Korean Chemical Engineering Research

총 설

오일샌드 고부가화기술 동향

박용기·최원춘·정순용·이철위^† 한국화학연구원석유대체연구센터

305-600 대전시유성구장동 100 (2007^년 1^월 18^일접수, 2007^년 3^월 2^일채택)

High Value-added Technology of Oil Sand

Yong-Ki Park, Won Choon Choi, Soon Yong Jeong and Chul Wee Lee^†

Alternative Chemicals/Fuel Research Center, KRICT, P.O Box 107, Yuseong-gu, Daejeon 305-600, Korea

요 약

기존의경질유가고갈됨에따라새로운자원개발이필요해지고있다. ^{석유화학산업의수요를충족하기위하여중질}

유혹은비투맨등과같은중질원료를사용하고있다. ^{비투맨은복잡하고고리가긴탄화수소의일종으로오일샌드로}

부터얻을수있는데, ^{캐나다앨버타에매장되어있는오일샌드로부터약} 8,300^{억배럴의오일을얻을수있는것으로}

추정된다. ^{본보문에서는} (1) ^오일샌드, ^비투맨, ^{중질유의기본개념}, (2) ^{오일샌드에서오일을뽑아내는방법들}, (3) ^업

그레이드하여합성원유(synthetic crude oil)^{를만드는방법}, (4) ^{기술의경제성평가등에대하여소개하고자한다}.

Abstract −As conventional light oil resources deplete, it is becoming necessary to develop unconventional resources.

To meet the demand for petrochemical industry, heavier sources such as heavy oil and bitumen are being utilized. Bitu- mens, a complex hydrocarbon made up of a long chain of molecules, are found in oil sand. It is estimated that 830 bil- lion barrels of oil are located in the oil sand in Alberta, Canada. This paper will review briefly (1) the basic concept of oil sand, bitumen, and heavy oil, (2) methods how to extract oil from oil sand, (3) methods how to upgrade to synthetic crude oil, and (4) economic evaluation of technology.

Key words: Oil Sand, Bitumen, Heavy Oil, Upgrading, Synthetic Crude Oil

1. 오일샌드(oil sand)란 무엇인가?[1]

오일샌드란원유에해당하는비투맨(bitumen), 모래(quartz sand),

점토(clay), 물및미량의미네랄로이루져있는데매장위치에따

라다소성분이다를수있으나, 75~85%의무기물질(모래, 점토, 미

네랄등), 3~5%^의물과 1~18%^{의비투맨으로이루어져있다}. ^오일

샌드의 Moh’s 강도는 7.4 정도이다[1]. 오일샌드의핵심성분이며,

고부가화가가능한비투맨은 Fig. 1에서보는바와같이물로포위

되어있기때문에(encapsulated), 다른성분들로부터쉽게분리할수

있다. ^{자연에매장되어있는비투맨은점도가높고}, ^{무겁기때문에}

적절한방법으로묽히거나, 화학적인방법을사용하여점도를낮추

어수송관을통하여정제소(refinery)까지이동시켜야한다. 이비투

맨성분은지역에따라 1~18% 범위로매장되어있는데, 보통 6%

이하비투맨을함유한오일샌드는채굴하여도경제성이부족하고, 12%이상의비투맨을함유한오일샌드가경제성이있다고알려져 있다. 대개채굴한오일샌드 2 톤에서 1 배럴(159 리터)의합성원유

(SCO, synthetic crude oil)를생산할수있다. 이비투맨은천연에서 생성되는점도가높은탄화수소의혼합물(^{상온에서물의점도를} 1 cp, 꿀의점도를 3,000 cp, 토마토캣첩의점도를 50,000 cp로보

았을때비투맨의점도는최대 5,000,000 cp 정도)로서 API 값이

8~14^o (물의경우약 10^o)이고, 평균적으로탄소 83.1%, 수소 10.1%,

산소 1.17%, ^질소 0.56%, ^황 5.14% ^{이외미량의메탄}, ^황화수소, ^니

켈, 철, 바나듐등으로이루어져있어, 탄소의함량이상대적으로매 우많은것이특징이다.

Fig. 2에는카나다앨버타지역의지질구조를나타낸것으로, 지

하수십~^{수백미터에매장되어있는오일샌드를볼수있다}.

오일샌드는 1973년제1차오일쇼크이후석유를대신할화석연 료의하나로주목받게되었다. 매장량의대부분이캐나다앨버타주 와베네수엘라의오리노코강북쪽연안에있으며, 캐나다앨버타주 의포트맥머리주변에만오일샌드형태로 1,740^{억배럴의원유가}

묻혀있을것으로캐나다정부는예상한다(^{전세계최대산유국인}

사우디아라비아의일반원유매장량은 2,640억배럴수준임). 한국 이한해에약 8억배럴을소비하니까그규모가어느정도인지짐 작할수있다. ^{오일샌드에서비투맨을뽑아내려면원유} 1 ^배럴당

†To whom correspondence should be addressed.

E-mail: [email protected]

약 20 달러의비용이필요해그동안방치되어왔다. 오일샌드는생 산방식에따라차이가있지만일반적인유전개발보다오일샌드

개발비용이 2배정도이다. 하지만, 2005년부터고유가시대가본

격적인막이올라현재 70 달러를육박하고있자, 전세계적으로오 일샌드에관심이높아지고있다.

샌드오일을더운물로처리하여비투맨을분리하고소위 “^합성원

유(SCO, synthetic crude oil)”와여타석유화학유도체를만드는데,

이때비투맨에서탄소성분을제거하거나, 수소를첨가하거나, 혹은 질소나황등과같은불순물을제거하게된다. 이렇게질이좋아진

(upgraded) ^생성물을 “^합성원유”^라고하며, ^{이는자동차용으로사용}

되는합성석유와는질적으로다르다.

2. 오일샌드에서 비투맨 성분 뽑아내기[1]

2-1.

(surface mining):

(extraction)

1883년 Geological Survey of Canada의 G.C. Hoffman이오일샌 드로부터더운물을사용하여비투맨을분리하는연구를처음시도

한이래[2], ^{지금까지꾸준히연구가진행되고있는데}, ^{일반적인절}

차는아래와같다.

2-1-1. 조건잡기(conditioning)

먼저큰덩어리의오일샌드를부수고조잡한불순물을제거한다 음, ^{더운물과혼합하여수송관을통하여추출플랜트로보낸다}. ^이 piping system을 hydrotransport라하는데, 이는오일샌드공정에서

가장흥미있는새로운발전기구이다. 이 hydrotransport는경제적이 며효율적이어서, 광산과추출플랜트사이의기존의수송시스템을 대신한다. ^{추출하는곳까지이동하는동안오일샌드의조건잡기를}

수행한다. Hydrotransport에서사용하는물은 conditioning drum 혹

은 tumbler 보다차가운물을사용하기때문에에너지소모가적다.

2-1-2. ^분리(separation)

슬러리는 PSV(primary separation vessel)로보내어져세개의층

(three layers)으로침강(settle)되며, 분리를좀더빨리이루어지게 하기위하여더운물을더넣는다. 불순한비투맨이맨윗층에거품 으로뜨게되고, ^{모래는바닥에}, ^{그리고비투맨}, ^모래, ^{점토와물이}

중간층에자리잡게된다. PSV는아랫쪽에갈퀴가있어샌드를아

래로내려오게하여분리를빠르게이루어지게한다(Fig. 3참조). 물

과혼합된모래는 tailings ponds라는곳으로펌프로이동시킨다.

2-1-3. 2차분리

Middling은점토, 모래및소량의비투맨이혼합되어있는슬러

리인데이는 2차분리과정을거치게된다. 먼저탱크속의 middling

에공기를주입하면비투맨거품(froth)^{이더형성되는데이로부터}

약 2~4%^{의비투맨을회수할수있다}. ^{이과정에서회수한비투맨}

은첫번째분리시스템으로되돌아간다. 약 80^oC의스팀을넣어과 량의공기방울을제거한다. 이때공기거품은펌프에공동현상

(cavitation)을유발하므로, 펌프의작동을원활하게하기위하여반

드시제거해야한다.

2-1-4. 거품처리(froth treatment)

비투맨거품은무게로약 30%의물, 10%의고체(주로점토)를

함유하고있기때문에거품처리플랜트혹은 counter-current decantation

vessel(Albian Sands)에서세척하게된다. 거품처리플랜트에서는납

Fig. 2. The geological structure of oil sands resource.

Fig. 3. The structure of PSV(primary separation vessel).

Fig. 1. The structure of oil sands.

사로희석시켜쉽게흐르게하여 inclined plate settler^{와원심분리기}

를거치게된다. Inclined plate settler에서는중력에의해입자가가 라앉게하고, 그다음원심분리를하게된다. 이때두종류의원심

분리과정이있는데, scroll 원심분리는고체덩어리를스크루콘베

이어를이용하여기계밖으로조악한입자를분리하게되고, disc

원심분리에서는세탁기와같은방식으로고운입자및아주작은 물방울을밖으로내보내는데이 stream을 tailing으로모은다. 이렇

게세척한(5% 이하의물을함유) 비투맨은건조시켜 0.5% 이하의

미네랄을갖게만듦으로써, ^{추출과정이종료된다}. ^이더운물-^추출

공정에서는오일샌드에서 91% 이상의비투맨을회수하게되어, 합

성원유로 upgrade 할단계에이르게된다.

2-2. In-situ technology

대부분의 in-situ 기술에서의중요한목표는경제적인방법으로비

투맨의점도를낮추어, 이동이용이하게만드는일이다. 오늘날상 업적으로사용되는 in-situ 기술은 CSS(cyclic steam stimulation), SAGD(steam assisted gravity drainage) ^등이있다. ^{현재채굴법에}

의한비투맨생산이 in-situ ^{생산법과필적하지만}, ^향후 in-situ ^법이

더많아질것이다.

CSS는고압, 고온(약 350^oC)의스팀을오일샌드가매장된곳에 주입하면, 스팀압력에의하여오일샌드덩어리가조각이나고, 스 팀의고열에의해비투맨을녹인다. ^{스팀은매립지에스며들어가}

열된비투맨이흐르게되면펌프질하여지상으로퍼올린다. 이과정 을수차례반복하여수개월내지 2년계속함으로써 CSS를완성하 게된다(Fig. 4).

SAGD^{는가장일반적인기술로서표면채굴에의해약} 20%^의오

일샌드를회수할수있는반면약 80%는 SAGD 기술에의하여오

일샌드를회수하는것으로알려져있다. SAGD는두개의평행하

고수평적인우물을굴착하여, 상단의우물에는스팀을주입하여더 운열을발생시키고, ^{이로인하여점도가높은원유의점도를낮추}

게하여아래로흘러내려오게하면하단부에위치한우물에고이

게한다. 이점도가낮아진더운원유는지상으로펌프질하여퍼올 리게된다(Fig. 5).

THAI(toe to heal air injection) 공정은 1960년대개발된기술로 서, 원유회수율이우수하며, 투자비가적고, 천연가스와물사용량 이적으며, 온난화가스발생량이적어, SAGD의단점을보강할수 있는장점을가지고있다. ^{또한이공정은더깊은지하에매장되어}

있으며, 질이낮은원료지대에서도사용이가능하다.

VAPEX(vapor extraction process) 기술은 SAGD 기술과유사하 지만, 물대신유기용매를사용하여오일샌드의점도를급격히낮출 수있는특징이있다. ^에탄, ^{프로판등과같은기화된용매를주입}

함으로써, 지하에 vapor-chamber를형성할수있게되고, 오일이중 력에의해아래로쉽게흘러내릴수있게된다. 에너지사용이적은 것이특징이다. 오일샌드에서비투맨을뽑아내는기술은아직도개 발의여지가많이남아있다.

오일샌드가앞으로대체자원으로자리잡기위해해결해야할과 제도산적해있다. 더큰걸림돌은환경오염문제다. 오일샌드에서 원유 1 리터를추출하려면물 1.8 리터가필요하다. 사용된물에는

2%의중질유가포함돼있으나이를완전히제거하는방법은아직

마련되지않았다. ^{게다가캐나다는지구온난화방지협약을비준}

해 2012년까지이산화탄소배출을대폭줄여야만한다. 이역시이

산화탄소배출량이많은오일샌드공정에큰부담이며, 채굴로인 한대기와수질오염이막대하고, 이과정에서자연친화적천연가 스의낭비및산림훼손문제등이심각하다.

3. 비투맨 화학[3,4]

비투맨은극성및비극성물질들이복잡하게결합되어있는상태 인데, 극성물질의상호작용에의하여비투맨의구조및물리적인성 질이결정된다.

캐나다 Athabasca 지역의채취된비투맨의조성을 Table 1에나

타내었다.

모든아스팔트가주로탄소와수소로이루어져있지만, 비투맨에

Fig. 4. The principle of CSS(cyclic steam stimulation).

Fig. 5. The principle of SAGD(steam assisted gravity drainage).

는소량의헤테로원자(S, N, O)가포함되어있는데, 고리화합물내 에혹은분자내작용기그룹에포함되어, 방향족화합물이극성을 갖도록하는데기여한다. 비투맨은아래와같이종류의유기화합물 의집합체라볼수있다. ^즉,

(1) 지방족화합물(aliphatics, linear or chain like molecules) (2) 고리화합물(cyclics, naphthenic ring type materials) (3) 방향족화합물(ring materials that are unsaturated)

지방족및고리화합물은 3^{차원구조를가지고있어서}, ^분자들끼

리서로떨어져있지만, 방향족화합물은평면구조를가져여러분 자가포개져겹쳐있을수있다. 이렇게다양한종류의분자들이, 헤 테로원자가존재하는상태에서혼합되어상호작용을이루면서비투 맨의성질을결정한다. ^{비투맨을단순분류}(simple fractionation) ^하

면아스팔텐(asphaltene)과말텐(maltene 혹은 petrolenes)으로나뉘 어진다.

3-1.

아스팔텐은화학적으로많은헤테로원자를가진극성작용기를 가진고도로농축된방향족화합물로이루어져있다. 이는비투맨에 선형알칸화합물을혼합하였을때침전으로분리되는부분을말하는 데사용하는알칸의종류에따라다르다. 아스팔트는비투맨중에서 가장극성이강한분자덩어리이며, ^{용매나열에의해분자들이묽}

혀질수있다. Field ionization mass spectroscopy에의하면아스팔 트는큰분자가아니라극성분자들이강하게결합되어있는형태인 것으로예상된다. 아스팔트성분의극성은헤테로원자(S, N, O)로인

하여형성된다. Table 2^{에서보듯이비투맨과중질유는비중과밀도}

로그차이를비교할수있는데, 점도와밀도는유사하지만, API gravity

는서로다르다. 비투맨과중질유는기존의경질유에비하여점도가 크며헤테로원자가상당량공존한다(Table 3). 대부분의중질유의특

성분석은주로아스팔텐에대하여연구하여왔다. ^{아스팔텐은중질유}

중에서가장분자량이큰물질이며, 벤젠에는용해되지만, n-펜텐에는 불용성이다. Athabasca 비투맨의 15~20%가아스팔텐으로이루어져 있고, 여기에는황(8~9%), 산소(2~3%), 질소(1%)를함유한다.

3-2.

(maltenes, petrolenes)

말텐은비투맨의나머지성분으로, Oil 및 Resin으로이루어져있

다. 이두성분을분리하기위하여 Clay/gel 분리법에의해이루어질 수있다. ^{노말펜탄등과같은저비점포화탄화수소에용해되는데}, ^이

것을알루미나젤또는실리카젤에침투시키면 Resin 부분만흡착되 고 Oil 성분이통과되어 Resin과 Oil이분리된다. 실리카겔에흡착

된 Resin은벤젠, 아세톤또는사염화탄소에의해용해되고실리카

겔로부터추출된다. 3-2-1. Oils

이는비투맨의액체부분이면 n-, iso-, cyclo-paraffin 및알킬화아 로마틱기를갖는농축된납센이다. ^{여기서방향족성분은} 3^개혹은 4개의납센고리를가지며비극성이다.

3-2-2. Resins

이는화학적으로아스팔텐과매우유사한데, 오일로부터아스팔 텐으로전이된것으로, ^{포화된방향족}, ^{헤테로원자를갖는방향족고}

리화합물, 헤테로원자를갖는작용기를갖는 polycyclic 분자로주 로이루어진다. 레진은아스팔텐보다극성이작아분자간상호작용 이약하다.

한편중질유의화학적인성질을이해하기위하여다양한종류의 분석기술이사용된다. ¹³C-NMR, ¹H-NMR, GC, XRD, IR, 증류등 이주로사용된다(Table 4참조). 그이외 ruthenium ion-catalyzed

oxidation (RICO), pyrolysis를사용함으로써비투맨의구조에대한

정보를알아낼수있다. ^{최근의첨단분석장비의도움을받아도비}

투맨을정확히분석하는것은불가능하나, 납사와같은좀더작은 분자량의유분은분석이가능하다.

RICO는아스팔텐의구조를분석하는데매우중요한역할을하는 데, RICO^가 1950^{년대에처음제시되기는하였지만}[5], acetonitrile

이유용한용매로사용됨이알려지기전까지는관심이없었다[6].

아세토니트릴은 RICO 반응에서생성되는중간생성물이침전으로

형성되는것을막아준다. RICO는모든방향족탄소를이산화탄소

와 polycarboxylic acid^{로산화시킨다}. ^{방향족고리에붙어있는알}

킬기는카복실산으로전환되고, 농축된방향족화합물은폴리카복 실산으로전환된다. 벤젠은이산화탄소로산화되고, 방향족고리에 붙어있는 alkyl chain은 alkanoic acid로전환된다. 표준물질을기

준으로하여 RICO ^{반응에서얻어진생성물은} GC^{로분석한다}. ^대

부분의 RICO 반응에사용되는출발물질, 생성물및화학양론에대

Table 1. Elemental composition of Athabasca bitumen

Element Composition

CH ON NiS V

83.1%

10.1%

1.17%

0.56%

5.14%

150ppm 290ppm

Tabel 2. UNITAR definitions of heavy oils and bitumens

Viscosity (mPa-s) Density (g/cc) API gravity*

Heavy oil

Bitumen 102-105

> 105 0.934-1.0

> 1.00 10-20

< 10

*API gravity = 141.5/(specific gravity at 15.6^oC)-131.5 Table 3. Properties of light and heavy crude oils

Light crude Cold Lake Athabasca Morichal

API gravity S (wt%) N (wt%) Metal (wppm)

Viscosity (m²/s*106 at 40^oC) Vacuum resid 525^oC+ (Liq. Vol%)

0.538 0.122 115

4.410 2200.4 5,000

52

4.99 2800.5 7,000

52

4.94.1 8630.8 80

하여는잘알려져있다. 그러므로 RICO 반응의최종생성물의정량 분석으로부터중질유의구조를비교적자세하게예측할수있다. 그 리고아스팔텐을열분해하여얻어지는생성물을 GC/MS로분석하 여중질유의구조에대한정보를얻을수있다[7].

이상과같은다양한종류의분석방법을통하여제시된아스팔텐 구조를 Fig. 6에나타내었다[8].

4. 비투맨 upgrading 기술[1]

Upgrading은비투맨을합성원유로전환시키는전반적인기술을

말한다. 비투맨은매우복잡한혼합물로서(약 2천개이상의탄화수 소의혼합물), ^{수소성분이탄소성분에비하여매우적어서}, ^탄소를제

거하거나수소를첨가함으로써분자구조가바뀌기도한다. Upgrading

에서얻어지는주생성물은정제과정을거쳐소비자에게돌아가는여 러가지형태의상품으로전환될수있는합성원유이다. Upgrading 과 정에는크게 4 ^{단계가있는데}, thermal conversion, catalytic conversion, distillation, hydrotreating 등이있다. Upgrading의주목적은오일샌드 에서비투맨을분리하고이로부터정제가가능한상태로만드는것이

다. Upgrading의첫번째단계는증류과정을통하여 naphtha를분리

하는것인데, ^이 naphtha^{는다른공정에서다시사용할수있다}.

4-1. Thermal conversion(coking)

길이가긴탄화수소를열을가하여작은분자로쪼개는과정

(cracking ^{이라고도함})^이며, coking^은격렬한 thermal cracking ^인데,

이때비투맨이가벼운분자혹은정제가가능한탄화수소(naphtha,

kerosene distillates, gas oil 등)로 upgrading 된다. 이과정에서코크 가부산물로생성되는데, 현재비투맨을 upgrade하기위하여 delayed coking, fluid coking 등이기술이사용되고있다.

4-1-1. Delayed coking

비투맨을 500^oC로가열하고, double-sided coker의한쪽으로펌 프로퍼올린다. 비투맨은두가지생성물로나누어진다. 즉, 고체상 태의코크와가스증기이다. ^{한쪽을코크로채우는데약} 12^시간이

소요된다. 한코크 drum이꽉차면, 가열된비투맨은두번째코크

drum에넘겨진다. 첫번째 coking drum으로부터고체상태의코크를

잘라내기위하여고압의 water drill이사용된다.

4-1-2. Fluid coking

이는 delayed coking과유사한개념의기술이지만연속공정이특

징이다. 여기에는단한개의 coking drum만존재한다. 비투맨을

500^oC^{로가열하지만}, ^{비투맨을펌프로퍼올리는대신}, coker^의전

체에고운입자의형태로분무된다. 비투맨은가스증기와코크로 나누어진다. 코크는고운입자형태로되어바닥에서부터배출된다.

코크의값어치는코크 furnace의연료인데, 이는 hydrocracking 공 정에필요한열을낸다.

4-2. Catalytic conversion

이는오일분자를더작은분자로그리고정제가가능한탄화수소 로분해하는기술이다. ^{이기술에서사용되는촉매의역할은매우}

중요하며, 두가지기능을갖는다. 즉, 하나는큰분자를작게분해 하는기능과특정의크기와모양을갖는분자만을선별하여생성하 는기능등이다. 때로접촉분해시고압의수소를가하는경우도있

는데이를 hydroprocessing^이라하며, ^{이때수소가풍부한분자로전}

환된다. 촉매에의한접촉분해기술은열분해기술보다더질이우 수한생성물을얻을수있다.

4-3.

우리에게잘알려진기술로서비투맨을비등점차이로인하여무

Table 4. How the relative concentrations of various chemical functional groups present in various catalytic hydrocracked heavy oil fractions were calculated [4]

Functional Group Quantification Method Benzene

Phenanthrene Biphenyl bridge

α-methyl

α-methylene

β-methyl

γ-methyl Chain methylene Chain methyne Naphthenic methyne Naphthenic methyl Naphthenic Methylene Benzothiophene Sulphoxide Thioether Indole Quinoline Amide

N-substituted indole Benzofuran Carboxylic acid Ketone

Aromatic hydroxyl

Mass balance on aromatic carbon

1H-NMR

Balance on aromatic substitution

13C-NMR, ¹H-NMR

13C-NMR, ¹H-NMR

13C-NMR, ¹H-NMR

13C-NMR, ¹H-NMR

13C-NMR, ¹H-NMR

13C-NMR, ¹H-NMR

13C-NMR, ¹H-NMR

13C-NMR, ¹H-NMR

13C-NMR, ¹H-NMR

13C-NMR, ¹H-NMR

13C-NMR

IR and potentiometric titration

13C-NMR

13C-NMR

13C-NMR

IR and potentiometric titration Balance on nitrogen Balance on oxygen

IR and potentiometric titration IR and potentiometric titration IR and potentiometric titration

Fig. 6. A heavy oil molecule that is consistent with current analytical information.

겁고비중이큰탄화수소(비등점이높은)는액체상태로모이고, 기 체증기는응축되어 gas oil, kerosene, naphtha가형성된다.

4-4. Hydrotreating

이공정은비투맨으로부터 gas oil, kerosene, naphtha 등을만드

는데필요한기술로서, 비투맨을고압, 300~400^oC에서수소와혼

합하여반응시키면여러종류의액상탄화수소가생성된다. 이과 정에서질소, ^{황및미량의금속등의불순물이감소되는데}, ^이는환

경적인측면과정제장치에서문제를유발시킬수있는원인을제거 한다는관점에서매우중요하다. 비투맨으로부터제조한합성원유

Fig. 7. How bitumen in oil sand is mined and processed.

는 sweet^{하기때문에정제하기가용이하다}(^여기에서 sweet^란황과

같은부식성물질함량이매우적음을뜻함).

Fig. 7은 Suncor사에서제시한자료로서오일샌드를출발물질로

하여합성원유를제조하는전과정을소개한그림이다. 그리고 Fig. 8

에는대표적인 upgrading ^{기술의종류및상대적인비중을표시하}

였는데, coking, hydroprocessing, thermal cracking 기술이 80% 이 상을차지한다.

5. 오일샌드의 경제성[9,10]

오일샌드에서비투맨을뽑아내려면원유 1 배럴당약 20 달러의

비용이필요해그동안방치되어왔다. 국제유가가 1980년대중반

이후지난 2002^{년까지배럴당} 10 ^{달러후반에서} 20 ^{달러초반을오}

르내렸기때문에오일샌드의경제성이부족하다고판단하였다. 오 일샌드는생산방식에따라차이가있지만일반적인유전개발보다

오일샌드개발비용이 2배정도이다. 하지만, 2005년부터고유가

시대가본격적인막이올라현재 70 ^{달러를육박하고있자}, ^오일샌

드에관심이높아지고있다. 중국은이미 2006년 4월중국해양석유

총공사(CNOOC)를앞세워캐나다앨버타지역에서오일샌드추출

사업을진행중인 MEG사의주식중 17% 가량을인수하며오일샌

드개발에진입하였다. 이어중국의시노팩이 6월캐나다앨버타의

Northern Lights^{의오일샌드채굴권을} 1^억 500^{만캐나다달러}(^약 871

억원)에사들였다. 외신에따르면, 시노팩은향후 5년가 45억캐나 다달러(약 3조9150억원)을투자해 10만톤/일의오일샌드를채굴할 계획이다.

앞으로 10^{년후에는비투맨의생산양이현재의} 1^백만 bpd^에서 3

백만 bpd 수준으로증가할것으로예상된다(Fig. 9참조). 북미의

crude oil 수요가현재와유사한수준을유지한다면오일샌드생산

자들은그들의생성물을팔수있는시장을찾게될것이다. 문제는 앨버타 refinery capacity^가 94%(^약 560,000 bpd) ^{가동되고있다는}

것이다. 따라서상당부분의비투맨과비투맨생성물은정제하기위 하여다른시장으로팔려나가게될것이다. 그래서문제는첫째시 장을찾는것이고, 둘째는접근가능한시장이있더라도 upgraded

SCO ^{만을취급할수도있다는점이다}. ^{오일샌드사업가는지금까}

지 partially upgraded bitumen^{을찾는고객을찾는데전혀문제가}

없었다. 이때오일샌드사업가가가진전략은다음의 4가지가가능 하다. 즉, (1) refinery를구매하는방법, (2) 특정 buyer/facility를위 한 tailoring output, (3) refiner가비투맨을업그래이드할시설을확 보할수있도록장기계약을체결하는일, (4) ^{질이우수한} SCO^를

만드는일등, 최근에는공급자들은 heavy, medium, light crude oil

refiner에필요한다양한종류의비투맨브랜드를만든다. 예를들면,

“Dilbit”는비투맨과희석제의슬러리이고, 이는수송관을통하여쉽

게공급할수있다.

한편, 오일샌드개발에필요한시설투자자금은대단하다. 대개 오일샌드프로젝트는수십억달러수준이다. 초창기에 SCO 공급가 격은 C$ 35/barrel(1980년대달러)이었지만, 그이후생산가격이급 격히하락하여, ^{공급가격이} C$ 22~C$ 28 ^수준이다. In situ ^공급가

격은 mining(채굴) 공급가격보다비싸다. CSS 추출법에의한공급

가격은 C$ 13~19, CHOPS에의한공급가격은 C$ 12~C$ 16, SAGD

에의한공급가격은 C$ 11~C$ 17 수준이다(Table 5참조). 향후세 계에너지사용이현재와유사한수준으로증가한다면, 오일샌드프

로젝트는도전해볼만한사업이다. Fig. 10^{에는오일샌드를업그래}

이드하여최종석유화학제품에되기까지의전과정및각단계에서 의제품의질에대하여간략하게소개하였다.

국내에서도 SK(주)가미국의헌트오일사와함께오일샌드개발 에참여하고있으며, ^{한국석유공사는최근미국석유회사뉴몬트로}

부터 2억5000만배럴규모의오일샌드광구를 2억7000만달러에 인수했다. 2008년생산시설을세워 2010년부터하루 3만 5000 배 럴의원유를생산할계획인데, 이는현재한국이해외에서유전등 을확보해생산하는원유(^하루 8^만 5000 ^배럴)^의 40% ^수준이다[11].

Fig. 8. Processes for primary upgrading.

Fig. 9. Annual Canadian oil production (1995-2015) (Conventional, Oil sands, and Offshore in Millions of bbls).

Table 5. Estimated operating and supply cost (by crude type at the plant gate in 2003 $CDN/bbl)

Operation Crude type Operating cost Supply cost Recovery factor (%)

Cold production,wabasca, seal Bitumen 4~7 10~14 5~15

Cold heavy oil production with sand (CHOPS), cold lake Bitumen 6~9 12~16 5~15

Cyclic steam stimulation (CSS) Bitumen 8~14 13~19 20~25

Steam assisted gravity drainage (SAGD) Bitumen 8~14 11~17 4~50

Mining and/or extraction Bitumen 6~10 12~16

Integrated mining and upgrading Synthetic 12~18 22~28

Source: national energy board (NEB)

6. 결 론

오일샌드를값어치있게하기위하여 (1) ^채굴하고(Mining), (2)

이로부터비투맨을뽑아낸후(Extraction), (3) upgrading 기술을통 하여합성원유및그에상응하는다양한석유화학제품들을만들어 야하는데, 이때얻어지는합성원유는우리가알고있는일반원유 와크게다르지않다.

오일샌드를자원화하기위하여해결해야할문제는산적해있는

데, (1) 채굴및추출을위한막대한투자비를줄이는일, (2) 추출된

비투맨의점도를낮추는문제, (3) 막대한양의천연가스사용으로

인한이산화탄소배출, (4) ^{중질유가잔존하는폐수처리문제}, (5)

채굴 후손상된 자연 산림의 복원문제, (6) 개선된 비투맨의

upgrading 기술개발등이그것이다.

전세계적으로 석유화학회사들이확보하고 있는 중질유의

upgrading ^{기술을사용하여 오일샌드를고부가화하는사업들이}

부분적으로이루어지고있으나, 천연오일샌드를자원화하기위 하여는우리나라에서도국가적인차원에서원천기술개발이절 실하다.

참고문헌

1. “The Oil Sands Story”: www.oilsandsdiscovery.com/ oil_sands_

story/facts.html.

2. “Aboriginal Innovations in Arts, Science and Technology Hand- book,” Lakehead University, Thunder Bay, Ontario, Canada(2002).

3. Holleran, G., “Compositionally Controlled Bitumen for Quality,”

VSS Technology Paper Library (www.slurry.com/techpapers.

techpapers_contribit.shtml).

4. Sheremata, Jeff M., “Molecular Modeling of Heavy Oil,” Master degree thesis, University of Alberta, Spring(2001).

5. Djerssi, C. J. and Engle, R. R., “Oxidation with Ruthenium Tetroxide,”J. Am. Chem. Soc.,

75

6. Carlson, P. H. J., Katsuki, T., Martin, V. S. and Sharpless, K. B.,

“A Great Improved Procedure for Ruthenium Tetroxide Cataly- sed Oxidations of Organic Compounds,”J. Org. Chem.

46

7.Payzant, J.D., Lown, E.M. and Strausz, O.P., “Structural Units of Athabasca Asphaltene : the Aromatics with a Linear Carbon Framework,”Energy & Fuels,

5

8. Strausz, O. P., Mojelsky, T. and Lown, E., “The Molecular Struc- ture of Asphaltene: An Unfolding Story,”Fuels,

71

M., “Additional Structural Details on Athabasca Asphaltene and Their Ramifications,”Energy & Fuels,

13

9. Engelhardt, R., “An Introduction to Development in Alberta’s Oil Sands,” School of Business at University of Alberta, Feb. 10, (2005).

10. Hirsch, T., “Treasure in the Sand : An overview of Alberta’s Oil Sands Resources,” Canada West., April(2005).

11. Yonhap News, July 24(2006).

Fig. 10. Process and product quality in the upgrading bitumen to syn- thetic crude oil followed by refining to clean fuels.