College Of Engineering
서울공대 이야기
 

지구환경시스템공학

첨단 과학으로 에너지 위기에 대비한다

인류의 지속가능한 발전을 위해서는 화석 에너지로 집중되고 있는 현재의 수급구조를 개선해야 한다. 지구환경시스템공학은 기존 기술과 신기술 간의 조화를 추구한다.

에너지의 발견 이후 인류의 문명은 급격히 발전해 왔다. 초기 농경시대에는 사람의 힘만이 유일한 에너지원으로 사용됐으나 차츰 가축의 힘과 함께 자연적 힘, 즉 바람과 물을 동력으로 이용하게 됐다. 18세기 초 석탄을 에너지원으로 이용하게 되면서 산업혁명이 일어난데 이어 20세기 석유의 등장으로 비행기와 디젤엔진이 출현하는 등 인류는 급격한 산업화를 이룰 수 있었다. 그후 석유는 내연기관의 연료뿐만 아니라 화학공업의 원료로서 현대문명 사회의 중요한 에너지원으로 자리잡게 된다. 최근 조사 결과 앞으로 반세기 이상 사용할 수 있을 만큼 충분한 매장량이 있는 천연가스 또한 석유를 대체할 수 있는 양질의 연료로 평가되고 있다.

그러나 이같은 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


 2002년말 세계의 에너지원별 소비를 살펴보면 석유가 전체에너지 소비량의 37.4%, 석탄 25.5%, 천연가스 24.3%로 화석에너지가 전체의 87% 이상을 차지하고 있다. 수력과 원자력은 여기에 훨씬 못미친 6.3%와 6.5%로 매우 낮은 비중을 차지한다. 우리나라의 경우 석유 55%, 석탄 21%, 원자력 15%, 천연가스 9% 순으로 석유, 석탄, 천연가스가 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.


보고서에 따르면 지난 2000년 하루 7천5백만배럴이던 석유 수요가 자동차, 기차, 항공기 수의 폭증으로 2030년 하루 1억2천만배럴로 크게 늘어날 것으로 내다봤다. 이 보고서는 또 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.


석유 중심의 화석 에너지의 비중이 높아짐에 따라 자원 고갈과 공해문제가 전세계적인 관심사로 떠오르게 됐다. 이에 따라 각국 정부는 최근 석유를 대체할 수 있는 청정에너지인 천연가스 개발에 역점을 두고 있다. 아울러 고갈되지 않는 무공해 에너지인 재생에너지 개발에도 큰 관심을 기울이고 있다. 대표적인 재생에너지로는 태양에너지, 지열에너지, 조력, 풍력 등을 꼽을 수 있는데, 이들은 모두 깨끗하고 고갈될 염려가 없다는 공통점을 갖고 있다. 하지만 에너지 밀도가 너무 낮기 때문에 현대 산업사회가 필요로 하는 막대한 양의 에너지를 대체하기에는 역부족인 것으로 지적되고 있다. 태양열이나 풍력 또한 기후에 심한 영향을 받기 때문에 보조 발전설비없이는 경제성이나 효율성 측면에서 많은 한계가 있는 것으로 평가된다. 즉 무공해라는 긍정적인 측면보다는 대용량 에너지원으로서 아직까지 다소 부적합하다는 의견이 높다.


이같은 전후 사정 때문에 화석에너지가 자원 고갈과 공해 문제를 안고 있음에도 불구하고 석유와 천연가스는 적어도 금세기 동안 계속해서 사용될 것은 분명하다. 따라서 장기간에 걸쳐 대량으로 쓸 수 있고 환경과 인체에 주는 피해가 적으며 사용하기에 깨끗한 미래에너지를 개발하는 것은 물론, 계속해서 증가할 석유·천연가스 수요에 대비하는 노력을 결코 게을리해서는 안되는 상황이다.


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 들어 3-5%대의 안정적인 증가 형태로 안착되고 있으나 주요 선진국과 비교했을 때 여전히 높은 수준이다. 에너지 소비구조를 부문별로 살펴보면 산업, 수송, 가정, 상업, 공공 순으로 나타나며 이 중에 산업부문이 차지하는 비율이 지난해의 경우 56%에 이른다. 이는 일본과는 비슷한 수준이지만 미국, 프랑스 등 선진국보다는 높은 편이다.


특히 우리나라의 에너지 소비구조는 석유화학, 비금속광물, 1차금속 등 에너지를 소비하는 산업의 비중이 높은데 석유화학공업용 원료인 나프타를 얻는데 쓰이는 에너지 수요만 해도 16%에 달하고 있어 3-5%대의 선진국과 큰 차이를 보인다.


또한 전체 수입량의 2/3를 차지하는 원유와 천연가스 역시 전량 수입에만 의존하고 있는 형편이다. 전세계적으로 에너지에 대한 지출은 총생산액 대비 평균 7-8% 인데 반해우리나라의 경우 2002년 기준 총수입의 20.5%가 에너지를 수입하는 데 쓰였다.


문제는 국내에서 소비되는 에너지의 97% 이상이 수입에 완전 의존하고 있어 만약의 경우 심각한 사회경제 문제를 초래할 수 있다는 점이다. 특히 원유 도입량의 76%를 중동으로부터, 가스 도입량의 66%는 인도네시아로부터 들여오고 있다는 사실을 간과해서는 안된다.


따라서 국가 경제 발전의 원동력인 에너지원과 이를 효율적으로 관리하는 기술의 확보는 국가안보 차원에서 고려되야 할 중대한 국가적 과제라 할 수 있겠다.


산업혁명 이후 인류가 주로 사용해온 화석에너지는 환경오염, 온실가스 배출의 주범으로 지목돼 왔다. 국제에너지기구에서 발간한 최근 보고서는 석유제품 사용으로 인한 온실가스 배출량이 2025년에는 9억7천만t으로 전체 배출량의 43%를 차지하게 되며 이중 81%가 자동차 등 운송수단에서 발생한다고 전망했다. 가장 큰 딜레마는 온실가스의 방출이 경제성장과 함께 비례해 계속 증가한다는데 있다. 이런 문제점을 해결하려면 경제성장과 환경친화적 속성을 모두 갖춘 새로운 개념의 신·재생에너지를 개발해야만 한다. 처음엔 자연의 힘을 이용한 풍력, 태양열, 소수력, 지열, 해양에너지로만 국한됐던 신에너지의 개념은 21세기 들어서면서 수소, 연료전지, 바이오에너지, 석탄액화 가스화 등으로 확장되고 있는 추세다. 재생에너지 역시 이미 사용된 에너지원의 폐기물을 다시 에너지원으로 사용하려는 시도에서 파생된 개념이다.


신에너지 개발은 아직 걸음마 단계


 불명예스럽게도 2002년 통계 세계 10위의 온실가스 배출국으로 지정된 우리나라는 세계기후변화협약에 따라 온실가스를 감축해야 할 의무가 있다. 또한 에너지를 해외수입에 거의 의존하고 있는 상황에서 안정적인 에너지 수급을 위해 신 재생에너지에 대한 연구와 개발에 많은 투자를 해야만 하는 처지이기도 하다.


세계 에너지 공급에 관한 한 보고서에 따르면 신·재생에너지의 공급량은 2000년 기준으로 아직까지 13.8%에 머물고 있다. 이 가운데 재생에너지 자원이 절대 다수를 차지하고 있으며, 신에너지의 비율은 0.5%에 불과하다. 또 신에너지 중에서도 지열발전이 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·재생에너지 비율은 일정하거나 약간 감소하는 경향을 보이고 있다. 이같은 조사결과는 에너지 생산과 공급 자원으로서 신·재생에너지의 역할이 별로 크지 않다는 것으로, 아직까지 과도기이기 때문이라고 보는 것이 올바를 것이다. 세계 주요국들의 재생에너지 이용률만을 살펴봐도 미국이 3.4%, 캐나다 4.4%, 일본·러시아·우리나라가 각각 1.1% 정도로 매우 낮은 수준이다.


환경오염과 경제성장이라는 두마리 토끼를 잡는 하나의 대안으로서 신·재생에너지가 많은 장점을 내포하고 있다는 것은 분명한 사실이다. 하지만 전체적인 에너지 수급 구조, 현재 기술력, 향후 발전 가능성, 경제성 등을 고려한다면 가까운 장래에 도입될 것으로는 낙관하기 어렵다. 에너지 수요는 계속 늘어나고는 있으나, 관련 인프라가 제대로 구축돼 있지 않는 현재 상황에서의 전면 도입은 불가능하기 때문이다.


현대사회는 또 플라스틱으로 대표되는 인공재료의 시대다. 이런 관점에서 본다면 석유자원은 에너지원뿐만 아니라 원료자원으로서도 중요하다. 세계 에너지 수급 구조와 석유 가스 위주의 산업구조로 미뤄볼때 향후 수십년 동안 이들 화석에너지는 당분간 지배적 위치를 유지할 것으로 예상된다. 좀더 나은 미래를 위해 기술투자와 화석연료로 집중되는 에너지 수급의 비탄력성을 극복하려면 현재의 에너지 기술을 발전시키면서 동시에 소비와 절약에 관한 사회적 합의점을 찾아야 한다.


다양한 분야 전문가들의 협업 필수


 석유는 다양한 용도와 편리함 때문에 현대 사회에서 빼놓을 수 없는 핵심 에너지원이자 산업의 근간을 이루고 있다. 우리가 매일 먹는 음식, 입는 옷, 타고 다니는 차 모두 석유와 밀접한 관계가 있다. 이와 같이 석유는 지난 수십년간 산업사회의 발전에 밑거름이 됐고 지속적인 경제성장을 가능케 만든 원동력이었다. 특히 석유는 주성분인 탄화수소의 종류가 매우 많아 용도에 맞게 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 수송수단의 연료나 산업과 가정용 에너지, 석유화학공업의 기초원료로서 중요한 역할을 해왔다.


한편 천연가스는 액화과정에서 분진, 황, 질소 등 유해성분들이 제거돼 연소시 공해물질을 거의 발생하지 않는 무공해 청정에너지원으로 평가받고 있다. 천연가스는 또 공기보다 가벼워 누출돼도 쉽게 날아갈 수 있으며 발화온도가 높아 폭발 위험이 적은 안정성을 갖고 있다. 연탄, 석유 등 다른 연료에 비해 열효율이 높고 냉난방은 물론 자동차, 유리, 전자, 섬유, 금속처리 산업 등 응용분야도 다양하다. 이같은 특성 때문에 천연가스를 대형건물의 냉난방으로 이용하는 사례가 많다. 또 배관을 통해 공급되기 때문에 별도 수송 수단이나 저장공간이 필요없으며 모든 가스 기구에 사용할 수 있는 범용성을 지닌다.


최근 석유 탐사기술과 정제술이 발전하고 무공해 청정연료로서 천연가스가 각광을 받게 되면서 석유와 천연가스 소비량은 앞으로 꾸준히 증가할 것이라는 분석이 나오고 있다. 그렇다면 현재와 같은 규모로 생산할 경우 앞으로 몇년이나 더 사용할 수 있을까. 한 통계에 따르면 지금까지 확인된 바로 앞으로 우리가 캘 수 있는 석유 매장량은 2001년말 현재 1조5백억배럴, 가채년수는 40년 정도에 불과하다. 다행스러운 것은 가채년수가 비록 40년이라고 해도 석유가 40년뒤 완전 고갈될 것이라는 것을 뜻하지는 않는다. 확인매장량은 현재 기술을 적용해서 경제적으로 회수할 수 있는 양을 뜻하기 때문이다. 지금 기술로 경제적으로 회수할 수 있는 석유량이 전체 가채매장량의 1/3 정도이기 때문에 탐사 채취 기술만 계속발전한다면 얼마든지 채춰할 수 있는 매장량은 늘어나게 된다.


땅속 깊숙이 묻힌 석유나 천연가스를 찾아내는 것은 매우 어려운 일이다. 일반적으로 새로운 유전과 가스전의 발견은 여러분야 전문가들의 협력에서 나온 산물이다. 지질학자들은 매장 예상지역 일대의 표면암석 분포를 조사하고, 지구물리학자들은 지향사의 구조를 분석해서 매장 가능성이 높은 지역을 분별한 뒤 경제성 여부를 확인하는 역할을 수행한다. 지질학자와 지구물리학자들은 또 항공기, 인공위성 등 첨단 기술을 이용해서 고공에서 항공사진이나 원격 탐사자료를 수집·판독하는 지질조사와 중력·자력처럼 천연 물성이나 인공 탄성파를 이용한 물리탐사를 진행한다. 최근 컴퓨터의 발달로 3차원 탄성파를 이용한 탐사 방식이 보편화되는 추세며, 특히 지하 지질구조를 조사하는데 이 방식이 가장 유력한 방법으로 평가되고 있다.


물리탐사가 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 개발돼 자주 애용되고 있다. 시추 과정에서 일단 석유가 발견되면 개발 생산 단계로 넘어간다. 유전이나 가스전의 위치에 따라 이에 걸맞는 생산장치나 해상 플랫폼이 설치된다. 이같은 과정을 거쳐 나온 석유와 가스는 송유관이나 유조선 수송을 위한 집적 시설로 보내진다.


석유나 가스는 처음에는 밑부분에 존재하는 물의 압력으로 별다른 힘을 가하지 않아도 자연스럽게 위로 분출된다. 하지만 이렇게 자연적으로 분출되는 석유량는 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 관여하고 있으며, 이들은 서로 보완적이며 유기적인 관계를 맺고 있다.


석유 탐사를 위한 자립 기술 확보


 석유 탐사와 개발에 관한 대다수 기술들은 1,2차 석유파동을 거치면서 눈부신 발전을 거듭했다. 특히 1990년대 석유 채취 기술의 발전과 생산량의 증가는 배럴당 원유 생산비를 매년 1달러씩 끌어 내렸다. 1980년대초 배럴당 20달러였던 북해 유전의 생산비는 지금은 배럴당 10달러 이하로 떨어졌다.


하지만 새로운 대규모 유전을 발견하는 것만큼 기존 가채매장량을 늘리는 일 또한 에너지 전문가들에게는 여전히 중요한 과제다. 전세계 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 2020년까지 50%에 다다를 것으로 예측된다. 이미 북해의 몇몇 유전에서 70%의 회수율을 달성했다는 반가운 보고도 올라와 있다. 또 얼마전에는 슈퍼컴퓨터를 이용해서 수백 km2 지역의 유·가스전을 상세하게 분석할 수 있는 기술이 개발되기도 했다.


우리와 비슷한 상황의 일본은 지난 20년간 꾸준한 원유개발과 천연가스전 탐사에 참여한 결과, 국제유가 상승에 따른 에너지 충격을 능동적으로 흡수할 수 있는 체계를 마련했다. 일본이 1999년 기준으로 원유자급률을 15%까지 끌어 올렸던 반면 아직도 우리나라는 1.7%로 매우 낮은 수준에 머물고 있다. 천연가스의 공급을 해양 운송 수단에만 의존해왔던 일본은 최근 들어 러시아 지역으로부터 파이프라인을 통해 천연가스를 도입하기 위해 활발한 움직임을 보이고 있다. 일본은 이미 1970년대부터 사할린을 중심으로 러시아 동부지역에 대한 기초적인 조사를 실시한데 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 독자기술로 개발한 해외유전은 비축기지 건설에 드는 막대한 비용을 절약할 수 있고 국제 유가변동에 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 전문가의 역할과 필요성은 앞으로 더욱 높아질 전망이다.

강주명/서울대 지구환경시스템공학부 교수

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