불타는 얼음. 메탄하이드레이트(Methane hydrates)에게 붙은 별명인데요. 오염물질이 적고, 발열량이 높아 차세대 에너지원으로 꾸준히 주목 받았죠. 실제로 메탄하이드레이트를 상용화하기 위한 기술 개발은 계속 이어지고 있는데요. 지난 3월 일본 미쓰이해양개발(MODEC)은 해저에서 추출한 메탄하이드레이트를 가지고 수소를 만드는 시스템을 개발하겠다는 소식도 들려왔는데요. ‘잠자는 거인’이라 불리는 메탄하이드레이트가 도대체 무엇이길래 다들 주목하는 걸까요?

 

메탄하이드레이트가 무엇이야? 🤔

빙하기 이후 해저나 빙하 아래에서 저온·고압에서 물 분자 안에 천연가스가 포획돼 형성된 얼음 형태의 화석연료인데요. 포획된 천연가스의 주성분에 따라 메탄·이산화탄소·수소 하이드레이트 등으로 분류된다고 해요. 이때 메탄가스의 주성분이 90% 이상일 때만 메탄하이드레이트로 부른다고.

  • 어떻게 만들어지냐면요 🌊: 죽은 생물 유해 등이 해저에 쌓이면 박테리아가 분해하는데요. 이 과정에서 생성된 메탄가스가 수면 위로 올라오는 도중 차가운 물을 만나 얼면서, 메탄이 얼음 안에 갇히게 된다고.
  • 얼마나 있냐면요 🌎: 러시아, 캐나다, 일본, 미국 등 전 세계에 널리 분포돼 있어요. 위도가 높은 지역은 영구동토층 같은 지표에도 존재하는데요. 중·저위도는 심해 속에 있죠. 매장량도 엄청난데요. 매장량 추정치를 천연가스 양으로 환산하면 인류가 약 500년 동안 사용할 수 있는 분량이라고. 물론 연구자에 따라 매장량 추정지가 다른 것은 감안해야 한다고 해요.
© 2002년 미국 오리건주 앞바다에서 채굴된 메탄 하이드레이트_USGS

그래서 차세대 에너지원으로 주목받는 이유가 뭐야? 🔥

우선 저온 고압의 환경에서 만들어져서 매우 에너지집약적 형태로 단위 당 발열량이 높고 이산화탄소 발생량이 적습니다. 차세대 에너지원으로서의 장점 3개를 설명하면.

  • 높은 발열량 ⚡: 얼음 형태의 메탄하이드레이트는 에너지 집약적인데요. 메탄하이드레이트의 주성분인 천연가스의 순발열량은 49.4MJ/kg으로 석탄(국내무연탄) 19.4MJ/kg보다 발열량이 높은 편이죠. 여기에 메탄하이드레이트는 고압으로 농축됐기에 일반 천연가스보다 발열량이 훨씬 높다고. 👉 CH4 + O2 ⇒ CO2+H20+Energy ↑
  • 낮은 오염물질 배출량 ☁️: 석유나 석탄 등 화석연료는 고체나 액체상태로 불순물이 많이 섞여있어 정제가 필요한데요. 메탄하이드레이트은 압력을 낮추거나 온도를 높이는 방식으로 메탄과 물 등으로 분해가 가능해요. 주성분인 메탄은 탄소 1개와 4개의 수소로 이루어져 있어 이산화황 등 오염물질 배출이 없는데요. 연소 시 천연가스의 이산화탄소 배출량은 56.1tCO2/TJ로 석탄(국내 무연탄) 110.6 tCO2/TJ의 약 절반 수준이라고.
  • 엄청난 매장량: 전 세계 해저나 영구동토층 등에 골고루 매장돼 있는데요. 매장량도 엄청나다고. 일단 석유·석탄·천연가스를 합친 것보다 2배 이상 많은 것으로 추정된다고 해요.

 

+ 다만, 채굴에 이런 어려움이 있어요! ⛏️
기술적 어려움과 비용 등 경제성 문제로 인해 고난도 시추 기술이 필요한데요. 채굴에 성공해도 메탄가스가 유출될 우려가 있어서, 생산·수송·소비에 이르는 전 과정에서 각별한 유의가 필요하다고.

 

© 바닷속 메탄이 수면 위로 올라오는 모습_Carolyn D. Ruppel, Nature

한편에서는 ‘시한폭탄’이란 소리도 들리는데요 💣

메탄하이드레이트는 수온이 낮고, 압력이 높은 해저나 영구동토층이 아닌 곳에서는 기체 변하는데요. 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)는 메탄이 이산화탄소보다 온실효과가 21배나 더 큰 기체라고. 최근 기후변화로 인해 북극해에 묻혀 있던 메탄하이드레이트층에서 메탄가스가 분출되고 있단 사실도 처음으로 확인됐다고 합니다. 현재 과학자들이 예의주시 중!

 

어떻게 해결할 수 없는 거야? 😭

과학자들은 해저의 메탄가스가 대기 중으로 방출되면 지구 온도 상승에 영향을 주고, 수온도 올라가 더 많은 온실가스 배출로 이어지는 악순환을 우려 하는데요. 이에 메탄하이레이트층에서 나온 메탄가스를 포집하거나 분해할 수 있는 기술이 연구 중이라고 합니다. 관련 기술들은 아직 초보 단계이나 연구가 활발하게 진행 중이라고 해요. 대표적인 2개만 이야기하면.

  • 공기 중에서 포집 ☁️: 미국 스탠퍼드 대학교 연구팀에 의하면, 알루미늄과 실리콘, 산소로 구성된 ‘제올라이트(Zeolite)’란 물질은 메탄을 포집할 수 있습니다. 제올라이트가 채워진 화학반응용기에 송풍기(Fan)로 공기를 강제흡입시켜 메탄을 포집한다고.
  • 미생물로 분해 🦠: 메탄자화균은 메탄을 메탄올(알코올)로 분해해 에너지원으로 살아가는 세균인데요. 일반적으로 고위도 지역의 춥고 습한 지역에서 발견된다고. 지금까지 약 60종이 학계에 보고됐으며, 토양에서 배출된 메탄의 90%까지 분해할 수 있는데요. 국내외 연구진들은 이 미생물을 활용해 영구동토층에서 방출된 메탄가스를 완전히 분해할 수 있는 방안을 찾고 있죠.

 

+ 메탄하이드레이트 상용화, 언제 즈음 될 것 같아? 🤔
미국, 일본, 중국, 러시아 등 여러 국가에서 채굴을 시도 중인데요. 일단 가장 앞서 나가고 있는 국가는 일본과 중국! 일본은 오는 2023~2029년 사이 상용화를 목표로 하고 있어요. 2017년 메탄하이드레에트 채취에 성공한 중국도 오는 2030년까지 상용화를 목표로 안정적으로 메탄가스를 생산하는 기술을 개발 중이라고.