천연가스 하이드레이트 특허 동향

지난 100 여년 동안 인류는 역사상 그 어느 시점보다 많은 발전을 이뤄왔고 식량이나 의학분야에서의 기술발달이 그러한 발전의 원동력이 된 소프트웨어였다면 석유와 천연가스로 대표되는 화석연료의 이용은 그 어떤 다른 하드웨어보다 강력한 발전의 원동력이었다.

하지만 이제 인류는 필연적으로 고갈될 수 밖에 없는 이러한 부존자원을 대체할 새로운 자원의 개발에 게을렀다는 결론에 도달하고 있는 듯 보인다. 2차례에 걸친 강력한 오일쇼크를 경험하고도 말이다.

고유가는 대세

고유가 행진이 연일 계속되고 있다. 12개월째 이어지고 있는 상승 추세는 꺾일 줄을 모르고, 서부 텍사스 중질유가 배럴당 80달러를 넘긴 지금 국제유가는 배럴당 80달러선에서 굳어질 것이라는 예상까지 나오고 있다. 거시적인 국가경제를 논하기에 앞서 리터당 1500원대 중반을 넘어버린 휘발유 가격은 이미 서민들의 발목을 잡고 있으며, 덕분에 길은 덜 막힌다는 자조까지 나오고 있는 실정이다.

 대체에너지 뿐만 아니라 대체 ‘탄화수소원’ 찾아야

이러한 시기을 맞아 석유는 물론 미미한 생산량을 제외하면 천연가스마저도 거의 나지 않는 우리나라의 상황은 정말 절실하다. 그 누구보다도 대체 에너지원을 필요로 하는 것이다.

태양전지·연료전지·신재생 에너지, 그리고 원자력…. 우리가 대체 에너지라는 말을 들으면 언뜻 먼저 떠올리는 단어들이지만, 현재의 점유율과 기대되는 활용 가능성을 놓고 볼 때 이와 관련된 기술들이 석유나 천연가스의 고갈을 모두 메워줄 수 있을까?

간단히 생각해도 대답은 ‘그렇지는 않다’이다. 석유와 천연가스는 에너지원으로서 뿐만 아니라 의복, 플라스틱, 전자재료, 심지어 의약품의 재료로서 인류 문명의 주요한 ‘구성성분’이기 때문에 우리나라는 물론 전 세계기 새로운 탄화수소원을 찾아야만 한다. 그것도 빠른 시일 안에.

천연가스 하이드레이트는?

그러한 점에서 천연가스 하이드레이트의 존재는 우리의 관심을 끌기에 충분하다. 시의적절하게도 지난 6월, 산업자원부와 가스 하이드레이트 개발사업단이 ‘탐해2호’를 이용하여 울릉도 남방 약 100km 지점에서 자연상태의 소위 천연가스 하이드레이트(natural gas hydrate 또는 in-situ gas hydrate)를 세계에서 5번째로 실물 채취하였다는 보도가 나왔다.

천연가스 하이드레이트는 전세계적으로도 매장량이 풍부하며, 메탄가스가 주성분으로 연소할 때 여타 화석연료에 비해 온실가스인 이산화탄소의 발생량이 적고, 불순물이 없어 NOx(질소산화물)와 같은 오염물질이 거의 배출되지 않는 친환경 에너지원이자 탄화수소원이다.

천연가스 하이드레이트는 일반적인 수화물에서와는 달리 물(얼음)이 주체(host)이고 가스가 객체(guest)로서 서로 물리적으로 결합되어 결정을 이루는 화합물로, 물 분자의 격자 공간에 메탄 등의 천연가스 성분의 분자가 갇혀 있는 형태이다.

그 형태가 얼음과 유사하지만 결정 속에 갇혀 있던 천연가스 성분이 배출되면서 불이 붙기 때문에 ‘불타는 얼음’으로 불린다. 또 매우 작은 부피에 다량의 천연가스가 함유되어 있어, 간단한 온도나 압력의 조작으로 쉽게 다량의 천연가스를 얻을 수 있는 차세대 대체 에너지원이다.

한반도 동해에 6억t 매장 추정

천연가스 하이드레이트는 전 세계적으로 약 10조t이 매장된 것으로 추정된다. 주로 동토지역 및 심해저(1000~2000m) 지역에 분포하고 있으며, 한반도 인근 동해 지역에 약 6억t이 매장된 것으로 추정되는데 이 양은 우리나라 천연가스 소비량의 약 30년분에 해당하며 현재 천연가스 금액을 기준으로 약 150조원 가량 될 것으로 평가된다.

환경친화형 차세대 대체 에너지로 주목받고 있는 ‘천연가스 하이드레이트’ 관련 기술 동향을 파악해 본 결과, 우리나라는 외국에 비해 특허 출원건수는 상대적으로 적으나, 일부 기술분야에서 세계 최고의 수준을 보이고 있었다.

또 천연가스 하이드레이트가 동해에 대규모로 매장돼 있으며, 한국의 시추선박 관련 기술이 세계적인 수준이므로 경제성 있는 채굴기술 위주로 연구개발을 강화한다면 차세대 에너지원으로 인정받는 ‘불타는 얼음’을 선점할 수 있을 것으로 예상된다.

채굴기술 위주 연구개발 경쟁력 있어

관련 기술에 대한 특허출원의 추이를 보면, 2000년 이전에는 미국 및 유럽의 강세가 지속되어 왔으나, 고유가 지속으로 영향을 상대적으로 많이 받은 일본의 경우 2000년 이후 급격한 출원증가세를 나타내고 있어 최근 일본이 대체 에너지원이자 탄화수소원으로서 그 개발에 박차를 가하고 있음을 보여준다.

세부 기술분야별로는 미국과 유럽은 주로 천연가스의 운송·보관 및 이 과정에서 가스 하이드레이트 형성을 억제하는 기술에 강점이 있으며, 일본의 경우 상대적으로 가스 하이드레이트로 고정화하는 기술과 탐사·채굴 기술에 강세를 나타내고 있다.

국내 출원의 경우 그 출원건수는 많지 않으나, 다양한 분야에 대해 출원되고 있으며 대학과 연구소는 주로 분리 및 가스화 기술에 대한 출원을 많이 하고 있다. 또 국내 ‘조선 빅3’인 현대중공업·대우조선해양·삼성중공업에서는 보관·운송이나 탐사·채굴 기술에 대한 출원을 많이 하고 있다.

최근에는 KAIST 생명화학공학과 이흔 교수 연구팀이 이산화탄소와 질소 혼합가스를 해저의 천연가스 하이드레이트에 공급해 천연가스와 직접 맞교환하는 기술에 관한 특허를 등록했다. 이 기술은 천연가스 하이드레이트로부터 천연가스 성분을 해저층의 붕괴 없이 안정적으로 직접 회수하는 것은 물론 대기 중의 온실가스를 저장하는 공정을 동시에 수행하는 것으로 경제성과 환경적 측면에서도 모두 주목받고 있는 기술이다.

이러한 점들을 모두 고려해 볼 때, 다른 화석연료와는 달리 우리나라 인근 해역에 충분한 부존량이 있다는 점을 적극 활용해 선진국에게 선점당한 원천기술보다는 경제성 있는 채굴기술 위주로 연구개발을 강화한다면 우리나라는 차세대 에너지원인 ‘불타는 얼음’에 관한 기술을 선점할 수 있을 것으로 기대된다.

위기는 기회이고 하늘이 무너져도 솟아날 구멍은 있기 마련이다. 고유가 시대가 대세라면 우리가 준비할 것이 무엇인지도 그만큼 명확하지 않을까?  

이윤원 특허청 화학생명공학심사본부장  

2007.10.10

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