비전통자원, 셰일가스와 가스 하이드레이트

2014.09.15 09:49

식량과 에너지는 인류의 생존에 없어서는 안 될 중요한 자원이다. 우리가 사용하는 대부분의 1차 에너지는 석탄, 석유, 가스 등의 화석연료로부터 나온다. 하지만 지나친 화석연료의 개발과 사용으로 지구온난화 문제가 대두되며 청정에너지에 대한 관심이 증가하고 있다. 이에 석탄과 석유보다는 상대적으로 청정에너지원인 가스에 대한 관심과 수요가 높아지고 있다.

 

현재 전 세계적으로 확보된 가스 매장량은 약 186조 8911억 8800만 입방미터(㎥)로, 향후 60년 정도 사용할 수 있는 양이다. 인류 발전에 반드시 필요한 에너지원을 계속해서 안정적으로 공급하기 위해서는 꾸준한 매장량 확보가 필요하다. 땅속 깊은 곳에 숨어있는 가스전 중 찾기 좋고 생산하기 쉬운 곳은 점점 줄어들고 있으며 남겨진 자원은 매장량은 많지만 생산하기 어렵고 개발 비용이 많이 드는 셰일가스와 같은 ‘비전통자원(Unconventional Resources)’이다.

 

2000년대 초반부터 미국을 중심으로 개발 붐이 일고 있는 셰일가스는 전 세계가 150년 이상을 사용할 수 있는 엄청난 양이 매장돼 있다. 또한 가스 하이드레이트는 셰일가스보다 6배 많은 양이 매장돼 있다. 그러나 이와 같은 비전통자원의 개발에는 환경오염에 대한 위험이 따르게 된다.

 

셰일층에서 얻는 메탄가스, 셰일가스

 

셰일가스는 모래와 진흙이 오랜 세월 쌓이며 단단하게 굳어진 퇴적암층(셰일층)에 존재하는 가스를 말한다. 주요 성분은 일반 가스전에서 생산되는 가스와 같은 메탄가스이다. 그동안 셰일층은 탄화수소를 만들어내는 석유 근원암(source rock)이나, 다공질 저류층 트랩(trap) 구조 상부에 위치해서 저류층으로 이동한 탄화수소를 구조 내에 가두어 두는 덮개암으로 인식돼 왔다. 그러나 이제는 생산 기술의 발전에 힘입어 석유가스를 생산하는 저류층으로 개발의 대상이 됐다. 참고로 저류층은 원유나 천연 가스가 지하에 모여 쌓여 있는 층을 말한다.

 

셰일가스의 생성 과정을 이해하기 위해 우선 석유가스의 생성 과정을 간단히 살펴보자. 셰일층과 같이 유기물이 풍부한 근원암에서 만들어진 석유가스가 투수율(유체 이동의 용이성을 나타내는 말)과 공극율(유체 부존 공간의 크기를 나타내는 말)이 큰 다공질 암석층(저류층)으로 이동해 석유가스를 축적하게 된다. 반면 셰일가스는 근원암인 셰일층의 낮은 투수율 때문에 이동을 하지 못하고 셰일층에 남아 있는 가스를 말한다.

 

그동안 생산량이 낮아 경제성이 떨어져 개발을 하지 못하다가 낮은 투수율을 증가시킬 수 있는 수압파쇄기술과 저류층과의 접촉면적을 증대시켜 주는 수평시추기술의 결합으로 경제성을 확보할 수 있게 됐다. 이에 2000년도 초반부터 미국의 텍사스주를 중심으로 개발 붐이 일기 시작했다.

 

 

[그림 1] 기존 전통가스와 셰일가스 시추 모식도

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

미국 에너지정보국(EIA) 조사에 따르면 셰일가스의 매장량은 2012년도 기준으로 약 1019조 4065억 입방미터로 알려져 있으며, 이 중에서 약 220조 8714억 입방미터는 기술적으로 회수가 가능하다고 보고 있다. 회수 가능한 자원량을 기준으로 주요 매장국가를 살펴보면([표 1] 참조) 미국, 중국, 아르헨티나, 알제리, 캐나다, 멕시코, 호주, 남아공 등 주요 산유국인 중동 이외의 지역에 부존하고 있다는 특징이 있다.

 

[표1] 셰일가스 부존 주요 국가(기술적으로 회수 가능 자원량 기준, EIA, 2013)

국가 자원량 국가 자원량
미국 32조 8758억 ㎥ 멕시코 15조 4327억 ㎥
중국 31조 5733억 ㎥ 호주 12조 3745억 ㎥
아르헨티나 22조 7201억 ㎥ 남아프리카공화국 11조 436억 ㎥
알제리 20조 200억 ㎥ 러시아 8조 703억 ㎥
캐나다 16조 2255억 ㎥ 브라질 6조 9376억 ㎥

 

하지만 셰일가스 개발로 인한 환경문제가 심각한 사회 갈등을 야기하고 있기도 하다. 낮은 투수율을 극복하기 위한 수압파쇄 작업시 화학물이 첨가된 파쇄용액을 주입하는데, 이것이 지하수 오염이나 지표수 및 토양오염, 수자원의 고갈, 공기오염 등의 환경문제를 일으킨다. 유정이 폭발할 가능성도 있어 주의가 요구된다.

 

 

불타는 얼음, 가스 하이드레이트

 

저온·고압의 상태에서는 메탄가스가 물과 결합해 고체로 존재하는데, 이것이 ‘불타는 얼음’으로 알려진 가스 하이드레이트이다. 가스 하이드레이트는 주로 추운 극지방의 육상이나 심해저에 매장돼 있다. 매장량은 전 세계적으로 약 2831조 6847억 입방미터로 추정된다. 국내에도 동해에서 존재하는 것이 확인됐으며 2005년부터 본격적인 탐사와 개발이 진행되고 있다. 국내 부존량은 국내 가스소비량을 기준으로 약 30년간 사용할 수 있는 양으로 추정되고 있다.

 

[그림 2] 가스 하이드레이트의 연소 장면. 2007년 동해 울릉분지에서 채취한 것이다. 출처 : 가스하이드레이트개발사업단

가스 하이드레이트는 생성조건인 저온·고압 상태를 반대조건인 고온·저압으로 바꿔서 메탄가스를 해리시켜 생산한다. 대표적인 생산법으로는 열을 주입해 해리시키는 열공법과 압력을 낮춰서 생산하는 감압법이 있다. 가스 하이드레이트는 캐나다와 일본에서 소규모 시험생산에 성공했으나 아직 상업적 생산에 이르지는 못하고 있다.

 

가스 하이드레이트 생산에도 단점은 있다. 심해저에 부존해 있는 가스 하이드레이트는 해저면에서 천부에(수백 미터 내외) 매장돼 있는데, 생산시 수반될 지반 안정성 위험성과 해양으로의 가스 유출에 대한 위험성이 존재하고 있다.

 

현재 전 세계적으로 전통적인 가스 생산량이 감소하면서 매장량이 많은 셰일가스와 가스 하이드레이트와 같은 비전통가스의 역할이 중요해지고 있다. 하지만 이들이 신(新)에너지원으로 당당히 자리매김하기 위해서는 현재 문제점으로 지적되는 부분을 해결할 수 있는 새로운 친환경 생산기술 개발이 필요하다. 특히 현재까지 확인된 유일한 국내 부존 에너지자원인 가스 하이드레이트에 대한 탐사 및 개발은 장기적인 계획 하에 꾸준한 연구·개발 노력이 요구된다.

 

[글쓴이] 신현돈 인하대 에너지자원공학과 교수

 

※출처 : 아톰스토리 '에너지자료'(http://atomstory.or.kr/p/38423/)

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