![[기후 신호등] 원유 수입다변화, 준비는 됐나? 韓 정유산업에 묻다](http://www.ekn.kr/mnt/thum/202604/news-p.v1.20260416.06b53e58f7ac450f80e47cce7b944ce6_T1.jpg)
미국-이스라엘과 이란 간 전쟁으로 세계 에너지 공급의 핵심 동맥인 호르무즈 해협이 봉쇄된 상태가 이어지고 있다. 이란의 봉쇄에 미국이 '역봉쇄'로 맞서면서 언제 다시 완전히 열릴지 알 수 없는 상태다. 글로벌 원유 공급량의 20% 이상이 이 좁은 해협을 통과한다는 점에서, 이번 사태는 단순한 지역 분쟁을 넘어 세계 경제 전반에 구조적 충격을 주고 있다. 특히 원유의 안정적 수급에 산업 기반을 의존하고 있는 국가들, 그중에서도 중동산 원유 의존도가 약 70%에 이르는 한국은 직접적인 타격을 받고 있다. 전쟁이 장기화하면서 우리 정부와 정유업계도 긴급 대응에 나섰다. 미국산 셰일 오일과 서아프리카산 원유 도입을 확대하고, 장기 계약 구조를 재조정하면서 물류 경로 다변화까지 검토하고 있다. 그러나 이러한 대응은 어디까지나 '조달 전략'에 불과하다. 진짜 문제는 그 다음 단계에 있다. 즉, 도입된 원유를 기존 설비에서 안정적으로 처리할 수 있느냐는 기술적 문제에 봉착할 수밖에 없다. 한국의 석유화학 산업은 지난 수십 년간 중동산 원유를 전제로 설계·최적화돼 왔다. 이 때문에 원유 수입 다변화는 단순한 원료 선택의 문제가 아니라, 정유 공정 전체의 열역학적 조건, 반응 경로, 촉매 선택, 설비 재질까지 모두 연결된 '시스템의 문제'다. ◇설계 원유(Design Crude)에 묶인 산업 구조 정유 공장은 특정 성질의 원유를 처리하도록 설계된다. 이를 '설계 원유(design crude)'라고 하는데, 이 기준은 단순한 참고값이 아니라 공정 설계의 출발점이다. 상압증류시설(CDU)의 온도 프로파일, 가열로의 열부하, 열교환기 네트워크, 촉매 반응 조건 등은 모두 이 설계 원유의 물성에 맞춰 최적화된다. 불가리아 국립과학아카데미 연구팀이 지난 2024년 국제 학술지 '자원(Resources)'에 발표한 논문에 따르면, 설계 원유와 다른 대체 원유를 투입할 경우 정유 공정 전반에서 복합적인 문제가 발생한다. 대표적으로 파울링(침적물 형성), 부식 증가, 장비 고장, 촉매 비활성화가 동시에 나타날 수 있다. 이러한 문제는 단일 공정에 국한되지 않는다. 예를 들어, 상압증류시설에서 발생한 분리 효율 저하는 진공증류, 수소첨가분해, 탈황 공정 등 다음 공정(다운스트림) 전반으로 연쇄적으로 확산된다. 즉, 원유의 변화는 공정 전체의 불안정성을 유발하는 '시스템 리스크'로 작용하게 된다. 특히, 한국처럼 중동산 원유에 맞춰진 구조에서는 이 문제가 더욱 심각하다. 중동산 원유는 일반적으로 황 함량이 높고 비중이 큰 '중질·고유황유'인 반면, 미국산 셰일 오일은 비중이 낮고 황 함량이 적은 '경질·저유황유'인 경우가 많다. 이러한 차이는 단순한 품질 차이를 넘어 공정 조건 자체를 변화시키는 요인이다. ◇수압파쇄 기술로 생산되는 셰일오일 미국산 셰일오일이 '경질유'로 분류되는 이유는 지질학적 특성과 조성 때문이다. 셰일오일은 수압파쇄(hydraulic fracking) 기술을 통해 근원암에서 직접 생산되는데, 상대적으로 짧은 탄화수소 비율이 높다. 이 때문에 사슬이 짧은 저비점 탄화수소, 즉 가솔린 범위의 가벼운 성분 비중이 높다. 또한 셰일오일은 포화 탄화수소 비중이 높고 아스팔텐과 같은 중질 성분이 거의 없어 점도가 낮고 흐름성이 좋은 특징을 보인다. 황과 니켈, 바나듐과 같은 불순물 함량도 낮아 '저유황 경질유(light sweet crude)'로 분류된다. 이러한 특성은 'API 중력'이 일반적으로 40°(40도) 이상 높은 값으로 나타난다. 여기서 'API(미국석유협회) 중력'은 원유의 '가벼움(밀도)'을 나타내는 지표다. 쉽게 말해 물 대비 상대 밀도를 기준으로 환산한 지표다. API가 31°를 초과하면 경질유이고, 22~31°는 중간유, 22°도 미만이면 중질·초중질유로 분류한다. 다만 이처럼 가벼운 특성은 가솔린 수율을 높이는 장점이 있지만, 중질유 처리에 최적화된 기존 정유 설비에서 설계 원유와 다른 조성의 원유가 유입될 경우 공정 불안정성이 발생할 수 있다. 한편, 환경 측면에서 볼 때 수압 파쇄는 암반층에 고압의 물·모래·화학물질을 주입해 균열을 만들고 그 틈으로 원유나 천연가스를 추출하는 방식이어서 지하수 오염과 토양 오염 위험이 제기된다. 또한 지반 균열 확대와 관련된 유도 지진, 그리고 메탄 누출로 인한 온실가스 배출 증가도 주요 환경 문제로 지적된다. ◇미국산 원유 도입이 가져오는 '설비 충격' 대체 원유 도입 시 가장 먼저 영향을 받는 정유공장 설비는 가열로(furnace)다. 가열로는 원유를 일정 온도까지 가열해 증류 공정에 투입하는 핵심 설비로, 설계 시 특정 원유의 비중과 증류 특성에 맞춰 열부하가 결정된다. 불가리아 연구팀 논문에 따르면, 설계보다 가벼운 원유를 처리할 경우 증발 특성 차이로 과열 또는 국부적 열 집중이 발생할 가능성이 커진다. 가열로는 고온·고압 환경에서 작동하는 설비이기 때문에 이 문제는 공정 전체의 안전 문제로 이어진다. 불가리아 연구팀 논문에 따르면 실제 사고로 이어지기도 했다. 불가리아의 루크오일 네프토힘 부르가스(LUKOIL Neftohim Burgas, LNB) 정유소는 2009년에 상압증류시설 1호기(CDU-1)를 개보수했는데, 1년 뒤인 2010년에 설계 유종인 우랄 원유보다 훨씬 가벼운 카자흐스탄산 경질유(CPC)를 약 25% 혼합해 처리했다. 이 과정에서 열전달 불균형과 과열 구간이 발생하면서 열부하 분포가 설계 범위를 벗어나고, 결과적으로 총 열부하도 증가했다. 결국 고온·고압 환경을 견디지 못한 가열로 코일이 파열되는 중대 사고로 이어졌다. 또한 경질유는 증류 특성이 달라 증류탑 내부의 유동 패턴에도 영향을 미친다. 이는 분리 효율 저하, 거품 발생 등으로 이어지고, 결과적으로 제품 품질과 수율에 영향을 주게 된다. ◇촉매 오염과 공정 붕괴의 위험 정유 공정의 또 다른 핵심은 촉매다. 특히 수소첨가분해(hydrocracking)와 탈황 공정에서는 촉매의 활성도가 곧 생산성과 직결된다. 대체 원유 도입 시 가장 문제가 되는 요소 중 하나는 나트륨(Na) 오염이다. 산도가 높은 원유를 처리하기 위해 가성소다(NaOH)를 투입하거나 탈염 공정이 부실할 경우 나트륨이 촉매 표면에 축적돼 활성 부위를 차단한다. 불가리아 연구팀 논문에 따르면, 가성소다 투입량을 4배 증가시키면 촉매 내 나트륨 농도는 약 3배 증가하고, 이는 촉매 수명을 크게 단축시키는 요인이 된다. 나트륨은 단순한 오염 물질이 아니라 '촉매 독(poison)'으로 작용한다. 촉매 기공을 막아 반응 경로를 차단하고, 활성 금속의 기능을 저하시킨다. 그 결과 반응 효율이 떨어지고, 동일한 생산량을 유지하기 위해 더 많은 에너지와 원료가 필요하게 된다. 또한 염화나트륨(NaCl, 소금)과 같은 성분은 고온에서 염산(HCl)을 생성해 설비 내부를 부식시킨다. 이는 열교환기, 배관, 증류탑 등 주요 설비의 수명을 단축시키고 유지보수 비용을 급증시키는 요인으로 작용한다. ◇'혼합의 함정'…블렌딩이 만능은 아니다 정유업계는 일반적으로 서로 다른 원유를 혼합해 설계 원유와 유사한 특성을 맞추는 방식으로 대응한다. 그러나 서로 다른 원유를 혼합할 경우, 특히 설계 범위를 벗어난 원유가 급격히 투입될 경우 공정 문제가 발생할 수 있다. 변화 예측과 달리 점도·증류곡선이 달라질 수 있고, 특히 증류 과정에서 비정상적인 거품 발생이나 분리 효율 저하가 발생할 수도 있다. 또한 혼합 원유의 수율은 단순 평균이 아니라 비선형적으로 거동하기 때문에 기존 경험적 모델로 정확히 예측하기 어렵다. 중국 화동 이공대학교 연구팀이 지난 2021년 '컴퓨터와 화학공학 (Computers and Chemical Engineering)' 저널에 발표한 논문에 따르면, 새로운 원유 도입 시 중간 생성물의 수율 예측 오류가 다운스트림 공정 전반에 영향을 미칠 수 있다. 이는 단순한 생산 계획 문제를 넘어, 정유사의 수익 구조 자체를 흔드는 요인이 된다. 해외 연구에서는 몇 가지 해결책도 제시하고 있다. ▶해결책 ①: 인공지능 기반 '확률적 공정 최적화' 이러한 문제를 해결하기 위한 핵심 기술 중 하나가 '2단계 확률적 프로그래밍'이다. 중국 화동이공대학교 연구팀의 논문에 따르면, 원유 품질의 불확실성을 반영한 확률적 모델을 통해 공정을 최적화할 수 있다. 다양한 원유 조합에 따른 수율 분포를 확률적으로 계산하고, 최적의 블렌딩 전략과 공정 조건을 도출한다. ▶해결책 ②: 원유 '지문 분석' 기술 수입 다변화 환경에서는 원유의 성질을 신속하게 파악하는 것이 중요하다. 이란 샤리프 공과대학교 연구팀은 지난 2020년 '마이크로케미칼(Microchemical Journal)'에 발표한 연구에서 기체크로마토그래피(GC-FID)와 적외선 분광법(FT-IR)에 기반한 '지문 분석 기술'을 활용하는 방법을 제시했다. 이 기술로 원유의 화학적 '지문'을 분석해 경질유인지 중질유인지, 산성 성분이 포함되어 있는지 등을 빠르게 파악할 수 있다. ▶해결책 ③: 공정 시뮬레이션과 열 통합 영국 헐 대학교 연구팀이 지난 2023년 '에너지원(Energy Sources)' 저널에 발표한 연구에 따르면, 아스펜 하이시스(Aspen HYSYS) 기반의 공정 시뮬레이션과 열 통합 기술을 활용하면 다양한 원유 조합에서도 최적 운전 조건을 도출할 수 있다. 아스펜 하이시스는 석유·가스 및 화학 공정의 흐름과 반응을 가상으로 계산해 설계와 운전 조건을 최적화하는 공정 시뮬레이션 소프트웨어다. ▶해결책 ④: 설비 개보수(Revamp)의 현실 궁극적인 해결책은 설비 개보수다. 그러나 이는 단기간에 해결할 수 있는 문제가 아니다. 대규모 정유 설비 개보수는 수천억 원 이상의 투자와 수년의 시간이 필요하다. ◇'원유'가 아닌 '산업'을 바꿀 각오를 현재 한국이 직면한 상황은 단순한 공급망 위기가 아니다. 원유 수입 다변화는 필연적이지만, 기존 정유시설이나 산업 구조와 충돌할 수도 있다. 공급망 다변화가 곧 리스크 해소가 아닐 수 있다는 말이다. 중동산 원유에 맞춰 설계된 정유 시스템은 미국산 셰일 오일과 같은 대체 원유를 받아들이는 순간 한계에 직면한다. 이 문제를 해결하기 위해서는 블렌딩 기술, 인공지능(AI) 기반 공정 최적화, 지문 분석, 설비 개보수 등 복합적인 대응이 필요하다. 결국 중동 전쟁 위기는 한국 정유산업에 “어떤 원유든 유연하게 처리할 수 있는 시스템을 갖출 것인가"라는 질문을 던지고 있다. 이 질문에 대한 답을 찾지 못한다면, 공급망 다변화는 또 다른 리스크가 될 수 있다. 반대로 이를 기술 혁신과 설비 유연성(flexibility) 확보의 계기로 삼는다면, 한국의 정유 산업은 지정학적 위기를 넘어 구조적으로 진화할 수 있는 기회를 맞이할 수 있을 것이다. 강찬수 기후환경 전문기자 kcs25@ekn.kr
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