KIGAM 한국지질자원연구원

2010년대 초반부터 시작된 셰일가스 개발은 기술력 향상을 기반으로 혁신적인 생산단가 감소를 이끌었다. 특히 미국의 셰일가스 혁명은 2015년 여름부터 기록적인 저유가 기조($40~$60)를 발생시켰으며 2020년 코로나19 팬데믹까지 겹쳐 인류 역사상 처음으로 마이너스 유가를 기록하기도 하였다.

하지만 코로나 19 팬데믹으로 인한 전 세계 유-가스 수급의 불균형 현상으로 인하여 다시금 고유가 시대($80~$100)가 도래하였으며, 비축유와 같이 장기간 자원을 확보 할 수 있는 전략적 차원의 정부 정책 기반들이 마련되고 있다.특히 국내 기업의 해외 시장진출 기반 마련을 위해 국토교통부 등 해외건설·플랜트 담당 정부 부처는 제4차 과학기술 기본계획 120개 중점과학기술에 기반하여 새로운 정책을 연이어 수립하고 있다. 동시에 대한민국 정부는 2030년까지 온실가스 배출량을 2018년 대비 40% 감축하고 2050년에는 국내 ‘순배출량0(넷제로)’을 달성하겠다는 목표를 확정했다.

자원개발로 인하여 발생하는 CO₂의 포집, 수송, 저장 및 활용(CCUS; Carbon Capture Utilization & Storage)이 핵심이다. 자원 수급의 안정성과 친환경적 개발이라는 두 마리 토끼를 잡기 위하여 이전에 시도하지 않았던 획기적인 기술 개발이 절실한 상황이다. 자원개발플랜트연구실은 연구진들의 월등한 경험을 바탕으로 비전통자원 개발을 위한 실증연구 및 탄소 중립 트랙레코드 확보를 위하여 자원 및 탄소중립 기술 개발에 리더가 되고자 한다.

에너지(Oil & Gas, CO₂) 플랜트 통합 실증 연구

글. 김영주 실장(자원개발플랜트연구실)

<그림1> 가스전 생산 및 운송

시추용 육상 드릴링 시스템의 방향제어 추진체 및 이수순환기술 개발(국토교통부; 2017~2023)

비전통자원의 경우 대심도 활용 및 방향성 시추가 필수적이다. 하지만 본 기술 분야의 원천 및 시스템 기술은 일부 해외 선진기업이 독점하고 있어 자체 인프라 건설 및 개발에 있어서 해외 의존이 심화되었다.

육상 시추장비의 가격은 약 250억~400억 원이며 시추비용은 수직 1km+수평 1km에 평균 약 70억원이 소요된다(1개 광구에 20~50개 유정 건설). 결국 원천기술 미확보로 인하여 국내 유-가스 회사들은 자체 필드 개발이 아닌 지분확보 및 처분을 통해 이윤을 추구하는 투자회사로 변모하였다. 자원과 관련된 국내 유일한 공기업인 석유공사와 가스공사는 해외자원개발 사업을 전면 보류하였다. 이는 결국 10년이 넘도록 자원개발과 관련된 국내 연구기관들이 실증이 아닌 시뮬레이션 연구에만 국한되어버리는 비극적인 상황을 이끌었다. 물론 시뮬레이션 연구를 통한 탐사는 필드 개발을 위한 필수조건이다.

다만, 전 세계를 선도하는 핵심 자원개발 회사들(ExxonMobil, Total, BP, Chevron, Shell 등)은 탐사에 있어 자체적으로 독보적인 기술력을 보유하고 있으며 외부의 힘을 빌리는 경우가 드물다. 결국 독립적 필드 개발 기술력이 현저히 부족한 우리나라는 실제 ‘개발 및 생산’을 위한 기자재 개발, 통합공정 설계 및 실증을 위한 초석 마련이 절실하다.

우리 연구진은 이와 같은 격차 해소 및 기술력 확보를 위해 해당 국토교통부 연구를 통하여 왕복 4km급 다목적 방향성 시추 및 연속 이수 순환 시스템 개발을 완료하였으며 2021년 캐나다에서 성공적으로 실증을 이루어냈다. 파일럿 테스트를 위하여 수직 40m급 다상 유체 유동(Multiphase flow) 모사 라인 및 non-stop 이수 순환-처리 장치를 구축하였다.

<그림2,3,4> 한국지질자원연구원 자원플랜트개발연구실 기보유 유동라인

소형발전 연계 중소규모 가스전 개발/생산 현장 운영기술 개발(산업부; 2021~2025)

환경오염 최소화, 발전 상한 효율, 탈원전 대안 등의 종합적인 요구에 따라 가스발전이 석탄 발전과 원자력 발전을 급속도로 대체하고 있다. 향후 신재생에너지 발전에 비하여 빠른 속도로 사용비중이 증가할 것으로 예상된다.

나아가 최근 생산된 가스가 가스 라인 인근에 위치해야만 하는 지역적 한계가 있는 대형 가스발전 보다 중소규모 가스발전 시장 규모가 꾸준히 증가 하고 있는 상황이다. 출력 당 엔진 제작 및 건설비용이 상대적으로 낮고, CO₂ 배출감소 등 환경영향 최소화, 유지/관리를 위한 운영 및 비용 최소화, 발전 플랜트 운영의 용이함 등의 장점이 있기 때문에 최근, 특히 캐나다에서 지속적으로 시장이 확대되고 있다.

해당 연구는 첫째, 생산량이 감퇴하고 있는 가스 생산정에 인공채유(Artificial) 기법을 적용하여 생산량을 유지하고, 둘째, 천연가스 전처리 기술을 이용하여 불순물을 제거한 뒤, 셋째, 발전기를 통한 지역사 회 전기 공급을 기술 개발 및 실증 목표로 한다. ICT 및 원격 운영시스템을 개발하여 격오지 및 극한지 에서의 무인화 공정 플랫폼을 구축하고자 한다. 해당 실증 기술 개발은 온실가스 감축과 ICT, AI의 첨단기술을 활용한 분산발전 확대 등의 변화를 요구하는 글로벌 에너지 패러다임의 변화에 대응하며, 향후 전기가 부족한 저개발 자원 부국 시장 진출을 목표로 하는 정부의 친환경 에너지자원 정책에도 적극 기여할 수 있다.

해양 CO₂ 주입시스템 핵심기술 자립화 (산업부; 2022~2024)

육상 CO₂ 저장소를 확보하기 어려운 우리나라의 경우, 동해와 서해를 활용한 해양 대심도 CO₂ 주입 기술은 해안에 위치한 발전소와 정유 플랜트 등 CO2 배출원과 저장소를 직접 연결해 국내 CCS 사업을 확신시킬 수 있는 핵심 기술이다. 해양 대심도 CO₂ 주입용 해저 시스템은 육상 또는 플랫폼에 설치되는 펌프와 CO₂ 유체 이송 해저 파이프 라인, 해저 주입정 밸브 트레인, 그리고 주입 시스템 제어를 위한 해저 전력, 유압 공급 시스템으로 구성된다. 본 과제는 대심도 CO₂ 해저 주입 시스템 기술개발을 목표로 한다.

우리 연구진은 해상/해저 통합 플랜트를 위한 통합 제어 및 유압 시스템의 시험/평가 기술 개발을 계획하고 있다. 보유중인 유동라인의 수정 및 구축을 통하여 첫째, 등온-감압(heat transfer limited-depressurization) 조건 내 수직 상/하방 CO₂의 유동 양상, 상변화 파악 및 시뮬레이션과의 검증과 둘째, 토출 밸브(discharge valve) 조절에 따른 해저 트리(subsea tree) 제어 기술 개발을 목표로 한다.

<그림5> 해양 CO₂ 주입시스템 핵심기술 자립화

<그림 6~16> 오일 생산플랜트의 패키지화 설계 및 통합실증 기술개발

오일 생산플랜트의 패키지화 설계 및 통합실증 기술개발(국토교통부; 2022~2028)

오일샌드 생상플랜트 시장의 진출을 위해서는 실제 건설 및 운영을 통한 트랙레코드의 확보가 필수적이나 이와 관련된 국내의 실적은 전무하다. 비 전통오일 생산을 위한 통합 공정 설계/운영 기술은 기존 중동 중심의 오일 생산플랜트 기술 경향을 다각화할 수 있는 기술로서, 분자량이 높은 탄화수소의 추출 생산 기술과 수송가능 수준의 부분 개질 기술, 그리고 현장의 원료, 유틸리티의 연계 공정에 대한 고효율 최적화 기술이 필요하다.

해당 과제는 캐나다 오일샌드 생산 플랜트의 패키지화 설계를 목표로 한다. 동시에 시작하는 중점1(회수/순환), 중점2(분리), 중점3(수처리), 중점4(부분개질)과제에서 개발 예정인 기술을 통합하고, 개 념/FEED 및 패키지화 설계를 기반으로 해외 현지 실증 실적 확보를 통한 사업화 추진을 계획 중이다.

개발 예정인 각각의 핵심기술은 부분 또는 일 관된 계통으로 연결되어 물질과 에너지 흐름이 존재하므로, 구성 시스템 상호 간 설계 및 운전에 미치는 영향을 규정하여야 한다. 오일 생산량 기준 20,000bpd 급 파일럿 규모의 기술 수준 90% 이상 달성을 목표로 한다. 비전통 자원, 특히 오일샌드 개발에 있어 플랜트 제작, 건설, 운영 등을 통한 생산·처리·인프라 분야에서 핵심기술의 트랙 레코드 실적을 확보할 계획이다.