오일 셰일

1. 개요

오일 셰일은 사프로펠 연료 그룹에 속하는 유기물이 풍부한 퇴적암으로, 열분해 시 액체 유기 생성물을 생성하는 특징을 보인다. 지질학적 정의는 명확하지 않으며, 광물 함량, 화학 조성, 케로젠 유형에 따라 다양하다. 오일 셰일은 전 세계적으로 매장되어 있지만, 경제성이 있는 매장지는 제한적이다. 인류는 선사 시대부터 오일 셰일을 연료로 사용해 왔으며, 19세기에는 등유, 파라핀 왁스 생산에 활용되었다. 현재는 브라질, 중국, 에스토니아 등에서 산업적으로 활용되며, 발전, 오일 생산, 시멘트 생산 등에 사용된다. 오일 셰일 추출은 노천 채굴 또는 지하 채굴 방식으로 이루어지며, 열분해 과정을 통해 셰일 오일을 얻는다. 오일 셰일의 활용은 다양한 환경 문제를 야기하며, 온실 가스 배출과 수질 오염을 유발한다.

2. 지질학적 특성

오일 셰일은 사프로펠 연료 그룹에 속하는 유기물이 풍부한 퇴적암이다. 명확한 지질학적 정의나 화학식이 없으며, 층의 경계가 불분명한 경우가 많다. 광물 함량, 화학 조성, 시대, 케로젠 유형, 퇴적 기록에 따라 다양하게 분류되며, 모든 오일 셰일을 엄밀한 의미에서 셰일로 분류할 수 있는 것은 아니다. 울런공 대학교의 광물학자인 에이드리언 C. 허튼에 따르면, 오일 셰일은 "지질학적 또는 지구화학적으로 독특한 암석이 아니라 '경제적' 용어"이다. 일반적인 정의는 저비점 유기 용매에 대한 낮은 용해도와 열분해 시 액체 유기 생성물을 생성한다는 것이다. 지질학자들은 조성에 따라 탄산염이 풍부한 셰일, 규질 셰일 또는 카넬 셰일로 분류한다.

오일 셰일은 오일 샌드 및 석유 저장 암석과 같은 비전통적인 자원, 부식질 석탄, 탄소질 셰일과는 다르다. 오일 샌드는 석유의 생분해에서 유래하지만, 열과 압력은 오일 셰일의 케로젠을 석유로 (아직) 변환시키지 못했으며, 이는 성숙이 초기 중간변성 작용을 초과하지 않음을 의미한다.

일반적인 조성은 무기 매트릭스, 역청질, 케로젠으로 구성된다. 역청질 부분은 이황화 탄소에 용해되지만, 케로젠 부분은 이황화 탄소에 용해되지 않으며 철, 바나듐, 니켈, 몰리브덴, 우라늄을 포함할 수 있다. 석탄보다 유기 물질의 비율이 낮다. 상업용 오일 셰일 등급에서 유기 물질과 광물 물질의 비율은 대략 0.75:5에서 1.5:5 사이이다. 오일 셰일의 유기 물질은 원유보다 약 1.2~1.8배 낮고 석탄보다 약 1.5~3배 높은 원자 비율의 수소 대 탄소(H/C)를 갖는다. 유기 성분은 조류, 포자, 꽃가루, 식물 큐티클 및 코르크 조각을 포함한 다양한 유기체에서 유래한다. 초본 및 목본 식물, 기타 수생 및 육상 식물의 세포 잔해도 포함된다. 일부 퇴적물에는 화석이 많이 포함되어 있으며, 독일의 메셀 구덩이는 유네스코 세계 문화 유산으로 지정되었다. 광물질에는 다양한 미세 입자 규산염과 탄산염이 포함된다. 무기 매트릭스는 석영, 장석, 점토 (주로 일라이트 및 녹니석), 탄산염 (방해석 및 백운석), 황철석 및 기타 일부 광물을 포함할 수 있다.

van Krevelen 다이어그램으로 알려진 또 다른 분류는 원래 유기 물질의 수소, 탄소, 산소 함량에 따라 케로젠 유형을 할당한다. 1987년에서 1991년 사이에 에이드리언 C. 허튼이 개발한 가장 일반적으로 사용되는 분류는 석탄 용어에서 암석학 용어를 적용한다. 이 분류는 초기 생물량 퇴적 환경을 기반으로 육상, 호수(호수 바닥에 퇴적됨), 해양(해양 바닥에 퇴적됨) 오일 셰일로 구분한다. 알려진 오일 셰일은 주로 수생(해양, 호수) 기원이다. 허튼의 분류 체계는 추출된 오일의 수율과 조성을 추정하는 데 유용하다.

3. 자원 및 매장량

오일 셰일은 대부분의 기존 석유 저장소의 근원암으로서, 전 세계 석유 생산 지역에서 발견되지만, 대부분은 경제적으로 채굴하기에는 너무 깊이 묻혀 있다. 모든 석유 및 가스 자원과 마찬가지로, 분석가들은 오일 셰일 자원과 오일 셰일 매장량을 구분한다. "자원"은 모든 오일 셰일 매장지를 지칭하는 반면, "매장량"은 생산자가 기존 기술을 사용하여 경제적으로 오일 셰일을 추출할 수 있는 매장지를 나타낸다. 추출 기술이 지속적으로 개발됨에 따라, 계획자는 회수 가능한 케로젠의 양만 추정할 수 있다. 오일 셰일 자원은 많은 국가에서 발견되지만, 잠재적 경제적 가치가 있는 매장지를 보유한 국가는 33개국에 불과하다.

잠재적으로 매장량으로 분류될 수 있는 잘 탐사된 매장지에는 미국 서부의 그린 리버 층, 호주 퀸즐랜드의 제3기 매장지, 스웨덴과 에스토니아의 매장지, 요르단의 엘-라준 매장지, 프랑스, 독일, 브라질, 중국, 몽골 남부 및 러시아의 매장지가 있다. 이러한 매장지는 피셔 검정을 사용하여 오일 셰일 1톤당 최소 40L의 셰일 오일을 생산할 수 있을 것이라는 기대를 낳았다.

2016년 추정치에 따르면 전 세계 오일 셰일 자원의 총량은 셰일 오일 6.05Toilbbl에 해당하며, 최대 자원 매장량은 미국에 있으며, 이는 전 세계 총 자원의 80% 이상을 차지한다. 같은 시기에 전 세계 석유 매장량은 1.6976Toilbbl로 추정된다. 세계 최대 매장량은 콜로라도, 유타, 와이오밍 일부를 포함하는 그린 리버 층에 위치해 있으며, 이 자원의 약 70%는 미국 연방 정부가 소유하거나 관리하는 토지에 있다. 미국의 매장량은 전 세계 자원의 80% 이상을 차지하며, 다른 주요 자원 보유국은 중국, 러시아, 브라질이다. 경제적으로 회수 가능한 오일 셰일의 양은 알려져 있지 않다.

오일 셰일에 포함된 유기물은 담수호의 조류가 많다고 여겨진다. 따라서 유전 지대보다는 탄전 지대에 많이 산출된다.

2005년 전 세계 오일 셰일의 추정 매장량은 2800~3300이다. 이는 2007년 1월 1일 현재 1.317Toilbbl라고 하는 원유 매장량을 초과한다.

4. 역사

인류는 선사 시대부터 오일 셰일을 연료로 사용해 왔다. 기원전 3000년경, 메소포타미아에서는 "암석 오일"을 도로 건설 및 건축용 접착제 제작에 사용했다. 켈트 브리튼인은 철기 시대에 오일 셰일을 가공하여 장례용 돌상자를 만들거나, 장식품을 만들었다.

10세기에는 아랍 의사 마사위 알-마르디니(젊은 메수에)가 "어떤 종류의 역청질 셰일"에서 오일을 추출하는 방법을 설명했다. 1694년에는 마틴 일, 토마스 핸콕, 윌리엄 포트락이 오일 셰일에서 오일을 추출하는 방법에 대한 영국 왕실 특허 330호를 받았다.

오일 셰일의 현대적인 산업 채굴은 1837년 프랑스 오텡에서 시작되었고, 이후 스코틀랜드, 독일 및 여러 다른 국가에서 개발되었다. 19세기에는 등유, 램프 오일 및 파라핀 왁스 생산에 집중되었는데, 이는 산업 혁명으로 인해 조명에 대한 수요가 증가했기 때문이다. 스코틀랜드 오일 셰일 산업은 제1차 세계 대전 직전에 확장되었는데, 이는 기존 석유 자원에 대한 접근이 제한적이었고, 휘발유 소비 증가와 함께 자동차 및 트럭의 대량 생산이 있었기 때문이다.

제2차 세계 대전 이후 에스토니아와 중국에서는 오일 셰일 산업이 계속 성장했지만, 다른 대부분의 국가들은 높은 가공 비용과 더 저렴한 석유 때문에 프로젝트를 포기했다. 1973년 석유 파동 이후, 오일 셰일의 세계 생산량은 1980년에 4,600만 톤으로 정점에 달한 후, 1980년대 석유 과잉으로 인해 2000년에는 약 1,600만 톤으로 감소했다.

1982년 5월 2일, "검은 일요일"로 알려진 날에 엑손모빌(Exxon)은 저유가와 비용 증가로 인해 콜로라도주 파라슈트 근처의 5 규모의 콜로니 셰일 오일 프로젝트를 취소하고 2,000명 이상의 노동자를 해고했다. 1986년 로널드 레이건 대통령은 1985년 통합 옴니버스 예산 조정법에 서명하여 미국의 합성 액체 연료 프로그램을 폐지했다.

21세기 초, 오일 셰일 개발이 다시 주목받기 시작했다. 2003년, 미국에서 오일 셰일 개발 프로그램이 재개되었다. 2005년 2005년 에너지 정책법에 따라 연방 토지에서 오일 셰일 및 오일 샌드 추출을 허용하는 상업 임대 프로그램이 도입되었다.

5. 산업

2008년 기준으로 오일 셰일은 주로 브라질, 중국, 에스토니아에서 산업적으로 활용되며, 일부 독일과 러시아에서도 사용된다. 몇몇 다른 국가들은 매장량을 평가하거나 실험 생산 시설을 건설하고 있으며, 다른 국가들은 오일 셰일 산업을 단계적으로 폐지했다. 오일 셰일은 에스토니아, 브라질, 중국에서 오일 생산에 사용되며, 에스토니아, 중국, 독일에서는 발전에, 에스토니아, 독일, 중국에서는 시멘트 생산에, 중국, 에스토니아, 러시아에서는 화학 산업에 사용된다.

2009년 기준으로 전 세계적으로 사용되는 오일 셰일의 80%는 에스토니아에서 추출되는데, 이는 에스토니아에서 여러 오일 셰일 발전소를 사용하기 때문이다. 이 발전소들의 설치 용량은 2,967 메가와트(MW)이다. 이에 비해 중국의 오일 셰일 발전소는 12 MW, 독일의 발전소는 9.9 MW의 설치 용량을 가지고 있다. 2020년 현재 요르단에서는 470 MW 규모의 오일 셰일 발전소가 건설 중이다. 이스라엘, 루마니아, 러시아는 과거에 오일 셰일을 연료로 사용하는 발전소를 운영했지만, 이를 폐쇄하거나 천연 가스와 같은 다른 연료원으로 전환했다. 이집트 등 다른 국가들은 오일 셰일을 연료로 하는 발전소 건설 계획을 가지고 있었으며, 캐나다와 터키는 전력 생산을 위해 오일 셰일과 석탄을 함께 연소하는 계획을 가지고 있었다. 오일 셰일은 2016년 에스토니아 발전량의 90.3%가 오일 셰일에서 생산될 정도로 에스토니아에서만 주요 발전 연료로 사용된다.

세계 에너지 협의회에 따르면, 2008년 오일 셰일에서 생산된 총 셰일 오일은 930,000 톤으로, 17700oilbbl/d에 해당하며, 이 중 중국이 375,000 톤, 에스토니아 355,000 톤, 브라질이 200,000 톤을 생산했다. 이에 비해 2008년 전통적인 오일 및 천연 가스 액체 생산량은 39억 5천만 톤 또는 82.1Moilbbl/d에 달했다.

6. 추출 및 가공 기술

오일 셰일의 유용한 성분을 추출하는 것은 일반적으로 지상에서 이루어지지만(ex-situ 처리), 여러 신기술은 지하(현장 또는 in-situ 처리)에서 이 작업을 수행한다. 어느 경우든, 열분해의 화학적 과정은 오일 셰일의 케로겐을 셰일 오일(합성 원유)과 셰일 오일 가스로 변환한다. 대부분의 변환 기술은 산소가 없는 상태에서 셰일을 케로겐이 분해(열분해)되어 가스, 응축성 오일 및 고체 잔류물이 되는 온도로 가열하는 것을 포함한다. 이것은 일반적으로 450°C와 500°C 사이에서 발생한다. 분해 과정은 비교적 낮은 온도(300°C)에서 시작하지만, 더 높은 온도에서 더 빠르게 그리고 더 완전하게 진행된다.

In-situ 처리는 지하에서 오일 셰일을 가열하는 것을 포함한다. 이러한 기술은 표면 채굴보다 더 깊은 깊이에서 물질에 접근할 수 있으므로, 주어진 토지 면적에서 ex-situ 공정보다 더 많은 오일을 추출할 수 있다. 여러 회사에서 in-situ 레토르트에 대한 방법을 특허받았지만, 대부분은 실험 단계에 머물러 있다. 두 가지 in-situ 공정을 사용할 수 있는데, 진정한 in-situ 공정은 오일 셰일을 채굴하지 않지만, 변형된 in-situ 공정은 오일 셰일의 일부를 제거하여 가스 흐름의 투과성을 만들기 위해 변형된 in-situ 레토르트 처리를 위해 표면으로 가져온다. 폭발물은 오일 셰일 매장층을 파쇄한다.

오일 셰일 레토르트 기술에 대한 수백 개의 특허가 존재하지만, 수십 개만 테스트를 거쳤다. 2006년까지 상업적으로 사용되는 기술은 Kiviter, Galoter, Fushun, Petrosix 뿐이었다.

7. 활용 분야 및 제품

오일 셰일은 열병합 발전을 포함한 발전 연료로 사용된다. 2009년 기준으로 전 세계 오일 셰일의 80%는 에스토니아에서 추출되었으며, 에스토니아에는 여러 오일 셰일 발전소가 가동 중이다. 이 발전소들의 설치 용량은 2,967 메가와트(MW)이다. 2016년 에스토니아 발전량의 90.3%가 오일 셰일에서 생산될 정도로, 오일 셰일은 에스토니아에서 주요 발전 연료로 사용된다.

오일 셰일은 또한 다음과 같은 다양한 제품 생산에 활용될 수 있다.
* 특수 탄소 섬유
* 흡착 활성 탄소
* 카본 블랙
* 페놀
* 수지
* 접착제
* 태닝제
* 매스틱
* 도로 아스팔트
* 시멘트
* 벽돌
* 건축 및 장식 블록
* 토양 첨가제
* 비료
* 암면 단열재
* 유리
* 제약 제품

이러한 품목 생산에 오일 셰일을 사용하는 것은 아직 소규모이거나 실험적 개발 단계에 머물러 있다.

일부 오일 셰일에서는 다음과 같은 부산물을 얻을 수 있다.
* 황
* 암모니아
* 알루미나
* 탄산나트륨
* 우라늄
* 나콜라이트

셰일 오일은 정제를 거쳐 등유, 항공유, 디젤 연료와 같은 중간 증류 제품으로 활용될 수 있다. 수소 크래킹과 같은 정제 공정을 통해 셰일 오일을 가솔린과 같은 더 가벼운 탄화수소로 변환할 수도 있다.

8. 경제성

셰일 오일 생산 비용은 원유 가격에 따라 경제성이 결정된다. 2005년 랜드 연구소(RAND Corporation)의 조사에 따르면, 미국에서 셰일 오일 1배럴을 생산하는 비용은 70USD~95USD(440USD/m³~600USD/m³) 사이였다. 이 값은 케로젠의 품질 및 추출 효율에 따라 달라진다. 사업으로 채산성을 맞추기 위해서는 원유 가격이 이보다 높아야 한다. 생산량 증가에 따라 생산 비용이 감소할 수 있다는 예측도 있다. 생산량이 5억 배럴(79×10⁶ m³)을 넘으면 생산 비용이 35~70% 감소할 것으로 예상되며, 생산량이 하루 25000bbl/d씩 매년 증가하면 12년 안에 1배럴당 35USD–48USD(220USD/m³–300USD/m³)까지 가격이 내려갈 것으로 예상된다. 또한 10억 배럴(1.6×10⁸ m³)을 넘으면 1배럴당 30USD–40USD(190USD/m³–250USD/m³)까지 가격이 내려갈 것으로 예측되었다.

2010년 국제 에너지 기구는 다양한 파일럿 프로젝트를 기반으로 투자 및 운영 비용이 캐나다 오일 샌드와 유사할 것이라고 추정했는데, 이는 현재 비용에서 배럴당 60USD 이상의 가격에서 경제적일 것이라는 의미이다. 그러나 이 수치는 탄소 가격을 고려하지 않았으며, 탄소 가격은 추가 비용을 더한다. 세계 에너지 전망 2010에 따르면, 배출된 1톤당 50USD의 탄소 가격은 셰일 오일 배럴당 7.5달러의 추가 비용을 더한다.

오일 셰일의 경제성을 판단하는 중요한 척도는 셰일에서 생산되는 에너지와 채굴 및 처리에 사용되는 에너지의 비율(EROI, 에너지 투자 수익률)이다. 1984년 연구에 따르면 다양한 오일 셰일 매장량의 EROI는 0.7~13.3 사이로 다양하게 나타났다.

9. 환경 문제

오일 셰일 채굴은 다양한 환경에 영향을 미치는데, 지하 채굴보다 지표 채굴에서 더 심각하다. 여기에는 산성 배수, 수은 등 금속 유입, 침식 증가, 황 가스 배출, 입자상 물질로 인한 대기 오염 등이 포함된다.

오일 셰일 추출은 채굴 지역 토지와 생태계의 가치를 손상시킬 수 있다. 연소 및 열처리 과정에서 폐기물이 발생하며, 이산화탄소 등 온실 가스도 배출된다. 환경론자들은 오일 셰일 생산 및 사용이 기존 화석 연료보다 더 많은 온실 가스를 생성한다며 반대한다. 실험적인 현장 변환 공정 및 탄소 포집 및 저장 기술은 일부 문제를 줄일 수 있지만, 지하수 오염 등 다른 문제를 야기할 수 있다. 오일 셰일 가공 관련 수질 오염 물질에는 퀴놀린 유도체, 피리딘, 피콜린, 루티딘 등 알킬 동족체의 피리딘과 같은 산소 및 질소 헤테로고리 탄화수소가 있다.

물 문제는 미국 서부, 이스라엘 네게브 사막 등 물 부족 지역에서 오일 셰일 추출 확대를 계획할 때 민감한 문제이다. 지상 레토르트는 셰일 오일 1배럴당 1~5배럴의 물을 사용한다. 미국 토지 관리국의 2008년 환경 영향 평가에 따르면 지표 채굴 및 레토르트 작업에서 오일 셰일 약 907.18kg당 2USgal ~ 10USgal의 폐수가 생산된다. 현장 처리는 약 10분의 1 정도의 물을 사용한다는 추정도 있다.

환경 운동가들은 오일 셰일 산업에 대해 강력하게 반대하며, 그린피스 회원들이 시위에 참여하기도 했다. 퀸즐랜드 에너지 자원은 2004년 호주에서 제안된 스튜어트 오일 셰일 프로젝트를 보류했다.

오일 셰일, 특히 노천 굴착은 환경에 악영향을 미친다. 급격한 채굴이나 지중 연소로 중금속 포함 폐수가 발생하여 하천, 지하수를 오염시킨다. 침식, 황성 가스, 분진에 의한 대기 오염도 발생한다. 2002년 에스토니아에서는 대기 오염의 97%, 수질 오염의 23%, 전체 오염의 86%가 오일 셰일, 오일 셰일 가스를 연료로 사용하는 발전소에서 발생했다.

유해 물질 포함 배수는 지중 깊은 유정에 폐기되는데, 지질학상 지질 단층에 액체를 주입하면 암괴 윤활유가 되어 지진을 유발할 수 있다. 지진 피해자로부터 굴착 사업자가 소송을 당하는 사례가 발생하고 있다. 오클라호마주에서 소송이 진행 중이며, 아칸소주에서는 BHP 그룹과 체서피크 에너지가 2013년에 비공개 배상액으로 화해했다. 아칸소와 오하이오주에서는 일부 지역에 배액 주입을 금지하고 있다.

오일 셰일, 오일 셰일 가스 공업은 채굴 지역 생태계에 악영향을 미친다. 연소와 가열로 유해 물질이 발생하고, 온실 기체도 대량 발생하는데, 이는 다른 화석 연료보다 많다. 일부 언론은 이산화 탄소 배출량이 25% 적다고 보도하지만, 단위 열량으로 환산하면 석유나 천연 가스보다 많아 많은 과학자가 채굴과 이용에 반대한다.

미국에서는 2007년 제정된 에너지 자급·안전 보장법(:en:Energy Independence and Security Act of 2007) 제526조에 따라, 생산 과정에서 일반 석유보다 많은 온실 기체를 발생하는 유를 미국 정부 기관이 구입하는 것이 금지되었다.

현재 기술로는 셰일 오일 1 배럴 생산에 1~5 배럴의 물이 필요하다. 2007년 미국 토지 관리국(:en:Bureau of Land Management)의 환경 영향 평가서(:en:environmental impact statement)에 따르면, 노천 굴착으로 1톤의 오일 셰일을 처리하는 데 8L ~ 38L 정도의 물이 소비된다. 지중에서 처리하는 방법을 사용하면 그 10분의 1이 필요할 것으로 예상된다. 물 부족 지역인 미국 서부나 이스라엘 네게브 사막 등에서 오일 셰일 산업 확대 계획이 제기되고 있다.

10. 외계 오일 셰일

일부 혜성은 고품질 오일 셰일과 거의 동일한 유기 물질을 대량 함유하고 있는데, 이는 다른 물질과 혼합된 수 세제곱 킬로미터에 해당하는 양이다. 예를 들어, 1986년 핼리 혜성의 꼬리를 통과하는 탐사선의 비행에서 해당 탄화수소가 감지되었다.