캐나다, 지하 석유에 불을 붙여 녹색수소를 채취
캐나다, 지하 석유에 불을 붙여 녹색수소를 채취
  • 최용환 기자
  • 승인 2020.05.21 11:22
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캐나다 슈퍼브 유전에 유정 투입. 수소를 만들기 위해, 노동자들이 증기로 석유 매장지를 가열하고 공기를 공급하여 지하 석유 화재를 발생시킨다.
캐나다 슈퍼브 유전에 유정 투입. 수소를 만들기 위해, 노동자들이 증기로 석유 매장지를 가열하고 공기를 공급하여 지하 석유 화재를 발생시킨다.

 

[퓨처타임즈=최용환 기자] 캐나다 서스캐처원의 얼어붙은 평원에서 수소를 생산하고 있다. 이 회사 작업자들은 2억 배럴의 두꺼운 점성 석유가 저장된 700미터 아래 모래층인 슈퍼브 들판에 증기와 공기를 주입하기 시작했다. 이들의 목표는 기름을 퍼내는 것이 아니라, 이산화탄소와 수소 가스를 내뿜는 지하 화학 반응에 불을 지르는 것이었다.

결국 300만 달러 규모의 현장 실험을 실시하는 회사는 깨끗한 연소 수소만 지면에 도달할 수 있는 멤브레인을 유정에 연결할 계획이다. 이산화탄소와 기후를 따뜻하게 하는 CO2의 모든 힘은 지구 깊은 곳에 격리되어 있을 것이다.

"석유 자원으로부터 에너지를 얻을 수 있고 탄소 배출이 전혀 없을 수 있다는 생각을 시작하고 싶습니다,"라고 캘거리 대학의 화학 엔지니어이자 프로톤 테크놀로지라는 신생기업의 공동 설립자인 이안 게이츠가 말했다.

수소 연소는 물만 방출하기 때문에 동력, 열, 수송의 연료로서 수소 시장이 성장하고 있다. 그러나 대부분의 수소는 천연가스로, 공기에 탄소를 배출하는 과정, 또는 값비싼 전해액으로 만들어진다.

프로톤 테크놀로지는 물에 침수되어 있거나 기름층이 너무 두꺼워 굴착기가 기피하는 석유 매장지를 통해 비용을 절감할 수 있다고 말한다. "누군가의 버려진 부채가 우리의 수소밭이 된다"고 파산 상태에서 슈퍼브 필드를 매입한 그랜트 스트렘 최고경영자(CEO)는 말한다.

런던제국대의 화학 공학자 제프리 메이틀랜드는 석유 매장지를 고온의 자연 가압 원자로로 취급하는 개념으로서 "훌륭한 팬"이라고 표현한다. "이 화학은 표면적으로 잘 입증되었습니다."라고 그가 말한다. "문제는 수 킬로미터 떨어진 지하에서 이러한 과정을 통제하는 것입니다."

산업계는 화공법으로도 알려진 지하 화재를 수십 년 동안 실험해 왔다. 지하에 주입한 공기나 산소를 통해 화재는 석유를 유정으로 밀어낼 수 있는 가스를 방출하고, 그 열은 타르와 같은 역청 및 다른 중유를 연화시켜 기름을 용이하게 퍼올리도록 한다.

1980년대 초 캐나다의 광대한 유사에 있는 마거리트 레이크 유전에서 행해진 화공법 실험은 부산물로 상당한 양의 수소를 생산했다. 게이츠는 당시 아무도 이를 신경 쓰지 않았지만, 그 발견은 "이 발상의 씨앗"을 뿌렸다고 말한다. "석유 저장소에서 수소만 생산하면 어떨까?"

2011년 퓨얼 저널에 실린 논문에서 그와 동료들은 그것이 어떻게 작동하는지 스케치했다. 첫 번째 단계는 증기를 사용하여 석유 매입지를 250°C까지 가열하고 공기와 산소를 추가하여 연소를 차단하는 것이다. 그 열은 기름의 긴 탄화수소 사슬을 더 작은 조각으로 쪼개고 소량의 수소를 생성한다.

그러나 화재가 500°C 이상의 온도에 도달하면 뜨거운 저장소로부터 주입된 증기 또는 수증기가 탄화수소와 반응하여, 일산화탄소와 수소의 혼합물인 합성 가스를 만든다. 이 합성 가스에 물을 더 첨가하면 CO2와 수소를 더 많이 생성하는 최종 반응이 일어난다.

텍사스 A&M 대학의 중유 저장장치 엔지니어인 베르나 하스카키르는 "복잡하며 통제하기 어려운 현장 연소로 500°C 이상의 온도를 올리는 것이 주된 장애물이 될 것"이라고 전했다. 게이츠는 이러한 반응이 여전히 500°C 이하로, 낮은 효율성으로 진행된다고 한다. "이상적으로는 온도가 더 오르길 바랍니다,"라고 그가 말한다. "하지만 이 정도의 온도 또한 상당한 양의 수소를 생산하기에 충분합니다."

또 다른 과제는 생산된 수소를 독성 황화수소와 같은 혼합물의 다른 불순물로부터 분리하는 일이다. 스트렘은 팔라듐 합금으로 만든 얇은 막을 사용하여, 수소 가스를 개별 수소 원자로 분해할 것이라고 밝혔다. 이 원자들은 금속 격자를 통해 확산된 다음 결합하여 반대편에서 다시 수소 가스를 형성한다.

그러나 팔라듐 막은 지표면에서 사용되더라도 깨지기 쉽고 까다로울 수 있다고 우스터 폴리테크닉 연구소의 화학 엔지니어 제니퍼 윌콕스는 지적한다. "지하에서 모든 일을 할 때에는 이를 통제하기가 어렵습니다."

현재로서는 프로톤 테크놀로지가 지표면에 있는 멤브레인을 사용하고 분리된 이산화탄소를 배출할 것이다. 그러나 만약 회사가 다음 현장 테스트를 위해 대략 5천만 달러를 모금할 수 있다면, 스트렘은 유정 깊숙이 있는 멤브레인들을 시험하고 싶어할 것이다. 그는 또한 공기 분리 장치를 구입, 매장지에 순수한 산소를 주입하여 더 뜨겁고 효율적인 원자로로 만들기를 원한다. 그는 앞으로 몇 달 안에 상업적인 양의 수소를 생산하기를 희망하며, 이 회사는 현재의 공급원보다 상당히 싼 킬로그램 당 10센트에서 50센트에 가스를 생산할 수 있을 것이라고 전한다.

세계에서 생산되는 수소 대부분은 석유 제품을 정제하고 암모니아 비료를 만드는 데 사용된다. 그러나 녹색 연료로서의 수소 시장은 성장하고 있다고 재생수소 협회의 켄 드래건 전무는 말한다. 시범 프로젝트에서 공익기업들은 가정용 난방과 가전제품용 천연가스 파이프라인에 소량의 수소를 주입하고 있다. 그는 교통수단에서 열차, 버스, 지게차 등이 수소 연료 전지로 바뀌고 있다고 말한다. 이 연료 전지는 다른 녹색 대안인 전기 배터리보다 더 길고 훨씬 빠른 연료를 공급한다.

전해조로 만들어진 재생 가능한 수소를 옹호하는 드래건은 프로톤 테크놀로지와 같은 경쟁자를 보게 되어 기쁠 것이다. "우리는 우리가 할 수 있는 모든 것을 필요로 합니다."라고 그가 말한다. "안전하고 기후중립적인 연료 생산에 더 큰 힘을 실어야 합니다."


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