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에너지자원공학
첨단과학으로 에너지 위기 막는다
새로운 에너지를 발견할 때마다 인류의 문명은 급격히 발전해 왔다. 18세기 초 석탄을 에너지원으로 이용하게 되면서 산업혁명이 일어난 데 이어 20세기 석유의 등장으로 비행기와 디젤 엔진이 출현하는 등 인류는 급격한 산업화를 이룰 수 있었다. 그 후 석유는 내연 기관의 연료뿐만 아니라 화학공업의 원료로서 현대 문명 사회의 중요한 에너지원으로 자리잡게 되었다. 그리고 최근에는 반세기 이상 사용할 수 있을 만큼 매장량이 충분하다는 천연가스가 석유를 대체할 수 있는 양질의 연료로 평가되고 있다.
그러나 이 같은 한정된 에너지를 얼마나 효율적이고 지속적으로 사용할 수 있을지는 여전히 미지수다. 당면한 이런 문제를 해결할 수 있는 에너지 개발과 자원 관리를 위한 새로운 기술들을 알아보자.
석유, 천연가스 소비량 증가 추세_ 2002년 말 세계의 에너지원별 소비를 살펴보면 석유가 전체 에너지 소비량의 37.4%, 석탄 25.5%, 천연가스 24.3%로 화석 에너지가 전체의 87% 이상을 차지하고 있다. 수력과 원자력은 여기에 훨씬 못 미치는 6.3%와 6.5%로 매우 낮은 비중을 차지한다.
우리나라의 경우 석유 55%, 석탄 21%, 원자력 15%, 천연가스 9% 순으로 화석연료가 차지하는 비중이 세계 평균 수준과 비슷하며, 이 가운데 특히 석유와 천연가스의 소비 비중은 지속적인 증가세에 놓여 있다. 국제에너지기구는 세계 에너지 수요 증가율이 연평균 약 1.7%에 이를 것이라는 보고서를 내놓기도 했다. 이 보고서는 현재 38%인 중동산 석유의 의존율이 2030년경에는 54%로 늘어날 것으로 전망하는 한편, 전체 공급 에너지의 17%를 차지하던 원자력 발전의 비중이 9%대로 떨어질 것으로 분석했다.
이처럼 화석 에너지의 비중이 높아짐에 따라 자원 고갈과 공해 문제가 전 세계적인 관심사로 떠오르게 되었다. 이에 따라 각국 정부는 최근 석유를 대체할 수 있는 청정 에너지인 천연가스 개발에 역점을 두고 있는 한편, 고갈되지 않는 무공해 에너지인 재생 에너지 개발에도 큰 관심을 기울이고 있다.
대표적인 재생 에너지로는 태양 에너지, 지열 에너지, 조력, 풍력 등을 꼽을 수 있다. 이들은 모두 깨끗하고 고갈될 염려가 없다는 공통점을 갖고 있긴 하지만 에너지 밀도가 너무 낮기 때문에 현대 산업사회가 필요로 하는 막대한 양의 에너지를 대체하기에는 역부족이라는 문제점도 가지고 있다. 태양열이나 풍력 또한 기후에 영향을 크게 받기 때문에 보조 발전 설비 없이는 경제성이나 효율성 측면에서 많은 한계가 있는 것으로 평가된다. 무공해라는 긍정적인 측면보다는 대용량 에너지원으로서 아직까지 다소 부적합하다는 의견이 우세한 것이다.
이 같은 전후 사정 때문에, 자원 고갈과 공해라는 심각한 문제에도 불구하고 석유와 천연가스가 적어도 금세기 동안 계속해서 사용될 것은 분명하다. 따라서 장기간에 걸쳐 대량으로 쓸 수 있고 환경과 인체에 주는 피해가 적으며 사용하기에 깨끗한 미래 에너지를 개발하는 것은 물론, 계속해서 증가할 석유·천연가스 수요에 대비하는 노력을 결코 게을리 해서는 안 된다.
석유 수입 세계 4위_ 우리나라의 에너지 소비는 지난 35년 동안의 경제 발전과 소득 수준 향상에 힘입어 약 17.5배 증가했다. 현재 한국은 에너지 소비량 세계 10위, 석유 소비량 세계 6위, 석유 수입은 세계 4위에 이르고 있다. 에너지 소비 증가율은 1990년대 이후 매년 3~5% 증가하는 안정적인 형태를 유지하고 있으나 주요 선진국과 비교할 때 여전히 높은 수준이다. 에너지 소비 구조를 부문별로 살펴보면 산업, 수송, 가정, 상업, 공공 순으로 나타나며 이 중에 산업 부문이 차지하는 비율이 2002년의 경우 56%에 이른다. 이는 일본과는 비슷한 수준이지만 미국, 프랑스 등 선진국보다는 높은 편이다.
특히 우리나라의 산업 구조 가운데 석유화학, 비금속 광물, 1차 금속 등 에너지를 소비하는 산업의 비중이 높으며, 석유화학공업용 원료인 나프타를 얻는 데 쓰이는 에너지 수요만 해도 16%에 달하고 있어 3~5%에 그치는 선진국과 큰 차이를 보인다.
또한 원유와 천연가스 역시 전량 수입에만 의존하고 있는 형편이다. 전세계적으로 에너지에 대한 지출은 총 생산액 대비 평균 7~8%인 데 반해 우리나라의 경우 2002년 기준 총 수입의 20.5%가 에너지 수입에 쓰일 정도이다. 문제는 국내에서 소비되는 에너지의 97% 이상이 완전히 수입에 의존하고 있어 만약의 경우 심각한 사회 경제 문제를 초래할 수 있다는 점이다.
따라서 국가 경제 발전의 원동력인 에너지원과 이를 효율적으로 관리하는 기술의 확보는 국가안보 차원에서 고려되어야 할 중대한 과제라 할 수 있겠다.
신에너지 개발은 아직 걸음마 단계_ 산업혁명 이후 인류가 주로 사용해 온 화석 에너지는 환경 오염과 온실가스 배출의 주범으로 지목되어 왔다. 국제에너지기구에서 발간한 최근 보고서는 석유 제품 사용으로 인한 온실가스 배출량이 2025년에는 9억7000만 톤으로 전체 배출량의 43%를 차지하게 될 것이며 이중 81%가 자동차 등 운송 수단에서 발생할 것이라고 전망했다. 가장 큰 딜레마는 온실가스의 방출이 경제 성장과 비례해 계속 증가한다는 데 있다. 이런 문제점을 해결하려면 경제 성장과 환경친화적 속성을 모두 갖춘 새로운 개념의 신·재생 에너지를 개발해야만 한다. 처음엔 자연의 힘을 이용한 풍력, 태양열, 소수력, 지열, 해양 에너지로만 국한되었던 신에너지의 개념은 21세기 들어서면서 수소, 연료전지, 바이오 에너지, 석탄액화 가스화 등으로 확장되고 있는 추세다. 재생 에너지 역시 이미 사용된 에너지원의 폐기물을 다시 에너지원으로 사용하려는 시도에서 파생된 개념이다.
불명예스럽게도 세계 10위의 온실가스 배출국으로 지정된 우리나라는 세계기후변화협약에 따라 온실가스를 감축해야 할 의무가 있다. 또한 에너지를 해외 수입에 거의 의존하고 있는 만큼, 안정적인 에너지 수급을 위해 신·재생에너지 개발 연구에 많은 투자를 해야만 하는 처지기도 하다.
세계 에너지 공급에 관한 한 보고서에 따르면 신·재생 에너지의 공급량은 2000년 기준으로 아직까지 13.8%에 머물고 있다. 이 가운데 재생 에너지 자원이 절대 다수를 차지하고 있으며, 신에너지의 비율은 0.5%에 불과하다. 또 신에너지 중에서도 지열 발전이 가장 높은 비중을 차지하고 있으며 태양열과 풍력, 조력이 그 뒤를 따르고 있다. 2030년까지 추정한 에너지 공급 전망을 살펴보면 전체 에너지 공급량의 꾸준한 증가에도 불구하고 신·재생 에너지 비율은 일정하거나 약간 감소하는 경향을 보이고 있다. 이 같은 조사 결과는 에너지 생산과 공급 자원으로서 신·재생 에너지의 역할이 별로 크지 않다는 것으로, 아직까지 과도기이기 때문이라고 보는 것이 올바를 것이다. 세계 주요국들의 재생 에너지 이용률만 살펴보아도 미국이 3.4%, 캐나다 4.4%, 일본·러시아·우리나라가 각각 1.1% 정도로 매우 낮은 수준이다.
환경 보존과 경제 성장이라는 두 마리 토끼를 잡는 하나의 대안으로서 신·재생 에너지가 많은 장점을 내포하고 있다는 것은 분명한 사실이다. 하지만 전체적인 에너지 수급 구조, 현재의 기술력, 향후 발전 가능성, 경제성 등을 고려한다면 가까운 장래에 도입될 것으로는 낙관하기 어렵다. 에너지 수요는 계속 늘어나고는 있으나, 관련 인프라가 제대로 구축되어 있지 않은 현재 상황에서 전면 도입은 불가능하기 때문이다.
현대 사회는 또 플라스틱으로 대표되는 인공 재료의 시대다. 이런 관점에서 본다면 석유 자원은 에너지원뿐만 아니라 원료 자원으로서도 중요하다. 세계 에너지 수급 구조와 석유 가스 위주의 산업 구조로 미루어볼 때 향후 수십 년 동안 이들 화석 에너지는 당분간 지배적 위치를 유지할 것으로 예상된다. 좀 더 나은 미래를 위해 화석 연료로 집중되는 에너지 수급의 비탄력성을 극복하려면 현재의 에너지 기술을 발전시킴과 동시에 소비와 절약에 관한 사회적 합의점을 찾기 위해 노력해야 한다.
다양한 분야 전문가들의 협업 필수_ 석유는 다양한 용도와 편리함 때문에 현대 사회에서 빼놓을 수 없는 핵심 에너지원이자 산업의 근간이 되었다. 우리가 매일 먹는 음식, 입는 옷, 타고 다니는 차 모두 석유와 밀접한 관계가 있다. 이와 같이 석유는 지난 수십 년간 산업 사회 발전에 밑거름이자 지속적인 경제 성장을 가능케 한 원동력이었다. 특히 석유는 주성분인 탄화수소의 종류가 매우 많아 용도에 따라 거의 무한대로 분자 구성을 변화시킬 수 있고, 액체라는 특성 때문에 채취부터 사용에 이르기까지 취급이 간편하다는 장점이 있다. 또 열량이 높고 완전 연소되기 때문에 자동차, 비행기를 비롯한 각종 수송 수단의 연료나 산업과 가정용 에너지, 석유화학공업의 기초 원료로서 중요한 역할을 해 왔다.
한편 천연가스는 액화 과정에서 분진, 황, 질소 등 유해 성분들이 제거되어 연소시 공해 물질을 거의 생산하지 않는 무공해 청정 에너지원으로 평가받고 있다. 또한 천연가스는 공기보다 가벼우므로 누출된다 해도 쉽게 날아갈 수 있으며, 발화 온도가 높아 폭발 위험이 적으므로 안전성도 높다. 천연가스는 연탄, 석유 등 다른 연료에 비해 열효율이 높고 냉난방은 물론 자동차, 유리, 전자, 섬유, 금속처리 산업 등 응용 분야도 다양하다. 이 같은 특성 때문에 천연가스를 대형 건물의 냉난방에 이용하는 사례가 많다. 또 배관을 통해 공급되기 때문에 별도의 수송 수단이나 저장 공간이 필요 없으며 모든 가스 기구에 사용할 수 있는 범용성을 지닌다.
최근 석유 탐사 기술과 정제술이 발전하고 무공해 청정 연료로서 천연가스가 각광을 받게 되면서 석유와 천연가스 소비량은 앞으로 꾸준히 증가할 것이라는 분석이 나오고 있다. 그렇다면 현재와 같은 규모로 생산할 경우 앞으로 몇 년이나 더 사용할 수 있을까. 한 통계에 따르면 지금까지 확인된 바 앞으로 우리가 캘 수 있는 석유 매장량은 2001년 말 현재 1조500억 배럴, 가채년수는 40년 정도에 불과하다. 다행스러운 것은 가채년수가 비록 40년이라고 해도 석유가 40년 뒤 완전 고갈된다는 것을 의미하지는 않는다는 것이다. 확인 매장량은 현재 기술을 적용해서 경제적으로 회수할 수 있는 양을 뜻하기 때문이다. 지금 기술로 회수할 수 있는 석유량이 전체 가채매장량의 3분의 1 정도이기 때문에 탐사 채취 기술만 계속 발전한다면 채취할 수 있는 매장량은 늘어나게 된다.
땅속 깊숙이 묻힌 석유나 천연가스를 찾아내는 것은 매우 어려운 일로, 새로운 유전과 가스전의 발견은 여러 분야 전문가들의 협력에서 나온 산물이다. 지질학자들은 매장 예상 지역 일대의 표면 암석 분포를 조사하고, 지구물리학자들은 지향사의 구조를 분석해서 매장 가능성이 높은 지역을 분별한 뒤 경제성 여부를 확인한다. 또한 지질학자와 지구물리학자들은 항공기, 인공위성 등 첨단 기술을 이용해서 고공에서 항공 사진이나 원격 탐사 자료를 수집·판독하는 지질 조사와 중력·자력처럼 천연 물성이나 인공 탄성파를 이용한 물리 탐사를 진행한다. 최근에는 컴퓨터의 발달로 3차원 탄성파를 이용한 탐사 방식이 보편화되는 추세며, 특히 지하 지질 구조를 조사하는 데 이 방식이 가장 유력한 방법으로 평가되고 있다.
물리 탐사가 끝나면 그 다음 단계로 지층에 구멍을 뚫어 석유나 가스가 있는지 확인하는 시추 작업이 뒤따른다. 시추는 비트라 불리는 회전용 굴삭기를 이용해 땅속을 파내려 가면서 흙과 암반을 뚫는 작업이다. 보통은 지표면이나 바다 밑바닥에 수직 방향으로 구멍을 뚫는데, 최근엔 수평으로 뚫는 기술도 개발되어 자주 애용되고 있다. 시추 과정에서 일단 석유가 발견되면 개발 생산 단계로 넘어간다. 유전이나 가스전의 위치에 따라 이에 걸맞는 생산 장치나 해상 플랫폼이 설치된다. 이 같은 과정을 거쳐 나온 석유와 가스는 송유관이나 유조선 수송을 위한 집적 시설로 보내진다.
석유나 가스는 처음에는 밑 부분에 존재하는 물의 압력으로 별다른 힘을 가하지 않아도 자연스럽게 위로 분출된다. 하지만 이렇게 자연적으로 분출되는 석유는 전체의 20~30%에 지나지 않는다. 나머지 석유를 최대한 회수하려면 유정 안에 가스나 물을 주입하는 석유공학자들의 추가적인 작업이 뒤따라야만 한다. 이처럼 석유 생산에는 지질학자, 지구물리학자, 석유공학자 등 다양한 분야의 전문가들이 서로 보완적이며 유기적인 관계를 맺으며 참여하고 있는 것이다.
석유 탐사를 위한 자립 기술 확보_ 석유 탐사와 개발에 관한 대다수 기술들은 1,2차 석유 파동을 거치면서 눈부신 발전을 거듭했다. 특히 1990년대 석유 채취 기술의 발전과 생산량의 증가는 배럴당 원유 생산비를 매년 1달러씩 끌어내려, 1980년대 초 배럴당 20달러였던 북해 유전의 생산비는 지금은 배럴당 10달러 이하로 떨어졌다.
새로운 대규모 유전을 발견하는 것만큼 기존 가채매장량을 늘리는 일 또한 에너지 전문가들에게는 여전히 중요한 과제다. 전 세계 모든 유전의 회수율을 1%만 증가시켜도 인류가 2~3년간 사용할 수 있을 만큼의 원유를 증산하는 것과 같은 효과를 낸다. 석유공학자들의 노력으로 20년 전에는 15~20%에 불과하던 평균 회수율은 현재 30~35%까지 늘어났으며, 앞으로 2020년에는 50%에 다다를 것으로 예측된다. 이미 북해의 몇몇 유전에서 70%의 회수율을 달성했다는 반가운 보고도 올라와 있다. 또 얼마 전에는 슈퍼컴퓨터를 이용해서 수백 km2 지역의 유·가스전을 상세하게 분석할 수 있는 기술이 개발되기도 했다.
우리와 비슷한 상황의 일본은 지난 20년간 꾸준한 원유 개발과 천연가스전 탐사에 참여한 결과, 국제유가 상승에 따른 에너지 충격을 능동적으로 흡수할 수 있는 체계를 마련했다. 일본이 1999년 기준으로 원유 자급률을 15%까지 끌어 올렸던 반면 우리나라는 아직도 1.7%라는 매우 낮은 수준에 머물고 있다. 천연가스의 공급을 해양 운송 수단에만 의존해 왔던 일본은 최근 들어 러시아 지역으로부터 파이프라인을 통해 천연가스를 도입하기 위해 활발한 움직임을 보이고 있다. 일본은 이미 1970년대부터 사할린을 중심으로 러시아 동부 지역에 대한 기초적인 조사를 실시한 데 이어 1990년부터 사할린 가스전 개발 프로젝트에 본격적으로 참가해 도입선을 다변화하고 있다.
물론 우리나라도 해외 원유·천연가스전 개발에 적극적으로 참여하는 등 안정된 에너지 공급원 확보를 위한 다양한 노력을 전개해 왔다. 특히 독자 기술로 개발한 해외 유전은 비축기지 건설에 드는 막대한 비용을 절약할 수 있고 국제 유가 변동에 탄력적으로 대응할 수 있다는 점에서 매력적이다. 또한 환경친화성과 에너지 효율성 때문에 수요가 크게 늘고 있는 천연가스전 확보에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다.
문명의 발전을 위해 인류는 점점 더 많은 에너지원을 요구하고 있다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 석유와 가스를 개발하는 일에 종사하고 있는 전문가들은 최신 기술을 확보하는 데 최선의 노력을 기울여야만 한다. 안정적인 에너지원 확보는 물론 국가 경쟁력 확보 차원에서도 지구환경시스템공학을 전공한 전문가의 역할과 필요성은 앞으로 더욱 높아질 전망이다.
_ 강주명·서울대 지구환경시스템공학부 교수
P r o f I l e _
강주명 교수는 서울대 자원공학과(현 지구환경시스템공학부)를 졸업하고 1981년 미국 오클라호마대에서 공학박사 학위를 받았다. 이후 미국 Schlumber 석유연구소를 거쳐 털사대에서 조교수로 재직했으며, 현재 서울대 지구환경시스템공학부의 교수로 재직 중이다. 한국석유개발공사 기술고문, 한국석유공학회 회장과 동북아천연가스연구회 회장, 세계석유의회과학위원, 세계동북아가스포럼 부회장을 거쳤고 현재 국가에너지자문위원을 맡고 있으며, 석유공학 연구실에서 석유 개발 및 유전 평가에 관해 연구하고 있다.