KIGAM 한국지질자원연구원

에너지는 인류 생존에 있어 없어서는 안 될 중요한 자원이다. 석탄·석유·가스 등 화석연료의 개발로 우리는 엄청난 산업 발전을 이뤘고 우리의 삶은 보다 안락해졌다. 하지만 지구에서 이들의 양은 한정적으로 존재한다. 엄청난 양의 화석연료를 이용한 결과, 현재 화석연료는 고갈 위기에 처했다. 화석연료를 대체할 새로운 자원이 필요하다. 신재생에너지부터 수소에너지까지, 다양한 대안이 제안되는 가운데 ‘가스 하이드레이트’가 추가적인 청정에너지로 각광 받고 있다. 친환경적이면서 풍력·태양광·열 등 다른 신재생에너지와 다르게 계절의 영향을 받지 않는다. 그래서 수소나 핵융합 등의 차세대 에너지원으로의 전환 기간에 유용하게 사용할 수 있는 징검다리로서의 역할이 기대된다. 전 세계가 에너지 확보를 위해 각축전을 벌이는 가운데, 가스 하이드레이트로 에너지 자립의 발판을 준비하고 있는 KIGAM 이재형 박사를 만나 비전을 들어보았다.

차세대 에너지를 확보하기 위한 무한 여정

가스 하이드레이트(Gas Hydrate)

불타는 얼음? 미래의 청정에너지! 

가스 하이드레이트(Gas Hydrate)의 중요성은 오래전부터 대두되 어온 바 있다. 그렇다면 가스 하이드레이트란 어떤 물질일까? 석유, 가스는 죽은 생물이 심부에 퇴적되어 생성된다. 특히 석유와 가스는 덮개 층 역할을 하는 지질 구조가 있는 곳에서 잘 생성된다. 대표 적인 지질 구조로는 배사구조가 있는데, 이는 생성된 석유와 가스가 바깥으로 유출되는 것을 막아준다. 액체와 가스가 배사구조에 갇히게 되면 바로 석유 유전 혹은 가스전이 된다. 그러나 운이 없게도 덮개 층이 존재하지 않는 공간에서는 비중 차이로 가스와 액체가 계속 올라가게 된다. 만약 그 공간이 심해저라면? 심해저는 표면 온도가 낮고 압력이 높다. 그래서 높은 압력과 낮은 온도 때문에 가스와 액체는 얼어붙게 된다. 바로 고체 연료 가스 하이드레이트가 생성되는 과정 이다.

즉, 가스 하이드레이트는 가스 분자가 물 분자 속에 밀폐되어 있는 것으로, 언 사이다의 모습을 생각하면 된다. 언 사이다가 녹기 시작 하면 기포가 뽀글뽀글 발생한다. 이산화탄소다. 가스 하이드레이트의 경우에는 녹으면 메탄가스가 발생한다. 얼음 형태로 존재하는 가스 하이드레이트는 온도가 높아지거나 압력이 낮아지면 물과 가스로 분리된다. 여기서 가스는 메탄이 90% 이상을 차지한다. 바로 이 메탄가스를 에너지원으로 활용하기 위한 연구가 이재형 박사가 진행하는 연구의 핵심이다.

그렇다면 왜 가스 하이드레이트일까? 석유와 가스가 지역적으로 편중되어 있는 편이라면, 가스 하이드레이트는 전 세계에 고르게 분포 하고 있다. 석유가 한 방울도 나지 않는 우리나라의 경우, 가스 하이 드레이트의 존재는 매우 희소식이 아닐 수 없다. 그 양도 막대하다.

때문에 자원이 없는 우리나라로서는, 가스 하이드레이트를 개발하는 일이 매우 중요하다고 볼 수 있다.

“가스 하이드레이트는 전 세계에 고루 분포하고 있습니다. 화석연료가 생산되지 않는 우리나라에도 가스 하이드레이트가 존재합니다. 매우 장점이 있는 물질이죠. 또한 석유나 석탄 같은 화석연료와 비교해 장점도 많습니다. 가스 하이드레이트는 ‘천연가스’입니다. 다른 화석연료보다 온실가스 발생량이 적어요. 에너지 효율도 좋습니다. 때문에 미래 차세대 에너지로 각광받고 있죠.”

가스 하이드레이트는 전 세계에 10조ton이 매장돼 있는 것으로 추측 되며, 이는 전 세계가 5천 년 동안 사용할 수 있는 양이다. 자원 매장 량으로 보면 미래 에너지로서 무한한 가능성을 지니고 있는 셈이다.

특히 온도가 낮은 극지방에 가스 하이드레이트가 많다. 미래 대체 에너지로 주목 받으면서 KIGAM에서도 가스 하이드레이트 개발을 위한 사업단이 2005년에 출범됐다. 이재형 박사는 가스 하이드레이트를 개발하고 생산하기 위해 테스트 베드 형태의 실험을 진행하고 있다. 더 큰 가능성을 향한 도전이다.

테스트 베드로서의 역할 

이재형 박사의 연구는 비전통에너지실험동에서 진행된다. 가스 하이 드레이트를 실제 현장에서 개발하고 생산하기에 앞서, 모의 시뮬레 이션을 진행하는 공간이다. 가스 하이드레이트를 시험 생산하기 위한 ‘3차원(3D) 중규모 생산 모사 시스템’을 비롯한 연구 수행에 필요한 시설물이 갖춰져 있다.

“사업단이 발족한 이후, 총 3단계 개발 계획을 세워 연구를 진행했습 니다. 제일 먼저 수행한 연구는 가스 하이드레이트가 국내에도 존재하는 지에 대한 여부 확인이었습니다. 천부 지역을 탐사해 가스 하이드레 이트가 존재하고 있음을 증명했고 이를 채취하는 데도 성공했죠. 이후 가스 하이드레이트를 생산하는 단계에 접어들어야 하는데 이 과정이 굉장히 까다로워요. 직접 현장에서 진행하기에는 많은 위험 요소가 뒤따라요. 매번 현장에서 시험을 할 수도 없는 일이고, 많은 비용도 필요해요. 충분한 준비가 필요합니다. 그래서 현장에서 퇴적층 샘플을 채취해 와 이곳에서 모의 실험을 진행해요. 가스 하이드레이트가 만들어지는 과정의 역 과정을 적용합니다. 압력을 낮추는 방법, 온도를 올리는 방법, 다른 물질을 가스 하이드레이트에 주입하는 방법 등이 있어요. 샘플에 압력과 온도의 변화를 주었을 때, 가스가 나오는 지에 대한 시뮬레이션이죠. 그러나 이 모든 방법은 아직까지 연구 단계에 머물러 있으며, 상용화 단계까지는 좀 더 넘어야 할 선이 많죠. 안전성을 확보하기 위해서는 더욱 정밀한 데이터도 필요합니다. 더많은 준비와 노력이 필요한 시점이죠.”

특히 가장 중요한 부분이 가스 하이드레이트의 ‘양’이다. 즉, 투자한 만큼 성과를 거두기 위해서는 가스 하이드레이트의 양이 충분해야 하는 것. 또한 가스 하이드레이트가 영구적으로 존재하는 지에 대한 충분한 논의도 필요하다. 점토층, 모래층 등 환경에 따라 가스 하이 드레이트를 생산하는 방식이 달리지기에, 그 메커니즘을 찾는 연구도 지속되어야 한다.

가능성을 향한 도전 

한편 가스 하이드레이트를 개발할 때 발생할 수 있는 해저 붕괴 등의 문제를 해결하기 위한, 후속적인 연구도 필요하다. 개발과 생산 못지 않게 중요한 부분이 바로 ‘안전’이기 때문이다.

“해수면 및 지각 변동, 온도 상승 등의 변화가 일어나면 심해저 퇴적층 구조에 지반침하가 발생할 수 있어요. 이는 가스 하이드레이트 퇴적층의 붕괴 사고로 이어질 수 있어, 또 다른 문제가 될 가능성을 안고 있습니다. 더 큰 도약을 위해서는 생산에 있어 안전하게 운영될수 있도록 하는 대안도 마련되어야 할 것입니다.”

이재형 박사는 가스 하이드레이트 개발에 안전성까지 더해진다면, 머지 않아 시험 생산도 가능할 것이라 기대한다. 때문에 이재형 박사는 그 지점을 찾아, 더욱 주안점을 두고 개발을 진행해 나갈 예정 이다.

전 세계는 새로운 에너지를 확보하기 위한 각축전을 벌이고 있다. 환경오염이 발생하지 않으면서 지속 가능하게 이용할 수 있는 에너지를 확보하는 일은 어느때보다 중요해졌다. 가스 하이드레이트를 개발하고 생산할 수 있도록, 가시적인 성과를 내기 위해 애쓰고 있는 이재형 박사. 그 무한한 여정이, 청사진으로 그려지길 기대해 본다.