[알쓸토지] 왜 우리는 석유를 다시 캐내는가?넷제로를 위한 징검다리, 비전통오일

[알쓸토지] 왜 우리는 석유를 다시 캐내는가?

넷제로를 위한 징검다리, 비전통오일

대학생신재생에너지기자단 29기 한정민

세계는 넷제로를 향하지만, 건설은 여전히 석유가 필요하다

전 세계적인 산업 업계 흐름은 기후위기 대응에 맞춰 탄소 중립 방향으로 흘러가고 있다. 우리나라의 경우 2050년까지 온실가스 순배출량을 ‘0’으로 만드는 넷제로를 목표로 하고 있다. 이에, 배출, 수송, 건물, 폐기물 등의 분야에서 변화의 움직임이 이뤄지고 있다. 그러나 모든 분야에서 적극적인 탈탄소화를 실현할 수 있는 것은 아니다. 특히, 토목·건설 분야는 아스팔트, 시멘트 등의 자재 배합에서 석유 사용이 아직까지는 필수적이며, 굴착기, 불도저, 덤프트럭과 같은 건설기계는 대부분 디젤 연료를 사용하고 있다.

[자료 1. 건설상품의 전 생애주기]

출처 : 한국건설산업연구원

건설상품의 전 생애주기는 다음과 같은데, 자재를 채굴하고 생산하는 시공 초기 단계에서 발생하는 내재탄소가 전체 배출의 20%라는 많은 양을 차지하고 있다. 이 단계에서 주로 아스팔트, 시멘트 등을 사용한다. 이 자재들 또한 배합하는 과정과 도로나 교량에 사용된 후에도 지속적으로 많은 양의 탄소를 배출한다. 이런 문제를 해결하기 위해 바이오 아스팔트, 저탄소 아스팔트 등 친환경 자재에 대한 연구 및 개발을 활발히 진행하고 있다. 그러나, 친환경 및 저탄소 아스팔트 경우 대형 차량의 반복 하중에 대한 소성 변형 저항성이 기존 자재 대비 최대 20~30%가량 취약하다. 수천 톤의 하중을 견뎌야 하는 교량이나 도로 같은 인프라 현장에서, 자재의 강도는 시민들의 안전과 직결되어 있다. 장기적인 내구성과 안정성이 완벽히 검증되지 않은 자재를 넷제로만을 위해 현장에 전면 도입하는 것은 리스크가 크다. 

결국 대체 자재 기술의 안정성이 확보되기 전까지, 건설 현장에서는 기존 석유 공급망의 높은 안정성에 의존할 수밖에 없다.  

넷제로를 위한 징검다리, 비전통오일 

건설업에서는 탄소 배출이 많아 지구 온난화를 가속화하지만 시민들의 안전을 위해 어쩔 수 없이 석유를 사용해야 한다. 이에, 탄소를 ‘덜’ 배출하기 위해 원료가 되는 석유를 캐낼 때 탄소 발생을 줄이는 방법을 주목하고 있다. 그리고 그 방법 중 하나가 바로 비전통오일이다. 

비전통오일의 큰 범주인 비전통자원은 기존의 전통 석유 자원과 비교해 탐사 위험도가 없고 대량으로 부존하지만, 개발 및 생산비용이 높아 개발하지 못하던 석유 자원을 말한다. 지속되는 고유가와 기술 개발로 석유가 점차 고갈되고 있지만 기후위기 속에서도 친환경 기술이 고도화되지 않고, 안정성 또한 입증되지 않은 건설업에서는 여전히 석유가 필요하다. 이에, 진정한 친환경 기술이 상용화되기 전까지 생산이 쉬운 전통 오일에서 기술 기반의 생산이 필요한 비전통오일 시대로의 확대를 추구하고 있다.

비전통오일은 셰일층과 셰일층 이외의 치밀한 저류층에 매장된 오일로, 오일샌드, 초중질유, 셰일오일 등이 여기에 속한다. 점성도가 커서 저류층 내에서 유동성이 작아 땅에 빨대를 꽂아 유전에서 뿜어져 나오는 전통적인 방식으로는 채굴이 불가능하다. 또한, 전통 오일보다 더 깊숙이 존재하기 때문에 이를 추출하기 위해서는 기술 개발이 필수적이다.

[자료 2. 비전통오일 주요 생산국]

출처 : ©29기 한정민

주요 생산국으로는 오일샌드의 캐나다, 초중질유의 베네수엘라, 셰일오일의 미국 등이 있다. 최근 우리나라는 위 생산국 중 캐나다 오일샌드를 기반으로 비전통오일을 추출하는 핵심 설비 및 요소 기술을 개발하고 상용 플랜트로서의 진출을 도모하고 있다. 캐나다 오일샌드를 생산하는데 가장 널리 사용되는 기법은 바로 증기중력배유법(steam-assisted gravity drainage, SAGD)이다. 이는 지하회수기법으로, 저류층에 고온의 스팀을 주입해 원유를 정제할 때 얻어지는 끈적한 검은색 탄화수소 물질인 비튜멘의 점성도를 낮춰 오일을 생산한다. 스팀의 주입 압력을 높여 운영을 하게 되면 단단하게 굳지 않은 모래층의 특성을 변형시켜 땅속의 암석 지붕에 금이 가거나, 지상 위의 땅이 볼록하게 솟아오르는 현상을 발생시키지만, 저류층의 투과도를 증가시켜 오일의 생산성이 증진되는 효과가 있다. 

하지만 비전통오일을 추출하는 과정에서 독성 물질과 염분이 포함되어 있어 환경 오염 문제를 일으키는 생산수가 많이 발생된다. 또한, 깊은 지하에 매장되어 있는 오일을 짜내기 위해서는 막대한 양의 고온 증기를 지하로 지속적으로 주입해야 하는데, 증기를 만드는 과정에서 방대한 양의 화석연료를 태워야 한다.

넷제로를 향한 진정한 징검다리가 되기 위해서는 채굴 과정에서의 방대한 화석연료와 생산수 발생 문제를 잡아야 한다. 이런 문제를 극복하고 환경과 효율 두 가지를 해결하도록 등장한 것이 바로 ‘ES-SAGD’이다.

환경과 효율을 잡는 ES-SAGD 기술

ES-SAGD(Expanding Solvent-SAGD) 기법은 기존 SAGD 공법에 솔벤트(용질을 녹여 용액을 만드는 용매)를 함께 주입해 증기 사용량을 줄이고 생산 효율을 향상시키는 기술이다. 증기와 솔벤트가 함께 주입되면 솔벤트가 기름에 스며들며 화학적 희석 작용이 일어나 비튜멘의 점도가 저하되게 된다. 즉, 기존처럼 많은 양의 증기 사용 없이도 기름의 유동성을 향상시킬 수 있게 되는 것이다. 이로 인해 기름 생산에 필요한 증기 사용량 자체를 획기적으로 줄일 수 있다. 이는 생산 공정 전체의 에너지 효율 향상과 함께 탄소 저감이라는 친환경적 결과로 이어진다.

[자료 3. ES-SAGD 공법]

출처 : ©29기 한정민 Gemini 생성

실제로 ES-SAGD 시뮬레이션 결과, 기존 SAGD에 비해 증기 공급량이 17.4%나 감소되었다. 필요한 증기량이 줄어든 만큼 이 증기를 생산하기 위해 발생되던 화석 연료의 연소를 줄임으로써 온실가스 배출 감소를 실현시킬 수 있게 됐다.

탄소 배출 저감뿐만 아니라 경제성과 생산성의 측면에서도 ES-SAGD의 이점은 뚜렷하다. 기술 도입 시 오일의 회수율이 증가되고, 생산량 또한 확대된다. 오일의 점도를 저하시키는 역할을 해주는 솔벤트 덕분에 오일의 유동성이 증가되어, 높은 점도로 추출하지 못했던 미세 공극 속의 오일까지 짜낼 수 있게 되어 회수율이 높아진다. 뿐만 아니라 유동성 증가로 인해 동일 시간 대비 더 많은 양의 기름을 추출할 수 있게 되어 스팀의 양은 줄고 생산성은 향상됐다. 비전통오일은 전통석유보다 더 아래에 매장되어 있기 때문에 더 높은 온도, 압력의 설비가 필요했다. 그래서 초기 건설비가 매우 높다. 하지만 ES-SAGD 공법이 들어서며 고온 고압의 스팀 문제 일부가 해결되었다. 이에, 대규모의 스팀 설비를 짓지 않아도 되기 때문에 플랜트 초기 건설비인 CAPEX를 절감할 수 있게 되었다.

결국 ES-SAGD 공법은 단순히 석유를 많이 추출하기 위한 기술이 아닌, 탄소 저감과 공정 효율 증대, 비용 절감이라는 가치를 동시에 만족시키는, 넷제로를 위한 징검다리 역할을 해준다. 그리고 실제로 국내 플랜트 기술진들은 캐나다 에너지사와 실증 협약을 체결하고, 캐나다 앨버타주의 사운 레이크 현장에서 실제 기술 검증을 성공적으로 진행시키면서 기후 위기 속 대한민국 건설 플랜트 산업이 탄소 중립에 발맞춰 나아가는 데 앞장서 나가고 있다.

현실과 타협하며 징검다리를 넘기 위해 노력하는 건설

비전통오일과 이를 추출하는 ES-SAGD 기술은 당장 석유 공급망을 끊을 수 없는 건설업계가 선택할 수 있는 가장 현실적인 넷제로 대응 방안이다. 전 생애 주기를 아우르며 완벽한 탄소 제거 혹은 적은 양의 탄소 배출은 불가능하지만, 자재의 초기 생산 단계에서 탄소를 일부 삭제했기 때문이다. 

건설업계에서도 탄소 중립을 위해 많은 노력을 하고 있다. 자재 자체에서 발생하는 탄소이 전 생애주기의 약 90%에 달하기 때문에, 재활용 아스팔트, 저탄소 아스팔트, 자가치유 콘크리트 등의 대체 자재에 대한 연구 및 개발을 활발히 진행하고 있다. 그러나 시민들의 안전 최전선에 놓여 있는 건설업계는 자재에 대한 안정성을 확실히 검증하지 않고 오로지 탄소중립만을 위해 대체 자재를 사용할 수 없다. 따라서 비록 향후 탄소 중립 달성 목표 시기가 다소 연기될지라도 탄소 중립으로의 건설 변화가 필요하고, 꼭 이뤄내겠다는 것이 건설인들의 목표이다. 

속도도 물론 중요하지만 그보다 더 중요한 것은 바로 올바른 방향성이다. 정부의 목표에 맞춰 2050년 넷제로를 건설 분야에서는 달성할 수 없을지도 모른다. 그러나 안전과 진정한 친환경이라는 두 목표를 바라보고 있는 건설 산업은 지속 가능한 미래를 반드시 구현해 낼 것이다.

비전통오일에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "농업계의 탄소중립, 바이오차로 해결할 수 있을까?", 29기 이연선, https://renewableenergyfollowers.org/climate-change/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=170402350&t=board

2. "기술은 충분하다...문제는 새고 있는 에너지다", 29기 조해나, https://renewableenergyfollowers.org/renewable-energy/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=171195881&t=board

참고문헌 

[세계는 넷제로를 향하지만, 건설은 여전히 석유가 필요하다]

1) 이홍일, "건설산업의 성공적 탄소중립 추진 전략 ", 한국건설산업연구원, 2022.10

2) 정규동, "재활용 아스팔트 포장의 균열저항성 평가 방법 조사 연구", 한국아스팔트학회지, Vol. 10, No.1, 2020.10.1

[넷제로를 위한 징검다리, 비전통오일]

1) 김민, "캐나다 앨버타 SAGD 운영광구들의 석유암반공학적 특성과 SAGD 생산성 및 저류층 조건간의 상관성 연구", KSMER, Vol.61, No.3, 2024.06.24 

2) 심지하, "오일 샌드 생산수 처리를 위한 코어레스 필터 장치 공정 최적화", 대한환경공학회

2) GS 칼텍스, "[에너지학개론] 제 10강. 비전통석유자원이란 무엇일까?", 2018.12.12, https://gscaltexmediahub.com/energy/unconventional-resources-2018-12/ 

[환경과 효율을 잡는 ES-SAGD 기술]

1) 박정규, "비전통 오일 개발 기술", http://ksme.or.kr/Newsletter/202207/data/2.%20%ED%85%8C%EB%A7%88%EA%B8%B0%ED%9A%8D.pdf 

2) 이홍철, "오일샌드플랜트 ES-SAGD 중앙처리설비의 모델링 및 경제성 평가에 관한 연구", 융복합지식학회, 제 10권, 제 1호, 2022.02.10

[현실과 타협하며 징검다리를 넘기 위해 노력하는 건설]

1) 이홍일, "건설산업의 성공적 탄소중립 추진 전략 ", 한국건설산업연구원, 2022.10 

2) 이홍일, "2050 탄소중립 시나리오 : 건설산업의 도전과 과제 ", 건설이슈포커스, 2022.01