국가별 가스하이드레이트 관련기술 R&D 현황 및 성과 비교분석
국가별 가스하이드레이트 관련기술 R&D 현황 및 성과 비교분석
  • 류세희 한국에너지기술평가원 녹색산업육성팀 선임연&
  • 승인 2010.03.31
  • 댓글 0
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美·加·日·中 등 연구개발 총력
“우리나라 자주적 기술 확보 주력해야”
지구는 현재 과도한 온실가스의 배출·누적으로 인해 온난화가 진행 중이다. 석유의 생산량이 소비량을 따라가지 못하게 되면서 유가가 폭등하는 등 화석연료 부족현상이 나타나고 있다.

특히 미국의 칼럼니스트 토머스 프리드만의 저서 ‘코드 그린(Code Green)’에서 지적했듯이 세계화가 확산되고 중국·인도 등을 중심으로 글로벌 중산층 인구가 급증할 것으로 예상되는 바 향후 인류의 생존과 번영을 위해서는 에너지, 식량, 자원의 부족현상을 극복하고 환경의 파괴를 막으면서도 경제적으로 성장할 수 있는 ‘지속가능발전’을 최우선의 목표로 삼아야 할 것이다.

한편 고갈되어 가는 석유, 석탄, 천연가스를 대체할 수 있는 새로운 청정 에너지자원으로서 가스하이드레이트(Gas Hydrate)가 서서히 조명을 받고 있다.

가스하이드레이트는 메탄 등의 천연가스가 영구동토나 심해저의 저온·고압상태에서 물(얼음)분자의 격자공간에 갇히면서 형성된 고체 에너지원으로서 외관이 드라이아이스와 비슷하며 불을 붙이면 타는 성질을 가지고 있어 불타는 얼음(Burning Ice)이라고도 불린다.

이 자원은 지구상에 축적된 유기탄소 분포량상으로 화석연료보다 2배나 많은 비중을 차지하면서 천연가스의 약 100배인 10조톤이 시베리아, 알래스카 등 영구동토지역과 수심 300m 이상의 심해저에 매장돼 있다. 또 부피 1ℓ에 약 200ℓ의 천연가스가 함유되어 있을 정도로 에너지밀도가 높으며 연소시 동일한 질량의 석탄에 비해 이산화탄소 배출량이 25% 작고 질소나 황산화물 등의 배출도 없는 친환경적 에너지원으로 알려져 있다.

▲ 천연 가스하이드레이트 관련 기술.
현재 △천연의 가스하이드레이트층으로부터 메탄 등을 채굴 △운송하는 기술과 천연가스를 원료로 하여 인공적으로 가스하이드레이트를 생성함으로써 천연가스를 저장하고 운송하는 기술 △가스하이드레이트의 생성을 방지하는 기술, 가스하이드레이트를 채취하면서 발생하는 해저공간에 대기 중에서 포집한 이산화탄소를 저장하는 기술 등이 연구되고 있어 현실화되면 화석연료 사용을 대체하고 LNG 등의 효율적 수송을 가능케 한다. 이산화탄소로 인한 온실효과를 감소시킬 수 있을 것으로도 기대된다.

특히 국내에도 약 6억톤 이상 매장되어 있을 가능성이 있는 것으로 추정된다. 캐나다, 일본 등에 이어 지난 2007년 11월에 동해 울릉분지에서 1차 시추작업을 통해 가스하이드레이트 부존을 확인한 바도 있다. 에너지수입률이 97%에 달할 정도로 부존자원이 없는 우리나라로서는 이와 관련한 세계의 동향을 주시하면서 관련 연구기술을 지속적으로 개발해 나가야 할 필요성이 있다.

이와 관련해 최근 지식경제부는 동해가스전과 인근 울릉분지 심해에 매장돼 있는 가스하이드레이트 개발의 상업성 여부를 결정하는 2차 시추작업을 추진한다고 발표한 바 있으며 약 3,700만달러(425억원)의 예산을 들여 오는 4월1일부터 5월15일까지 사전조사에서 선정된 10개 지역에서 모두 32개 시추공을 뚫을 예정이다. 

하지만 가스하이드레이트의 상용화를 위해서는 우선 채산성이 확보되어야 하는데 가스하이드레이트가 심해 바닥에 엷은 층으로 넓게 존재하기 때문에 기존의 석유·가스 채굴에 비해 많은 비용이 들 수 있다.

또한 가스하이드레이트층의 개발로 인한 대륙붕 붕괴, 대규모 메탄누출 등의 자연재해 가능성도 주장되고 있어 향후 신중한 접근이 필요하다.

현재 미국, 캐나다, 일본, 중국, 러시아, 인도 등 세계 각국들은 경쟁적으로 관련기술의 연구개발에 총력을 기울이고 있다. 이와 관련해 이 분야의 연도별 특허, 논문 산출실적을 분석해보면 일본이 천연 가스하이드레이트 및 인공 가스하이드레이트 관련기술 모두 독보적인 위치를 고수하고 있다.

특히 일반적인 천연가스에서 인공적으로 메탄하이드레이트를 제조해 천연가스 수송·저장에 이용하는 분야에서 1991년 이후 일본에 의한 출원이 68%의 점유율(420건)을 차지해 2위인 미국의 16%(99건)을 압도하고 있는 상태다.

가스하이드레이트로부터 에너지를 획득하는 방법은 다음과 같다.

전단부의 탄화수소추출방법은 대략적으로 세가지 종류의 방법에 의해 수행될 수 있다.

세부적으로 설명하면 우선 감압법은 가스하이드레이트층과 하위의 퇴적층 사이에 큰 공극 또는 단열이 존재할 때 단열 또는 공극의 내압을 감소시켜 가스하이드레이트의 해리를 촉진, 가스를 생산하는 방법이다.

모델연구 결과에 의하면 천연가스 하이드레이트가 해리되면 단열팽창에 의해 저류층이 냉각되며 주변으로부터 열이 유입되어 해리가 더욱 촉진된다. 하이트레이트층 하위에 자유가스가 존재할 경우 회수되는 가스의 약 30% 정도를 하이드레이트의 해리로부터 얻을 수 있다.

그리고 열처리법은 증기 또는 열수를 주입해서 가스하이드레이트 저류층의 온도를 올려 가스하이드레이트를 해리시켜 가스를 생산하는 방법으로, 수압 파쇄법을 이용하여 하이드레이트층에 인공적으로 단열을 만들어 증기 또는 열수를 주입시킨다.

미국 에너지성의 생산모델 연구에 의하면 열수 등을 주입할 때 필요한 공급열량은 생산에너지의 약 1/10로 다른 부분에 비해 에너지 효율면에서 우수하다.

▲ 탄화수소 추출방법
마지막으로 억제제 주입법은 염수를 주입하여 천연가스 하이드레이트를 해리시켜 가스를 회수하는 방법이다. 수압파쇄와 열수 주입법을 함께 이용할 경우 효과가 크며 미국 에너지성 자료에 의하면 고온의 염수를 두께 60m 정도의 천연가스 하이드레이트층에 적용한 결과 에너지 주지가 9~13배에 달한다. 

한편 관련기술의 연구개발을 위하여 각국 정부는 국가적 차원에서의 정책적 지원과 각종 프로젝트를 수행해 오고 있다.

특히 전세계에서 가장 적극적인 곳이 바로 일본이다. 논문 및 특허실적에 있어서의 독보적 위치확보는 이에 힘입은 바 크다고 볼 수 있다. 

향후 우리나라가 에너지원으로서 메탄 하이드레이트를 효율적으로 활용하기 위해서는 정부의 적극적인 투자에 의한 중장기 국책 프로젝트를 추진함과 동시에 세계적인 연구개발 동향에 예의주시하면서 자주적 기술확보에 주력해야 할 것이다.


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