1. 개요
Methane Hydrate / Methane Clathrate
메테인 가스가 분자 수준에서 물에 의해 갇힌 하이드레이트(함수화물). 즉 얼음 속에 메테인 가스가 포함되어 있다고 봐도 좋지만, 녹아 있는 게 아니라 엄연한 화합물이다. 소위 '불타는 얼음'이라고 한다.[1]
저온 고압의 환경에서 안정하며, 따라서 해저 지반 아래나 영구 동토층에서 자연적으로 형성된다. 이를 천연가스 하이드레이트(natural gas hydrate)라고 하며, 이 천연가스 하이드레이트의 대부분이 메탄 하이드레이트다.[2] 지구 전체에 존재하는 유기 탄소 중 압도적인 양이 천연가스 하이드레이트의 형태로 존재하고 있는 것으로 추정되며 (50% 이상, 추산 약 1만 기가톤), 이는 그 외 다른 모든 형태의 원유 및 천연가스 등 화석 연료의 추정 총매장량의 2배이다. 따라서 차세대 에너지원으로서 주목받고 있는 물질이다.
생산 시에는 메탄 하이드레이트가 부존된 지반의 온도를 올리거나(열수 주입법), 압력을 낮춰서(감압법) 녹인 후 메테인 가스를 빨아들이는 방식을 이용한다. 열수 주입법의 경우는 녹은 하이드레이트에서 배출된 메테인 가스로 인해 지반 내 압력이 높아져 지반이 붕괴될 가능성이 있으므로[3], 현재는 보통 감압법을 중심으로 연구하고 있다.
하지만 (일반적으로 셰일 가스로 알려진) 셰일층에 대한 수압 파쇄 공법 기술이 등장하여 현재 천연가스 가격이 상당히 낮아져 있고, 또한 메탄 하이드레이트 생산 기술이 아직 시험적인 수준이라는 것을 고려해 보면, 현 단계에서는 경제성이 부족하며, 즉각적으로 사용 가능한 에너지원은 아니다. 다만 후쿠시마 원자력 발전소 사고 이후로 전 세계적으로 원자력 발전에 대한 신뢰도가 떨어진 만큼 대안으로서 천연가스 발전이 원자력 발전을 메꿀 만큼 수요가 늘어난다면 연구가 활발해질 수 있다. 하지만 천연가스 발전도 이산화 탄소를 배출하는 화석 연료이기 때문에 2020년대 이후로 대세가 된 친환경 발전과는 거리가 있다. 이런 점 때문에 오히려 원자력 발전보다는 석탄 발전을 대체하는 용도로 제시되고 있다. 다만 새 가스 발전소를 짓는 것도 경제성이 좋지 않기 때문에 친환경, 탈원전이 동시에 진행 중인 우리나라에서도 정작 이산화 탄소 배출을 줄인 개량형 석탄 발전소에게 밀리는 것이 현실이다.
2. 위험성
상기한 바와 같이, 압력 및 온도 조건이 달라진다면 메탄 하이드레이트가 녹아 메테인 가스가 분출된다. 또 채굴할 때 더욱 조심해야 하는데 낮은 온도에 강한 압력으로 해저에 압축되어 있는 메테인은 채굴을 할 때 얼음 조각을 잘못 건드려 가스가 새어 나올 경우 매장층이 통째로 폭발해 버릴 위험이 있다. 지구 온난화로 인한 수온 및 지온 상승은 해저 및 영구 동토층에서 안정적으로 존재하던 메탄 하이드레이트를 불안정하게 할 수 있다. 문제는 메테인은 이산화 탄소에 비해 약 72배 강력한 온실가스이다. 따라서 지구 온난화로 인해 메탄 하이드레이트가 녹고, 이로 인해 대기 중으로 방출된 메테인은 지구 온난화를 강화시키고... 이런 방식으로 지구 온난화가 급격하게 가속되어[4] 지구의 금성화를 초래할 가능성이 존재한다. 이 가설은 일명 하이드레이트 총 가설(Clathrate gun hypothesis)로 알려져 있다. 다만 메탄은 이산화 탄소와 비교하면 영향을 주는 기간이 짧은 편이다.현재 온난화로 인해 급격하게 기화가 일어나고 있다고 한다. 북해에서 촬영된 바에 따르면 기화 속도가 해마다 급증해 해저 지형이 변화하고 있다. 한편 멕시코만 석유 유출 사태의 원인이 '메탄 하이드레이트' 때문이라는 과학자들의 주장도 존재하며, 또한 2019년 10월 13일에는 시베리아 바다가 들끓고 있는 것처럼 보일 정도로 메테인 가스가 방출되고 있다는 것이 밝혀져 환경 문제가 되돌릴 수 없는 선을 넘은 게 아니냐는 우려가 높아지고 있다.
애니메이션 에르고 프록시의 배경이 되는 세계가 바로 이 메탄 하이드레이트의 연쇄적 붕괴로 인해 파괴된 이후의 세계이다. 자세한 내용은 문서 참조.
박지홍의 단편 만화 HOTEL SINCE 2079은 지구 온난화로 인해 바다의 수온이 올라가면서 메탄 하이드레이트가 급격히 기화되어 지구의 종말이 벌어진다는 전제로 시작한다.
3. 국내외 개발 현황
3.1. 국내
1990년대 후반부터 옛 한국자원연구소에서 탐해2호를 이용해서 동해 지역을 탐사하기 시작했다.[5] 1998년 외교통상부 국정 감사에서 일본이 독도를 노리는 이유가 메탄 하이드레이트 부존 때문이라고 주장이 제기되었다.[6] 독도가 일본의 것이 되어야 그 앞의 바다도 일본 것이라 주장할 수 있고 그에 따라서 메탄 하이드레이트를 체굴할 설비를 지을 수 있기 때문이다.2004년 한국지질자원연구원에서 동해 울릉분지 일대에 메탄 하이드레이트가 존재한다는 연구 결과를 발표했다.[7]
2007년 6월 한국 가스하이드레이트 개발사업단이 동해의 울릉분지에서 시행한 시험 시추에서 메탄 하이드레이트의 존재가 확인되었다.[8] 매장량은 약 6억 톤으로 추산되었다.[9]
2012년 2차 시험 시추를 통해 시험 생산을 위한 위치를 결정했다. 2015년 이후 시험 생산이 예정되어 있다. 하지만 준비 과정에서 예측된 시험 생산량의 부족, 시추공 안정성 확보 미흡, 가스하이드레이트 유동성 확보 미흡 등의 이유로 연기되었고 2018년에 재추진할지 결정할 예정이다.
2018년 잠정 연기, 2019년 시험 생산을 위한 사업 타당성 연구 용역을 결정했지만 용역 결과는 미보도되었다.
2022년 한국지질자원연구원은 국제 공동 해양 시추 프로그램(IODP) 사무국을 통해 ‘동해 울릉분지 IODP 과학 시추’최종 승인을 받았다. 이를 통해 울릉분지 일대 묻혀있는 메탄 하이드레이트가 기후 변화에 어떤 영향을 받는지를 연구하기로 했다.
3.2. 해외
- 미국의 경우, 알래스카 말릭 영구 동토층의 메탄 하이드레이트를 대상으로 10년 이상 연구 및 시험 생산을 수행했고, 멕시코만에 존재하는 메탄 하이드레이트에 대한 연구 또한 수행 중이다.
- 일본은 1995년부터 메탄 하이드레이트 존재 여부에 관해 탐사한 결과, 일본 주변 해역에선 천연가스 소비량 약 100년분에 해당하는 메탄 하이드레이트가 매장돼 있는 것으로 추정, 발표했다. 2006년 니가타현 앞바다에서 하이드레이트를 채취했다.[10] 2013년 일본 남서부 해안 난카이 해저곡
7광구 언저리에서 메탄 하이드레이트의 시험 생산을 시행했다.[11] 이는 해저에 존재하는 메탄 하이드레이트에 대한 첫 번째 시험 생산이다.
- 중국은 1990년대 들어서 뒤늦게 메탄 하이드레이트 개발 사업에 뛰어들었으며, 대만 주변 해역에서 채취에 성공했다.[12] 2017년 남중국해에서 메탄 하이드레이트 채굴에 성공했다.[13] 곧이어, 2020년에 시험 생산에 들어갔다.[14]
4. 기타
시베리아등 추운 지방을 지나는 송유관 및 가스관 내부에서 메탄 하이드레이트가 생성될 수 있다. 이렇게 생성되는 메탄 하이드레이트는 점차 성장하여 나중에는 송유관을 꽉 막아버리는 거대한 얼음 마개가 되어 버린다.
5. 관련 문서
[1] 화학용어 개정안에 따르면 Methane의 화학명은 메테인이므로 메테인 하이드레이트라고도 할 수 있지만 산업계에선 거의 메탄 하이드레이트라 한다. 그리고 문서를 보면 알겠지만 이 개정안 자체가 논란이 많은 상태다.[2] 나머지는 부탄 및 에탄 등 다른 천연가스들이다.[3] 폭발이 아니라, 수압이 높아지므로 흙이 받는 압력(유효 응력)이 오히려 줄어들게 되며, 이로 인해 흙의 강도가 줄어들어 해저 산사태 및 전단 파괴와 같은 현상을 보일 수 있다. 기본적인 메커니즘은 강우 시 발생하는 산사태와 동일하다.[4] 탈주 온실 효과라 한다.[5] 과학동아 1997년 4월호[6] 李信範의원 "독도근해 가스하이드레이트 매장"[7] 동해 천연가스물질 200조원어치 매장…지질자원硏 발표[8] 불타는 얼음 '가스하이드레이트' 동해서 발견[9] 동해서 초대형‘가스하이드레이트층’발견[10] 일본 해저에 새 에너지원 ‘불타는 얼음'[11] 일본 "해저지층서 메탄가스 추출 성공"[12] "석유 대체할 노다지"…메탄 하이드레이트 선점 경쟁[13] 中, 남중국해서 '불타는 얼음' 본격 시추…21만㎥ 채굴[14] 중국, 남중국해 '불타는 얼음'서 천연가스 시험생산