COVER STORY | 2. 뜨고 있는 신 자원들

셰일가스·타이트오일 상업 채굴 활발
오일샌드, 캐나다 중심 생산 활발…가스하이드레이트·CBM등도 개발 후보로

2000년대 이후 지속되고 있는 고유가 현상은 기존에 존재가 확인되고서도 채굴기술과 채산성 부족으로 방치됐던 비전통에너지자원의 개발을 촉진시키는 계기가 됐다. 비전통에너지자원은 전통석유자원으로 분류되는 기존의 석유와 천연가스와는 매장 위치와 분포 등이 다르고, 따라서 채굴방법도 다르다. 비전통에너지자원은 크게 비전통석유와 비전통가스로 나뉜다. 비전통석유는 타이트 오일(셰일오일), 오일셰일, 오일샌드, 초중질유 등이 있고, 비전통가스는 셰일가스, 석탄층메탄가스(CBM), 타이트 가스, 가스하이드레이트 등이 있다.

비전통석유

① 타이트오일(Tight Oil·셰일오일)
타이트오일은 셰일가스가 매장된 셰일층(모래와 진흙이 굳어진 지하 퇴적암층)에 존재하는 원유로 원래 셰일오일로 불렸다. IEA와 EIA(미국에너지정보청)는 오일셰일과 혼동을 피하기 위해 셰일오일을 포괄할 수 있는 타이트오일로 명칭을 바꿨다.
타이트오일은 투과율이 낮은 타이트층에서 생산되는 석유로, EIA는 전 세계 매장량을 3,450억배럴로 추정하고 있다. 타이트오일이 가장 많이 매장된 나라는 러시아(750억배럴) 다. 그 뒤를 미국(580억배럴), 중국(320억배럴), 아르헨티나 (270억배럴), 리비아(260억배럴) 등이 잇고 있다.
타이트오일은 셰일가스와 함께 가장 개발이 앞선 비전통에너지자원으로, 현재는 미국이 가장 활발하게 생산하고 있다. 러시아와 중국은 이제 시작단계에 있다. 하지만 기술적으로 미국에 미치지 못하고 있는 설정이다.
글로벌 컨설팅업체 프라이스워터하우스쿠퍼스(PwC)에 따르면 타이트오일은 2035년까지 생산량이 현재의 10배인 하루 1,400만배럴까지 늘어 세계 원유공급량의 12%를 차지할 것이라고 한다.
IEA에 따르면 타이트오일의 가채매장량은 2,400억배럴로 현 수준의 생산량을 유지할 경우 무려 330년간 채굴이 가능하다.



② 오일샌드(Oil Sands)
지하에서 생성된 원유가 지표면 근처까지 이동하면서 수분이 사라지고 돌이나 모래와 함께 굳어진 원유다. 아스팔트와 같은 중질유가 10% 이상 함유되어 있어 2t을 정제하면 1t의 원유 생산이 가능하다.
1875년 캐나다 지질학자에 의해 발견된 후 높은 개발비용 탓에 적극적으로 개발되지 않다가 2000년대 들어 유가가 상승하면서 본격적 개발되기 시작했다.
오일샌드의 성분은 모래, 점토 등 무기물 75~85%, 비튜멘 10~12%, 수분 3~5% 정도다. 초중질유를 포함한 오일샌드는 점성이 강하고 유황성분이 높아 수송이 어렵고 추가적인 정제과정이 필요하지만, 최근 채굴기술 발전과 유가상승으로 인한 채산성 확보로 캐나다를 중심으로 생산량이 빠르게 증가하고 있다. 오일샌드의 주매장지는 캐나다(1,736억배럴)이며, 카자흐스탄(420억배럴), 러시아(284억배럴), 나이지리아(6억배럴), 앙골라(5억배럴) 등이 뒤를 잇고 있다.
오일샌드의 채굴방식은 노천채굴 방식과 지하회수 방식이 있으며, 매장량의 80%가 지하회수 방식으로 생산된다. 오일샌드는 합성원유 1배럴을 생산하는데 1.8~4.5배럴의 많은 물이 필요하고, 이 과정에서 환경오염을 유발하는 등 환경문제에서 자유롭지 못하다.
엑슨모빌이나 로열더치셀 등 미국의 정유대기업들과 노르웨이의 스탯오일 등이 캐나다 오일샌드 개발에 투자하고 있으며, 우리나라도 한국석유공사가 인수한 캐나다 하베스트사가 개발에 참여하고 있다.

③ 오일셰일(Oil Shale)
원유 생성 전단계의 케로진(Kerogen)을 함유하고 있는 셰일 퇴적암에서 추출하는 원유다. 고열을 가해 코크스나 원유 등 사용 가능한 석유형태로 추출한다. 유기물과 이질 퇴적물이 산소가 부족한 바다 또는 호수 저층에서 축적된 뒤 지하에 매몰되어 물리·화학적 작용을 거쳐 케로진 상태로 셰일에 함유되며, 케로진 함유비중은 20~50% 정도다.
오일셰일에 함유된 케로진은 비튜멘과 같은 특성을 지니고 있으나, 오일샌드에 함유된 비튜멘과는 차이가 있어 구분된다. 미국 유타, 콜로라도, 와이오밍 주 등을 포함한 그린리버 지층 지역에 전 세계 매장량의 70% 이상이 존재한다. 미국, 브라질, 러시아, 우크라이나 등 전 세계적으로 고르게 분포되어 있다.
IEA는 비전통석유의 잔존 TRR 3억1,930억배럴의 약 33.6%인 1억730억배럴이 오일셰일의 잔존 TRR로 예상하고 있다.
오일셰일은 노천채굴과 가열용융 기술방식 등 두 가지 생산방식이 있다. 문제는 오일셰일의 생산방식 역시 많은 물을 사용하고, 생산 후 폐기물 처리 과정에서 지하수 오염 등의 문제가 발생한다는 점이다. 또한 기술수준도 아직 초보단계로 본격적인 상용화는 2020년 이후에나 가능할 것으로 전망된다.

④ 초중질유(Extra Heavy Oil)
탄소 잔유물과 비튜멘 함량이 높고, 중금속, 황 등 불순물이 많이 포함되어 있는 원유의 일종이다. 상온에서는 유동성이 없어 계면활성제 등을 섞어 사용 가능한 원유로 전환한다. 검은색을 띠고 분자질량이 큰 특성을 가진다.
현재 확인매장량은 2조2,900억배럴로 매장량의 90% 이상이 베네주엘라 오리노코 강 유역에 분포되어 있다. 350~1,000m 깊이에 있는, 이암으로 분리된 6~7개의 사암층에 분포한다. 베네주엘라 외에 북미, 아시아, 유럽 등에도 매장되어 있는 것으로 알려지고 있다.
1920년대 발견돼 1935년부터 채굴되기 시작했지만 채굴, 수송, 이용의 어려움과 경제성 부족으로 개발이 활발하지 못했다. 1984년 BP와 PDVSA(베네수엘라의 석유회사)가 공동으로 초중질유에 물과 계면활성제를 섞어 액체화한 ‘오리멀젼’을 개발한 이후 비로소 판매가 시작됐다.
오리멀젼은 이탈리아, 중국, 캐나다, 일본 등 10여개 국가에서 사용됐지만, 최근 고유가로 초중질유를 개질한 인공합성원유로 만드는 것에 대한 관심이 높아지면서 사용이 거의 중단됐다.
초중질유는 황 함량이 높고, 바나듐을 포함하고 있어 개발과 관련한 환경오염이 심각하다는 문제를 안고 있다.



비전통가스

① 셰일가스(Shale Gas)
셰일가스는 ‘셰일혁명’으로 불리며 비전통에너지 개발을 촉진시킨 장본인이다. 고운 모래와 진흙이 쌓여 굳으면서 수평으로 퇴적된 매우 단단한 퇴적암층인 셰일층에 존재하는 메탄가스다.
셰일가스의 존재는 이미 1800년대부터 알고 있었고, 1980~90년대 중소 에너지 업체에 의해 개발되었으나 셰일의 공극률과 투수율이 낮아 수직시추로는 가스 포집이 어려웠다. 본격적인 개발이 시작된 것은 1990년대 말부터다. 수평시추법과 수압파쇄법 등의 채굴기술이 개발되어 회수율이 과거 10% 수준에서 40%까지 증가하고, 천연가스 가격이 상승해 채산성이 확보되었기 때문이다.
EIA가 최근 내놓은 보고서에 따르면 전 세계 셰일가스 매장량은 7,299조ft3다. 매장량이 가장 많은 나라는 중국(1,115조ft3)이며, 다음은 아르헨티나(802조ft3), 알제리(707조ft3) 순이다. 미국과 캐나다는 각각 665조ft3, 573조ft3, 러시아는 285조ft3였다.
미국에서는 2006년 이후 셰일가스의 생산량이 크게 늘어 미국 내 전체 가스 생산에서 차지하는 비중이 2009년 14%에서 2010년 23%로 크게 증가했다. EIA는 2035년에는 비중이 46%로 크게 증가할 것이라고 전망하고 있다. IEA는 셰일가스가 현재 미국을 중심으로 생산되고 있지만, 중국과 유럽 등의 개발이 확대될 경우 생산이 크게 증가해 2035년에는 세계 천연가스 생산의 9%를 차지하게 될 것으로 전망했다.

② 탄층매탄가스(Coalbed Methane, CBM)
석탄이 지열을 받아 가스화된 것으로 석탄층 표면에 생성·흡착되어 있는 가스다. 더 정확히는 식물성 유기물이 석탄으로 변하는 과정에서 석탄의 미세공극 표면에 흡착되어 존재하는 메탄가스다. 따라서 석탄층이 근원암이 동시에 저류암이다.
CBM의 성분은 메탄가스가 95% 이상을 차지하며 에탄, 이산화탄소, 질소, 수분 등이 포함되어 있다. 지질학적 평가가 비교적 단순해 석탄층 내 메탄가스 부존 여부와 석탄의 질을 평가해 매장량을 확인한다. 이미 상업화가 검증된 비전통가스로 전통가스전보다 개발기간이 짧고 소규모 생산시설로 생산이 가능해 수익성도 높은 편이다.
EIA는 세계 CBM 매장량을 4,000조~7,000조ft3로 추정하고 있으며, 이 양을 LNG로 환산하면 880억~1,400억t 정도 된다.
세계적으로 약 60개 국가에 석탄층이 분포하며 미국, 호주, 중국을 중심으로 현재 개발과 생산이 활발하게 진행되고 있다. 우리나라의 경우 석탄매장량은 약 15억t이며, 기술적으로 생산 가능한 CBM은 최소 1조3,000억ft3로 추정되지만, 아직까지 개발연구는 미흡한 것으로 알려지고 있다.

③ 타이트가스(Tight Gas)
경질 암반층인 사암층에 함유된 가스다. 근원암에서 생성된 가스가 치밀한 사암 또는 탄산염과 같은 저류암으로 1차 이동을 했지만, 저류층이 치밀하여 2차 이동을 하지 못한 채 갇혀 근원암에 근접해 광범위하게 분포하고 있는 상태의 가스를 의미한다.
흔히 쇄설성 또는 탄산염 퇴적층에서 주로 발견되며 셰일가스와 섞여 매장된 경우도 많다. 광범위한 지역에 넓게 분포하는 특징이 있다. 생산과정은 큰 의미에서 셰일가스와 같으며, 차이는 석유나 가스가 함유된 저류층이 셰일층인지 여부다.
타이트가스 역시 미국에서 가장 활발하게 생산되고 있으며, 미국내 매장량은 1,200조ft3로 미국내 총 천연가스 생산량 중 타이트가스가 차지하는 비중은 28%에 이른다. 세계적으로 매장량이 풍부해 캐나다, 호주, 아르헨티나, 베네주엘라, 이집트, 알제리, 중국 등에도 매장량이 많은 것으로 알려지고 있다.

④ 가스하이드레이트(Gas Hydrates)
일명 ‘불타는 얼음’으로 불리며 드라이아이스와 비슷하다. 독도 인근 동해에 많이 분포하고 있는 것으로 알려져 있다. 영구동토나 심해저의 저온과 고압상태에서 물분자와 가스분자가 결합해 형성된 얼음 모양의 고체에너지다. 간혹 천연가스 생산이 지하의 압력을 감소시켜 천연가스 저류지 위에 위치하기도 한다.
전 세계 매장량은 약 10조t으로 추정되며, 전 세계에 골고루 분포되어 있다. 현재로는 심해저에 매장되어 있어 채취하기 어렵고, 경제성도 확실하지 않아 실용화 여부는 알 수 없다.
다만, 미국, 일본, 우리나라 등을 중심으로 상업화를 위한 노력이 이루어지고 있지만 기술적 어려움과 경제성 미확보 등으로 상업적 생산에는 이르지 못하고 있는 실정이다.