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CBE4016대한석유협회

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목 차

서 론1

2 석유정제 및 전환

3 석유제품

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1. Introduction

Refining Industry (석유정제공업, Chapter 2)

Petrochemical Industry (석유화학공업, Chapter 3)

석유공업 (Petroleum Industry)

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1. Introduction

Refining Industry (석유정제공업, 제유공업): 원유를 정제하여 각종 석유제품을 만드는 공업

Refinery products (석유제품) 연료유: gasoline, 등유, 경유, 중유 등 공업용 용제 윤활유, grease, asphalt, 파라핀, 왁스, 카아본, 와세린 등

Process 증류 (straight-run distillation): 전처리 과정 포함 전환 (conversion): cracking, reforming and others 정제 (purification) 배합 (formulation) others: alkylation, dehydration, isomerization,

polymerization, hydrotreating, coking, etc.

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1. Introduction

Petrochemical industry석유유분을 전환하여 유기화학공업용 기초원료, 중간적 제품또는 최종제품 등의 석유화학제품을 제조하는 공업

석유화학제품 (Petrochemicals) 합성수지, 합성고무, 합성섬유원료 (석유화학 전방공업) 도료, 접착제, 세제, 계면활성제, 염안료, 농약, 의약,

고기능성 부품 및 원부자재 (전자, 자동차, 항공산업 등)(정밀화학공업)

비료공업, 산알카리공업, 제지 펄프공업 (기타화학공업)

Process Manufacture of base chemicals by naphtha cracking Conversion into main product groups Processing of finished products

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정유산업의 파급효과

• Heating (35%)• Transport (29%)• Industry power station (22%)• Others (7%)• Chemistry (7%):

plastics (4%), packaging (0.8%)

기간산업

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수출 5대 품목 및 비중

구분 1위 2위 3위 4위 5위 총수출액 ($)

2011 선박 석유제품 반도체 일반기계 석유화학

2012석유제품(10%)

반도체(9.2%)

일반기계(8.8%)

자동차 석유화학 5,480억

2013 반도체 석유제품 자동차 석유화학 일반기계

2017 반도체

M$

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국가 수출액

2016.02.18

7

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석유제품 수출

31.5

+78%

56.1

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WSJ 2013

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3대 수출 악의 축 (2015)

• 첫 번째:중국 경제의 인해전술 (저가격, 고품질, 다물량의 3대 특징)중국과 자유무역협정 (FTA)을 체결

• 두 번째: 일본 경제의 엔화 공습 (수출경쟁력을 높이는 정책)

• 세 번째: 유럽 경제의 부실 (식물상태)+ 세계 통화정책 불안 + 정부의 경제정책 불안 등

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1. Introduction

1) 원유의 성분

① 주성분: hydrocarbon (H: 10~14%, C: 79~88%)*govern physical operation

② 부성분: govern chem. operationOxygen compounds (0~3%): in naphthenic acid, alkyl acid, phenolic acidNitrogen (0.1~0.7%): most found in naphthenic oil, in the form of basic compounds (alkyl quinoline)Sulfur (0.1~5%): in crude oil or produced during refining;

free S, H-S-H, organosulfur compounds foul smell and corrosive, 촉매 피독, 공기오염

③ Trace amount (ppm) of metallo-organic compounds

1. 원유 (crude oil)의 성분과 분류

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Organosulfur Compounds

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1. Introduction

2) 원유의 분류

가) Hydrocarbon (HC) series:

• CnH2n+2, CnH2n, CnH2n-2: thoroughly studied

• CnH2n-4, CnH2n-6, CnH2n-8, CnH2n-10, CnH2n-14, CnH2n-20, etc.

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Structural Formulae of HC Series (C6)

H C C

H

H

H

H

C C

H

H

C C

H

H

H

H

H

H

H

H C C

H

H

H

H

C C

H

H

C C

H

H

H

H

H

H

H H

H

H

H

H

H H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C C

H

H

H

C C

H

H

C C

H

H

H H

H

H C C

H

H

H

H

C C

H

H

C

H

H

H

H

CH

H

HH C

H

H

C C

H

H

C

H

H

H

CH

H

H

CH H

H

(a) Normal Hexane, C6H14 (b) Normal Hexene, C6H12

(c) Cyclohexane, C6H14 (d) Benzene, C6H6

(e) Hexadiene-1, 5, C6H10

(d) 2 Methylpenthane, C6H14 (f) 2-2 Dimethylbutane, C6H14

Isomeric IsoparaffinCompounds

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1. Introduction

가) Hydrocarbon (HC) series:①Paraffin series (CnH2n+2 -ane) physical state b.p: normal > iso- > neo-

②Olefin series (CnH2n -ene) direct reaction with Cl, Br, HCl, H2SO4 recovered by H2SO4 (easy dissolution) low bp olefin: not present in crude oil but produced

by thermal cracking (naphtha)

③Naphthenic series (CnH2n) ring or cyclic compounds aromatic와 olefin의 중간특성

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1. Introduction

④ Aromatic series (CnH2n-6) or benzene series (Bz) 반응성 우수: susceptible to oxidation organic acid 열적 안정성 우수 (high b.p) ENPLA 구조

⑤ Diolefin series (CnH2n-2) 반응성: extremely active polymerize or combine with unsaturated

compounds higher MW gum-like solid

황산으로 제거

⑥ Cyclic series (CnH2n-2, (CnH2n-4 …) Not well known

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1. Introduction나) Sulfur compounds - Structural formulae

H S H

H S R

H S CH3

H S C6H5

R S R

H3C S CH3

C4H9 S C4H9

S S RR

S S CH3H3C

S

CH2

CH2 n

R O

S

OR O

O

R

S

OH O

O

R S R

O

R S

O

O

R

C

S

C

C C

HH

H H

Hydrogen sulfide

Mercaptans (thiol):

Methyl

Benzyl

Sulfides:

Methyl

n-Butyl

Cyclic sulfide:

Alkyl sulfate

Sulfonic acid

Sulfoxides

Sulfones

Thiophene

Disulfides:

Methyl

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bp of Sulfur Species

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1. Introduction

Problems: Corrosion of metals by H-S-H, free S,

some of lowest bp sulfides, disulfides, mercaptans (thiols) Pollution: rxn with O2 SO2 acid rain Obnoxious odor: with low b.p or gaseous sulfur

compounds such as H-S-H, SO2 in flue gas, mercaptan up to 6 carbon atoms sulfides up to 8 carbon atoms methyl disulfides

Poor explosion characteristics of gasoline fuel

removed by sweetening treatment or alkalies

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1. Introduction

1) 색/냄새: 흑갈색 (~ 담황색 또는 담갈색) (vs. high bp HC) related to bp in general• 방향 (low bp sat. HC, aromatics)• 불쾌한 냄새 (N-, S-compounds, 일부 불포화 HC, 산화물)

2) 비중: 0.65 ~ 0.95 (refers to 60 oF = 15 oC)MW effect on specific gravity and bparomatics > naphthene > paraffin

Specific gravity, (학술적) API gravity (공업적, API degree) Characterization factor, K

2. 석유의 물리적 성질

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1. Introduction

3) 점도 (η) its resistance to internal flow or indication of oilness in the lubrication 연료수송/연소에 중요한 특성, 중유 구분시에도 사용 중유 연소: 분무상태를 결정

relative viscosity (η): numerically equal to viscosity in cp

kinematic viscosity () in cSt

fluidity: reciprocal of viscosity

Viscosity Index (VI): 온도변화에 따른 점도변화

2. 석유의 물리적 성질

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1. Introduction

Viscosity Index (VI): 온도변화에 따른 점도변화Pennsylvania crude oil (H): VI = 100 (paraffinic) Gulf coast crude oil (L): VI = 0 (naphthenic)

the higher, the better100VI

HL

UL

VI

U is the oil's kinematic viscosity at 40 °C (104 °F), and L and H are the values of viscosity at 40°C for oils of VI 0 and 100 respectively, having the same viscosity at 100°C as the oil whose VI we are trying to determine.

These L and H values can be found in ASTM D2270.

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VI

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1. Introduction

4) 비열 (specific heat or specific heat capacity, cal/g oC):0.3 ~ 0.5 @ 25 oC 분자량 증가에 따라 감소 동일 탄소수에서는 H가 많을수록 비열↑ 온도상승에 따라 증가 Cp values

5) 증발열 (heat of vaporization/mole- or g-basis) 70 ~90 cal/g (far less than H2O, alcohol) 동족 HC에서는 비점 (비중) 증가에 따라 g당 증발열 감소

발열량, Q (calorific value): 9,500~12,000 kcal/kg (> coal)(비점 또는 비중 증가에 따라 g당 발열량 감소)

2. 석유의 물리적 성질

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탄화수소의 열적성질

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C/H Ratio

One pound of hydrogen holds 52,000 Btu, three times the energy of a pound of gasoline

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Transition to Hydrogen Economy

CHP: Combined Heat and Power, on-site electricity generation = 50 to 80%

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Paradigm Shift in Auto Industry

ICE (H)EV FCV

introduction Growth Maturity Decline

Introduction Growth Maturity

(H)EV

FCV

Up to 90% of total sales

2005 2010 2020 2030 2040

8,000

10,000

6000

4000No

of

Car

s(X

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4)

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1. Introduction

4) 비열 (specific heat or specific heat capacity, cal/g oC):0.3 ~ 0.5 @ 25 oC 분자량 증가에 따라 감소 동일 탄소수에서는 H가 많을수록 비열↑ 온도상승에 따라 증가 Cp values

5) 증발열 (heat of vaporization/mole- or g-basis) 70 ~90 cal/g (far less than H2O, alcohol) 동족 HC에서는 비점 (비중) 증가에 따라 g당 증발열 감소

발열량, Q (calorific value): 9,500~12,000 kcal/kg (> coal)(비점 또는 비중 증가에 따라 g당 발열량 감소)

TOE

2. 석유의 물리적 성질

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에너지 열량 환산기준

에너지종별 단위총발열량 석유환산계수

(TOE)kcal MJ환산원유 kg 10,750 45.0 1.075

휘발유 리터 8,000 33.5 0.800실내등유 리터 8,800 36.8 0.880B-C유 리터 9,900 41.4 0.990프로판 kg 12,050 50.4 1.205부탄 kg 11.850 49.6 1.185

천연가스(LNG) kg 13,000 54.5 1.300도시가스(LNG) Nm3 10,550 44.2 1.055도시가스(LPG) Nm3 15,000 62.8 1.500

국내무연탄 kg 4,650 19.5 0.456수입무연탄 kg 6,550 27.4 0.655

유연탄(연료용) kg 6,200 26.0 0.620

전력 kWh 2,150 9.0 0.215신탄 kg 4,500 18.8 0.450

http://co2.kemco.or.kr/toe/toe.aspx

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에너지 열량 환산기준

에너지종별 단위 총발열량 석유환산계수kcal MJ환산원유 kg 10,750 45.0 1.075휘발유 리터 8,000 33.5 0.800실내등유 리터 8,800 36.8 0.880보일러등유 리터 8,950 37.5 0.895경유 리터 9,050 37.9 0.905B-A유 리터 9,300 38.9 0.930B-B유 리터 9,650 40.4 0.965B-C유 리터 9,900 41.4 0.990프로판 kg 12,050 50.4 1.205부탄 kg 11.850 49.6 1.185나프타 리터 8,050 33.7 0.805용제 리터 7,950 33.3 0.795항공유 리터 8,750 36.6 0.875아스팔트 kg 9,900 41.4 0.990윤활유 리터 9,250 38.7 0.925석유코크 kg 8,100 33.9 0.810부생연료 1호 리터 8,850 37.0 0.885부생연료 2호 리터 9,700 40.6 0.970천연가스(LNG) kg 13,000 54.5 1.300도시가스(LNG) Nm3 10,550 44.2 1.055도시가스(LPG) Nm3 15,000 62.8 1.500국내무연탄 kg 4,650 19.5 0.456수입무연탄 kg 6,550 27.4 0.655유연탄(연료용) kg 6,200 26.0 0.620유연탄(원료용) kg 7,000 29.3 0.700아역청탄 kg 5,350 22.4 0.535코크스 kg 7,050 29.5 0.705

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1. Introduction

6) Cloud point & Pour point- useful in estimation of relative amount of wax

• cloud point (담점): 왁스석출온도• solid point: 5초유지

(heat to 115 oF and then cooled to 90 oF, T = 5 oF, 5 sec)

• pour point (유동점): 연료가 유동할 수 있는 최저온도• cold filter plugging point: 유럽에서 유동점 대신 개발

- 경유차량의 저온성능척도

flow improver: 유동성 향상제, poly(-olefin)poly(isobutene), poly(methacrylic ester) andpoly(alkyl styrene)

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1. Introduction

7) 인화점 (flash point)유류를 가열하여 발생하는 증기에 불씨를 접근시킬 때순간적으로 점화되었다가 꺼지는 온도화재예방의 척도, e.g. 중유 또는 아스팔트 사용시

8) Smoke point (연기지점): 연소성능의 척도그을음을 내지 않고 탈 수 있는 최대 불꽃 길이 (in mm)연소성능: 파라핀계 우수

9) 증류성상 (distillation property or characteristics)석유제품 연소시 사용기기의 연소특성에 맞도록구성비율을 규제하여 유분 (distillate, cut, fraction )의비점범위를 일정하게 유지 e.g. 10% 증류점 LPG 95% boiling point

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Oil Rig Worker (석유굴착)

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1. Introduction

BC 3,000 지표에 노출된 석유 사용 1859. Penn. Oil Creek 30 bbl/day by E.L. Drake 1870. Rockefeller (미) “Ohio Standard Oil”

(10년간 세계 석유 수송분야 독점) 1882. 록펠러: 석유정제 기업 매입

“Standard Petroleum Trust” (독점적 종합기업) 1885. Benz: gasoline engine/Ford: 자동차 양산체재

가솔린 수요 증가 1890. 유럽: Royal Dutch Petroleum (네덜란드) 1898. Diesel engine 디젤 수요 증가 1903. Wright: Application of gasoline engine to air plane

가솔린 수요 급등 (중질유 생산 과잉 ) 1907. 영국운송회사 Shell과 합병

Royal Dutch Petroleum Royal Dutch Shell

3. 석유공업의 역사: 외국

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1. Introduction

1908. D’Arcy (영): Anglo Persian Petroleum (중동의 석유 이권 획득) British Petroleum (BP)

1909. Standard Oil: 중질유 열분해 가솔린 양산 가능성 1911. Anti-Trust law (정부의 독점 규제):

Standard Petroleum Trust 34개사로 분리 NJ Standard Exxon Indiana Mobil Ohio Sohio Atlantic, Continental, etc.

1913. 휘발유 양산/분해가스 이용 ‘석유화학공업’ 출현 1914~1918. 제 1차 세계대전 이후 중동석유에 관심

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1. Introduction

1920. San Remo 협정 (영불 비밀협정)중동석유 독점 개발 (Turkey 석유회사)

1928. 석유 카르텔 형성 (미국 참여) 원유 과잉생산 방지(Anglo Persian, Royal Dutch Shell, NJ Standard) Major에 의한 석유 독과점

Major: 세계 석유시장 지배 (1950’s ~ 1973)(생산-탐사/채굴, 수송, 정제, 판매 등 수직적 통합)

① 7 Sisters: Exxon, Mobil, Texaco, Gulf, Chevron, Shell, BP

② 8 Sisters: + CFP (불) Independent 등장과 OPEC 결성 (1960.09)으로

(upstream: 탐사/채굴)에 대한 지배력 약화

1960.09 OPEC 결성

Major: Major Oil Company

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1. Introduction

1960. 9 OPEC 결성 (S.A, Kuwait, Iran, Iraq, Venezuela)5개국 11개국 (’97) 13개국 (2016)

1973. 1st oil shock (제 4차 중동전쟁), OPEC의 석유무기화 (개발, 수출, 가격주도) Major의 지배권 박탈 (하청업체로 전락)

(2.5 → 11.25 $/9개월, X2.6) 1979. 2nd oil shock (이란 회교혁명)

(12.95 → 32 $/10개월, X2.1) 1980 이란-이라크전 발발 1990. Gulf War (17 → 41 $/3개월) 1992. 17 $/bbl (Dubai 기준) 2004. 아랍 석유금수조치 (이라크 정세 악화) 2005. 카트리나 태풍 (미) 3rd oil shock ?

(28 → 35 → >60 $)

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1. Introduction

2008. 3. 105.44 $ (WTI) 진입: Another Oil Shock ? 2008. 8. 115.48 $

중국 등 개도국의 수요급증 산유국 고유가 정책 저금리 (달러화 약세)로 인한 투기자금의 유입 지정학적 요인 (이란 핵 문제/나이지리아 정정 불안)

2008. 10 이란미사일 시험 ~ 70 $ → 147 $ 2009. 9 ~ 70 $/bbl 2001. 9.11 테러 100$ 시대 진입 2012. 9 91$ (WTI) ~ 108 (Brent유) $/bbl 2014. 유가전쟁 3.0 (유가 급락: 공급 > 수요) 2015. 42 $/bbl 2017. ~ 55 $/bbl

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Crude Oil Prices

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Crude Oil History

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유가 전쟁 3.0 (2014)

• 중국 경제 둔화로 수요는 감소• 미국·리비아 등 석유 생산 증대

• 美, 원유 무기로 적대국 압박 양상… • 국제 油價 더 떨어질 가능성도 (유가하락)

(브랜트유: 110$ (7월) 85$ (14일) 76$ ??)

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유가 전쟁 3.0

◇ 수요는 감소하는데 공급은 늘어 (IEA: - 22%)-유럽 경제의 침체와 중국 경제의 둔화(수요: 9240만 bpd; 전달 비해 20만 bpd 감소)

-이라크, 리비아 생산재개/ 사우디 증산- 국제유가 배럴당 70달러시대 눈앞 (IEA)

◇ 칼 쥔 미국, 유가로 적대국 길들이기-지정학적 리스크가 유가 하락을 부채질-이란, 러시아, 사우디, 베네수엘라 등 심각한 타격 (재앙)-OPEC 회원국들의 각자 도생

◇ 에너지 기업 울고 항공사들 웃고…엇갈리는 희비

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유가 전쟁

3rd ??

4th ??(2011)

2005.08(3rd ??)

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2001년 9.11 테러

세계무역센터(WTC, NY) 쌍둥이 빌딩버지니아 주 알링턴 군의 미국 국방부펜타곤이 공격받은 대참사

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유가 추이 ‘17

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국제 유가, 170919

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新저유가 시대의 도래 I

新저유가 시대에 진입 (2014 하반기~ ): 미국발 공급과잉으로 유가가 급락 (2015년말 배럴당 30달러)

• 新고유가 시대 (2005~2014 상반기): 중국 등 신흥국 수요 급증(석유수급의 구조적 불균형); ~100 $

미국 타이트오일 (셰일 오일)의 생산량 확대로 원유시장의공급과잉• 2014년 11월 OPEC 회의에서 감산합의에 실패로 하락 가속• 2016년 말 저유가 (< 40$) 유지• 2017년 현재 55 $ 유지

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新저유가 시대의 도래 II

공급과잉 지속: 높은 수요 회복에도 공급 증가폭이 높음 2015년은 저유가 영향으로 OECD 중심으로 수요가 증가 (약

140만 b/d 증가) 미국 셰일오일 생산량이 급증 (2010 년 이후)

• 공급 확대 지속 전망: 2015년 하반기 이후 비OPEC 증가세는둔화된 반면 OPEC은 재정난 심화, 핵개발 협상 타결에 따른이란의 공급가세 등

• 석유 재고수준도 역대 최고치 기록

단기적으로는 배럴당 40~60달러대의 저유가가 지속 석유개발 투자 감축에 따라 중장기적으로 석유공급이 감소

(2015~ 2016년 세계 석유가스 업스트림 부문 투자가 대폭 축소) 유가가 상승하여 2020년경에는 배럴당 70~80달러로 회복

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OPEC

현재가입국 (13)• 이라크 1960년• 이란 1960년• 쿠웨이트 1960년• 사우디아라비아 1960년• 베네수엘라 1960년• 카타르 1961년• 리비아 1962년• 아랍에미리트 1967년• 알제리 1969년• 나이지리아 1971년• 앙골라 2007년• 에콰도르 2007년 (재가입)• 인도네시아 2016년 (재가입)

가입 후보국 (5)• 노르웨이• 볼리비아• 멕시코• 시리아• 수단

비가입 산유국 (18)• 북아메리카: 멕시코, 미국, 캐나다• 동북아시아: 중화인민공화국• 동남아시아:

동티모르, 말레이시아, 브루나이, 태국• 서아시아: 예멘, 오만• 서남아시아: 아제르바이잔• 아프리카: 적도 기니, 케냐• 유럽: 노르웨이, 덴마크, 러시아, 영국

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국제 유가

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원유: 수요보다 공급능력 빠르게 확대

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油價날개 없는 추락 ‘15

• 배럴당 41.87$ (2015년8월17일): 6년 반만에 최저치 (금융위기 ’09.03)• 국내전문가 "배럴당 30달러 갈것“: 배럴당 15달러 전망도• 세계경제 침체, 원유 공급은 증가

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사우디 석유시설 공격

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아람코 드론 공격

사우디 전체 산유량의 절반 (570만 b/d) 원유 생산 지장(전 세계 원유 공급량의 5% )

월요일 유가 비상 (2019.09,15)

이희1

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'중동 대리戰 40년'

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이희1 이 희우, 2019-09-30

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Crude Oil History

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