셰일가스

셰일가스(Shale gas)(란 퇴적암이 형성하는 지층에 포함되어 있는 천연가스나 석유를 말한다.

개요

시추기술의 발달과 천연가스의 가격 상승으로 2000년대 들어서 셰일가스가 새로운 에너지원으로 급부상하였다. 셰일가스는 퇴적암층인 셰일층에 존재하는 천연가스로 조성은 기존의 천연가스와는 동일하다. 미국에너지정보기관에 따르면 셰일가스의 매장량은 6.622tcf로 2010년에 측정한 전통 천연가스 매장량과 비슷한 수준으로 향후 60년간 사용할 수 있는 양으로 추정하고 있다. 국제에너지기구는 셰일가스가 본격적으로 개발될 경우 세계 에너지원에서 천연가스가 차지할 경우에는 2030년에 석탄을 제치고 석유에 이어 2위가 될 것으로 전망하고 있다. 미국을 중심으로 물과 모래, 화학약품을 섞은 혼합액을 고압으로 분사하는 수압파쇄법과 수평정시추등이 사용되고 있고 미국은 셰일가스 개발 확대에 따라 천연가스 순 수입량이 점차 줄어들어 2022년부터는 천연가스 수출국으로 전환될 것으로 보인다. 중동 및 러시아 중심의 국제 가스 공급구조에 큰 변화가 일어날 것으로 보인다. 실제로 북미 지역의 2010년 셰일가스 생산량은 2000년에 비해 15.3배나 확대되었고 미국은 2009년 이후 러시아를 제치고 천연가스 1위 생산국에 등극하였다. co2배출량은 석탄대비 55%, 석유대비 70%에 불과하므로, 셰일가스와 천연가스의 사용이 기후변화 대응을 위한 하나의 대안으로 제시되고 있다.

역사

1821년 미국 뉴욕 프레도니아에 윌리엄 하트란 사람이 있었다. 그는 개울 표면에서 기포가 나오는 것을 발견하고 땅을 파기 시작하였다. 그가 첫 번째로 파내려가던 곳은 셰일층이었다. 8.2m 가량 파내려갔을 때 아주 적은 양의 천연가스가 발견되는데 그것이 최초로 발견된 셰일가스로 기록되었다. 하지만 너무 적은 양의 가스였기 때문에 윌리엄 하트는 2번의 시도를 더하게 되고 3번째 시도에 21m까지 파고 내려가자 제법 많은 천연가스가 발견되었고 파이프를 설치한 뒤 셰일에서 채취한 천연가스를 판매하기 시작였다. 이것이 최초의 상업적 천연가스 생산이었다. 그래서 윌리엄 하트는 천연가스의 아버지란 별명까지 얻게 된다. 이후 셰일가스는 미국 전역에 발견되기는 했지만 생산되는 셰일가스의 양이 너무 적어서 상업적 양산이 제대로 이루어지지 않았다. 1998년 미국의 채굴업자, 조지 미첼이 수압파쇄라는 방법을 개발하게 되는데 셰일가스의 생산량도 폭팔적으로 증가하였다. 이것이 셰일혁명의 시작이었다.

개념

천연가스는 일반적으로 전통가스와 비전통가스로 구분되는데, 셰일가스는 비전통가스 중 한 종류로 셰일층 즉,진흙이 쌓여 만들어진 퇴적암층 내에 존재하는 천연가스를 지칭하는 말이다.메탄(70%~90%)과 에탄(5%), 콘덴세이트(5%~25%) 등으로 구성된다. 천연가스는 셰일층에서 생성된 후 가스가 오랜 세월 동안 지표면 방향으로 이동해 한 군데에 고여있기 때문에 비교적 쉽게 개발할 수 있지만, 셰일가스는 전통가스와 달리 가스가 새어 나올 수 없는 암반층에 갇혀 있어 개발이 어렵다.즉, 셰일가스와 천연가스는 같은 천연가스이지만 셰일가스는 단단한 셰일층에 넓게 퍼져있어 전통적인 방법으로는 채굴이 어렵다. 이러한 특징 때문에 셰일가스는 1980년대에 발견되었으나, 수평시추 등의 채굴기술이 개발되지 않아 생산이 불가능하였다. 2000년대부터 미국의 석유공급업체 ‘Mitchell Energy & Development’ 등이 개발을 위해 노력한 결과 미국 내 생산이 가능하게 되었고, 이후 각국에서도 탐사를 본격적으로 시작하게 되었다.

매장량

유럽	폴란드	187
	프랑스	180
	노르웨이	83
북아메리카	미국	862
	멕시코	681
	캐나다	388
아시아	중국	1,275
	호주	396
	인도	63
아프리카	남아공	485
	리비아	290
	알제리	231
남아메리카	아르헨	774
	브라질	226
	칠레	64
남아메리카	아르헨	774
	브라질	226
	칠레	64
기타	-	437
합계		6,622(tcf)

채굴 방법

세일가스는 그 존재가 지난 1800년대에 처음 확인되었다. 그러나 많은 매장량에도 불구하고 이전에 셰일가스 개발이 이루어지지 않은 것은 셰일가스 개발의 비경제성 때문이다. 즉 셰일가스가 지하 깊이 매장되어 있어, 이를 개발하는데 드는 비용이 크고 추출하는 과정의 어려움으로 인해 개발이 이루어지지 않았다. 하지만 최근에는 수평시추법 (horizontaldrilling)과 수압파쇄법(hydraulic fracturing) 등 기술적 혁신으로 활발한 셰일가스 개발과생산이 진행되면서 전세계적으로 각광을 받고 있다.

수압파쇄법

수압파쇄법은 땅에서 수직으로 3~4천 미터 깊이로 착암하고, 수평으로 1~2 킬로미터 길이의 시추관을 최대 여섯 개를 설치한다. 그리고 한 개 관정당 15,000 m3에서 23,000 m3의 물과 수백만 톤의 모래, 수만 리터의 계면활성제, 조정제, 부식방지제, 살균제 등 다양한 종류의 화학물질, 셰일의 틈에서 생성된 가스, 편암이나 점판암의 불침투성 암석 등으로 구성된 혼합물을 고압으로 투입한다. 수압파쇄를 하는 회사마다 서로 다른 종류의 현탁액을 사용하기 때문에 실제로 셰일가스 채굴에 사용되는 화학약품의 종류는 다양하다. 대략 5,000 ft(1,500 m) 이상 지하에 존재하는 셰일 층까지 수직으로 지반을 뚫고, 미리 설계된 방향과 각도로 셰일 층에서 수평방향으로 지반을 뚫는다. 이렇게 셰일층에서 추출한 석유와 메탄가스와 더불어 투입한 액체의 50%가 지표면으로 나온다. 추출한 탄화수소를 분리하고 나면 함께 추출된 물질과 더불어 화학폐수를 방류한다.

수평시추법

수평시추법은 넓은 공간에 분포되어 있는 셰일가스를 채굴하기 위한 방법으로 목표지점에 도달하기 위해 미리 설계된 방향 각도에 따른 경로로 시추하는 기술이다 전통적인 천연가스의 채굴에 사용되는 기존의 수직시추법과 달리 지하 내 지반을 수평으로 시추하여 가스층과의 접촉면 ,을 넓혀 가스를 더욱 많이 회수할 수 있는 장점이 있다. 수압파쇄법은 수평시추법으로 만든 시추공 내 로 높은 점성의 모래 현탁액 을 강제 주입하고 충전하여 지하수면 아래의 대수층 틈새로 확산시킴으로써 관상의 투수대를 생성시키는 기술이다

문제점

셰일가스의 생산과정에서 추출된 물질과 더불어 화학폐수를 방류하는데 여기에는 암반에서 나온 방사성 물질과 발암물질이 함유되어있다. 또한 수압파쇄법과 수평시추법은 화학물질에 주입에 의한 지하수 오염을 야기할 수 있다. 그리고 한 개 관정당 15,000 m3에서 23,000 m3의 물이 사용되는데 석유 개발에 비해 1000배나 많은 물이 들어간다. 이러한 시추정이 미국에만 3만 개 이상이 있다. 그래서 채굴과정에서 다량의 물 사용으로 인한 수자원 고갈과 발생한 폐수의 불완전한 처리로 인한 수계의 오염 등이 발생할 수 있다. 더 큰 문제는 투입된 물 중에 서 약 15~40%는 다시 폐수의 형태로 회수되는데 이러한 폐수는 현탁액이 포함되어 잇어 화학약품 뿐 아니라 셰일가스와 같이 존재하는 지하수 내의 염분도 같이 포함된다. 독성이 높은 폐수가 한 관정당 최소 2,200 m3에서 9,200 m3이 발생한다. 셰일가스를 채굴과정에서 발생한 폐수는 지역에 따라 편차가 있으나 일반적으로 이상의 , 40,000 mg/L 높은 총용존 고형량을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 실제로 셰일가스 시추 현장 주변에 있는 지하수에서 벤젠같은 발암물질이 발견되기도 했다. 그렇게 되면 셰일가스 채굴로 인근 주민들이 물을 사용하지 못하고 잘못될 경우 화학물질이 섞인 물을 마실수도 있다. 또한 수압파쇄법과 수평치수법의 채굴 방법이 지진을 일으킨다고 한다. 셰일층을 부수고 셰일가스를 지상으로 밀어낼 때 사용된 물은 40%정도는 지상으로 회수가 되지만 나머지 60%의 물은 지하에 버려진다. 그 버려진 물이 어디로 가는지도 정확하게 파악이 되지 않고 있는데, 셰일층에 남아 있거나 그 아래 지반까지 내려가는 것으로 추정하고 있다. 결국 지층사이의 빈 공간에 채굴할때 사용되었던 물이 들어가게 되면 지층 사이의 마찰력이 떨어져서 지층이 어긋나는 현상이 일어난다. 실제로 미국 중․동부에서 2010년부터 2012년까지 3년 동안 규모3 이상의 지진이 300회나 발생했다. 따라서 환경규제가 엄격한 유럽의 국가에서는 셰일가스의 많은 매장량에도 불구하고 개발이 활발하게 진행되고 있지 못하고 있으며 미국의 경우에도 규제의 수준이 계속 높아지고 있다.

폐수 처리

미국 등 셰일가스 개발에 관심을 두는 여러 국가 기관들과 전문가들이 역류된 물을 음용수 수질의 기준에 맞춰 처리해야 한다고 주장하고 있다. 즉, 심각히 오염된 역류된 물을 국가 수질 기준을 만족할 수 있는 우수한 수질로 처리하여 인근지역 수원에 방류할 수 있도록 해야 한다는 것이다. 그런데 기존의 단순한 수처리 공정으로는 오염정도가 심각한 역류된 물을 인근 수원에 방류할 수 있는 정도의 수질로 만족시키기는 어렵다. 따라서 역류된 물의 처리를 위한 고도의 수처리 기술개발의 필요성이 대두되고 있다. 최근 다양한 수처리 기술들이 셰일가스 개발 현장에 도입되고 있다. 그러나 셰일가스 개발 지역마다 회수되는 역류된 물의 수질 성상이 다르기 때문에 보편적으로 상용화 되고 보급된 기술은 없다. 또한 셰일가스 현장 특성상, 한 곳에서 역류된 물을 처리하는 플랜트 형태의 수처리 기술은 역류된 물의 운송비용의 부담을 늘리기 때문에 불리하다. 따라서 최근에는 이동식 수처리 차량을 이용하여 물을 관리하는 방법이 선호·개발되고 있다.

심정 주입

지하 깊숙이 역류된 물을 방류하는 이 방법은 셰일가스 개발 초기부터 계속 이용되던 방법이다. 심정주입은 $ 1.5-2/barrel($ 9.4-12.6/ m3)의 값싼 비용으로 오염된 역류된 물을 지하 4000ft(1,200 m) 이하 깊이에 방류하여 환경오염을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 회수된 역류된 물을 주입관정까지 운반하는 비용이 크고, 버려진 물은 재이용이 불가능하여 장기적으로 물 부족을 야기할 수 있다는 위험이 있다. 또한 지하 깊숙이 버려지는 물은 지반약화에 의해 지진을 일으킬 위험이 크다는 의견이 제기되었고, 특히나 물 오염 규제가 엄격한 유럽에서는 이 방법을 사용할 수 없다.

재이용 방법

수처리 후 다른 관정의 셰일가스 개발을 위한 재이용 방법은 이는 총 용존 고형량 제거에 중점을 두지 않고, 박테리아, oil/grease 등과 시추공을 막을 위험성이 있는 바륨, 칼슘, 철, 마그네슘 등을 제거하는 방법이다. 이러한 오염원들을 제거하기 위해 응집/침전/여과, 염소소독 등 일반적인 수처리 공법들을 조합한 후 적용한다. 이러한 공법들은 획일화 되어있지 않고 셰일가스 지역의 역류된 물 성상과 수처리 기업마다 모두 다른 다양한 공법을 채택하고 있다. 그러나 셰일가스 개발로 인해 지하 수질 오염 규제가 강화되고 있기 때문에, 이러한 방법은 지역 주민들과 환경 전문가들의 반대에 부딪치고 있다.

이동식 증류법

이동식 증류법은 이는 예로부터 여러 산업에서 증류법이 보편적으로 사용되었기 때문에, 기술에 대한 신뢰도가 높다. 증류법은 고 총 용존 고형량의 물을 처리할 수 있다는 것이 장점이 있다. 그러나 증발기기 내에 축적되는 유기물과 고체물질들을 처리하기 어렵고, 기기 내부식의 위험성이 크다. 그리고 에너지 사용량이 높아 비용이 많이 든다는 문제가 있다.

역삼투 공법

역삼투 공법은 지역 수원 방류를 위한 고도 수처리 기술로 역삼투 공법이 개발중이다. 역삼투 공법은 최근 해수담수화 등 여러 수처리 분야에서 각광받는 고도 수처리 기술이다. 이 방법은 처리 수질이 매우 우수하고, 증발법에 비해 에너지 소비가 적어 경제성이 좋다. 그러나 역삼투 공정은 소비되는 에너지가 물의 총 용존 고형량 함량에 비례하는 단점이 있다. 역류된 물의 총 용존 고형량은 평균적으로 상당히 높기 때문에 역삼투 공정의 적용 시 에너지 사용이 커질 수 있다. 따라서 최근에는 셰일가스 역류된 물의 총 용존 고형량가 상대적으로 낮은 셰일가스 채굴 지역의 적용을 위해 다양한 연구가 시도되고 있다. 그리고 역삼투 공정을 통한 우수한 수질 확보를 위해 다른 기술들을 접목한 하이브리드 기술의 개발이 진행 중이다.

결정화법

결정화법은 결정화를 통해 총 용존 고형량을 낮추고 순수한 물을 동시에 얻을 수 있는 장점을 갖고 있다. 그에 따라 폐기해야 하는 농축 수의 양도 줄이고 높은 회수율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 결정화법은 공정 적용 비용이 매우 높은 것이 문제점이다. 따라서 최근에는 결정화법의 비용을 줄이기 위해 증류법과 결정화법의 하이브리드 시스템이 개발 중이다.

나라별

미국

미국의 셰일가스는 주로 북동지역, 남서지역 등에 분포하고 있으며, 현재 알려진 총 가채 매장량은 862Tcf로 세계 2위에 이르고 있다. 또한, 수평채굴, 수압파쇄 등 기술개발의 진보로 셰일가스 개발이 활발하게 진행되고있다. 미국의 셰일가스 생산량은 2010년 142 bcm에서 2035년에는 약 3배 정도 늘어나 385 bcm를 생산하여 전체 천연가스에서 가장 큰 비중(49%)을 차지할 것으로 전망된다. 천연가스 생산량의 증가로 자국 내 수요를 충족시킬 수 있게 됨에 따라, 알래스카 혹은 캐나다의 가스관이 다음 세대까지 필요하지 않게 되었으며, 천연가스 수입국에서 수출국으로 변모하게 되었다.

중국

1990년대에 중국은 자국의 석탄자원보다 비싸다는 이유로 천연가스 개발에 대해 회의적이었으나 2000년대에 들어 채산성이 높아짐에 따라 셰일가스 생산비율 확충, 가스 배송관 확장 등의 셰일가스 개발 정책을 추진하고 있다. 중국은 에너지원 확보와 다른 국가들과의 에너지 수입 의존도를 줄이기 위해 셰일가스 개발에 박차를 가하고 있다. 2011년 China Energy Research Society의 보고서에 의하면, 2008년에 비해 석유에너지 의존도와 천연가스 에너지 의존도가 각각 60%와 30% 씩 증가했다고 보고되었다. 이에 따라 중국은 셰일가스 개발 5년 계획을 시행하였으며, 셰일가스를 개발하고 추출하는데 필요한 기술을 습득하기 위해 미국과 협약을 맺은 바 있다. 중국은 셰일가스 탐사개발을 위한 시험지역을 지정하였으며, 사천, 충칭, 귀주,호복성 지역, 강소, 안휘, 절강에 위치하고 있다.3) 2011년 6월까지 중국은 총 16개 셰일가스 시험가스정을 시추하였으며, 그 중 10개 가스정에서 셰일가스의 일일 생산량이 2,000㎥를 초과해 개발 전망이 밝은 것으로 평가되었다.

캐나다

캐나다 에너지국(NEB)의 전망에 따르면, 기존의 재래식 천연가스 생산은 2011년 167 mcm3)에서 2035년 70.8 mcm로 감소될 것으로 예측했으며, 감소의 원인으로는 셰일가스의 생산량 확대가 주요한 역할로 작용할 것으로 보았다. 캐나다의 에너지국은 2011년 하루 13.3 mcm의 셰일가스 생산량이 연간 9% 씩 성장하여 2035년에는 20% 증가하여 하루 114 mcm를 생산할 것으로 내다보았다

셰일 혁명

오래전부터 미국 영토 내에 방대한 양의 천연가스와 석유가 셰일이라고 불리는 지하 약 3000M에 정도에 있는 두께는 얇지만 그 면적이 엄청나게 넓은 바위 층 속에 포함되어 있다는 사실을 알고 있었지만 그때 당시 기존의 기술로는 채굴이 불가능하였고, 채글을 한다고 해서 채산성이 맞지않아서 외국에 석유를 수입하는 것에 의존하였다. 하지만 지구의 석유는 곧 고갈될것이고 채굴해 내기 힘든 석유자원을 더 개발할 수 있다고 하더라도 그것은 지구의 환경을 망가트릴 것으로 미래에 참담한 결과를 초래할것이라고 주장이 제기되었다. 2008년 조지 미첼이 개발한 수압파쇄공법으로 셰일가스를 채굴하는 것을 성공하였고 이것이 셰일혁명의 시작이었다. 수압파쇄공법으로 셰일가스 생산에 힘입어 미국은 가스 생산에서 러시아를 앞질러 세계 1위 가스 생산국이 되었고 석유와 가스를 수입하는 나라에서 수출하는 나라가 된것이다. 처음에는 셰일가스의 채산성, 환경문제를 가지고 시비를 거는 세력이 있었지만 기술이 발전하면서 더 싼 값으로 더 많은 가스와 석유를 퍼올렸다. 미국 땅에서 쏟아져 나오는 석유와 가스의 생산량 증가는 예상을 훨씬 넘어 혁명 수준에 이르고 있었다. 2014년에는 셰일 혁명의 효과가 눈에 보이기 시작한 시기였고 2014년 3분기 경제 성장률은 5%에 이르렀다. 미국은 셰일 기업들이 대규모 개발에 나서면서 2017년 무렵에는 중동국가와 러시아를 제치고 최대 산유국이자 원유 수출국이 되었고 미국 역시 셰일 혁명과 에너지 독립을 자랑스럽게 생각하였다. 하지만 코로나19로 인하여 전세계 에너지 수요가 급감한 3월6일 '석유 증산 전쟁'을 시작했다. 그래서 국제유가는 폭락을 하였다. 그래서 셰일가스의 생산량은 감소세로 접어들었다. 사실상 코로나19 사태로 인하여 셰일 혁명은 끝이 났다는 전망이 나오고 있다.