[에너지레포트] 삼일PwC, 석유화학업계의 미래 먹거리 : 생분해 플라스틱

‘생분해 플라스틱’이 석유 화학 업계의 먹거리로 떠오른 이유는?

보고서에 따르면, 플라스틱 생산량은 2000년 2.3억 톤에서 2019년 4.6억 톤으로 증가했으며, 2060년에는 12.3억 톤으로 60년 간 5.3배 증가할 것으로 보입니다. 폐기량은 같은 기간 1.6억 톤에서 10.1억 톤으로 60년 간 6.3배 증가할 것으로 예상되죠. 이렇게 플라스틱 생산량과 폐기량이 빠르게 증가하는 만큼 생산부터 폐기까지 전 주기에 걸쳐 환경에 미치는 영향을 관리할 필요성이 부각됐습니다.

일반적으로 플라스틱은 화학 구조상 미생물이 분해할 수 없고, 자연 분해 시 약 500년 이상의 시간이 필요한데요. 현재 플라스틱 폐기물의 절반 수준인 49%가 ‘매립’ 형태로 자연에 배출되고 있습니다. 분해가 되지 않은 채 자연환경에 장기간 방치된 플라스틱은 그 자체로 환경에 영향을 끼침은 물론, 미세 플라스틱 형태로 각종 생물의 몸에 들어가 최종적으로는 먹이사슬을 타고 우리 몸에 축적될 수 있습니다.

이와 같은 문제를 해결할 수 있는 근본적인 방법으로 자연분해 가능한 제품을 생산하는 것이 떠오르며 친환경 플라스틱에 대한 관심이 증가했습니다.

생분해 플라스틱의 중요성 키운 ‘플라스틱 규제’

가장 먼저, 유럽연합(EU)은 각 회원국에 플라스틱 포장 폐기물 감축 의무화를 목표로 EU 역내 포장재 사용량을 2040년까지 15% 감축하고, 포장재 폐기물 재활용률을 2030년까지 70%로 늘리는 ‘포장 및 포장재 폐기물 규정’을 진행 중입니다. 이외에도 플라스틱 폐기물 수출을 금지하고, 친환경 플라스틱 수요를 적극적으로 늘리는 등 세계에서 가장 적극적으로 플라스틱 관련 규제를 추진 중입니다.

미국은 주별로 플라스틱 규제를 진행하고 있습니다. 워싱턴은 플라스틱 음료 용기에 대해 재생원료 사용 기준을 2031년까지 50%로 설정했습니다. 뉴저지는 2022년 5월부터 레스토랑과 식료품점에서 일회용 식기와 비닐봉지 사용을 금지했고, 2024년 1월부터는 가공식품의 제조 또는 유통 시포장용기가 최소한 또는 일정 비율로 재활용 함량을 준수했는지에 대해 서류 증명할 것을 요구했습니다. 캘리포니아는 2032년까지 플라스틱 패키징 사용량을 25% 감축할 계획이죠.

그렇지만 올해 7월 최초로 연방정부 차원의 전략을 발표하며 플라스틱 생산 과정에서 더 강화된 규제를 적용할 예정입니다. 플라스틱 생산 감축을 위한 직접적인 조치는 하지 않았지만, 재활용 및 재사용을 촉진하기 위한 표준을 설정하고, 혁신적 대체 소재를 개발할 예정입니다.

단계적으로 규제를 강화 중인 중국은 폐기물 관리보다는 생산∙사용 규제에 초점을 맞추고 있습니다. 2021년, 발포플라스틱 음식 용기와 플라스틱 면봉이 생산, 판매가 금지됐습니다. 미세플라스틱이 포함된 일상 화학품은 2021년 생산이 금지되었고, 이어 2023년에는 판매까지 금지되죠. 분해 불가 비닐봉지도 2021년부터 2026년까지 단계적으로 사용을 제한할 예정입니다.

우리나라는 2022년에 전 주기 탈플라스틱 대책을 수립, 2025년까지 폐플라스틱 발생량을 2021년 대비 20% 감축을 목표로 하고 있습니다. 또한 일정 기준을 충족하는 생산, 수입, 유통업자에게 새로운 의무를 부과하는 법적 기반을 마련하고 있죠.

생분해 플라스틱, 문제 해결을 위한 근본적인 방법으로 부상

플라스틱 규제는 생산 및 사용 저감, 재활용 확대, 바이오 플라스틱 개발로 세분화할 수 있습니다. 하지만 지속적인 플라스틱 수요 증가를 고려했을 때, 현실적으로 플라스틱 생산을 크게 감축하기는 어렵죠. 때문에 업계는 플라스틱 재활용과 바이오 플라스틱 생산으로 플라스틱 규제에 대응하고 있습니다.

폐플라스틱을 잘게 분쇄하고 세척, 선별, 혼합을 거쳐 재생 플라스틱으로 만드는 물리적 재활용은 현재 전체 플라스틱 생산의 9%를 차지하며, 연평균 4%의 성장세를 보입니다. 폐플라스틱의 고분자 구조를 분해해 기존 원료 형태로 전환하는 방식인 화학적 재활용은 아직 시장 초기 단계로, 2022년 기준 플라스틱 생산량 중 0.1% 미만이었습니다.  

재활용도 최종적으로는 폐기물을 남긴다는 점을 고려했을 때 바이오 플라스틱이 플라스틱 규제에 대응하는 근본 해결책이 될 수 있을 것으로 보고 있는데요. 재생할 수 있는 원재료로 만들어지는 바이오 플라스틱은 ‘난분해 플라스틱’과 ‘생분해 플라스틱’으로 구분할 수 있습니다. 옥수수나 사탕수수 등 식물에서 유래한 바이오매스로 제작하는 난분해 플라스틱은 생산 과정에서 탄소가 저감되지만, 여전히 폐기물 부담이 남아 있습니다. 반면에, 미생물에 의해 완전 분해되는 생분해 플라스틱은 플라스틱 오염을 궁극적으로 줄일 수 있다는 점에서 보다 업계의 주목을 받고 있습니다.

보고서에 따르면, 전체 플라스틱 시장은 전반적으로 낮은 성장세를 지속하겠지만 바이오 플라스틱은 2022년 180만 톤에서 2028년 740만 톤으로 연평균 27% 증가의 고성장이 예상됩니다. 특히 난분해 플라스틱이 2022년 95만 톤에서 2028년 283만 톤의 성장세를 보일 때, 생분해 플라스틱은 86만 톤에서 461만 톤의 성장세를 보이며 시장 성장을 주도할 것으로 기대됩니다.

생분해 플라스틱 기술 현황과 기업별 동향은?

생분해 플라스틱은 천연물 합성계, 석유화학 합성계, 미생물 합성계로 나눌 수 있습니다. 하지만주로 단일 소재보다는 여러 생분해 소재를 혼합해 사용합니다. 천연물 합성계는 옥수수, 사탕수수 등이 원료로 사용되며, 대표적인 천연물계 생분해 플라스틱은 PLA, TPS, AP, CA, CDA 등이 있습니다. 석유화학 합성계 플라스틱에는 PBS, PCL, PEU, PGC, PBAT 등이 있으며, 미생물 합성계 플라스틱은 대표적으로 PHA, PHB, PHV 등이 있으며, 열가소성 고분자 소재로 PHA 연구개발이 활발하게 진행 중이죠.

이중 현재 산업화 단계에 진입한 제품은 PLA, Starch blends PHA, PBS, PBAT 등이며, 향후 5년간은 미생물 합성계 PLA(Poly lactic acid)와 미생물 합성계 PHA(Poly hydroxy alkanoate)의 고성장이 시장 성장을 주도할 것으로 기대됩니다.

글로벌 기업 동향도 소개합니다. 먼저 PLA 분야에서 가장 높은 점유율을 보유한 미국 기업 Nature Works는 현재 연 15만 톤의 PLA 생산이 가능하며, 7.5만 톤 규모의 신규 PLA 공장을 건립했습니다. PLA 분야 2위 업체이자, 락타이드(PLA 중합원료) 부문 최대 생산기업인 이탈리아의 TotalEnergies Corbion은 태국에 연간 7.5만 톤 규모의 생산 설비를 완공했으며, 스위스의 Sulzer Chemtech와 함께 PLA 소재를 개발 중입니다. Henan Jindan Lactic Acid Technology는 중국의 최대 젖산 생산업체로 연간 13만 톤의 생산 능력을 보유하고 있죠. 영국의 Novamont는 천연물 합성계 Starch blends 분야에서 가장 큰 규모를 갖춘 업체로 전분계 생분해 플라스틱 복합소재(Mater-Bi)를 상용화했습니다.

독일의 BASF는 석유화학 합성계 PBAT/PBS 분야에서 가장 높은 점유율 보유한 기업으로, 퇴비화할 수 있는 Ecovio®와 Ecoflex®을 상용화했습니다. 인도의 Kingfa Science & Technology도 PBAT/PBS 분야의 높은 시장 점유율을 보유했고, 현재 5만 톤의 PBAT 생산능력을 보유 중이며 향후 10만 톤 이상으로 증설할 계획입니다.

미생물계 PHA 분야에서 가장 높은 시장 점유율을 차지한 기업은 미국의 Danimer Scientific으로 P&G로부터 PHA 지식재산권을 취득해 시장에 진입했으며, 2020년 1만 톤에서 2024년 7만톤으로 생산능력을 빠르게 확대하고 있습니다.

에너지 업계, 새로운 기회를 잡으려면?

환경 규제 등 구조적인 변화가 지속되는 만큼, 석유화학 업계의 장기적인 불황이 과거처럼 시간의 흐름에 따라 자연스럽게 회복세로 돌아설 것이라 기대하기 어려운 상황입니다. 따라서 업계는 기존 사업 중 수익성이 없는 부문은 포트폴리오 재편을 추진하고 새로운 성장동력이 되어줄 고부가가치 제품에 대한 투자와 연구개발(R&D)을 통해 주도적으로 위기를 극복해야 할 것으로 보입니다.

생분해 플라스틱은 기존 플라스틱의 환경 오염 문제를 해결할 대안으로 떠오르고 있을 뿐만 아니라, 각국의 플라스틱 규제 강화, 친환경 제품을 선호하는 사회적 분위기 등 초기 시장의 성장을 견인하고 있습니다. 때문에 업계의 신성장 동력으로 가치가 높습니다. 이미 해외에서는 시장 선점을 위해 기업들의 투자와 정부 주도의 지원을 확대하고 있는 만큼, 후발주자인 국내 기업은 국내 생분해 플라스틱 시장 활성화와 기술 개발을 위한 적극적인 경쟁력 강화 노력이 필요합니다.

생분해 플라스틱 활성화를 위한 GS칼텍스의 노력

GS칼텍스는 지난 2021년, 생분해성 플라스틱의 핵심 원료, 3HP(3-Hydroxypropionic acid) 양산 기술 개발을 위해 LG 화학과 공동개발협약(JDA)을 체결하고, 2022년 7월에는 3HP 시제품 생산을 위한 실증플랜트 착공식을 진행했습니다.

3HP는 옥수수 성분의 포도당과 비정제 글리세롤의 미생물 발효 공정을 통해 생산되는 친환경 물질로, 화학 반응을 통해 아크릴산(Acrylic acid), 아크릴로나이트릴(Acrylonitrile), 생분해성 플라스틱인 PLH(Poly Lactate Hydrate) 등의 주요 제품으로 응용이 가능해 차세대 ‘플랫폼 케미칼(Platform Chemical: 다목적 화학물질)’로 불리기도 합니다. 또한, 생분해 플라스틱 외에도, 생리대나 기저귀에 활용되는 고흡수성 수지(SAP), 도료, 점·접착제, 코팅재, 탄소섬유 등 다양한 친환경 소재의 원료로 사용되죠.

이후 GS칼텍스와 LG화학은 2023년 10월 3HP 공동사업 협력을 위한 양해각서(MOU)를 체결하며 3HP 사업을 가속했습니다. LG화학의 발효원천기술과 GS칼텍스의 분리정제 공정 기술, 공정 스케일업 역량의 시너지를 통해 양산기술을 개발하고 있으며 사업화 준비 예정입니다. 양사는 이번 협업 외에도 향후 생분해성 소재와 다양한 바이오 플라스틱 시장 상황을 고려해 다양한 협업 논의를 포괄적으로 이어갈 계획입니다.

※ 본 글은 삼일PwC 경영연구원의 <생분해 플라스틱 – 석유화학업계의 미래 먹거리>보고서를 요약한 것입니다.

※ 본 글은 일반적인 정보를 제공할 목적으로 작성되었으며, 특정 기업이나 개인의 개별 사안에 대한 조언을 제공할 목적으로 작성된 것이 아니므로, 구체적인 의사결정이 필요한 경우에는 당 법인의 전문가와 상의하여 주시기 바랍니다.

※ 본 글은 GS칼텍스와 삼일PwC 경영연구원의 사전 동의 없이 전체 또는 일부를 무단 배포, 인용, 발간, 복제할 수 없습니다.