스크랩 메탄하이드레이트 란?

[성기리]

1. 개요
  청결하고 CO₂배출량이 적은 메탄은 “연소하는 얼음”이라고도 불리는 가스 하이드레이트로서 대륙 연변의 해역과 툰드라지대에 대량으로 분포되어 있다는 것이 알려지면서, 신 에너지원․석유대체자원으로서 세계 각국에서 눈길을 받게 되었다. 특히 에너지자원이 부족한 일본에서는 NANKAI(南海) TORAFU를 시작으로 한 근해에서도 매장이 확인되어 실용화에 기대를 건 대형 프로젝트가 폭주하고 있다.

  자연계에서 메탄 하이드레이트는 육지에서는 고위도지역의 동토 하부에, 해역에서는 수심이 깊은 해저하(해저하 수백 m의 깊이로서 석유, 천연가스보다는 얕은 층)에 부존하고 있으며, 세계적으로 부존되어 있다고 추정하고 있다. 일본에서는 주변해역에 일본의 천연가스 소비량의 약 100년분에 상당하는 양이 부존하고 있다고 추정하고 있다. 이것으로 미루어 보아 한국 근해역에도 부존하고 있을 것으로 추측된다. 메탄 하이드레이트의 중요성을 인식할 때, 장래의 에너지자원의 확보라는 관점에서 한국 근해역에서의 메탄 하이드레이트 부존자원은 조사할 가치가 있다고 본다.
  천연가스의 일종인 메탄 하이드레이트는 다른 화석연료에 비하여, 환경부하가 매우 적은 청결에너지이며, 장래의 유망한 에너지원으로 크게 기대되고 있다. 그러나 메탄 하이드레이트는 석유․천연가스와 같이 가스전을 굴착하여도 스스로 분출하지 않는 것, 메탄 하이드레이트 그 자체의 특성이 충분히 밝혀져 있지 않는 것, 한국 주변 해역에 얼마만큼의 매장량이 있는가 등 조사가 불충분 한 것 등 에너지자원으로서 활용하는데는 많은 과제가 있다. 이를 위해 산업자원부가 주도하여 산학관의 영지를 모아 메탄 하이드레이트 연구의 선도적 역할을 하고 있는 미국, 캐나다 등과 협력하면서 중장기적 연구개발을 추진할 필요가 있다.

  메탄 하이드레이트의 매장총량은 석유를 능가할 정도로 대량이나 극한의 지역과 고압의 해저에 분포되어 있으므로 그 개발은 쉽지 않다. 또 채굴에 따른 해저사면의 붕괴와 이에 따른 메탄가스의 대기방출이 온난화를 가속시키지나 않을까 염려된다. 따라서 이 기회에 가스 하이드레이트 연구의 역사와 현황을 조사하여 메탄 하이드레이트의 채굴법 등 실용화를 위한 기술개발의 진전을 해설하는 동시에 문제점을 정리하기로 한다.

2. 메탄가스의 기원
  서부 시베리아의 툰드라지역에 있는 MESSOYAKHA 가스전에서는 1970년에 천연가스의 생산을 시작하였는데, 1978년에 가스압력이 저하하여 생산을 종료하였다. 그러나 그 후 가스압력이 회복되어 1980년부터 생산을 재개하여 오늘에 이르고 있다. 통상 가스전의 압력은 가스의 생산에 따라 감소하여 회복되는 경우는 없으므로 가스압력의 이력이 상세히 조사되었다. 그 결과 가스공간의 상부에 층을 이룬 하이드레이트의 일부가 평형압력 이하가 되어 분해된 것이 판명되었다. 즉 이 시기부터 하이드레이트로부터 가스의 공급이 시작된 것이 판명된 것이다. 이 예는 메탄 하이드레이트의 이용이 가능하다는 것과 장래의 이용법을 시사하고 있는 점에서 매우 중요하다.

3. 메탄 하이드레이트의 분포, 매장량 및 이용 사례

3.1 메탄 하이드레이트의 분포

  메탄 하이드레이트의 상(相)평형도에서 알 수 있는바와 같이 저온일수록 평형(분해)압력은 내려간다. 이 때문에 하이드레이트는 툰드라지대와 같이 높은 위도에서는 지표 근처에 존재하나, 중･저위도에서는 심해저에 존재한다. 하이드레이트는 어느 한정된 범위에 존재하며, 이보다 상방에는 가스영역(툰드라지대), 또는 해수(중･저위도)가된다. 또 존재하한(base of gas hydrate)보다 고심도에서는 가스층이 존재하며, 그 아래에는 석유층과 수층이 계속되는 수 가 있다.

  하이드레이트층의 두께는 하이드레이트층 상단의 온도가 저온일수록, 또 고압일수록 커지는 경향이 있으며, 툰드라의 경우 500m를 초과하는 경우도 있다. 해저하의 하이드레이트층은 고심도일 수록 두꺼워진다. 하방이 기체인 하이드레이트층의 하단은 지진파나 음파의 반사층이 되는 BSR(bottom simulating reflector)로서 탐지할 수 있으며, 하이드레이트 탐사의 유력한 기법으로써 활용되고 있다.

  메탄 하이드레이트의 매장지역은 시베리아와 캐나다 북방지역의 툰드라지역을 제외하면 대륙 연변의 해역에 널리 분포되어 있으며, 분포가 편재하는 석유와는 다른 특징이 있다.

3.2 추정 매장량

  메탄 하이드레이트 광상의 확인은 BSR법에 의거하는 경우가 많기 때문에 매장량의 추정은 추정자에 따라 크게 차이가 있다. 최대치는 Gomitz & Fung(1994)이 GCR법으로 14조 톤을 추정하고 있으며, 최소치의 예로는 Ginsburg & Soloviev(1995)이 경험적으로 5,000억 톤을 추정하고 있다. 5,000억 톤이라 해도 석유의 가채량인 500억 톤의10배나 된다.

4. 메탄 하이드레이트 개발의 여러 과제

4.1 지질학적 데이터의 축적

  실제로 메탄 하이드레이트를 개발하자면 광구의 특징과 채굴법을 선정할 필요가 있는데, 이를 위해서는 매장량과 분포형태 등 지질학적 데이터의 축적이 중요하다. 지각심부의 탐사용으로 건조되고 있는 과학선 “지큐” 등 최신예 심해조사선의 활약이 기대된다.

4.2 채굴법

  가장 현실적인 방법으로서 먼저 하이드레이트 하방의 가스층에서 가스를 채취하여 압력저하에 따른 하이드레이트의 분해가스를 간헐적으로 회수하는 것을 생각할 수 있다. 이 방법의 문제점은 하이드레이트의 분해속도가 확산에 지배되어 느리다는 것이다.

  하이드레이트의 분해를 촉진시키는 방법으로서 (1) 산소를 공급하여 하이드레이트의 일부를 연소시킴으로써 주위온도를 평형온도보다 높이는 방법, (2) 알코올류를 주입하여 평형온도를 내리는 방법, (3) 하이드레이트를 생성하기 쉬운 CO₂와 접촉시켜 메탄가스와 CO₂분자를 대체시키는 게스트분자 치환법 등이 제안되고 있다.

4.3 수송법

  메탄을 가스로 수송하느냐, 고체인 하이드레이트로 수송하느냐에 따라 방법이 다르다. 가스수송의 경우는 파이프 수송법을 그대로 시용할 수 있다. 그러나 고체수송의 경우는 하이드레이트와 해수와의 슬러리 수송이 생각되나 고압저온이 아닌 이상 해수와의 열교환에 의해 하이드레이트가 분해되기 때문에 최종적으로는 고기액(固氣液) 3상류, 또는 기액 2상류가 된다. 이들 유동형식에 대한 해결은 어렵지 않다.

4.4 온난화의 가속

  메탄분자 1개당의 온실효과는 CO₂분자의 약 20배로서 크기 때문에 메탄을 주성분으로 하는 대량의 천연가스가 대기 중으로 방출되면 온난화가 가속된다. 따라서 하이드레이트로부터의 메탄가스의 생산, 수송, 소비의 각 과정에서 메탄가스의 누설을 극력 억제할 것이 요구된다.

5. 하이드레이트 관련기술

5.1 하이드레이트 수송선

  하이드레이트는 일반적으로 고압, 저온하에서 생성되나, 저온이면 저압하이라도 즉시 분해되지 않는다. 이 성질을 이용하여 동남아시아 등의 중소 가스전에서의 하이드레이트(NGH: natural gas hydrate) 수송선의 개발이 활발하다. 즉 저온이라 해도 천연가스를 LNG로서 수송할 때 빙점하 160 ˚C 이하라는 온도에 비해, 빙점하 10 ˚C 정도로 대폭적으로 완화된 것에 매력이 있으며, LNG선 방식보다 비용면에서 유리한 경우가 있다. 또한 최근 하이드레이트에 빙점하 수˚C의 온도범위에서 분해가 크게 억제된다는 자기보존성이 발견되어 이 현상이 하이드레이트 수송온도를 빙점하 수˚C까지 올릴 수 있지 않을까하는 기대가 높아지고 있다.

5.2 도시가스 저장

  이상적인 하이드레이트에 봉입되어 있는 메탄가스를 같은 용적의 용기에 봉입하면 16 MPa를 초과한다. 이것은 대기압하의 용적으로 하여 160배의 천연가스를 저압하에 저장할 수 있음을 뜻하며, 도시가스 등의 저장용기의 저압하와 대폭적인 소형화를 가능하게 한다. 이 방법을 실용화하기 위해서는 게스트분자당의 물분자수가 이상적인 5.75개에 가까운 하이드레이트를 효과적으로 생산하는 기술과 신속한 분

해법의 확립이 요구된다.

5.3 메탄 이외의 하이드레이트의 이용

축열: 하이드레이트의 생성열은 얼음에 필적할 정도로 크다. 이것을 이용하면 빙점보다 고온에서의 축열기술에 이용할 수 있다.

CO₂ 해양격리: 최대의 온실효과가스인 CO₂는 심도 500∼600m보다 깊은 압력, 온도조건에서 하이드레이트가 되기 때문에 CO₂의 해양격리가 가능하다.

해수의 청수화: 하이드레이트 구조에는 분자량이 큰 분자가 들어가기 어렵다는 성질을 이용하여 해수를 하이드레이트화 한 후 분해시킴으로써 청수를 얻을 수 있다.

6. 하이드레이트의 특이한 물성

6.1두 가지 용해도
  상평형도에서 하이드레이트가 생성하는 압력, 온도 범위라도 하이드레이트가 생성되지 않는 경우가 많으며, 이 경우 용해도는 게스트분자 그 자체의 용해도(하이드레이트 비공존용해도)를 나타낸다. 그러나 어떤 계기로 하이드레이트가 생성되면 단번에 하이드레이트의 용해도(하이드레이트 공존용해도)가 된다. 하이드레이트 생성조건하에 있으므로 후자가 참(眞)의 용해도이며, 전자의 게스트분자 용해도는 준안정상태라고 생각되는데, 이것이 상당안정이며, 사실상 두 가지 용해도가 존재한다.

6.2 기억효과

  과거에 하이드레이트를 생성한 이력이 있는 물은 생성조건을 갖추면 신속히 하이드레이트를 생성한다는 현저한 기억효과가 있다. 이 효과는 하이드레이트 연구와 공업생산에서 중요한 특성이나 그 기구는 잘 알려져 있지 않다.

6.3 강도의 이상

  메탄 하이드레이트 입자괴(粒子塊)의 강도는 자기보존성이 나타나는 온도 범위에서 다른 온도영역과 비교하여 10배 이상이 되는 것이 알려져 하이드레이트 수송선의 실현에 유리한 성질로서 주목 받고 있다.

6.4자기 재현성

  자유수분자 모델에 의하면 CO₂포화수 중에는 하이드레이트 막의 재 생성에 필요한 잉여의 물분자(자유수분자)가 존재하지 않고, 참의 막강도에 달한 곳에서 파단되며, 잉여의 물분자가 많이 존재하는 미포화수 중에서는 스트레스에 대응하여 막의 재생성이 연속적으로 일어나며, 이 재생성속도는 하이드레이트 막의 성장속도에 거의 일치한다는 것이 실험에 의해 밝혀지고 있다.

7. 결 론
  천연가스 수송 파이프라인의 폐색이라는 공학적 문제에서 시작된 근년의 하이드레이트 연구는 신에너지원으로서 기대되는 메탄 하이드레이트 개발로 크게 변화하고 있다. 여기서는 해저하와 툰드라지대에 대량으로 잠자고 있는 메탄 하이드레이트의 연구개발 현황과 과제를 중심으로 해설하였다.

  또 메탄 하이드레이트 수송선, 하이드레이트화 가스저장, 빙점보다 고온에서의 축열과 해수의 청수화, CO₂해양격리 등 광범위한 분야에의 응용연구도 함께 소개하였다. 불가사의한 물성의 보고인 하이드레이트는 상상할 수 없는 많은 응용분야가 숨겨져 있음에 틀림없다. 이러한 보물을 찾기 위해서는 더 한층의 공학적 연구가 필요하다.