실적 부진, 가동률 저조, 미래 경쟁력 약화라는 파고에 부딪힌 국내 석유화학 업계의 미래를 재설계하기 위해 석화사들이 '에틸렌 생산설비 감축' 압박을 받고 있다. 그러나, 고부가가치 소재가 아니라고 에틸렌 생산을 무작정 줄이면 공급망 문제에 부딪힐 수 있다다는 게 석화업계가 처한 딜레마다. 애물단지 취급을 받는데도 석화사들이 에틸렌을 쉽게 내려놓지 못하는 이유는 에틸렌이 주요 석화제품을 제조하는 '쌀'이기 때문이다. 석화사들이 연말 사업 재편안 제출 시한을 앞두고 애타게 찾는 것은 에틸렌 축소와 고부가 확대 사이의 접점이다. 1일 석화업계에 따르면, 석화사들은 연말까지 에틸렌 생산 감축을 포함한 사업 재편 자구안을 산업통상부에 제출해야 한다. 전체 생산량의 18~25%인 연간 270만~370만톤을 어느 기업이 얼만큼 감축하고 설비를 통폐합할 것인지를 두고 석화사들이 머리를 쥐어짜고 있다. 에틸렌은 수소 2개가 달린 탄소 2개가 이중결합한 물질로, 원유를 섭씨 30~200℃에서 증류하면 나오는 나프타를 열분해(크래킹)해 얻는다. 탄소 개수와 결합 구조에 따라 다양한 물질이 섞여 있는 원유를 가열하면 끓는점에 따라 개별 물질을 증류한다. 이 중 탄소를 5~12개 가진 물질들을 나프타라고 한다. 이 나프타에 열을 가해 쪼개면 나오는 물질 중 하나가 에틸렌이다. 얼핏 제3자 입장에서는 과감한 NCC(나프타 분해설비) 폐쇄로 에틸렌 생산을 확 줄이면 될 일인 것처럼 보일 수 있다. 에틸렌 생산 수익성이 낮기 때문이다. 산업통상부 원자재가격정보에 따르면, 11월 기준 에틸렌 판매 가격과 나프타 생산 가격의 차이를 나타내는 에틸렌 스프레드의 평균은 톤당 118.27달러다. 지난해 같은 기간보다 40% 가까이 작다. 업계는 에틸렌 스프레드의 손익분기점은 대개 톤당 300달러로 보고 있다. 석화 산업 위기가 한창 불거지기 시작하던 2022년 하반기에도 200달러선 아래쪽에 걸쳐 있었다. 석화사들은 석화부문 기준 분기별로 천억원 넘는 영업적자를 내오기도 했다. 하지만 석화사들이 에틸렌 생산 감축을 머뭇거리는 이유는 석화산업의 생산 구조 때문이다. 에틸렌은 다양한 석화 소재를 탄생시키는 대표적인 기본 단위다. 에틸렌을 여러 모양으로 연결하고 다른 물질을 첨가하는 방식이다. 이는 탄소라는 물질의 특성에서 비롯된다. 탄소는 다른 원자와 연결하는 '팔'을 4개 가지고 있다. 주로 수소와 결합하는 것을 좋아하고, 산소나 질소 등 등 다른 원자와 연결해 소재 특성을 강화할 수 있다. 탄소들끼리 선형으로 길게 연결하거나, 5~6개 탄소가 모여 하나의 고리를 만들기도 한다. 첨가물, 반응 촉매, 가열 방식 등에 따라 수백개에 이르는 무궁무진한 소재를 만들 수 있다. 에틸렌으로 만드는 대표적인 물질은 폴리에틸렌(PE)과 폴리염화비닐(PVC) 등이다. PE는 에틸렌 분자 여러 개를 죽 연결하는 '중합반응'으로 얻는 물질이다. 고온에서 반응시키면 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)이, 저온에서 반응시키면 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 얻을 수 있다. PVC는 에틸렌에 있는 수소 원자 하나를 염소로 바꾼(치환) 것을 중합반응으로 줄줄이 이어 만든다. 염소를 첨가해 내구성을 키우고 부식에 강하다. 비닐봉지가 대표적인 PVC 제품이다. 이들 제품은 범용성을 띠지만 몇 년 전까지만 해도 한국 석화사들의 수익성을 높여왔다. 한국이 효율과 품질이 우수한 생산 설비를 갖췄기 때문이다. 산유국에서 석유를 들여와 세계 각국의 제조기업들이 쓸 수 있는 형태로 수출하는 구조가 탄생했다. 특히 산업화로 성장하는 중국에서 수요가 늘며 성장세가 가팔랐다. 그러나 산유국이 모여 있는 중동과 원가 경쟁력이 우수한 중국이 이 사업에 뛰어들면서 한국 석화사들에게 적자 품목이 돼버렸다. 하지만, 에틸렌 생산을 줄이기 위해 NCC를 끄면 다른 고부가가치 품목에 해당하는 제품을 생산하지 못하게 된다. NCC에서는 나프타 분해 방식에 따라 에틸렌 뿐만 아니라 프로필렌, 부타디엔 같이 기초 유분을 생산한다. 에틸렌은 800도 이상으로 가열해 열분해하는 방식으로 생산되는 반면, 탄소가 3개인 프로필렌과 4개인 부타디엔은 이보다는 낮은 500도 수준의 온도에서 촉매를 가해 얻어낸다. 대표적으로 프로필렌에 물을 첨가하는 수화반응으로 만들어지는 이소프로필 일코올(IPA)은 접착제나 페인트 용제, 세정제 등으로 쓰인다. 반도체 산업에 이를 적용하면 먼지 하나 들어가선 안 되는 웨이퍼를 세정하는 물질로 쓰인다. 부타디엔은 탄소 8개가 3중결합으로 연결된 스티렌과 함께 타이어와 신발 등을 만드는 합성고무의 원료로 쓰인다. 스티렌-부타디엔 고무(SBR)와 용액 스티렌-부타디엔 고무(SSBR)는 부타디엔과 스티렌을 화학 반응으로 혼합해 여러 개를 연결하면 생기는 고분자 제품이다. 전기자동차 특성에 적합한 합성고무 재질을 만들면 수익성을 높일 수 있다. 석유화학 기업들이 요구받는 고부가가치·스페셜티 중심 사업 포트폴리오 전환은 기초유분이라는 토대 위에서 가능하다. 전동화나 인공지능(AI) 같이 새로운 산업 트렌드에 맞춘 석화 소재를 개발해낸 뒤 생산 단계로 넘어가려면 핵심 원료 조달이 문제로 떠오른다. 석화사들이 기초유분 공급 과잉으로 수지타산이 안 맞아 손해를 보면서도 NCC 가동을 멈추기 어려운 이유는 고부가가치 소재 생산을 염두에 둔 것이다. NCC는 가동을 멈춘 뒤 다시 돌리려면 고온 가열을 위해 에너지를 더 투입해야 한다. '석화 빅딜 1호' 타이틀을 안은 롯데케미칼과 HD현대오일뱅크가 추가 논의해야 할 과제도 NCC 축소와 고부가가치 소재 생산 사이의 접점 모색이다. 두 회사는 지난달 26일 산업통상부에 충남 대산에 보유한 공장들의 사업 구조를 재편하는 방안을 제출했다. 롯데케미칼 대산공장을 물적 분할 형식으로 떼어내 HD현대오일뱅크와 롯데케미칼이 각각 60%, 40%씩 출자해 만든 HD현대케미칼에 합병하고, 합병 HD현대케미칼의 양측 지분을 절반씩으로 조정한다는 계획이다. 롯데케미칼 대산공장과 HD현대케미칼은 에틸과과 프로필렌, 벤젠 같은 웬만한 기초 유분과 저밀도폴리에틸렌(LDPE), 폴리프로필렌(PP) 같은 합성수지를 생산해왔다. HD현대케미칼의 경우 판매 제품을 전부 롯데케미칼과 HD현대오일뱅크에 판매해 왔다. 원유 정제부터 기초유분 생산, 고분자화합물(폴리머) 형태의 석화 소재 공급에 이르는 과정을 어떻게 설계할지에 합병 법인의 수익성 개선 여부가 결정되는 구조다. 이는 각 단계별 원료 투입량과 기초 유분·고분자 제품 생산량, NCC 세부 공정 조정을 세밀하게 계산하는 문제다. 법인을 합치고 NCC 한 기를 멈춘다고 해결될 일이 아닌 것이다. 이덕환 서강대 화학과 명예교수는 롯데와 HD현대의 사업 재편안 제출에 관해 “석유화학 구조조정은 기업들이 보유한 설비를 줄이기만 할 문제가 아니다"라며 “외부인이 세부 공정 같은 기업 기밀을 알 수 없겠지만, 롯데케미칼과 HD현대케미칼이 설비 통합과 효율화를 어떻게 할지, 사업 경쟁력을 개선할 가능성은 있는지 등을 충분히 검토해놨을 것"이라고 설명했다. 이러한 빅딜 1호의 교훈은 전남 여수 산단과 울산 산단에서도 마찬가지다. 여수에서는 LG화학과 GS칼텍스, 롯데케미칼과 여천NCC가 사업 재편안을 논의하고 있다. 울산에서는 SK지오센트릭과 대한유화, 에쓰오일이 머리를 맞댔다. 석화 산단 3곳 중 에틸렌 생산 능력이 가장 큰 여수도 NCC 규모를 축소하되 부동액 같은 데 쓰이는 에틸렌글리콜(EG)나 수술용 장갑 등 특수 용도에 많이 쓰이는 라텍스 등 고부가 소재의 생산 능력을 유지하는 중간 지점을 찾아내는 과제가 풀려야 한다. 석화업계 한 관계자는 “석화산업 구조재편은 NCC를 멈춘다고 될 문제가 아니다"라며 “충남 대산이 석화 사업 재편에서 진도를 가장 빨리 냈지만, 설비 최적화 방안을 비롯해 추가 논의할 게 남아있을 것"이라고 내다봤다. 정승현 기자 jrn72benec@ekn.kr

오는 2035년 국가 온실가스 감축 목표(NDC)가 2018년 대비 53~61% 줄이는 것으로 사실상 정해지면서 철강업계의 우려가 커지고 있다. 석탄을 원재료로 쓰는 '고로 공정'에서 벗어나 '저탄소 공정'으로 전환하려면 시간이 더 필요하기 때문이다. 온실가스를 거의 배출하지 않는 저탄소 공정의 핵심 역할을 할 수소환원제철을 철강업계가 상용화하려면 최소 2037년께 도달해야 한다는 전망이다. 직접환원철(DRI)은 철강사들이 수소환원제철로 나아가는 과정의 마중물 역할을 한다. 기존 고로 방식에서 필수인 코크스(석탄)를 태우는 과정을 없애고 기체를 직접 주입해 철광석에서 산소를 떼어내는 환원 작용을 하기 때문이다. DRI를 최대한 녹슬지 않게 형태를 조개 모양으로 가공한 것이 열간성형철(HBI)이다. 철강사들이 철광석이 풍부한 나라에 제철소를 확보하려는 행보가 당장은 높은 관세 장벽을 극복하려는 목적이지만, 멀리 내다보면 DRI와 HBI 공급망과도 연관이 있다. 철강 제품을 다양한 형태로 만들기 전, 철광석에서 산소 등 불순물을 떼어내는 조강 과정이 있다. 기존 고로 방식에서는 조강 과정에서 코크스를 태워 발생하는 열과 일산화탄소 가스가 중요한 역할을 한다. 철의 녹는점인 섭씨 1538도보다 높은 약 1600도에서 철광석을 열로 녹이고, 일산화탄소가 철광석에서 산소를 떼어내 이산화탄소로 배출된다. 석탄을 태우면서 온실가스를 내뿜고, 환원 과정에서 일산화탄소가 산소와 결합해 이산화탄소로 변하면서 온실가스가 더 배출된다. DRI는 철광석을 작은 알갱이 모양으로 가공한 펠릿에 열을 가한 뒤 기체로 직접 환원 작용을 해 만든 것이다. 기체는 천연가스에서 나온 일산화탄소와 수소가 주로 쓰인다. 철을 액체로 완전히 녹이지 않고 800~900도 수준의 스펀지 형태에서 환원 작용이 이루어진다. DRI는 전기로에서 녹은 뒤 불순물을 제거해 강으로 제련된다. 환원 과정의 온도가 낮고 열을 전기로 가하기 때문에 탄소 배출량이 고로보다 적다. 전기로는 기존 철강 제품을 재활용한 철스크랩을 DRI 대신 사용할 수 있어 자원 절약이 용이하다. 수소환원제철은 이 공정에서 천연가스를 수소로 대체한 것이다. 수소로만 철광석에 환원 반응을 일으키기 때문에 탄소 배출이 없다. 수소와 전력을 생산하는 과정에서 온실가스를 배출하지 않는 단계까지 나아가면 철강산업은 탄소 다배출 산업이라는 이미지를 벗게 된다. 전세계 온실가스 배출량 중 철강산업이 차지하는 비중은 7%가량이다. 한국에서는 지난해 온실가스 배출의 14.5%가 철강에서 나왔다. 다만, 아직은 개발 속도가 더딘 편이다. 진도가 가장 빠른 곳은 스웨덴이다. 스웨덴 SSAB가 철광석 생산 기업 LKAB, 에너지 기업 바텐폴과 합작해 '하이브리트' 프로젝트를 진행해 샤프트로 방식의 수소환원제철 설비를 개발했다. 2020년 세계 최초로 수소환원철을 생산했다. 올해 9월에는 SSAB 수소환원철이 국제에너지기구(IEA)가 요구하는 무탄소 철강 기준을 세계 최초로 충족했다고 발표했다. 한국도 고삐를 죄고 있다. 오는 2030년까지 수소환원제철 기술을 개발하고, 2037년을 상용화가 가능한 시점으로 보고 있다. 수소환원제철 실증 사업을 위해 정부와 철강사들이 총 8100억원을 투입한다. 포스코는 고온의 가스를 분사해 철광석 가루를 공중에 띄워 환원 반응을 일으키는 '유동환원로' 방식에 기반을 둔 수소환원제철 브랜드 '하이렉스'를 내세워 기술 실증 작업을 진행 중이다. 현대제철은 대형 전기로 기술 '하이아크'를 기반으로 자체 수소환원제철 기술 '하이큐브' 개발을 준비 중이다. 국내 철강사들도 전기로를 가동하고 있거나 건설 중이다. 아직은 건축물 철거로 나온 철근 같은 철강재 폐기물을 전기로에 녹일 수 있는 형태로 재활용한 '철스크랩'을 주로 투입하고 있다. 그러나, 전세계적으로 전기로 도입이 늘며 철스크랩 공급 부족 우려도 커지고 있다. DRI 공급망이 탄탄하면 이런 걱정을 덜 수 있다. DRI 공급망에 필요한 것이 열간성형철(HBI)이다. HBI는 DRI를 조개 모양으로 뭉쳐놓은 것이다. DRI를 그대로 두면 공기 중 산소가 붙어 순도가 떨어지므로 HBI로 가공해 먼 거리를 운반한다. 광산을 보유한 제철소가 HBI를 다른 국가로 수출하면 수익 창출이 가능하고, HBI를 받는 제철소는 전기로에 투입할 원재료 확보 부담을 줄일 수 있다. HBI는 포스코와 현대제철의 해외 현지 진출 전략과도 관련이 있다. 포스코는 인도와 호주, 미국에서 현지 생산을 검토하고 있다. 이들 국가는 철광석이 풍부하며 광산을 보유한 제철소가 많다. 광산을 가진 제철소와 협력하면 한곳에서 DRI를 생산할 수 있어 경제적이다. 이곳에서 HBI를 가공해 한국을 포함한 다른 나라로 공급하는 구상이 가능하다. 인도에서는 JSW와 연간 600만 톤 규모의 일관제철소를 건설하기로 하고, 철광석이 풍부한 오디샤주를 잠재적 부지 후보로 물색했다. 호주에서는 다른 철강사들과 컨소시엄을 구성해 남부 와일라 제철소 인수를 검토 중이다. 미국은 클리블랜드 클리프스와 전략적 파트너십을 위한 지분 투자 방안을 검토하고 있다. 와일라 제철소와 클리블랜드 클리프스 모두 자체 광산을 보유하고 있다. 현대제철 또한 저탄소 전환의 핵심 설비로 전기로를 택했다. 올해 3월 발표된 미국 루이지애나주 제철소 건립 사업은 DRI 기반 전기로를 염두에 둔 것이다. 2029년 가동을 목표로 준비 중이며, DRI를 직접 생산하거나 HBI를 조달할 방안을 마련해야 한다. 이준호 고려대 신소재공학부 교수는 포스코의 대미 전략에 관해 “미 철강사도 차량용 강판 품질 수준이 높다는 점에서 포스코가 클리블랜드 클리프스와 손을 잡으려는 의도는 관세 회피 전략과 현지 일관제철소 확보에 더 가까울 것"이라며 “클리블랜드 클리프스가 광산을 보유하고 있다는 점에서 DRI와 HBI 조달로 양사의 시너지를 기대할 수 있는 부분"이라고 설명했다. 이 교수는 “다만 지금 미국 행정부가 저탄소 산업 전환 같은 움직임에 소극적이어서 당장 이 효과를 내세우진 않을 것"이라며 “미국에서 정권이 교체돼 저탄소 정책 기조가 뚜렷해진다면 DRI, HBI 확보를 전면에 내세울 가능성도 있다"고 내다봤다. 현대제철의 루이지애나 제철소를 두고 이 교수는 “같은 루이지애나 주에 있는 뉴코어(Nucor) 전기로 제철소 모델에 더 가깝다"며 “현대제철의 전기로도 현지에서 DRI를 확보해 차 강판 등의 제품을 자체 생산하겠다는 의도"라고 설명했다. 그동안 철 스크랩(고철) 등을 기반으로 전기로 운영 능력을 쌓아온 뉴코어는 루이지애나주에 DRI와 HBI로 운영하는 전기로 제철소를 조성하고 있다. HBI 확보는 한국 철강산업의 탄소중립 이행 과정에서도 중요한 역할을 할 것으로 보인다. 특히, HBI를 외국에서 조달하면 국내 탄소 배출 부담이 줄어든다. HBI가 안정적으로 공급돼야 DRI 전기로 공정이 정착될 수 있고, 수소환원제철 기술이 완성되면 철강업의 탄소중립 달성이 가능해진다. 국내에서도 기술 확보를 통해 HBI를 생산할 수 있지만, 철광석을 전량 수입하는 만큼 해외 생산품을 들여오는 것보다 효율이 낮을 수 있다. HBI 생산 과정에서 막대한 전력을 투입해야 한다는 점도 부담이다. 한국에서 최근 10년간 산업용 전기요금 부담이 커지고 있어 국내 HBI 생산이 경제성을 확보하기 어렵다는 것이다. 전력 생산 과정에서 재생에너지 등 무탄소 비중을 크지 않아 막대한 전력 소비가 이산화탄소 배출 확대로 이어지기도 한다. 정은미 산업연구원 선임연구위원은 지난 5일 열린 한국철강협회 주최 '스틸 코리아'의 기조연설에서 “HBI는 생산 비용이 크고 전력을 더 많이 쓴다는 한계가 있지만, 한국에는 (탄소 배출이 적은) 녹색전력의 대안이 없는 채로 들어왔다"고 지적했다. 따라서 “혁신기술 개발과 실적용의 차질 없는 추진과 기업의 적기 투자를 위한 그린 에너지, 그린수소 등 인프라 확보해 저탄소 제조 시장의 기반을 조성해야 한다"고 정 연구위원은 강조했다. 정승현 기자 jrn72benec@ekn.kr