기획특집 이산화탄소 저장기술
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이산화탄소 지중저장의 현재와 미래
왕 수 균
부경대학교 에너지자원공학과
Geological Carbon Sequestration: Now and After
Wang, Sookyun
Department of Energy Resources Engineering, Pukyong National University, Busan 608-737, Korea
Abstract: 지구온난화의 주범으로 알려진 이산화탄소의 대기중 배출 저감은 현 인류가 당면한 가장 시급한 환경 현안 이다. 이를 해결하기 위해 제시된 다양한 기술 중 대규모로 포집된 이산화탄소를 심부의 안정적 지질구조 속으로 주입 하여 장기간 격리하는 이산화탄소 지중저장은 현재까지 알려진 가장 친환경적이고 경제적인 저장 기술이다. 지중저장에 적합한 지질구조로 채굴이 끝난 석유/가스전, 생산중인 석유/가스전, 심부 대염수층, 석탄층, 암염층, 지하 공동 등에 대한 활발한 연구가 이루어지고 있다. 지중주입된 초임계상태의 이산화탄소가 저장지층 내에서 일어나는 자연의 다양한 포획기작으로 인하여 장기간 안정적으로 저장될 수 있음은 현재까지 수행된 다양한 규모의 지중저장 프로젝트에서 입 증되고 있으며, 이러한 지중저장 기술의 발달은 지구온난화 완화를 위한 과학적해법을 제공할 것으로 기대되고 있다.
Keywords: carbon dioxide, geological sequestration, oil/gas reservoirs, deep saline aquifer, trapping mechanisms
1. 서 론
1)
지구 대기 내에 급속도로 축적되는 온실가 스(Greenhouse gas; GHG)는 지속적으로 지 구의 평균온도를 높이고 있으며, 이러한 온난 화 현상은 현재 우리 인류가 당면한 가장 시 급한 환경 문제로 대두되고 있다. 이산화탄소 (CO 2 ), 메탄(CH 4 ), 아산화질소(N 2 O), 수소불 화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs) 및 육불화 황(SF 6 ) 등 대기 중으로 배출되는 온실가스 중 이산화탄소는 그 방대한 배출 규모 때문에 온난화의 주범으로 지목되고 있으며, 이산화탄 소 배출의 가장 주요한 원인은 산업혁명 이후 급속하게 증가된 화석연료의 사용으로 알려져 있다[1]. 따라서 재생가능한 청정에너지 시대 로의 전환 이전까지 다양한 발생원으로부터 배출되는 이산화탄소의 저감과 발생된 이산화
저자 (E-mail: sookyun@pknu.ac.k)
탄소에 대한 안전한 처리는 단순한 환경 문제 가 아닌 시급한 사회․정치․경제적 현안으로 떠올랐으며, 그 해결책으로 지중저장(Geologi- cal sequestration), 해양저장(Ocean sequestra- tion), 탄산염광물화(Mineral carbonation), 산 업적 활용(Industrial utilization) 등 다양한 이 산화탄소 처리 기법이 제안되고 활발한 연구 가 진행되고 있다.
산업혁명 이전까지 대기와 해양의 이산화탄
소는 거의 평형상태를 유지하고 있었다. 이후
대기중 이산화탄소의 배출이 급증함에 따라
이 평형상태가 깨지면서 해양은 현재 인류가
배출하는 이산화탄소의 절반 정도를 흡수하고
있으며[2], 궁극적으로는 대기중에 축적된 이
산화탄소의 대부분이 해양으로 흡수되어 평형
을 되찾을 것으로 예상되고 있다. 해양저장은
이러한 자연의 평형기작을 인위적으로 가속시
키기 위한 기술로서, 대규모로 포집된 이산화
탄소를 해양 심층수 내로 분사하거나 해저면
에 주입하여 장기간 격리시키는 방법이다. 그 러나 이러한 해양저장은 이산화탄소 용해가 수반하는 해수의 산성화와 액체상 이산화탄소 의 심해저 축적이 해양생태계에 미칠 수 있는 환경적 영향에 대한 우려 때문에 실내실험 단 계 이상으로 진전되지 못하고 있다.
탄산염광물화는 이산화탄소를 주로 칼슘과 마그네슘 등의 금속 산화물과 화학적으로 반 응시킴으로서 불용성의 탄산염 광물 상태로 이산화탄소를 영구적으로 고정화하는 기술이 다. 그러나 자연상태에서의 무기탄산염화 반응 은 속도가 매우 느리기 때문에 비실용적이며, 적절한 반응속도를 가지는 광물화 반응을 유 도하기 위해서는 반응물에 매우 높은 에너지 가 첨가되거나 반응 과정에서 높은 에너지를 형성시킬 수 있으며 재활용 가능한 촉매제가 추가되어야만 한다. 또한 탄산염 광물화 공정 을 위한 광물의 확보와 운송, 반응물의 저장과 처리 과정이 새로운 환경 문제를 야기할 수 있다. 이러한 이유로 탄산염광물화 기술은 아 직까지는 연구 단계의 기술로 평가받고 있는 실정이다.
또한 기체상 또는 액체상 이산화탄소를 관 련 산업분야에 이용하거나, 탄소화합물을 생산 하기 위한 원료로 이산화탄소를 이용함으로써 산업용으로 생산되는 탄소화합물에 고정시켜 이산화탄소의 배출을 저감하는 방안과 관련하 여 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 이산 화탄소의 산업적 이용은 생산되는 탄소화합물 제품 자체를 이산화탄소를 고정하는 공간으로 활용하는 방법으로, 탄소화합물의 생산량이 꾸 준히 증가하고, 제품의 수명이 길어짐에 따라 이산화탄소를 저장하는 시간과 양이 증가하게 된다. 그러나 현재 산업적 이용에 의해 고정되 는 이산화탄소 양이 산업화에 의해 배출되는 이산화탄소의 규모와 비교하면 무시할 정도로 적고, 생산된 탄소화합물의 수명도 이산화탄소 저장의 관점에서 보면(지중저장의 경우 1,000 년 규모) 매우 짧은 수준이기 때문에, 기후변 화를 완화하기 위한 이산화탄소 저감방법으로
서 이산화탄소의 산업적 이용 효과는 극히 미 미할 것으로 판단된다.
이에 비하여 지중저장은 대규모로 포집된 이산화탄소를 육지나 해양저 800 m∼수 km 심부에 존재하는 안정적인 지질구조 내에 주 입하여 장기적으로 격리하는 기술이다[3]. 범 지구적인 탄소 순환(Carbon cycle) 내에서 가 장 큰 규모를 차지하는 암권(Lithosphere) 내 에는 이산화탄소를 저장할 수 있는 막대한 규 모의 공극이 존재하며, 이산화탄소의 모체가 원천적으로는 암권 내에 존재하던 화석연료라 는 점에서 암권 내 지질구조 속으로의 지중저 장은 가장 자연스러운 저장 방안이라고 할 수 있다. 기술적으로도 심부 지층 속으로 이산화 탄소 등 유체를 주입하는 기술은 이미 1990년 대 이후 미국, 캐나다, 유럽연합 등 자원개발 기술선진국에서 석유 및 천연가스 개발 사업 과 연계하여 활발히 개발되어 실제 현장에 적 용되고 있는 상용화 기술로 그 활용성과 안정 성이 입증되어 왔다[5,6]. 따라서 본 고에서는 현재까지 제안된 이산화탄소 저장기술 중에서 기술⋅환경적 측면에서도 가장 효과적일 뿐만 아니라 경제⋅산업적 측면에서도 가장 우수한 기술로 평가받고 있는 이산화탄소 지중저장의 대상과 관련 기작 및 기술, 국내외 연구 동향 에 관하여 논의하고자 한다.
2. 이산화탄소 지중저장의 대상
이산화탄소를 심부 지질구조 속으로 저장하
기 위해서 대상지층은 대규모로 주입되는 이
산화탄소의 저장을 위한 최적의 조건을 제공
할 수 있는 충분한 깊이(Depth), 충분한 크기
의 공극률(Porosity)과 투과성(Permeability)
을 지니고 있어야 하며, 저장대상 지층의 상부
에는 부력에 의한 이산화탄소 이동을 억제할
수 있는 저투과성의 지층이 위치하고 있어야
한다. 저장 대상지층 내에서는 물리학적 및 지
화학적 포획 기작으로 인하여 주입된 이산화
탄소가 안정적으로 장기간 저장될 수 있어야 한다. 이러한 지질구조가 대규모의 이산화탄소 발생원과 근거리에 위치한다면(Accessibility), 경제적으로 또한 환경적으로 유리한 조건을 지닐 수 있다. 그리고 지중저장의 수행을 위해 서는 대중의 수용성(Public acceptance)이 무 엇보다 중요하다고 할 수 있다[7].
이러한 지질⋅환경⋅사회적 조건을 갖춘 이 상적인 지질구조는 지질시대에 걸쳐 안정적으 로 석유나 천연가스를 저장하여 온 석유 또는 천연가스 저류층이다. 다공성의 퇴적암류 지층 으로 이루어진 이들 저류층(Reservoirs)과 상 부에 자리잡은 불투수성의 덮개암(Cap rocks) 은 내부의 석유나 천연가스를 안전하게 보유 함으로써 이산화탄소를 주입⋅저장하였을 경 우에 대한 안정성을 입증하고 있다. 따라서 지 중저장에 관한 연구의 초기부터 채굴이 끝난 유전/가스전(Depleted oil/gas reservoirs)이 일 차적인 저장 대상지층로 고려되었으며, 생산중 인 유전/가스전에 이산화탄소를 주입하여 생 산을 증진하고 이산화탄소 지중저장으로의 부 수적 효과를 기대하는 Enhanced oil/gas recov- ery (EOR/EGR) 또한 많은 현장에서 적용되 어 왔다. 그러나 이러한 이상적인 지질조건을 가진 저류층은 지역적으로 편중되어 존재하기 때문에 발생지와 저장지를 연결하기 위한 운 송 과정에서 발생하는 비용과 환경적 우려가 문제점으로 떠올랐다.
이에 대하여 발전소, 제철공업단지 등 대규 모의 이산화탄소 발생원으로부터 비교적 근거 리에서 흔하게 발견될 수 있는 지질구조에 대 한 관심이 대두되었으며 심부 대염수층(Deep saline aquifers)이 그 대안으로 연구되고 있다.
심부 대염수층은 지하 수 km 심부에 존재하 는 사암 등 다공성의 퇴적암층으로, 내부의 공 극수가 오랜 기간 흐름이 정체된 상태로 주변 암석과 반응하여 염수화된 지층이다. 이러한 지질구조 중 상부에 셰일층 등 투과성이 매우 낮은 지층군이 존재하며 주변에 대규모의 균 열 또는 단열이 존재하지 않는 지층은 석유/
Table 1. 지중저장 대상지층에 대한 저장용량 추정[1]
저장 대상 지층
추정 저장 용량 (GtCO2)
최소 최대
석유 및 가스전 675 900
채굴이 불가능한 석탄층(ECBM) 3∼15 200 심부 대염수층 1,000 10,000
가스전에 비하여 상대적으로 넓은 지역에 걸쳐 분포하여 지중저장을 위한 후보지층으로 고려 되고 있다. 이러한 대염수층의 공극을 채우고 있는 염수는 용해된 광물의 농도가 매우 높아 농업용으로 활용하거나 인간이 섭취하기에 적 절치 않은 경제성 없는 지하수로서 막대한 규 모의 지하공간을 차지하고 있다(Table 1). 이 러한 지하공간의 일부를 이산화탄소로 대체하 여 주입하는 것이 대염수층 내 지중저장의 개 념이다. 그러나 수 km 지하에 존재하는 심부 대염수층의 지질구조적 안정성에 대한 완벽한 조사에는 수많은 현실적 어려움이 수반되기 때 문에 심부 대수층 내 이산화탄소 지중저장의 안정성과 신뢰성을 보장하기 위해서는 주입된 이산화탄소의 거동에 대한 탐사와 예측, 지중 주입된 이산화탄소의 일부가 천부 대수층이나 지표상으로 누출되었을 때 야기될 수 있는 잠 재적 환경영향에 철저한 대비가 필요하며 이에 대한 다양한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
지중저장을 위한 후보지층으로 석탄층(Coal
beds) 또한 많은 관심이 집중되고 있다[8]. 석
탄층 내 이산화탄소 저장은 석탄층 내에 존재
하는 균열을 통하여 이산화탄소를 주입하면
주입된 이산화탄소가 석탄층에 흡착되어 있는
메탄을 치환하고 흡착되어 영구적으로 고정화
되면서 석탄층 메탄 회수(Enhanced coal bed
methane; ECBM)를 유도하고자 하는 기술이
다. ECBM에는 가장 깨끗한 화석연료인 메탄
생산에 대한 기대 때문에 많은 연구가 이루어
지고 있지만, 아직까지는 석탄층 내 주입과 효
율적인 저장 과정에 대하여 더 많은 이해가
필요한 단계이다.
그 밖에 현무암(Basalt), 석유나 가스 셰일 (Oil shale), 암염층(Salt beds), 지하 공동(Un- derground caverns), 폐광산 등이 이산화탄소 지중저장을 위한 대안으로 고려되고 있다. 그 러나 이들 지질구조는 국지적으로, 또한 상대 적으로 소규모로 산재하며, 이들 지질구조 내 저장에 대한 환경적 및 경제적 고려 때문에 제한된 규모로서의 지중저장 후보지로 연구되 고 있다.
3. 이산화탄소 지중저장의 포획기작
지하 심부의 지질구조 속으로 이산화탄소를 효율적으로 주입하기 위해서 주입되는 이산화 탄소의 밀도는 가능한 한 커야 하며(주어진 공 간 속에 많은 양을 저장하기 위해서), 점성은 가능한 한 작아야(주입을 용이하게 하기 위하 여) 한다. 이러한 조건을 만족하는 이산화탄소 의 성상은 고온⋅고압(31.1 ℃, 7.38 MPa)상태 에서 이루어지는 초임계상(Supercritical phase) 이며(Figure 1), 이러한 조건은 대략 지하 800 m 이하의 심부 지층에서 자연적으로 얻어질 수 있으므로 지중저장은 주로 이 깊이 이하의 지질구조를 대상으로 이루어지며, 누출에 대한 잠재적 위험성을 고려하기 위해서는 보다 깊 은 지층이 선택될 수 있다[9]. Figure 2는 수 리정역학적 압력 경사와 지표면으로부터 25 ℃/
km의 지온 경사를 가정하였을 때 깊이에 따 른 이산화탄소의 밀도의 변화를 나타낸 것이 다(이산화탄소의 밀도는 이산화탄소가 초임계 상태에 도달하는 약 800 m의 깊이에서 급격 하게 증가하며, 1.5 km 이하의 깊이에서는 밀 도와 비체적은 거의 일정해진다).
고압으로 심부의 저장지층 내부로 주입된 초임계상 이산화탄소는 기존의 공극수와 대부 분 비혼합상을 이루면서 체적 전위(Volumet- ric displacement), 중력 분리(Gravity segrega- tion) 및 점성 운지(Viscosity fingering) 등
Figure 1. 이산화탄소의 상변화.
Figure 2. 깊이에 따른 이산화탄소 밀도의 변화 (풍선의 크기는 이산화탄소에 의해 점유되는 상대 적 체적을 나타냄) (Source: CO2CRC).
에 의하여 거동하며[11], 주변 환경에 의한 다
양한 포획 기작(Trapping mechanisms)으로 안
정적으로 저장⋅격리되는데, 가장 효율적인 이
산화탄소 저장지층은 주입된 이산화탄소가 두
꺼운 저투수성 지층 아래 또는 암석 내 공극
사이에서 영구적으로 포획되거나, 주변 지하수
에 용해되거나, 고상의 광물로 전환되는 등 물
리화학적 포획 기작을 통해서 고정될 수 있는
지층이다[10].
(a)
(c)
(b)
(d)
Figure 3. 지중저장과 관련된 포획 기작들(a. 구조 포획; b. 잔류 포획; c. 용해 포획; d. 광물화 포 획)(Source: CO2 Capture Project).
구조적 또는 층서학적 포획(Structural/stra- tigraphic trapping) 기작은 이산화탄소 지중저 장의 안정성을 좌우하는 가장 중요한 포획 기 작이다. 저장지층 내로 주입된 초임계상 이산 화탄소는 주변 공극수에 비해 비중이 낮기 때 문에 시간이 경과함에 따라 부력에 의해 상부 로 이동하게 된다. 이 때 셰일층이나 암염층 등 매우 낮은 투과성를 가진 지층이 저장지층 의 상부에 위치하게 되면 이동하던 이산화탄 소가 이 덮개암의 하부에 축적되게 되고 반영 구적으로 저장된다(Figure 3a).
저장지층 내로 주입된 이산화탄소는 공극수 를 대체하면서 주입압력과 부력에 의해 주변 으로 이동한다. 이산화탄소가 공극 속을 불규 칙적으로 이동하는 와중에 그 일부는 공극 속 에서 작은 방울의 형태로 단속적으로 잔류하 게 된다. 이러한 잔류 포획(Residual trapping) 에 의해 고정된 이산화탄소는 주변의 흐름과 분리된 채 표면장력에 의해 공극 속에서 고정 되고, 주변 공극수에 용해되어 그 크기가 축소
되고 다시 이동하게 될 때까지 오랜 기간 그 위치에 잔류하게 된다(Figure 3b).
지중에 존재하는 기체상, 액체상 또는 초임 계상 이산화탄소는 시간이 경과함에 따라 주 변의 공극수에 용해된다(Solubility trapping).
용해된 이산화탄소는 지중환경 내에서 다시는 분리될 수 없을 뿐만 아니라, 이산화탄소가 용 해된 공극수는 주변의 공극수에 비해 미세하 게나마 비중이 증가하기 때문에 저장지층의 하부로 가라앉게 되고 이러한 이동은 용해된 이산화탄소를 더욱 안정적으로 격리하게 하는 기작으로 작용한다(Figure 3c).
공극수에 용해된 이산화탄소는 약한 탄산을
형성한다. 이는 저장지층을 구성하는 암석의
조암광물들인 칼슘과 마그네슘 등 금속 산화
물 또는 규산염 광물과 반응하여 탄산염 광물
로 전환되는데, 이 현상이 가장 영구적인 지중
저장 형태인 광물포획(Mineral trapping)이다
[12] (Figure 3d). 광물 포획의 속도는 공극수
내의 화학 조성과 환경에 의해 영향을 받지만
일반적으로 매우 느리게 일어나며 때로는 수 천 년 이상의 시간이 소요되기도 한다. 광물화 포획 과정에서 고정된 이산화탄소는 공극의 벽면에 축적되어 공극의 크기를 줄임으로써 잠재적인 누출경로인 상부지층 내 균열의 투 과성을 감소시키는 부수적인 효과를 나타내기 도 한다. 광물화 포획에 의한 이산화탄소의 탄 산염 광물화는 주입된 이산화탄소 성상 변화 의 최종단계로서 장기적인 저장의 가장 바람 직한 기작으로 작용한다.
이러한 지중저장의 포획기작은 일반적으로 수일에서 수 천년 까지의 시간에 걸쳐 이루어 지지만, 지중저장된 이산화탄소는 포획 기작을 통하여 보다 안정적으로 저장된다. 이러한 포 획 기작은 고온고압의 지하환경 내에서 단기 간 또는 장기간에 걸쳐 이루어지는 현상이므 로 이산화탄소가 주입⋅저장되는 지질 매체의 다양한 지질학적, 수리지질학적, 열적 및 지구 화학적 특성에 크게 영향을 받게 된다. 그러나 이에 대한 학문적 이해는 아직까지 크게 부족 한 상태로 다양한 환경과 반응물에 대한 실험 적 연구와 장기 예측을 위한 모델링 연구 등 다양한 연구가 요구되고 있다.
4. 이산화탄소 지중저장 실현을 위한 필요 기술
지하 수 km 깊이의 심부 지질구조에 대한 구조적 취약성을 보완하여 안정적이고 효과적 인 지중저장을 실현하기 위해서는 정교한 지 층 특성화 및 평가 기술, 시추 및 주입 기술, 거동 예측 기술, 거동 관측 기술, 환경 영향 평가 기술, 사후 관리 기술 등 여섯 분야의 요 소 기술이 필요하다(Figure 4).
지층 특성화 및 평가 기술은 광역적 물리탐 사기법과 야외지질조사를 통하여 수집된 각종 지질 자료를 데이터베이스화하고 이를 분석함 으로써 지질학적 및 지화학적으로 지중 저장 에 유리한 지층을 찾아내고 지상에서의 정확
Figure 4. 이산화탄소 지중저장을 위한 필요기술들.
한 시추 및 주입 지점을 선정하는 기술이다.
이와 함께 시추후 코어분석과 물리검층을 통 하여 저장대상지층의 지질학적 특성을 상세 분석하고 저장용량을 평가하기 위하여 이러한 기술이 적용되고 있다.
시추 및 주입 기술은 지하 수 km 깊이의 지중저장 대상지층까지 주입정과 관측정을 위 한 장심도 시추공을 안정적으로 시추하고, 저 장탱크, 운송 파이프, 가압펌프, 주입조절장치, wellhead 등 지상의 주입 시설 뿐만 아니라 packer system 등 주입정 내에 설치되는 장비 를 이용하여 액체상 또는 초임계상의 이산화 탄소를 효과적이고 안정적으로 저장지층 내부 로 주입하기 위한 기술로서, 고압주입을 위한 지상 설비의 설계와 운용, 주입 기간 동안 주 입정과 관측정을 통한 누출 방지 등을 실현하 기 위한 기술이다.
거동예측기술은 고온고압하의 심부지층에 주
입된 이산화탄소의 성상과 거동 특성 및 포획
기작을 열적-수리학적-역학적-화학적 수치 모
델을 통하여 예측하는 기술이다. 거동예측기술
을 통하여 다양한 지중저장 조건 하에서 수치
모델을 적용하여 주입 전후의 변화와 주입된
이산화탄소의 성상과 거동을 정량적으로 모의
함으로써 효율적인 주입 시나리오 등 최적의
지중저장 시스템을 설계하고 잠재적인 환경영
향에 대비한 대책 제시에 활용되고 있다.
거동관측기술은 심부 지층에 대한 시료채취 의 어려움을 극복하기 위하여 비파괴적인 원 격탐사기법인 탄성파(Seismic wave) 탐사, 전 기비저항(Electrical resistivity; ER) 탐사, 전 자기(Electromagnetic; EM) 탐사, 전기지자기 (Magnetotelluric; MT) 탐사 및 레이더(Ground penetrating radar; GPR) 탐사 등을 적용하여 심부 지층 내로 주입된 이산화탄소의 거동을 지상이나 관측정 내부에 설치된 탐사장비로 관측하는 기술이다. 오랜 기간동안 자원개발분 야에서 활용되어 온 탄성파 탐사가 지금까지 수행된 대부분의 지중저장 프로젝트에서 주로 적용되어 왔으며, 그 이외 탐사 기법들에 대한 심부 지층 내에서의 적용성과 탐사 결과의 신 뢰성을 제고하기 위한 연구가 활발하게 진행 되고 있다.
환경영향 평가기술은 이산화탄소 지중저장 이 야기할 수 있는 다양한 환경적 영향을 지 하생태계, 지하수질, 지표의 식생 및 생태계를 대상으로 평가하고 잠재적 위험성에 대한 대 비 수단을 마련하는 기술이다. 이를 위하여 Mammoth mountain (미국)이나 Lyos Lake (카메룬) 사례 등 자연계에서 발생한 이산화 탄소 유출 사례를 분석하여 지중주입된 이산 화탄소의 누출이 지하 및 지표 생태계에 미치 는 영향을 예측하고, 주입된 이산화탄소의 누 출 특성을 분석하여 환경친화적 지중저장 시 스템의 설계에 적용하기 위한 기술이다.
이산화탄소의 지중주입이 완료 후 주입된 이산화탄소가 지표상으로 재누출될 가능성이 가장 높은 경로는 주입정 및 관측정이다. 따라 서 사용된 관정의 안정적인 폐쇄는 사후관리 기술의 가장 중요한 부분이다. 이를 위하여 초 임계 이산화탄소와 이산화탄소가 용해된 공극 수가 관정과 관정 폐쇄에 사용된 시멘트의 안 정성에 대한 평가와 함께 안정적인 폐쇄 기법 에 대한 연구가 이루어지고 있다. 이와 더불어 주입된 이산화탄소의 거동에 대한 장기 모니 터링을 통하여 이산화탄소 지중저장의 장기적
인 안정성과 대중적 신뢰성을 제고하는 것 또 한 사후관리기술의 주요한 부분이다. 이상의 여섯 가지 필요기술이 상호 유기적으로 이루 어질 때만이 효율적인 이산화탄소 지중저장의 수행과 평가가 이루어질 수 있다.
5. 이산화탄소 지중저장의 연구 동향
국외 기술 선진국에서는 전세계 곳곳을 대 상으로 다양한 규모의 저장 프로젝트들이 진 행 혹은 제안되고 있는데, 현재까지 수행되었 거나 계획되어진 대표적인 상업용 규모의 지 중저장 프로젝트는 북해의 슬라이프너(Sleipner), 알제리의 인 살라(In Salah), 캐나다의 웨이번 (Weyburn), 바렌트해의 스노빗(Snohvit), 호 주의 고르곤(Gorgon) 등이다(Figure 5).
노르웨이 해안으로부터 약 250 km 떨어진 북해상에서 Statoil에 의해 운영되는 슬라이프 너 프로젝트는 대염수층 지중저장으로 수행된 최초의 상업적 규모의 프로젝트로서, 슬라이프 너의 West Gas Field로 부터의 분리된 이산화 탄소(약 9%)를 북해 해양저 800 m의 심부 대염수층에 주입하고 있다(Figure 6). 1996년 이래 대략 연간 1 Mton의 이산화탄소가 주입 되는데, 향후 총 20 Mton 저장을 기대하고 있 다. 이 프로젝트는 세 단계로 진행되었는데, 기본 자료의 수집과 평가가 이루어진 Stage 0 는 1998년 11월에 완료되었으며, 초기 3년간 이산화탄소 주입이 이루어진 Stage 1에서는 저류암의 지질 조사, 저류암 모의, 지구화학, 관 측정, 지구물리 모델링 등 5개 부분에 대한 연 구가 진행되었고, 2000년에 시작된 Stage 2에서 는 자료 해석과 모델 검증이 진행되고 있다.
알제리의 인 살라 가스전에서는 Sonatrack,
BP와 Statoil이 생산된 천연 가스로부터 분리
된 이산화탄소를 1,800 m 지하의 사암 저류암
속으로 연평균 1.2 Mton 규모로 주입하여 총
17 Mton의 지중저장을 계획하고 있다. 캐나다
에서는 남부 사스카치완(Saskatchewan)의 웨
Figure 5. 파일럿, 데모, 상업용 규모의 이산화탄소 지중저장 프로젝트 현황.
Figure 6. 슬라이프너 지중저장 프로젝트의 개요 도(Source: Statoil).
이번 유전에서 이산화탄소를 이용한 EOR 프 로젝트가 EnCana에 의해 진행되고 있다. 이 프로젝트는 저장지로부터 325 km 떨어진 미 국의 Dakoda Gasification Co.에서 공급된 이 산화탄소를 파이프로 이송하여 일평균 1,000 ton 규모로 주입하고 있는데, 석유 증산의 목 적을 병행하여 총 23 Mton의 이산화탄소가 주입되고 유전의 수명이 25년 더 연장될 것으 로 기대되고 있다. 그 밖에 계획중인 주요 지 중저장 프로젝트로는 가스로부터 분리된 이산
화탄소를 가스전 하부의 해양저 심부 대염수 층에 주입하고자 하는 노르웨이의 스노빗 프 로젝트와 서부 호주에서 생산되는 천연가스로 부터 분리된 이산화탄소를 심부 대염수층에 연 1 Mton 규모로 주입할 것을 계획중인 고 르곤 프로젝트가 있다. 또한 연구용 소규모 지 중저장 프로젝트로는 미국 텍사스의 Frio, 독 일의 Ketzin, 남부 호주의 Otway, 그리고 미 국 와이오밍의 Teapot Dome, 일본 혼슈의 Nagoaka 등 다양한 규모와 대상, 목적의 지중 저장 프로젝트가 완료되었거나 수행 중에 있다.
국외에서 수행된 지중저장 프로젝트의 내용
을 살펴보면 미국, 일본, 유럽연합 등 기술선
진국에서는 유전/가스전을 보유하고 있는 다
국적 자원개발기업의 주도로 상업용 규모의
지중 저장이 수행되고 있으며, 국가 및 이들
다국적 기업의 지원을 받은 대학 및 국가 연
구소에서는 실내 실험을 활용한 기초 연구와
병행하여 파일럿 규모의 현장실험이 대염수층
을 대상으로 거동 탐사기술 개발 및 적용을
목적으로 진행되고 있음을 알 수 있다. 이 중
유전/가스전을 대상으로 이산화탄소 주입 및
처리 기술의 이미 실용화 단계에 들어서 있으
며, 현재 많은 상업용 지중 저장 프로젝트가 수행되고 있는데, 진행중인 상업용 프로젝트의 총주입량은 현재 연간 약 400만 톤 규모이며, 2010년 이후에는 연간 약 1,000만 톤까지 증가 될 것으로 예상되고 있다.
이에 비하여 국내의 지중저장 연구는 아직 기초 연구 단계에 머물러 있다. 지중저장과 관 련된 국내 연구는 2000년대 중반에 들어 비로 소 시작되어 기초 실내실험과 수치모델링 연 구가 지난 수년간 수행되었으며, 소규모 실증 실험을 전제로 부지 선정과 주입 및 관측 시 설의 설계가 현재 진행되고 있는 요소기술 개 발 단계로 평가될 수 있다.
6. 결 론
이산화탄소 지중저장은 현재까지 제시된 가 장 안정적이고 경제적인 이산화탄소 처리기술 로 알려져 있다. 국내외의 많은 관련 연구자 및 기술자들은 지중저장을 통하여 초임계상으 로 지중에 주입된 이산화탄소가 지질구조 속 의 공극 속에서 주변 환경과 반응하며 수백 또는 수천년의 기간 동안 대기권으로부터 안 정적으로 격리되어 지구의 기후변화가 효과적 으로 완화되기를 기대하고 있다. 이를 위하여 지중저장에 적합한 지질 구조에 대한 다양한 연구와 더불어 지중저장의 상용화가 기술선진 국에서는 이미 빠른 속도로 진행되고 있는 현 실이다.
이에 반하여 국내에서의 관련 연구는 세계 적인 수준에 비하여 아직 미미한 수준이며, 이 는 기후변화와 그 해결책 모색에 대한 사회 전반의 의식 결여에서 비롯된다고 할 수 있다.
현재 국내에서 진행되고 있는 지중저장 관련 연구는 실내 또는 소규모 현장 실험을 통한 요소기술의 확보에 머무르고 있으며, 실증실험 의 수행을 통한 이 분야 연구의 도약에 많은 난관을 안고 있는 현실이다. 국내 지중저장 기 술 수준의 도약을 위해서는 국내 지층의 지중
저장 적용 가능성에 대한 비과학적이고 소모 적인 논쟁을 지양하고 전 국토에 대한 체계적 인 광역 지질조사를 통하여 활용 가능한 지질 구조에 대한 데이터베이스화와 저장 가능량에 대한 추산이 우선적으로 이루어져야 할 것이 다. 이와 병행하여 지중저장 기술이 기후변화 완화를 위한 환경 기술임과 동시에 포집 기술 을 포함하는 플랜트 산업의 해외진출을 위해 필수적인 요소 기술임을 인식하고 이러한 기 술의 확보를 위한 대규모의 투자를 통하여 지 중저장 실증실험을 수행함으로써 지중저장 시 스템의 설계와 운영에 대한 기술과 경험을 조 속히 확보하여야 할 것이다. 이는 지중저장과 관련된 기술 중에는 고압 유체의 심부 지층 내 주입, 주입된 이산화탄소 성상과 거동에 대 한 탐사와 관측 등 규모의 연구를 통해서만 습득될 수 있는 기술들이 다양하게 포함되어 있기 때문이다. 이러한 지중저장 연구와 실증 실험을 통하여 시급한 환경 현안에 대한 대응 책을 마련하고 나아가 관련 기술의 국제 협력 과 해외 수출에 기여할 수 있기를 기대한다.
참 고 문 헌
