가채 매장량이 풍부하고 비교적 고루 분포되어있는 석탄은 열량당 생산원가와 그 수송에 많은 비용이 들어가는 문제가 있다. 우리가 현재 사용하고 있는 석유와 가스 등은 그 매장량이 한정되어 있고 또 생산되는 지역이 한정되어 있다. 그러면 이러한 석유나 가스를 다 쓰고 나면 무슨 연료를 쓸 수 있을까하는 의문이 간다. 이번호에서는 깊은 해저나 추운 지방의 지하에 매장되어있는 가스하이드레이트에 대해 알아본다.
고른 분포, 매장량도 천연가스의 10배
실질적인 생산까지 많은 연구노력 필요
가스하이드레이트는 Humphry Davy와 Michael Faraday에 의해 1810년 처음 발견되었다. 가스하이드레이트는(Gas Hydrate: 기체 수화물)는 화학적으로 물 분자들 사이에 천연가스(주로 메텐) 분자가 입체적으로 결합해 형성된 고체상의 결정체(Solid-phase Crystal)를 말하는데 천연가스의 95% 이상이 메텐이므로 메텐 하이드레이트라고도 부른다.
메텐은 보통 섭씨 영하 83도로 내려가지 않으면 액화되지 않고 기체로 존재하지만 알라스카나 시베리아 같은 동토 지역의 석유, 천연가스 저류층 및 석탄층과 인접한 지역이나 심해지역 퇴적층 특히 대륙사면에서 압력이 50기압 이상 되면서 주변의 온도가 낮을 경우 천연가스가 물 분자와 결합해 얼음과 같은 고체로 된 상태로 존재한다. 보다 정확히 표현하면 과즙을 얼린 빙과 같이 버석거리는 얼음상태의 결정체다.
많은 에너지 전문가들이 메텐 하이드레이트를 미래의 에너지원으로 주목하고 있는 이유는 막대한 예상 매장량 때문이다. 현재까지 추정된 메텐 하이드레이트는 천연가스의 확인 매장량의 약 10배 정도이니 그 매장량이 얼마나 되는지 짐작이 간다.
다른 중요한 장점중의 하나는 천연가스는 온실효과를 일으키는 이산화탄소(Green Gs)의 발생량이 동일 발열량당 석유나 석탄의 절반이 채 되지않아 지구 온난화를 방지하는 좋은 연료이기 때문이다. 또한 하이드레이트는 석유와 가스보다 매장 지역이 고루 퍼져있다는 장점을 가지고 있다.
한국가스공사와 지질자원연구원 등이 2000년부터 2004년까지 동해 전 지역에 걸쳐 광역 기초 탐사를 벌인 결과 동해 울릉 분지의 광범 위한 해역 수십 곳에 가스하이드레이트가 LNG 환산으로 약 6억톤 정도 매장돼 있는 것으로 조사되었다(참고자료: 연합뉴스 2005.3.17). 이중 상당량은 독도 남서쪽 인근해역 지역에 매장되어 있는 것으로 추정되고 있는데 이 해역은 일본이 독도와 함께 일본 해역이라고 주장하는 곳과 상당부분 겹쳐 있는 것으로 알려지고 있으며 독도 영유권을 주장하는 이유가 바로 이 메텐 하이드레이트와 관련이 있지 않은가하는 생각이 든다.
메탄 하이드레이트는 온도와 압력 변화에 대단히 민감하게 반응하는 특성을 가지고 있다. 가스하이드레이트에 포함되는 가스의 양은 성분, 온도 및 압력의 영향을 받는다. 액체 상태의 천연가스(LNG) 부피가 약 1/600 정도로 줄어들지만 하이드레이트의 경우는 고체 상태이므로 개략적으로 고체가 차지하는 부피의 175배 정도의 가스가 하이드레이트 안에 있다.
메텐이 직접 대기중으로 분출될 경우는 이산화탄소의 10배 정도의 온실 효과가 있다. 지구의 점진적인 온난화가 수온의 상승을 야기하고 하이드레이트의 제어되지 않는 메텐의 분출을 가속화하고 다시 이것이 지구 온난화를 부추기는 악순환이 계속되는 우려가 있다.
하이드레이트로부터 천연가스를 생산하기 위해서는 우선 천연가스를 얼음 격자로부터 해리 시켜야하는데 일반적으로 생산시 지층의 압력을 낮추는 방법, 뜨거운 염수나 증기 등을 공급해 얼음 격자로부터 천연가스의 분리를 가속시키는 방법, 또는 메탄올 등을 주입하는 방법과 이를 복합적으로 운영하는 방법 등이 개발되었으나 메텐 하이드레이트의 개발에는 앞으로 극복해야할 많은 과제들이 많이 있다.
하이드레이트로부터 메텐을 분리 채취한 후 이산화탄소를 다시 주입하는 메커니즘이 한국 과학기술원의 이흔 교수에 의해 발표되었다(참고자료: 한겨례 과학향기 2004.11.29).
석유나 가스의 저류층 내부에서 유체의 흐름을 결정하는 Permeability를 올리기 위해 매장층(Formation)에 유압 분열틈새(Hydraulic Fracturing)를 만드는 방법이 널리 이용되고 있다.
조그만 충격에도 예상치 못한 방향으로 갈라지는 얼음과 같은 결정질의 특징을 갖는 하이드레이트층에 효과적으로 인공 유압틈새를 만드는 기술을 개발하고 있으나 아직은 실험단계에 있다. 매장량이 풍부한 미래에너지원인 메텐 하이드레이트의 실질적인 생산까지는 넘어야할 많은 연구와 노력이 필요한 상황이다.