한국해양환경공학회지 Journal of the Korean Society for Marine Environmental Engineering Vol. 11, No. 1. pp. 24-34, February 2008 해저지질구조내 CO 2 저장기술의연구개발동향및향후국내실용화방안 강성길 허철한국해양연구원해양시스템안전연구소 The Latest Progress on the Development of Technologies for CO 2 Storage in Marine Geological Structure and its Application in Republic of Korea Seong-Gil Kang and Cheol Huh Maritime & Ocean Engineering Research Institute / Korea Ocean Research & Development Institute (MOERI/KORDI), P.O.Box 23, Yuseong-gu, Daejeon 305-600, Korea 요 약 지구온난화를완화하기위한온실가스대량감축기술의하나로써이산화탄소포집및저장기술 (Carbon dioxide Capture and Storage; CCS) 이최근국제적으로주목받고있다. 본논문에서는 CCS 기술중대규모의 CO 2 를해양의퇴적층에저장하고자하는 CO 2 해양지중저장기술을중점으로하여국내외관련연구개발동향을분석하고이를토대로향후국내실용화방안을제안하고자한다. ' 해저지질구조내 CO 2 저장기술 ( 혹은 CO 2 해양지중저장기술 )' 은지구온난화주범인 CO 2 의 40% 가량이배출되는대규모발생원 ( 발전소등 ) 에서포집된 CO 2 를초임계상태나액체상태로가압하여파이프라인이나선박등을통해수송한후, 최종적으로해양의퇴적층에대규모로수백-수천년이상장기간저장및관리하는기술을말한다. CO 2 해양지중저장기술개발을위해서는저장후보지탐색및저장공간내 CO 2 거동모니터링과관련한 CO 2 해양지중저장기반기술, 포집된 CO 2 를선박또는파이프라인으로수송하여저장지에주입시키는데요구되는제반플랜트및설비구축과관련한 CO 2 해양플랜트설비기술, 그리고주입과정또는사후에발생할수있는 CO 2 노출가능성과환경에의잠재적영향을평가하여환경안정성이담보된 CO 2 저장이되도록하는 CO 2 해양환경평가기술등 3개세부분야에대한연구가요구된다. 국내에서 CO 2 저장기술은 2005년부터해양수산부연구사업으로한국해양연구원이본격적으로연구개발을추진하였으며, 본사업에서는 2005년부터 2009년까지핵심기반기술을개발하고, 2010년부터 2014년까지 1만톤급파일롯저장을통한개발기술의실증을목표로하고있다. 이를토대로 2015년부터발전소또는제철소 CO 2 포집기술과연계하여민간주도로동해가스전등을대상으로하여보급형 100만톤급 CO 2 저장을추진할필요가있다. 이를통해향후 2050년까지연간 1억톤 CO 2 를처리하여매년 2조원이상의환경비용을절감하는국내실용화방안을모색하고있다. Abstract To mitigate the climate change and global warming, various technologies have been internationally proposed for reducing greenhouse gas emissions. Especially, in recent, carbon dioxide capture and storage (CCS) technology is regarded as one of the most promising emission reduction options that CO 2 be captured from major point sources (eg., power plant) and transported for storage into the marine geological structure such as deep sea saline aquifer. The purpose of this paper is to review the latest progress on the development of technologies for CO 2 storage in marine geological structure and its perspective in republic of Korea. To develop the technologies for CO 2 storage in marine geological structure, we carried out relevant R&D project, which cover the initial survey of potentially suitable marine geological structure for CO 2 storage site and monitoring of the stored CO 2 behavior, basic design for CO 2 transport and storage process including onshore/offshore plant and assessment of potential environmental risk related to CO 2 storage in geological structure in republic of Korea. By using the results of the present researches, we can contribute to understanding not only how commercial Corresponding author: kangsg@moeri.re.kr 24
해저지질구조내 CO 2 저장기술의연구개발동향및향후국내실용화방안 25 scale (about 1 MtCO 2) deployment of CO 2 storage in the marine geological structure of East Sea, Korea, is realized but also how more reliable and safe CCS is achieved. The present study also suggests that it is possible to reduce environmental cost (about 2 trillion Won per year) with developed technology for CO 2 storage in marine geological structure until 2050. Keywords: Climate Change( 기후변화 ), Carbon Dioxide( 이산화탄소 ), Carbon dioxide Capture and Storage(CCS, 이산화탄소포집및저장 ), CO 2 Storage in Marine Geological Structure(CO 2 해양지중저장 ) 1. 서론 해저지질구조내 CO 2 를격리시키는저장기술 ( 이하 CO 2 해양지중저장기술 로약칭 ) 은기후변화및교토의정서상의온실가스감축요구에대응하기위하여발전소및제철소등대규모발생원에서부터포집한이산화탄소 (CO 2) 를파이프라인이나선박등을통해수송하여이를해양의퇴적층 ( 유 가스전, 심부대염수층, 석탄층등 ) 에대규모로수백-수천년이상장기간저장및관리하는기술을말한다. 대표적인온실가스인이산화탄소의대기중농도는산업혁명이전 280 ppm에서산업혁명이후화석연료의급속한사용으로인하여현재 375 ppm으로증가하였고 (Gentzis[2000]), 지속적으로증가하여 2100년까지 600-950 ppm에이를것으로정부간기후변화패널 (Intergovernmental Panel on Climate Change; IPCC) 은예측하고있다 (IPCC[2005]). 이와같은대기중 CO 2 의급증으로인하여지구온난화및기상이변초래와함께해수면상승, 해수표층의산성화, 해양환경내생물종조성및생태계변화, 영양염순환구조변화등다양한해양환경관련문제가야기되고있다 (IPCC[2005], Feely et al.[2004], Sabine et al.[2004]). 이에지구온난화를완화하기위하여 1992년 6월기후변화협약이채택되었고본협약상의온실가스감축의무를규정하는교토의정서 (Kyoto Protocol) 가 2005 년 2월공식발효되었다. 교토의정서의발효에따라영국, 일본, 유럽연합등교토의정서부속서 I의 40개국가들은 1차공약기간 (2008-2012) 중에온실가스의배출량을 1990년기준으로평균 5.2% 를감축해야만한다. 우리나라의경우부속서I 국가에서제외되어현재온실가스배출감축의무를부여받지않았지만최근 10년간온실가스배출량증가속도가 OECD 국가중 1위, 2003년기준으로배출총량 (582 MtCO 2) 세계 9위, 에너지소비세계 10위 (2002년 ) 임을감안할때, 제2차공약기간 (2013-2017년) 중에는의무감축대상국으로지정될가능성이매우높다. 이에국내에서도지구온난화문제에적극대처하고교토의정서상의온실가스배출규제와관련산업및경제피해에대응할수있는다각적인기술및정책개발이집중적으로요구되고있다 ( 과학기술부 [2006]). 최근세계각국은 CO 2 의약 40% 가량을배출하는제철소및발전소등과같은대량의이산화탄소발생원으로부터 CO 2 를대량으로분리, 포집및수송하여저장용량이매우큰해양 / 육상의유 가스전, 대수층, 석탄층또는심해에안정적으로장기간저장시키는이산화탄소포집및저장기술 (Carbon dioxide Capture and Storage; CCS) 을새로운기술적대안으로제시하고, 관련기술의개발및실용화방안을적극논의하고있다. 이는기존에기후변화대응방안 으로주목받았던대체 / 청정에너지기술, 에너지효율개선기술, 비이산화탄소제어기술및생물흡수원확대기술등의기술만으로는기후변화를완화하기위해요구되는온실가스배출감축요구량에부응할수없다라는사실에기인하고있다 (IPCC[2005]). 특히 CCS 기술을이용할경우기존화석에너지기반산업구조의큰변경없이화석연료에기반을둔에너지원의지속적인활용이가능하고 ( 박상도 [2006]), 미래의기술로제시되고있는수소경제및수소에너지기반산업구조로발전하기위한징검다리역할을할수있다는장점이있다 (Simbeck[2004]). 또한, 현재의대체 / 청정에너지및에너지효율개선기술수준을감안할경우앞으로최소 2050년까지는소비에너지의 70% 이상이기존의화석연료가차지할것으로예상된다 (IEA[2006]). 따라서, 기존의화석에너지기반에너지수급및산업구조를유지하면서 CO 2 배출감축요구량을의무감축기간내에실현시킬수있는대안으로써 CO 2 포집및저장 (CCS) 기술의중요성은더욱강조될수있다 ( 과학기술부 [2006], 박상도 [2006], 한문희 [2006]). 본논문에서는최근국제적으로기후변화대응기술의하나로서크게주목을받고있는이산화탄소포집및저장기술 (CCS), 특히대규모의 CO 2 를해양의퇴적층에저장할수있는 CO 2 해양지중저장기술을중점으로하여국내외관련연구개발동향을분석하고이를토대로향후국내에서적용가능한본기술의실용화방안을제안하고자한다. 2. 이산화탄소포집및저장 (CCS) 기술연구개발동향 CCS 기술은 Fig. 1에기술한바와같이 (1) 대규모의 CO 2 를배출하는발전소, 제철소등발생원에서연소후탈산소화, 연소전 Fig. 1. Application concept of Carbon dioxide Capture and Storage (CCS) technology.
26 강성길 허철 Table 1. Possible capacity and period of CO 2 storage according to target storage reservoir(ipcc[2005], Grimston et al.[2001]) 저장방식용량 (GtCO 2) 저장가능기간 (year) 유전및가스전 (Oil and gas fields) 675-900 >100,000 심부염대수층 (Deep saline formations) 1,000-10,000 >100,000 난채굴성석탄층 (Unminable coal seams) 3-200 >100,000 해양 (Oceans-분사, 저류식 ) 2,300-10,700 Up to 1,000 탈산소화및순산소연소기술등을이용하여 CO 2 를회수하는 포집단계, (2) 포집된대용량의 CO 2 를압축시켜초임계상태또는가스 / 액체형태로파이프라인을이용하거나액화시켜선박을통해운반하는 수송단계 와 (3) 수송된 CO 2 를해양 / 육상지중및심해에장기간안정적으로주입하는 저장단계 로이루어진다 (IPCC[2005]). CO 2 저장용량및저장기간관련하여 Table 1에기술된 IPCC[2005] 등의자료를살펴보면, 막대한양의 CO 2 를해저 / 육상지중의유가스전, 심부대수층및폐석탄층에장기간안정적으로저장할수있는것으로나타났다. 참고로지난 2002년한해에전세계에서배출된 CO 2 양이대략 26 GtCO 2 임을감안하면저장에의한 CO 2 감축량의잠재성은상당하다하겠다. CO 2 지중저장법은육상이나해양의퇴적층에 CO 2 를장기간안정적으로저장할수있는기술로서노르웨이, 미국, 캐나다, 호주등기술선진국에서는이미실용화단계에진입하고있는기술인반면에, 수심 2000 m 이하의심층수또는해저에 CO 2 를처리하는해양분사저류처리방법은그기술적및환경적타당성연구가필요한단계로서아직학술적연구가요구되는상황이다. 지중에대규모석유및가스등의화석에너지자원을확보하고있는해외선진국들은이미육상및해양퇴적층공간을이용하여 Fig. 2와 Table 2에보이는바와같이대규모의 CO 2 저장연구개발사업을진행하고있다 (IPCC[2005]). 주요선진국가들은위와같은시범사업들을통해서 CO 2 저장의기술적가능성을분석하고앞으로보다실용화를촉진하기위한상세기술을개발하고있다. 또한, 미국주도로 2003년 6월창립되어현재우리나라를비롯해 21개국이가입한 Carbon Sequestration Leadership Forum(CSLF) 은포집된 CO 2 를격리및저장시키는기술을국제적으로공유하여관련기술의실용화를촉진하는국제협력활동을활발히수행하고있다. 지난 2005년 9월 24차정부간기후변화패널 (IPCC) 회의에서는 CCS의기술적현황및실용화가능성을면밀히검토한특별보고서 (IPCC[2005]) 를발간하였으며, 동년 12월 11차유엔기후변화협약당사국회의 (UNFCCC) 이후부터는본기술을청정개발체제 (CDM) 사업의하나로인정하는방안을논의하고있다. 대규모의 CO 2 를저장할수있는기존의화석에너지자원매장공간과육상공간이부족한우리나라는일본, 노르웨이등과같이해양퇴적층 ( 특히염대수층 ) 을 CO 2 저장공간으로활용하는 CO 2 해양지중저장기술을실용화하는방향으로정책목적을설정하여관련연구를중점적으로수행하는것이필요하다. 특히, 2006년 11 월국제해사기구 (International Maritime Organization; IMO) 에서 Fig. 2. Worldwide sites where CO 2 storage are planned and under way(ipcc[2005]).
해저지질구조내 CO 2 저장기술의연구개발동향및향후국내실용화방안 27 Table 2. Worldwide projects where CO 2 storage are planned and under way(ipcc[2005]). Project name Country Injection start(year) Approximate average daily injection rate (tco 2/day) Total storage (planned, tco 2) Storage reservoir type Weyburn(C) Canada 2000 3,000-5,000 20,000,000 EOR In Salah(C) Algeria 2004 3,000-4,000 17,000,000 Gas field Sleipner(C) Norway 1996 3,000 20,000,000 Saline formation K12B(D) Netherlands 2004 100-1,000(2006+) 8,000,000 Enhanced gas recovery Frio(P) USA 1997 177 1600 Saline formation Fenn Big Valley(P) Canada 2003 50 200 ECBM Qinshui Basin(P) China 2003 30 150 ECBM Yubari(D) Japan 2004 10 200 ECBM Recopol(P) Poland 2003 1 10 ECBM Gorgon(Planned)(C) Australia 2009 10,000 unknown Saline formation Snohvit(Planned)(C) Norway 2006 2,000 unknown Saline formation C: commercial, D: demo, P: pilot Table 3. Status of technology development and cost estimation of CCS component(ipcc[2005]). CCS component Capture CCS technology Post-combustion Pre-combustion Oxyfuel combustion Industrial separation (natural gas processing, ammonia production) 연구개발단계 시범사업단계 시장진입단계 시장성숙단계 비용 (US$/tCO 2) 15-75 5-55 Transportation Geological storage Ocean storage Mineral carbonization Pipeline Shipping Enhanced Oil Recovery (EOR) Gas or oil fields Saline formations Enhanced Coal Bed Methane recovery (ECBM) Direct injection (dissolution type) Direct injection (lake type) Natural silicate minerals Waste materials 1-8 0.5-8 5-30 50-100 Industrial uses of CO 2 해양퇴적층을대상으로한 CO 2 해양지중저장을국제법적으로허용하도록런던협약 96의정서를개정하였고이후그에따른환경위해성평가관리체계를구축하고있는점은 해양 을매개로한 CO 2 저장의실용화가능성을계속높게하고있다 ( 홍기훈등 [2005], IMO [2006], 강성길등 [2006]). 이와같은관점에서우리나라도 CO 2 해양지중저장기술을매개로하여 2013년이후 Post-교토체제하에서기후변화및온실가스감축에대응하는국가전략을수립하여실행할수있을것이다. 우리나라해양저장후보지와관련하여한가지다행스러운것은 2005년 Bradshaw와 Dance[2005] 의연구 (Fig. 3) 에의한바와같이 CO 2 의저장이가능한해양퇴적층이우리나라의해안에폭넓게분포하고있다라는점이다. 우리나라저장후보지선정과관련하여현재기존의해양석유탐사및지질조사를재해석하는작업이진행중이므로그결과에따라우리나라해양대수층을대상으로한 CO 2 저장이어느정도가능할지가구체적으로밝혀질것이다. Table 3과 4는이산화탄소의포집, 수송및저장등 CCS 기술단계별, 세부기술종류별기술현황및현재비용수준을보여준다. 국제적으로 CCS 기술은일부시장진입단계및또는시장성숙단계에진입해있는단계이다. CCS의실용화차원에서중요한항목중의하나는경제성이다. 즉, 기술적으로아무리타당하다할지라도그처리비용이높아서시장에서그기술을채택하지않을경우 CCS 의실용화는조기에이루어지지않을것이다. Table 4는노르웨이에서수행된대표적인 CO 2 저장사업에서소요되는비용을분석한자료이다. IPCC에서분석한보고서를보면, 전체적으로포집및수송부문에서비용이많이소요되고있으며저장분야는전체 CCS 기술수목구조에서상대적으로비용이많이들지않음을알수있다. 전체적으로현재 CO 2 톤당처리비용이평균적으로 60불정도소요되는데, 다른온실가스처리비용과비교시 CO 2 톤당처리비용을약 30불이하로감축할필요성이있다 (IPCC[2005]). 이를위해서는연구개발을통해서단계별비용절감또는저비용처리방식
28 강성길 허철 Table 4. Cost analysis of Sleipner CCS project by Statoil(IPCC[2005]). Project Sleipner Snohvit Country Norway Norway Start 1996 2006 Storage type Aquifer Aquifer Annual CO 2 injection rate(mtco 2/yr) 1 0.7 Onshore/Offshore Offshore Offshore Number of wells 1 1 Pipeline length (km) 0 160 Capital Investment Costs (US$ million) Capture and Transport 79 143 Compression and dehydration 79 70 Pipeline none 73 Storage 15 48 Drilling and well completion 15 25 Facilities a 12 Other a 11 Total capital investment costs (US$ million) 94 191 Operating Costs (US$ million) Fuel and CO 2 tax 7 References Torp and Brown, 2005 Kaarstad, 2002 a: No further breakdown figures are available. Subset of a larger system of capital and operating costs for several processes, mostly natural gas and condesate processing. 의개발이필요하다. 현재전세계적으로그리고국내에서도관련 경제적으로도타당한 CCS 기술개발을목적으로다양한연구사업 이진행되고있다. 특히 CCS 기술분야중에서고비용이요구되 는 CO 2 포집기술분야는연소공정을수반하는발전설비, 제철설비 등의분야를중심으로하여지난 10 여년전부터많은연구사업들 이진행되고있다. 국내에서도산업자원부에너지관리공단의 온실 가스처리기술개발사업, 과학기술부의 이산화탄소저감및처리 (CDRS) 프론티어사업 등에서관련기술개발을추진하고있는바, 조기에 경제적으로도유용한 CCS 기술의개발이이뤄질것으로예상된다. 비용문제는 CO 2 저장관련한처리방식에도지대한영향을미 친다. Fig. 4 에서보는바와같이단일배관 ( 파이프라인 ) 시스템에 서 CO 2 의수송량이증가할수록관련비용이급격이적어지므로포 집된 CO 2 의특성을표준화하여대용량으로수송및저장이가능 하게끔기반을조성하는것이필요하다. 또한, CO 2 압축스테이션 을포함한수송시스템에대한지속적인관심과연구개발을수행함 으로서전체 CCS 시스템의비용절감을기대할수있을것이다. 국내에서 CO 2 저장기술분야는포집분야보다상대적으로기술 개발수준이낙후되어있다. CO 2 저장기술은해양수산부에서 2005 년부터 10 개년사업으로 CO 2 해양처리기술개발사업 과제를통 해본격적으로연구추진되기시작하였다 ( 강성길등 [2004]). 본해 양수산부연구사업에서는해양연구원 ( 주관 ) 과지질자원연구원 ( 협 동 ), 민간연구소인 ( 주 ) 네오엔비즈및관련대학 ( 고려대, 한양대 ) 등 의해양학, 화학공학, 기계공학, 환경학, 지질학, 자원공학, 조선공 학, 생태학등다학제적전문연구팀이참여하여 해양 을매개로 한 CO 2 저장기술들을개발하고있다. 본사업에서는향후 CO 2 저 장지역을선정함에있어육지공간이부족하고인구밀도가높은우 리나라는 해양퇴적층 을매개로한 CO 2 저장의실용화가능성이 높음에주목하고있다. 참고로세계최초로온실가스를감축하기위 하여상업및산업스케일의규모로수행되고 CO 2 저장사업으로 서 Statoil 사의 Sleipner 사업도 Fig. 5 에서보는바와같이해양의 염대수층을대상으로하고있다. 또한, 일본의경우도육상저장공 간이빈약하고인구밀도가높기에우리나라와마찬가지로 해양 지 역을잠재대상영역으로강조하고있다. Fig. 6 은일본의 CO 2 지중 저장 ( 염대수층 ) 후보지역을보여주는데, 그저장후보역이대부분해 양지역임을나타낸다 (Ohsumi[2006]). 이와같이해양퇴적층을대상 으로한 CO 2 저장기술은우리나라뿐만아니라전세계적으로도많 은연구개발이진행되고있는바, 우리나라에서도적정한연구사업 을통해서국내실용화가능성을극대화할필요가있다하겠다. 3. 저장후보지유형에따른 CO 2 해양지중기술적용특성분석 보통이산화탄소의지중저장이가능한지질구조로는생산중이 거나고갈된유가스전, 심부염대수층및석탄층등이검토될수 있다. 기술적으로 CO 2 해양 / 육상지중저장의기본적인원리및주 입방법은큰차이가없을수있지만우리나라에서의활용성, 즉지 형학적으로우리나라의육상은유가스전이없는특성과육상공간 이빈약하여 CO 2 누출시제반환경문제점을야기시킬수있다 라는점을감안할때, 해양을매개로한, 특히동해의가스전이나 서해의대수층구조등을효율적으로활용한 CO 2 해양지중저장의 실현가능성이매우높다고하겠다 ( 강성길등 [2006]). 지중저장의 경우노르웨이, 유럽연합, 일본및호주등은 해양 을매개로한 지중저장이활발하게진행중이며비교적육상공간이넓은캐나다, 미국, 알제리및중국등은 육상 을매개로한저장사업들을추진 하고있다. 본절에서는향후우리나라에서의적용가능성이높은 해양 을매개로한 CO 2 처리기술, 즉 CO 2 해양지중저장이유가스 전, 심부염대수층및석탄층등저장후보지별로어떻게적용되는 지를소개하고각방법의국내적용가능성을간략히분석한다. 3.1 유 가스전 유 가스전 (Oil and gas reservoirs) 은구조지질학적으로투수성 이높은암석으로형성되어있고그상부는불투수층인덮개암 (caprock) 이존재하여오랜지질시대동안가압된오일과가스를 저장할수있는능력을검증받았다. 이러한구조를이용할경우 장기간안전하게 CO 2 를저장할수있는데, 고갈된유 가스전은이 미개발이완료되어지질학적특성에관한많은정보를보유하고 있으며기존의생산설비기술들을효율적으로활용하면단기간내 에가장저렴한비용으로안전하게 CO 2 를저장할수있는장점이 있다. 이런특성을활용하여과거부터고갈된유 가스전은가스저
해저지질구조내 CO 2 저장기술의연구개발동향및향후국내실용화방안 29 Fig. 3. Worldwide distribution of sedimentary basins where CO 2 can be stored(ipcc[2005], Bradshaw and Dance[2005]). Fig. 4. CO 2 transport cost by pipeline system (per 250 km)(ipcc [20005]). Fig. 6. Planned CO 2 storage sites in Japan. Most of them are located at marine geological structures such as saline aquifer. An estimated capacity of CO 2 storage is about 146 trillion ton(ohsumi[2006]). Fig. 5. Marine geological spaces and relevant facilities of Sleipner CO 2 storage project by Statoil, Norway (Chadwick[2007]).
30 강성길 허철 에 CO 2 를수송후주입하는 Snohvit 프로젝트가진행중이다. 국내의경우캐나다, 유럽및미국과같이대규모의유 가스전을보유하고있지않지만소규모의천연가스를생산하고있는동해-1 가스전 (2004-2018년) 을활용하게되면향후최대약 1-2억톤의 CO 2 를해저지중에저장할수있을것으로예측되어진다 ( 박용찬등 [2005). 3.2 심부염대수층심부염대수층 (Deep saline aquifers) 은전세계적으로대륙과연안해저아래에폭넓게분포되어있어 CO 2 의주배출원인발전소로부터접근성이용이하며, 그잠재적저장용량은지중저장소들중 Fig. 7. CO 2 storage technology by Enhanced Oil Recovery(EOR) method (Source: IEA GHG R&D Programme). 장장소로활용되어왔으며대표적으로 1915 년캐나다에서성공적 으로천연가스를지중에주입한첫번째프로젝트가있다. 이러한 과거의선행연구를바탕으로현재북중미와유럽등지역에서 CO 2 를폐유 가스전에저장하는연구가활발히진행되고있다 (IEA[2002]). 기존석유시추과정에서도생산효율을증대시키기위해서유 가 스전에 CO 2 를주입하는공정방법도있다. 즉, 유 가스전에서보통 유 가스전에서자연적인압력차에의한원유의 1 차회수율은약 5-40% 이고, 추가적으로물의주입을통한 2 차회수율은약 10-20% 이다. 이와같이낮은회수율을증대시키기위해서석유생산공정 에서 3 차회수를 Fig. 7 과같이생산중인유전에 CO 2 를주입하는 오일회수증진 (Enhanced Oil Recovery; EOR) 법을활용하여시도 하는방법도사용되고있다. 이경우매장량의 7-23% 를추가로회 수할수있다 ( 박용찬등 [2005], Anderson and Newell[2003], Van Bergen et al.[2004], Damen et al.[2005]). 전세계적으로 2000 년까지 84 개의오일회수증진 (EOR) 법을이용 한프로젝트가추진되었으며, 대표적인사례로는 CO 2 육상지중저 장의경우상업용인캐나다의 Weyburn, CO 2 해저지중저장은연구 개발단계인호주남동쪽연안에위치한 Monash 프로젝트를들수 있다. 캐나다 Saskatchewan 유전에서수행되는 Weyburn 프로젝트 는지난 2000 년부터미국북 Dakota 지역의 Great Plains Synfuels 공장에서포집된 CO 2 를 330 km 파이프를통해캐나다로수송하 여육상지중에연간 ~1 MtCO 2 를주입하고있다. 아울러 Monash 프로젝트는호주남동쪽육상연안에서포집된 CO 2 를파이프를통 해인근해역으로수송하고 Halibut, Mackerel, Yellowtail 및 Kingfish 유전의해저지중에주입하여오일을회수한다. 가스전에서의가스회수율을증진시키기위해 CO 2 를주입시키 는가스회수증진 (EGR) 법을이용한육상지중저장기술로는 2004 년 부터알제리의 4 개가스생산정에서함유된약 5-10% CO 2 를아 민 (amine) 으로흡착하여 0.3% 이하의 CO 2 로감소시키고포집된 CO 2 를 3 개의공으로재주입 (~1.2 MtCO 2/yr) 하여천연가스의생산 을향상시키는상업용인 In Salah 프로젝트, 해저지중저장기술로는 육상으로부터 160 km 떨어진노르웨이 Barents Sea 의수심 330 m 에서가장큰것으로알려져있다 (Table 1). 장기간안정적으로 CO 2 를저장하기위한적합한지질학적구조는많은양의 CO 2 를균일하게주입할수있는투수성이높은저장소와상부에주입된 CO 2 의누출을방지하는불투성인덮개암이존재해야하므로기술적, 구조지질학적측면에서유 가스전과유사하다. CO 2 저장이가능한심부염대수층은보통해저면으로부터약 800 m 심도이상의배사구조를가지되상층에불투과층이발달된지층들이다. 이지층에이산화탄소가주입되면높은압력 (7.38 MPa) 과온도 (31.4 o C) 에의하여높은밀도로저장이가능한초임계상태 (supercritical state) 에도달하게되어 CO 2 의저장효율이높아진다 (IPCC[2005], 윤치호 [2001], Shafeen et al.[2004]). CO 2 를염대수층으로주입하면물과혼합되지않고용해되며그화학적용존속도는가스와물의경계면크기및모양에따라달라진다. 즉유체의거동특성은압력, 온도및염분과같은물의물리적, 화학적인인자에의해결정된다 (IEA[2002]). 이러한대수층환경하에용해된 CO 2 는주변광물또는암석들과서서히상호작용을통해화학반응을일으켜안정된탄산염을형성하기도한다 (Johnson[2000]). 심부염대수층을대상으로한 CO 2 해양저장의대표적인사례로 Statoil 회사가 1996년부터추진하고있는노르웨이북해에위치한상업용인 Sleipner 프로젝트가있다. 본사업은노르웨이정부에서부과한탄소세 (2000년: $38/tCO 2) 가계기가되어천연가스생산으로부터발생된 CO 2 를포집하여해저지중즉, ~1000 m 깊이의염대수층 (Utsira formation; 200m 두께 ) 에연간 ~1 MtCO 2 를재주입 Fig. 8. CO 2 storage technology at saline aquifer(source: Statoil).
해저지질구조내 CO 2 저장기술의연구개발동향및향후국내실용화방안 31 하고있다 (Chadwick[2004], Torp and Gale[2004])(Fig. 8). 또한, 글로벌석유메이저회사인 Exxon, Mobil 및 Pertamina 사가유사한사업을계획하고있으며인도네시아에서는남중국해보르네오연안의 Natuna 천연가스전에서훨씬큰프로젝트를추진중에있다 (Anderson and Newell[2003]). 향후국내에서는한반도주변대륙붕을탐사하여보유하고있는기존의물리탐사및시추자료를재분석하고, 일부 CO 2 저장후보지역을대상으로추가적인정밀탐사를통해유망격리후보지역을선정하여심부염대수층을활용한 CO 2 해양지중저장을추진할가능성이매우높다. 3.3 석탄층메탄을함유한석탄층 (Coalbed methane; CBM) 으로주입정을통해 CO 2 를주입하면석탄표면에흡착되어있는메탄을 CO 2 가선택적으로치환하여메탄의탈착이촉진됨에따라생산정을통하여메탄의생산성이향상될수있다. 이러한석탄층메탄증진 (Enhanced Coal-bed Methane; ECBM) 법은 CO 2 를지중에저장함과동시에메탄을생산하여경제적인효과를발생시키는점에서유 가스전방법과유사하지만기술적인측면에서는지질학적구조를이용한 EOR EGR 방법과다르다 (Fig. 9). 특히 2-3개의이산화탄소분자는하나의메탄분자를치환할수있는높은흡착력을갖기때문에석탄채광을더이상하지않는폐석탄층일경우석탄층메탄증진법 (ECBM) 을고려할수있다 (Hamelinck et al.[2002]). ECBM법을이용한첫번째상업적규모의기술개발은미국 New Mexico, San Juan Basin에서 1996년부터약 23,000 m 3 /d/well의석탄층메탄을회수하는 Burlington Resources Allison Unit 파일럿프로젝트를들수있다. 그결과에의하면, ECMB의전과정공정후에약 75% 의메탄생산이향상되었다. 또한추가적인 ECBM 기술개발이 Alberta Research Council에의해캐나다 Alberta 지역의균질한석탄층 (600-1000 m) 에서추진중이다. 네델란드에너지환경청 (Netherlands Agency for Energy and the Environment; NOVEM) 은자국의석탄층메탄증진법에관한연구를통하여보고서를발표하였으며 (Hamelinck et al.[2002]), 최근에네델란드 Peel, Zuid Limburg, Achterhoek 및 Zeeland 지역의잠재적인저장용량과그기술적, 경제적실현가능성을위한구체적인연구가수행되었다 (Hamelinck et al.[2002]). 국내의경우이미육상석탄채광이거의개발되어경제성이없는것으로평가되고있으나, 이에대한 ECBM의적용가능성을면밀히검토할필요성이있다. 아울러향후육상심부와대륙연안의해저지중에추가적인정밀지질탐사를통하여 CO 2 를저장할수있는석탄층존재가능성을지속적으로조사할필요가있다. 4. 국내에서추진하는 CO 2 해양지중저장기술연구현황 우리나라에서도해양수산부의지원하에지난 2005년부터한국해양연구원에서 CO 2 해양지중저장기술의국내적용을위한제반실용화연구를수행하고있다. Fig. 10은국내 CO 2 해양지중저장기술개발방향및시나리오, Fig. 11은 CO 2 해양지중처리연구개발로드맵및실증추진로드맵을보여주고있다. 그림에서보는바와같이본사업에서는 2005년부터 2009년까지상기연구사업에서요구되는 CO 2 해양지중저장핵심기반기술을개발하고이를통하여 2010-2014년에는 1만톤급파일롯 CO 2 저장실험을통해개발기술의실증화를꾀함과동시에실증저장후보지선정을목표로연구사업을추진하고있다. 이를토대로 2015년부터발전소또는제철소 CO 2 포집기술과연계하여민간주도로동해가스전등을대상으로하여보급형 100만톤급 CO 2 저장을추진하여향후 2050년까지연간 1억톤 CO 2 를처리하여매년 2조원이상의환경비용을절감하는국내실용화방안을모색하고있다. 아울러국제적으로 CCS 의 CDM화가인정될경우중국등을매개로하여 CCS의 CDM화사업을추진할수있을것이다. 해양수산부과제로한국해양연구원이추진하고있는 CO 2 해양저장연구개발사업에서는도출된기술로드맵에기반하여 CO 2 해저지중저장의실용화를위해서 (1) 국내유망저장해역적지선정, 용 Fig. 9. CO 2 storage technology by Enhanced Coal-bed Methane(ECBM) method(source: IEA GHG R&D programme). Fig. 10. Scenario of technology development and application for CO 2 marine geological storage(kang et al.[2007]).
32 강성길 허철 Fig. 11. Technology road map for CO 2 marine geological storage in Korea(Kang et al.[2007]). 량산정및정밀탐사, (2) CO 2 하이드레이트를포함한상평형거동모델링과유동해석, (3) CO 2 수송 / 저장플랜트등관련설비및주입장비설계기술확보, (4) 해저퇴적층내 CO 2 거동해석및예측모델개발, (5) CO 2 지중모니터링기술및안정성평가모델기반구축, (6) 경제성평가기술, (7) IMO, 일본등과의국제협력및국내관련법 / 제도정비등을수행하고있다. 위와같은연구범위하에서 2007년도에진행된연구성과를대략적으로살펴보면, CO 2 해양처리기반기술로서 CCS 공정개념설계를수행하고있으며관련 CCS 전체기초공정을 VR(Virtual Reality) 로제작하였다. 또한, CO 2 수송및저장의공정설계에필수적인물, CO 2 및질소를포함하는혼합가스의상거동을실험적으로확인하고하이드레이트를포함하는상평형모델및확산모델을고려대와함께개발하고있다. CO 2 처리설비기반기술로해상플랫폼형식비교분석과초기배치설계, 심해주입관제원선정과초기설계, 심해주입관의 3차원거동수치해석프로그램검증연구, CO 2 수송 / 방류선의최적설계연구등을수행하고있다. 한편협동연구기관인한국지질자원연구원과공동으로 CO 2 해양지중저장후보지로대륙붕탐사자료재해석을위한기존자료사전조사및울릉분지분석을수행하고있으며, CO 2 지중저장자원추정방법과및대륙붕 6-1광구동해-1 가스전적용방안을연구하고있다. 또한, 파일럿주입시험을위한부지자료조사를통해 1차후보지역으로경상계 3지역을검토하였다. CO 2 환경평가기반기술로는 CO 2 지중저장이해수에미칠수있는영향평가, 다양한생물군별로 CO 2 독성영향평가, 노출조건에따른위해성예측모델개발, CO 2 노출에대한해양생물생리영향평가기술, CO 2 노출에대한생물검정방법및위해성평가기술등을개발하고있다. 각세부연구분야에대한구체적인결과물들은추후별도의연구논문으로발표하고자한다. 5. 향후국내에서적용가능한 CO 2 해양지중저장실용화방안 CO 2 해양저장기술실용화를위한연구개발을추진함에있어언 제, 어느정도규모의 CO 2 를 CCS 로처리하겠다라는기술상용화 전략설정이중요하다. 물론이문제는국가전체적인기후변화대 응전략과맞물려서결정되어야하는데, 예를들면국가적으로언 제부터어느정도의 CO 2 를어떤기술들또는정책들에의해어느 업체 / 주체들이감축할것인가라는 CO 2 감축시간표 에의거하여 CCS 기술의상용화전략이크게달라질수있기에앞으로정부에 서관련전문가들의참여하에국가적인 CO 2 감축전략을구체화 할필요가있다하겠다. 참고로 CCS 에의해과연어느정도의 CO 2 를감축할것인가라는전략을수립함에있어일본의사례는좋은 예이다. 일본의경우현재 CO 2 톤당약 6,700 엔정도의 CCS 비용 을연구개발을통해 2015 년까지 3,000 엔 /CO 2 톤이하로감소시켜 2015 년연간 1 백만톤의 CO 2 주입사업을시작으로점차많은 CO 2 를해양의심부대수층에저장하는계획을수립하고있다. 아울러 해외개발도상국에게온실가스를감축시켜자국실적으로인정받 는 CDM 을활용하여추가적으로 2015 년이후부터최대약 1 억톤 의 CO 2 를추가적으로감축할계획이다 (Ohsumi[2006]). 이를토대 로최대 2050 년까지전체적으로 2.2 억톤의 CO 2 를매년 CCS 에의 해처리할계획을수립하였다. 우리나라의경우아직까지국가정책적인차원에서 CCS 를활 용한 CO 2 감축계획이구체화되지않고있다. 온실가스배출량세 계 9 위로서 2013 년이후교토의정서상의온실가스감축의무국가로 지정될가능성이높은우리나라도대략 2015 년경에는대략연평균 약 5 억톤 CO 2 를감축 ( 연평균 5% 증가율, 의무감축량을 2000 년수 준으로가정시 ) 해야하는데, 세계적기술동향과다른대응방안의
해저지질구조내 CO 2 저장기술의연구개발동향및향후국내실용화방안 33 Table 5. Estimated domestic CCS market and planned CO 2 reduction and storage in Korea(Kang et al.[2007]) 기술시장규모 기술시장점유율 2010( 파일롯 ) 2015( 보급형 ) 2020( 상용화 ) 2025 2030 2050 국내 ( 억달러 ) 1백만불 3백만불 1천만불 1억불 2억불 20억불 국외 ( 억달러 ) 1백만불 2억불 3억불 160억불 320억불 640억불 국내 ( 기술용량 ) 1만톤 / 년 10만톤 / 년 1백만톤 / 년 5백만톤 / 년 천만톤 / 년 1억톤 / 년 국외 ( 기술용량 ) 2백만톤 / 년 5백만톤 / 년 1천만톤 / 년 5천만 / 년 1억톤 / 년 2억톤 / 년 국내 (%) 50 100 100 100 100 100 국외 (%) 1 2 3 5 5 5 국내 ( 기술용량 ) 1만톤 / 년 10만톤 / 년 1백만톤 / 년 5백만톤 / 년 천만톤 / 년 1억톤 / 년 국외 ( 기술용량 ) 2백만톤 / 년 5백만톤 / 년 1천만톤 / 년 5천만톤 / 년 1억톤 / 년 2억톤 / 년 기술수준을감안할때 CCS의활용이필수적이며, 최소한감축량의 20% 인연간 1억톤의 CO 2 를 CCS로처리해야할것으로예측된다. 이에 2015년까지는국내에서도 CO 2 저장관련국내실용화를위한관련핵심기술을개발하여 1만톤급파일롯저장을통해개발기술의실증을수행한다음, 2020년까지는최소한 100만MWe 급화력발전소, 100만톤 CO 2 저장기술이연계된 CCS의실증을추진해야한다 (Table 5). 아울러경제성있는 CCS를위해서는 CCS 처리비용을 CO 2 톤당 30불이하로감축시켜야하는데이를위해서는관련핵심기술에대한지속적이연구개발이요구된다. 이와같은연구개발을토대로대략 2050년까지대략연간 1억톤의 CO 2 를 CCS에의해처리 ( 국내-2천만톤, 해외-8천만톤저장을목표로설정함 ) 함을최종적인연구사업의목표로설정하고있다. CO 2 해양지중저장을통한온실가스감축기술에의한사회경제적편익은 CO 2 톤당처리비용을 20불로가정할때 1억톤처리시 20억불 (2조원) 에이르는것으로예측된다 (Table 5참조 ). 이러한 CO 2 저장기술을 30년활용한다라고가정할경우부가가치는 600억불정도로추정될수있다. 즉, 2015년이후연간 1백만톤 CO 2 를감축하고 2050 년까지연간 1억톤 CO 2 를처리할경우매년 2조원이상의환경비용절감이가능하다. 대략적인 CO 2 해양지중저장처리에의한 CCS 기술시장추정치를표 5에제시하였다. CCS 기술비용중에서 CO 2 포집분야가 70% 비용부담, 저장분야가약 30% 를담당한다고가정할경우, CO 2 저장분야의순사회경제적편익은 2050년대비연간 6천억원, 30년간총합의경우 18조원에이르는것으로평가된다. 6. 결론 최근이산화탄소급증으로인한지구온난화를완화하기위하여다양한기후변화대응기술들의연구가추진되고있다. 국제적으로진행되고있는대체 / 청정에너지및에너지효율개선등의기술수준을고려할경우, 기존의 CO 2 기반에너지공급및산업구조를당분간유지하면서 CO 2 배출감축요구량을의무감축기간내에실현시킬수있는 CCS 기술이중점개발되어야한다. 특히 CCS 기술의국제적인연구개발동향을감안하면향후 CO 2 저장기술개발은국내의발전및화공분야에서연구되고있는 CO 2 포집분야의기술과연계하여추진하는방안이요구된다. 앞으로 CCS에의한 온실가스감축포텐셜이매우큼을감안하여기후변화관련국가중점기술로서 CCS 연구개발이추진되어야하며, 특히상대적으로국내연구가부족한 CO 2 저장관련기술개발을위한대폭적인연구비증액투자가요구된다. 연구개발의기본방향으로는이미국제적으로기술적타당성을인정받아상용화직전의시장진입기에성공한 CO 2 지중저장기술을실용화연구를중점적으로수행하고있다. 특히우리나라는육상공간이부족하므로일본, 노르웨이등과마찬가지로 해양퇴적층 을대상으로한 CO 2 해양지중저장이실용화목적으로연구가추진될필요가있다하겠다. 이러한목적하에한국해양연구원에서해양수산부연구사업으로추진하고있는 CO 2 해양처리기술개발사업 에서는 2005년부터 2009년까지 CO 2 해양지중저장핵심기반기술을개발하고 2010-2014년에는 1만톤급파일롯 CO 2 저장실험을통해개발기술의실증화, 2015년부터발전소또는제철소 CO 2 포집기술과연계하여민간주도로동해가스전등을대상으로하여보급형 100만톤급 CO 2 저장을추진하여향후 2050년까지연간 1억톤 CO 2 를처리하고자하는연구개발을추진하고있다. 위와같은연구사업의성공적인추진과연구효율극대화를위해서는산학연연구협력체제구축을통한다학제적접근이요구된다. 참고로현재해양수산부주도로진행되고있는 CO 2 해양처리기술개발사업은해양환경공학, 해양물리, 해양화학, 해양생태, 해양공학, 화학공학, 기계공학, 조선공학, 자원공학, 해저지질학등의분야를포괄하는 13개연구팀이구성되어관련세부기술을연구개발하고있다. 연구목적중요성및다학제적연구특성을감안할때효율적인연구추진을위해범정부적인 CO 2 저장국가연구사업단등과같은융복합화된연구추진체계를구축하는것도하나의방안이다. 향후 CO 2 해양지중저장기술의국내실용화를위해서는합리적인해양환경위해성평가및관리체제가구축되어야한다. 이를위해서는 IMO 및관련국제법등에의거하여정부차원에서관계법및관리체계를구축할필요가있다. 아울러일본미국등기술선진국관련기관및전문가들과의적극적인교류와국제공동연구를통해연구개발의효율성을극대화할필요성이있다. 특히기후변화당사국회의및국제해사기구, 국제탄소리더쉽포럼등에서의 CCS 의실용화관련국제논의동향을파악하여향후국내기술실용화를추구할필요가있다.
34 강성길 허철 후 본논문은해양수산부연구개발사업으로한국해양연구원에서 추진중인 CO 2 해양처리기술개발 사업연구결과의일부입니다. 해양수산부의지원에감사드립니다. 기 참고문헌 강성길외, 2004, CO 2 가스해양격리시스템연구개발타당성기획연구, 해양수산부. 강성길외, 2006, CO 2 해양지중저장실용화를위한위해성평가관리체제, 이산화탄소포집및저장기술워크샵, pp. 115-140. 강성길외, 2007, CO 2 해양처리기술개발사업 (III) 최종보고회, 연구자료집, 해양수산부해양수산기술진흥원. 과학기술부, 2006, 기후변화협약대응연구개발종합대책. 박상도, 2006, CCS 기술의현재와미래, 이산화탄소포집및저장기술워크샵, pp. 23-39. 박용찬외, 2005, CO 2 격리를위한해양퇴적층활용기술, 한국해양환경공학회, 추계학술대회논문집, pp. 188-193. 윤치호, 2001, 온실효과감소를위한이산화탄소의격리에관한연구, 한국자원공학회지, 제 38 권, pp. 316-321. 한문희, 2006, 기후변화협약대응국가 R&D 전략, 이산화탄소포집및저장기술워크샵, pp. 3-20. 홍기훈, 박찬호, 김한준, 2005, 이산화탄소해저지질구조격리 : 기술현황과제도예비검토, 한국해양환경공학회지, 제 8 권, pp. 203-212. Anderson, S. and Newell, R., 2003, Prospects for Carbon Capture and Storage Technologies, Discussion Paper, Resources for the Future, Washington. Bradshaw, J.B. and T. Dance, 2005, Mapping geological storage prospectivity of CO 2 for the world sedimentary basins and regional source to sink matching, Proceedings of the 7th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies (GHGT-7), Vol. I, pp. 583-592. Chadwick, R.A., Zweigel, P., Gregersen, U., Kirby, G.A., Holloway, S. and Johannessen, P.N., 2004, Geological reservoir characterization of a CO 2 storage site: The Utsira Sand, Sleipner, northern North Sea, Energy, Vol. 29, pp. 1371-1381. Chadwickm A., Arts, R., Bernstone, C., may, F., Thibeau, S. and Zweigel, P., 2007, Best practice for the storage of CO 2 in saline acquifer: Observations and guidelines from the SACA and CO 2 STORE projects. Damen, K., Faaij, A., Van Bergen, F., Gale, J. and Lysen, E., 2005, Identification of early opportunities for CO 2 sequestrationworldwide screening for CO 2-EOR and CO 2-ECBM projects, Energy, Vol. 30, pp. 1931-1952. Feely, R.A., Sabine, C.L., Kee, K., Berelson, W., Kleypas, J., Febry, V.J. and Millero, F.J., 2004, Impact of anthropogenic CO 2 on the CaCO 3 system in the oceans, Science, Vol. 305, pp. 362-366. Gentzis, T., 2000, Subsurface sequestration of carbon dioxide - an overview from an Alberta (Canada) perspective, International Journal of Coal Geology, Vol. 43, pp. 287-305. Grimston, M.C., Karakoussis, V., Fouquet, R., van der Vorst, R., Pearson, P. and Leach, M., 2001, The European and global potential of carbon dioxide sequestration in tackling climate change, Climate Policy, Vol. 1, pp. 155-171. Hamelinck, C.N., Faaij, A.P.C., Turkenhurg, W.C., van Bergen, F., Pagnier, H.J.M., Barzandji, O.H.M., Wolf, K.H.A.A. and Ruijg, G.J., 2002, CO 2 enhanced coalbed methane production in the Netherlands, Energy, Vol. 27, pp. 647-674. IEA, 2002, Solutions for the 21st century: Zero emissions technologies for fossil fuels, Technology status report. IEA, 2006, Energy technology perspectives. IMO, 2006, Report of the meeting of the SG intersessional technical working group on CO 2 sequestration. IPCC, 2005, IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage, Cambridge University Press(http://www.ipcc.ch). Johnson, J.W., 2000, A solution for carbon dioxide overload, Science & Technology Review, December. Ohsumi, T., 2006, 일본의지중저장연구사례, 이산화탄소포집및저장기술워크샵, pp. 143~158. Sabine, C.L., Feely, R.A., Gruber, N., Key, R.M., Lee, K., Bullister, J.L., Wanninkhof, R., Wong, C.S., Wallace, D.W.R., Tilbrook, B., Millero, F.J., Peng, T.H., Kozyr, A., Ono, T. and Rios, A.F., 2004, The oceanic sink for anthropogenic CO 2, Science, Vol. 305, pp. 367-371. Shafeen, A., Croiset, E., Douglas, P.L. and Chatzis, I., 2004, CO 2 sequestration in Ontario, Canada. Part I: storage evaluation of potential reservoirs, Energy Conversion and Management, Vol. 45, pp. 2645-2659. Simbeck, D.R., 2004, CO 2 capture and storage - the essential bridge to the hydrogen economy, Energy, Vol. 29, pp. 1633-1641. Torp, T.A. and Gale, J., 2004, Demonstrating storage of CO 2 in geological reservoirs: The Sleipner and SACS projects, Energy, Vol. 29, pp. 1361-1369. Van Bergen, F., Gale, J., Damen, K.J. and Wildenborg, A.F.B., 2004, Worldwide selection of early opportunities for CO 2-enhanced oil recovery and CO 2-enhanced coal bed methane production, Energy, Vol. 29, pp. 1611-1621. 2007 년 11 월 26 일원고접수 2008 년 2 월 1 일수정본채택