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[김해창 교수의 에너지전환 이야기] <43>석탄자원의 문제점과 과제를 말한다

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  •  |  입력 : 2018-05-14 09:15:29
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“석탄은 사형대 앞에 서 있는 꼴(Coal is a dead man walkin’)”.

2011년 1월 3일자 미국 <워싱턴포스트>지에 실린 ‘저물어 가는 석탄 시대’라는 특집기사에 도이체은행 글로벌 자산관리 대표인 켈빈 파커(Kevin Parker) 씨가 한 말이다. 그는 은행은 더 이상 이들에게 자금을 대주지 않을 것이다. 보험회사 또한 그럴 것이라고 강조했다.

2010년에 미국 내에서 석탄화력발전소가 2009년에 이어 단 1기도 새로 착공되지 않았다. 2010년 한 해 동안 미국 내 전력회사들은 38개소의 석탄화력발전소 건설계획을 취소했으며 48개의 낡고 비효율적인 석탄화력발전소의 폐쇄를 발표했다.

미국에서 생산되는 전력의 절반을 차지하던 석탄화력이 잇따라 문을 닫거나 신규건설이 취소되고 있는 이유는 석탄이 온실가스 발생의 주범이기 때문이다. 미국 정부가 2012년 신규 발전소의 이산화탄소 배출량 기준치를 ㎿h당 1100파운드로 설정하는 등 배출량을 규제하게 되면서 사실상 석탄화력의 신규 건설은 금지됐다. 새 기준치에 맞추려면 도저히 수지타산에 맞출 수 없기 때문이며, 또한 셰일가스 발견 등으로 인한 천연가스 가격 인하는 석탄화력의 퇴장을 부추기고 있다는 것이다.

이제 에너지자원으로서의 석탄에 대해 문제점과 과제를 한번쯤 짚고 가야 할 때이다. 석탄(coal)은 약 3억 년에서 6000만 년(고생대 석탄기~신생대 제3기) 사이에 지상 또는 호소에 번성하던 식물이 지각변동에 의해 대지에 매몰돼 장기간 지열과 지압을 받아 화석화(탄화)해 생성된 물질이다. 달리 보면 식물화석이라고도 할 수 있다. 따라서 세계 각지의 지각변동지역에 분포해 대량 존재한다.

   


석탄은 산업혁명 이후 20세기 초반까지 가장 중요한 연료이자 화학공업과 도시가스의 원료로 사용돼 왔다. 석탄은 값이 싸다는 이점이 있어 예로부터 가열용 연료, 전력원, 선박·기관차와 같은 운수기관용 연료 등 에너지원 외에 화학원료로도 널리 이용됐지만 채굴, 운반, 소비과정에서 고체처리 문제나 재, 매연, 배수 등 폐기물처리의 번잡함, 또는 분진공해, 아황산물질, 질산화합물 등 환경부적합성 등의 결점으로 인해 20세기 후반에는 한때 석유와의 경쟁에서 밀려났다. 제1차 세계대전 전후부터 함선의 연료가 석탄의 2배의 에너지를 가진 석유로 전환된 이후 중동에서 대량의 석유 채굴로 ‘배럴당 1달러 시대’를 맞이하여 산업 분야에서도 석유의 도입이 진행돼 서구 선진국에서 한때 탄광이 쇠퇴했다.

그러나 1970년대 두 차례의 석유 위기로 석유가 배럴당 12달러가 되자 산업연료 및 발전연료는 다시 석탄으로 돌아왔고 가격경쟁 우위를 살려 2000년대 이후 다시 수위를 지키게 됐다. 그러다 21세기 들어서 다른 화석연료인 석유와 천연가스에 비해 연소 때 이산화탄소(CO2) 배출량이 많아 지구온난화의 주요 원인의 하나로 지목되고 있는 것이다.

석탄의 분자구조는 산지, 종류 등에 따라 상당히 다르지만 개념적으로는 중축합(重縮合)된 방향족탄화수소골격을 가진 고분자탄화수소가 중심이 돼 있다. 고리의 축합도는 무연탄과 같이 탄화도가 높으면 높을수록 H/C(원자수비)가 낮아진다. 석탄은 고형분과 휘발분에서 생성돼 건류(乾留)해짐에 따라 고형분(코커스, coke)과 가스, 경질유(페놀유, 나프타렌유 등), 타르(tar) 등이 된다. 석탄의 조성은 C, H외에 O, S, N 등을 많이 함유하고 있다. 석유에 비해 O, N, 횟가루, 수분이 많은 점이 결점이다.

   


석탄은 연료로서 전 세계에 가장 매장량이 많은 지하자원이다. 석유는 또한 장점도 많다.

첫째, 값이 싸다. 자동차 보급률이 높은 선진국에서는 현재 석유가 차지하는 비율이 높지만 에너지 소비의 대부분을 차지하는 발전·연료산업에서는 여전히 석탄이 우위를 차지하는 나라가 많다. 탈원전을 추구하고 있는 독일도 국내 석탄이 선두적이고, 미국도 발전연료는 석탄이 압도적 선두를 차지하고 있다. 중국은 자동차 보급으로 석유 수입량이 급증하고 있지만 여전히 전체 에너지 중 70% 이상을 석탄이 차지하고 있다.

둘째, 매장량이 풍부하다. 석탄은 전 세계적으로 폭넓게 채굴이 가능한 에너지자원이다. 50년 뒤에 고갈이 우려되는 석유에 비해 석탄은 112년의 채굴이 가능할 것으로 예상된다. 2000년 현재 세계의 소비는 약 37억 t, 총 1차 에너지 소비의 27%를 차지한다. 전 세계의 확인가채매장량은 약 9800억 t(2000년)이다. 1990년의 자료에서 모든 자원을 석유로 환산한 확인가채매장량 비율은 석탄이 61.9%에 달해 오일샌드류 16.1%, 석유 10.8%, 천연가스의 9.7%에 비해 압도적이다.

셋째, 제철에 유리한 철광석이다. 현재의 고로법은 점결탄(역청탄)을 쪄낸 코크스와 덩어리 철광석을 원통형 용광로에 쌓아 아래에서 공기를 불어 넣어 발생하는 일산화탄소에서 선철을 만들기 때문에, 석탄 특히 점결탄이 필수적이다.

석탄은 생성의 시기, 산지 등에 따라 많은 종류가 있지만 석탄화도, 휘발분의 양, 발열량에 의해 무연탄, 역청탄, 아탄, 이탄 등으로 분류되는 경우가 많다.

무연탄(anthracite)은 가장 석탄화도가 높은 고급탄(석탄화도 90% 이상)으로 흑색, 금속광택을 지녀 예전에는 ‘검은 다이어몬드’라고 부르기도 했다. 휘발분이 적은 무염연소를 하기에 연탄과 같은 가정용연료로 주로 이용됐고, 전극용, 화학원료 등으로도 사용됐다. 착화온도는 약 450~500℃로 높다.

역청탄(bituminous coal)은 가장 일반적인 것으로 ‘석탄’이라고 하면 일반적으로는 역청단을 가리키는 경우가 많다. 석탄화도는 75% 이상, 착화온도 330~400℃이다. 강점결성은 제철용 코커스 원료로 사용되고, 약점결성은 도시가스, 일반연료 등으로 사용된다.

갈탄(brown coal) 및 아탄(lignite)은 자원량은 많지만 미성숙(석탄화도 70% 이하)해 수분이 많고, 발열량이 낮다. 착화온도는 250℃ 정도로 자연발화성이 있다. 일반용연료로서 사용되는 경우가 있다.

   


석탄의 공업적인 품질을 정하는 항목(공업분석치)에는 수분, 휘발분, 고정탄소량, 잿가루, 발열량, 입도(粒度), 비중, 코크보턴수 등이 있다. 석탄의 용도는 열원, 전력원, 선박증기기관차 등 수송기관용 연료와 같은 에너지원뿐만 아니라 제절용 코커스, 합성가스, 암모니아, 벤젠, 페놀 등 화학용 원료와 같이 다양한 석탄화학제품, 의약품, 염료 등으로 용도가 넓고 유효하게 이용되고 있다.

전 세계적으로 매장량이 많은 나라는 미국·러시아·중국 등으로 주로 고대조산지대에서 많이 생산된다. 반면 남아메리카나 아프리카 대륙에서는 지역 면적에 비해 석탄의 자원량은 상대적으로 적은 편이다.
BP 통계(2010)에 따르면 석탄의 전 세계 매장량은 8609억 t인데 미국(2383억 t), 러시아(1570 t), 중국(1145 t), 호주(762t), 인도(586t), 우크라이나(339t), 카자흐스탄(313t), 남아프리카공화국(304t) 순이다. 일본의 경우 매장량이 3.5억 t, 우리나라는 1.2억 t으로 전 세계 매장량의 0.01% 수준이다.

2008년 현재 전 세계 주요 석탄 소비국 가운데 상위 5개국은 중국, 미국, 인도, 일본, 남아프리카인데 1차 에너지에서 석탄이 차지하는 비율은 중국(70.2%), 미국24.6%), 인도(53.3%), 일본(25.4%), 남아프리카(77.7%)이다.

세계에너지평의회(World Energy Council)은 석탄이 매장량과 자원량을 추정하는 근거로 쓰이는 채굴기술의 한계, 즉 채굴가능한 최대깊이와 경제적으로 가치가 있는 석탄광맥의 최소 광맥폭을 <표 1>과 같이 추정하고 있다.

   


석탄은 에너지원으로서 다음과 같은 단점과 과제를 갖고 있다.

첫째, 에너지가 작다. 석유와 비교하면 낮은 에너지로, 중유에 비해 약 절반이다. 이것은 증기보일러에서 동일한 출력을 얻고자 할 경우 석유연료를 사용하는 경우보다 큰 보일러가 필요하다는 것을 의미한다.

둘째, 고체이기에 채굴·운반·저장시 비용이 많이 든다. 액체는 펌프와 배관으로 수송할 수 있지만, 석탄을 수송할 때에는 굴삭기나 인력에 의한 투탄(投炭), 호퍼, 컨베이어벨트 등이 필요하다. 저장할 때에는 실내외의 석탄저장소 등이 있어야 한다. 갱내 굴착의 경우는 분진이나 가스폭발사고와 가스에 의한 산소결핍사고, 분진에 의한 진폐증, 낙반사고 등의 위험이 따른다.

셋째, 천연가스보다 열효율을 높이기 어렵다. 석탄도 미분탄으로 산소를 취입해 태우면 고온의 일산화탄소, 이산화탄소가 발생하기 때문에 가스터빈을 돌린 후 수백℃의 열배기 보일러를 가열해 증기터빈을 돌리는 복합사이클이 가능해 연구도 진행중이다. 그러나 석탄에 포함된 회분이 녹아 터빈블레이드에 장애를 주는 것을 처리하는 데 비용이 많이 든다.

넷째, 대기 오염의 원인이 된다. 특히 유황은 원유에 미량이 포함돼 있는데 이것은 태우면 산성비의 주요 원인이 되는 황산산화물이 된다. 질소 성분도 다른 에너지원보다 많아 이것을 태우면 질소산화물이 되며, 이 또한 산성비의 원인이 된다. 석탄은 이산화탄소 배출량이 다른 연료보다 많다. 석탄은 고품위일수록 탄소함량이 증가하는데 무연탄의 탄소함량은 90% 이상에 이른다. 이산화탄소는 지구온난화에 큰 영향을 주는 물질이기에 현재 황산산화물 제거기술이 실용화되고 있고, 이산화탄소의 지중처분도 검토되고 있다. 특히 최근에는 화력발전에서 나오는 미세먼지 문제가 심각한 사회문제가 되고 있어 이러한 각종 환경오염문제를 해결할 수 있는 차세대화력발전소의 연구개발이 되고 있으나 기술력과 경제성이 과제가 되고 있다.

인류에게 값싼 에너지원으로서 산업혁명을 추동했던 석탄은 과거에 비해 그 효용이 줄어들었지만 아직도 석탄화력이 산업에서 차지하는 비중은 결코 적지 않다. 석탄 사용으로 수백년간 배출된 오염과 온실가스가 미래세대를 위협하고 있다. 김해창 경성대 환경공학과 교수

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