전쟁과 물가상승으로 인한 고유가 시대에 따른 대체재로 고체연료에 대해 알아보고 그 고체연료 중 우리나라에 매장되어있는 메탄 하이드레이트에 대해 알아봅시다.
1. 최근 국제정세에 따른 대체에너지의 필요성
2. 고체연료와 메탄하이드레이트
2-1 고체연료에 대하여
2-2. 고체연료 활용 분야
2-3. 메탄 하이드레이트란?
2-4. 메탄 하이드레이트의 장단점
3. 마무리
1. 최근 국제정세에 따른 대체에너지의 필요성
지난번에 소형 모듈 원전을 알려드렸었는데 이번 우크라이나-러시아 전쟁 때문에 유럽에서는 러시아산 천연가스 및 에너지 의존도를 낮추는 움직임을 보임에 따라 EU 택소노미에 따른 원전으로 복귀하는 움직임이 더 빨라지고 있습니다. 지금 유럽은 러시아에 경제적 제재를 가하면서 원자력 부문은 예외로 규제를 진행하고 있지는 않을 정도로 몇몇 유럽 국가는 원전 개발에 진심입니다. 우리나라도 정권이 바뀌면서 원전을 확충 및 재가동을 할 확률이 늘고 있습니다.
러시아 에너지 자원 제제에 따른 천연가스 수입 길이 막힘에 따라 다양한 대안들이 나오고 있습니다. 그 중 고체 연료인 석탄 사용도 고려되고 있습니다.(환경파괴의 주범) 그러나 이번 시간에는 석탄이 아닌 차세대 연료인 고체 연료에 대해 설명을 해보고자 합니다.
2. 고체연료와 메탄하이드레이트
2-1 고체연료에 대하여
기본적인 고체연료의 정의는 에너지를 내기 위해 태울 수 있는 다양한 형태의 고체의 물질을 의미하기 때문에 목재류, 석탄, 곡물 등등 많은 물질들이 고체연료에 속해 있으며 인류가 불을 사용하기 시작하면서 고체연료는 인간의 문명과 밀접한 관계를 가집니다. 앞서 언급한 재료들은 천연의 고체연료이며 인공적으로도 고체연료를 생산할 수 있습니다. 인공적으로 연료와 더불어 산화물 따위를 섞고 굳혀 고형화를 시키면 인공 고체연료이며 대부분 메탄올을 고형화 시켜 만든 것이 대부분입니다. 이렇게 생산된 고체 연료들은 탄소가 1개짜리인 메탄올을 사용하기 때문에 가벼우며 고체이기 때문에 부피가 작아 보관이 용이하며 최근에 개발되어지는 고체 연료들은 불순물이 적어 매연이 거의 나오지 않아 친환경적인 부분에서 비교적 적합한 물질로 꼽히고 있습니다.
2-2. 고체연료 활용 분야
특히 인공 고체 연료들은 차세대 로켓 및 미사일에 사용될 연료로 각광받고 있습니다. 우주 로켓으로 사용될 시 산화제를 집어넣어 산소가 없는 우주 환경에서도 연소가 가능하여 자유롭게 이동하며 추진체에 연료를 넣어두고 오랫동안 보관이 용이하기 때문에 경제적이라는 장점이 있습니다. 또한 기존의 액체 방식의 발사체 보다 구조가 단순하여 기술적 진입 장벽이 낮으며 개발 기간과 비용도 대폭 감소할 수 있습니다. 물론 단점도 존재합니다. 연료가 Kg당 연소할 때의 추력이 액체보다 낮으며, 연료가 다 소모되면 작동이 중단되는 구조이기 때문에 추력 조절이나 중간에 중단이 안된다는 단점이 존재하기 때문에 (킥모터라고 발사체 고단부를 2~3단으로 나누어 진공에서 점화하는 기술이 있어 일부분 해결 가능하다) 민간용 우주로켓보다는 군사용 ICBM 등 군용 미사일에 많이 쓰임이 많아 보입니다. 하지만 아직 기술적으로 더 발전할 가능성이 있기 때문에 이러한 단점들이 보완될 여지가 있습니다. 대한민국의 경우 미국의 규제로 발사체 추진력이 100만 파운드/초로 제한되어 왔지만 2020년 7월 28일 한미 미사일 사거리 지침 개정을 통해 이제 한국의 모든 기업과 연구소, 대한민국 국적의 모든 개인은 기존의 액체연료뿐 아니라 고체연료와 하이브리드형 등 다양한 형태의 우주 발사체를 아무 제한 없이 자유롭게 연구, 개발하고 생산, 보유할 수 있게 되었습니다.
2-3. 메탄 하이드레이트란?
석유 대신 사용될 고체 연료 후보군 중 우리나라에서 생산이 되어 한때 매스컴에서 다루던 물질이 있습니다. 그 이름은 메탄 하이드레이트입니다. 별명이 불타는 얼음이며 셰일가스가 경제성은 좋았지만 지구온난화를 가속시킨다는 연구보고가 발표되면서 메탄 하이드레이트는 다른 유망한 대체자원으로 물색된 물질 중 하나입니다.
메탄 하이드레이트는 메탄 가스가 물에 의해 갇힌 화합물입니다. 이런 특이한 화합물이 생성되려면 저온 고압의 환경에서 만들어지며 이런 조건이 형성되기 쉬운 장소는 수심이 깊은 해역 해저 아래 모래층과 토양온도가 0도 이하로 유지되는 영구동토에서 합성이 된다고 알려져 있습니다. 국내에서도 메탄 하이드레이트가 매장된 곳이 있는데 바로 독도입니다. 매장된 메탄 하이드레이트의 가격은 약 150조원에 육박한 것으로 보고됩니다. 여러가지 이유도 있지만 이 물질 때문에 일본에서 독도를 다케시마라고 부르며 영유권을 주장하고 있습니다.
2-4. 메탄 하이드레이트의 장단점
또한 메탄 하이드레이트는 화석 연료와는 달리 전 세계 해저에 널리 분포하여 기존 화석연료의 2배의 매장량으로 추측되고 있습니다. 메탄 하이드레이트는 양적으로도 장점이 있지만 질적으로도 장점이 있습니다. 바로 고체연료이기 때문에 기체인 천연가스보다 200배 압축을 시킬 수 있기 때문입니다. 약 1L의 메탄 하이드레이트는 200L의 메탄 가스가 들어 있다고 보시면 될 것 같습니다. 그리고 친환경적으로도 장점이 뚜렷한데 수소대비 탄소비율이 낮아 다른 화석연료보다 사용시 이산화탄소의 양이 적게 나오기 때문에 화석연료보다 친환경적인 점을 가지고 있습니다.
메탄 가스와 이산화탄소는 서로 비슷한 분자 구조를 가지기 때문에 메탄 하이드레이트에 이산화탄소를 갖다 대면 얼음속에 갇혀 있는 메탄이 나오고 빈 공간에 이산화탄소가 대신 들어가는 현상이 발생합니다. 메탄 하이드레이트를 연소하여 발생한 이산화탄소를 포집하여 매장된 메탄 하이드레이트와 치환하게 된다면 온난화를 야기하는 이산화탄소를 바다에 버리면서 연료를 채굴하는 효율적인 방법이 됩니다.
이러한 재료들은 장점만 존재하지는 않습니다. 우선 가장 큰 단점으로는 아직 개발이 덜 진행된 고체연료라는 점이며, 매우 불안정한 물질이라 저온, 고압에서만 안정적인 물질이기 때문에 채굴하기가 까다로운 물질입니다. 혹여나 채굴 과정에서 메탄가스들이 잘못 유출된다면 매장층 전부 폭발해버릴 위험이 있습니다. 또한 이 고체연료는 사용해도 문제이지만 온난화가 가속된다면 가만히 냅둬도 문제가 되는 물질입니다. 온난화가 가속되면서 북극해와 시베리아 바다의 온도가 상승하는데 압력은 동일하지만 온도 조건이 바뀌게 되어 불안정한 메탄 하이드레이트가 녹아 메탄가스가 분출되게 됩니다. 그럼 바다에 메탄가스가 나와 부글부글 끓는 것처럼 보이게 되는데 분출된 메탄가스들은 이산화탄소보다 더 지구온난화에 악영향을 미치기 때문에 사용을 하지 않더라도 큰 문제를 야기할 수 있습니다. 그리고 여담이지만 버뮤다 삼각지대에는 메탄 하이드레이트가 많이 매장되어 있는데 급격한 기온변화로 인해 분출된 메탄가스들은 비행기는 불이 붙고 선박은 부력이 감소해 침몰해서 버뮤다 미스터리가 발생했다고 보는 가설이 있습니다.
3. 마무리
현재 메탄 하이드레이트는 경제적으로 효율적이지 못한 자원이기 때문에 지속적인 연구가 필요합니다. 현재 러시아 에너지 수출이 금지되면서 천연가스 및 원유 값이 상승하였습니다. 이러한 사태가 지속될 가능성과 확전으로 이어질 가능성, 종전이 되어도 또 다른 분쟁이 일어날 가능성이 없지 않기 때문에 기름 한 방울 안나는 대한민국은 대안으로 적절한 연료를 찾아야 할 것입니다. 이러한 점에서 현재 우리나라 땅에 매장되어 있는 메탄 하이드레이트는 차세대 고체연료로 고려될 수 있다고 봅니다.
출처
https://terms.naver.com/entry.naver?docId=2842440&cid=47309&categoryId=47309
https://post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=29819087&memberNo=30120665&vType=VERTICAL
https://blog.naver.com/kpetronews/221506325379
https://namu.wiki/w/%EB%A9%94%ED%83%84%20%ED%95%98%EC%9D%B4%EB%93%9C%EB%A0%88%EC%9D%B4%ED%8A%B8
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