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제목 바이오기반 원자재 및 폴리머, 글로벌 동향
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2021/03/29 17:51

바이오기반 원자재 및 폴리머,

글로벌 동향

 

2020년은 바이오기반 폴리머산업에 밝은 전망을 보여준 한 해였다. 2019년 PLA 수요가 공급을 넘어 생산력 확대로 이어지면서 바이오기반 나프타를 원료로 한 PE 및 PP가 선을 보였다. 바이오기반 폴리아미드 뿐 아니라 PBAT, PHA, 카제인 폴리머 생산설비 또한 확장이 예정되었다. 생산량이 줄어든 것은 바이오기반 PET뿐이다.

몇몇 글로벌 브랜드는 이미 화석기반 원료 외에도 재생가능 탄소, CO2, 재활용 그리고 특히 바이오매스 원료를 자신들의 원자재 포트폴리오에 포함시켜 바이오기반 및 생분해성 폴리머 수요를 증가시키고 있다. 그런데도 여전히 바이오연료와 바이오에너지에만 중점을 두고 있는 정치권 쪽의 지원은 아직 부족한 것이 현실이다.

독일 노바연구소(nova-Institute)의 노바국제바이오폴리머 전문가 그룹이 펴낸 새로운 시장 및 동향 보고서 <바이오기반 기초자재 및 폴리머 - 글로벌 생산력, 생산량 및 동향 2020-2025(Bio-based Building Blocks and Polymers-Global Capacities, Production and Trends 2020-2025)>는 2020년 바이오기반 폴리머 생산력과 생산량 데이터와 함께 2025년 시장을 예측하고 있다.

2020년 바이오기반 폴리머의 총 생산량은 420만톤으로 화석기반 폴리머 총생산량의 1%에 달한다. 바이오기반 폴리머가 연평균 성장률 8%를 보이며 등장한 지 여러 해 만에 처음으로 전체 폴리머 성장률(3~4%)을 큰 폭으로 추월했다. 이런 추세는 2025년까지 지속될 것으로 예상된다(그림 1).

전체적으로, 바이오기반 폴리머 원료 생산을 위한 글로벌 토지의 필요 면적은 전 세계 농업용 토지의 0.006%에 불과하다. 바이오기반 폴리머 생산에 가장 많이 사용되는 바이오매스 원자재는 생원성(生原性: biogenic) 부산물(37%)인 글리세롤(glycerol)이다.

생산력 증가

 

보고서에 의하면 2019년부터 2020년 사이 생산력의 증가는 주로 아시아 지역 폴리락틱산(PLA)과 폴리부틸렌 아디페이트테레프탈레이트(PBAT) 생산량 및 전 세계 에폭시 수지 생산량 확대에 기반하고 있다. 또한, 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS) 및 코폴리머(PBS(X)), 그리고 바이오기반 폴리에틸렌(PE) 및 폴리우레탄(PUR)의 생산력 확대 및 신규건립도 증가하고 있다.

특히 폴리아미드(PA)와 폴리프로필렌(PP)은 2025년까지 계속 큰 폭(약 36%)의 성장을 보일 것이며 폴리하이드록실카노에이트(PHA) 생산력은 아시아와 북미 지역에서 성장이 전망되는 가운데, 카제인(casein) 폴리머는 유럽에서 2025년까지 32% 증가하고, PE는 남미와 유럽에서 성장세를 보일 것으로 보이며, PLA는 주로 유럽과 아시아에서 약 8% 증가세를 예상한다.

바이오기반 원자재

바이오기반 폴리머에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있다는 점을 생각해보면, 바이오매스 원자재 또한 필요하리라는 점을 중요한 요소로 고려해야 한다. 이는 바이오기반 폴리머 생산을 위해 식용 작물을 사용하는 것을 두고 논쟁이 되풀이되고 있다는 점에서 특히 그러하다. 그림 2는 2020년 전 세계의 바이오매스 활용을 보여준다.

바이오매스 총 수요량은 사료, 바이오 에너지, 식품, 재료사용, 바이오연료, 바이오기반 폴리머 등을 합쳐 모두 125억톤이다. 바이오매스 대부분(59%)은 사료 생산에 사용되며, 바이오기반 폴리머 생산에는 0.038%만이 사용됐다.

그 결과로 400만톤의 바이오기반 폴리머 생산을 위해 480만톤의 바이오매스 원자재 수요가 발생했으며, 그에 해당하는 경작용 토지 사용률은 0.006%에 불과하다. 바이오매스 생산에 쓰인 토지 사용 비율이 이렇게 작은 이유에는 다양한 요인이 있다.

우선 바이오기반 폴리머 생산에 가장 많이 사용되는 원자재는 글리세롤(37%)이다. 이 원료는 바이오디젤 생산과정에서 발생하는 생원성 가공 부산물로 토지를 이용하지 않고 얻는 바이오매스다. 글리세롤은 에피클로로히드린(epichlorohydrin)을 거쳐 에폭시 수지 생산과정에서 중간체로 주로 사용된다.

바이오기반 폴리머 생산을 위한 바이오매스로 전분 24%, 설탕 16%를 활용한다. 이 두 원재료 모두 옥수수, 사탕무우 또는 사탕수수 같은 고수확 작물을 기반으로 하며, 면적 효율이 매우 높다. 12%의 바이오매스는 피마자기름 같은 비식용 오일에서, 9%는 셀룰로오스에서(주로 셀룰로오스 아세테이트 생산에 사용) 생산되고, 단 2%만이 식용 식물 오일로 만들어진다.  

생산된 400만톤의 바이오기반 폴리머(완전 및 일부 바이오기반) 가운데 190만톤(46%)만이 폴리머의 실제 바이오기반 성분으로 사용된다(그림 2). 이 사실을 고려할 때, 실제로는 최종제품에 사용하는 양보다 2.5배 더 많은 원자재가 필요하다. 제품가공을 위해 사용하지 않은 290만톤(61%)의 원자재는 여러 차례의 변환 단계 및 그와 관련된 원자재 및 중간체의 손실 및 부산물 생성 때문으로 분석된다.

지속가능성과 재생가능 탄소

 

폴리머나 플라스틱, 화학물질 등이 지속 가능하고 기후에 위협을 초래하지 않으면서 순환경제의 일부가 될 수 있는 유일한 방법은 화석원료기반의 탄소를 대체하는 자원, 즉 바이오매스, CO2, 재활용 등으로 얻어지는 재생가능 탄소로 완전히 대체하는 것이다(http://www.renewable-carbon.eu).

 반드시 필요한 이 같은 전환은 몇몇 글로벌 브랜드의 전략적 의제에 이미 올라 있으며, 이들은 이미 화석원료기반 외에도 이 3가지의 재생가능 자원을 포함해 자신들의 원자재 포트폴리오를 확장하고 있다. 특히 바이오매스 사용에서 이 같은 시장 관점에서 바라본 새로운 발상이 생분해성 폴리머뿐 아니라 바이오기반 폴리머 공급을 증가시킬 것이고 또 이미 증가시켰다.

그럼에도 바이오기반 폴리머의 중요한 장점이 아직 정치적으로는 제대로 인정받지 못하고 있는 실정이다. 시장은 정치적 관점에서 그리고 원유의 가격 면에서 여전히 안정적이지 못하다.

바이오기반 폴리머는 생산공정에서 화석 탄소를 바이오매스로 얻어 재생가능 탄소로 대체한다. 이는 지속가능하고 기후에 위협을 초래하지 않는 플라스틱산업을 만들기 위해 반드시 필요하다.

생산된 바이오기반 폴리머 중 거의 절반 정도가 생분해 특성을 지니고 있다. 이것은 회수가 어렵고 환경으로 유입될 가능성이 높은 플라스틱제품에 대한 해결책이 될 수 있다. 뿐만 아니라 이 제품들은 미세플라스틱을 남기지 않고 생분해할 수 있다. 그런데도 어쩌면 이탈리아, 프랑스, 스페인 등 몇몇 국가들만이 이런 방식의 처리 경로를 정치적으로 지지할 것으로 보인다.

시장확대 요인 및 정책

 

2020년 가장 중요한 시장확대 요인으로는 고객에게 환경친화적 솔루션을 제공하고자 하는 브랜드 기업들 그리고 석유화학 제품에 대한 대안을 모색하는 비판적 소비자들을 꼽을 수 있다.

바이오기반 폴리머가 해결책의 하나로 받아들여지고 바이오연료의 경우와 유사한 방식으로 사용이 촉진된다면, 10~20%의 연간 성장률을 기대할 수 있다. 유가가 크게 상승할 경우에도 비슷한 상황이 전개될 수 있으며 그러한 상황이 오면, 바이오기반 폴리머가 이미 성취한 기술적 성숙도에 따라 상당한 시장 점유율을 얻을 수 있다.

 

바이오기반 폴리머 시장

글로벌 폴리머 시장은 기능성 폴리머 및 구조성 폴리머, 고무 제품뿐만 아니라 인조섬유도 포함된다(그림 3). 이 보고서는 구조성 폴리머의 바이오기반 점유율에 초점을 맞추고 있다. 바이오기반 구조성 폴리머는, 철저하게 검토하고 있는 구조 부분 그리고 바이오기반 리놀륨 부분으로 이루어진다. 이 두 부분은 합쳐서 410만톤에 달한다.

또한 바이오기반 기능성 폴리머의 총량은 바이오기반 기능성 폴리머와 종이용 전분으로 구성했다. 산출량은 1360만톤에 이른다. 합쳐서 1770만톤에 달하는 바이오기반 기능성 폴리머 및 구조성 폴리머를 구성하는 이 두 그룹 외에도, 고무 제품 및 인조섬유도 바이오기반이 될 수 있다. 총 1410만톤의 고무 제품과 700만톤의 인조섬유가 바이오기반 자원으로 생산된다.

그림 4는 바이오매스에 대한 다양한 중간체 및 원자재(building blocks)를 거쳐 바이오기반 폴리머에 이르는 모든 상업적 및 반(半)상업적 경로를 보여준다. 몇몇 새로운 경로와 중간체가 추가됐다. 자세히 분석된 바이오기반 기초자재와 폴리머는 굵은 글씨로 표시했다.

그림 5는 화학제품 생산사슬 내의 바이오기반 ‘드롭인(drop-in)’ 물질 투입, 바이오기반 ‘스마트 드롭인(smart drop-in)’ 물질 투입 그리고 바이오기반 ‘전용(dedicated)’ 물질 투입의 각기 다른 경로를 보여주고 있다.

각 그룹에 대해, 그에 해당하는 특정 바이오기반 폴리머들의 예 또한 함께 보여준다. 더불어, 생분해성 바이오기반 폴리머는 녹색 점을 붙여 두었다. 각기 다른 바이오기반 폴리머 그룹은 서로 다른 성격의 시장에 속한다. 바이오기반 ‘드롭인’ 물질은 특정 화석’기반 물질의 직접적인 일대일 대체물이지만, 바이오기반 ‘전용’ 물질은 기존의 석유기반 화학 물질이 제공하지 못하는 새로운 물성 및 기능성을 지니고 있다.

이 두 가지 모두 생산 및 시장의 관점에서 나름의 장점과 단점이 있다. 바이오기반 ‘드롭인’ 화학물질은 기존 석유기반 화학물질의 바이오기반 버전으로, 이미 확보된 시장을 가지고 있으며 기존 화석기반 화학물질과 화학적으로 동일하지만, ‘스마트 드롭인’ 화학물질은 드롭인 화학물질의 특수 하위 그룹이다.

화학적으로 화석 탄화수소에 기초한 기존의 화학물질과 같지만, 바이오기반 경로 덕분에 기존의 경로에 비해 상당한 공정 상의 이점을 제공한다. 뿐만 아니라, 이 같은 바이오기반 경로를 완전히 새로운 접근법으로 구축할 수도 있다. 이를테면, 에폭시 수지 제조에 사용되는 에피클로로히드린(ECH. epichlorolhydrin) 생산에서 화석 원자재인 프로필렌을 바이오기반 프로필렌으로 대체하는 대신, 바이오디젤 생산의 부산물인 글리세롤을 사용하는 것이다.

‘전용’ 바이오기반 화학물질은 전용 경로를 통해 상업적으로 생산된다. 그에 대응하는 동일한 물성의 화석기반 화학물질이 존재하지 않는다.

그림 6과 그림 7은 2020년 바이오기반 폴리머 생산력의 폴리머별 비율이다. 2018년부터 2025년까지 생산력의 발전 추이를 기존 및 일부 신규 생산업체들의 예측을 바탕으로 나타냈다. 2020년 현재 총 생산력은 460만톤이었으며, 실제 생산량은 420만톤이다.

2025년에는 총 생산력이 670만톤으로 증가할 것으로 예상되며, 이는 약 8%의 연평균복합성장률(CAGR)을 의미한다. 뿐만 아니라 PA는 2025년까지 37%씩 계속 성장한다. PP는 34%씩 계속 성장하며 평균 성장률보다 더 높은 증가율을 보일 것으로 예상했다. 또한 유럽에서 카제인 폴리머는 2025년까지 32% 성장이 예상되며, PE는 8%, PLA와 PBAT는 7% 증가를 예견했다.

바이오기반 기초자재

그림 8은 2011년부터 2025년까지 폴리머 생산에 사용되는 주요 바이오기반 기초자재의 생산력 발전 추이를 보여주고 있다. 기초자재는 구조성 및 기능성 폴리머뿐만 아니라 식품, 사료, 화장품 또는 의약품 등 다양한 응용분야에서 원료 성분의 합성을 위해 활용하는 폴리머보다 연평균 복합성장률이 더 높게 나타난다.

바이오기반 기초자재의 전체 생산력은 2020년에 약 7%(212,000t/a) 증가했다. 이 증가는 주로 L-락틱산(L-lactic acid)과 에피클로로히드린(ECH) 덕분이다. 전 세계 바이오기반 기초자재의 전체 생산력은 2025년까지 11%(CAGR) 성장을 보일 것으로 예측되며, 여기에는 1,5-펜타메틸렌디아민(DN5), 나프타, 에틸렌 및 기타 퓨란계 유도체(furan derivatives) 등이 주요 성장요인 역할을 할 것으로 보인다.

지역별 글로벌 바이오기반 폴리머 생산력

아시아가 2020년 전 세계 바이오기반 폴리머 생산력의 최대 보유 지역으로 47%를 차지했다. 그다음으로 유럽이 26%, 북미가 17%, 남미가 9%로 뒤를 이었다(그림 9). 2020년에서 2025년까지 약 16%의 CAGR이 예상되는 아시아는 전 세계 다른 지역에 비해 바이오기반 폴리머 생산력에 있어 가장 높은 성장률을 보여주고 있다. 이 같은 성장은 주로 PA, PBAT, PHA 및 PLA의 생산력 확대에 기인한다.

바이오기반 폴리머의 시장 구성

오늘날 바이오기반 폴리머는 거의 모든 시장 및 용도에서 사용할 수 있지만, 각 폴리머마다 다양한 용도는 크게 다를 수 있다. 그림 10은 모든 바이오기반 폴리머의 응용분야를 간략하게 보여주고 있다. 2020년에는 직기원단(woven), 부직포(non-woven, 주로 셀룰로오스 아세테이트(CA) 및 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트(PTT))를 비롯한 섬유 분야가 24%를 차지하며 가장 높은 비율을 보였다.

유연 및 경성 포장재 또한 총 24%를 점했고, 그 뒤를 16%를 보인 자동 및 운송 분야가〔주로 에폭시 수지, PUR 및 지방족 폴리카보네이트(APC) 〕, 14%는 건축 및 건설(주로 에폭시 수지 및 PA), 9%는 소비재(주로 전분 함유 폴리머 화합물, PP 및 카제인 폴리머)가 잇고 있다. 농업 및 원예, 전기 및 전자 그리고 기능성 및 기타 분야들은 각 5% 미만의 시장 점유율을 보였다.

이 보고서는 2020년부터 2025년까지 생산력 발전에 관한 포괄적 정보 그리고 각 바이오기반 폴리머마다 2020년 생산량 데이터에 더해, 총 17종의 바이오기반 기초자재 및 폴리머에 대한 설명을 제공한다. 유럽바이오플라스틱협회(European Bioplastics)가 매년 발표하는 이 데이터(http://www.european-bioplastics.org/market)는 노바연구소가 그 해 펴낸 시장 보고서에서 바이오기반 폴리머에 관한 내용 일부를 취한 것이다. 

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20109   다가오는 하이테크 압출기 시대 플라스틱코리아