메탄하이드레이트에대해서
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메탄하이드레이트
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지난 6월 19일 포항에서 동북방으로 약 135km 떨어진 동해상의 한 지점. 심해저 물리탐사선 ‘탐해2호’에 탄 연구원들은 해수면에서 2078m 아래의 해저에서 채취한 시료를 보고 환호했다. ‘불타는 얼음’ ‘차세대 에너지원’으로 불리는 ‘가스하이드레이트’를 발견했기 때문이다. 이번에 채취한 가스하이드레이트는 가스 성분 중 95% 이상이 메탄으로 구성된 ‘메탄하이드레이트’였다.
메탄하이드레이트는 저온고압 환경에서 기체 분자와 물 분자가 결합해 만들어진 물질이다. 겉보기에는 얼음과 비슷하지만 분자구조는 다르다. 메탄하이드레이트는 물 분자가 0.5~0.7nm(나노미터, 1nm=10-9m) 크기의 축구공 모양으로 배열해 메탄이나 프로판, 이산화탄소 같은 기체 분자를 하나씩 담는다. 이런 특이한 결정구조 때문에 1m3의 메탄하이드레이트에는 약 172m3에 이르는 기체를 저장할 수 있다. 얼음이 불타는 듯 보이는 현상은 사실 메탄하이드레이드 안의 메탄이 타기 때문이다.
KAIST 생명화학공학과 이흔 교수는 “석탄이나 석유 같은 화석 연료를 대체할 에너지원으로 메탄하이드레이트의 가치가 높다”면서 “매장량이 막대하다”고 강조했다. 현재 메탄하이드레이트의 매장량은 약 10조톤으로 추정되는데, 이는 전체 화석 연료 매장량의 두배 정도다. 세계에서 1년 동안 사용하는 에너지양과 비교하면 200~500년분에 이른다. 하지만 이 교수는 “매장량의 추정치는 메탄하이드레이트가 존재할 수 있는 환경에 전부 존재한다고 가정한 것”이라며 “정확한 매장량은 알 수 없다”고 덧붙였다.
메탄하이드레이트는 수소, 산소, 탄소로만 이뤄졌기 때문에 태우면 물과 이산화탄소만 발생한다. 이 교수는 “메탄하이드레이트를 태워 발생하는 이산화탄소의 양은 휘발유에 비해 30%나 적다”며 “지구온난화를 크게 걱정할 필요가 없다”고 말했다.
| 1950년대 러시아에서는 메탄하이드레이트로 가스관이 막히는 사고가 종종 발생했다. |
| 메탄하이드레이트 층의 아래 경계는 해저 지형과 평행한 BSR면(화살표)으로 나타난다. |
하지만 그럴수록 메탄하이드레이트는 더 많이 만들어졌고 가스관 폭발도 잦았다. KAIST 에너지및환경시스템 연구실의 박영준 연구원은 “얼음처럼 보이는 메탄하이드레이트는 1℃에 29기압이면 만들어진다”며 “자연 상태에서 저온고압 환경은 존재하기 힘들다”고 말했다. 땅에서는 압력이 1기압씩 높아질수록 지열로 인해 온도가 0.3℃씩 올라가고, 바다에서는 물의 특성상 0℃보다 온도가 낮아질 수 없기 때문이다.
그래서 수년 전에는 시베리아의 영구동토층이나 심해저에서 땅속으로 400m 정도 파고 들어가야 이런 환경이 만들어진다고 생각했다. 하지만 박 연구원은 “최근 1000m 이상의 심해저가 아니라 300~500m의 얕은 바다의 땅 속에서도 메탄하이드레이트가 만들어졌다는 연구결과가 있다”며 “메탄하이드레이트가 존재하는 영역은 새롭게 밝혀지고 있다”고 말했다.
1970년대 해저 지형을 측정하는 탄성파 탐사 기술이 개발됐을 때도 메탄하이드레이트는 골칫거리였다. 탄성파 탐사는 압축 공기를 터뜨려 만든 음파를 이용한다. 해저로 보낸 음파는 밀도가 다른 암석의 경계면에서 다른 속도로 반사돼 해수면으로 되돌아오는데, 이 반사신호를 분석하면 해저의 지형과 땅속의 지층까지 알 수 있다.
그런데 탄성파 탐사로 해저 지형을 측정하면 심해 지형과 평행한 면이 나타났다. 처음에는 이를 잡음 때문에 생긴 오류라고 생각했다. 지형과 평행하면서 다른 지층을 가로지르는 지층은 존재할 수 없다고 믿었기 때문이다. 오류라고 생각한 특이한 구조는 사실 해저모방반사(BSR, Bottom Simulating Reflection)면이다. BSR면은 메탄하이드레이트 층 아래에서 올라온 메탄이 포화 상태인 메탄하이드레이트에 더 이상 포획되지 못한 채 기체로 존재하기 때문에 생긴다. 기체는 고체상태인 메탄하이드레이트와 밀도 차이가 커 반사면이 확연히 보인다. BSR면은 현재 메탄하이드레이트의 존재 유무를 밝히는데 사용된다.
메탄하이드레이트의 메탄 가스는 어디에서 왔을까. 메탄은 만들어진 원인이 생물인지, 지열인지에 따라 생물 기원과 지열 기원으로 나눌 수 있다. 생물 기원 메탄은 미생물이 식물이나 동물을 분해할 때 생성되며 대개 지표면에서 26m 깊이 이내의 얕은 곳에서 만들어진다. 하지만 박 연구원은 “메탄하이드레이트 층보다 아래에 유기물이 포함된 지층이 있으면 이곳에서 메탄이 만들어진 뒤 밀도차에 의해 위로 상승해 메탄하이드레이트에 포획될 수 있다”고 말했다.
지열 기원 메탄은 천연가스처럼 동?식물 같은 유기물이 200~300℃ 정도의 지열에 의해 탄화돼 만들어진다. 이렇게 만들어진 메탄은 해저 지형에 생긴 틈이나 밀도가 낮고 빈 공간이 많은 층을 따라 위로 이동하다가 얼음에 포획되면서 메탄하이드레이트가 된다. 이 교수는 “메탄하이드레이트가 만들어질 수 있는 저온고압 상태라도 가스가 없으면 얼음으로만 존재한다”며 “얼음만 있는 층에 메탄가스가 들어가면 얼음의 분자구조가 메탄 분자를 포획할 수 있는 캡슐 구조로 바뀐다”고 설명했다.
| 불타는 메탄하이드레이트. 얼음이 불타는 듯 보이지만 사실 메탄 가스가 타는 중이다. |
해저에 관을 꽂은 뒤 들어올려 채취한 시료. 하얗게 보이는 부분이 메탄하이드레이트다.
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하지만 이런 방법은 고체인 메탄하이드레이트 층을 액체로 바꾼다. 액체가 되면 고체보다 상부의 무게를 버티는 힘이 약해져 무너질 수 있다. 익명을 요구한 국내 한 지질학자는 “1998년 영국 런던 지질학회지 특별판 137호에는 해저의 사면이 붕괴했을 때 메탄하이드레이트의 압력이 낮아져 메탄이 대량으로 방출됐다는 연구결과가 있다”고 말했다. 메탄은 이산화탄소보다 20배 강력한 온실가스다. 그는 “지구 온난화도 문제지만 메탄을 빼내는 시추선이 침몰하거나 폭발할 위험도 있다”고 경고했다.
그래서 고체 상태를 유지한 채 메탄만 추출하는 방법이 각광받고 있다. 박 단장은 “이 기술의 선두주자는 한국”이라고 단언했다. KAIST 이흔 교수는 메탄하이드레이트에 이산화탄소를 주입해 메탄을 64%까지 추출할 수 있는 기술을 2003년 11월 7일 ‘사이언스’에 발표했다. 이산화탄소는 메탄하이드레이트를 만나면 물 분자로 이뤄진 캡슐에서 메탄을 밀어내고 그 자리를 차지한다. 박 단장은 “온실가스인 이산화탄소를 해저에 저장함과 동시에 메탄을 얻을 수 있는 일석이조의 기술”이라고 강조했다.
이 교수는 최근 이 연구를 더 발전시켰다. 이산화탄소와 질소를 함께 메탄하이드레이트에 주입했다. 이산화탄소만 주입할 때는 이산화탄소보다 작은 물 분자 캡슐의 메탄을 밀어내지 못했지만 질소는 이런 상태의 메탄을 대치했다. 혼합 기체를 사용하자 메탄 회수율이 최대 90%까지 증가했다. 이 교수는 “새로운 방법이 기술적으로도 더 쉽다”면서 “대기의 78% 정도가 질소이므로 이산화탄소와 질소를 분리하는 공정이 필요 없다”고 설명했다.
| 메탄하이드레이트가 녹기 시작하면 많은 양의 메탄이 연쇄적으로 방출된다. 지구 온난화는 물론 대형 가스 폭발 사고도 유발할 수 있다. 사진은 가스전이 폭발해 불길이 치솟는 장면. |
박 단장은 “메탄하이드레이트가 당장 자원으로 활용되기는 어렵다”고 말했다. 연구가 본격적으로 시작된지 채 10년도 안됐기 때문이다. 이는 다른 나라도 마찬가지다. 박 단장은 “아직 채굴을 시작한 나라는 없다”며 “미국, 일본처럼 메탄하이드레이트 개발에 먼저 뛰어든 나라도 자국의 부존량만 알고 있는데, 정확한 부존량은 공공연한 비밀”이라고 덧붙였다. 메탄하이드레이트 연구는 다른 분야와 달리 세계 각국이 경쟁보다는 협력에 초점을 맞추고 있다. 미국과 일본 모두 2015년까지는 메탄하이드레이트의 생성원인과 모델을 찾고, 2015년부터 이를 활용할 수 있는 기술을 시험해볼 예정이다. 박 단장은 “한국도 2015년까지 메탄하이드레이트를 채굴하는 기술을 발전시킬 것”이라고 자신했다.
각국이 경쟁보다 협력을 중시하는 이유는 메탄하이드레이트 층에서 실험을 하다 사고가 나면 그 파장이 크기 때문이다. 연구원이 죽을 수도 있고, 메탄이 대량으로 공기에 분출되거나 해저지층이 붕괴돼 쓰나미가 일어나는 재앙이 발생할 수도 있다. 이 교수도 “자원 문제는 인류 공동의 문제로 한 사람의 이득은 중요하지 않다”며 “누군가 더 안전하고 효율적인 방법을 찾길 바란다”면서 한국이 그 주인공이길 희망했다. 화석연료가 밑천을 드러낼 것이라는 2020년. 그때는 메탄하이드레이트가 ‘차세대 에너지원’으로 자리매김할 수 있기를 기대해본다.
내용출처 : http://www.dongascience.com/Ds/contents.asp?mode=view&article_no=20070725164826 |
바다속 노다지를 캔다 - 하이드레이트(Hydrate)
출처 : http://www.hani.co.kr/section-010100020/2004/11/010100020200411291538001.html
가스는 기체 상태로 존재하지만 만약 온도를 영하로 내리고 압력을 수십 기압까지 높이면 물은 얼게 되고 기체는 물 입자가 만든 격자형의 우리 속에 갇히게 된다.
이것을 가스 하이드레이트(Gas Hydrate: 기체수화물)라고 하는데, 그 속에 갇힌 가스가 메탄(Methane, CH4)일 경우 메탄 하이드레이트라고 부른다. 보통 천연가스는 지하의 높은 온도 때문에 기체 상태로 존재하지만, 알래스카나 시베리아와 같은 동토지역의 깊은 땅속이나 수심 300～1,000미터의 바다 밑에서와 같이 30기압 이상의 높은 압력과 함께 온도가 0도 가까이 내려가면 천연가스가 물과 같이 결합하여 고체 상태로 변하게 된다. 겉 모습은 드라이아이스(Dry ice, CO2)와 비슷하다. 그렇다면 1리터의 얼음 속에는 얼마나 많은 가스를 담을 수 있을까? 기체 입자는 분자 운동에너지가 크므로 매우 커다란 부피를 차지 할 수 있다. 이것이 고체로 변하게 될 때는 165～215배 정도로 압축된다. 즉, 1리터의 가스 하이드레이트 속에 약 200리터의 가스가 담겨져 있다는 말이다.
메탄 하이드레이트는 오늘날 과학자들이 21세기의 신에너지 자원으로 주목하고 있는 물질이다. 그 첫 번째 이유는 막대한 매장량이다. 현재까지 알려진 바로는 천연가스 매장량의 약 100배인 10조 톤이 넘을 것으로 예측하고 있는데 이는 현재 세계에서 사용되고 있는 에너지량의 200~500년분에 해당하는 엄청난 양이다. 두 번째 이유는 메탄 하이드레이트의 ‘깨끗함’이다. 메탄을 주성분으로 하는 천연가스는 태워도 온실효과를 일으키는 이산화탄소의 발생량이 석탄, 석유에 절반에도 못미치기 때문에 청정에너지라 불리울 수 있다.
이와 같이 메탄 하이드레이트는 새로운 대체 에너지로 각광 받고 있지만 당장 사용하기에는 몇가지 문제점이 있다. 메탄이 연소되면 물과 이산화탄소 밖에 생기지 않고 또 이산화탄소의 발생비율도 다른 화석연료에 비해 매우 낮지만, 시추과정에서 메탄이 연소되지 않고 공중에 그대로 방출되면 이산화탄소보다 10배나 더 심각한 온실효과를 일으킬 수 있다. 메탄 하이드레이트에 포함된 메탄가스의 양은 대기권에 존재하는 양의 300배로 예상되고 있는데, 이렇게 많은 양의 메탄 가스가 공기 중으로 방출된다면 지구의 기후는 엄청난 혼란에 빠지고 말 것이다. 따라서 메탄 하이드레이트를 이용하기 위해서는 시추과정에서 어떻게 메탄의 방출을 막을 것인가라는 기술적 문제를 해결하여야만 한다.
이와 관련해서 우리나라 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이흔교수는 메탄 하이드레이트에서 메탄을 빼낸 후에 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 다시 삽입할 수 있는 메커니즘을 발표해 전세계의 주목을 받았다. 이 방법이 실용화 된다면 위에서 언급한 문제의 해결과 동시에 환경 보호라는 두가지 난제를 풀 수 있어 본격적인 메탄 하이드레이트의 활용이 가능할 것으로 보고 있다.
현재 전세계적으로 21세기 에너지원으로 가장 확실시 되는 하이드레이트에 대한 연구는 활발하게 이루어지고 있다. 우리나라에서도 러시아와 함께 오호츠크해에서 메탄 하이드레이트의 발굴을 위한 공동연구가 진행 중이다. 또한 우리나라 울릉도와 독도 주변에도 엄청난 양의 하이드레이트가 매장되어 있는 것으로 알려져 미래 하이드레이트 개발에 밝은 빛을 주고 있다.
미래 새로운 에너지원으로 떠오르고 있는 하이드레이트!
21세기 새로운 신흥 산유국인 대한민국을 기대해 보자. (글 : 이정모-과학칼럼니스트)
출처 : KISTI의 과학향기
동해 바다 해저 등 세계 해저에서 소리 없는 ‘자원 전쟁’이 벌어지고 있다. 해저에 무궁무진하게 묻혀 있는 미래의 청정에너지 메탄 하이드레이트를 선점하기 위해 세계 각국이 관련 기술 개발을 서두르고 있다. 일본, 미국, 중국, 인도 등은 이미 특별법까지 제정해 탐사와 시추 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 일본이 독도 영유권을 주장하는 것도 독도 주변에 풍부하게 매장된 것으로 알려진 메탄 하이드레이트와 무관하지 않은 것 같다.
◆독도 해저는 연결고리=미국 지질연구소(USGS)가 지난 수년간 메탄 하이드레이트 분포 지역을 연구한 결과를 최근 발표했다. USGS는 대륙에서는 캐나다와 미국 알래스카, 러시아 시베리아의 동토 지대에, 대륙붕에서는 지진대를 따라 메탄 하이드레이트가 분포하는 것을 확인했다. 러시아 과학원 무기화학연구소도 캐나다 북쪽 비포트해, 러시아와 알래스카 사이의 베링해, 오호츠크해와 일본 열도 근해에서 메탄 하이드레이트 층을 발견했다. 이는 환태평양 지진대와 화산대를 따라 메탄 하이드레이트 분포층이 이어지고 있음을 말해준다.
두 연구소는 메탄 하이드레이트가 발견된 독도 주변 해저가 환태평양 메탄 하이드레이트 분포층을 이어주는 연결고리라는 사실을 알아냈다. 한반도 주변 해저지형을 보면 제주분지, 울릉분지, 일본분지가 연결돼 있으며, 이들 지형은 쿠릴열도와 베링해를 지나 캐나다, 미국, 남미 칠레까지 이어지는 메탄 하이드레이트 분포 벨트를 형성한다.
그리고 쿠릴열도와 동중국해를 이어주는 곳이 울릉분지이고 그 중심은 독도로 밝혀졌다. 이 벨트는 울릉분지와 제주분지를 지나 대만 해역으로 연결된다. 대만 북쪽 해역에서는 중국이 메탄 하이드레이트 탐사에 급피치를 올리고 있어 향후 일본과 중국이 메탄 하이드레이트 개발을 둘러싸고 또다시 충돌할 가능성도 있다.
특히 독도 주변 해저에서 메탄 하이드레이트가 대량 발견되고 있다. 2005년 6월 한국 정부 개발사업단이 울릉도 남쪽 100㎞ 지점 해저에서 6억t가량(국내 천연가스 소비량 30년치)을 발견한 것이 단적인 사례다.
◇지난해 우리나라 동해 해저에서 채취된 메탄 하이드레이트.
세계에는 약 10조t이 해저에 묻혀 있는 것으로 추정된다.
메탄 하이드레이트는 훌륭한 에너지 자원인 것은 물론, 석유자원 부존 여부를 알려주는 지표 역할을 한다는 사실도 드러났다. 일본 에너지 전문가들은 “해저에 석유자원이 있는 지역을 탐사해보면 통상 맨 위쪽에 얼어붙어 있는 메탄 하이드레이트 층이 나타나고 그 아래 층에 천연가스와 원유가 있다”고 강조했다.
세계에 퍼져 있는 천연가스 층의 지도와 러시아 과학원이 만든 메탄 하이드레이트의 분포층을 비교해 보면 놀랄 만큼 일치한다. 다시 말해 독도 주변에 메탄 하이드레이트가 묻혀 있다면 그 바로 밑에 석유층이 있다는 것을 의미한다. 이미 일본 내 석유 관계자들은 “독도 주변에 엄청난 석유가 매장돼 있을 수 있다”며 주목하고 있다.
◆일본이 개발경쟁 선두=메탄 하이드레이트 개발 경쟁 분야의 선진국은 일본이다. 해저 탐사 기술은 러시아가 선두지만, 자본 투입 능력에선 일본에 뒤진다. 동해쪽 해저를 포함해 이미 100년간 사용할 메탄 하이드레이트를 발견해 놓은 일본은 2016년 상용화를 목표로 개발에 총력을 기울이고 있다.
일본 경제산업성은 지난해 1월 시뮬레이션으로 상용화 가능성을 추산한 결과를 공개했다. 경제산업성은 먼저 메탄 하이드레이트에서 추출한 가스 가격이 배럴당 54∼77달러에 이를 것으로 추정했다. 원유 가격은 연초 뉴욕 시장에서 배럴당 100달러선을 가볍게 돌파한 뒤 현재 130달러대를 기록하고 있다. 배럴당 200달러 선을 넘어설 것이라는 전망도 나온다. 메탄 하이드레이트의 개발 비용과 채산성이 현실적인 손익분기점에 이르렀다고 볼 수 있다.
일본은 2001년 캐나다에서 새로운 시추 기술을 선보였다. 시추공을 통해 메탄 하이드레이트 얼음 덩어리를 파내는 채굴법이 아니라, 시추관으로 뜨거운 물을 주입해 메탄 하이드레이트를 녹인 뒤 분리된 메탄가스를 빨아 올리는 가열법이다. 일본은 지난해부터는 가열법보다 개발비가 적게 드는 감압법을 시험하고 있다. 감압법은 상온에서도 고압을 유지해 메탄을 원형대로 보관할 수 있는 고난도 기술이다.
일본 에너지경제연구소 관계자는 “일본은 지금부터 세계를 리드하는 기술 개발을 조용하게 진행하는 것이 중요하다”고 말했다. 내놓고 떠들 게 아니라 물밑에서 조용히 기술을 개발해 미래의 에너지를 선점해야 한다는 것이다. 1970년대부터 개발에 나선 일본은 올 들어 경제산업성 주도로 ‘메탄 하이드레이트 자원개발 연구 컨소시엄’을 결성했다. ‘석유천연가스·금속광물 자원기구(JOGMEC)’는 일본 주변 해역에 100년치의 소비량 이상의 고순도 메탄 하이드레이트가 매장돼 있다고 추정했다.
미국은 최근 일본과 함께 메탄 하이드레이트 공동 개발에 나서기로 했다. 양국은 동해 등 일본 열도 주변에 넓게 분포된 매장층을 대상으로 광범위하게 탐사하고 있다. 미국은 석유자원을 대체할 미래 자원으로 메탄 하이드레이트를 꼽고 있다.
중국은 메탄 하이드레이트 개발에 기술적으로 가장 뒤떨어져 있지만 행동은 가장 적극적이다. 일본 자원에너지청의 한 간부는 “일본은 이미 1970년대에 메탄 하이드레이트 개발에 나섰지만, 중국은 개발에 나선 지 10년도 안 돼 대만 주변 해역에서 채취에 성공한 뒤 상용화를 위해 발벗고 나섰다”고 전했다.
중국 국가발전개혁위원회는 지난해 하이난섬에 대규모 정제시설을 건설하고 메탄 하이드레이트에서 분리해낸 천연가스를, 홍콩까지 800㎞에 이르는 해저 파이프라인을 건설해 공급하는 방안을 구상하고 있다. 중국은 2015년 상용화를 목표하고 있다. 이와 관련, 중국 공산당 하이난성위원회 기관지 하이난일보는 최근 중국석유화공, 중국석유천연가스, 중국해양석유 등 3대 국영석유회사가 파이프라인 건설 후보지를 검토하고 있다고 보도했다. 중국은 1998년 당시 주룽지(朱鎔基) 총리 주도 아래 메탄 하이드레이트 개발을 국가전략산업으로 선정하고 개발에 착수했다.
우리나라는 독도 주변 해역에서 메탄 하이드레이트 탐사에 나서 2005년 6억t의 매장량을 확인했다. 하지만 상용화하기에는 아직 자본 투입 여력이나 기술력에서 뒤떨어진다는 평가를 받고 있어 정부가 적극 지원에 나서야 한다고 전문가들은 지적했다.
메탄 하이드레이트란=메탄 하이드레이트는 엄청난 수압과 저온 상태인 해저에서 메탄 분자가 물 분자 내에 끌려들어가 생성된다. 드라이아이스와 비슷한 얼음 형태로, 불을 붙이면 활활 타올라 ‘불타는 얼음’으로 불린다.
1m³의 메탄 하이드레이트를 분해하면 172m³의 메탄가스를 얻을 수 있을 만큼 에너지 효율이 아주 높다. 게다가 연소 시 휘발유나 천연가스에 비해 이산화탄소를 절반 이하로 배출하며, 매장량도 풍부해 차세대 에너지로 개발될 가능성이 아주 높다.
19세기가 석탄, 20세기가 석유의 시대라면 21세기는 메탄 하이드레이트의 시대라는 예측도 나오고 있다.
도쿄=정승욱 특파원 jswook@segye.com 세계일보 2008.06.24 (화) 10:31
출처 : http://blog.ohmynews.com/cantabille/220341
2008.06.21 독도본부 www.dokdocenter.org
참고사이트 : http://sky2u.tistory.com/253
위 답변은 답변작성자가 경험과 지식을 바탕으로 작성한 내용입니다. 포인트 선물할 때 참고해주세요.
2008.07.31.