21세기가 시작되면서 〈미국과학재단〉에서 새로운 세기에 해양과학에서 해야 할 가장 중요한 연구주제 27개를 발표했는데 이 중에서 3개가 메탄하이드레이트에 관한 연구였다. 메탄하이드레이트는 천연가스 주성분인 메탄을 함유하고 있는 얼음 상태의 물질로, 메탄 등의 가스 분자가 물분자 안으로 들어가서 만들어지는 기포 모양의 결정체인데 ‘불타는 얼음(fire ice)’이라는 별칭으로도 불린다.
https://youtube.com/shorts/KFAZT-2HBqY?feature=share
메탄하이드레이트의 기원은 두 가지로 설명될 수 있는데, 첫 번째는 해저 미생물의 발효에 의해 발생되는 생물분해 기원과, 두 번째는 가스와 생물의 유해가 지층 속에서 열과 압력을 받아 발생되는 열분해 기원이다. 전 세계적으로 메탄하이드레이트가 부존된 지역에서 심해 시추자료에 의해 확인된 천연가스 수화물의 대부분은 생물분해에 의해 형성되는데, 이는 박테리아가 생물의 유해를 분해시키고 메탄가스를 분비해 물 분자와 결합하여 수화물을 형성하게 되는 것이다. 따라서 유기물의 유해가 풍부하고 이들 물질이 산화되기 전에 빠른 퇴적작용이 일어나는 환경에서 메탄하이드레이트의 생성이 용이하다.
메탄하이드레이트는 1810년 영국의 화학자인 험프리 데이비에 의해 처음으로 합성되었고 1930년대 들어서면서 갑자기 주목을 받았다. 이 당시 메탄하이드레이트가 주목을 받은 것은 추운 동토지역에서 천연가스전을 개발하자 이 얼음덩어리가 천연가스관을 자주 막아버려 심각한 문제를 일으키는 골칫거리였기 때문이다.
1930년대에 천연가스 개발의 골칫거리로 등장했던 메탄하이드레이트가 주목을 받는 것은 차세대 에너지원으로 개발 가능성이 높기 때문이다. 지금까지 인류의 주요 에너지 자원은 목재, 석탄, 석유로 변천되었지만 앞으로는 천연가스가 주종을 이룰 것으로 생각한다. 우리 나라에서도 일부 사용되고 있는 천연가스는 석유나 석탄에 비하여 탄소를 포함하는 성분 비율이 작아서 연소했을 때 이산화탄소의 배출량이 적고 유해 물질도 많이 배출되지 않는 장점이 있다. 그러나 천연가스 역시 매장량에는 한정이 있어 2060년경에는 고갈될 것으로 전문가들은 추측하고 있다.
이들 전망은 인간이 개발하기 비교적 쉬운 지표 인근의 매장량을 기본으로 산정한 것이다. 반면에 지구 표면의 71%를 차지하는 바다는 우주공간과 같은 미지의 세계다. 사람이 우주선으로 달에는 가봤지만 바닷속 가장 깊은 곳인 수심 11km 지점에는 누구도 가보지 못했고 전체의 10% 정도만 탐사가 이루어졌을 뿐이다.
메탄하이드레이트에 학자들이 남다른 매력을 느끼는 것은 같은 양의 에너지를 만드는데 있어 석유보다는 1.5배, 석탄보다는 2배 정도 적게 이산화탄소를 발생시킬 정도로 청정에너지라는 점이다. 특히 메탄하이드레이트는 유체 투수율이 낮아 덮개암(Cap Lock)구실을 하므로 아래층에 석유자원이 매장되었는지를 알려주는 표시물이기도 하여 유전개발에 있어 매우 중요시되는 물질이다.
‘해저에 석유자원이 부존돼 있는 지역을 탐사 해보면 통상 맨 위쪽에 얼어붙어 있는 하이드레이트층이 나타나고 그 아래층에 천연가스와 원유가 있다.’
메탄하이드레이트는 알래스카, 캐나다, 러시아 등 북극권 영구 동토지역에서는 지표에서 1,200〜1,300미터, 500미터 이상의 해저 심층부에 매장되어 있다고 알려졌다. 매장량을 천연가스로 환산할 때 1,000조에서 5경 세제곱미터로 추정한다. 이는 현재 세계에서 사용되고 있는 에너지의 200〜500년에 해당하는 엄청난 량으로 전 세계 석탄과 석유의 매장량을 합친 것보다 훨씬 상회한다.
미국 에너지성은 이보다 더 많은 량이 부존되어 있어 학자들에 따라 적어도 5,000년은 에너지 고민없이 사용할 수 있다고 전망한다. 에너지성의 발표에 의하면 미국 EEZ 안에 부존되어 있는 메탄하이드레이트의 1퍼센트만 개발한다고 해도 미국 내 소비량의 약 80년치에 해당한다고 말했다.
한국석유공사와 한국지질자원연구원·한국가스공사의 기술진이 주축이 된 가스하이드레이트사업단은 2000년부터 독도 등 동해 전역을 조사하여 울릉분지 지점의 깊은 해저층에서 깊이 130m에 달하는 메탄 하이드레이트 구조를 발견했다고 발표했다. 이는 세계에서 5번째로 확인된 구조일 뿐 아니라, 일본·인도·중국 등 우리보다 앞서 시추했던 국가의 구조보다 훨씬 큰 규모다. 매장이 추정되는 곳은 해저면 아래 400～1,000 미터 지역인데 현재까지 동해 대륙붕 가운데 울릉분지 주변에만 약 6〜8억 톤의 메탄하이드레이트가 매장돼있다는 것이다. 국내 연간 LNG 사용량 2,700만 톤을 기준으로 환산할 때 우리나라 천연가스 사용 200〜300년 이상의 분량으로 추정되고 있다. 이 매장량이 모두 개발된다면 무려 약150조〜200조 원의 수입대체효과를 얻을 수 있다고 설명된다.
메탄하이드레이트를 개발하는 것이 현 단계에서 간단한 일은 아니다. 우선 심해저에 매장된 메탄하이드레이트를 압력과 온도를 그대로 유지한 채 채취하는 기술이 개발되어야 하기 때문이다. 추출 방법으로는 고온수 순환방식과 압력차를 이용하는 방식(감압법)이 있는데 근래 학자들은 매우 중요한 채굴 방법을 도출했다. 메탄가스와 이산화탄소의 분자구조가 비슷하므로 이산화탄소를 메탄 하이드레이트 옆에 갖다 대면 얼음 속 메탄이 빠져나와 그 자리에 이산화탄소가 대신 들어가는 원리(치환법)를 이용하는 것이다. 물론 심해저의 메탄하이드레이트가 파이프라인, 노즐 등에서 유발시키는 플러깅(Plugging) 현상, 심해저 유전개발 할 때 생기는 문제점들도 사전에 해결해야 한다.
두 번째로는 환경적인 측면의 문제점도 해결해야 한다. 물과 가스분자들은 서로 화학적 결합이 아닌 물리적 결합으로 이루어져 있어서 해리 조건에서 물과 가스로 분해되는데, 이렇게 분해된 메탄이 그대로 대기 중에 방출된다면 현재 사용 중인 화석연료의 10배 이상에 달하는 온실효과가 나타날지 모른다는 점이다. 메탄은 이산화탄소보다 약 20배의 지구온실효과를 지닌 가스로 대기 중으로 방출되면 대기온도를 크게 상승시킨다.
만일 온도가 높아지거나 압력이 낮아진다면 고체 안의 메탄하이드레이트는 가스와 물로 해리된다. 고체인 메탄하이드레이트가 가스와 물로 해리되면 1세제곱미터의 메탄하이드레이트는 약 164세제곱미터의 메탄가스를 만들 수 있다. 많은 학자들은 5,500만 년 전 후기 팔레오세에 있었던 극단적인 지구온난화현상은 이런 메탄하이드레이트에 의해서 발생되었다고 믿는다. 약 8000년 전 노르웨이 해저에서도 메탄가스가 분출됐는데 당시 분출된 해저 구멍은 약 100여 개가 되며 그 직경이 3,000미터에 달한다. 분출량은 약 3,500억 톤으로 추정하는데 이런 상황이 재현될 경우 지구 기온은 약 4도, 수온은 2도 정도 급상승할 것으로 추정한다. 즉 메탄하이드레이트에 포함된 메탄가스의 양은 대기권에 존재하는 양의 300배로 예상되므로 시추과정에서 어떻게 메탄의 방출을 막을 것인가라는 기술적 문제가 관건이다.
수많은 선박들이 의문스럽게 실종되어 ‘마의 삼각지대’라고 불리는 버뮤다 삼각지대의 미스터리도 해저에서의 메탄하이드레이트가 원인이라는 설명도 있다. 해저에서의 갑작스러운 변동에 의해 메탄수화물이 녹아 기포가 되어 바닷물 속에서 떠오르면 바닷물의 밀도가 극히 낮아지고 결과적으로 부력을 약화시킨다. 이때 분출되는 가스의 속도가 빠르고 지엽적이면 그 효과가 해양 시추시 폭발에 버금가는 위력을 나타낸다. 즉, 이 지역을 지나는 모든 선박은 부력을 잃고 엘리베이터 통로에서 떨어지듯이 침몰할 수 있다는 것으로 구명복을 입고 물 속으로 뛰어들어도 무사할 수 없다. 또한 방출되는 가스의 양이 많으면 상당량의 가스는 수면 위로 올라가서 그 위를 지나는 항공기에 엔진 고장을 일으켜 추락 원인이 될 수 있다.
한국과학기술원(KAIST)의 이흔 교수가 메탄하이드레이트에서 메탄을 빼낸 후에 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 다시 삽입할 수 있는 메커니즘을 발표해 전 세계의 주목을 받았다. 이 방법이 실용화 된다면 위에서 언급한 문제의 해결과 동시에 환경 보호라는 두 가지 난제를 풀 수 있으므로 본격적인 메탄하이드레이트의 개발은 앞으로 전 세계적인 화두가 될 전망이다.
그러나 한국만 따지면 당분간 메탄하이드레이트 개발이 난관에 봉착한 것은 사실이다. 한국의 동해는 평균수심이 약 1,350 m, 최대수심은 약 3,700 m로 수심이 깊은 해양 퇴적분지에 속한다. 동해에서 발달된 퇴적분지는 한국대지, 오키뱅크, 야마또릿지 등의 지형적 고지대와 일본분지, 야마또분지, 울릉분지 등의 해양퇴적분지로 구분되는데 이 중 울릉분지의 서쪽이 바로 메탄하이드레이트 지역이다.
하지만 메탄하이드레이트를 섯불리 시추하면 해저지형이 무너지면서 폭발할 수 있다는 탐사 결과가 나오면서 메탄하이드레이트를 자원화한다는 계획에 차질이 생긴 상태다. 물론 현재의 기술로는 메탄하이드레이트를 개발한다는 것에 어려움이 생겼지만 동해에 부존자원이 확인된 만큼 메탄하이드레이트 생산기술과 관련 연구개발은 지속되고 있다.
한편 남극의 세종기지 연구팀은 남셰틀랜드 군도 북동해역에서 대량의 메탄하이드레이트가 매장되어 있음을 밝혔다. 이는 국내 소비량의 약 400년 치에 해당하는 매장량이다. 남극은 현재 어느 나라의 소유권도 인정되지 않는 지역으로 세계 각국의 자유로운 과학 연구 활동이 가능한 지역이다. 메탄하이드레이트가 지구환경에 중요한 요인인데다 또한 미래의 에너지원으로서 각광을 받을 에너지이므로 한국이 러시아, 벨기에, 독일 등 국제공동연구를 통해 전 세계를 대상으로 하는 메탄하이드레이트 연구를 추진하고 있다.
근래 메탄하이드레이트의 실용성을 보다 높여주는 자료도 발표되었다. 캐나다 국립연구원(NRCC) 존 리미스터 박사는 가스 하이드레이트 세 종류 중 인공으로밖에 만들 수 없었던 ‘구조-H’라는 메탄하이드레이트가 그동안 자연 상태에서는 없는 것으로 추정했으나 자연 상태에서도 존재한다고 밝혔다. ‘구조- H’ 형태의 메탄하이드레이트가 주목을 받는 것은 200〜500m의 얕은 바다 밑에도 묻혀 있을 수 있기 때문이다. 이는 메탄하이드레이트가 묻혀 있을 가능성이 있는 영역이 더욱 넓어졌다는 것을 뜻한다. 즉 에너지 자원이 보다 더 많아졌다는 것을 의미한다.
메탄하이드레이트는 독도를 둘러싸고 한국과 일본의 혈투에도 관련된다고 알려진다. 2012년 발표된 '독도의 경제적 가치 평가'에 의하면 독도의 유·무형 자산 중 메탄하이드레이트의 비중이 가장 높다.
이에 가장 큰 눈독을 들이고 있는 곳이 일본이라는 설명이다.
일반적으로 일본이 독도에 집착하는 이유는 한국에 독도를 양보할 경우 ‘러시아가 차지한 북방 영토를 영원히 되찾지 못할 전례를 남길지 모른다’로 설명된다. 또한 중국과 분쟁이 있는 센가쿠 제도에 대한 영유권에도 큰 영향을 미칠 것으로 생각하여 자기네 땅이 아님을 알면서도 그들 나름대로의 영토 확장 즉 ‘밑져야 본전’이란 식으로 생떼를 부린다는 것이다. 그런데 근래 일본이 무리한 논리를 내세우면서 독도에 관심을 가지는 이유가 바로 독도의 메탄하이드레이트에 집중돼 있기 때문이라는 것이 전문가들의 공통된 의견이다.
참고문헌 :
「독도 ‘메탄하이드레이트’ 개발 난항」, 조영삼, 경상매일, 2014.07.30.
「[과학이야기]버뮤다 수수께끼는 가스 때문?」, 박미용, 뉴스메이커, 2003.09.18 제540호
「동해 가스하이드레이트 대량 매장 추정」, 허대기, 『과학과 기술』, 2004년 9월
「동해와 독도 인근 해저의 광물자원」, 석봉출, www.news.co.kr, 2004.10.11
「해저의 메탄수화물 개발하면 인류는 수세기 동안 에너지 걱정 없어」, 유해수, 월드빌리지, 2004. 겨울호
「바다속 노다지를 캔다-하이드레이트」, 이정모, 과학향기 포커스, 2004.4.12
「불타는 얼음 개발 가능성 커졌다」, 박방주, 중앙일보, 2007.1.18
「150조 바다밑 황금 '메탄 하이드레이트' 잠잔다」, 매일신문, 2008.09.11.