[특집]가스하이드레이트 개발 왜?

반만년 사용 가능한 저탄소 에너지잖아!

[에너지경제신문 김승일 기자]

국내에서 소비되는 화석연료는 석유와 천연가스로 97% 이상을 수입에 의존하고 있다.

국가경제의 주요 관심사는 미래의 에너지 자원을 확보하는 것이다. 새로운 자원으로 알려진 가스하이드레이트는 심해지역과 영구 동토지역 등 전 세계적으로 널리 분포하고 있으며, 약 10조 톤이라는 엄청난 자원량과 환경 친화적이라는 특성으로 화석연료를 대체할 새로운 청정 에너지자원으로 주목을 끌고 있다. 국내의 경우, 현재까지 물리탐사 및 시추결과를 통해 울릉분지 주변 수심 1500m이하의 심해에서 가스하이드레이트의 부존을 확인한 바 있다.

한국 추정치 60억톤, 2015년 상용화 목표…미국 일본 등 개발 경쟁

# 바다 속 보물 가스하이드레이트

가스하이드레이트는 천연가스가 저온ㆍ고압하에서 물분자와 결합돼 형성된 고체물질이다. 생성조건은 0℃의 26기압, 10℃에서 76기압 정도로 알려져 있다.

메탄이 90%이상을 차지하고 있어 '메탄 하이드레이트(Methane Hydrate)'라고도 하며, Dry Ice와 유사한 외관 및 특성을 보여 '불타는 얼음(Burning Ice)'이라고도 불린다.

특히 저온 고압의 퇴적층에 생성되는 특성이 있어 알레스카나 시베리아 등 동토지역의 석유, 천연가스 저류층 및 석탄층과 인접된 지역이나 심해지역 퇴적층인 대륙사면에 많이 발견된다.

이들은 수십~수백m의 두께로 존재하며, 압력과 온도 조건이 변하면 해리돼 천연가스 형태로 분출된다.

# 꿰어야 보배

가스하이드레이트에 포획된 유기탄소의 양은 104Gt으로 화석에너지에 포함된 유기탄소의 2배이다. 또 동토 지역 및 심해저의 퇴적층에 광범위하게 분포되어 있다.

특히 해저 가스하이드레이트는 전통적인 석유 및 천연가스와 달리 비교적 얕은 심도의 퇴적층에 매장돼 있다.

전세계 약 10조톤이 매장돼 있는 것으로 추정되며, 석유와 가스 자원의 한계와 기후변화 협약을 대비 하는 청정에너지로서 손색이 없다는 평가다.

따라서 안전하고 경제적으로 생산할 수 있는 기술이 개발될 경우 환경친화적 자원으로 에너지 공급의 큰 비중을 차지할 것으로 예측된다.

이밖에 메탄이 만드는 온실효과는 대기 중에 1ppm으로도 이산화탄소 50ppm의 증가와 같다.

지금의 지구 기온상승은 안정하게 존재하는 가스하이드레이트를 해리시켜 메탄을 대기로 방출시키기도 한다.

이들이 급격하게 녹을 경우 지반침하, 해저 통신케이블 등 해저 구조물들의 손상이 올 수 있다.

# 점입가경 개발 경쟁

미국은 지난 1988년 연방정부 주도로 개발촉진법을 제정, 에너지성에서 2단계 10개년 프로젝트를 진행중에 있다. 이미 1단계는 지난 1982~1991년에 추진, 2단계는 올해까지 추진된다.

미국은 전세계에 9066조㎥의 가스하이드레이트 부존량을 추정하고 있으며 2015년에 알래스카 육상에서 생산된 자원으로 상업생산을 한다는 목표다.

일본은 경제산업성 주도로 메탄하이드레이트 개발프로그램을 운영, 2001~2016까지 연간 100억엔을 투입한다.

이 프로젝트는 미국과 캐나다 등과 선진 기술보유국과 공동으로 진행하고 있으며, 일본영토내 35조㎥의 부존량을 확인한 바 있다.

일본은 2016년부터 상용화할 계획이다. 한국도 지난 2000년부터 산업자원부와 한국가스공사가 동해에 공동탐사를 시작, 한국석유공사가 자체 탐사를 하는 등 기초연구를 수행했다.

이로써 한국은 세계에서 5번째로 가스하이드레이트 실물채취 국가이자 개발 국가로 올라섰다.

한국은 약 60억톤이 매장량된 것으로 추정하고 있으며 2015년 상용화를 목표로 3단계 기본계획을 수립해 진행중이다. 한국은 2012~2014년까지 정부정책사업으로 시험생산 및 상업적 생산기법을 도출하는 3단계 계획을 수립할 예정이다.

# 채굴은 어떻게

감압법 = 가스하이드레이트층과 하위의 퇴적층 사이에 큰 공극이나 단열이 존재할 때, 단열 또는 공극의 내압을 감소시켜 가스하이드레이트의 해리를 촉진시켜 가스를 생산하는 방법이다. 하이트레이트층 하위에 자유가스가 존재할 경우 회수되는 가스의 약 30% 정도를 하이드레이트의 해리로부터 얻을 수 있다는 결과가 얻어졌다.

열처리법 = 증기 또는 열수를 주입해서 가스하이드레이 저류층의 온도를 올려 가스하이드레이트를 해리시켜 가스를 생산하는 방법이다. 미국 에너지성의 생산모델 연구에 의하면 열수 등을 주입할 때 필요한 공급열량은 생산에너지의 약 1/10로 다른 부분에 비해 에너지 효율면에서 우수한 것으로 보고되었다.

억제제 주입법 =염수를 주입해 천연가스 하이드레이트를 해리시키고 가스를 회수하는 방법으로 수압파쇄와 열수 주입법을 함께 이용할 경우 효과가 크다. 미국 에너지성 자료에 의하면 고온의 염수를 두께 60m 정도의 가스하이드레이트층에 적용한 결과 에너지 주지가 9~13배에 달한는 것으로 보고됐다.

# 갈길은 아직 멀다

세계 각국의 가스하이드레이트에 대한 관심은 갈수록 높아지고 있고 대부분 2020년 안에 상용화 기술을 개발하겠다고 공언하고 있다. 그러나 아직 해결해야 할 일들은 많다.

가스하이드레이트 채굴시 지반붕괴나 해저침하 현상에 대한 대안, 시추와 생산 시 파이프라인과 노즐 등의 막힘 현상 등이다. 또 환경적인 측면으로 보면 시추 때 메탄이 연소되지 않고 공기중으로 퍼질 경우 온실효과에 대한 고려도 해야한다.

다행히 채굴시 지반붕괴나 해저침하에 대한 대책도 마련되고 있고, 채굴시 막힘 현상에 대한 연구도 진행되고 있어 전망은 밝다. 또 예상보다 가스하이드레이트 상용화를 일찍 경험할 수 있다는 낙관론도 제시되고 있다.

특히 한국은 사용하는 에너지와 자원의 97%이상을 해외에 수입하고 있는 수입국으로 이와 관련된 주권은 반드시 확보해야 할 필수요소다.

이런 상황에서 동해에 부존하는 가스하이드레이트는 향후 에너지 주권국으로서 성장하는 초석이 될 소중한 자원이다.