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Nikkei X-TECH_2021.4.26

역풍 CFRP, 2030년에 CO₂ 배출에서 Al 합금 역전
도레이∙데이진∙미쓰비시, LCA에서의 CFRP의 CO₂ 대폭 삭감

자동차의 자원 채굴부터 생산, 유통, 폐기까지 라이프 사이클 전체에서 이산화탄소(CO₂) 배출량을 평가하는 LCA(Life Cycle Assessment). 제조 시의 배출량이 많아 LCA에서 특히 엄격한 것이 탄소섬유강화수지(CFRP)다. 경량을 무기로 자동차에 대한 보급이 조금씩 진행되고 있는 가운데 존재 가치를 잃을지도 모른다. 도레이, 데이진, 미쓰비시케미컬의 대형 3사는 CO₂의 대폭 삭감에 도전하기 시작했다.

3사는 “기업의 경쟁력에 직결된다”라며 현 시점의 LCA에서의 CFRP 제조 시의 CO₂ 배출량을 밝히지 않는다. 그러나 3사가 가입해 있는 탄소섬유협회의 과거 조사에 따르면, 탄소섬유를 50질량% 포함하는 CFRP에서 1kg당 배출량은 약 15kg(이하, CO₂ 배출량은 소재 1kg당의 수치로 표시한다)이라고 한다. 철강의 배출량은 약 2.3kg으로 작다. 양자의 차이는 상당히 크다.

또한 자동차의 대표적인 경량화 소재인 알루미늄(Al) 합금의 약 11kg에도 미치지 않는다. 앞으로 LCA 규제를 시행하면 CFRP의 경쟁력은 크게 저하된다.

CFRP는 일본업체의 아성으로, 일본의 자동차산업에 미치는 영향은 크다. CFRP 대형 3사는 제조 공정에서의 CO₂ 배출량의 삭감과 라사이클 기술의 도입이라는 2개의 수단으로, LCA에서의 CFRP의 CO₂ 배출량을 낮추는 것을 목표한다.

-- 탄소 가격을 얹어서 재생에너지 도입 가속 --
실제 CFRP 업체에 의한 지금까지의 대응으로 CO₂ 배출량은 이미 15kg을 밑도는 수준이다. 또한 각 사는 30년까지 사회 전체의 온난화가스(GHG) 배출량을 20~30% 낮춘다는 목표를 제시한다.

사회 목표와 같은 수준까지 CFRP 제조 공정의 배출량을 낮출 수 있다면 Al 합금을 밑도는 수준이 가시화된다. “Al 합금과 충분히 경쟁할 수 있도록 해서 자동차의 경량화 소재로서 존재감을 높인다”(국내의 CFRP 기술자). 그 후에 50년에 걸쳐 탄소 중립(Carbon Neutral)을 실현할 것이다.

탄소섬유를 제조할 때 CO₂ 배출량이 많은 공정은 원료가 되는 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 1,000~3,000도의 온도로 가열해 탄화∙흑연화하는 공정이다. 가열하는 데 에너지를 대량 소비한다. CFRP 제조 전체의 CO₂ 배출량 중 절반 이상을 차지한다고 한다. 또한 에너지원은 전력이 대부분이다.

탄화∙흑연화 공정의 CO₂ 배출량을 삭감하기 위해 각 사는 크게 2개의 방법으로 도전한다. 첫 번째 방법은 에너지 절약이다. 예를 들면, 도레이 Executive Fellow A&A 센터의 기타노(北野) 소장은 “단열 기술의 도입이나 공장의 소등 관리 등 많은 방법을 도입해 착실하게 대응을 추진해 나간다”라고 말한다.

두 번째 방법은 천연가스나 재생가능 에너지를 사용해 열에너지를 만드는 것이다. 예를 들면 미쓰비시케미컬은 “전력을 사용하는 것보다 천연가스를 태우는 것이 CO₂의 삭감에 효과적인 경우가 있다”라고 분석한다.

재생에너지 도입에 적극적인 곳은 데이진이다. 네덜란드에 거점이 있는 Teijin Aramid에서는 이미 공장에 재생에너지를 도입하고 있다. 앞으로는 국내 사업소에도 재생에너지 등의 저탄소 설비를 도입하기 위해 사내 설비의 조달 방법에 새로운 시스템을 채용했다고 한다.

대표적인 예가 ‘Internal Carbon Pricing(ICP)’이다. CO₂ 배출량을 동반하는 설비 투자에 대해서는 설정한 사내 탄소 가격을 적용해 가상적인 비용으로 환산해 투자 판단 기준의 하나로 한다. 설비에서 배출되는 CO₂의 양에 따른 탄소 가격을 얹음으로써 원래 가격이 다소 비싸도 CO₂ 배출량이 적은 설비를 도입하기 쉬워진다.

데이진은 탄소 가격을 1t당 6,000엔으로 설정했다. 데이진그룹은 “경제합리성만으로는 추진되지 않는 설비 도입에 ICP가 도움이 된다”라고 설명하고, CFRP의 제조 공정에 재생에너지 등의 도입을 가속시키겠다는 생각을 밝혔다.

-- CFRP 리사이클, 어디까지 왔나? --
CFRP 제조 시의 배출량에 대한 대책과 함께 3사가 주력하는 것이 리사이클 기술의 개발이다. 리사이클한 탄소섬유를 이용하면 제조 시 CO₂ 배출량을 신품의 1/6에서 1/10정도까지 줄일 수 있는 가능성이 있다. 리사이클 CFRP의 이용이 확대되는 것은 2030년 이후가 될 것으로 보이지만 철강과 같은 수준의 배출량이 전망된다. 수지의 라사이클 기술을 연구하는 간토학원대학의 사노(佐野) 교수는 “리사이클이 CFRP의 생존의 열쇠를 쥐고 있다”라고 말한다.

CFRP와 같은 복합재료의 리사이클은 어렵다고 하지만 3사 모두 “기술적으로 확립했다”라고 주장한다. 도레이는 “탄소섬유 자체는 유리섬유 등과 달리 가열해도 열화되기 어렵고, 수지와 분리되는 것이 어려운 것은 아니다”라며 리사이클하기 어렵다는 견해 자체를 부정한다.

CFRP의 리사이클 난이도는 모재인 수지가 열경화성인지 열가소성인지에 따라 크게 다르다. 에폭시계가 자주 사용되는 열경화성 CFRP의 리사이클이 어렵고, 향후 보급이 기대되는 열가소성 CFRP가 비교적 쉽다고 한다.

열가소성 수지로서 나일론(6, 66, 610)이나 PPS(Polyphenylenesulfide), PBT(Polybutylene terephthalate) 등이 사용되고, 가열을 통해 부드러워지기 때문에 다른 것으로 다시 성형하기 쉽다.

데이진은 열가소성 CFRP의 라시이클에 대해 “표면성 등에 대해서는 조금 타협이 필요할지도 모르지만 90%의 품질로는 리사이클이 가능하다”라고 설명한다.

한편 현재 자동차에서 주류는 강도를 높이기 쉬운 열경화성 CFRP다. 리사이클이 어렵다고 하지만 사업화를 위한 대응을 추진하고 있다. 예를 들면 산소나 질소의 분위기 하에서 가열해 수지를 기화시키는 등의 기술을 생각하고 있다. 미쓰비시케미컬은 자회사인 신료(新菱)에서 열경화성 CFRP의 리사이클 시설을 도입하고 있다. 연 300t의 리사이클 능력을 갖는다고 한다.

또한 20년에는 독일에서 탄소섬유 리사이클 사업을 전개하는 CFK Valley Stade Recycling과 carboNXT을 인수해 리사이클 사업을 가속시키기 시작했다. 미쓰비시케미컬은 “리사이클을 늘려 탄소 중립을 목표하고 싶다”라고 말한다.

CFRP의 리사이클을 가속하는 데 최대 과제는 기술보다 회수 시스템과 양일지도 모른다. CFRP에는 탄소섬유의 함유량이나 배합하는 수지의 차이 등에 의해 다종다양한 품종이 있다. 자동차 업체로서는 고가의 탄소섬유의 사용량을 억제하기 위해 부위 별로 함유율이 다른 CFRP를 구분해 사용하는 경향이 강하다. 그러나 3사 모두 “함유량이 다르면 리사이클이 어려워진다”라고 강조한다.

물론 애초의 회수량이 적으면 리사이클 사업은 성립되지 않는다. 도레이에 따르면 2019년의 탄소섬유의 세계 수요량은 7만 9,000t으로, 알루미늄의 1/100, 철강의 1/10,000로 압도적으로 적다. 도레이는 “리사이클을 하려고 해도 시장에 나와있는 양이 적어 당분간은 사업으로서 성립되기는 어렵다”라고 말한다. 리사이클 사업이 궤도에 오를 때까지 제조 공정의 CO₂ 배출량 삭감을 착실하게 추진해 나가는 것이 중요해진다.

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