<창간특집> 가스 하이드레이트
<창간특집> 가스 하이드레이트
  • 한국에너지신문
  • 승인 2000.05.15 00:00
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풍부한 에너지 자원 동해에 묻혀있다


천연가스를 대체할만한 에너지원이 우리나라 독도인근에 묻혀 있다.
메탄 하이드레이트가 독도 인근에 대규모로 매장되어 있을 가능성(?)이 제기되고 있는 가운데 울산 앞바다 천연가스 발견 이후 청정에너지원으로서 가스 하이드레이트에 대한 자원 개발 탐사가 본격화되고 있다.
국내에는 지난 97년말 처음으로 독도 인근에 가스 하이드레이트가 매장 되어 있다는 주장이 러시아에 의해 제기 됨에 따라 98년부터 지난해까지 탐사 계획을 마련해 국가 에너지자원 확보를 위한 작업이 순항을 타고 있다.
차세대 에너지원으로 불리우는 가스 하이드레이트는 미국, 일본, 러시아, 인도 등지에서 이미 조사 연구가 활발한 상태고 전 세계에 골고루 분포되어 있는 것으로 조사되고 있다.
우리나라는 한국가스공사가 가스 하이드레이트에 대한 개발을 위한 전략을 수립한 바 있고 한국자원연구소와 공동으로 올해부터 2005년까지 단계적으로 이 사업을 추진할 계획으로 있다.
가스공사는 시베리아 가스전 개발을 계획하고 있고 동해 해저에 상당한 양의 메탄 하이드레이트가 매장 되어 있을 것으로 확신하고 있으며 지난달 20일 1차로 본격적인 탐사 작업에 들어갔다.
독도 인근의 지역에 가스 하이드레이트가 매장 되어 있을 가능성(?)은 얼마인가.
아직 얼마의 양이 매장 됐다고 할 수는 없지만 일본에서도 이미 잠재 매장량이 확인 된 바 있고 구소련에서도 국내 지역 중 유일한 지역으로 이 지역을 꼽고 있는 것으로 봐서 매장 가능성은 풍부하다는 분석이다.
이에따라 가스공사는 메탄 하이드레이트에 대한 장기 전략이 필요하고 국가 에너지원 확보 차원에서 적극적인 탐사와 함께 실용화를 위한 전략적인 추진 전략을 세워 놓고 있다.
특히 가스 하이드레이트 생산까지 적어도 10∼20년 정도의 기간이 필요하고 막대한 투자비가 드는 만큼, 국가적 에너지자원 확보를 위한 프로젝트로 추진한 것이다.
현재로서는 가스하이드레이트에 대한 물리적 탐사와 함께 채취 및 해리, 그리고 채취후의 지반 안정성 문제 등 풀어야할 문제가 많아 연구 개발에 좀 더 힘써야 한다는 지적이다.

 ■ 가스 하이드레이트란
물과 가스가 공존하는 상태가 온도가 낮아지고 압력이 높아지면 물분자 사이의 거리가 좁아져 다른 물분자의 산소와 수소가 자석의 흡인 작용과 같은 현상을 일으켜 산소분자를 정점으로 한 5각형, 6각형의 다면 결정체를 형성하며 그 결정체 안에 가스를 가두는 결합체가 탄생한다. 이것을 가스 수화물(Gas Hydrate)이라고 하는데 포집된 가스가 메탄일때는 메탄 하이드레이트라고 한다.
온도가 올라가거나 압력을 내리게 되면 이 결합체는 다시 원래상태인 물과 가스로 나뉘는데 이것을 해리라고 한다. 가스배관 내에 물기가 남아 있으며 겨울날에 이 수화물이 발생하여 기기 운전에 지장을 초래할 수도 있다.
메탄 하이드레이트는 고압과 저온의 조건하에서 메탄가스를 고체상태로 저장할 수 있는 특성이 있는데 이론적인 물의 용접비는 215:1이다. 즉 0도씨 1기압 상태에서 1리터의 물에 215리터의 메탄가스가 함유되는 것을 말한다.
가스체적 1cc의 메탄 하이드레이트는 상온·상압에서 172cc의 메탄가스와 0.8cc 물로 해리된다. 따라서 메탄 하이드레이트는 메탄가스를 고체상태로 저장한 창고라고 할 수 있다.
단 메탄가스와 수분을 분리시킬 때 kg당 119kcal의 에너지가 필요하며 그 전용 시설이 있어야 한다.
 ■ 경제성은 있는가.
차세대 에너지원으로 각광 받을 가스 하이드레이트의 매장량은 얼마나 되는가. 화석에너지가 전 세계 에너지 소비에서 차지하는 비중이 약 87%를 넘고 있고 이에 대체할 에너지원 확보가 인류의 과제로 등장하고 있는 게 현실이다.
전문가들은 가스 하이드레이트의 경우 잠재 매장량이 천연가스의 10배 수준에 이를 것으로 예상하고 있어 전 세계지역에서 탐사 작업이 곳곳에서 이뤄지고 있다.
현재 천연가스는 96년말 기준으로 141조 3300억㎥으로 가채년수는 불과 62년 밖에 되지 않는다.
우리나라 보다 한 발 앞서 개발에 나선 일본은 일본 주변해역에 100년 이상 사용할 수 있는 메탄하이드레이트가 매장되어 있다고 발표한 바 있다. 우리나라의 경우도 동해 인근에 상당한 량의 메탄 하이드레이트가 매장 되어 있을 것으로 예측되고 있다.
메탄 하이드레이트가 형성되기 위해서 저온과 고압의 환경은 물론 충분한 물과 메탄의 농축이 동시에 요구된다. 메탄 하이드레이트는 크게 시베리아 알래스카, 캐나다의 멕켄지 델타, 서남극과 같은 영구 동토층과 수심이 깊은 태평양의 해구 내측 대륙사면, 대서양의 대륙사면 및 대륙붕, 남극대륙의 주변 해역 등의 해저 퇴적층에 한정되어 있는 것으로 조사되어 있다.

 ■ 기술적 측면
메탄 하이드레이트의 개발을 위해서는 해리속도의 제어, 지하침하로 인한 생산시설의 손상을 방지하기 위한 기술, 온실효과와 같은 환경에 미치는 영향등에 대한 연구가 선행돼야 하는 많은 기술적 어려움이 뒤따르고 있다.
천연가스를 포함하는 기존의 화석연료에 비해 경쟁력면에서는 열악함으로 메탄 하이드레이트의 기반 연구에 치중함으로써 경쟁력을 확보할 수 있는 방안이 마련돼야 한다.
따라서 아직 해저 퇴적층에 부존된 메탄 하이드레이트를 대상으로 사업적인 경험은 아직 전무하다고 해 도 과언은 아니다.
현재 러시아만이 육상에서 메탄 하이드레이트를 생산하고 있는 중에 있고 이 양은 러시아 천연가스 총 생산량의 약 5%를 차지하고 있을 뿐이다. 개발비용은 재래형 천연가스를 생산하는데 드는 비용 보다 약 20%가 더 많이 투입되고 있는 실정이다.
메탄하이드레이트 생산을 위한 애로점을 든다면 심해에서 고체로 존재하는 하이드레이트를 채취하고 포함된 수분을 제거하는데 많은 에너지가 필요해 경제성이 떨어진다는 것인데 개발에 따른 지반 침하 발생, 생산시설의 손상을 방지할 수 있는 기술적 확립이 적실히 요구되고 있다.
 △ 메탄하이드레이트의 생산방법
① 증기 및 열수 주입법
증기 또는 열수를 주입해서 메탄 하이드레이트 저류층의 온도를 높이고 하이드레이트를 해리시켜 가스를 생산하는 방법으로 다른 방법에 비하여 에너지 효율면에서 우수하다. 단일 시추공의 경우 수압 파쇄법을 이용하여 메탄 하이드레이트층에 인공적으로 단열을 만들고 이를 통해 열수 또는 증기를 주입시켜 하이드레이트를 해리시켜 가스를 뽑아낼 수 있다.
시추공이 여러개인 경우에는 한 개의 시추공을 통해 열수나 증기를 압입하고 다른 시추공으로부터는 가스를 생산한다.
② 감압법
갑압법은 메탄 하이드레이트층과 부하의 퇴적층 사이에 큰 단열 혹은 공극이 존재할 경우 단열 또는 공극의 내압을 감소시키면서 하이드레이트의 해리를 촉진하는 방법이다. 시베리아 메소야하 가스전에서의 경우 메탄 하이드레이트층 하위에 부존된 프리 가스(free gas)층이 존재할 경우 회수되는 가스의 약 30% 정도를 하이드레이트의 해리로부터 얻을 수 있다는 결과가 있다.
③염수 주입법
염수를 주입함으로서 메탄 하이드레이트를 해리시켜 가스를 회수하는 방법으로 시베리아에서 실험됐다. 이 방법과 수압파쇄 및 열수주입법을 동시에 이용할 경우 효과가 매우 클 것으로 판단된다.
미국에너지성 자료에 의하면 고온의 염수를 층후 60m 정도의 메탄 하이드레이트 저류층에 적용할 경우 9배내지 13배의 에너지가 얻어지는 것으로 보고됐다. 해저 퇴적층이 부존되어 있는 메탄 하이드레이트를 개발할 경우에는 해수를 쉽게 이용할 수 있다는 점에서 염수주입법이 가장 적절하다고 판단된다.
④ 메탄올 또는 글리콜 주입법
메탄올의 주입은 오래전부터 추운지역에서 수화물화를 막기위해 사용된 기술을 응용한 것이다. 이 방법은 시베리아 메소야하 가스전에서 메탄 하이드레이트를 해리 시키는데 이용됐다. 그 밖에도 글리콜(Glycol)과 염화칼슘의 주입 등도 실험이 되고 있다.
⑤연소법
생산된 메탄의 일부를 에너지로 산소와 함께 저류층에 공급하여 메탄 하이드레이트를 해리시키는 방법으로 2차 및 3차 회수기법중의 하나인 화공법과 유사하다.
다시말해 전기히터를 이용하여 메탄 하이드레이트 저류층의 온도를 메탄의 연소온도인 81도씨 이상으로 상승시키고 산소를 저류층에 공급하는 방법이다. 〈남형권 기자〉



인터뷰/ 백영순팀장(한국가스공사 연구개발원 화학공정연구팀)
천연가스보다 경제성 20% 낮아
연내 1차 탐사- 결과 기대해 볼만

-가스 하이드레이트에 대한 경제성은 어떤가.
△가스 하이드레이트는 화석연료(석탄, 석유 등)에 비해 2배 이상의 풍부한 매장량을 지니고 있는 것으로 추정되고 있으며 전 세계에 고루 분포되어 있는 것으로 나타나고 있다.
현재 풍부한 가스 하이드레이트 자원의 채굴 및 생산에 대한 연구 개발이 전 세계적으로 초보적인 단계에 있기 때문에 현시점에서 경제성을 논하기에는 매우 힘든 상태이다. 다만 노르웨이에서 발표한 자료에 따르면 가스 하이드레이트 수송 및 저장 비용이 LNG에 비해 약 20% 정도 낮은 것으로 평가되고 있다.
-기술개발이 아직 이루어지지 않았고 채집 과정에서 어려운 문제에 대한 기술적 과제가 필요할 것으로 보이는데.
△가스 하이드레이트 채집 및 생산과정이 전 세계적으로 초보 단계에 있으며 특히 일본 해역의 경우를 볼 때 수심 1000m의 해저면 아래 500m 부근에 고체 상태로 존재하기에 이를 채굴한다는 것은 일견(一見)으로도 매우 어려운 상태다.
고체 상태의 가스 하이드레이트로부터 메탄가스를 회수하는 방법으로는 감압법, 열 처리법, 개시제 주입법 등이 있으며 이에 수반되는 문제점 등을 검토를 위한 연구가 진행 중이 있다.
-현재 우리나라의 매장 가능성을 추정한다면.
△우리나라는 한국자원연구소와 한국해양연구소에서 기초 탐사 자료로부터 가스 하이드레이트 생성에 유망한 퇴적층으로 판단되는 수심 500m 이상의 동해안 일부 지역에서 가스 하이드레이트의 부존 가능성이 높을 것으로 추정되고 있다. 이들 지역의 매장 여부를 알기 위해서 광역탐사, 정밀탐사, 기초 시추 등을 단계적으로 실시하려 하며, 현재 동해 지역 일부에 대한 광역탐사가 지난 4월부터 5월 22일까지 수행 중에 있다.
한편 일본에서는 기초 시추 단계까지 진행되어 가스 하이드레이트의 부존 지역 및 매장이 확인된 상태로 가까운 우리나라 동해안 부근에서의 부존 가능성을 높이고 있다.
-향후 자원 확보를 위한 지원 대책, 양산 과정까지의 들어가는 개발 투자는 얼마정도가 예상되는가.
△개발 투자비가 막대히 소요되는 사업으로 현재 자원연구소에서 보유하고 있는 탐해2호의 경우 탐사 수행시 유지비로 3억원/월 이상 소요되고 있는 실정이다. 그러나 한국가스공사에서는 미래에너지 선점을 위하여 1단계 사업(2000년∼2004년)으로 15억을 투자하여 정부(산업자원부-11억)와 연계하여 한국자원연구소 공동연구개발을 착수하고 있다. 예를 들어 일본은 5개년 계획에 50백만불이 소요되었고 미국은 5개년 계획에 47백만불의 예산을 확보하고 있다. 그 외의 국가에서도 5천만불 이상의 예산으로 가스 하이드레이트 개발 사업을 추진하고 있다. 우리나라에서도 향후 2, 3단계 사업 추진시 기초 시추를 할 경우 한 시추공에 100억∼150억원 정도로 개발 투자될 것으로 예상된다.
-현실화 가능성은.
△앞서 언급한 것처럼 가스 하이드레이트는 풍부한 매장량과 천연가스와 같은 청정에너지로의 신(대체)에너지가 분명하다. 미국의 경우 2015년에 상업 생산을 목표로 하고 있으며 일본의 경우 빠른 채굴을 위해 5년마다 목표를 조정하면서 관련 개발 사업을 서둘러 추진하고 있다. 영국의 경우 수송 및 저장 관점의 상업화를 위해 2005년을 목표로 진행 중에 있다. 가스 하이드레이트는 기존 화석연료의 신(대체)에너지로서 현실 가능성이 매우 높다. 이와 같은 목표와 비교하여 우리나라에서는 이제 정부 사업으로 시작한 만큼 배가의 연구개발 노력을 통해 현실화를 앞 당겨야 할 것으로 보인다.

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