최근에 와서 안정된 측면은 있으나 지난 수 년간 국 제 유가는 지속적인 상승을 보여왔으며 이로 인해 2004년 기준으로 세계 10위에 해당하는 에너지 소비 량(213.15 MTOE)과 자원 집약적 산업 구조를 갖고 있는 우리나라는 무역 수지 악화와 전반적 제품 단가 상승으로 인한 수출 침체, 물가 상승 등의 위기에 직 면하게 되었다. 특히 에너지 수급에 있어서 석유가 차 지하는 비중이 약 50%에 달하기 때문에 우리나라로 서는 대체 에너지를 도입할 필요성이 절실해졌다. 이 러던 중 2006년 산업자원부와 한국가스공사가 공동으 로 동해에 대량이 매장되어 있는 것으로 추측되는 메 탄 하이드레이트의 탐사 작업에 나서면서 메탄 하이 드레이트에 대한 관심이 증대되었다. 하지만 아직 우 리나라는 이 신에너지원에 대한 연구가 많이 부족한 상황이기 때문에 결국 선행 연구를 충분히 진행하고 있는 국가들의 사례와 현황을 면밀히 분석하여 신속 한 투자를 결정해야 할 것이다.
현재 메탄 하이드레이트의 활용에 관련된 기술에 있어서 선두에 있는 나라를 들자면 일본과 미국, 러시 아 등을 들 수 있다. 이 세 국가들은 모두 수소경제를 맞이하기 이전의 단계로 메탄 하이드레이트에 대해 연구하고 있으며 그 중에서도 특히 일본은 우리나라 와 비슷한 원유 수입 위주의 에너지 수급 구조를 가지 고 있어 신에너지원 개발에 적극적으로 나서고 있고, 지역적으로도 우리나라와 동해를 사이에 두고 위치해 있어 향후 자원을 노린 경쟁을 할 가능성이 높다. 따 라서 우리는 일본의 메탄 하이드레이트 연구 상황과
연구 환경에 대해 조사할 필요성을 느끼고 2006년 8 월, ‘LG 글로벌 챌린저’ 프로그램을 통해 탐방을 진 행하였다.
‘LG 글로벌 챌린저’는 LG에서 지원하는 대학생 탐방 프로그램으로, 지난 12년 동안 연 30팀, 총 120명 의 해외 탐방을 전액 지원하여 세계 각국의 최고 분야 에 대해 직접 보고 느끼며 체험한 바를 통해 우리나라 에 선진국들의 발전상을 전해왔다. 이번 탐방을 통해 우리는 일본의 3개 대학과 3개 연구소, 1개 기업을 직 접 방문하여 연구 상황에 대해 직접 보고 안내 받을 수 있었으며 일본의 연구 상황과 제반 여건, 전망 등 에 대해 이야기하고자 한다.
탐방에 대해 이야기하기에 앞서 메탄 하이드레이트 가 무엇이고 어떻게 미래의 에너지원으로 각광받고 있는지에 대해 알아볼 필요가 있다. 메탄 하이드레이 트는 쉽게 말해 물 분자 사이에 메탄 분자들이 들어가 서 얼음에 의해 고정된 것으로 고체 상태의 메탄보다 높은 온도에서 안정적으로 존재하고 부피비로 172배 의 메탄 가스를 저장할 수 있다. 또 메탄의 특성상 연 소 시에 다른 화석에너지 자원보다 CO2 발생량이 적 으며 황이나 질소 등의 불순물도 훨씬 적은 편이다.
그러나 메탄이 온실기체이기 때문에 메탄 하이드레이 트를 채취하는 과정에서의 주의가 필요하다.
일반적으로 메탄 하이드레이트는 기존의 화석연료 와는 달리 고압, 저온 조건에서 만들어지기 때문에 바 다와 육지의 경계면에 존재할 가능성이 큰데 특히 미 국 서부 해안과 인도 근해, 우리나라 및 일본의 근해 이상호·이경선·한종훈
서울대학교 화학생물공학부
{creativengineer, kyungsunlee14}@gmail.com, [email protected]
에서 대량의 메탄 하이드레이트가 매장된 것이 확인 되었다[그림 1].
메탄 하이드레이트는 전세계에 천연가스 매장량의 약 100배인 10조 톤이 넘을 것으로 예측되고 있으며 이는 세계 천연가스 사용량의 200~500년 분에 해당 하는 엄청난 양이다. 동해에 매장된 메탄 하이드레이 트만 해도 최소 6억 톤, 우리나라 가스 소비량의 30년 치에 해당하는 양으로 약 262조의 수입 대체 효과를 거둘 수 있다고 한다.
그렇다면 메탄 하이드레이트의 채취와 활용은 어떻 게 이루어질까. 메탄 하이드레이트가 얼음과 같은 상 태로 존재한다고 해서 채취과정에서 얼음을 그대로 캐는 것은 아니다. 일반적으로 깊은 바다의 지층 아래 에 매장되어 있기 때문에 그 상태 그대로 채취하는 것 은 힘들고 여타 화석 연료 자원의 채취 방법과 비슷한 방식으로 얻는다. 먼저 채취는 일반적으로 ‘탐사’-‘굴 착’-‘생산’의 세 단계로 이루어지는데 다만 생산의 방 법에 있어서는 다른 화석 연료 채취와는 다르게 얼음 을 녹이고 메탄을 얻는 방식을 사용하기 때문에 차이 점이 있다. 이렇게 채취에 성공하면 그 이후에 활용하 는 것은 기존의 LNG 가스의 활용 방법과 같아서 천연 가스 이용 시에 사용한 시설을 그대로 활용할 수 있다.
이와 같이 메탄 하이드레이트는 미래의 주요 자원 으로 이용될 수 있는 여건을 갖추고 있고 따라서 우리 역시 서둘러 연구를 진행하여 미래의 자원 위기에 대
비하는 것이 필요할 것이다. 그렇다면 과연 일본은 이 런 상황에 맞서 지금 어떤 연구를 하고 있으며 그들의 초점은 어디에 있고 우리가 배워야 할 점은 무엇일까.
탐방 중에 관찰할 수 있었던 점과 우리가 느꼈던 점을 중심으로 서술하고자 한다.
가장 먼저 우리가 방문한 기관은 홋카이도대학교의 지질공학 연구실이었는데 그 곳의 담당자였던 Koutaro Ohga 교수로부터 홋카이도대학교에서 연구 하고 있는 생산량 평가 기술과 CO2 고정을 위한 ECBM에 관한 안내를 받을 수 있었다. 먼저 생산량 평가 기술에 관해서 이들은 MH 층에 고온의 물을 집 어넣을 때 얻을 수 있는 데이터를 통해서 얼마만큼의 MH를 지층에서 생산할 수 있는지를 연구하고 있었 다. 또 이와 비슷한 주제인 ECBM(Enhanced Coal Bed Methane)에 관해서도 병행해서 실험하고 있었 는데 그 분야에 있어서는 전세계적으로도 일본이 가 장 앞서나가고 있으며 이 결과를 토대로 MH 지층에 서도 효과적인 메탄 생산방법을 적용하기 위해 노력 하고 있다고 했다. 이들의 연구 환경을 보면서 가장 놀랐던 것은 인공 메탄 하이드레이트의 제조 능력이 었다. 비슷한 연구를 했던 국내 연구실들에 비해 그들 의 장비는 상당히 자동화되어있었고 생산 능력 역시 매우 뛰어나서 그들이 필요한 실험을 하는데 전혀 부 족함이 없어 보였다. 이는 이미 오래 전부터 연구를 시작해 왔으며 지속적으로 탄탄한 지원을 받고 있었 기에 가능했던 것으로 생각됐다.
다음으로 방문한 기관은 산업기술종합연구소 (AIST) 홋카이도센터의 MH 리서치 그룹으로 AIST는 일본의 석유 천연 가스, 금속 광물 자원 기구 (JOGMEC)과 더불어 일본의 MH 연구 개발 컨소시 움인 ‘MH21’의 주축을 맡고 있다. 이 곳을 담당하고 있는 Narita Hideo 박사는 MH21의 ‘생산 수법 개발’
그룹을 책임지고 있는 일본 MH 연구의 중심 축이라 할 수 있을 정도로 중요한 일을 맡고 있었고 따라서 컨소시움의 역할에 대해서 많은 이야기를 들을 수 있 었다. MH21은 우리나라에서 2005년 발족한 ‘가스하 이드레이트개발사업단’과 비슷한 역할을 하고 있는데
그림 1. 메탄 하이드레이트의 지역별 분포 현황.
http://geology.usgs.gov/connections/mms/joint_projects/methane.htm
우리보다 빠른 2001년 경제 산업성에 의한 MH개발 프로그램이 모태가 되어 탄생했고 현재는 [그림 2]와 같은 조직으로 편성되어 분야별로 연구가 진행되고 있다. MH21은 80년대부터 진행되어 왔던 기반 연구 를 바탕으로 이를 조직화 해서 체계적으로 진행해왔 고 연구의 중복을 방지하고 필요한 부분에 연구력을 집중시키는 역할을 했으며 이로 인해 미국과 러시아 등에 크게 뒤처져 있던 상황을 뒤집고 오히려 최근 캐 나다의 Mackenzie delta에서 진행되는 MH 상업개발 프로젝트인 Mallik project를 주도적으로 진행할 정도 로 좋은 성과를 보였다. Narita Hideo 박사가 속한 AIST 홋카이도센터 역시 MH21을 통해 많은 지원을 받고 있었으며 researcher 14명, technical staff 40명 이 MH 생산 수법에 관한 다양한 실험을 진행하는 것 을 볼 수 있었다. 그런데 이 곳은 정부의 연구 기관이 어서인지 이전에 보았던 홋카이도대학교보다 더 기계 화되고 정확한 장비를 사용하고 있었으며 연구 환경 역시 쾌적하면서도 통제된 느낌을 주고 있었다.
홋카이도 AIST를 방문한 후 우리는 AIST 츠쿠바 센터 역시 방문하게 되었다. 츠쿠바는 도쿄 근교의 교 육도시이자 과학의 도시로, 츠쿠바센터는 MH 이외에 도 다른 여러 연구를 진행하는 거대한 연구단지였다.
이곳에서 Yoshitaka Yamamoto 박사를 만나 MH 생 산 및 활용, 수송에 관한 그들이 하고 있는 여러 실험 들에 대해 들을 수 있었다. 츠쿠바센터는 규모 만큼이 나 독창적인 연구를 많이 하고 있었는데 우리가 탐방 이전에 생각하지 못했던 다양한 방향으로의 활용 방
안을 제시하고 있었다. 대표적으로 MH 구조를 활용 하여 수소의 저장 방안으로 제시했던 것이나 천연 가 스 수송 시에 LNG 상태가 아닌 MH 상태에서 운반 하는 방안의 경제성을 끌어올리는 실험 같은 것들이 있었으며 그들이 미처 우리에게 공개하지 못한 다른 연구들도 많이 있을 것으로 추측되었다. MH 생산 기 술에 있어서도 기존에 연구되던 열수 주입법이 아닌 메탄올이나 소금물 등의 분해 촉진제와 같은 수법을 연구하는 등 창의적이고 새로운 일을 찾아가고 있었 는데 이 점에서 확실히 연구 환경이 우리보다 좋음을 느낄 수 있었다.
MH 개발에서는 앞에서 언급한 여러 가지들이 모 두 중요하겠지만 실질적으로 가장 중요한 것은 바로 경제성에 직결되는 생산 수법에 관련된 것일 것이다.
우리가 다음에 찾은 도쿄대학교의 Masuda yoshihiro 교수는 이 생산 수법을 시뮬레이션 하는 쪽의 권위자 로 현재까지의 연구 상황과 난점 등을 듣게 되었다.
MH의 생산을 위해서는 먼저 지층에 대한 데이터를 확보한 후 이 데이터를 이용하여 실제 자원량과 경제 성을 평가하는 작업을 해야 한다. 그런데 이 경제성 평가 시에 가장 필요한 것이 바로 실제와 근접한 모델 을 구상하고 이 모델을 이용한 시뮬레이션을 해보는 것으로 따라서 실제 데이터를 이용한 모델링과 시뮬 레이터 개발이 중요시될 수 밖에 없다. 이런 중요성으 로 인해 도쿄대에서는 MH21 프로그램의 일환으로 이후에 우리가 방문했던 JOE(Japan Oil Engineer- ing)와 함께 Numerical Simulator 개발에 참여하고 있었다. Masuda 교수는 특히 일본 근해의 Nankai 해 구의 샘플을 이용, 감압법과 열수 주입법에 대한 simulator를 만들어 왔는데 현재까지의 시뮬레이션 데이터를 종합해볼 때 감압법이 해저지층의 파괴 없 이 환경적으로나 에너지 측면으로 모두 안전한 방법 이 될 것이라는 예측을 하고 있었다. 또 이 교수는 MH의 실제 생산시 활용 가능한 방안을 제시했는데 그것은 일종의 탄소 순환 시스템으로, 해안에 메탄가 스를 연료로 하는 화력발전소를 지은 후에 발전소에 서 발생한 CO2를 MH층에 주입하고 고정시키면서 메
Steering Committee Meeting Project Leader Shoichi Tanaka Group leader
Secretariat (JNOC)
Research Group for Production Method and
Modeling (AIST)
Research Group for Environment Impact
(ENAA) Research Group for
Resources Assessment (JNOC)
그림 2. 일본 MH21(메탄 하이드레이트 자원 개발 연구
컨소시움) 조직도.
탄을 발생시키고 이 메탄을 화력발전소로 순환시키는 구조였다. 이런 이야기를 들으며 이런 대규모 컨소시 움에서 대학이 가질 수 있는 위치에 관해 생각해 보게 되었는데 경직된 다른 조직에서 제공하지 못하는 이 런 참신한 아이디어를 제공할 수 있기 때문에 MH21 에서도 대학들의 참여를 유도한 것으로 생각되었다.
도쿄에서는 도쿄대학교 외에도 많은 곳을 방문하였 는데 앞서 언급한 JOE 이외에도 JOGMEC을 탐방했 다. JOGMEC은 일본 경제 산업성의 산하 법인 기관 인 동시에 AIST, ENAA(Engineering Advancement Association, 환경 영향 평가 그룹)와 더불어 MH21 을 주관하는 기관으로 자원량 평가와 채굴에 관련된 기술 연구와 더불어 컨소시엄의 총체적인 관리를 맡 고 있었다. JOGMEC에서는 MH21 계획에 관련된 안 내를 받게 되었다[그림 3]. MH21은 앞에서 언급한 것처럼 3단계로 이루어져 있으며 1단계에서는 일본 근해의 MH 매장 지역 부존량 평가, 2단계에서는 생 산 수법 개발, 3단계에서는 실질적 상업 생산이 계획 되어 있다. JOGMEC에서는 실질적으로 MH21을 이 끌어가고 있었기 때문에 MH21의 계획과 관련된 여 러 이야기를 들을 수 있었는데 일단 예산에 있어서는 연간 500억원에 이르는 예산을 받고 있으며 이 역시
적지 않은 액수이지만 앞으로의 생산 수법 개발 등, 연구의 방향을 생각해볼 때 많이 부족할 것으로 예상 한다고 한다. 그리고 사업 기간 역시 초기 2016년 개 발 완료를 목표로 하고 있던 것에서 2018년으로 2년 이 연장되었으며 추후에 한 두 차례의 기간 연장이 필 요할 것이라는 전망을 듣고 우리나라의 MH 개발 예 산 규모가 연간 300억원 대이고 2015년까지 개발 완 료를 목표로 하고 있는 것에 대한 현실성 여부를 조심 스레 다시 생각해 보게 되었다.
마지막으로 우리가 찾았던 곳은 교토대학교 지질공 학 연구실로 MH 탐사 방법에 대한 부분을 맡고 있는 곳이었다. 이 곳은 현재 가장 활발한 실험과 탐사가 진행되고 있고 향후 MH 생산에 있어서도 유력한 후 보지로 꼽히고 있는 난카이 해구에 대해 연구해오고 있었으며 특이한 점은 연구자가 모두 지질학자였다는 것이었다. 이들은 주로 생성 원리 시뮬레이션과 탐사 방법 연구 이 두 가지 주제에 대해 연구하고 있었는데 먼저 생성 원리 시뮬레이션이란 말 그대로 지층의 변 화를 시뮬레이션해서 MH가 어느 곳에서 생성될 것 인지를 예측하는 것이고 이를 통해 MH 유력 생산 후 보지를 결정하는 것이 가능할 것이라고 한다. 또 탐사 방법에 대해서는 주로 BSR(Bottom Simulating
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
1999 - 2001 Canada onshore Production test (1st)
2003 - 2005 Polar onshore Production test (2nd) 1997 - 2002
MH survey(nankai trough ) Seismic data, etc.
2006 - 2011 Offshore production test (Japanese coastal waters ) Evaluation of economic efficiency 1980 - 2006
Basic research
(exploration, production, formation and decomposition technology, Environmental impact assessment, etc.)
2001 - 2003 Exploratory drilling
Offshore Japan
2005 - 2016 Preparation for commercial Production Overall assessment
(economic efficiency, Environmental impact , etc.)
Selection of A production method Selection of offshore Production test site
2011 - 2016 Phase 3 2001 - 2006
Phase 1
2006 - 2011 Phase 2
2016 Final assessment 2003
Interim assessment
2011 Phase 2 Final assessment 2005
Phase 1 Final assessment
그림 3. MH21 연구 개발 계획.
Reflector)을 사용하며 이 방법 외에 다른 방법들은 해상도나 정확도 측면에서 매우 떨어지기 때문에 BSR을 기반으로 이를 발전시켜 더 정확한 데이터를 얻는 방향으로 연구를 진행하고 있다고 하였다. 연구 자들과 인터뷰하면서 Mallik project에 직접 참여했던 사람을 만날 기회도 있었는데 실제 지층을 직접 관찰 해보고 MH 채취 등을 직접 경험했던 것이 탐사 방법 개발에 새로운 아이디어를 제공하기도 했고 현실성을 많이 감안하게 되어 큰 도움이 되었다는 말을 들을 수 있었다. 인터뷰를 마치고 교토대를 끝으로 우리는 일 본 MH 탐방을 완료했다.
환경 문제와 석유의 고갈로 인해 화석 연료의 중심 은 액체, 고체 연료에서 기체 연료쪽으로 이동하고 있 다. 매장량 역시 다른 자원보다 기체 화석 연료의 매 장량이 우월하기 때문에 수소 경제가 도래하기 이전 까지는 이들이 주 에너지 자원으로 자리잡을 가능성 이 크다. 그 중에서도 MH는 천연가스의 100배에 달 하는 매장량과 타 화석연료보다 청정함으로 인해 전 세계의 주목을 받고 있다. 특히 그 전까지 동북 아시 아에서는 없었던 화석 연료의 확인으로 인해 각국이 개발 의욕을 불태우고 있는데 그 중에서도 일본은 80 년대부터 시작된 연구를 기반으로 2001년 MH21 컨
소시움을 구성하고 해마다 엄청난 예산을 지원하여 적극적으로 개발을 추진하고 있다. MH21은 자원량 평가 그룹, 생산 수법 개발 그룹, 환경 영향 평가 그룹 으로 나뉘어 있으며 각각 JOGMEC, AIST, ENAA 가 그룹을 담당하며 다른 여러 기관들이 수직적인 관 계가 아닌 수평적인 관계 하에서 의견을 조율하고 기 획하며 연구를 수행해오고 있다. 또한 정부 출연 연구 소나 대학교 뿐만 아니라 일반 기업들의 참여도 활발 한 상태로 기업들의 능동적 참여를 지속적으로 유도 하고 있다. 이로 인해 일본은 러시아나 미국에 많이 뒤져있던 연구 수준을 끌어올릴 수 있었고 상용화에 있어서는 오히려 다른 어느 나라보다도 앞서있다고 할 수 있을 정도로 오른 상태인데 이는 향후 전 세계 를 대상으로 한 MH 개발에 일본이 가장 많은 영향을 미칠 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 더 늦기 전에 MH 연구를 시작한 우리도 좀더 많은 지원과 해외 연 구의 공동 참여를 통해서 MH 상용화에 박차를 가해 야 할 것이다. 또한 정부는 기업들의 능동적 참여를 유도할 수 있는 방법을 마련하고 각 기관 간의 교류를 장려하여 연구의 중복을 막고 효율적으로 진행할 수 있는 바탕을 만들어 줄 필요가 있다.
