가스하이드레이트로부터 메탄가스 추출 및 이산화탄소 저장 기술 동향_101

가스하이드레이트로부터 메탄가스 추출 및

이산화탄소 저장 기술 동향

한국지질자원연구원 | 이성록 책임연구원

Ⅰ. 개 요 ········································································ 103

Ⅱ. 동향 분석 ································································· 103

1. 국내 동향 ································································ 103

2. 해외 동향 ································································ 104

Ⅲ. 향후 전망 ································································· 108

<참고문헌> ······································································· 110

가스하이드레이트로부터 메탄가스 추출 및 이산화탄소 저장 기술 동향_103

가스하이드레이트로부터 메탄가스 추출 및 이산화탄소 저장 기술 동향

한국지질자원연구원 | 이성록 책임연구원

Green Technology Trend Report

Ⅰ. 개 요

가스하이드레이트(Gas Hydrate, Methane hydrate)로부터 메탄가스를 생산하는 방법은 감압법,

열수 주입법, 억제제(Inhibitor) 이용법 또는 이러한 방법을 복합적으로 사용하는 복합적 방법

등이 일반적으로 알려져 있다. 약 10여 년 전부터는 이러한 방법 이외에도 가스하이드레이트 격자

중에 있는 메탄을 이산화탄소와 치환하여 메탄을 생산하는 혁신적인 기술 진보가 이루어지고 있다.

이 기술은 아직 상용화 단계에 있지 않지만 실험실 또는 육상 가스하이드레이트 층을 대상으로

소규모 시험생산을 통하여 지속적인 기술개발이 이루어지고 있다.

독일이 주도적으로 수행하고 있는 SUGAR(Submarine Gashydrate Reservoirs) 프로젝트는

해양환경을 대상으로 CO2-CH4 치환 기술 개발을 프로젝트 목표 중의 하나로 설정하였다. 미국의

민간 기업인 코노코필립스(ConocoPhillips)社는 2012년 초 미국의 에너지부(Department of Energy,

DOE), 일본의 석유가스·금속광물자원기구(JOGMEC, Japan Oil, Gas and Metals Corporation)와

공동으로 알래스카 동토지역에 부존(賦存)하는 가스하이드레이트 층을 대상으로 CO2-CH4 치환

현장시험을 실시한 바 있다. 우리나라의 CO2-CH4 치환 연구는 동해 울릉분지에 매장된 가스

하이드레이트 개발을 위해 지속적으로 수행되고 있다.

본 보고서에서는 독일을 중심으로 수행되고 있는 SUGAR 프로젝트와 미국과 일본이 공동

수행한 알래스카 영구동토지역에서의 CO2-CH4 치환 현장 시험 결과를 분석하고 이와 관련된

국내 연구개발 동향을 소개하고자 한다.

Ⅱ. 동향 분석

1. 국내 동향

국내에서는 울릉분지에서 2007년과 2010년의 2차례 탐사 시추에 의해 심해저 퇴적층에 가스

하이드레이트가 다량 매장되어 있는 것을 확인하고 가스하이드레이트와 퇴적물 시료 채취에 성공

한 바 있으며, 가스하이드레이트로부터 가스(주로 메탄으로 구성)를 생산하기 위한 방법으로 널리

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알려진 감압법, 열수 주입법, 억제제 사용법 이외에도 이산화탄소와 메탄을 막교환(swapping)

하는 방법에도 관심을 갖게 되었다.

2003년 한국과학기술원(KAIST) 연구진은 가스하이드레이트의 물 분자 격자 내에 있는 메탄을

이산화탄소로 치환하는 연구 결과를 세계 저명 학술지인 SCIENCE에 게재하였다. 또한 연구진은

2006년 이산화탄소만이 아닌 이산화탄소와 질소로 이루어진 배기가스를 이용하여 상호 경쟁에

의한 가스하이드레이트 내에서의 치환 연구와 다양한 가스하이드레이트 구조에서의 치환 연구

결과를 유명 학술지인 PNAS(Proceeding of National Science of Academy, USA) 지에 게재

하여1) 가스하이드레이트로부터 메탄을 회수하기 위한 기술적 방법인 맞교환 치환 기법이 향후의

가스하이드레이트 생산기술로 주목받는 계기가 되었다. <그림 1>은 이러한 치환기술을 모식적으로

표현한 것인데, 이산화탄소(청색)를 가스하이드레이트 격자 내에 있는 메탄(적색)과 맞교환하는

과정에서 가스하이드레이트의 결정구조가 변화되고 메탄이 효율적으로 추출됨을 알 수 있다. 계속

하여 KAIST 연구진은 2011년도 4월에는 일본 특허를, 동년 8월에는 “Method of recovering

methane gas from natural gas hydrate”란 제목으로 미국 특허를 획득하였으며, 특허 청구

내용은 천연가스 하이드레이트에 질소와 이산화탄소의 혼합가스를 반응시켜 메탄가스를 회수하는

혁신적인 방법을 포함하고 있다.

<그림 1> 이산화탄소가 가스하이드레이트의 메탄과 치환되는 과정 (Park et al, 2006)

최근에는 치환 반응 및 퇴적층 모사 시스템을 개발하기 위하여 1-D 1m 및 10m 규모의

반응기를 제작하고, 배기가스 주입에 의한 메탄가스 생산 공정을 구현하여 치환 공정 모사식 개발에

성공하였다. 이를 뒷받침하기 위해, 메탄-질소-이산화탄소 삼성분 혼합가스 하이드레이트에 대한

열역학적 상평형 분석 방법을 연구하여, 질소+이산화탄소 이성분계 상평형 분석을 수행하고

있으며, 온도에 따른 해리 거동이 모사되었다. 국내뿐만 아니라 전 세계의 다양한 온도-압력 조건

에서 생성된 가스하이드레이트로부터 메탄 생산에 필요한 선행 자료로 활용될 것으로 기대된다.

2. 해외 동향

가. 독일: SUGAR(Submarine Gashydrate Reservoirs) 프로젝트

독일은 가스하이드레이트 자원기술을 미래 에너지 및 기후변화 문제를 동시에 해결할 수 있는

획기적인 기술로 인식하고 있으며, 가스하이드레이트 매장 지층을 대상으로 이산화탄소를 저장

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하고 메탄을 생산하기 위해 중앙정부의 지원 하에 약 20여 개의 국가 연구기관(총괄책임자:

Prof. Klaus Wallman, 주관기관: Geomar)과 민간 기업이 참여하여 <표 1>과 같이 2008년

부터 2014년까지 6개년 계획(2단계)의 SUGAR 프로젝트를 수행할 계획이다.2)

<표 1> SUGAR 프로젝트의 단계별 연구개발 내용

구분 단계별 연구내용 (목표)

1단계

SUGAR

기간 및 재원 기간: 2008.7 – 2011.6(3년)재원: BMWi, BMBF (민간포함 13 MM Euro)

Phase A:

탐사

A1 - 멀티빔 이용 가스하이드레이트의 탐지기술 (수중 음향 방법을 이용한 영상기법 및 자료처리 기법 개발)

A2 - 탄성파 탐사, 지구물리 및 전자기(CSEM) 이미징에 의한 가스하이드레이트 저류층 구조 분석 및 저류층 부존 평가

A3 - MeBo 등 착지식 시추기에 의한 시추 (원위치 온도-압력 유지)- 압력코아 채취기 개발

A4 - PetroMod3D에 의한 퇴적분지 수치 모델링

Phase B:

개발 및 수송

B1- 저류층 모델링, 해수중 CO2 와 CH4 하이드레이트의 안정성,

CO2 주입과 감압법에 의한 가스 생산, 장기간 메탄가스 회수 효율성

B2- CO2-CH4 가스 치환의 실험실적 거동 및 공정 - 사질(砂質) 저류층을 대상으로 초임계 CO2 주입으로 메탄가스

추출

B3 - 천연가스의 펠릿 공정 및 수송 기술 개발

2단계

SUGAR

기간 및 재원 기간: 2011.7 – 2014.6(3년)재원: BMWi, BMBF, RWE Dea

Phase A: 탐사

A1 - 가스하이드레이트 탐지와 모니터링

A2 - 가스하이드레이트 탐사와 특성 규명

A3 - 가스하이드레이트 형성 모델링

Phase B: 개발

B1 - 가스하이드레이트 개발 전산 모사

B2 - 가스하이드레이트 생산기술 최적화

B3 - 가스하이드레이트 시추기술

자료 : SUGAR 프로젝트 홈페이지(www.sugar-projekt.de) 자료 재구성.

SUGAR 프로젝트는 온실가스의 64%에 달하는 이산화탄소를 가스전(가스하이드레이트 매장

지역)에 직접 주입하여 격리하면서, 동시에 천연가스를 생산하는 기술을 바탕으로 가스하이

드레이트의 개발, 분석, 운송과 관련된 종합적 연구를 추진할 계획이다. <그림 2>는 SUGAR

프로젝트의 전 과정의 모식도를 나타낸 것으로 왼편 그림은 SUGAR 프로젝트 1단계의 가스

하이드레이트의 탐사기술부터 이산화탄소를 저장하고 메탄을 생산한 후의 수송 과정까지를

보여주는 반면, 오른편 그림은 2단계의 정밀 탐사는 물론 심해 시추 및 생산기술을 이용하여

이산화탄소와 메탄의 치환 과정을 보여주고 있다.2)

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이 프로젝트는 심해저에 부존하는 가스하이드레이트층을 대상으로 이산화탄소와 메탄의 치환

기술을 시험하여 기술적 타당성을 검증할 계획이다. 1단계에서는 가스하이드레이트의 탐사 기초

기술과 치환 생산의 원천기술개발이 이루어졌으며, 현재 진행 중인 2단계에서는 독일 등 유럽

국가를 비롯하여 다국가 협력 체제로 발전하여 2015년에는 이산화탄소 주입의 현장시험을 계획

하고 있다.

2단계 주요 목표로는 1단계 연구결과를 심층 발전시키고 개발된 기술을 검증하기 위한

것으로 ① 개선된 지구물리 탐사기법과 퇴적분지 모델링을 이용하여 가스하이드레이트의 부존

지역과 부존량을 정량화하고, ② 초임계 이산화탄소와 기존의 생산 방법을 이용하여 가스하이

드레이트 해리 거동과 메탄생산 효율을 개선하며, ③ 생산 비용과 환경 위험 요인을 줄이는

동시에, ④ 환경친화적인 천연가스 생산과 이산화탄소 지중저장 기술을 개발하는 것이다.

자료 : 독일 Geomar 연구소 SUGAR 프로젝트 홈페이지(www.sugar-projekt.de)

<그림 2> SUGAR Project 수행 전체 모식도

나. 미국: 알래스카 CO2-CH4 치환 현장시험

1) 현장 시험 프로젝트 개요

알래스카 ANS(Alaska North Slope)에서 수행된 현장시험 프로그램은 육상 가스하이드레

이트를 생산하기 위한 방법으로 개발 중인 CO2-CH4 치환기술의 현장 적용성을 확인하고 가스

주입시 가스하이드레이트 저류층과 이산화탄소의 반응을 이해하기 위한 최초의 CO2-CH4 치환

현장시험 프로그램이다.3) <그림 3>은 하이드레이트가 포화된 사질 저류층(砂質 貯留層)을 대상

으로 수직 시추에 의해 치환하는 모식도이다. 이 프로젝트는 미국 에너지부(DOE)의 지원 하에

석유가스 분야의 세계적 메이저 기업인 코노코필립스社가 주도하고 일본의 가스하이드레이트

프로그램을 총괄하고 있는 석유가스·금속광물자원기구(JOGMEC, Japan Oil, Gas and

Metals Corporation)가 참여하여 Ignik Sikumi Gas Hydrate Exchange Trial Project

Team을 결성한 3자간 국제 공동 프로그램이다.

가스하이드레이트로부터 메탄가스 추출 및 이산화탄소 저장 기술 동향_107

자료 : U.S.DOE-NETL, “Fire in the Ice”, Vol 12. 2012

<그림 3> CO2-CH4 치환기법의 알래스카 육상현장 적용 모식도

현장 시험은 전체 16개의 세부과제(Task)로 구성되어 있으며, 2008년 10월부터 2012년 1월

하순까지 현장 시험지역 선정(Task 2) 부터 시험생산 계획 최종 준비(Task 13)까지의 세부

일정이 확정되었다(수행기관 선정, 시추 설계, 시험생산 설계 공정, 시추 및 저류층 평가, 물리

검층 등). 2011년 11월부터 2012년 2월 중순까지 시험생산 계획 및 현장시험 인프라 구축을

완료하고(Task 14), 2012년 2월 중순부터 2월 말까지 물리검층 등 사전 시험작업(Task 15)을

완료하였으며, 4월 10일까지 이산화탄소 주입 및 가스 생산 모니터링(Task 16)을 완료하였다.

<그림 4>는 현장 시험 지역인 북알래스카 슬로프(North Alaska Slope)의 Ignik Sikumi 현장

시험 설비 배치도이며, 사용하고자 하는 이산화탄소와 질소 컨테이너가 배치되어 있고, 메탄

가스 생산을 확인할 수 있는 장치가 오른편 끝에 위치하고 있다.

자료 : U.S.DOE-NETL, “Oil & Natural Gas Technology”, Progress Report, 2012

<그림 4> North Alaska Slope의 Ignik Sikumi 현장시험 설비 배치도

<그림 5> Ignik Sikumi site의 CO2 – CH4 치환 후 메탄가스의 연소 장면

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2) 핵심 기술의 적용 사례

코노코필립스와 노르웨이 베르겐대학 연구팀은 2008년부터 CO2–CH4 치환에 관한 연구 수행

결과를 바탕으로 가스하이드레이트 구조 내에 이산화탄소를 메탄분자와 치환하여 메탄을 생산

하는 기술을 육상 가스하이드레이트 층을 대상으로 적용하였다. 이 치환시험의 한 부분으로

치환시험 후에 30일 동안 감압법 시험도 수행되었다(과거의 감압법을 이용한 최장 시험생산

기간은 2007년에서 2008년까지 캐나다 말릭의 육상시험에서6일 동안 수행되었다). 특히,

생산의 효율성을 향상하기 위하여 CO2와 N2의 혼합 가스를 주입시켰으며, 23% CO2와 77%

N2의 비율을 사용하였다.

3) 현장 시험의 주요 결과 및 성공 사례3),4)

2012년 2월 중순부터 13일 동안 진행된 최초 단계에서는 210,000 standard cubic

feet(scf)의 CO2+N2 혼합가스를 주입하였고, 주입량을 서서히 증가시키면서 안정성을 유지

하였다. 주입 후에 1.5일 동안 혼합 가스를 생산하였으나 제트 펌프를 사용하여 가스하이드레

이트 안정 압력 이하에서 하이드레이트의 해리가 성공적으로 진행되었고 가스 생산율이 점차

높아졌다. 가스 점화 라인에서의 얼음 결빙을 방지하기 위하여 압력을 낮출 수 있는 제트

펌프가 설치되었다. 계속된 시험에서 안정적으로 가스와 물을 생산하였으며, 대부분의 메탄가스

함량이 점진적으로 증가되었으며, 전체적으로 누적 가스 생산량은 약 100만 scf에 달하였다.

이후 시험정은 시멘트로 폐공 처리하였으며, 추후 시험 현장에 대한 모니터링을 계속할 계획

이다.

현장시험에서 주된 내용은 첫째, 사전에 잘 준비되고 관리된 현장시험으로 전 기간에 충분한

자료를 얻는데 성공했으며 둘째, 가스 주입단계에서 혼합가스의 정확한 비율과 지층의 변형

없이 주입된 가스의 압력도 잘 유지되었다. 셋째, CO2와 N2의 혼합 가스를 사용하여 CO2

하이드레이트를 형성하였고, 마지막 단계에서는 가스 생산량이 20,000 scf/day에서 45,000

scf/day로 증가되어 과거의 육상 시험생산 프로그램에 비해 회수율이 상당히 좋음을 알 수

있었다. 마지막 단계에서는 물과 세립질의 모래가 해리의 부산물로 방출되었으나 시험 기간 중

이 두 가지가 효과적으로 조절되었다. 시험 생산 이후에도 실험실 규모의 연구 프로그램은 계속

진행하고 있으며, 현장에서 수집한 자료의 품질 관리(Quality control), 보정을 포함한 현장자료

해석 작업이 진행 중이다.

Ⅲ. 향후 전망

최근 국제학회에서 발표된 SUGAR 프로젝트와 관련된 생산 모사실험5)과 실험실 규모의 연구

결과6), 전반적으로 잘 추진된 것으로 나타났다. 2014년에 2단계 연구개발 계획이 종료되는 시점

에서 CO2–CH4 치환 현장 시험에 적당한 장소를 찾는 것이 난제로 부상함에 따라 2015년경 현장

시험 여부는 불투명한 상태이다. 또한, 우리나라도 SUGAR 프로젝트를 중심적으로 추진하는 독일의

Geomar, UMSICHT 또는 GFZ 연구소와의 협력을 모색 중이다.

가스하이드레이트로부터 메탄가스 추출 및 이산화탄소 저장 기술 동향_109

미국의 알래스카 현장 치환 시험은 모든 가능한 가스하이드레이트 생산기술을 평가하고 현장

에서 획득한 자료 분석을 통해 보다 효율적이고 현장에 적용 가능한 기술을 개발하는데 기여할

것으로 보이며, 다음 단계에서는 장기간의 시험생산을 평가하고 경제적으로 생산 가능한 기술을

확립할 예정이다. 이번 단기간의 시험 결과를 바탕으로 미국은 극지방에서 장기적인 시험생산을

하기 위해 멕시코 만의 큰 규모 가스하이드레이트로부터 메탄가스를 안전하고 경제적으로 추출

할 수 있는 추가적인 기술개발을 진행할 계획이다. 그러나 육상의 가스하이드레이트에 비하여

해양 심해저의 가스하이드레이트 개발에는 막대한 예산이 들며, 심해 환경을 극복하기 위해 해결

해야 할 기술적인 어려움이 많다. 이러한 문제를 해결하기 위해 심해 가스하이드레이트의 특성을

연구하고, 샘플링 및 원격탐사 현장 프로그램, 생산 관련 환경 모니터링과 자료 수집·해석의

새로운 기법 개발, 지구온난화에 대응하기 위한 가스하이드레이트의 영향 등에 관한 프로젝트가

진행될 것으로 보인다.

특히, 이산화탄소를 격리하기 위해 소요되는 고가의 비용을 에너지·자원 개발로 상쇄 할 수

있다는 판단 아래 가스하이드레이트 형태로 매장된 막대한 양의 천연가스를 생산하고, CO2 최적

격리 지역으로 가스하이드레이트 매장지역을 활용할 수 있는 기술개발에는 다학제간 협동 연구

개발이 필요하다. 가스하이드레이트 기술이 실용화될 경우 고갈되어 가는 에너지 생산과 온실가스

격리라는 2중의 효과를 창출할 수 있을 것으로 예상된다.

가스하이드레이트 층과 관련한 CO2 포집 및 저장기술(CCS)을 활용한 천연가스 생산 기술은

독일 등 유럽 국가의 소규모 실험실에서 연구가 진행되고 있으며, 전문가들의 분석에 따르면 관련

기술은 7~10년 내에 상용화될 것으로 예상된다. 가스하이드레이트 연구는 천연가스 확보 이외

에도 파이프라인의 막힘 현상을 해결하는 해빙기술, LNG 대체를 위한 고체 형태의 천연가스 저장·

운송 기술, 전기저장 기술 분야 등에서도 광범위하게 연구가 진행될 전망이다.

우리나라가 개발 중인 CO2–CH4 맞교환 치환 기술은 원천 기술면에서도 세계적으로 선도

그룹에 있는 것으로 평가되며, 우리나라의 해저 지질특성에 적용 가능한 기술개발이 수행되고

있으므로 향후 동해 울릉 분지의 가스하이드레이트 매장층에서 현장 시험을 통해서 관련 기술이

확보될 것으로 예상된다.

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<참고문헌>

1. Park Y. et al, “Sequestering carbon dioxide into complex structures of naturally

occurring gas hydrates”, PNAS, Vol.103(34), pp.12690-12694, 2006

2. 독일 GEOMAR 연구소(Helmholtz Centre for Ocean Research) SUGAR project 소개 웹사이트

(www.sugar-projekt.de)

3. U.S.DOE-NETL, “Ignik Sikumi gas hydrate trial completed”, Fire in the Ice, Vol.12(1),

pp.1-3, 2012

4. U.S.DOE-NETL, “Oil & Natural Gas Technology, Progress Report: ConocoPhillips gas

hydrate production test”, 2012

5. Priegnitz M.,and at al, “3D monitoring of hydrate formation and dissociation using a

cylindrical ERT”, European Geosciences Union(EGU) 2013-1867, 2013

6. Janiki G., and et al, “Simulation of natural gas production from submarine gas hydrate

deposits combined with CO2 storage, European Geosciences Union(EGU) 2013-1131,

2013