『관할해역지질연구센터장 이상훈 책임연구원』                   

지구상의 모든 국가의 모든 사람들에게 기후변화는 더 이상 피할 수 없는 매우 중요한 문제가 되고 있다.

이에 2015년 파리에서 열린 UN 기후변화 정상회의에서는 온실가스를 줄이기 위해 세계 각국이 국가별로 온실가스 감축량을 제시하였으며, 2016년까지 이에 대한 서명을 마칠 예정이다.

온실가스 중 그 양이 가장 많아 지구 온난화에 막대한 영향을 끼치는 것으로 알려진 가스는 이산화탄소로 우리나라는 1960년부터 현재까지의 이산화탄소 배출 증가율이 최상위에 해당된다.

우리나라는 이산화탄소를 감축하기 위하여 2030년부터 BAU (Business As Usual) 대비 30%의 이산화탄소를 감축하기로 한 계획을 UN에 제출하였고, 이를 위해 2016년까지 국가차원의 온실가스 감축을 위한 중-장기 계획안을 마련할 예정이다.

이산화탄소를 줄이는 방법은 이산화탄소 배출을 줄이는 것과 배출된 이산화탄소를 제거하는 것이다.

이산화탄소 배출을 줄이기 위해서는 신재생 에너지(태양, 바람, 파도 등)를 이용하는 방법이 있으나, 에너지 생산량과 생산 비용을 고려하면 여러 가지 측면에서 한계가 있는 상황이다. 배출된 이산화탄소를 제거하는 방법으로는 이산화탄소를 포집하여 지층에 저장하는 CCS(Carbon Capture and Storage)와 이를 유용 물질로 전환하는 CCU(Carbon Capture and Utilization) 방법이 있다.

포집된 이산화탄소를 유용 물질로 전환하는 CCU는 현재 개발 초기단계에 있으며, 유용 물질로 전환할 수 있는 양 또한 미비한 상황이다. 반면에 포집된 이산화탄소를 지층에 저장하는 CCS는 석유와 가스를 탐사·생산하는 과정과 반대이기 때문에 다른 감축수단에 비해 기술이 성숙·안정화되어 있고 적용이 매우 쉬우며, 초임계 상태의 작은 부피로(공기 중의 이산화탄소부피의 1/277에 해당) 지층에 저장하기 때문에 대규모의 감축이 가능하다.

IEAGHG와 Global CCS Institute에 따르면 CCS가 이산화탄소를 감축하기 위한 단계 초기에서 중기까지 매우 중요한 역할을 할 수 있다고 판단하고 있다.

포집된 이산화탄소를 지층에 저장하기 위해서는 첫째 저장된 이산화탄소가 저장 지층에 잘 저장되어야 하고, 둘째 저장 지층으로부터 지표면 또는 해저면으로 이산화탄소가 누출되는 일이 없어야 하며, 셋째 환경적으로 유해하지 않는 공적 수용성(public acceptance)이 반드시 확보되어야 한다.

지층에 저장된 이산화탄소의 저장 및 누출이 없는지 확인하기 위해서는 지층 내의 이산화탄소 확산 및 거동을 감지하는 모니터링이 반드시 필요하다.

지층에 저장된 이산화탄소의 거동 모니터링 방법 및 체계는 저장 환경(육상 vs. 해양), 저장층 및 덮개층의 특성 및 분포 깊이, 주입·저장되는 이산화탄소의 양 등에 따라 매우 달라진다.

우리나라의 경우 이산화탄소를 대규모로 저장할 수 있는 지질학적 공간이 육상에는 매우 부족하고, 육상 저장에 대한 공적 수용성의 문제가 매우 커서 해양 지중저장이 가장 유력하다.

이 글에서는 국외 및 국내에서 수행되었던 이산화탄소 지중저장 실증 연구 또는 프로젝트에 대한 동향을 파악하고, 이를 통해 향후 우리나라에서도 수행될 가능성이 매우 높은 대규모 이산화탄소 해양 지중저장 실증 프로젝트의 지층 모니터링 분야에 대해 살펴보고자 한다.

■ 국외 동향  

수천 톤에서 1만 톤 이하의 규모로 이산화탄소를 육상 지층에 주입, 저장, 거동, 환경 모니터링 등을 연구하는 소규모 실증 프로젝트는 초기 미국, 유럽, 호주, 일본 등 선진국에서 활발하게 수행되었다. 이는 육상 광구에서 물이나 이산화탄소를 석유·가스 함유층에 주입하여 석유와 가스의 회수율을 높이는 기술(Enhanced Oil Recovery)과 에너지 자원(석유 및 가스) 탐사·생산과 관련된 기존 기술을 활용하였다.

2000년대 중반부터는 수만 톤 이상의 중·대형 이산화탄소 주입·저장 육상 실증 프로젝트가 국토가 넓은 미국, 호주를 중심으로 수행되기 시작하였고 그 중 성공적으로 수행되고 있는 프로젝트로는 일리노이 Decatur 프로젝트로, 1단계 실증사업으로 일리노이 분지의 Mt. Simon Formation에 2014년까지 3년 동안 약 100만 톤의 이산화탄소를 저장하였고, 2단계 실증사업으로 2015년부터는 연 100만 톤 규모의 이산화탄소를 저장하고 있다. 이곳에서는 크게 심부 지층과 천부지층으로 나누어서 모니터링을 실시하고 있는데, 특히 생활 · 농업용수로 활용되는 지하수와 관련하여 다양한 지질/지구물리 기법을 통해 천부지층 모니터링에 중점을 두고 있다.

육상과 달리 해양에서는 인프라 구축 비용이 매우 비싸기 때문에 노르웨이와 일본에서 수십만 톤 이상의 대규모 실증 프로젝트들이 수행되고 있으며, 그 중 성공 사례로 꼽히고 있는 노르웨이 Sleipner 프로젝트는 북해 노르웨이 해역에서 생산되는 천연가스에서 추출되는 이산화탄소를 생산정 주변의 해저 염대수 지층에 바로 저장하는 것으로(그림 1), 1996년부터 2014년까지 약 1,500만 톤의 이산화탄소를 누적 저장하여 현재까지 최고 기록을 가지고 있다.

Snohvit 프로젝트는 육상 천연가스 정제공장에서 배출되는 이산화탄소를 2008년부터 현재까지 약 300만 톤 가량 노르웨이 Barrents Sea의 수심 약 300m 정도에서 약 2,600m 깊이의 해저지층에 저장하고 있다(그림 1).

해양환경에서 수행되고 있는 Sleipner와 Snohvit 프로젝트에서는 해양 시추 비용이 매우 비싸기 때문에 관측공을 활용하지 않고, 2D/3D 심부 탄성파 탐사, 고해상 천부 탄성파 탐사, 중력, 주입 압력/온도, 해저면 영상/수심, 천부 퇴적물 특성 등 다양한 지구물리와 지질 기법을 활용하여 지층 모니터링을 수행하고 있다.

이들 지역은 ‘시간 경과 3차원 탄성파(time-lapse 3-D seismic)’ 탐사 모니터링을 수행하여 이산화탄소가 저장층에 양호하게 주입·저장되고 있고, 영상화된 자료를 통해 저장층에서 지층 상부로 누출되지 않음을 확인할 수 있다(그림 2 및 3).

이러한 안정성 및 공적 수용성을 확보하여 대규모의 이산화탄소 해양 지중저장을 지속적으로 수행할 수 있는 기반이 마련되었고, 현재 유럽연합의 연구비를 활용하여 노르웨이, 영국, 네덜란드 등 유럽 연구기관과 대학이 공동으로 지층 내 이산화탄소 거동 및 누출 감지를 위한 새로운 모니터링·모델링 기법을 개발하고 있다.  

일본은 활발한 지구조 운동으로 다소 불안정한 지질환경을 가지고 있기 때문에 약 10만 톤 규모의 중규모 실증 프로젝트를 Tomakomai 연안에서 수행하고 있는데, 비용 절감을 위해 육상 연안에서 해저 지층에 2016년부터 이산화탄소를 주입·저장하고 있으며 육상과 해양에서 동시에 지층 내 이산화탄소 거동 및 누출 모니터링을 수행하면서 경험을 축적하고 있다. 더불어, 최근 석유 및 가스 가격의 급락으로 해양 산유국과 대형 석유회사들은 해양 생산 플랫폼(platform)을 활용하여 대규모 실증 또는 상업화를 위한 이산화탄소 해양 지중저장 프로젝트를 준비하고 있다. 특히, 미국은 텍사스 BEG(Bureau of Economic Geology)를 중심으로 멕시코 만의 유전·가스전을 활용한 프로젝트를 준비하고 있으며, 영국과 네덜란드는 북해의 폐유전·폐가스전을 활용한 Goldeneye와 ROAD 프로젝트를 계획 중에 있다. 이들 실증 프로젝트가 수행되면 해양에서의 지층 내 모니터링 분야의 연구와 관련 상용 분야 연구가 활발해질 것으로 예상된다.

■ 국내 동향  

국내에서는 미래창조과학부 주도하에 설립된 KCRC(Korea Carbon Capture & Sequestration R&D Center)에서 육상 소규모 실증 이산화탄소 저장지를 확보하기 위해 포항 장기 분지를 1만 톤급 소규모 실증 프로젝트를 위한 저장지로 선정하고, 다양한 지층 내 모니터링 기법에 대해 기초적인 연구를 수행할 예정이다. 국내 여건 상 이산화탄소의 대규모 저장을 위해서는 해저 퇴적층을 이용해야 하기 때문에 우리나라 주변 해역에 분포하는 군산 분지, 제주 분지, 울릉 분지의 저장 가능성에 대해 광역적인 탐색을 수행하여 이론적으로 탄소 저장 가능량을 파악하였다. 이를 바탕으로 동해 울릉분지 남서부 대륙붕 퇴적층에 대해 정밀 분석을 수행하여 연 100만 톤의 이산화탄소를 최소 10~15년 저장할 수 있는 유망 지역을 선정하였고, 동해 울릉분지 남서부 대륙붕의 유망 저장지를 기초로 지층 내 모니터링에 대한 예비 기초연구가 수행되었다. 국가 온실가스 감축 계획 일정에 따라 2016년까지 국가 CCS 종합 계획안이 마련될 예정이며, 이 계획안에 대규모 해양 저장 실증 프로젝트 내용이 담길 경우, 빠르면 2018~2019년부터 세계에서 2번째로 동해 울릉분지 남서부 대륙붕에서 대규모 해양 저장 실증 프로젝트가 수행될 수 있다.

■ KIOST의 연구 사업화  

동해 울릉분지 남서부 대륙붕에서 이산화탄소 대규모 저장 실증 프로젝트를 수행하기로 결정될 경우, 장기적으로는 자연스럽게 대규모의 상용 이산화탄소 해양 저장 사업으로 연결, 진행될 것으로 예측된다. 따라서 KIOST는 대규모 실증 프로젝트 및 상용 사업에 대비하여 지층 및 수층 모니터링·모델링과 관련된 다양한 연구 사업을 수행할 수 있다고 판단되며, 이를 위해서는 지구물리(탄성파) 분야의 연구 인력을 확충하고 관련 장비를 구축하는 일이 매우 시급한 상황이다. 특히, 이산화탄소의 확산 및 거동을 고해상도로 인지할 수 있고, (준)정량화가 가능한 자료 처리 및 해석과 관련된 분야의 R&D 연구 과제 및 OBC(Ocean Bottom Cable), 각종 수중 음향 감지기 등을 이용한 상시·원격 모니터링 기법과 운용 기술, 상시·원격 모니터링 관측망 구축과 관련된 R&D 연구 과제를 개발·수행할 수 있다. 이를 위해 이산화탄소가 저장 지층에 잘 저장되고 상부로 누출되지 않는지를 파악하기 위한 모니터링의 도출 자료를 활용하여 이산화탄소의 확산, 거동, 누출 등을 예측하는 모델링 연구를 병행하고, 관련 인력 및 장비를 구축하여 본 사업에 대비해야 한다고 판단된다. 특히, 해저면으로 이산화탄소가 누출될 경우와 주입공 주변에서 인위적인 사고로 인해 이산화탄소가 누출될 경우에 대비하여 천부지층과 해수층을 통합·연계한 초기 경고 시스템과 이산화탄소 누출을 정량화한 환경 위해성 평가 및 저감 분야 연구도 반드시 필요하다.

■ 결론 및 제언  

기후변화의 주요 원인으로 꼽히는 온실가스인 이산화탄소 배출을 감축하는 것은 필연적이다. 이산화탄소 지중저장 분야의 기술은 다른 감축 수단에 비해 기술적으로 안정·숙성 단계이므로 이산화탄소 감축의 초기~중기 단계에서 많은 양을 감축할 수 있는 수단으로 주목받고 있다. 이산화탄소 포집·수송과 연계된 해양 지중 저장 분야는 여러 분야가 필요한 대형·장기 융합 연구 프로젝트 성격이기 때문에 국내의 관련 연구기관, 대학, 산업체 등 다양한 연구 기관들이 대규모 해양 지중저장 실증 및 상용 프로젝트에 참여하여 관련 기초·응용과학 및 기술을 정립·개발할 수 있고 이를 통해 다양한 상용화 기술을 축적할 수 있다. KIOST는 해양물리, 해양지질, 해양공학 등 다양한 분야의 연구진과 연구 시설을 기반으로 융합적인 연구 프로젝트를 수행한 경험이 많으므로, 이를 바탕으로 체계적인 준비를 한다면 향후 대규모 해양 지중저장 실증 및 상용 프로젝트에서 중추적인 역할을 할 수 있다고 판단된다.