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세키스이화학, 쓰레기로 에탄올 생산
도시 유전을 통해 자원 대국으로

일본의 대도시에 거대 유전이 잠들고 있을지도 모른다. 세키스이(積水)화학공업은 도시 쓰레기 및 산업 폐기물을 모두 에탄올로 바꾸는 기술을 개발했다고 발표했다. 쓰레기가 만들어내는 ‘도시 유전’이 어느새 현실화되기 시작하고 있다. 도시 유전으로 인해 석유화학제품으로 넘쳐나는 일본이 자원 대국으로 거듭나고, 온난화 가스 배출 등 환경 부담을 줄일 수 있다. 원료의 자급률 향상 등 일석이조를 노리는 기술 돌파의 충격적인 현장을 취재했다.

-- 쓰레기 분별∙소각, 일본이 강해 --
일본에서 폐기되고 있는 가연성 폐기물은 연간 6,000만톤으로, 에너지로 환산하면 200조(兆)킬로칼로리 규모이다. 한편, 플라스틱으로써 이용되는 화석 자원은 연간 3,000만톤, 약 150조킬로칼로리이다.

세키스이화학은 6일, 쓰레기를 가격 경쟁력이 있는 에탄올로 전환하는 기술을 확립했다고 발표했다. 소각하거나 매립해 처리해온 쓰레기를 이용해 연료 및 화학제품의 원료로 만들 수 있는 기술이다. 플라스틱에 사용되는 화석 자원을 다시 사용한다면 원유를 수입하지 않아도 플라스틱 수요가 충족된다는 것은 이론적으로 가능하다. 이것이 바로 도시 유전인 것이다. 이와 같은 도시의 쓰레기 및 산업 폐기물을 에너지와 화학원료로 전환시키는 기술 개발을 위해 다양한 연구가 추진되어 왔다.

-- 비용의 벽 해결 --
일본에서는 농림수산성의 지원으로 주로 농∙산업 폐기물에서 에탄올을 발효 생산하는 파일럿플랜트(Pilot Plant)도 만들어졌다. 또한 히타치(日立)조선과 신일철주금(新日鉄住金)그룹 등 엔지니어링 제조사들도 모두 연구 개발에 참여하고 있다.

메탄 발효나 발효 등을 통해 쓰레기의 자원화를 추진하고 있는 지역도 나타났다. 기타큐슈(北九州)에서는 규슈공업대학과 협력해 음식 쓰레기를 이용한 생분해성 플라스틱의 시험 생산도 시작되고 있다.

하지만 실용화에는 비용이라는 벽이 가로막고 있어 거의 사업화까지는 도달하지 못하고 있는 것이 현실이다. 일본에서는 쓰레기 분류 및 수집이 정착되어 있다. 하지만 분류 및 수집된 쓰레기들은 여전히 그 종류가 다양해 다시 한번 분류와 원료 정제 등이 필요, 비용을 가중시킨다.

이것을 해결한 것이 쓰레기를 쪄내어 어떤 쓰레기라도 일산화탄소(CO)와 수소가스로 분해하는 가스화 기술이다. 이미 확립된 기술이지만, 실은 쓰레기의 다양성으로 인해 필요 없는 성분이 가스에 유입. 에탄올의 발효 생산을 저해하는 물질도 포함되어 있다.

세키스이화학은 독자적으로 가스의 정제∙관리 기술을 확립했다. 필터와 흡착, 촉매를 이용한 분해 기술 등을 통해 400개 성분을 철저하게 배제∙관리한다. 또한, 쓰레기의 종류에 따라 생성되는 CO와 수소의 비율도 다르게 했다. 세키스이화학은 가스 성분을 온라인으로 계측해 CO와 수소의 비율 등을 적절하게 조절하는 기술도 개발. 도시 유전의 ‘채굴’에서 쓰레기의 다양성이 과제였지만, 가스화와 엔지니어링 기술을 결합해 극복한 것이다.

제휴처인 미국의 LanzaTech가 제공한 미생물이 이 가스를 에탄올로 발효 생산한다. 천연에서 분리∙육종(育種)된 균으로, 분자의 CO와 수소가스를 효율적으로 에탄올로 전환시킨다. 쓰레기 소각 플랜트에서 추출한 가스를 인근 발효 플랜트에 제공해 에탄올을 연속으로 발효 생산한다.

-- 세계적으로 경쟁 과열 --
이 때에도 쓰레기의 다양성에 대한 대처가 필요하다. 원료인 쓰레기 집하가 일정하지 않거나 일시 정지되었을 경우에는 배양 조건을 적절하게 조절, 균을 일시적으로 휴면시켜 원료 공급 재개에 대비하는 기술도 개발했다.

사이타마(埼玉) 현 요리이(寄居) 마을의 쓰레기 처리장 내에 2014년부터 에탄올의 생산 능력이 연간 20킬로칼로리(kl)의 파일럿 공장을 가동. 저비용화에 대한 자신감을 높였다. JAAS규격의 고품질 에탄올을 1리터 당 90엔 이하로 생산할 수 있다고 한다. 또한 라이프 사이클 분석을 이용한 이산화탄소 배출량에서는 소각을 위한 석유도 필요 없기 때문에 135%(소각 처분 대비) 절감할 수 있다.

사실 도시 유전 기술 개발은 세계적으로 경쟁이 과열되고 있다. 올 여름에 미국의 Aemetis는 미국 InEnTec와 제휴. 농∙산업 폐기물을 가스화해 그것을 원료로 에탄올을 발효 생산하는 프로세스의 실용화에 착수했다. InEnTec의 가스화 기술은 미국 메사츄세츠공과대학과 미국 에너지부 연구소가 개발했다.

한편, 캐나다 에드먼튼(Edmonton) 시는 캐나다의 Enerkem과 제휴. 도시 쓰레기를 이용해 바이오 에탄올을 생산하는 공장을 가동하려고 하고 있다. 이들 모두 가스화와 발효, 또는 촉매를 이용한 화학 반응으로 에탄올을 제조해 가격 경쟁에서 우위를 다투고 있다. 세계의 에탄올 시장은 연간 1억kl로 거대하다.

하지만 최대 시장인 미국에는 쓰레기 소각장이 적고, 거의 모든 쓰레기가 매립 처분되고 있다. 분류∙수집과 소각 처분이라는 인프라에서 세계를 리드하고 있는 일본이 도시 유전 채굴에 성공할 가능성이 높다.

세키스이화학은 2018년에 10분의 1규모의 실증 플랜트를 가동하고, 2020년에 본격적으로 사업화에 착수할 계획이다. 바이오 에너지∙자원 분야의 응용에서 뒤쳐져 있던 일본에게 기사회생의 기회가 될 수 있을 것이다.

 -- 끝 --