[에너지학개론] 제11강. 석유란 무엇일까?

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[에너지학개론] 제11강. 석유란 무엇일까? | introduction to energy intro 2018 06
목차

1. 일상을 함께 하는 석유
2. 석유, 지속가능한 핵심 에너지원
3. 탄소(C)+수소(H)로 구성된 탄화수소 분자, 석유
4. 석유, 전공과 관심에 따라 다양하게 분류?!
5. 거래 지역에 따라 달라지는 원유 가격 기준

일상을 함께 하는 석유

우리는 석유와 함께 생활하다 석유와 함께 잠자고 석유와 더불어 일어난다고 말할 수 있을 정도로 석유는 우리의 일상생활과 4차 정보화 시대에 가장 중요한 에너지원이다. 매일 반복되는 우리의 일상과 업무를 위해서는 에너지가 필요하고 한국의 경우 전체 1차 에너지의 54%를 석유에서 얻는다. 과학 기술을 선도하는 미국도 ‘화석연료에 기초한 경제’라는 기본 철학으로 석유자원의 안정적 확보와 공급을 정책의 우선순위로 두고 있다. 또한 옛날이나 요즘이나 국가 간 분쟁 대부분이 석유와 연관돼 있다.

석유, 지속가능한 핵심 에너지원

우리에게 친숙한 휘발유와 석탄을 비교해보면 석유의 중요성을 더 잘 알 수 있다. 휘발유는 석탄보다 취급과 관리가 간단하고 열량이 거의 2배이다. 연소가 잘 되며 또 재가 남지 않아 내연기관의 연료로 사용할 수 있어 수송용 원료의 핵심이 된다. 또한 석유화학 공업의 다양한 원료로 사용되는 석유는 지하 저류층에 모여 있어 매우 경제적으로 대량생산을 할 수 있다. 따라서 앞으로도 핵심 에너지원으로 사용될 것으로 예상한다. 하지만 이토록 중요한 석유의 탐사와 생산 그리고 활용에 대해 일반인들은 잘 알지 못한다. 여러 가지 이유가 있겠지만, 가장 중요한 이유 중의 하나는 우리가 휘발유, 합성섬유, 플라스틱 같은 석유제품을 바로 사용하기 때문이다. 지금부터 전해주는 석유 이야기를 통해 석유의 정의와 특징 그리고 다양하게 언급되는 종류에 대하여 알아보자.

탄소(C)+수소(H)로 구성된 탄화수소 분자, 석유

석유(petroleum)의 어원은 그리스어로 암석을 의미하는 petro와 라틴어로 기름을 의미하는 oleum의 합성어로, 독일 광물학자 Georg Bauer(G. Agricola로도 알려짐)가 1546년에 출판된 책에서 처음 사용된 것으로 알려져 있다. 세계석유공학자협회(SPE)는 석유를 자연발생적으로 존재하는 탄화수소의 혼합물로 정의한다. 이는 탄소(C)와 수소(H)의 결합으로 구성된 여러 탄화수소 분자들이 아래 그림과 같이 단순히 섞여 있음을 의미한다. 분자들의 크기가 비슷하면 그 물리적 성질도 유사하기 때문에 끓는 온도를 이용하여 휘발유와 경유같이 분자량이 비슷한 성분들을 분리한 것이 석유제품이다.
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석유의 정의와 구성원소들석유는 언급한 정의에 따라 액체인 원유, 기체인 천연가스, 반고체 상태인 역청 그리고 생산과정에서 액체로 변한 응축물을 포함한다. 협의로는 액체인 원유를 지칭하며 간단히 오일이라고도 한다. 또한 더 넓은 의미로 석유는 정제를 통한 석유제품을 모두 포함하기도 한다. 한 가지 유의할 점은 저류층에 존재하는 석유 속에는 미량의 황, 질소, 이산화탄소 등이 같이 존재할 수 있으나 이들은 석유에 포함되지 않는다는 것이다.

석유, 전공과 관심에 따라 다양하게 분류?!

언급한 석유의 정의뿐만 아니라 석유는 각자의 전공과 관심에 따라 그 분류가 다양하다. 특히 미국 방송에서 언급되는 ‘가스’는 가솔린의 약어로 자동차 문화로 대표되는 미국인의 일상과 관계가 깊은 휘발유이고 원유는 오일로 표현된다. 메탄과 에탄으로 주로 구성된 진짜 가스는 ‘천연가스’로 구분한다. 요약하면, 가스 가격은 갤런(3.78 리터)당 주유소 휘발유 가격이고 오일 가격은 뉴욕 상품거래소에서 거래되는 배럴(159 리터)당 원유가격을 의미한다.
석유화학에서는 석유 구성요소의 화학식이 매우 중요하다. 각 구성 성분의 탄소-탄소, 탄소-수소의 결합에 따라 수백 가지 이상의 탄화수소로, 매우 다양하고 그 구성의 변화에 따라 수천의 제품이 탄생한다. 고등학교에서 배운 화학지식을 잠시 빌려오면, 원소 번호 6번 탄소는 다른 원소와 결합할 수 있는 4개의 고리를 가진다. 위 그림에서 볼 수 있듯이 메탄(CH4)은 하나의 탄소 원자에 4개 수소 원자가 결합한 것이다.

액화석유가스(LPG)의 주성분인 프로판(C3H8)은 3개의 탄소가 연결되고(이를 공유결합이라 함) 8개의 수소가 결합된다. 이처럼 탄소 원소가 일렬로 연결되면 화학식이 CnH2n+2가 되며 파라핀계 탄화수소라 한다. 즉 중간에 위치하는 탄소는 서로 공유결합으로 연결되어 2개의 수소와 결합하고 끝에 위치하는 두 탄소의 경우 하나의 수소를 추가로 가진다. 일반식이 CnH2n으로 표현되는 경우는 대부분 탄소가 환형으로 구성되고, 독성물질로 알려진 벤젠(C6H6)은 방향족 탄화수소로 환형의 구조에 이중 및 단일 공유결합을 구성한다.

거래 지역에 따라 달라지는 원유 가격 기준

원유는 거래되는 지역에 따라 가격 기준이 되는 벤치마크 유종이 아래 표와 같이 있다. 서부 텍사스산 원유 또는 서부 텍사스 중질유로 우리에게 잘 알려진 WTI는 품질이 중간이 아니라 밀도가 중간 정도라는 의미이다. 유체의 비중과 API 밀도는, 비중 = 141.5/(131.5+API 밀도)의 관계식이 성립하고 물의 API 밀도는 10이다. 원유에 가벼운 성분이 많을수록 API 밀도는 높아지고 그 가치는 상승한다.

결론적으로 WTI는 황 성분이 적고 밀도가 실제로는 가벼운 쪽에 속하며 미국에서 가장 품질이 뛰어나 가격의 기준이 된다. 또한 원유의 실물거래를 위해 인근에서 생산된 유사한 품질의 원유를 모은 것을 원유 스트림(crude stream)이라 하며 그 예로 아라비안 라이트(사우디 아라비아), 이란 중질유(이란), 알라스카 노스 슬로프(미국) 등 다양하다.
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마지막으로 석유는 아래 그림과 같이 전통 및 비전통 석유자원으로 분류된다. 아래 그림에서 가로축은 상대적 부존량을 나타내고 세로축은 생산의 난이도를 나타낸다. 전통적인 원유와 천연가스는 생산하기 좋은 조건에 있는 이제까지 주로 생산하던 석유이다. 비전통 석유는 총 부존량이 풍부하지만, 지층특성이나 석유 자체의 높은 점성으로 인하여 생산하기 어렵거나 적은 양으로 넓게 분포하여 경제성이 없는 자원이다. 다음 글에서는 아래 그림에 언급된 다양한 전통 및 비전통 석유자원의 특징과 영향에 대하여 알아보자.
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※ 본 콘텐츠는 서울대 에너지시스템공학부 최종근 교수로부터 기고를 받아 재구성한 것입니다.
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최종근 교수 - 서울대 에너지시스템공학부

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