석유 대체 에너지 가스하이드레이트

□ 석유 대체 에너지 가스하이드레이트  1. 대체 에너지의 중요성  1) 석유 자원의 고갈 ( 2001.5.9 AP 인용 ) 석유 가격이 급등하고, 마침내 석유 위기가 닥친다. 현재 세계에서 소비되는 1차 에너지의 약 40%가 석유로 충당되고 있다. 석유는 1950년대에 중동지역에서 대규모 유전이 개발되고 나서 염가로 대량으로 생산되었다. 석유는 마침내 석탄을 대신하여, 에너지 자원의 주역이 되어, 인류 사회의 기반을 유지해 왔다. 그래서 석유의 가격이 세계 경제와 우리들의 생활을 좌우하는 큰 요인이 되고 있다. 현재의 생산량으로 계산하면, 석유는 앞으로 약 40년 이면 고갈될 것이라 한다.  1999년 연간 생산량은 약 253억 배럴이었다. 1배럴은 약 159L이다. 일본쓰쿠바 대학 기능공학계의 우치야마 교수는 "석유는 지금부터 약 40년 후 갑자기 없어지는 것은 아니다. 보통 유전은 매장량이 채굴 개시 전의 약 40%가 될 무렵부터 생산량은 차츰 감소된다."고 말하고 있다. 우치야마 교수는 세계의 주요 유전 모두에 대하여 석유의 감산이 시작되는 시기를 계산하여, 그들을 합산했다. 그 결과, 저가인 석유는 2015년경부터 감산이 시작될 것으로 예상하고 있다. 저가 석유란 생산 비용이 1배럴당 20달러 이하인 것을 가리키는데, 이것을 1L당으로 환산하면 약 130원이다.  현재 여러 나라의 경제는 저가격의 석유를 대량으로 소비하는 것으로 이루어져 있다. 과거에 세계는 두 번의 큰 석유 위기를 맞아, 에너지의 대부분을 석유에 의존하고 있던 나라들의 경제는 큰 타격을 입었다. 그것이 1973년의 제1차 석유 위기와 1979년의 제2차 석유 위기인데, 전쟁이나 정변을 계기로 원유 가격이 상승했던 결과로 발생하였다. 2015년부터 저가 석유가 감소한다는 것은 이대로 아무 대책을 강구하지 않는다면, 석유의 대량 소비 위에 성립하는 현재 사회의 존속이 어렵게 된다는 것을 의미하고 있다.  그 석유 위기는 석유의 고갈이라는 근본적인 원인에 유래한다는 점이 과거와는 다른 양상이다. 마침내 양질의 석유 고갈은 규모나 파급 효과의 측면에서 과거 보다 훨씬 크고, 심각해질 것으로 여겨진다.    2) 인구 폭발과 석유 위기( 2001.5.9 AP 인용 ) 인구 폭발로 에너지 소비량이 급증한다 21세기에 지구의 인구는 폭발적으로 증가하여, 2050년에는 약 90억이 될 것으로 예측하고 있다. 증가하는 인구 중의 약 90% 이상이 개발 도상국으로 차지할 것이라고 한다. 개발 도상국의 에너지 소비량(1996년)은 석유로 환산하면 1인당 1일에 1~2L이다. 가장 많은 미국은 26L로서, 개발 도상국의 약 15배나 소비하고 있는 셈이다. 석유의 고갈까지 약 40년이라고 하는 것은 어디까지나 현재의 생산량으로 계산한 경우이다.   “앞으로 개발 도상국에서 1일당 소비량이 증가하고, 더욱 인구가 증가하면, 석유의 고갈은 더욱 가속될 것이다. 지금까지 이럭저럭 해 왔기 때문에 괜찮을 것이라는 생각은 앞으로 통용되지 않을 것이다."고 일본 교토 대학 우주항공 전파과학연구센터의 마쓰모토 교수는 말하고 있다. 또 석유나 석탄 등의 화석연료를 태우면, 지구를 온난화하는 이산화탄소나 산성비의 원인이 되는 황산화물, 질소산화물 등이 배출된다.  아무런 환경 대책도 취하지 않은 채 개발 도상국에서 화석 연료의 소비가 급증하면, 지구 온난화와 대기 오염, 수질오염이 급속도로 진행될 가능성이 있다.  이제까지 인류의 주요 에너지 자원은 목재, 석탄, 석유로 변천되어 왔지만, 장래에는 천연 가스가 석유를 앞지를 것으로 예상된다. 이 역사는 결과적으로 더욱 청정한 에너지로 이행된 역사라 할 수 있다.  에너지 자원에 포함되는 탄소의 비율이 수소에 비하여 큰 것일수록 이산화탄소의 발생량이 높아진다. 이 가운데 탄소의 비율이 가장 적은 것이 천연 가스이다. 그러나 현재의 생산량으로 계산하면, 확인되고 있는 천연가스는 앞으로 약 60년이면 고갈될 것으로 추정되어, 궁극적인 에너지 자원이 될 수 없다. 일본 쓰쿠바 대학 기능공학계의 우치야마 교수는 이렇게 말한다. "우리들 자손까지 고려하여, 대체 에너지로 이행해야 하는 것이 지금 요구되고 있다."  3) 한국령 동해에 매장된 천연가스층의 비밀   (신동아 1998년 9월호에 실린 “한국령 동해에 매장된 가스층의 비밀...” 의 전문인용)     (1) 러시아는 알고 있었고, 일본은 독도를 노렸다     (2) 하이드레이트 있으면 천연가스 존재     (3) 일본이 독도를 주장하는 이유     (4) 고래 V 천연가스는 최고급 품질     (5) 밴드 형성하고 있는 천연가스층     (6) 중국, 일본, 북한 석유난다     (7) 하이드레이트와 천연가스의 일치     (8) 자원 팔아먹은 한보의 배신   러시아의 시베리아와 같은 영구 동토지대와 심해저의 퇴적물 또는 퇴적암에 광범위하게 분포되어 있는 하이드레이트는 온도가 매우 낮고 압력이 높은 고압 상태에서 얼음과 비슷한 고체 상태로 존재한다. 최근 석유등 에너지자원이 고갈되고 있고, 세계각국의 환경보호 정책에 따라 연소시 환경을 오염시키는 이산화탄소 발생량이 적은 청정에너지에 대한 요구가 늘어나면서 하이드레이트에 대한 관심은 엄청나게 높아졌다. 천연가스처럼 95%이상이 메탄으로 이루어진 하이드레이트는 기존 천연가스의 매장량보다 수십배 많은데다가, 연소시 이산화탄소 발생으로 인한 공해가 거의 없기 때문이다.  =================================================================     1. 가스 하이드레이트란 무엇인가  가스 하이드레이트란 기온이 낮고 (10℃ 이하) 압력이 높은 (1 bar 이상) 상태에서 저분자량의 가스나 액체가 물과 화학적 결합이 아니라, 구조적 엉킴과 유사한 물리적 결합에 의해 고체상태의 결정으로 존재하는 화합물을 말한다.  수소결합에 의해 3차원의 격자구조를 형성하는 물을 주체(host) 라고 부르며 이렇게 형성된 동공에 포집되는 가스나 액체를 객체(guest) 라고 부른다. 현재까지 약 100여 종의 객체가 밝혀졌으며 대표적인 물질로 메탄, 에탄, 프로판과 같은 천연가스 성분 질소, 산소, 이산화탄소와 같은 대기성분 일부 프레온이나 VOC, 그리고 일부 에스테르, 아민 등이 존재한다.  하이드레이트는 각 객체에 따라 존재 가능한 온도, 압력, 조건이 다르며, 적절한 온도, 압력 조건이 파괴될 경우 원래 상태의 주체와 객체로 갈라지게 되고 이를 해리(dissociation) 라 한다. 가스 하이드레이트가 발견된지 한 세기가 지난 지금까지도 이에 관한 연구는 그리 충분하지 못하며, 특히 국내에서는 거의 주목을 받지 못하고 있는 실정이다.  가스 하이드레이트(gas hydrate)는 크러스레이트(clathrate)의 특수한 형태이다. clathrate라는 명칭은 "enclosed by bars or gratings"라는 뜻을 가지는 라틴어인 "clathratus"로부터 기원한다.  가스 하이드레이트는 외관상으로는 얼음과 비슷한 고체의 물질이나, 결정구조나 그의 물리적 특성은 매우 다른 모습을 보인다. 고압과 저온의 조건에서 물분자간의 수소결합으로로 형성되는 3차원의 격자구조에 동공(cavity)라는 빈 공간이 생기고 이 동공에 메탄, 에탄, 프로판, 이산화탄소, 질소, 산소 등의 저분자량 가스 분자가 물리적으로 결합하여 생성된다. 하이드레이트는 보통의 화학결합이 아닌 물리적으로 얽힌 구조의 물질로서 구형에 가까운 이산화탄소 하이드레이트 동공은 두 종류가 있으며 그들의 평균 반지름은 3.91, 4.33 Å가량이다.     최초의 액상인 물과 기상인 가스와는 완연히 다른 고상의 하이드레이트는 열역학적으로 안정된 결정체이며 하이드레이트로 존재하기 위한 최소한의 온도, 압력조건이 충족되면 고상으로 항구적인 존재가 가능하다. 만약 이러한 존재가능 조건이 파괴되면 고상의 하이드레이트는 해리(dissociation)과정을 통해 본래의 물과 가스 상태로 되돌아 가게 된다. 현재 약 100여개의 하이드레이트 형성가능 분자들이 알려져 있는데 천연가스성분 거의 다수가 이에 속하는 관계로 많은 연구가 이루어지고 있다.  가스 하이드레이트를 이용한 저장법은 그 효율면에서도 매우 뛰어날 것으로 판단된다. 1cc의 이산화탄소 하이드레이트는 상온, 상압에서 172cc의 이산화탄소 가스와 0.8cc의 물로 해리된다. 따라서 미량의 물을 첨가하고 가압하면 부피비로 계산하여 170배의 이산화탄소를 저장할 수 있다는 것이다.  <가스 하이드레이트의 특성>  모든 가스하이드레이트는 온도와 압력의 변화에 대단히 민감하게 반응하는 특성을 지니고 있다. 가스 하이드레이트에 포획되는 가스의 양은 성분, 온도 및 압력에 영향을 받는다. 광물의 경우 특정한 온도와 압력하에서 형성된 후에는 조건이 변화해도 어느 정도는 안정성을 가지고 있기 때문에 쉽게 용해되거나 분해되지 않는다. 그러나 얼음의 경우에는 온도의 변화에 대단히 민감하여 온도가 빙점보다 높아지면 바로 녹기 시작한다.  모든 가스 하이드레이트도 얼음과 같이 안정하게 존재할 수 있는 온도와 압력 조건을 벗어나면 쉽게 해리된다. 따라서 이와 같은 특성은 가스 하이드레이트가 부존된 지층에 대한 지질 온도계와 압력계로 사용될 수 있다. 가스 하이드레이트는 외형상으로 얼음과 비슷하나, 얼음의 결정구조가 육방체인 반면 가스 하이드레이트는 입방체의 결정구조를 가진다. 가스 하이드레이트의 결정구조는 수소결합으로 이루어진 물분자에 의하여 형성된 다면체의 공동으로 이루어진다. 현재까지 알려진 동공의 유형은 512(12개의 5각형 면체), 51262, 51264, 51268, 435663 이다.  가스 하이드레이트를 형성하는 동공들의 종류에 따라 구조-I, 구조-II, 및 구조-H로 나뉘어진다.   일반적으로 구조-II와 구조-H 하이드레이트가 구조-I 하이드레이트에 비해 안정하다.  2개의 512 동공과 6개의 51262 동공으로 구성된 가스 하이드레이트 구조-I은 1965년 Mc-Mullan과 Jeffrey의 XRD 연구 결과 밝혀졌으며, 일반적으로 가스 분자의 직경이 5.8A 미만인 메탄, 에탄, 질소, 황화수소, 이산화탄소 등이 구조-I을 형성한다.  가스 하이드레이트 구조-II는 16개의 512와 8개의 51264 동공으로 구성되어 있다.

x-text/html; charset=EUC-KR" autostart="true" loop="-1" showstatusbar="true" volume="-1">