셰일유는 케로젠유(kerogen oil) 또는 유혈암유(oil-shale oil, 頁巖油)로도 불린다. 유혈암(oil shale, 油頁巖)을 열분해, 수소첨가 또는 열 용해를 통하여 얻어지는 비 전통석유를 말한다. 이러한 제조 공정에서 유혈암 속에 있는 유기물질(kerogen)을 합성 석유나 가스로 변환시킨다. 이렇게 생산된 석유는 곧바로 연료로 사용되거나 또는 정유공장 공급 원료의 사양에 맞추기 위해 수소를 첨가하고 유황분과 질소 같은 불순물을 제거한다.
혈암(shale, 頁巖, 이후부터 ‘셰일’로 칭함)은 점토(粘土) 성분이 호수 또는 바다 밑에 가라앉아서 굳어져 이루어진 퇴적암의 일종이다. 오일셰일은 동식물의 잔재가 이 셰일 속에 박혀서 고열과 압력을 받아 케로젠으로 변하여 생성된 화석연료이다. 케로젠은 그 생성원인이 다양하여 일정한 화학적 구조를 갖고 있지 않다. 그러나 모든 종류의 케로젠은 주로 탄화수소로 구성되며 얼마간의 유황, 산소와 질소 그리고 여러 종류의 광물질을 가지고 있다. 이 케로젠이 고열과 고압을 좀 더 받으면 전통석유가 생긴다고 이해하면 된다.
광물유(鑛物油)의 원재료이기도 한 오일셰일을 인류는 선사시대 이래 일반적인 처리과정을 거치지 않고 사용한 기록을 확인할 수 있다. 철기시대 영국인은 오일셰일을 광택 내서 장식품도 만들었다. 오일셰일의 사용에 관한 최초기록은 14세기 초 스위스와 오스트리아에서다. 1596년 한 의사가 오일셰일이 치유성질을 가지고 있다고 기록한 바도 있다.
17세기 전환기에 이태리 모데나 거리를 밝히는데 오일셰일이 사용되었다. 1964년 영국정부는 암석의 일종에서 역청, 타르, 기름을 다량으로 축출하는 방법을 찾아낸 세명의 사람들에게 특허권을 주기도 했다. 오일셰일의 현대식 광산업은 1837년 프랑스 아우둔(AUTUN)에서 시작되어 스코틀랜드, 독일 그리고 여타 국가로 전파되었다.
19세기에는 램프를 밝히는 등유 생산에 집중하게 되었는데, 그 이유는 산업혁명이 일어나 등유 수요가 증가 일로에 있었기 때문이다. 연료유, 윤활유와 그리스(grease: 기계윤활유) 황산암모니움(유안: 硫安) 등도 생산되었다. 유럽의 오일셰일 산업은 1차 세계대전 직전에 팽창하였다. 당시 전통석유가 제한적이었는데 반하여 내연기관인 자동차와 트럭이 대량생산됨에 따라 연료인 휘발유 수요가 증가하였기 때문이다.
비록 에스토니아와 중국은 2차 대전 후에도 오일셰일 산업이 계속 유지되었으나, 대부분의 여러 나라는 처리 비용이 비싸고 값싼 석유를 구할 수 있었기 때문에 오일셰일산업을 포기하였다. 1973년 아랍석유 금수조치 후 세계 석유위기로 이어짐에 따라 1980년 세계 오일셰일 생산량은 4600만 톤으로 절정을 이루었다가 1980년대 전통 석유가격이 낮아지자 2000년에는 1600만 톤으로 급감하였다. 1982년 5월 엑슨은 콜로라도에서 시작하려던 50억 달러에 달하는 오일셰일 사업을 낮은 유가와 비용 증가로 취소하였다. 이로 인하여 2000명이 직장을 잃고, 주택 차압이 줄줄이 일어났으며, 수많은 소기업이 파산했다. 1986년 레이건 대통령은 합성연료사업을 폐기시켰다.
21세기로 들어서면서 반전이 일어났다. 오일셰일 산업이 살아나기 시작한 것이다. 2003년 미국은 오일셰일 발전사업을 재출발시켰다. 에너지 정책 법안에 따라 2005년 미국 정부는 오일셰일과 오일샌드 축출사업을 허가하면서 토지 임차제도를 도입하였다.
오일셰일산업
2008년 현재 브라질, 에스토니아 그리고 독일과 러시아(舊 소련)에서 어느 정도 오일셰일이 산업적으로 이용되기 시작했다. 그리고 일부 국가는 추가적으로 오일셰일 매장량 평가에 착수하거나 또는 시제품 공장을 세웠다. 반면, 일부 국가는 오일셰일 산업을 폐지했다. 에스토니아, 브라질과 중국에서는 오일셰일로 석유를 생산했다. 또 에스토니아, 중국과 독일에서는 발전소 연료와 시멘트 생산에도 이를 활용했으며, 석유화학공정에도 사용했다.
2009년 현재 세계 사용량의 80%를 에스토니아에서 주로 발전연료로 사용했다. 오일셰일 발전소가 에스토니아에서 지어졌으며, 2967㎿, 중국이 12㎿,독일이 9.9㎿, 규모의 발전소가 세워졌다. 이스라엘, 루마니아, 러시아에서도 오일셰일 발전소를 가동시켰지만, 가격면에서 더 저렴한 천연가스 발전소로 대체되었다. 이외 요르단과 이집트가 오일셰일 발전소 건설계회을 수립했으며, 캐나다와 터키가 석탄과 혼합하여 사용하고 있다.
에스토니아만 오일셰일을 발전소 주 연료로 사용하고 있는데, 2005년에는 전국 전력생산의 95%를 이 오일셰일이 사용된 것으로 나타났다.
세계에너지협의회에 의하면 2008년에 오일셰일로부터 생산된 셰일오일은 93만 톤, 일산 1만7700 배럴에 해당된다. 이 가운데 중국이 37만5000톤, 에스토니아가 35만5000톤, 브라질이 20만 톤을 점하고 있다. 한편 그해 전통 원유생산량은 39억5000만 톤, 일산 82억1200만 배럴이었다.
셰일오일 추출공정
대부분의 오일셰일 개발은 채광 후 다른 곳으로 옮겨져 전력생산에 직접 연소시키거나 일정 공정을 거쳐 제품으로 생산한다. 대부분의 지표 채광의 일반적인 방법은 노천광 즉, 노천채굴이었다. 이 채광법의 절차는 우선 오일셰일 광상을 덮고 있는 덮개 물질을 벗겨내서 광상을 지표에 노출시켜 파내는 것이다. 지하채굴 방법은 굴을 파서 갱도을 설치하여 캐낸다. 오일셰일로부터 유용한 성분의 추출은 새로운 기술에 의하여 지하에서 이루어지긴 하지만(현지또는 지하 광상에서, In-situ) 대부분은 지상에서 이루어진다.
지상이든 지하든 어느 경우에도 오일셰일 속에 있는 케로젠이 열분해로 화학반응 일으켜 셰일오일(합성원유)과 셰일가스로 변환된다. 대부분의 이 전환기술은 무산소 상태에서 오일셰일을 가열하여 케로젠이 분해되어 가스와 응축 가능한 오일, 그리고 지꺼기가 남도록 처리하는 것이다. 이과정은 대개 섭씨 450℃와 500℃ 사이에서 일어난다. 실상 분해는 보다 낮은 온도(섭씨 300℃)에서 일어나는데 고온에서 신속히, 보다 완전하게 이루어진다.
현장처리과정(In-situ)은 지하에 매장된 오일셰일을 가열하여 변환을 일으키는 것이다. 이 기술은 지상의 공정보다 동일한 광구 면적에서 더 많은 오일을 생산하는데, 그 이유는 보다 깊이 들어 갈 수 있기 때문이다. 일부 회사는 이에 관한 기술의 특허등록을 이미 마쳤다. 그러나 대부분의 이러한 방법들은 시험단계에 있다. 다음 2가지 방법은 쉽게 구별이 된다. 하나는 채광하지 않고 지하에서 처리하는 TIS(True In-Situ)이고 다른 하나는 수정된 방법인데 오일셰일 일부를 지상으로 옮겨 가공 처리해 가스를 쉽게 추출하는 방법이다.
오일셰일을 열분해하는 기술에 관한 특허가 수백개나 있으나, 단지 열 두개 정도만이 시험중이다. 2006년 현재 ▲Kivite ▲Galoter ▲Fushun ▲Petrosix 등의 추출 공정 등 4가지 기술만이 상업적으로 사용되고 있다.
오일셰일에서 뽑아낸 셰일오일은 원유를 대신해서 모든 용도에 직접 사용 될 수 없다. 이 오일은 전통 원유보다 올레핀. 산소, 질소 등의 농도가 높기 때문이다. 어떤 셰일오일은 유황과 비소 함량이 높다. 미국의 기준유가를 결정하는 WTI(West Texas Intermediate)와 비교해보면 유황은 셰일유가 평균 0.76%(0~4.9%)인데 WTI는 최대 0.42%이다. 요르단의 셰일오일의 유황함량은 9.5%나 된다.
그리고 미국 그린 리버층(Green River Formation)의 오일셰일의 비소 함량은 문재가 되고 있다. 이러한 물질들의 높은 함량은 정유공장의 공급원료로 사용되기 위하여 수소첨가 등 제품사양을 높여 주어야 한다. 지상에서 생산된 셰일오일의 API는 지하에서 생산된 것보다 낮다. 셰일오일은 등유, 항공유, 경유 등중질유(中質油) 생산에 적합하다. 1900년대와 2000년대 중질유(中質油) 특히 경유의 세계적인 수요가 급상승했다. 그러나 수소화분해(Hydrocracking)와 같은 적절한 공정을 거치면 셰일오일로도 휘발유를 생산 할 수 있다.
경제성과 환경문제 ‘상존’
경제성 있는 셰일오일의 매장량은 거의 알려져 있지 않다. 오일셰일 광상을 개발하려는 여러 시도는 단지 그 지역에서 셰일오일 생산비가 원유 또는 대체유 가격보다 낮아야 가능하다. 랜드社(RAND Corporation)의 조사에 따르면, 미국 지상 열용해 방법(채광, 용해로, 제품개선시설, 부대시설, 폐암석처리 등)으로 생산되는 셰일유가격은 2005년 불변가격으로 배럴 당 미화 70~95달러 선이다.
이 비용의 추정은 케로젠 함량 크기와 추출의 효율성을 고려해야한다. 운영 수익을 얻으려면 원유 가격이 항상 셰일오일 생산비를 초과해야 한다. 가상적인 복합시설(shale oil production complex)을 세워 생산비를 검토해보면 생산개시 후 5억 배럴을 생산하고 나면 생산비가 35~70%까지 내려간다. 상업적 생산 개시 후 매년 2만5000 배럴씩 증산하게 되면 12년차에 생산비는 배럴당 35~48달러 선으로 후퇴한다. 10억 배럴의 생산량을 달성하고 나면 생산비는 30~40달러까지 내려 갈 수 있다. 따라서 1세대 생산시설은 기술적으로 경제적으로 큰 부담을 갖게 된다.
2005년 로얄 더치 쉘은 지하공정으로 셰일오일을 생산할 경우 원유가 30달러 상회해도 경쟁 할 수 있다고 발표한 바 있다. 2004년 미국 에너지청(DOE)은 쉘의 기술력과 수트아트 오일셰일 프로젝트에 사용된 기술로는 유가 25달러와도 경쟁할 수 있다고 했다. 오일셰일 산업의 실행가능성의 가장 중요한 척도는 에너지투입 대비 에너지회수율 EROEI(Energy Return On Energy Investment)이다. 1984년 연구는 오일셰일 광상에 따라 0.7~13.3으로 평가했다.
그러나 알려진 오일셰일 추출산업은 3~10이라고 주장하고 있다. 2010년 세계 에너지전망은 지하공정으로 할 때 EROEI는 4~5이며, 낮게는 2라고 발표했다. 그러나 추출 후 남은 혈암을 연료로 사용하거나 셰일가스를 활용하면 효율이 개선된다고 덧붙였다. 그 외 경제성에 영향을 주는 것은 상당한 공업용수가 있어야 하며, 수자원을 오염시키는 부담도 따른다.
전통석유 근원암과 같이 오일셰일 광상도 모든 석유생산지역에 존재하는데 대부분 심층에 부존돼 있어 경제성이 없다. 모든 석유와 가스자원과 같이 분석가들은 오일셰일 자원과 오일셰일 매장량을 구분한다. 자원이라는 말은 묻혀 있는 오일셰일이며 매장량은 현재의 기술로 오일을 추출하여 경제성이 있는 것을 말한다. 추출기술이 계속 발전하기 때문에 기획 입안자들은 회수 가능한 케로젠만을 평가한다.
비록 수 많은 나라에서 오일셰일이 나타나고 있지만 단지 33개국만이 경제성 있는 광상을 보유하고 있다. 광상이 잘 탐사됐고, 매장량으로 분류할 수 있는 잠재 광상을 보유한 국가는 미국(서부의 그린리버 광상), 요르단(엘라준라쥰), 호주(퀸스랜드), 몽고(남부), 러시아, 프랑스, 독일, 스웨덴, 에스토니아, 브라질, 중국 등이다.
이 광상의 오일셰일은 톤당 40리터의 셰일오일을 산출할 수 있다고 한다. 2005년에 평가된 오일셰일의 자원은 4110억 톤이다. 이 가운데 일정량만이 회수되겠지만 석유로 환산하면 2.3~3.3조 배럴에 해당된다. 국제에너지기구의 2010년 세계에너지 전망에 의하면, 세계 오일셰일 자원은 5조 배럴의 원유 원시매장량과 동일하며 이 가운데 1조 배럴은 기술적으로 생산이 가능하다고 분석했다. 참고로 2007년 기준 1.3조 배럴의 확인된 전통원유매장량과 비교하면 거의 같은 수준이다.
가장 큰 광상은 미국 콜로라도, 유타, 와이오밍주에 걸쳐있는 그린리버 지층이다. 이 가운데 70% 이상이 미 연방정부가 소유 관리하는 땅에 부존되어 있다.
세계 오일셰일 부존자원의 62%를 미국이 점유하고 여기에 소련과 브라질을 합하면 86%에 이른다. 그러나 이 수치는 바뀔 수밖에 없을 것으로 보인다. 현재 여러 곳의 광상이 탐사중에 있으며, 분석 중이기 때문이다. 워스컨신 메디선대학교의 캐롤 교수는 중국 서북부의 오일셰일광상은 기존 평가에 누락됐는데 그 규모는 미국의 그린리버와 맞먹을 것이라고 예상했다.
오일셰일 채광은 환경에 여러 가지 영향을 끼친다. 노천광이 갱도채굴보다 영향이 크다. 갑작스런 지표 노출로 인하여 산성광산배수가 생기며, 산화작용이 일어나고, 수은과 같은 광물질이 지표수와 지하수를 오염시킨다. 부식이 늘어나고 유황가스가 배출되며, 처리과정과 수송 중 분진이 발생하여 대기를 오염시킨다. 2002년 에스토니아에서는 한 발전소가 오일셰일을 주연료로 사용해 대기오염의 97%, 폐기물의 86%, 수질오염의 23%를 발생시켰다.
오일셰일 산업은 광산 지역의 생물학적 및 휴양지의 가치에도 악영향을 끼친다. 연소와 열처리 과정에서 많은 폐기물이 생긴다. 이외에도 처리과정에서 탄산가스와 온실가스를 배출시킨다. 환경론자들은 전통 화석연료보다 많은 온실가스를 배출한다며 오일셰일의 사용을 반대하고 있다. 향후 탄산가스를 회수, 저장하는 기술이 발달한다면 가스배출량을 줄일 수 있을지 모르지만, 지하수 오염문제는 여전한 숙제이다.
어떤 해설자는 오일셰일산업의 공업용수에 관해 논평하고 있다. 앞서 거론한 에스토니아 발전소의 경우 91%의 물이 사용됐다. 지상공정으로 처리하게 되면 셰일오일 1배럴을 생산하는데 5배럴의 물이 필요하다. 2008년 미국 토지관리국 발표에 의하면, 오일셰일 1톤을 처리하는데 2~10갤론의 폐수가 나온다고 했다. 지하공정일 경우 지상공정의 1/10로 줄어든다.
왜 차기 에너지혁명이라 불리나?
불과 4~5년 전만해도 전통석유생산은 절정에 달했다고 “파티가 끝났다”(Party is over), “늑대가 문앞에 와 있다”(Wolfs are at the door) 등으로 떠들썩했다. 필자도 이와 관련된 글을 몇 편 썼다. 이때도 찬성하는 자가 있다면, 항상 반대론자도 있기 마련이었다. 반대론자는 값만 맞으면 에너지는 확보할 수 있다는 주장을 펼쳤다. 즉, 비관론자와 낙관론자가 있었다.
이탈리아 사람들은 낙관적이라 그런지 ENI(이탈리아 국영석유회사) 부사장 출신도 낙관론자 중 대표적인 인물이었다. 반면, 독일 출신 한 저널리스트는 아주 비관적이었다. 그리고 어떤 이는 석유가 고갈되어 못 쓰기보다 온실가스로 인한 지구 온난화 때문에 사용되어서는 안된다고 주장했다. 지구상에서 매일 8200여 배럴의 석유가 사용되는데 이를 대체할 에너지가 과연 있겠는가? 앞으로도 30~40년은 충분히 사용될 것은 자명해 보인다.
하지만, 세계적 회계법인 PwC(PricewaterhouseCoopers)는 에너지 혁명이 시대적인 흐름이라고 내다봤다. 내부 보고서에 의하면, 2035년까지 세계 셰일오일 생산량은 1400만 배럴에 이르며 세계 총 석유공급량에 12%를 점하게 될 것으로 예상했다. 이로 인하여 2035년 유가는 25~40%가 내려가 배럴당 83~100달러 선으로 예측했다. 미국의 에너지정보국 EIA(Energy Information Administration)은 셰일오일 생산량을 적게 잡아 배럴당 133달러로 전망했다. 이러한 저유가 시대로 말미암아 세계 GDP는 2.3~3.7% 증가할 것으로 예상하고 그 액수가 현 GDP 가치 기준으로 1.7~2.7조 달러에 달한다는 것이다.
그러나 이러한 수익은 한국, 일본, 인도 등 석유수입국은 혜택을 보아 GDP가 4~7% 상승효과를 보겠으나 미국, 중국, 유럽국가 들은 2~5% 정도에 그칠 것으로 예상했다. 이와 반대로 석유수출국가인 중동과 소련은 셰일오일생산에 불참하면 4~10% 정도의 GDP 감소를 예상했다.
셰일오일의 잠재력의 출현은 석유가스산업과 세계 각국의 정부를 위하여 주요한 전략적 기회와 도전이 될 것이다. 이는 또한 여러 나라에서 에너지가 안정적으로 확보됨에 따라 지정학 역학에 영향을 주어 OPEC의 영향력이 축소될 것을 의미한다. 셰일오일 생산자들은 환경, 수익, 수요 등 여러 가지 사항을 고려하여 비즈니스 모델과 기술개발을 심도 있게 검토할 시점이라는 것이다.
우리나라의 지난 5년간 해외자원개발의 결과는 단기실적주의와 세계 에너지 시장 변화에 대한 무지로 수조억원의 손실이 발생했다. 이제는 장기적인 안목으로 세계에너지 흐름을 상세히 파악하여 장기목표를 우리의 능력에 맞게 설정하여 시간이 걸려도 하나씩 하나씩 추진해야 한다. 안이하게 남이 차려 놓은 밥상을 웃돈 주고 살 것이 아니라 이제는 밭에 나가 싱싱한 채소도 따고 레시피에 따라 음식을 만들어 먹어야 하는 그런 시점이다.
석유개발은 좋은 광구를 확보하여 면밀한 탐사를 거쳐 그 결과에 따라 광구를 개발하는데 묘미가 있다. 개발 목표를 정해 놓고 자기 임기안에 달성만 하면 되는 생각으로 어떤 댓가를 치르고서라도 무리하게 덤벼드는 비지니스가 아니라는 것을 설마 몰랐을까? 다만 제 돈이 아니니까 다소 무리해서라도 업적을 남기려는 욕심에서 저지른 과욕의 소치이지 또 다른 이유가 있겠는가? 어찌되었던 석유개발에 몸담고 있었던 한 사람으로서 어처구니 없는 큰 손실을 낸 것을 보니 안타깝고 향후 자원개발은 이를 타산지석으로 삼아 좋은 실적을 이루길 바란다.
*상기 기사는 에너지코리아뉴스의 자매지 월간<CEO ENERGY>2013년 8월호에 게재된 기사입니다.
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