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2017년 11월 22일 수요일

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[논문]21세기 신 에너지 가스 하이드레이트

21세기 신 에너지 가스 하이드레이트

백우현(경상대학교 교수)

1.서 론.

오늘날 찬란한 과학기술의 발전은 인간을 문명의 최우선 수혜자로 끌어올렸을 뿐만 아니라 지구상에 존재하는 모든 사물에 대한 이용과 지배를 가능케

하였으며 동시에 이에 수반되는 책임도 짊어지게 하였다. 이러한 현상은 인간 본연의 호기심에의 발로와 미시적 세계에 대한 새로운 지식을 터득하면서 비롯된 것 이다.

현대사회는 더욱더 다양화되고 복잡해져감에 따라 인간 활동에 소요되는 자원에 대한 중요성이 그 어느 때보다도 강조되고 있는 현실이다.

전 세계 에너지 소비의 약 87%를 화석연료가 차지하고 있으며, 아직 이들을 대체할 만한 에너지원의 개발이 미흡한 실정이다. 따라서 당분간은 화석 에너지가 높은 비중을 차지하게 될 전망이다.〔그림 1〕에서는 지구상에 축적된 유기탄소의 분포량을 나타낸 것으로 탄화가스가 화석연료보다 2배 이상 많이 분포하고 있음을 알 수 있다.

지구상의 자원은 언젠가는 고갈될 것이다. 자원의 장래문제는 우리나라에서만 국한되는 것이 아니라 지구상의 모든 국가들이 안고 있는 문제이다. 자원의 확보는 세계 모든 나라가 자국의 이익에 부합되는 쪽으로 이끌어 가고 있는 추세로 인하여 국가간 자원의 벽은 점점 더 두터워 질 것이다. 이러한 냉혹한 국제적 환경 속에서 살아남기 위해서는 가용자원이 턱없이 부족한 우리는 두 가지 측면에서 자원의 확보 방안을 찬을 수 있다.

하나는 자원의 개발이고 다른 하나는 자원의 비축이다. 자원의 개발에 대한 사례로서〔그림 2〕에서는 심해개발 연혁을 보여주고 있는데, 선진국에서는 심해 개발에 큰 비중을 두고 있다. 이러한 시점에서 오늘날 독도 근해에 매장된 천연가스층에 대한 비밀을 풀어보는 것은 매우 뜻깊은 행사로 평가된다.

왜냐햐면 그동안 한일간 독도 문제는 양국간에 첨예한 대립으로 인하여 독도를 지키기 위한 사람들에 의해 수많은 연구가 이루어졌으나 독도 문제를 자원으로 검토한 연구는 거의 찾아보기 힘들었기 때문이다.

2. 본 론

가스 하이드레이트(Gas Hydrates)란 무엇인가?

일반인들에게 전혀 생소하게 들리는 '하이드레이트'는 에너지 자원을 연구하는 과학자들에게는 '21세기의 새로운 에너지 자원'으로 주목받고 있는 귀중한 자원이다. 화학적으로 물분자 내에 메탄 분자가 끌려들어간 일종의 셔벗(Serbet : 과즙을 얼린 빙과 같은 버석거리는 얼음상태)같은 결정체이고, 바꾸어 말한다면 메탄이 주성분인 천연가스가 얼음처럼 고체화된 상태를 말한다.

러시아의 시베리아 같은 툰드라지대와 심해 해저의 퇴적물 또는 퇴적암층에 광범위하게 분포돼 있는 하이드레이트는 온도가 매우 낮고 압력이 높은 고압상태에서 살얼음과 비슷한 버석거리는 고체 상태로 존재하는 것으로 알려져 있다.〔그림 3〕에서는 물분자 속에 갇힌 형태로  존재하는 셔벗모양의 메탄 하이드레이트 결정구조를 잘 보여주고 있다.

이 물질의 존재가 알려진 것은 지난 1930년대이지만 당시로서는 원류와 천연가스 수요가 지금처럼 많지 않았고 하이드레이트를 개발할 만한 기술이 축적돼 있지 않았기 때문에 지금까지 각광을 받지 못했던 것이다.

그러나 천연가스처럼 95% 이상이 메탄으로 구성된 하이드레이트는 매장량이 천연가스보다 수십배 이상 많고, 이것을 연소시킬 때 이산화탄소 발생량이 미미하여 공해가 큰 사회 문제로 부각되고 있는 현재 각 국 과학자들의 유별난 관심의 대상이 되고 있다.

그런데 문제는 하이드레이트 자체가 훌륭한 에너지 자원인 것은 물론 석유자원이 부존돼 있는지 여부를 알려주는 지표 역할을 한다는 사실이다. "해저에 석유자원이 부존돼 있는 지역을 탐사 해보면 통상 맨 위쪽에 셔벗처럼 얼어붙어 있는 하이드레이트층이 나타나고 그 아래층에 천연가스와 원유가 있다" 는 것이 전문가들의 증언이다.

21세기의 새로운 에너지로 각광받고 있는 하이드레이트의 매장량은 막대하지만 전세계적으로 개발기술 수준이 초보단계이기 때문에 러시아를 제외하고는 아직껏 상업적 생산이 이루어지지 않고 있는 것으로 알려지고 있다.〔그림 4〕에서는 전세계의 하이드레이트 분포도를 잘 보여주고 있는데, 메탄 하이드레이트는 안정하게 형성되고 존재하기 위한 물리적 조건을 충족하는 심해 퇴적층과 영구동토 지역에서 주로 나타난다.

이 하이드레이트의 연구에 관한 한 러시아가 세계 최고 수준이며, 그 뒤를 이어 미국과 일본 및 캐나다가 이 분야 연구에 전념하고 있는 것으로 알려지고 있다.

사실 한국에서도 하이드레이트에 대한 연구가 아주 없는 것은 아니다. 한국자원연구소는 현재 물리탐사선인 '탐해2호'를 동해상에 띄어 하이드레이트 탐사와 부존 조건 구명을 위해 기초적인 자료 수집을 하고 있는 단계이다.

한국의 석유개발은 이제 상당한 수준까지 올라섰지만 하이드레이트의 경우 탐사자료가 전무한 상태이다. 이제 겨우 탐해 2호를 통해 수심 약 300m 이하에서 발달된 퇴적층에서는 하이드레이트가 안정하게 존재할 수 있다는 가능성만 밝혀졌을 뿐이다. 하이드레이트 연구가 중요한데도 정부관계자나 전문가들조차 관심을 기울이지 않아 이 분야에 대한 연구를 진행하기 힘든 상황이다.

 

해저 자원 개발의 중요성

대륙 주변부에 널리 분포해 있는 대륙붕(continental shelf)에는 석유 및 천연가스와 같은 미개발 자원이 상

당량 부존하고 있다.

인접국인 중국의 동해안에서도 대형 유전이 발견됐고, 일본의 서해안에서도 유전이 있는데 유독 그 중간에 위치한 한반도에서만 원유와 천연가스가 발견되지 못한 이유는 과연 무엇일까? 물론 여러 가지 문제점이 있었겠지만  그동안 우리나라에 축적된 기술과 자료도 불충분했고 국내 대륙붕 시추작업을 해저유전 탐사기술을 가진 외국 석유회사들에 의존했었기 때문이었다는 탄식이 상당한 설득력이 있다.

우리나라의 석유 탐사 역사는 1960년대 후반 '유엔 극동 경제 위원회'와 '미국 해양 해군 연구소'에서 국내 대륙붕에 석유와 가스의 매장 가능성을 시사한데서 시작됐다. 정부는 이에 따라 70년 이후 미국의 쉘사 등 외국 기업을 동원하여 석유 탐사를 계속하였으나 성과는 없었다. 그동안 91.000km에 걸친 탄성파 탐사와 26개 공에 대한 시추가 있었으나 9개 시추공에서는 미약한 징후만 나오는데 그쳤다.

1970년 이후 국내 대륙붕에서 모두 27개의 시추공을 뚫은 결과 지금까지 4곳에서 가스 매장을 확인했으나 이들 지층 구조 내의 추정 매장량이 경제 규모에 훨씬 미달하여 상업적인 개발을 포기했었다.

1978년 동력자원부 발족과 더불어 자주적 석유개발을 통한 원유의 안정적 공급을 추진할 목적으로 정부는 1979년 한국 석유개발공사를 설립하여 국내기술진들이 그 동안의 취득된 탐사자료를 정리함으로써 국내기술진 주도 하에 대륙붕에서 석유 탐사를 적극적으로 추진할 수 있는 기틀을 마련하였다.〔그림 5〕에서는 우리나라 대륙붕 주위에서의 공구별 시추현황을 잘 나타내고 있다.

1983년도 국내 대륙붕에서 최초로 유개공에 의한 자주적인 물리 탐사가 실시되어 국내 대륙붕 개발사업이 진행되었으나, 유개공 설립 초기에는 체계의 미비와 낮은 기술수준 때문에 활발한 탐사활동을 하지 못하였으며, 1987년 최초로 유개공이 운영권을 갖고 100% 지분 참여한 6-1광구 돌고래 3공에서 천연가스를 발견함으로써 활기를 띄게 되어 매년 1∼2공씩 합작 또는 단독의 형태로 활발한 탐사를 실시하게 되었다.

 1998년 7월 27일 석유개발공사의 자료에 의하면 울산 남동쪽 50km 해상의 대륙붕(6-1광구 고래 V구조)에서 1700억∼2000억 입방미트(340만∼400만톤)규모의 천연가스층을 발견했다는 것이다. 이는 국내 액화천연가스(LNG)소비량(97년 기준)의 4∼5개월분에 해당하는 것으로 금액으로는 7억∼8억 달러에 이른다는 것이다.

〔그림 6〕에서는 동해상의 고래 Ⅰ광구와 고래Ⅴ광구 주변에 존재하는 부존자원이 존재할 가능성이 높은 잠재유망 지역 A, B, C를 붉은 색 점선으로 표시하였다.

이와 같이 우리나라 동해상에 양질의 천연가스가 존재한다는 사실을 확인한 사업자원부는 지난 2월 23일 울산 앞바다 6-1광구 가스전 개발 선언식을 갖게 됨에 따라 우리나라도 이제

산유국으로 진입하는 계기를 만들었다.

 

밴드 형성하고 있는 천연가스층의 비밀

한국 석유개발공사가 작성한 국내 대륙붕 및 중국과 일본 등 인접국의 석유 발견지점 지도를 보면 일종의 밴드가 형성되어 있는 느낌이 들게 한다.

지도를 보면 중국령 동중국해 분지인 핑후유전(석유생산 예정지역)에서 출발해 동북방향(대각선)으로 올라가면 롱징유전(석유 발견 지역)이 나오고 여기서 5광구(석유 탐사 실패)를 거쳐 계속 직진하면 6-2광구가 나온다.

네덜란드의 석유회사인 쉘사가 시추한 6-2광구에서는 우리나라 대륙붕 광구 중에서 유일하게 유전의 징후가 확인됐고, 일본은 이 광구와 바로 이웃한 세 군데에서 석유를 발견한 바 있다. 또, 6-2광구에서 계속 동북방향으로 가면 이번에 발견된 고래Ⅴ구조를 포함해 무려 5군데에서 가스가 발견된 6-1광구가 나오는 것이다. 또, 6-1광구에서 독도 밑으로 방향을 조금 꺾으면 일본 서부 연안을 따라서 유전지대가 펼쳐지게 된다.

지난호에서 제시한〔그림 5〕를 보면 석유(천연가스 및 원유)가 분출됐거나 징후가 있는 곳이 일직선으로 자원 부존지대를 이루고 있는 것은 분명하다. 이것을 특별한 연관성이 있는 듯한데, 아직까지 이에 대한 과학적인 조사가 돼있지 않아 더 연구해야 할 과제로 남겨두고 있다.

 국내 대륙붕 탐사는 그 광활한 면적(30만 ㎢)과 매우 복잡한 지질 구성에 비해 지금까지 겨우 30개의 시추공을 꽂았을 뿐이다. 이중에서도 12개의 외국석유회사가 시추한 것이고 7개는 외국과 한국의 공동탐사, 나머지 11개가 80년대 중반에 들어서서 한국측이 독자적으로 시추한 것이다. 반면에 일본은 38만㎢의 대륙붕에서 지금까지 175개의 시추공을 탐사했고, 대만만 하더라도 24만㎢의 대륙붕에 무려 126개의 시추공을 꽂았다. 상황이 이렇다 보니 우리나라는 기초지질 자료 획득에서 걸음마 단계에 있는 셈이다.〔그림 7〕에서는 동해안에서 고래지역과 돌고래 지역에 대한 지층구조를 보여주고 있다.

가스 하이드레이트(Gas Hydrates)와 천연가스층의 일치

유개공측이 작성한 천연가스층의 지도와 러시아 과학원이 제공한 가스 하이드레이트의 세계 분포를 비교해 보면 놀랄만한 일치성을 보이고 있음을 확인할 수 있다.

하이드레이트가 동해상과 일본열도를 거쳐 저 멀리 캐나다까지 뻗쳐가면서 밴드를 구성하고 있는 것이 유개공의 석유 부존지대와 겹치는 것이었다. 캐나다 북쪽의 비포트해, 러시아 알래스카 사이의 베링해 일대, 오호츠크해와 일본열도 근해에서 하이드레이트층이 발견되었다. 그리고 중국 동남 지역 바다에서도 하이드레이트 추정지대가 있음이 알려지고 있다. 이것이 하나의 밴드를 형성하고 있다는 것이다. 그리고 결정적인 단서는 한국이 제공할 수 있을 것이다. 한국은 전세계 하이드레이트 분포층 탐사에서 잃어버린 연결고리를 이어중 중요한 곳 중 하나이다. 이 지역이 독도 근해로 추정되기 때문이다. 하이드레이트 분포는 또 바로 밑으로 석유층이 있다는 것을 의미하기 때문에 상호 관계가 있는 것은 분명하다.

〔그림 8〕에서는 해수면으로부터 깊이에 따른 하이드레이트와 상 그림을 보여주고 있는데, 온도가 약 3∼15°C 정도일 때, 심해 깊이 약 1,200∼1,4m 부근에서 메탄 하이드레이트가 해리되지 않고 안정하게 부존될 수 있는 영역으로 안정영역이라고 불린다.

참고로 〔그림 9〕에서는 여러 가지 탐사방법 가운데 BSR(Bottom Simulating Reflector) 방법에 의한 메탄 하이드레이트의 탐사과정을 잘 보여주고 있다. 그러나 퇴적층이 해저면 혹은 지표면과 평형하게 발달되어 있는 경우에는 탄성파 탐사자료로부터 BSR을 확인하는 것이 쉽지 않다.

메탄 하이드레이트의 특성

아직 메탄 하이드레이트의 특성은 별로 밝혀지지 않은 상태이다. 에너지원으로서 메탄 하이드레이트를 개발하기 위해서는 이수의 제어, 케이싱을 세팅하는 방법, 효과적으로 메탄 하이드레이트를 해리시키는 물질이나 용매 및 방법의 개발, 다양한 자연 상태 하에서의 메탄 하이드레이트의 평형조건에 대한 연구는 물론 메탄 하이드레이트의 열역학적 특성과 물리적 특성에 대한 연구가 선행되어야 한다.

메탄 하이드레이트는 온도와 압력의 변화에 대단히 민감하게 반응하는 특성을 지니고 있다. 가스 하이드레이트에 포획되는 가스의 양은 성분, 온도 및 압력의 영향을 받는다(Sharma et al.,1987)고 알려져 있다. 일반적인 광물의 경우에는 특정한 온도와 압력 하에서 상이 형성되고 나면 어느 정도의 조건이 변하더라도 안정성을 가지기 때문에 쉽게 용해되거나 분해되지 않는다. 그러나 얼음의 경우에는 온도의 변화에 대단히 민감하기 때문에 온도가 빙점보다 높아지면 바로 녹기 시작한다. 모든 가스 하이드레이트도 얼음과 안정하게 존재할 수 있는 온도와 압력조건에서 벗어나면 쉽게 해리된다. 따라서 이와 같은 특성은 가스 하이드레이트가 부존된 지층에 대한 지질 온도계와 압력계로 사용될 수 있다. 또한 물리탐사 자료상에서 메탄 하이드레이트의 부존을 나타내는 징후가 발견되었을 때 부존 여부를 판단할 수 있는 자료로 활용된다.

메탄 하이드레이트는 앞서 언급했던 것처럼 특정한 조건(고온, 저압) 하에서 메탄을 고체 상태로 저류할 수 있는 특성을 지니고 있다. 따라서 메탄 하이드레이트는 메탄가스를 고체상태로 저장한 창고라고 할 수 있다.

또한 메탄은 연소시 발생되는 이산화탄소의 양이 현재 사용중인 휘발유에 비하여 적은 0.7배정도(松本外, 1994)이며, 알콜은 물론 기타 다른 탄호수소 가스에 비해 이산화탄소를 적게 배출하는 특성을 가지고 있으며, 발열량도 또한 높다(Max et al., 1988). 따라서 메탄 하이드레이트를 개발하여 에너지원으로 사용할 경우에는 대기 오염을 상당히 줄일 수 있을 것이다.

메탄 하이드레이트의 경도에 대한 연구는 별로 이루어지지 않았으나 얼음에 비하여 약 2배 정도인 것으로 알려져 있다(Makogon, 1988). 메탄 하이드레이트가 형성되어 있는 경우 물에 용해되는 메탄의 용해도는 압력과 온도의 영향을 받는다. 즉, 메탄의 용해도는 압력이 증가함에 따라 그리고 온도가 낮아짐에 따라 증가한다(Makogon, 1971, 1974; Makogon et al., 1997). 또한 메탄 하이드레이트가 존재하는 상태에서 물과 가스의 접촉면에서는 하이드레이트에 의한 방해에 의하여 물에 녹아 있는 가스의 양이 현저하게 감소하는 양상이 나타난다.(Makogon et al., 1997). 이러한 현상은 메탄 하이드레이트가 형성되고 해리되는 메카니즘을 이해하는데 매우 중요하다.

Pressure(MPa)

0.1

1

10

100

1000

Density(g/㎤)

-

0.895

0.917

0.95

1.053


표 1. 압력에 따른 메탄의 밀도(at T=273.15K, Makogon et al., 1997)

메탄 하이드레이트의 밀도는 하이드레이트 격자 내의 메탄의 포화도에 따라 달라지며(Max et al., 1997). 포획되는 메탄의 양은 온도가 낮아질수록 그리고 압력이 높아질수록 증가한다(Sharma et al., 1997). 동일한 온도 하에서는 압력이 증가함에 따라 메탄 하이드레이트의 밀도 역시 증가한다.

그리고 메탄 하이드레이트에 대한 흡착력에 대한 규명은 파이프라인에서 하이드레이트 플럭을 제거하고, 스트레스를 예측하는데 있어서 상당히 중요하다. 실험결과에 의하면 철과 polytetraflouroe-thylene에 대한 메탄 하이드레이트의 흡착력은 얼음의 흡착력보다 낮은 것으로 밝혀졌다(Bondarev et al., 1996). 또한 메탄 하이드레이트가 형성될 때는 물의 격자를 느슨하게 하기 위하여 에너지를 소모하며, 이 때 물의 부피는 약 26∼32% 정도 증가하며, 가스의 부피는 감소하게 된다(Makogon et al., 1997).

결 론.

가스 하이드레이트(Gas hydrates)는 지난 세기 초부터 알려져 오고 있는 희고 얼음 같은 물질이다. 이 하이드레이트는 일반인들에게는 생소하지만 에너지 자원을 연구하는 과학자들에게는 21세기의 신에너지 자원으로 주목을 받을 것으로 판단된다. 그러나 반세기에 걸쳐 화학적 친화력은 없으면서도 어떤 형태로 상호작용을 하는지 도저히 설명이 불가능하여 화학 분야에서 수수께끼로 남아 있었다.

20세기 중반에 자연에서 천연가스의 거대한 원산지의 출현은 20세기에 있어서 가장 놀랄만한 지질학적 발견중의 하나가 되었고 이들 물질들의 집약적인 연구에 강력한 자극이 되었다.

지금까지 살펴본 것처럼 메탄 하이드레이트는 아주 유용한 자원이면서 석유와 천연가스의 방출을 억제하는 뚜껑 역할을 하기도 하며, 하이드레이트의 부존량을 나타내는 BSR의 확인은 석유자원 탐사에 있어서도 중요한 인자가 된다.

메탄 하이드레이트가 물 속에 포함되어 있는 양은 오늘날 2.10M 숫자로 씌여진다. 이것은 지구상의 공기 속의 산소량(8.10M)과 함께 대비할 수 있으며 모두 합쳐서 남아 있는 탄소 보유량을 초과한다.

우리가 독도 해역을 주목하는 가장 중요한 이유는 가까운 이론의 경우 약 80년간 사용할 수 있는 막대한 양의 하이드레이트가 매장되어 있다는 사실을 확인한 상태이며 작년부터 정부주도 하에 시험생산을 위한 시추에 들어갔으며, 러시아를 비롯한 세계 중요국가들도 하이드레이트 개발에 박차를 가하고 있다.

우리나라의 경우 그 동안 주변국들의 여러 정황으로 판단하면 안정하게 매장되어 있을 가능성이 큰 독도 근해의 하이드레이트의 연구 개발에 박차를 가해야 한다. 왜냐하면 우리나라의 경우 석유 의존도가 크기 때문에 하이드레이트에 대한 획기적인 기술개발로 유류 사용시 발생하는 이산화탄소의 양을 줄일 수 있어 지구 환경 보호에도 기여 할 수 있기 때문이다.

에너지의 해외 의존도가 큰 우리나라의 경우 청정 에너지원인 하이드레이트를 개발하여 각개 각 분야의 전문가들이 일치 단결하여 체계적인 탐사 개발만이 절실히 요구된다.



● 참고문헌

1. 유병재, 메탄 하이드레이트 현황 및 전망, 제6회 가스산업워크샵 발표논문집, 한국자원연 구소, 1998.

2. 松本外, メタソハイドレト21世紀の大天然ス資源 日經イエソス社, 東京, 1994.

3. Gas Hydrates in the Earth's Ecosystem, Novosibirsk, 1997.

4. Bondarev E.A. et al., Adhesive properties of gas hydrates and ice, In Proceeding of 2nd International Conference on Gas Hydrate, France, 1996.

5. Makogon Y.F., Hydrate of Natura Gas, Nedra, Moscow, 1974.

6. Makogon Y.F., et al., Recent Research on Procerties of Gas Hydrate, In Proceedings of Offshore Technology Conference, 1997.

7. Sharma G.D., et al., Development of Alaskan Gas Hydrate Resources, Annul Report,

U.S. Dept. of Energy DOE/MC/61114-2608, 1987.



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