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동해 울릉분지 해저지층에서 가스하이드레이트(Gas Hydrate)가 매장돼 있다는 것이 처음으로 알려지면서 이른바 ‘불타는 얼음’으로 불리는 가스하이드레이트에 대한 관심이 증폭되고 있다.
가스하이드레이트에 대한 관심은 고유가 시대를 대비한 미래 대체 에너지원으로 그 가능성을 인정받고 있기 때문이다.
가스하이드레이트는 천연가스가 저온, 고압의 상태에서 물분자와 결합해 형성된 고체 상태의 결정으로 물분자로 이뤄진 격자 내부에 가스 분자가 포집된 상태로 존재한다.
저온, 고압 상태의 고체 결정체로 ‘불타는 얼음’으로 불려
천연 가스하이드레이트의 가스 성분은 천연가스와 마찬가지로 주로 메탄으로 이뤄져 있어 ‘메탄하이드레이트’라고도 하며 그 외관이 드라이아이스와 비슷해 ‘불타는 얼음’이라고도 불린다.
가스하이드레이트 상태로 존재하는 메탄가스는 표준 온도 압력 조건에서는 부피가 164배가 팽창하기 때문에 LNG와 같은 농축된 천연가스의 한 형태로 볼 수 있다.
가스하이드레이트로부터 생산된 천연가스는 연소 시 석유, 석탄에 비해 상대적으로 훨씬 적은 이산화탄소를 배출하며 대기오염 물질도 적어 친환경, 청정에너지원으로 적합하다.
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극지방 동토층 및 수심 200m 이상 해저지층서 부존
그렇다면 가스하이드레이트는 어디에 얼만큼 매장돼 있을까.
자연에서 가스하이드레이트가 형성되기 위해서는 저온, 고압 상태가 유지돼야 한다. 이런 조건을 충족시켜 가스하이드레이트가 부존하는 지역은 극지방의 동토층과 수심 200m 이상의 해저지층이다.
또한 지층 내부에서는 깊이에 따라 지열이 상승하기 때문에 지하 깊은 곳에는 가스하이드레이트가 존재할 수 없으며 지온 구배에 따라 다르지만 대략 표층으로부터 200m 내외의 깊이까지 부존하고 있다.
온도 압력조건과 함께 지층으로 공급되는 메탄가스의 양도 가스하이드레이트이 부존여부를 결정하는 중요한 변수이다.
따라서 가스하이드레이트는 대부분 메탄가스를 형성할 수 있는 유기물의 공급량이 충분한 대륙 주변부 해역에 분포한다.
지난 2004년 미국 국회 보고서에 따르면 전 세계 가스하이드레이트의 총 매장량은 탄소량으로 환산해 약 10조톤으로 석유, 가스 등 다른 형태로 존재하는 탄화수소 총 매장량의 약 2배에 해당하며, 천연가스 매장량의 100배에 이르는 것으로 추산되고 있다.
매장된 가스하이드레이트가 모두 개발이 가능하다면 인류는 엄청난 규모의 새로운 화석연료를 확보하게 되지만 실제로는 기술적 난제와 환경영향 등으로 극히 일부만 가까운 미래에 이용될 것으로 예측된다.
기술적 난제 및 환경영향 등으로 일부만 이용될 듯
가스하이드레이트 생산은 고체형태를 직접 채굴하는 것이 아니라, 지층의 온도를 올리거나 압력을 낮춰 가스로 해리시킨 후 가스를 파이프라인을 통해 이송시키는 방법으로 이뤄진다.
현재 제안된 가스하이드레이트의 생산방법은 감압법, 열주입법, 용매주입법 등으로 구분된다.
우선 감압법은 가스하이드레이트 생산정의 압력을 낮춤으로써 생산정 주위의 가스하이드레이트 해리를 유도해 생산하는 방법이고, 열주입법은 열수 주입이나 전기 자극을 통해 주입정 주위의 온도를 증가시켜 가스하이드레이트 해리를 유도하는 방법이다.
마지막으로 용매주입법은 온도, 압력 조건을 변화시키는 것이 아니라 가스하이드레이트 형성 억제제를 주입해 해리를 유발하는 방법을 의미한다.
이러한 기존 생산방법 외에 최근에 주목을 받고 있는 방법은 이산화탄소 주입법이다. 이 방법은 온실가스인 이산화탄소를 가스하이드레이트층에 주입해 메탄을 이산화탄소로 치환해 생산함으로써 온실가스 저감과 메탄 생산을 동시에 충족시키는 것이다.
이 방법은 가스하이드레이트를 해리시키지 않고 메탄가스를 생산하기 때문에 지반 안정성 문제를 근원적으로 해결하는 장점을 갖고 있다.
그러나 기존 제안방법에 비해 아직까지 적용 가능성이 검증되지 않은 가능성 제시 수준에 머물러 있는 것이 현실이다.
지반 안정성과 경제성 확보 못해 상업 생산 미확립
이처럼 가스하이드레이트 생산방법은 동토층을 대상으로 현장 적용을 위한 시험단계에 와 있으나 지반 안정성 문제를 해결하고 경제성을 확보한 상업적 생산방법은 아직 확립하지 못하고 있는 상태다.
또한 가스하이드레이트 매장량의 대부분을 차지하는 해저지층에서는 아직 현장 적용시험 조차 이뤄지지 않고 있다.
아울러 해저지층에 매장된 가스하이드레이트의 상당부분은 투수율이 매우 낮아 해리된 가스가 유동하기 어려운 니질(泥質) 층에 존재하기 때문에 생산에 더욱 어려움이 뒤따른다.
이에 따라 미국, 일본 등 가스하이드레이트 개발 연구 선진국에서는 가스하이드레이트의 상업적 생산은 대략 10년 후에나 육상 동토층에서 가능할 것으로 전망하고 있다.
하지만 최근 우리나라를 비롯한 인도, 중국 등이 가스하이드레이트 개발에 적극 투자하고 있고 가스하이드레이트 개발을 위한 국제적 경쟁이 치열해지는 한편 최근의 고유가로 대체에너지 개발의 필요성이 늘어나는 상황을 감안하면 가스하이드레이트의 상업적 생산시기는 보다 앞당겨질 가능성도 있다는 게 전문가들의 분석이다.
기후변화 및 지질재해 등 부정적 측면 가져
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그러나 가스하이드레이트는 대체 에너지원으로 긍정적인 측면이 있는 반면 기후변화 및 지질재해를 초래할 수 있는 부정적 측면을 동시에 내포하고 있어 본격적인 개발에 앞서 가스하이드레이트가 안고 있는 부정적인 측면을 해소하기 위한 충분한 검토가 선행돼야 한다는 게 전문가들의 지적이다.
구체적으로 가스하이드레이트와 관련된 환경문제는 크게 기후변화에 대한 영향과 해저사면 붕괴에 수반된 지질재해 등으로 나눠 볼 수 있다. 이 두가지 문제는 발생원인에 있어 서로 밀접하게 연관돼 있다.
자연적, 인위적 요인에 의해 가스하이드레이트를 안정영역의 깊이가 얕아지게 되면 안정영역 하부의 가스하이드레이트는 물과 가스로 해리돼 지층 내 연약대를 형성하고 이를 따라 대규모의 해저 사면사태를 유발할 수 있다.
또 사면 사태에 의해 지층의 압력이 일시에 해소되면 이는 다시 안정영역의 급격한 축소를 가져와 이차적인 가스하이드레이트의 해리를 촉진하게 되고, 해리된 메탄가스의 대규모 방출을 초래하게 된다.
메탄은 분자당 온실효과가 이산화탄소의 23배에 달하는 강력한 온실가스로, 대기 중의 약 3,000배에 달하는 메탄이 해저 지층의 가스하이드레이트에 포집돼 있어 해리된 메탄이 직접 대기중으로 방출될 경우 지구 기후변화에 심각한 영향을 끼칠 가능성을 안고 있다.
대체에너지원 가능성 무궁무진하나 생산기법 확립 필요
그렇다면 가스하이드레이트는 우리에게 어떠한 의미를 갖는 에너지원일까.
전체 매장량을 고려하면 가스하이드레이트는 대체 에너지원으로 그 가능성이 무궁무진하다. 그러나 현재의 기술개발 단계를 볼 때 가까운 장래에 이용 가능한 양은 이중 일부로 제한될 것이며 장기간에 걸친 다양한 현장 생산시험을 통해 안정성과 경제성을 확보한 생산기법의 확립이 필요하다.
이런 이유 때문에 가스하이드레이트의 개발은 대부분의 국가에서 석유회사 등 민간 자본의 직접 투자가 아닌 정부 주도의 연구로 진행되고 있다.
따라서 대체 에너지라는 가능성에 주목한다면 가스하이드레이트는 미래 친환경 에너지원이 틀림 없으나, 더욱 중요한 선결과제는 기후변화 등 환경문제를 둘러싼 위험요소를 감안해 다양한 연구개발 노력을 통해 가스하이드레이트에 대한 과학적 이해를 넓혀 나가는 것이다.
가스하이드레이트에 대한 관심은 고유가 시대를 대비한 미래 대체 에너지원으로 그 가능성을 인정받고 있기 때문이다.
가스하이드레이트는 천연가스가 저온, 고압의 상태에서 물분자와 결합해 형성된 고체 상태의 결정으로 물분자로 이뤄진 격자 내부에 가스 분자가 포집된 상태로 존재한다.
저온, 고압 상태의 고체 결정체로 ‘불타는 얼음’으로 불려
천연 가스하이드레이트의 가스 성분은 천연가스와 마찬가지로 주로 메탄으로 이뤄져 있어 ‘메탄하이드레이트’라고도 하며 그 외관이 드라이아이스와 비슷해 ‘불타는 얼음’이라고도 불린다.
가스하이드레이트 상태로 존재하는 메탄가스는 표준 온도 압력 조건에서는 부피가 164배가 팽창하기 때문에 LNG와 같은 농축된 천연가스의 한 형태로 볼 수 있다.
가스하이드레이트로부터 생산된 천연가스는 연소 시 석유, 석탄에 비해 상대적으로 훨씬 적은 이산화탄소를 배출하며 대기오염 물질도 적어 친환경, 청정에너지원으로 적합하다.
극지방 동토층 및 수심 200m 이상 해저지층서 부존
그렇다면 가스하이드레이트는 어디에 얼만큼 매장돼 있을까.
자연에서 가스하이드레이트가 형성되기 위해서는 저온, 고압 상태가 유지돼야 한다. 이런 조건을 충족시켜 가스하이드레이트가 부존하는 지역은 극지방의 동토층과 수심 200m 이상의 해저지층이다.
또한 지층 내부에서는 깊이에 따라 지열이 상승하기 때문에 지하 깊은 곳에는 가스하이드레이트가 존재할 수 없으며 지온 구배에 따라 다르지만 대략 표층으로부터 200m 내외의 깊이까지 부존하고 있다.
온도 압력조건과 함께 지층으로 공급되는 메탄가스의 양도 가스하이드레이트이 부존여부를 결정하는 중요한 변수이다.
따라서 가스하이드레이트는 대부분 메탄가스를 형성할 수 있는 유기물의 공급량이 충분한 대륙 주변부 해역에 분포한다.
지난 2004년 미국 국회 보고서에 따르면 전 세계 가스하이드레이트의 총 매장량은 탄소량으로 환산해 약 10조톤으로 석유, 가스 등 다른 형태로 존재하는 탄화수소 총 매장량의 약 2배에 해당하며, 천연가스 매장량의 100배에 이르는 것으로 추산되고 있다.
매장된 가스하이드레이트가 모두 개발이 가능하다면 인류는 엄청난 규모의 새로운 화석연료를 확보하게 되지만 실제로는 기술적 난제와 환경영향 등으로 극히 일부만 가까운 미래에 이용될 것으로 예측된다.
기술적 난제 및 환경영향 등으로 일부만 이용될 듯
가스하이드레이트 생산은 고체형태를 직접 채굴하는 것이 아니라, 지층의 온도를 올리거나 압력을 낮춰 가스로 해리시킨 후 가스를 파이프라인을 통해 이송시키는 방법으로 이뤄진다.
현재 제안된 가스하이드레이트의 생산방법은 감압법, 열주입법, 용매주입법 등으로 구분된다.
우선 감압법은 가스하이드레이트 생산정의 압력을 낮춤으로써 생산정 주위의 가스하이드레이트 해리를 유도해 생산하는 방법이고, 열주입법은 열수 주입이나 전기 자극을 통해 주입정 주위의 온도를 증가시켜 가스하이드레이트 해리를 유도하는 방법이다.
마지막으로 용매주입법은 온도, 압력 조건을 변화시키는 것이 아니라 가스하이드레이트 형성 억제제를 주입해 해리를 유발하는 방법을 의미한다.
이러한 기존 생산방법 외에 최근에 주목을 받고 있는 방법은 이산화탄소 주입법이다. 이 방법은 온실가스인 이산화탄소를 가스하이드레이트층에 주입해 메탄을 이산화탄소로 치환해 생산함으로써 온실가스 저감과 메탄 생산을 동시에 충족시키는 것이다.
이 방법은 가스하이드레이트를 해리시키지 않고 메탄가스를 생산하기 때문에 지반 안정성 문제를 근원적으로 해결하는 장점을 갖고 있다.
그러나 기존 제안방법에 비해 아직까지 적용 가능성이 검증되지 않은 가능성 제시 수준에 머물러 있는 것이 현실이다.
지반 안정성과 경제성 확보 못해 상업 생산 미확립
이처럼 가스하이드레이트 생산방법은 동토층을 대상으로 현장 적용을 위한 시험단계에 와 있으나 지반 안정성 문제를 해결하고 경제성을 확보한 상업적 생산방법은 아직 확립하지 못하고 있는 상태다.
또한 가스하이드레이트 매장량의 대부분을 차지하는 해저지층에서는 아직 현장 적용시험 조차 이뤄지지 않고 있다.
아울러 해저지층에 매장된 가스하이드레이트의 상당부분은 투수율이 매우 낮아 해리된 가스가 유동하기 어려운 니질(泥質) 층에 존재하기 때문에 생산에 더욱 어려움이 뒤따른다.
이에 따라 미국, 일본 등 가스하이드레이트 개발 연구 선진국에서는 가스하이드레이트의 상업적 생산은 대략 10년 후에나 육상 동토층에서 가능할 것으로 전망하고 있다.
하지만 최근 우리나라를 비롯한 인도, 중국 등이 가스하이드레이트 개발에 적극 투자하고 있고 가스하이드레이트 개발을 위한 국제적 경쟁이 치열해지는 한편 최근의 고유가로 대체에너지 개발의 필요성이 늘어나는 상황을 감안하면 가스하이드레이트의 상업적 생산시기는 보다 앞당겨질 가능성도 있다는 게 전문가들의 분석이다.
기후변화 및 지질재해 등 부정적 측면 가져
그러나 가스하이드레이트는 대체 에너지원으로 긍정적인 측면이 있는 반면 기후변화 및 지질재해를 초래할 수 있는 부정적 측면을 동시에 내포하고 있어 본격적인 개발에 앞서 가스하이드레이트가 안고 있는 부정적인 측면을 해소하기 위한 충분한 검토가 선행돼야 한다는 게 전문가들의 지적이다.
구체적으로 가스하이드레이트와 관련된 환경문제는 크게 기후변화에 대한 영향과 해저사면 붕괴에 수반된 지질재해 등으로 나눠 볼 수 있다. 이 두가지 문제는 발생원인에 있어 서로 밀접하게 연관돼 있다.
자연적, 인위적 요인에 의해 가스하이드레이트를 안정영역의 깊이가 얕아지게 되면 안정영역 하부의 가스하이드레이트는 물과 가스로 해리돼 지층 내 연약대를 형성하고 이를 따라 대규모의 해저 사면사태를 유발할 수 있다.
또 사면 사태에 의해 지층의 압력이 일시에 해소되면 이는 다시 안정영역의 급격한 축소를 가져와 이차적인 가스하이드레이트의 해리를 촉진하게 되고, 해리된 메탄가스의 대규모 방출을 초래하게 된다.
메탄은 분자당 온실효과가 이산화탄소의 23배에 달하는 강력한 온실가스로, 대기 중의 약 3,000배에 달하는 메탄이 해저 지층의 가스하이드레이트에 포집돼 있어 해리된 메탄이 직접 대기중으로 방출될 경우 지구 기후변화에 심각한 영향을 끼칠 가능성을 안고 있다.
대체에너지원 가능성 무궁무진하나 생산기법 확립 필요
그렇다면 가스하이드레이트는 우리에게 어떠한 의미를 갖는 에너지원일까.
전체 매장량을 고려하면 가스하이드레이트는 대체 에너지원으로 그 가능성이 무궁무진하다. 그러나 현재의 기술개발 단계를 볼 때 가까운 장래에 이용 가능한 양은 이중 일부로 제한될 것이며 장기간에 걸친 다양한 현장 생산시험을 통해 안정성과 경제성을 확보한 생산기법의 확립이 필요하다.
이런 이유 때문에 가스하이드레이트의 개발은 대부분의 국가에서 석유회사 등 민간 자본의 직접 투자가 아닌 정부 주도의 연구로 진행되고 있다.
따라서 대체 에너지라는 가능성에 주목한다면 가스하이드레이트는 미래 친환경 에너지원이 틀림 없으나, 더욱 중요한 선결과제는 기후변화 등 환경문제를 둘러싼 위험요소를 감안해 다양한 연구개발 노력을 통해 가스하이드레이트에 대한 과학적 이해를 넓혀 나가는 것이다.
- 이준기 객원기자
- bongchu@empal.com
- 저작권자 2009-08-17 ⓒ ScienceTimes
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