SONY, HP, 시세이도 등 다양한 분야의 선도 기업들이 자사 제품의 용기나 부품에 바이오화학 원료를 채용하기 시작하고 있고, 채용의 비중도 지속적으로 높인다는 계획이다. 또한 이러한 노력들은 경기 변동에 따라 큰 영향을 받지 않아 수요가 상당히 안정적이다.

바이오화학 제품이 과거 생분해성 제품에서 벗어나 점점 사용가치가 크게 향상되고 있다. 이에 따라 기업들은 재생가능 자원을 원료로 사용하되 생분해성을 포기하고 성능에 집중하는 전략으로 전환했다. 가격은 다소 비싸더라도 석유 기반 제품과 동등한 성능을 고객들에게 제공하고자하는 전략은 적중했고, 결과적으로 바이오화학 시장의 저변을 확대시켰다.

■화학·농업 대기업이 대량생산 주도
바이오화학 시장의 성장 잠재력이 부각되면서 기업들의 대규모 투자계획이 잇따라 발표되고 있다. 지난해 연산 20만톤 규모의 바이오PE(폴리에틸렌) 공장을 완공한 브라질의 Braskem은 이번에는 2013년 가동 예정인 연산 10만 톤 규모의 바이오PP(폴리프로필렌) 투자계획을 발표했다. Braskem은 세계 최대의 그린 플라스틱 기업을 목표로 자사 제품의 친환경성을 적극적으로 부각시킨다는 계획이다. Braskem은 이를 위해 자동차, 식품 포장, 화장품, 생활용품 등의 세계 유명기업을 대상으로 마케팅 활동을 적극적으로 전개하고 있다.

Dow 역시 브라질에서 바이오PE 연산 35만톤 규모의 초대형 프로젝트를 준비 중이다. 현지 에탄올 생산기업과 합작으로 사탕수수 재배에서 바이오PE까지 일관생산체제를 구축함으로써 용수(에탄올 처리 공정에서 회수), 전력(사탕수수 부산물을 활용한 열병합발전)까지 자체 해결하는 친환경 설비를 지향한다는 계획이다.

이밖에 NatureWorks(곡물기업인 Cargill과 데이진 합작), Telles(곡물기업인 ADM과 Metabolix 합작), Myriant(중국 화학기업인 Bluestar와 제휴) 등 기존의 바이오화학 기업들도 자신의 주력 분야를 더욱 강화하기 위해 대규모 투자를 계획 중이다.

지난해 세계 바이오플라스틱 생산능력이 70만톤 수준에 불과하다는 점을 생각하면, 이러한 투자계획은 상당히 파격적이다. 기업들이 향후 시장 전망을 낙관하고 있다는 방증으로 이해할 수 있다.

그밖에 주목해야 할 기업으로 세계적인 화학회사 듀폰이 있다. 1802년 창업한 듀폰은 2002년 창업 200주년을 맞아 새로운 100년을 주도하기 위한 사업모델로 바이오기술을 기반으로 한 화학기업으로의 전환을 선언하였다. 이를 위해 회사는 섬유, 의약, 석유 등 과거의 주력사업을 과감히 정리하는 대신 Pioneer Hi-Bred를 인수하는 등 바이오농업(종자, 농약 등) 분야를 강화하는 데 집중적인 자원을 투입하였다

▲ ▲종합식품회사 대상㈜은 지난 5월 ‘그린티어(Greentier)’라는 브랜드를 발표하고 옥수수 전분을 이용한 친환경 녹색신소재사업에 본격 나섰다.. ▲종합식품회사 대상㈜은 지난 5월 ‘그린티어(Greentier)’라는 브랜드를 발표하고 옥수수 전분을 이용한 친환경 녹색신소재사업에 본격 나섰다.

바이오기술 기반으로의 전환을 추진하는 듀폰은 이미 2006년 ‘2015 Sustainability Goals’라는 보고서를 통해 2015년까지 80억달러 이상의 매출을 재생가능자원으로부터 얻는다는 구체적 목표를 설정한 바 있다. 그동안 내부 역량의 축적을 통해 바이오폴리에스터(PTT) 소재의 상업화 등 성과도 가시화되고 있는 상황이다. 듀폰의 공격적 시장 진출이 다른 대기업들의 연쇄적 진출을 야기하는 신호탄이 될 것인지 관심이 커지고 있다.

바이오화학 벤처들의 급증 또한 바이오화학의 전망을 밝게 하고 있다. 바이오화학 벤처는 주로 미국에 집중돼 있으며, 아시아, 유럽, 남미 등 전세계로부터 투자자금이 유입되고 있다.

벤처가 활성화되고 있다는 것은 그만큼 바이오화학 산업의 성장잠재력 및 기술혁신 가능성이 풍부하다는 것을 의미한다. 전문가들은 바이오화학의 가장 큰 장점으로 광범위한 제품 생산이 가능하다는 점을 들고 있다. 기존 석유화학제품이나 정밀화학제품의 상당 부분이 바이오화학 제품으로 대체될 수 있다는 것이다. 결국 벤처 활성화는 바이오화학 제품의 다양화를 촉진시켜 전체 시장을 확대하는 요인으로 작용할 전망이다.

셀룰로스 등 비식용 자원으로부터 바이오화학 제품을 생산하기 위한 기술의 수요가 지속적으로 증가할 전망이어서 벤처는 더욱 활성화될 것이다. 더 나아가서는 목표로 하는 물질을 최대한 많이 생산할 수 있는 전용 작물의 개발도 필요하다. 이를 위해서는 바이오농업 분야 기업들과의 제휴 확대가 필요할 것으로 예상된다.

고부가 바이오플라스틱·케미칼 투자 증가세

석탄화학 범용, 바이오화학 프리미엄 특화
 

■석탄·바이오화학, 화학산업의 한 축으로
석탄화학과 바이오화학은 경제상황에 따라 민감하게 반응해왔기 때문에 사업의 지속성이 보장되지 못해 연구개발이 위축되고, 기술발전이 저조할 수밖에 없었다. 그러나 2008년 세계 금융위기로 경제 상황이 어려운 가운데서도 석탄화학과 바이오화학은 별다른 영향을 받지 않았고, 투자 열기가 지속되는 이례적인 현상이 나타났다.

따라서 최근 석탄화학과 바이오화학의 부상은 일시적인 현상이 아니라 화학산업의 근본적 구조 변화를 촉발하는 요인이 될 것으로 전망된다. 비중의 급격한 확대에는 제약이 있겠지만 지금까지 석유 중심의 원료 및 기술 구조가 석유, 석탄, 바이오매스가 공존하는 다원적 구조로 변화한다는 것이다. 또한 이러한 변화 과정을 통해 석탄화학과 바이오화학은 독자적으로 생존가능한 영역을 구축하게 될 것이다.

이는 에너지 시장에서의 석유 비중의 점진적 축소와 바이오매스의 비중확대에 있다. 환경규제 강화와 고객들의 환경의식 수준 향상에 따라 지속가능성이 기업 경영의 핵심 가치로 자리 잡고 있는 것 또한 이를 뒷받침한다.

▲ ▲바이오 화학제품 분야별 성장성 평가. ▲바이오 화학제품 분야별 성장성 평가

석탄화학은 중국, 인도 등 석탄 활용에 적극적인 국가들을 중심으로 현지 특성에 맞는 제품 생산에 특화될 것으로 예상된다. 예를 들어 중국의 경우 올레핀만이 아니라 수요가 급증하고 있는 에틸렌글리콜, 파라자일렌, 에탄올 등으로 생산 제품이 다양해질 수 있다. 또한 중국 PVC산업에서 경험했듯이 이들 국가의 석탄화학 활성화는 역내 석유화학제품 수급구조에도 일정 부분 영향을 미칠 전망이다. 한편 석탄 이용의 최대 걸림돌이 되고 있는 이산화탄소 처리 문제가 해결될 경우 석탄화학의 글로벌 확산도 장기적으로 가능할 것으로 보인다. 현재 글로벌 에너지·화학 기업들을 중심으로 CCS는 물론 이산화탄소를 화학제품의 원료로 사용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

바이오화학의 경우는 기존 화학제품의 경쟁 상대라기 보다는 기존 제품을 보완하는 성격이 강하다고 볼 수 있다. 바이오PE가 석유계 PE와 성능은 동일하지만 더 높은 가격을 받는다는 것은 고객이 두 제품을 다른 제품으로 인식하고 있기 때문이다. 에너지밀도가 가장 낮은 바이오매스의 특성을 고려할 때 바이오화학 제품이 기존 화학제품과 가격으로 승부한다는 것은 현실적으로 불가능하기 때문에 이에 따라 바이오화학 제품을 생산하는 기업들은 취약한 성능을 최대한 개선해, 프리미엄 제품으로 차별화를 시도하는 전략을 구사할 것으로 보인다.

▲ ▲포스코와 SK에너지는 철강산업과 화학산업의 융합을 통해 유화제품과 고기능성 플라스틱 생산을 목표로 하고 있다. . ▲포스코와 SK에너지는 철강산업과 화학산업의 융합을 통해 유화제품과 고기능성 플라스틱 생산을 목표로 하고 있다.

■기존 화학기업들, 사업기회 포착해야
기존 화학기업들은 석탄화학과 바이오화학의 시장 확대에 따라 자사에 부정적인 영향을 미치는 것은 아닌지 촉각을 세우고 있다.

그러나 석탄화학과 바이오화학의 등장은 기존 화학기업들이 선제적으로 대응할 경우 위협요인으로 작용하기보다는 기회요인으로 작용할 가능성이 더 큰 것으로 보인다. 기존 화학기업들은 오랜 경험을 통해 축적한 대량생산 기술과 제품 개발 역량에 강점을 가지고 있기에 석탄·바이오화학의 낮은 생산성을 이끌어 올릴수 있다.

또한 기존 화학기업들에 있어서는 석탄화학과 바이오화학 사업에 대한 진출이 포트폴리오의 다양화를 통해 새로운 성장 기회를 발굴하거나 리스크를 분산하기 위한 좋은 수단이 될 수 있다는 점이다. 실제로 많은 화학기업들이 석탄 및 바이오 화학 기업들과의 제휴나 합작을 통해 적극적인 사업 참여를 시도하고 있다. 중국에서 석탄화학 사업을, 브라질에서 바이오화학 사업을 추진하고 있는 다우 케미칼이 대표적인 사례이다.

석탄화학과 바이오화학의 잠재력이 구체적으로 언제, 어느 정도까지 실현될 것인지에 대해서는 논란이 있으나 원료와 기술의 다양성을 필요로 하고 있는 화학산업에서 석탄화학과 바이오화학의 부상은 거스를 수 없는 대세다.

따라서 화학기업들 입장에서는 최근의 환경 변화를 경쟁 심화의 과정으로 이해하기 보다는, 기술 상호 간의 협력과 조화를 통해 장기적 관점의 경쟁력 강화의 계기로 삼아야 할 것이다.