[기획특집 - 이산화탄소 저장기술] 이산화탄소 저장 기술의 현황 및 전망

기획특집 이산화탄소 저장기술^－

이산화탄소 저장 기술의 현황 및 전망

김 준 모 서울대학교 지구환경과학부

Status and Prospect of Carbon Dioxide Storage Technologies

Jun-Mo Kim

School of Earth and Environmental Sciences, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea

Abstract: 지구온난화 방지를 위한 기후변화협약의 이행 수단인 교토의정서가 2005년 2월부터 발효되면서 지구온난화 는 환경 문제인 동시에 경제 문제로 부각되고 있다. 이에 최근에는 이산화탄소 포집 및 저장 기술이 매우 유망한 기후 변화 대응 기술로서 각광을 받고 있다. 따라서 본 논문에서는 이산화탄소 포집 및 저장 기술 중에서 이산화탄소 저장 기술, 특히 지중 저장 기술의 개요, 연구개발 현황 및 향후 전망 등에 대해 기술하였다.

Keywords: carbon dioxide storage, ocean storage, mineral carbonation, geologic storage, trapping mechanisms for geologic storage, key technologies for geologic storage

1. 서 론¹⁾

점점 뜨거워지는 지구, 극심한 가뭄과 홍수, 전 세계적으로 증가하고 있는 심각한 기상재 해들, 그 원인은 지구온난화(global warming) 에서 비롯된다. 지구는 태양으로부터 막대한 양의 에너지를 받고 다시 적외선 형태로 열에 너지를 우주로 방출해 에너지 균형을 유지하 고 있다. 이 때 우주 공간으로 되돌아가려는 에너지의 일부를 대기 중에 저장하는 역할을 하 는 것이 온실가스이며, 이산화탄소(CO2), 메탄 (CH4), 아산화질소(N2O), 수소불화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs) 및 육불화황(SF6) 등이 대 표적인 6대 온실가스(greenhouse gas, GHG) 에 속한다. 이 중에서도 지구온난화를 야기시 키는 주범은 바로 이산화탄소이다. 산업혁명 이후 석유, 석탄과 같은 화석 연료(fossil fuel) 의 사용이 증가하면서 대기 중에 이산화탄소 가 급격히 증가해 지구의 온도를 상승시키고 있는 것이다. 이렇게 지구가 더워지면서 전 세

저자 (E-mail: [email protected])

계에서는 각종 기상 이변이 속출하고 있다. 지 난 30년간 북극에는 우리나라 면적의 30분의 1에 해당하는 큰 빙산이 사라졌고, 지난 100년 간 지구의 해수면은 10∼25 cm 정도 높아졌 으며, 이로 인해 남태평양의 조그만 섬나라인 투발루는 국토를 포기하고 2002년부터 뉴질랜 드로 이주를 시작하였다. 이러한 지구온난화 현상은 21세기 중에 평균 기온 5.8 ℃, 해수면 88 cm의 상승을 가져올 것이라는 충격적인 연 구 결과도 발표되고 있다(http://unfccc.int).

이러한 변화는 식량 공급, 수자원 공급, 인류 의 건강 등 생태계와 사회 복지 분야에 걸쳐 심각한 재앙을 초래할 것이다.

지구온난화에 대한 국제적 대응 방안을 모 색하기 위해 세계 각국의 지도자들은 1992년 6월 브라질 리우에 모여 기후변화협약(United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)을 체결하였다. 이 기후변 화협약의 핵심은 온실가스인 이산화탄소의 감축 이며 협약 내용은 1994년 3월에 발효되었다. 현 재까지 186개국이 가입했으며 우리나라는 1993

년 12월에 47번째로 가입하였다. 그러나 협약 상의 감축 의무만으로는 구속력이 없음을 인 식하고 1997년 12월 선진국들의 보다 강력하 고 법적 구속력이 있는 온실가스 감축 목표를 설정한 교토의정서(Kyoto Protocol)를 채택하 게 되었으며 의정서 내용은 2005년 2월에 발 효되었다. 현재 개발도상국으로 분류된 우리나 라는 교토의정서에 따른 온실가스 감축 의무 는 부담하고 있지 않지만, 1990년대 이산화탄 소 배출량 세계 9위, 이산화탄소 배출 증가율 세계 1위 국가이다. 이에 따라 선진국으로부터 이산화탄소 배출량 규제에 적극 동참할 것을 요구받고 있는 상황에서 2002년 10월 교토의 정서를 국회에서 비준한 바 있으며 멀지 않은 장래에 이러한 국제적인 요구를 수용할 수밖 에 없는 것이 현실이다.

선진 각국은 자국의 지속 가능한 발전을 추 구함과 동시에 기후변화협약과 교토의정서에 도 대응하기 위하여 혁신적인 에너지 기술(in- novative energy technologies) 개발 위주의 종 합 대책을 마련하고 이에 박차를 가하고 있다.

미국은 CCRI (Climate Change Research Initiative), CCTI (Climate Change Technol- ogy Initiative) 및 Vision 21 등의 기술개발 프로그램을 통해 자국의 해외 산업 진출과 이 산화탄소 감축 목표량 달성이라는 윈윈 전략을 세우고 있다. 유럽연합은 CARNOT, SAVE 및 ALTENER (Alternative Energy) 등의 기술 개발 프로그램을 통해 지속 가능한 개발을 위 한 대응 전략과 환경 활동 정책을 통해 에너 지 효율을 높이고 온실가스를 감축할 수 있는 방안을 적극적으로 추진하고 있다. 일본은 New Sunshine, GWRI (Global Warming Re- search Initiative) 및 Cool Earth 50 Project 등의 기술개발 프로그램을 통해 지구온난화 방지를 위한 근거법을 제정하고 총리실 산하 에 지구온난화 방지 본부를 설치하였다. 기후 변화협약 당사국이며 향후 의무 감축 대상국 이 될 우리나라에서도 현재 범부처가 참여하 는 기후변화협약 대책 위원회를 설치하고 에

너지 저소비형 산업 구조 구축과 온실가스 감 축 부담 협상 전략을 위한 종합 대책을 추진 하고 있다.

기후변화협약과 교토의정서가 요구하고 있 는 것은 한마디로 화석연료의 사용을 줄이거 나 이산화탄소 등의 6대 온실가스를 배출하지 말라는 것이다. 그 영향으로는 산업 활동의 위 축과 그에 따른 GDP 감소가 예상되고 있다.

특히 이산화탄소 배출권(emission credit)을 상 품처럼 사고 팔 수 있는 유연성 체제가 도입 된 교토의정서의 채택과 함께 지구온난화는 환경 문제인 동시에 경제 문제로 부각되고 있 다. 이는 교토의정서의 내용을 수용하기 위해 서는 자국의 산업 경쟁력과 경제 활동 보호를 위한 혁신적인 에너지 기술의 확보가 필요하 기 때문이다. 따라서 에너지 다소비 산업 구조 를 가지고 있는 우리나라의 경우에 혁신적인 에너지 기술 개발은 국가의 지속 가능한 발전 을 위한 필수적 요소로서 산업의 경쟁력 향상 과 경제 발전에 크게 기여할 것이다.

이러한 혁신적인 에너지 기술은 크게 (1) 화석연료 이용 효율 향상 및 절약 기술, (2) 온실가스 제어 및 이용 기술, (3) 대체(신재 생)에너지 개발 및 청정에너지 이용 기술 및 (4) 이산화탄소 포집 및 저장 기술(carbon di- oxide capture and storage, CCS technologies) 로 나누어진다. 이중에서 이산화탄소 포집 및 저장 기술은 철강, 석유화학, 화력발전 및 시 멘트 등 에너지 소비가 큰 산업 분야에 적용 이 가능해 향후 우리나라에 이산화탄소 의무 감축이 적용될 경우 경제적 부담을 최소화하 는 데 크게 기여할 수 있다.

2. 이산화탄소 저장 기술

이산화탄소 포집 및 저장 기술 중에서 이산 화탄소 저장 기술로는 해양 저장 기술(ocean storage technology), 광물 탄산염화 기술(mi- neral carbonation technology) 및 지중 저장

기술(geologic storage technology) 등이 있다.

해양 저장 기술은 기체, 액체, 고체 또는 수 화물(hydrate) 상태로 이산화탄소를 해양이나 해저 바닥에 저장하는 기술이다. 그러나 이산 화탄소의 해양 주입은 해양 생태계를 비교적 빠른 속도로 파괴시키는 것으로 알려지고 있 다. 또한 해양 자체가 열린 계(open system) 로서 대기와 함께 탄소 순환(carbon cycle)을 형성하기 때문에 주입된 이산화탄소의 장기적 이고 안정적인 해양 내 저장을 보장할 수가 없다. 이러한 이유로 해양 저장 기술은 아직까 지 본격적으로 시도되지는 못하고 있는 실정 이다.

광물 탄산염화 기술은 이산화탄소를 주로 칼슘과 마그네슘 등의 금속 산화물(metal ox- ide)과 화학적으로 반응시켜서 불용해성의 탄 산염 광물(carbonate mineral) 상태로 이산화 탄소를 저장하는 기술이다. 그러나 이러한 화 학 반응은 그 반응 속도가 너무나 느리고 많 은 양의 반응 에너지가 필요하다. 또한 탄산염 광물의 저장과 처리 자체가 새로운 환경 문제 를 야기 시킬 수 있다. 이러한 이유로 광물 탄 산염화 기술은 아직까지는 미숙한 기술(im- mature technology)로 평가받고 있는 실정이다.

지중 저장 기술은 육상이나 해저에서 750~

1000 m 심도에 존재하는 적합한 지층(geolo- gic formation)에 이산화탄소를 저장하는 기술 이다. 이러한 심도에 주입된 이산화탄소는 초 임계 유체(supercritical fluid) 상태로 존재하 기 때문에 거동이 매우 느리고 그 사이에 주 변 지층이나 지중 유체(geofluid)와 반응하여 고착 또는 용해된다. 이러한 의미에서 지중 저 장 기술을 지중 격리 기술(geologic sequestra- tion technology)로 부르기도 한다.

이와 같은 이산화탄소 지중 저장 기술은 이 미 1996년부터 미국과 캐나다 그리고 유럽연 합을 비롯한 선진국에서 석유 및 천연가스 개 발 사업과 연계하여 활발히 개발⋅적용되고 있는 실정이다[1-4]. 이는 이산화탄소의 지중 저장이 석유 및 천연가스 회수 증진(enhanced

oil and gas recovery, EOR and EGR) 및 석 탄층 메탄가스 회수 증진(enhanced coal bed methane recovery, ECBMR) 등과 같은 부가 가치 효과(value-added effect)도 가지고 있기 때문이다. 이러한 이유로 현재까지는 세 가지 이산화탄소 저장 기술 중에서 지중 저장 기술 이 과학⋅기술적 측면에서도 가장 효과적일 뿐만 아니라 경제⋅산업적 측면에서도 가장 우수한 기술로 평가받고 있는 실정이다.

3. 이산화탄소 지중 저장 대상 지층

이산화탄소의 지중 저장에 적합한 지층은 장기적으로 안정하고 높은 주입 능력(injection capacity), 저장 능력(storage capacity) 및 밀 봉 능력(seal capacity)을 동시에 가지고 있어 야 한다. 현재 전 세계적으로 이산화탄소 지중 저장이 실제로 가장 많이 이루어지고 있는 지 층으로는 (1) 대염수층(saline/brine water for- mations or aquifers) (예, Utsira sandstone formation in Statoil’s Sleipner Oil Field at the North Sea for Saline Aquifer Carbon Dioxide Storage, SACS Project) (Figure 1에 서 3a 및 3b 참조), (2) 석유⋅가스층(oil and gas reservoirs) (예, Chevron's Rangely Weber Oil Field in Colorado for CO2-EOR Project) (Figure 1에서 1 및 2 참조) 및 (3) 석탄층 (coal beds and seams) (예, Burlington's Allison Unit and British Petroleum Amoco's Tiffany Unit in the northern San Juan Basin in New Mexico for CO2-N2-ECBMR Project) (Figure 1에서 4 참조) 등이 있다. 이러한 3대 이산화 탄소 지중 저장 대상 지층(target or potential geologic formations) 외에도 현무암(basalt), 석유질 셰일(oil-rich shale), 암염굴(rock salt caverns) 및 폐광산(abandoned mines) 등에 이산화탄소를 저장하기도 한다.

지금까지 평가된 대염수층, 석유⋅가스층 및 석탄층의 전 세계적인 잠재 저장 능력(world-

Figure 1. 3대 이산화탄소 지중 저장 대상 지층 내 이산화탄소 저장 방법 개략도[4].

wide potential storage capacity)은 각각 100s

∼1000s GtC, 100s GtC 및 10s∼100s GtC (GtC = billion metric tons of carbon equiv- alent)이다. 특히 이 중에서 대염수층의 저장 능력은 가장 큰 이산화탄소 저장소인 해양의 저장 능력 1000s GtC에 육박한다. 참고로 2005년 현재 전 세계의 연간 이산화탄소 배출 량은 약 7 GtC이다. 그러나 지층의 이산화탄 소 밀봉 능력은 이러한 저장 능력에 반드시 비례하지 않으며, 저장 능력 외에 지층의 심 도, 지층의 구조, 지층의 광물학적 및 지구화 학적 특성, 불연속면(예, 균열, 절리, 단층)의 발달 정도와 상태, 지하수의 지구화학적 특성, 지층에 작용하는 지열 및 지구조적 응력 등 수많은 요인에 의해 좌우된다.

4. 이산화탄소 지중 저장 기작

지하수, 석유 및 천연가스와 같은 지중 유체 의 추출 및 방사성 폐기물의 지하 처분과 마 찬가지로 이산화탄소 및 메탄과 같은 온실가 스의 지중 주입(geologic injection)에 의해 동 시에 발생하는 네 가지 현상, 즉 (1) 다상 지

중 유체의 수리학적 유동(hydrological flow of multi-phase geofluids), (2) 지질 매체의 역학 적 변형(mechanical deformation of geologic media), (3) 지열 에너지의 열적 이동(ther- mal transport of geothermal heat energy) 및 (4) 지중 유체와 지질 매체 간의 화학적 반응 과 이동(chemical reaction and transport be- tween geofluids and geologic media)은 잘 알 려진 일련의 완전 연동된 열-수리-역학적-화학 적 현상(fully coupled thermo-hydro-mechan- ical-chemical, T-H-M-C phenomena)이다.

이는 지하 환경에서 이들 지중 유체가 공간 적으로 각각 고립되어 존재하는 것이 아니라 고체인 지질 매체(geologic medium or solid skeleton), 즉 지반 내에 발달된 일차 및 이차 공극을 완전히 또는 부분적으로 충진하는 형 태로 존재하면서 이들 지중 유체와 지질 매체 가 본질적으로 하나의 열-수리-역학적-화학적 시스템(T-H-M-C system)을 형성함을 의미 하는 것이다. 따라서 수리학적 응력으로 작용 하는 이산화탄소의 지중 주입은 본질적으로 다상 유체 유동 영역(hydrological multi-phase fluid flow field), 지질 매체 변형 영역(mech- anical solid skeleton deformation field), 열 이

Figure 2. 이산화탄소의 지중 주입에 의해 발생하는 완전 연동된 열-수리-역학적-화학적 상호 작용 및 이 산화탄소의 지중 격리 기작도.

동 영역(thermal heat transport field), 그리고 반응성 이동 영역(chemical reactive transport field) 사이에 일련의 다양한 열-수리-역학적- 화학적 상호 작용(T-H-M-C interaction)을 유 발시킨다. 그리고 이러한 열-수리-역학적-화학 적 상호 작용은 내외연적으로(implicitly and explicitly), 즉 완전히 연동된 방식(fully coupled manner)으로 발생하게 된다 (Figure 2의 좌측 참조). Figure 2 좌측의 열-수리-역학적-화학적 상호 작용에서 실선 화살표는 외연적 연동을, 점선 화살표는 내연적 연동을 의미한다.

이와 같이 완전히 연동된 열-수리-역학적- 화학적 상호 작용의 원리가 이산화탄소 지중 저장 또는 격리의 기본적인 전제이자 핵심인 것이다. 즉 압축된 상태로 지질 매체 내에 주 입된 이산화탄소는 크게 이동(migration)과 격 리(sequestration)라는 두 가지 유형의 상호 경쟁적인 과정(inter-competing process)을 거

치게 된다(Figure 2의 우측 참조). 일단 심도 750∼1000 m에 주입된 이산화탄소는 초임계 유체 상태로 기존의 지중 유체와 대부분 비혼 합상(immiscible phase)을 이루면서 체적 전위 (volume displacement), 중력 분리(gravity segregation) 및 점성 운지(viscosity finger- ing) 등에 의해서 궁극적으로 지표를 향해 상 부로 이동한다. 이러한 과정에서 불투성의 덮 개암(cap rock)이나 준대수층(aquitard or con- fining layer)을 만나면 그 하부에 기체, 액체 또는 초임계 유체 상태로 축적되는데 이를 수 리동역학 포획(hydrodynamic trapping), 구조 포획(structural trapping), 잔류 포획(residual trapping) 또는 물리적 포획(physical trap- ping)이라고 한다. 한편 이동 중인 이산화탄소 의 일부는 화학적으로 비교적 느린 속도로 지 중 유체에 용해되거나, 지질 매체와 침전 또는 흡착 등과 같은 화학적 반응을 하게 된다. 이

경우 전자를 수성 포획(aqueous trapping) 또 는 용해 포획(solubility trapping), 후자를 광 물 포획(mineral trapping)이라고 한다. 그리 고 마지막으로 미생물의 활동에 의한 미생물 포획(microbial trapping)이 있으며 이는 궁극 적으로 광물 포획으로 연결되기도 한다. 이 세 가지 포획을 전자의 물리적 포획에 대비되는 의미에서 총체적으로 화학적 포획(chemical trapping)이라고 부르기도 한다. 이러한 네 가 지 형태의 포획 과정을 거치면서 이산화탄소 의 지중 저장 또는 격리가 완성되는 것이다.

이와 같은 네 가지 형태의 포획 기작(trapping mechanism)의 시⋅공간적인 경로와 상대적인 중요성은 이산화탄소가 주입⋅저장되는 지질 매체(지층)의 다양한 지질학적, 수리지질학적, 지구화학적, 역학적 및 열적 특성에 좌우된다.

5. 이산화탄소 지중 저장 요소 기술

정부간기후변화위원회(Intergovernmental Panel for Climate Change, IPCC)의 이산화탄 소 포집 및 저장에 대한 2005년 특별보고서 [4]에 의하면 이산화탄소 지중 저장 또는 지 중 격리에 필요한 6대 요소 기술(key or core technology)은 다음과 같이 정의될 수 있다.

지층 특성화 및 평가 기술(요소 기술 1)은 각종 지질 자료를 데이터베이스(data base)화 하여 이를 분석함으로써 지질학적 및 지화학 적으로 지중 저장에 유리한 지층을 선정하고 그 특성과 저장 능력(공극률, 흡착, 반응 및 용해도 등) 및 밀봉 능력 등을 평가하는 기술 이다.

시추 및 주입 기술(요소 기술 2)은 지하 수 km 깊이의 지중 저장 대상 지층까지 장심도 시추공을 안정적으로 시추하고 가압 장치 등 의 주입 시설을 이용하여 효과적이고 안정적 으로 이산화탄소를 주입하기 위한 기술로서 고압 주입을 위한 지상 설비의 설계와 운용, 주입 기간 동안 주입정을 통한 누출 방지 등

을 실현하기 위한 기술이다.

거동 예측 또는 수치 모델링 기술(요소 기 술 3)은 이산화탄소 지중 저장에 의한 지하수 와 이산화탄소 유동, 화학⋅오염물질 반응성 이동, 지열 이동 및 지반 변형은 물론 구조 포 획, 잔류 포획, 용해 포획 및 광물 포획 등과 같은 다양한 포획 기작을 열-수리-역학적-화 학적 수치 모델(T-H-M-C numerical model) 을 이용하여 통합적으로 예측⋅분석하는 기술 이다. 지하 환경에 이러한 수치 모델을 적용하 여 주입 이후의 변화를 미리 분석함으로써 최 적의 지중 저장 시스템을 설계하고 환경 영향 에 대비한 대안을 제시할 수 있다.

거동 관측 기술(요소 기술 4)은 심부 지층 에 대한 시료 채취의 어려움을 극복하기 위하 여 지구물리학적 탐사 기법인 자기전류(ma- gnetotelluric, MT), 탄성파(seismic), 전기비저 항(electric resistivity), 전자(electronic), 전자 기(electromagnetic, EM) 및 지하투과레이더 (ground penetrating radar, GPR) 등의 지구 물리 탐사 기법과 다양한 수리지질학적 및 수 리지구화학적 관측 기법을 이용하여 지중 주 입⋅저장된 이산화탄소의 거동을 관측하기 위 한 기술이다.

환경 영향 평가 기술(요소 기술 5)은 주입 된 이산화탄소의 누출 특성을 분석하여 지중 주입된 이산화탄소의 누출이 지하 및 지표 생 태계에 미치는 영향(pH 변화 등)을 예측하고 그 결과를 환경 친화적인 지중 저장 시스템의 설계에 적용하기 위한 기술이다.

사후 또는 폐쇄후 관리 기술(요소 기술 6) 은 주입 완료 후 지상으로의 누출 경로화 할 가능성이 가장 큰 주입정 및 관측정의 안정적 인 폐쇄와 모니터링을 통하여 이산화탄소 지 중 저장의 장기적인 안정성을 제고하기 위한 기술이다.

특히 이중에서 거동 예측 기술, 거동 관측 기 술, 환경 영향 평가 기술 및 사후 관리 기술 등 은 감시⋅저감⋅검증(monitoring, mitigation, and verification, MMV) 기술로 분류되기도 한다.

Figure 3. 2005년 현재 진행 중이거나 계획 중인 이산화탄소 지중 저장 프로젝트 위치도[4].

6. 국외 이산화탄소 지중 저장 프로젝트 현황

미국, 일본, 유럽 등 기술선진국에서는 유전 및 가스전을 보유하고 있는 다국적 자원 개발 기업의 주도로 2005년 현재 6개의 상업용 지 중 저장 프로젝트(Sleipner, Weyburn, In Salah, Salt Creek, Snohvit, Gorgon)와 12개의 현장 실증 파일럿용 또는 데모용 지중 저장 프로젝 트가 진행 또는 계획 중에 있다(Figure 3, Table 1, Table 2). 아울러 이러한 이산화탄소 지중 저장 프로젝트에 발맞추어 이들 국가 및 다국적 기업의 지원을 받는 대학교 및 연구소 에서 실내외 실험, 탐사, 관측 및 수치 모델링 을 비롯한 다양한 학술적 연구를 진행하고 있 는 실정이다.

6개의 상업용 이산화탄소 지중 저장 프로젝 트의 총주입량은 2005년 현재 연간 약 600만 톤 규모이며, 2009년에는 연간 약 1,000만 톤 까지 증가될 것으로 예상된다. 그리고 전체 18 개 이산화탄소 지중 저장 프로젝트 중에서 16 개가 육상 지층을 대상으로 하고 있으며, 8개 가 대염수층을 대상으로 하고 있다. 이들 8개 의 대염수층을 대상으로 하는 이산화탄소 지

중 저장 프로젝트는 Sleipner, Snohvit, Gorgon 을 제외하면 대부분 연간 10만 톤 미만의 현 장 실증 파일럿용 또는 데모용이다.

현재 진행되고 있는 상업용 규모의 대용량 지중 저장은 Statoil (Sleipner, In Salah), British Petroleum (In Salah) 및 EnCana (Weyburn) 등 다국적 자원 개발 기업들에 의 해서 이루어지고 있는데 이 기업들은 자원 탐 사에서 사용해 온 지구물리 탐사 기법인 4-D 탄성파 탐사, 중력탐사, 시추공간(crosswell) 탄성파 및 관정 탐사 등 심부 탐사에 필요한 첨단 장비와 운영 인력 그리고 오랜 경험을 바탕으로 한 최고의 기술력을 보유하고 있다.

미국 Lawrence Berkeley National Labora- tory (LBNL)에서는 일련의 열-수리-역학적- 화학적 수치 모델들을 개발하여 지중 저장된 이산화탄소의 거동 예측에 활용하고 있다. 또 한 LBNL은 지구물리 탐사에 관한 오랜 경험 을 바탕으로 Frio 등 미국에서 진행되는 지중 저장 연구 프로젝트에서 이산화탄소 거동 관 측을 담당하고 있으며 특히 심부 지층 내 시 료 채취 기구인 U-tube를 개발하여 지하의 고 온고압 조건에 존재하는 공극 시료의 채취에 활용하는 첨단 기술을 보유하고 있다.

Table 1. 2005년 현재 진행 중인 이산화탄소 지중 저장 프로젝트 개요[4]

프로젝트명 국가 주관기관 주입 개시

연도

평균 일주입량 (CO2 ton/day)

계획 총주입량 (CO2 ton)

지중 저장 대상 지층 Sleipner 노르웨이 Statoil, IEA 1996 3,000 20,000,000 대염수층 Weyburn 캐나다 EnCana, IEA 2000 3,000~5,000 20,000,000 석유층 Minami-

Nagaoka 일본 RITE 2002 최대 40 10,000 대염수층

Yubari 일본 METI 2004 10 200 석탄층

In Salah 알제리아 Sonatrach, BP, Statoil 2004 3,000~4,000 17,000,000 석유층 Frio 미국 University of Texas

at Austin 2004 177 1,600 대염수층

K12B 네덜란드 Gaz de France 2004 100~1,000 8,000,000 가스층 Fenn Big

Valley 캐나다 Alberta Research

Council 1998 50 200 석탄층

Recopol 폴란드 TNO-NITG (네덜란드) 2003 1 10 석탄층

Qinshui Basin 중국 Alberta Research

Council 2003 30 150 석탄층

Salt Creek 미국 Anadarko 2004 5,000~6,000 27,000,000 석유층

Table 2. 2005년 현재 계획 중인 이산화탄소 지중 저장 프로젝트 개요[4]

프로젝트명 국가 주관기관 주입 개시

연도

평균 일주입량 (CO2 ton/day)

계획 총주입량 (CO2 ton)

지중 저장 대상 지층

Snohvit 노르웨이 Statoil 2006 2,000 미정 대염수층

Gorgon 호주 Chevron 2009 10,000 미정 대염수층

Ketzin 독일 GFZ Potsdam 2006 100 60,000 대염수층

Otway 호주 CO2CRC 2005 160 100,000 대염수층

가스층

Teapot Dome 미국 RMOTC 2006 170 10,000 대염수층

석유층

CSEMP 캐나다 Suncor Energy 2005 50 10,000 석탄층

Pembina 캐나다 Penn West 2005 50 50,000 석유층

미국 대학교에서 수행되고 있는 지중 저장 관련 프로젝트로는 프린스턴대학교(Princeton University)의 CMI (Carbon Mitigation Initia- tive)와 텍사스주립대학교(University of Texas at Austin)의 Frio 2 Brine Test가 있다. 프린 스턴대학교에서는 캐나다 앨버타 주의 지질조 사국과 공동으로 앨버타 주의 폐유전을 대상 으로 이산화탄소 지중 저장 현장 실증 실험을 계획 중이며, Frio 2 Brine Test의 경우 2004 년 10월에 9일 동안 약 1,600 톤의 이산화탄소

를 주입하는 파일럿 실험을 완료하였다.

일본의 국가연구소인 지구환경산업기술연구 기구(Research Institute of Innovative Tech- nology for the Earth, RITE)와 교토대학교 (Kyoto University)는 일본에서의 지중 저장 연구를 주도하고 있는데, 일본 최초의 지중 저 장 현장 실증 실험을 나가오카에서 수행한 바 있다. 현장 실증 실험 이외에 RITE는 초임계 이산화탄소의 거동 및 반응 실험에 관하여 세 계 최고의 기술력과 연구 경험을 보유하고 있

다. 고온고압 환경을 구현한 압력 셀을 독자 개발하여 지중 저장 대상이 되는 사암 코어 내에서의 이산화탄소 거동을 탄성파를 이용하 여 탐사하는 실험, 초임계 이산화탄소의 물성 과 반응 실험 및 지중 저장이 완료된 후 폐공 의 재료로 사용되는 콘크리트와 이산화탄소와 의 반응에 의한 부식 실험 등을 수행하고 있다.

7. 국내 이산화탄소 지중 저장 연구개발 현황

국내에서는 교육과학기술부 21세기 프론티 어 연구개발 사업의 일환인 이산화탄소 저감 및 처리 기술개발 사업단(Carbon Dioxide Re- duction and Sequestration, CDRS R&D Center, http://www.cdrs.re.kr)에서 2005년부터 이산 화탄소 지중 저장 요소 기술 개발과 관련하여 세 개의 연구개발 과제가 진행 중에 있다. 첫 번째 과제(연구기관: 서울대학교)는 이산화탄 소 지중 저장이 가능한 국내 지층의 특성과 저장 능력을 평가하는 과제로서 현재 국내 지 층에 대한 데이터베이스를 구축하여 분석⋅평 가 중에 있다(Figure 4 참조). 두 번째 과제 (연구기관: 부경대학교)는 지중 주입된 이산 화탄소의 거동을 관측하는 기술과 환경 영향 을 평가하는 기술을 개발⋅적용하는 과제로서 현재 다양한 실내외 실험 수행 중에 있다 (Figure 5 참조). 세 번째 과제(연구기관: 서 울대학교)는 이산화탄소 지중 저장의 최적화 를 도모하기 위한 수치 모델을 개발⋅적용하 는 과제로서 현재 이산화탄소 거동 예측 기술 의 핵심인 열-수리-역학적-화학적 수치 모델 링(T-H-M-C numerical modeling) 기술의 개발을 완료하여 적용 중에 있다(Figure 6 참 조). 이 세 연구개발 과제의 최종 목표는 국내 에서 이산화탄소 지중 저장에 적합한 지층을 선정하여 실제로 이산화탄소를 저장함으로써 개발된 요소 기술들을 실증하여 대용량 이산 화탄소 지중 저장 상용화에 기여하는 것이다.

한편 국토해양부 이산화탄소 해양 처리 기 술개발 사업의 일환으로 한국지질자원연구원 에서 2005년부터 동해 대륙붕 돌고래 가스전 내 이산화탄소 지중 저장을 위한 기반 기술 확보 및 타당성 조사 연구를 수행 중에 있다.

그리고 지식경제부 청정 화력발전 기술과 연 계한 온실가스 처리 시스템 구축 사업의 일환으 로 한국지질자원연구원에서 2007년부터 CSLF (Carbon Sequestration Leadership Forum)의 국제 공동 이산화탄소 지중 저장 현장 실증 프로젝트에 참여하여 국제 연구 동향을 파악 중에 있다.

8. 결 론

앞에서 언급한 것처럼 이산화탄소 저장 기 술 중에서 지중 저장 기술이 과학⋅기술적 측 면에서도 가장 효과적일 뿐만 아니라 경제⋅

산업적 측면에서도 가장 우수한 기술로 평가받 고 있는 실정이다. 그러나 이러한 이산화탄소 지중 저장은 질식가스(suffocation gas)로서의 이산화탄소 지표 유출에 의한 인간과 생태계 위협, 대수층 교란 및 지하수 자원 고갈, 중금속 이나 기타 오염 물질의 유동성 증대로 인한 토 양 및 지하수 오염, 지반 융기, 지진 유도 및 기 체 수화물(gas hydrate) 자극 등과 같은 일련의 부작용(adverse effect)을 야기할 수 있다.

따라서 이러한 잠재적 위험성(potential risk) 에 대한 사회적 우려(social concern)를 해소 하고 일반 대중의 공감대(public perception or acceptance)를 형성하기 위해서는 최소 100년 이상의 장기간에 걸쳐 안전한 최적의 이산화 탄소 주입 위치 선정, 환경 친화적인 이산화탄 소 지중 주입 기법 고안 및 지속 가능한 이산 화탄소 주입량 산정 등의 합리적이고 체계적 인 이산화탄소 지중 저장 방안의 제시가 절실 히 요구된다.

그러므로 향후 이산화탄소 의무 감축에 대 비함은 물론 이산화탄소 지중 저장의 안정화,

Figure 4. 지층 특성화 및 평가 기술(요소 기술 1)을 이용한 이산화탄소 저장에 적합한 국내 지층의 특성 및 저장 능력 데이터베이스 구축 사례.

Figure 5. 전기비저항 탐사 기술(요소 기술 4)을 이용한 국내 천부 대수층 내 이산화탄소의 거동 관측 사례.

Figure 6. 열-수리-역학적 수치 모델링 기술(요소 기술 3)을 이용한 이산화탄소 저장에 적합한 국내 심부 지층에 주입된 이산화탄소의 거동 예측 사례: (a) 이산화탄소의 포화도, (b) 이산화탄소의 상, (c) 지하수 에 용해된 이산화탄소의 질량 분율, (d) 지질 매체의 변형.

최적화 내지는 개선 기법 제시 및 비용 절감 과 이산화탄소 지중 저장의 부가가치 효과의 향상을 위해서도 국내 이산화탄소 지중 저장 요소 기술 개발 및 현장 실증이 매우 시급한 상황이다.

감사의 글

본 연구는 교육과학기술부의 21세기 프론티 어 연구개발 사업인 이산화탄소 저감 및 처리 기술개발 사업단의 연구비 지원에 의해 수행 되었습니다.

참 고 문 헌

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4. B. Metz, O. Davidson, H. C. de Coninck, M. Loos, and L. A. Meyer (editor), IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage, Cambridge Univer- sity Press, Cambridge (2005).

% 저 자 소 개

김 준 모

1988 서울대학교 지질과학과 학사

1990 서울대학교 지질과학과 석사

1996 Pennsylvania State University, Department of Geosciences, 박사

1996∼1997 Pennsylvania State University, Department of Geosciences, Research Associate 1997∼현재 서울대학교 지구환경과학부

교수