2025년 탄소 규제에 부합하는 저배출 크래킹 오일 시스템

저배출 크래킹 오일 시스템 도입을 위한 규제 강화 이해하기

현상: 정유소 배출가스에 대한 규제 압력 증가

전 세계의 정유소들이 정부들이 탄소 배출 규제를 점점 더 강화함에 따라 이전보다 훨씬 더 면밀하게 검토되고 있습니다. 예를 들어, 유럽연합 배출권 거래제(EU Emissions Trading System)는 기업이 CO2 배출 한계를 초과할 경우 톤당 110달러가 넘는 벌금을 부과하고 있습니다. 또한 유로 VI(Euro VI) 규제는 2025년까지 2020년 수준 대비 미세 입자 배출을 약 30%까지 줄일 것을 요구하고 있으며, 이는 지난해 ICCT 연구에 따른 수치입니다. 이러한 규제는 유럽에만 해당하는 것이 아닙니다. 미국의 약 4분의 1에 해당하는 주들이 캘리포니아의 저탄소 연료 기준(Low Carbon Fuel Standard) 프로그램을 거의 그대로 베꼈습니다. 한편 태평양 건너편에서는 중국이 약 2,200개의 다양한 산업 시설을 포함하는 자체적인 국가 탄소 시장 체계를 도입했는데, 이 중 다수는 원유를 분해(cracking)하는 작업을 수행하고 있습니다.

오일 크래킹 시스템이 탄소 발자국에 미치는 영향

유동 촉매 분해(FCC) 설비는 정유소의 탄소 배출량 중 약 40~60%를 차지합니다. 이는 해당 공정이 열처리 과정과 촉매 재생 사이클에 많은 에너지를 소비하기 때문입니다. 2024년에 발표된 '자재 및 에너지 균형 연구'에 따르면, 오래된 분해 시스템을 현대화하면 처리되는 원유 배럴(barrel)당 범위 1(Scope 1) 배출량을 약 34%까지 줄일 수 있습니다. 개선이 필요한 주요 분야는 여러 가지가 있습니다. 첫째, 반응기 온도를 적절히 조절함으로써 과도한 코킹(coking)을 방지할 수 있으며, 이는 연료 가스 소비량을 단독으로 12~18% 절감할 수 있습니다. 두 번째로, 폐열 회수 시스템을 설치하면 증기 사용량을 약 25%까지 크게 줄일 수 있습니다. 또한, 바이오매스 물질에서 유래한 공급원료(feedstocks)로 전환하는 것도 잊어서는 안 되는 방법입니다. 이러한 전환만으로도 전 생애 주기 배출량(lifecycle emissions)을 무려 52%까지 감소시켜, 현재까지 가능한 가장 효과적인 전략 중 하나로 꼽히고 있습니다.

사례 연구: 유럽 정유소의 유로 VI 및 EU ETS 규정 준수

라인-루르 지역 정유 컨소시엄은 2023년 6개 크래킹 유닛에서 단계적 개입을 통해 22%의 배출 감축을 달성했습니다:

이 프로젝트에 총 7.4억 달러의 자본이 투자되어 연간 2.1억 달러의 탄소 수수료 절감과 생산성 향상을 달성하며 규정 준수의 비즈니스 타당성을 입증했습니다.

정유 운영에서 ESG와 규정 준수의 전략적 통합

앞서 나가려는 운영자들은 배출가스 통제 전략을 ESG 기준과 연계하여 탄소 집중도를 최우선에 두고 있습니다. 에너지연구소(energy institute)의 2024년 최신 권고에 따르면, 기업들은 실시간 배출 추적을 일상 운영 화면에 직접 통합해야 합니다. 일부 기업은 이미 최고 경영진 보너스의 약 3분의 1을 탄소 감축 목표 달성 성과에 연계하기 시작했습니다. 이 접근 방식은 투자자들이 요즘 환경 보고 측면에서 가장 중요하게 여기는 요소를 반영하고 있습니다. 하지만 또 다른 이점도 있습니다. 전문가들은 향후 몇 년 동안 정부가 온실가스 규제를 강화함에 따라 탄소 가격이 상승할 것으로 예측하고 있으며, 이러한 관행을 지금 도입하는 기업들은 그러한 상황에 더 유리하게 위치할 수 있습니다.

저배출 크래킹 공정 및 촉매 기술의 혁신

친환경 크래킹 공정: 하이드로크래킹 및 FCC 기술 발전

현재 수소분해 공정은 기존 방식보다 약 15~20% 낮은 온도에서 진행되며, 일반적으로 300~400도 사이에서 이루어집니다. 이와 같은 온도 감소는 전체적으로 에너지 소비를 줄여주지만 생산 수준은 그대로 유지됩니다. 유동층 촉매 분해 장치 역시 최근 개선되고 있으며, 새로운 연소실 설계를 통해 연소 효율이 크게 향상되었습니다. 이러한 변화는 각 처리 사이클마다 이산화탄소 배출량을 약 12~18%까지 줄이는 데 기여하고 있습니다. 촉매의 경우, 규산-알루미나 계열의 새로운 버전이 각광받고 있습니다. 2023년에 미즈노 연구팀이 발표한 자료에 따르면, 이 촉매는 이전보다 탄화수소 전환율을 약 25% 증가시켰습니다. 이러한 발전은 정유소가 유럽연합 배출권 거래제(EU ETS) 규정을 충족하는 데도 도움이 됩니다.

Next-Generation Catalysts for Reduced CO− in Cracking Oil Systems

탈탄소화를 위해서 촉매 혁신은 필수적입니다. 희토류 금속을 도핑한 나노구조 제올라이트는 분해 효율을 향상시켜 반응 동역학을 30~40% 더 빠르게 합니다. 이제 선택적 촉매는 코크 생성을 최소화하면서 올레핀 생산을 우선시합니다. 이는 직접 배출원인 코크를 줄여 제품 선택성을 10~15% 높이고, 재처리 필요성과 관련된 에너지 낭비를 감소시킵니다.

사례 연구: 선택적 촉매를 통해 CO₂ 배출량을 18~22% 낮춤

2023년 말, 함부르크 근처의 정유소가 실제 생산 환경에서 코발트 개질 FCC 촉매를 테스트했습니다. 약 6개월이 지난 후, 기존 촉매를 사용할 때와 비교해 CO2 배출량이 18~22% 감소한 것을 확인했습니다. 가장 좋은 점은 이 기간 동안 디젤 생산량이 전혀 변하지 않았다는 것입니다. 새로 개발된 촉매는 금속을 표면에 더 고르게 분포시켜 수소 전달 반응이 훨씬 더 활발히 일어나도록 했습니다. 연료 가스의 손실도 줄어들었고, 종합적으로 연간 약 270만 유로의 비용을 EU 탄소 배출권 구매 절감을 통해 절약할 수 있었습니다. 이는 친환경 전환이 반드시 더 많은 비용을 의미하지는 않는다는 또 하나의 증거입니다.

분해 유정 시스템에 통합된 탄소 포집 및 저장

정유소의 CCUS 기술: 분해 장치 적용

CCUS 시스템은 유 refinery에서 발생하는 CO₂ 배출을 줄이는 데 중요한 역할을 하며, 특히 크래킹 유닛과 관련해서 그렇습니다. 기본적으로 이러한 시스템은 배출이 발생하는 지점에서 바로 포집하여 운반 가능한 형태로 압축한 뒤, 지하 깊은 곳의 염수층 저장소와 같은 장소로 보내 장기간 저장합니다. 영국 기후변화위원회(UK Climate Change Committee)는 지난해 발표에서 산업계가 CCUS 기술 도입에 진지하게 임할 경우 2035년까지 정제소 배출가스의 약 절반을 줄일 수 있을 것이라고 보고했습니다. 이 내용을 좀 더 구체적으로 살펴보면, 크래킹 유닛은 사람들이 실제로 구매하고자 하는 가벼운 연료로 두꺼운 중질 탄화수소를 전환하는 역할을 합니다. 정유소 내 이 부분은 전체 탄소 배출량의 15~25%를 차지하므로, 기업들이 시설에 탄소 포집 기술을 적용하려 할 때 우선순위에 오르는 것은 당연합니다.

유동 촉매 분해(FCC) 유닛을 위한 CCS 솔루션

가스오일을 사용 가능한 휘발유로 전환하는 유동입상 촉매열분해(FCC) 장치에 고온에서 촉매에 의해 진행되는 공정에 특화된 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술이 도입되고 있습니다. 최근 세대의 아민계 용매는 시스템에서 과도한 에너지를 소비하지 않으면서도 약 90~95%의 이산화탄소 배출을 포집할 수 있습니다. 2024년 인스페넷(Insipenet)이 발표한 최신 연구에 따르면 FCC 공정에 CCS 기술이 통합될 경우 시간당 약 18~22톤의 이산화탄소 배출을 줄일 수 있습니다. 또한, 탄소 가격이 톤당 80달러를 넘어서는 지역에서는 경제적으로 투자가 타당해지면서, 최근에는 후연소 포집 방식과 옥시연소 기술을 결합한 하이브리드 시스템이 점점 더 널리 사용되고 있습니다. 이러한 혼합 방식은 운영자의 환경 발자국을 줄이는 데 효과적인 것으로 나타나고 있습니다.

CCS 도입 시 비용과 지속 가능성의 균형 유지

CCS는 분명 환경적 이점이 있지만, 보급을 확대하기 위해서는 비용을 낮추고 지원 정책을 마련하는 것이 관건입니다. 현재 CCS 적용은 정제된 원유 1배럴당 약 12~18달러의 추가 비용이 들며, 이 비용 대부분은 저장 시설과 운송 네트워크 구축에서 발생합니다. 긍정적인 소식은 이미 몇 가지 유망한 발전이 나타나고 있다는 점입니다. 모듈식 포집 시스템과 공동 CO2 파이프라인 네트워크는 초기 투자 비용을 이미 많은 경우에서 약 30~40% 절감하고 있습니다. 영국 정부가 2024년 CCS 전략에서 제시한 내용을 보면, 톤당 85달러의 세제혜택과 대규모 수소 생산 노력 등을 결합할 경우 정유소의 CCS 프로젝트가 이미 2027년까지는 경제적으로 투자 가치가 있을 것으로 전망하고 있습니다.

크래킹 공정에서 배출 최적화를 위한 디지털화 및 AI

크래킹 오일 시스템에서 AI 기반 공정 최적화

최근에는 정유 공정에서 나오는 다양한 데이터를 현대적인 기계 학습 시스템이 분석하고 있습니다. 이러한 시스템은 사용되는 원료의 종류, 온도 변화 추이, 촉매의 성능 등을 추적한 후 실시간 조정을 수행합니다. 일부 고도의 알고리즘은 크래킹 공정에 가장 적합한 시점을 실제로 예측할 수 있으며, 이는 보통 하루에서 이틀 전에 예측합니다. 이를 통해 한 공정에서 다른 공정으로 전환할 때 에너지 낭비를 줄이는 데 도움이 됩니다. 국제에너지기구(IEA)의 최근 연구에 따르면, AI를 크래킹 유닛에 도입한 공장은 기존 수동 조작 방식을 사용하는 오래된 방식에 비해 에너지 비용을 약 12~18% 절감할 수 있습니다. 최근 에너지 비용이 급격히 상승한 점을 고려하면 상당한 차이입니다.

에너지 효율성을 위한 자동화 및 실시간 모니터링

유체 촉매 분해 장치에는 이제 이산화탄소 수준, 열 분포 패턴, 촉매의 성능 등을 추적하는 사물인터넷(IoT) 센서가 장착되어 있습니다. 이러한 스마트 시스템은 운전 중에도 공기와 연료의 혼합 비율, 증기 주입 시점, 반응기 운전 온도 등과 같은 요소들을 자동으로 조정합니다. 지난해 센서를 통한 배출가스 통제에 관한 연구에서 다소 놀라운 결과가 나타났는데, 이러한 미세 조정만으로 정제 과정에서 발생하는 온실가스를 약 20%까지 줄일 수 있는 것으로 밝혀졌습니다. 환경 기준을 충족하면서도 생산성을 유지하려는 정유소의 경우, 실시간 모니터링 기술이 매우 큰 차이를 만들어냅니다.

사례 연구: AI 최적화 FCC 장치를 통해 에너지 사용량 15% 감소

유럽의 한 정유소는 최근 FCC 장치에 인공지능(AI) 기반 예측 제어 시스템을 도입하여 특히 에너지를 많이 소비하는 재생 사이클에 집중했습니다. 머신러닝 시스템은 유입되는 원유의 종류에 따라 버너의 최적 설정 조건과 촉매 순환 속도를 자동으로 결정해 냈습니다. 약 18개월 동안 이러한 시스템을 운전한 결과, 처리당 약 3.2MMBtu의 천연가스 사용량을 줄일 수 있었으며 이는 전체 사용량의 약 15%에 해당합니다. 더욱 놀라운 점은 크래킹 효율을 놀라운 99.2% 수준으로 유지할 수 있었다는 것입니다. 이 성공 사례는 하루에 20만 배럴 이상 처리하는 대규모 시설에서도 성능 기준을 희생하지 않으면서 유사한 접근법이 규모에 맞게 효과적으로 적용될 수 있음을 보여줍니다.

자주 묻는 질문

저배출 크래킹 오일 시스템 도입을 위한 규제 강화의 주요 동인은 무엇인가요?

EU 배출 거래제와 유로 VI와 같은 엄격한 탄소 및 배출 규제로 인해 정유사는 벌금을 피하고 규정 준수를 보장하기 위해 저배출 시스템을 도입해야 합니다.

크래킹 오일 시스템이 정유소의 탄소 발자국에 어떤 영향을 미치나요?

특히 유동층 촉매 분해(FCC) 장치와 같은 크래킹 시스템은 높은 에너지 요구량과 촉매 재생 주기로 인해 정유소의 탄소 발자국에 상당한 기여를 합니다.

정유소에서 배출을 줄이기 위해 어떤 기술을 도입할 수 있나요?

정유소는 폐열 회수 시스템을 도입하거나 바이오매스 유래 원료로 전환하고 CCUS 및 AI 기반 최적화 기술을 채택하여 배출을 효과적으로 줄일 수 있습니다.

정유사는 CCS 기술을 도입할 때 비용과 지속 가능성 간의 균형을 어떻게 맞출 수 있나요?

재정적 인센티브, 모듈식 포집 시스템, 공동 CO2 파이프라인 네트워크는 정유소가 비용과 지속 가능성 사이의 균형을 유지하면서 CCS 기술 도입을 더욱 실현 가능하게 만들어 줄 수 있습니다.