독도는 우리 땅, 하이드레이트는 우리 자원!

독도는 우리 땅, 하이드레이트는 우리 자원!

새로운 자원으로서의 하이드레이트, 국내 기술은 얼마나?

대학생신재생에너지기자단 14기 변홍균, 17기 백도학

   

   하이드레이트는 석유, 석탄과 같이 누구나 아는 자원은 아니지만, 그 이름을 안다면 자연스레 독도에 매장되어 있다는 사실을 한 번쯤 들어보았을 것이다. 일본이 독도에 매장된 자원을 확보하기 위해 독도에 대한 영유권을 주장하는 분쟁은 과거부터 꾸준히 지속되고 있으며, 지난 3월 일본 교과서에 독도를 일본 영토로 표기한 내용을 승인한 사례까지 한·일간 갈등은 심화되고 있다.

재생에너지가 갖는 한계

   전 세계적으로 지구온난화로 인한 환경문제에 대해 많은 논의가 이어져 왔으며 깨끗하고 안전한 에너지에 대한 갈망이 세계를 ‘에너지전환’으로의 길로 이끌었다. 대한민국 역시 그에 따라 재생에너지의 비율은 2014년 약 5%, 2015년 약 7%, 2018년에는 약 9%로 나날이 그 발전량이 늘고 있다. 또한 2017년 발표된 ‘재생에너지 3020 이행계획’과 같은 다양한 정책들을 통해 우리는 빠른 속도로 이러한 변화를 겪고 있다.

[자료 1. 신재생에너지 발전 비율]

출처 : 한국에너지공단, 「신재생에너지보급실적조사」

   하지만 신재생에너지는 장점을 가지면서 동시에 단점을 가지기도 한다. 처음 신재생에너지는 화석연료의 고갈, 지속 가능성 때문에 도입되었지만, 그 비용이 기존의 생산 단가보다 높아 문제가 되었다. 또한, 대한민국의 경우 토지가 부족해 신재생에너지의 발전을 이룩하기에 어느 정도 한계가 있다. 물론 이러한 문제점들은 시간이 지남에 따라 계속해서 개선될 것이 틀림없다. 하지만 이러한 문제가 개선되고 에너지전환이 더욱 빛을 발하기 위해서는 기존의 에너지에도 주목할 필요가 있다.

에너지 수입이 절대적인 우리나라에서 새로운 자원개발의 필요성은 꾸준히 논의

   대한민국은 에너지 수입의존도(에너지 수입량(toe)/국내 1차에너지 공급량(toe))가 2018년 기준 93.5%에 달한다. 수입의존도가 높을수록 에너지 안보에 취약한 구조를 가지게 된다. 즉 대한민국은 에너지 자립이 제대로 이루어지지 못하고 있다는 뜻이다.

   이런 상황 속에서 대한민국에서 새로운 자원개발의 필요성은 계속해서 논의되고 있으나, 관련된 논의 속에서 태양광, 풍력의 오로지 신재생에너지에 집중된 경향이 있다. 본 기사에서는 기존 널리 알려진 신재생에너지가 아닌 새로운 자원으로서의 하이드레이트를 소개하며 이에 관한 내용을 살펴보고자 한다.

가스 하이드레이트란?

   가스 하이드레이트는 낮은 온도, 높은 압력의 조건, 즉 해저나 빙하 아래에서 저분자량의 가스 분자와 물 분자가 모여 형성된 3차원 결정성 포집 화합물을 일컫는 말이다. 물 분자들이 수소 결합을 통해서 주체 구조를 형성하고, 이때 수소 결합에 의해 형성되는 빈 공간 안에 저분자량의 가스 분자들이 포집되며 안정된 구조를 형성한다. 이때 빈 공간 안에 포집되는 가스의 종류는 메탄, 에탄, 프로판 등의 저분자 탄화수소와 질소, 이산화탄소 등의 가스가 있다. 이에 따라 메탄이 들어가면 메탄 하이드레이트, CO2가 들어가면 CO2 하이드레이트라고 불리는 것이다.

 

[자료 2. 물 분자에 둘러 쌓인 메탄 분자]

출처 : 미국에너지국(DOE)

하이드레이트 생성과정

   하이드레이트 내부에 포집된 메탄을 추출하여 에너지원으로 이용하기 위해서는 하이드레이트 구조를 해리(Dissociation)하는 과정이 필요하다. 저온-고압 환경에 분포하는 특성을 이용하여 하이드레이트의 상평형도 바깥으로 이동하는 방식으로 감압법(Depressurization), 열자극법(Thermal Injection), 억제제 주입법(Inhibitor Injection)이 있으며, 주로 감압법이 해상 및 육상 하이드레이트 시험생산에 적용된다.

1) 감압법(Depressurization) : 감압법은 하이드레이트가 매장된 퇴적층의 압력 조건을 하이드레이트 상평형선도 외의 영역까지 이동시키는 방법이다

2) 열 자극법(Thermal Injection) : 증기 또는 열수를 주입하여 하이드레이트가 매장된 퇴적층의 온도를 높여 하이드레이트를 해리하는 방법이다.

3) 억제제 주입법(Inhibitor Injection) : 알코올(Alcohol)과 같이 하이드레이트 생성을 방해하는 화학물질을 투입하는 방법으로 상평형선도를 더 높은 압력과 낮은 온도의 영역으로 이동하여 하이드레이트의 해리 현상을 응용한다.

   그러나 앞서 언급한 세 가지 방법은 하이드레이트의 해리를 수반하는 기법인 만큼 심해저 환경과 퇴적층 오염이 있을 수 있다는 단점이 있어, 최근에는 공기나 이산화탄소를 섞어 주입해 자발적인 상평형 반응을 이용하여 지반 파괴 없이 하이드레이트를 추출하는 맞교환법이 논의되고 있다.

[자료 3. 가스 하이드레이트 생산 방법]

출처 : Reservoir issue 8, 2011

[자료 4. 하이드레이트 생성조건에 관한 상평형도]

출처 : Makogon, 1997; Sloan and Koh, 2006

   오늘 우리가 얘기하고자 하는 것은 한 때 이슈를 끌었던 메탄 하이드레이트이다. 우선 메탄 하이드레이트는 생물기원 하이드레이트로 볼 수 있으며, 이는 퇴적층 내에 포함되어 있는 유기물을 활용한 것이다. 미생물의 혐기성 메탄생성반응에 의해 발생하는 메탄가스가 낮은 온도, 높은 압력에서 물과 결합하여 생성된다. 울릉분지에서 발견된 메탄 하이드레이트의 경우에도 99% 이상의 가스가 메탄으로 구성된 생물기원 하이드레이트로 밝혀져 있다.

 

가스 하이드레이트 탐사 방법

   가스 하이드레이트를 탐사하는 방법에는 지질/지화학적 탐사 방법과, 지구물리탐사가 존재한다. 지질/지화학적 탐사는 하이드레이트의 부존을 직접 확인하는 방법이다. 해저면 표층에서 발달하는 하이드레이트의 부존을 해저면 영상을 촬영하고 해수를 채취하여 확인하는 해저면 관측 탐사, 천부 최적층 내 부존을 확인하는 피스톤 코어 시추 탐사 등이 그 예시이다.

   지구물리탐사는 지질/지화학적 탐사와 달리 넓은 범위에서 가스 하이드레이트의 부존을 간접적으로 확인할 수 있는 방법이다. 탄성파 탐사와 물리검층이 존재하는데, 탄성파 탐사는 퇴적층의 수직 단면을 파악할 수 있는 2차원 탄성파 탐사, 공간적인 형태를 파악할 수 있는 3차원 탄성파 탐사자료를 얻을 수 있다. 물리검층은 지층에 대한 여러 가지 물리적 특성을 연속적으로 측정하는 것을 뜻한다.

 

한국의 메탄 하이드레이트 개발

   한국에서는 1996년부터 약 8년간 탐사기술의 확보와 대한민국 동해의 예상 부존 가능지역의 규명을 위한 연구가 진행되었다. 이후 2005년부터 하이드레이트의 존재를 밝히는 시험이 진행되었다.

   앞선 선행연구를 통해서 울릉분지의 가스 하이드레이트의 분포지역이 도면화되었다. 이를 토대로 가스 하이드레이트의 개발을 위해 ‘가스 하이드레이트 개발사업 추진계획’을 마련해 사업을 추진하고 있다. 2007년에는 울릉분지의 가스 하이드레이트 부존을 확인하기 위해서 1차 울릉분지 가스 하이드레이트 시추를 진행하였다. 1차 시추를 통해 대한민국은 전 세계 중 5번째로 심해저 가스 하이드레이트의 부존을 확인하였다.

   이후 2008년부터 2011년까지는 가스 하이드레이트 부존 확인, 부존량 평가 및 시험생산을 위한 시추 위치 선정과 실험 시스템 구축을 목표로 진행이 되었다. 기존 탐사자료에 기반하여 시추 위치를 선정하였다. 세계에서 가스 하이드레이트 부존량이 6.2억 톤으로 4번째로 많은 것이 밝혀졌고, 시험생산 후보지 3개 지점을 도출해 내었다. 이후 2012년부터 2014년까지 가스 하이드레이트 후보지에 대한 우선순위 결정 작업과 이후 시험생산의 위치 결정 및 현장 적용 모의시험을 진행하였다.

   하지만 2015년, 모의시험과 여러 연구를 통해 폭발의 위험성과 해저지형 붕괴의 가능성이 드러나 개발이 잠정 중단되었다. 울릉분지 주변 중 독도의 메탄 하이드레이트는 class 3에 해당하며, 이는 물, 가스와 함께 이루어진 것이 아닌 오로지 하이드레이트로만 이루어져 있다는 특징을 가진다. 그래서 메탄 유출의 문제가 계속해서 대두되어 2015년에는 연구가 거의 이루어지지 않았다. 하지만 2015년에는 여러 전문가, 교수들이 모여 2030년까지 가스 하이드레이트의 생산기술 확보와 국제협력의 강화 등을 논의하는 토론회가 열렸다. 그리고 2015년 이후, 대한민국 가스하이드레이트 개발사업단에서는 끊임없이 울릉분지의 가스 하이드레이트에 대한 연구, UNIST에서는 메탄 하이드레이트를 안전하게 획득할 수 있는 치환 메커니즘에 대한 연구를 진행해오고 있다. 최근 2019년 7월 가스 하이드레이트 개발사업단은 가스 하이드레이트 개발사업(시험생산)을 위한 기획, 연구 및 사업 타당성의 분석을 위해 연구용역을 추진한다고 밝혔다.

 

가스 하이드레이트의 장점

우리가 주목해야 할 하이드레이트의 장점들은 다음과 같다.

1) 가스 하이드레이트는 총매장량이 205조m^3로 석탄, 원유, 가스를 합친 것보다 2배 이상 많게 나타난다. 이는 세계에너지 사용량의 350년 분에 해당한다. 한국에서도 포항 북동쪽 135km 지점인 울릉분지에서 메탄 하이드레이트의 부존이 확인되었고, 부존량은 한국 연간 천연가스 수입량의 20배에 해당하는 6~8억 톤으로 추정된다.

[자료 5. 세계 에너지원 매장량]

출처 : IEA

2) 메탄 하이드레이트를 이용해 추출한 메탄이 연료로 사용될 경우에, 이산화탄소와 물만을 생성시키고, 이산화탄소 배출량 비율 역시 석탄:원유:메탄 하이드레이트가 14:10:7로 기존의 화석연료에 비해 청정한 에너지이다. 또한 메탄 하이드레이트에 미량의 물을 첨가하고 압력을 가하면, 170배의 CO2를 저장할 수 있다. 이는 지구 온난화를 유발하는 기체들을 가스 하이드레이트의 형태로 저장할 수 있다는 말이다.

3) 메탄 하이드레이트를 이용해서 해수 담수화가 가능하다. 이는 가스 하이드레이트가 형성되는 과정에서 염화나트륨 등의 염분이 결정구조에서 배제되며, 고체 가스 하이드레이트를 녹일 경우에 불순물이 제거되어 순수한 물, 저분자량 가스 분자가 남기 때문이다. 이를 통해 물부족 문제 역시 해결할 실마리를 찾을 수 있다.

[자료 6. 이산화탄소 가스 하이드레이트 기반 해수 담수화 기술 개념도]

출처 : GIST

자원개발 vs 환경파괴에 관한 우려. 균형있는 선택이 필요

   그러나 하이드레이트의 메탄가스는 이산화탄소보다 강력한 온실가스로 생산 과정에서 유출될 경우 지구온난화를 가속하는 원인이 될 수 있다. 또한, 지구온난화로 인해 해수 온도가 상승할 경우 하이드레이트 상평형 조건이 붕괴되면서 심해저에 위치한 하이드레이트가 해리되었을 때 대규모 메탄가스 유출될 수 있으며 이 또한 지구온난화를 가속화하는 원인으로 하이드레이트와 기후변화에 관한 연구가 진행중이다.

   앞서 언급한 현재까지의 기술로는 하이드레이트 생산 과정에서 인위적인 행위가 필요한데, 이 과정에서 퇴적층 붕괴, 해양 및 토양 오염의 가능성이 크다. 또한 석유와 천연가스 생산을 위해 적용되던 기존 기술이 적용이 어려워 관련 개발에는 큰 비용과 시간이 소요되어 하이드레이트 개발에 많은 어려움이 있다. 새로운 자원의 필요성과 환경 보전에 관한 적절한 균형을 유지하는 것은 오랫동안 이어져 온 딜레마(Dilemma)로, 끝없이 변하는 에너지 산업의 미래에서 하이드레이트의 위치는 어떻게 될 것인지 기대된다.

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참고문헌

[재생에너지가 갖는 한계]

1) 김정훈, "신재생에너지 도입의 문제점과 미래 산업 전망", 전기 저널, 2019. 01. 09, http://www.keaj.kr/news/articleView.html?idxno=2508

 

[에너지 수입이 절대적인 우리나라에서 새로운 자원개발의 필요성은 꾸준히 논의]

1) 한국에너지공단, "알쏭달쏭 에너지의 모든 것", 에너지 바로알기, p.34

 

[가스 하이드레이트란?]

1) 가스하이드레이트 사업단, "가스하이드레이트 탐사방법", http://www.gashydrate.or.kr/sub2/sub2_02.php

2) 김상식, "메탄 하이드레이트의 미래에너지 가능성 및 전망", 융합연구정책센터, 2017. 01. 16

3) 주익찬, "메탄 하이드레이트가 열 새로운 세상", 유진투자증권, 2013. 03. 18

4) GIST 박영준 교수 연구팀, "상온에서도 녹지 않는 얼음을 이용해 바닷물을 담수로 만드는 새로운 방법 개발", p.1~2

5) 황정은, "지반 파괴 없이 가스하이드레이트 추출", The Science Times, 2014, 11.04, https://www.sciencetimes.co.kr/news/%EC%A7%80%EB%B0%98-%ED%8C%8C%EA%B4%B4-%EC%97%86%EB%8A%94-%EA%B0%80%EC%8A%A4%ED%95%98%EC%9D%B4%EB%93%9C%EB%A0%88%EC%9D%B4%ED%8A%B8-%EC%B6%94%EC%B6%9C/

6) 차민준, 민경원, "미래 에너지로서 가스 하이드레이트의 개관 및 물리/화학적 특성", 한국자원공학회지 2018.12, p. 682

 

[한국의 메탄 하이드레이트 개발]

1) 한국자원공학회, "가스하이드레이트개발사업 추진방안 수립 연구", 산업통상자원부, 2015. 05, p2, 14

2) 박귀철, "가스하이드레이트 개발 본격화 될까", 가스신문, 2019. 07. 24, http://m.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=88042

3) 류병재, "우리나라 가스 하이드레이트 연구/개발", New&Renwable Energy, 2016. 09. 12, p3~4, 8