메탄 하이드레이트
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1. 개요
Methane Hydrate / Methane Clathrate
메탄 가스가 분자 수준에서 물에 의해 갇힌 하이드레이트(함수화물). 즉 얼음 속에 메탄 가스가 포함되어 있다고 봐도 좋지만, 녹아 있는 게 아니라 엄연한 화합물이다. 소위 '불타는 얼음'이라고 한다. 산업계에서는 메탄 하이드레이트라고 하지만, 대한화학회에서 정한 methane의 화학명은 메테인이므로, 정확히는 메테인 하이드레이트이다(이하 이 글에서 에탄, 부탄이라고 부르는 화합물의 명칭도 정확히는 에테인, 뷰테인이 되겠다.).
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저온 고압의 환경에서 안정하며, 따라서 해저 지반 아래나 영구동토층에서 자연적으로 형성된다. 이를 천연가스 하이드레이트(natural gas hydrate)라고 하며, 이 천연가스 하이드레이트의 대부분이 메탄 하이드레이트다[1]. 지구 전체에 존재하는 유기탄소 중 압도적인 양이 천연가스 하이드레이트의 형태로 존재하고 있는 것으로 추정되며 (50% 이상, 추산 약 1만 기가톤), 이는 그외 다른 모든 형태의 원유 및 천연가스 등 화석연료의 추정 총매장량의 2배이다. 따라서 차세대 에너지원으로서 주목받고 있는 물질이다.
생산시에는 메탄 하이드레이트가 부존된 지반의 온도를 올리거나(열수주입법), 압력을 낮춰서(감압법) 녹인 후 메탄 가스를 빨아들이는 방식을 이용한다. 열수주입법의 경우는 녹은 하이드레이트에서 배출된 메탄 가스로 인해 지반내 압력이 높아져 지반이 붕괴될 가능성이 있으므로 [2], 현재는 보통 감압법을 중심으로 연구하고 있다.
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하지만 (일반적으로 셰일 가스로 알려진) 셰일층에 대한 수압파쇄 공법기술이 등장하여 현재 천연가스 가격이 상당히 낮아져 있고, 또한 메탄 하이드레이트 생산 기술이 아직 시험적인 수준이라는 것을 고려해보면, 현 단계에서는 경제성이 부족하며, 즉각적으로 사용가능한 에너지원은 아니다. 다만 후쿠시마 원자력 발전소 사고 이후로 전세계적으로 원자력 발전을 축소시키려는 움직임이 있는 만큼, 원자력 발전의 대안으로서 천연가스 발전이 확대된다면 연구 및 개발에 가속이 붙을 수 있다.
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2007년 한국가스하이드레이트 개발사업단이 동해의 울릉분지에서 시행한 시험시추에서 메탄 하이드레이트의 존재가 확인되었다. 매장량은 약 6억톤으로 추산되었다. 2012년 2차 시험시추를 통해 시험생산을 위한 위치를 결정하였다. 2015년 이후 시험생산이 예정되어 있다.
미국의 경우, 알래스카 말릭 영구동토층의 메탄 하이드레이트를 대상으로 10년 이상 연구 및 시험생산을 수행하였고, 멕시코만에 존재하는 메탄 하이드레이트에 대한 연구 또한 수행중이다. 일본은 2013년 일본 남서부 해안 난카이 해저곡 에서 메탄 하이드레이트의 시험생산을 시행하였다. 이는 해저에 존재하는 메탄 하이드레이트에 대한 첫 번째 시험생산이다. 2017년 들어 중국에서도 동중국해에서 메탄 하이드레이트 시험 생산에 성공했다.
2. 위험성
상기한 바와 같이, 압력 및 온도 조건이 달라진다면 메탄 하이드레이트가 녹아 메탄 가스가 분출된다. 또 채굴할때 더욱 조심해야 하는데 낮은 온도에 강한 압력으로 해저에 압축되어 있는 메테인은 채굴을 할때 얼음조각을 잘못 건드려 가스가 새어나올 경우 매장층이 통째로 폭발해버릴 위험이 있다. 지구온난화로 인한 수온 및 지온 상승은 해저 및 영구동토층에서 안정적으로 존재하던 메탄 하이드레이트를 불안정하게 할 수 있다. 문제는 메탄은 이산화탄소에 비해 약 72배 강력한 온실가스이다. 따라서 지구온난화로 인해 메탄 하이드레이트가 녹고, 이로 인해 대기중으로 방출된 메탄은 지구온난화를 강화시키고... 이런 방식으로 지구온난화가 급격하게 가속되어[3] 지구의 금성화를 초래할 가능성이 존재한다. 이 가설은 일명 하이드레이트 총 가설(Clathrate gun hypothesis)로 알려져있다.
현재 온난화로 인해 급격하게 기화가 일어나고 있다고 한다. 북해에서 촬영된 바에 따르면 기화 속도가 해마다 급증해 해저 지형이 변화하고 있다. 한편 멕시코 만 석유 유출사태의 원인이 '메탄 하이드레이트' 때문이라는 과학자들의 주장도 존재하며, 또한 2019년 10월 13일에는 '''시베리아 바다가 메탄가스로 인하여 끓고 있다는게 관측되면서''' 환경문제가 되돌릴 수 없는 선을 넘은 게 아니냐는 우려가 높아지고 있다.
박지홍의 단편 만화 HOTEL SINCE 2079은 지구 온난화로 인해 바다의 수온이 올라가면서 메탄 하이드레이트가 급격히 기화되어 지구의 종말이 벌어진다는 전제로 시작한다.
3. 기타
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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. 이러한 문제는 해저 원유/가스 생산을 위한 시추 파이프에서도 일어난다. 최초로 메탄 하이드레이트에 대한 연구가 시작된 것은 이러한 문제를 해결하기 위해서였다.
4. 관련 문서
[1] 나머지는 부탄 및 에탄 등 다른 천연가스들이다[2] 폭발이 아니라, 수압이 높아지므로 흙이 받는 압력(유효응력)이 오히려 줄어들게 되며, 이로 인해 흙의 강도가 줄어들어 해저 산사태 및 전단 파괴와 같은 현상을 보일 수 있다. 기본적인 메커니즘은 강우시 발생하는 산사태와 동일하다.[3] 탈주온실효과라 한다.