기술로 부활하는 틈새에너지

지는 ‘전통’ 뜨는 ‘비전통’

국제유가의 상승, 감소추세의 부존량 등 전통 가스자원의 위기가 대두되면서 비전통 가스자원이 미래의 전통자원으로 부각되고 있다.

보통 전통 가스자원은 유기물이 오랜 퇴적기간을 거치며 1~2차로 지층 사이를 이동하며 한곳에 집적된 가스를 말한다. 이러한 전통 가스자원은 자연적으로 발생한 기체, 액체, 고체상의 탄화수소 화합물로 구성됐으며 이산화탄소, 질소, 황화수소, 황과 같은 비탄화수소 불순물도 함유하고 있다. 반면 비전통 가스자원은 유체 유동능력이 떨어지는 대량 부존 석유자원으로, 국내 천연가스업계는 가스 하이드레이트, 석탄층메탄가스(CBM), 셰일가스(Shale Gas), 치밀가스(Tight Sand Gas), 오일샌드(Oil Sand) 등을 비전통 천연가스분야로 분류한다.

이 밖으로는 합성천연(SNG, Synthetic natural Gas), 나프타부생, 바이오가스 등이 있다. 비전통가스는 전통가스에 비해 연속적 넓은범위 분포도를 보여 발견이 용이한 장점이 있지만 입자가 치밀한 암석 내에서 뽑아내야 해 가스표집에 특별한 기술이 필요하다.

시추에 있어서도 전통 방식의 천연가스 개발은 한곳에 모인 가스를 수직시추를 통해 뽑아 올리는 형태지만 비전통가스는 대부분 넓게 분포되어 있어 수직굴착과 추가적인 수평굴착을 통해서 균열을 만들어 뽑아내야 하므로 정밀한 탐사와 기술이 요구된다.

하지만 비전통가스는 미국과 선진국에서는 미래로 가는 과도기 에너지로서 주목하고 있으며 관련 연구와 수요확대에 박차를 가하고 있다. 더욱이 생산규모와 기술발전 또한 날로 증대되면서 향후 관련 시장은 더욱 커질 것으로 전망된다.

불타는 얼음 ‘가스 하이드레이트’

일명 ‘불타는 얼음’으로 불리는 가스 하이드레이트(Gas Hydrate)는 천연가스가 저온ㆍ고압 하에서 물 분자와 결합돼 형성된 고체물질이다. 생성조건은 0℃의 26기압, 10℃에서 76기압 정도로 알려져 있다. 메탄이 90%이상을 차지하고 있어 '메탄 하이드레이트(Methane Hydrate)'라고도 한다.

가스 하이드레이트는 저온 고압의 퇴적층에 생성되는 특성이 있어 알레스카나 시베리아 등 동토지역의 석유, 천연가스 저류층 및 석탄층과 인접된 지역이나 심해지역 퇴적층인 대륙사면에 많이 발견된다. 이들은 수십에서 수백m의 두께로 존재하며, 압력과 온도 조건이 변하면 해리돼 천연가스 형태로 분출된다.

전 세계 가스 하이드레이트의 추정매장량은 약 10조 톤으로, 이는 기존 천연가스 매장량의 25배, 석유와 천연가스와 같은 화석에너지의 약 2배에 달하는 막대한 양이다.

특히 가스 하이드레이트는 주 구성성분인 메탄이 현재 사용되고 있는 다른 화석에너지에 비해 연소시 이산화탄소를 적게 배출하는 특성과 같은 환경 친화적인 장점을 지니고 있어 최근에 대두되고 있는 환경문제를 해결할 차세대 에너지자원으로 더욱 각광받고 있다.

가스 하이드레이트의 채굴은 크게 3가지로 나뉜다. 먼저 감압법은 가스 하이드레이트층과 하위의 퇴적층 사이에 큰 공극이나 단열이 존재할 때, 단열 또는 공극의 내압을 감소시켜 가스 하이드레이트의 해리를 촉진시켜 가스를 생산하는 방법이다.

두 번째 열 처리법은 증기 또는 열수를 주입해서 가스 하이드레이트 저류층의 온도를 올려 가스 하이드레이트의 해리를 통해 가스를 생산하는 방법이다. 세 번째 억제제 주입법은 염수를 주입해 가스 하이드레이트를 해리시키고 가스를 회수하는 방법으로 수압파쇄와 열수 주입법을 함께 이용하면효과가 크다.

이러한 가스 하이드레이트의 개발에 먼저 손을 뻗은 것은 미국이다. 미국은 지난 1988년 연방정부 주도로 개발촉진법을 제정, 2단계 10개년 프로젝트를 진행 중에 있다. 또한 2015년에는 알래스카에서 상업생산을 한다는 목표도 갖고 있다.

일본도 메탄 하이드레이트 개발프로그램을 운영, 2001~2016까지 연간 100억엔을 투입하고 있으며 2016년부터 상용화할 계획이다.

국내의 경우 동해안 가스 하이드레이트 개발을 위한 탐사 및 시추 프로그램을 진행 중에 있다. 정부도 가스 하이드레이트 자원의 상업적 개발을 위한 중장기 기본계획을 세우고 탐사와 시추작업을 시행하고 있다. 특히 최근 울릉분지 주변 심해에서 가스 하이드레이트의 부존을 확인한 바 있으며 앞으로 추가 탐사를 통해 훨씬 큰 부존량을 보일 것으로 기대하고 있다.

가스공사의 경우, 이와 관련한 신에너지 법정화를 추진하고 중소형 가스전 등 해외 상용플랜트 대상사업을 발굴한다는 방침이다. 이를 위해 우즈벡 가스전, 동남아, 중남아시아 등의 한계가스전 등을 대상으로 사업개발대상을 모색하게 된다. 또한 최근 체결된 가스 하이드레이트 협력 SOI(statement of intent)에 따라 총 38억 원을 출현해 알래스카 시험생산현장에 참여한다는 계획이다.

이러한 가스 하이드레이트에 대한 세계 각국의 관심이 높아지고 있지만 아직 해결해야 할 일들은 많다.

가스 하이드레이트 채굴시 지반붕괴나 해저침하 현상에 대한 대안, 시추와 생산 시 파이프라인과 노즐 등의 막힘 현상 등은 미해결 과제다. 또 환경적인 측면에선 시추 때 메탄이 연소되지 않고 공기 중으로 퍼질 경우 온실효과도 고려 해야 한다. 하지만 이러한 한계에도 자원의 97%이상을 해외에 수입하고 있는 우리나라로서는 앞으로 반드시 주권을 확보해야할 필수자원이라는 점에서 이견이 없다.

높은 잠재력의 ‘치밀가스’

치밀가스(Tight Gas)는 쇄설성 혹은 탄산염 퇴적환경에서 주로 발견되며, 보통 셰일가스와 혼재 매장되어 있다. 세계적으로는 미국과 캐나다에서만 개발되고 있다. 치밀가스는 매장량은 풍부하나 수압파쇄 등 인공자극법에 의해서만 개발이 가능하다는 한계가 있다.

치밀 가스가 모여 있는 저류층은 지역적으로 광범위하나 경계가 불명확하고, 근원암에 근접하여 나타나지만 탄화수소와 물간의 접촉경계가 존재하지 않는 특징을 보인다. 특히 매우 낮은 유체투과도로 회수율이 현재까지는 저조한 편이다.

하지만 치밀가스는 장기적으로 산업전망이 밝고 에너지 가치가 높다는 점과 기술개발 동반시 엄청난 성장 잠재력을 보인다는 점에서 주목할 비전통 가스자원으로 분류되고 있다.

신(新)청정자원 CBM

석탄층메탄가스(CBM, Coal Bed Methane)는 석탄층에서 미생물과 압력, 온도의 열적 작용을 받아 생성되는 가스를 말한다. 이 가스는 주로 메탄, 에탄, 이산화탄소, 질소로 구성되어 있고 메탄이 약 95%를 차지하고 있다.

생산방법은 석탄층에 시추 후 대수층의 지하수를 생산하여 석탄층의 압력을 감소시키면 석탄층 입자표면에 흡착되어 있던 메탄가스가 탈착되어 생산된다. 지하 170~2000m 구간에 부존 가능하나, 대부분의 경우 400~1500m 심도까지 시추해 생산한다.

이러한 CBM의 개발에는 미국을 비롯한 중국, 캐나다, 호주, 영국, 인도, 카자흐스탄 등이 적극적으로 참여하고 있다. 특히 미국은 천연가스 사용량의 9%를 CBM으로 공급하고 있고, 중국은 새로운 청정 에너지원으로서 CBM을 활용하여 9만 kW를 생산하고 있다.

이러한 CBM은 개발이 용이하고, 이미 사업화되어 있는 일반가스전의 생산 및 평가 기술을 활용할 수 있어 생산 및 운영비용이 적게 소요되는 장점을 가지고 있다.

국내에서는 한국가스공사를 중심으로 이 분야에 대한 연구와 사업을 추진하고 있다. 가스공사는 원천기술을 이용한 그린에너지(석탄 및 CBM가스) 공동연구로 상용화 사업기반 확보 및 몽골 해외자원개발 수익사업모델을 도출하고 개발권을 확보 함으로 국가에너지개발에 선도적 역할을 수행할 것이라 기대하고 있다. 또한 몽골내 그린에너지 연구 및 사업경험을 토대로 해외(호주, 러시아 등) CBM개발 및 CDM 사업진출도 검토할 방침이다.

현재 CBM은 가스 하이드레이트보다 상업화 속도가 빠르고 기술발전도 놀라운 속도를 보이고 있어 학계에서도 향후 전망을 밝게 보고 있다.

셰일가스, 천연가스 적통 잇다

천연가스의 대체제로 각광받는 셰일 가스는 진흙층 내에 함유된 가스로, 인공자극법에 의해 흡착된 가스를 탈착하는 방식으로 추출한다.

셰일가스는 풍부한 매장량에도 불구하고 활발한 생산이 진행되지 못했으나 최근 수평시추기술 개발 등으로 인해 추출률이 과거 12%에서 50%로 상승하면서 사업경제성이 확보돼 생산이 증대되고 있는 상황이다.

현재 셰일가스 매장량은 총 1만6112tcf(Trillion Cubic Feet)로, 현재까지 알려진 전통적 가스의 매장량 규모인 1만4284tcf보다 많은 양이다. 셰일가스의 생산이 상당 수준 증대할 경우 세계 천연가스 시장에서 거래되는 가스가격과 거래조건에 많은 영향을 미칠 수도 있다는 전망도 나온다. 셰일가스는 주로 북미지역(미국, 캐나다 등)을 중심으로 개발되고 있으며 비전통 가스자원 중 가장 상업화가 빠를 것으로 기대를 모으고 있다.

현재 미국 내 전체 천연가스 매장량의 1/3정도인 175㎥가 셰일가스로 추정된다. 이에 미국 천연가스 생산량의 9.5%를 셰일가스가 담당하고 있으며, 2035년에는 전체 생산량의 24%를 점유할 것으로 전망된다.

하지만 시추, 생산기술 및 파이프라인 등의 인프라가 잘 발달된 북미지역과 달리 유럽이나 중국 등과 같이 인프라가 상대적으로 빈약한 지역에서는 단기간에 셰일가스 생산량을 크게 증가시킬 수 없다는 한계가 있다. 따라서 글로벌 에너지 기업의 적극적인 참여로 문제해결의 여지는 있으나 앞으로 셰일가스 비용 결정에 영향을 미칠 것으로 예측된다.

기타 비전통가스 자원은?

앞선 4대 비전통 가스자원을 제외한 나머지 자원으로는 오일샌드, 오일셰일 등이 있다. 오일샌드와 오일셰일의 경우, 공정의 복잡함과 환경오염 등의 문제가 걸려있다. 그러나 풍부한 부존량을 감안했을 때 지속적인 기술개발과 연구가 필요하다는 목소리가 높다. 결국 나날이 발전하는 기술과 활용도를 감안할 때 장기적으로 지켜봐야하는 자원임은 분명하다.

비전통가스가 답이다

결국 풍부한 매장량, 좁은 기술개발 격차 등 비전통가스자원 개발의 당위성은 충분하다. 특히 자원빈국인 우리나라 경우 이 분야의 집중 육성이 시급하다. 이에 대해 한국가스공사 이정환 연구개발팀장은 “비전통 가스자원은 단가가 높고 생산방식이 어려우며 중장기적인 기술연구가 동반되어야한다”면서 “당장 수익을 볼 수 있는 사업은 아니지만 충분히 투자할만한 가치가 있다”고 밝혔다.

이어 그는 “전통자원과 관련한 기술에 있어서는 우리나라가 뒤쳐져있지만 비전통 가스자원분야는 충분히 따라잡을 수 있다”며 “나중에 경제적 가치가 높아져 경쟁이 심화되기 전에 비전통 가스자원과 관련한 우리 지분을 확보하는 일에도 주력해야 한다”고 전했다.

특히 에너지의 형태를 변환하는 기술만 확보하면 자체 생산도 충분히 가능하다고 덧붙였다.

이 팀장은 “에너지자원의 해외의존도가 높은 국내의 경우, 비전통가스 자원개발을 추진하는 것은 경제성 이외에도 에너지 자주개발률에 일조하고 기술개발 선점이라는 의의가 존재한다”며 앞으로 비전통 가스자원에 대한 기술개발과 사업진로 등의 과제를 잘 풀어내야할 것이라고 당부했다.