서 론
암모니아의 특성 및 지하 저장 사례
암모니아의 물리∙화학적 특성
지하 저장 방식의 개요
국내∙외 지하 저장 사례
지하 저장 방식의 기술적 검토
부지 선정 요건 및 평가 기준
적용 가능한 지하저장소 모델
수직구 굴착 공법 및 특징
제도적 기반 및 경제적 타당성 분석
국내 법∙제도 현황
경제적 타당성 분석
결론 및 향후 제언
서 론
전 세계적으로 에너지의 수요와 소비량은 산업의 발전과 경제가 성장함에 따라 꾸준히 증가하고 있으며, 산업 혁명 이래로 탄화수소 기반의 화석연료 사용으로 인해 온실가스 배출 등과 같은 환경문제가 대두되어 왔다(Lee et al., 2021; Park et al., 2022). 이에 따라 안정적인 에너지 공급 및 환경문제 해결을 위해 파리기후협정(Paris Agreement) 등 다양한 국제적 협력을 추진하고 있으며, 재생에너지 기반의 청정에너지 공급망 구축에 노력을 기울이고 있다(Park et al., 2022; Park et al., 2024). 그러나 재생에너지의 특성상 생산량은 기후와 시간, 지역에 따른 영향을 많이 받기 때문에 정확한 예측이 어려워 전력의 수요와 공급 간의 불균형을 초래할 수 있으므로 발전 효율 증대 및 잉여 전력을 저장하여 사용할 수 있는 에너지 저장 기술이 필요하다.
다양한 에너지 저장 기술 중에서도 수소를 이용한 에너지 저장 기술이 주목받고 있다. 특히 수소는 높은 질량 대비 에너지 밀도(120 MJ/kg)를 가지고 있으며, 연료전지를 이용하여 이산화탄소의 배출 없이 고효율로 에너지를 재생산할 수 있다(KIST, 2019). 하지만 수소는 부피 대비 에너지 저장 밀도(2.98 kWh/m3)가 낮아 저장 및 운송 시 고압 또는 극저온(‒253°C)의 조건이 요구되며, 이로 인해 경제성 저하와 기화 손실 등의 문제가 수반된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 수소를 액상 유기화합물(LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carrier), 암모니아(NH3) 등의 형태로 저장 및 장거리 운송하는 기술 개발에 관한 관심이 증가하고 있다(KIER, 2021). 이와 같이 수소를 보다 안전하고 효율적으로 저장하고 운반하기 위해 사용하는 물질 또는 형태를 수소 캐리어(hydrogen carrier)라고 한다.
액화 수소와 수소 캐리어의 특성을 Table 1에 나타내었다(Lee et al., 2021; Ju et al., 2023). 수소 캐리어 중에서도 암모니아는 비교적 마일드한 조건(1 atm, ‒33.4℃ 또는 8.5 bar, 20℃)에서 액화가 되며, 수소 함유량이 LOHC 및 다른 수소 캐리어보다 높다. 또한 암모니아는 직접 연료전지(AFC) 또는 터빈 연료로 활용이 가능한 무탄소 연료로써 수소경제의 핵심 매개체로 주목받고 있다(KIER, 2021; Daishin Securities, 2023; Ju et al., 2023).
Table 1.
Comparison of liquefied hydrogen and hydrogen-carrier properties
이러한 수소 저장 기술의 중요성은 정부의 중장기 수소 수요 전망에서도 명확히 나타난다. 2021년에 발표된 ｢제1차 수소경제 이행 기본계획｣에 따르면, 2050년의 국내 수소의 총 수요는 약 2,790만 톤으로 전망하고 있으며, 이 중 약 2,290만 톤은 해외로부터 수입할 것으로 예상된다(MOTIE, 2021). 전체 수요 중 발전 부문은 1,350만 톤, 산업 부문은 1,060만 톤, 수송 부문은 220만 톤으로 예상되며, 특히 발전 및 산업 부문의 수요처는 국가 기간산업으로 에너지 안보 측면에서 석유(국가 90일, 민간 40~60일)와 같이 일정 수준 이상의 의무 비축 제도와 대규모의 장기 저장 인프라 구축이 필요할 것으로 사료된다. 또한 기술적 타당성에 대한 사전 검토와 함께, 대규모 장기 저장에 적합한 저장 방식, 입지 조건, 시공 및 운영 기술에 대한 종합적 검토가 필요할 것으로 판단된다.
이에 따라 세계적으로 암모니아의 생산, 저장, 수송 및 활용에 관한 연구가 활발하게 진행 중에 있으며, 국내에서도 그린 암모니아 협의체 출범이나 암모니아 규제자유특구 지정 등 관련 정책 기반 마련과 연구개발이 진행되고 있다(KIER, 2021). 암모니아의 활용도가 증가함에 따라, 장기적으로 안전하게 저장할 수 있는 인프라 확보의 필요성이 증대되고 있으나, 대규모 저장 및 관리 기술에 관한 연구는 상대적으로 미비한 실정이다.
기존의 지상 저장 방식은 대규모 부지확보에 어려움이 있으며, 외부 충격과 자연재해에 취약하므로 안정성 확보에 한계가 있다. 이러한 공간적인 제약과 안정성을 확보하기 위한 방안으로써 대심도 지하공간을 활용하는 방안이 활발히 제시되고 있으며(Cho and Lee, 2024), 실제로 방사성 폐기물 처분장, 에너지 저장 및 처리시설 등 다양한 분야에서 지하공간을 활용한 사례가 확대되고 있다(Shin and Lee, 2017). 특히 지하 암반은 격리성, 기밀성, 내재해성이 뛰어나며, 지표의 기온 변동에 영향을 거의 받지 않는 안정된 상태로 연중 내내 일정한 온도 및 습도가 유지되므로 저장 시설의 에너지 및 유지비용 절감에 효과적이다. 또한 화학적으로도 안정하므로 장기 저장의 안정성 확보에도 유리할 것으로 사료된다.
따라서 본 논문에서는 암모니아의 물리∙화학적 특성, 국내외 관련 사례, 지하저장소의 시공 공법, 경제성 및 관련 법∙제도 등을 종합적으로 분석함으로써, 암모니아 지하 저장 기술의 적용 가능성을 기술적, 경제적, 제도적 관점에서 고찰하고자 한다.
암모니아의 특성 및 지하 저장 사례
암모니아의 물리∙화학적 특성
암모니아(NH3)는 질소와 수소로 이루어져 있으며, 자극적인 냄새가 나는 무색의 기체로 대기압 조건에서는 ‒33.4°C에서 액화된다(KIER, 2021; Kim, 2024). 가압 상태의 암모니아가 외부로 누출되는 경우 증기 또는 에어로졸의 형태로 방출되어 대기로 확산되는 특성을 보이는데 일반적으로는 공기보다 가벼워 상부로 확산되는 특성을 가지나, 액체 상태에서 기화되어 누출되는 경우 공기보다 무거운 혼합가스를 형성하여 지표면 부근에 체류할 수 있다(KR, 2021).
또한 암모니아는 염기성 띠며, 부식성과 자극성이 강한 맹독성 물질로 분류되어 있고(KGSC, 2021; KGSC, 2022) 폭발 하한계가 약 16%, 상한계가 25%로 하한계가 비교적 높아 단독으로는 폭발 가능성이 작으나, 기름 등의 가연성 물질과 함께 보관하는 경우 화재 위험성이 크게 증가할 수 있다(KR, 2021). 그리고 암모니아의 용해도는 0°C에서 약 47%, 25°C에서 약 31%로 수용성이 매우 높아 지하 저장 시 누출될 경우 지하수에 용해되어 심각한 피해를 초래할 수 있으므로 부지 선정 단계에서 지하수 부존 여부를 확인하여야 하며, 설계 시 내식성, 기밀성 등을 고려하여 차폐 성능을 확보하여야 한다.
지하 저장 방식의 개요
현재 암모니아는 주로 표준 탱크 기반의 설비를 이용하여 보관 및 저장하고 있으나, 이러한 지상 탱크 저장 방식은 대규모 저장 시설 구축 시 부지 확보의 어려움뿐만 아니라 외부 충격이나 지진, 태풍, 홍수 등의 자연재해로부터 취약하며, 누출될 경우 대규모 인명 피해와 환경 오염으로 이어질 가능성이 있다. 이런 다양한 문제점을 해결하기 위해 에너지 저장 및 처리시설의 지하화에 관한 연구 및 개발이 지속적으로 진행되어 왔다. 초기에 지하 저장 기술은 주로 천연가스를 저장하기 위한 목적으로 사용되었으나, 현재는 수소 저장이나 이산화탄소 포집∙저장(CCS) 등 적용 범위가 확대되고 있는 추세이다(Park et al., 2022; Park et al., 2024). 현재까지 활용되고 있는 대표적인 지하 저장 방식에는 폐유가스전(Depleted Reservoir), 대수층(Aquifer), 암염돔(Salt Cavern), 암반 공동(Rock Cavern) 등이 있다(Cho and Lee, 2024).
폐유가스전은 가장 상용화된 방법으로, 원유 또는 가스를 채굴한 후 해당 저류층에 저장 물질을 재주입하여 저장하는 방법이다. 이 방법은 기존의 파이프라인이나 계측 장비 등의 기존 인프라를 활용할 수 있다는 장점이 있어 타 저장 방식에 비해 경제성이 높다. 그러나 해당 저류층 부근에 단층이나 균열이 있는 경우, 저류층에 유체를 주입함에 따라 단층 재활성화 및 균열 전파가 발생할 수 있다.
대수층 저장 방식은 대상 물질을 기체 상태로 대수층 상부에 주입하여 저장하는 방법으로, 폐유가스전이나 암염돔에 비해 광범위한 지역에서 적용 가능하다는 장점이 있다.
암염돔 저장 방법의 경우 지하 암염층에 시추공을 뚫고 담수(Fresh water)를 주입하여 암염을 용해시킨 후 공동을 형성하여 공동 내부에 대상 물질을 저장하는 방법으로, 암염의 특성상 낮은 투수성과 자가 수복 기능으로 인하여 압축공기 저장 공동으로 활용된다(Park et al., 2022; Ryu, 2023; Park et al., 2024). 그러나 국내에서는 암염돔을 확보할 수 있는 지질학적 요건이 부족하여 이 방식의 활용에 한계가 있다.
암반 공동 저장 방법은 지하의 기반암을 굴착하여 인위적으로 공동을 형성하여 대상 물질을 저장하는 방법으로, 설계 시 지질 조건에 적절한 보강공법을 적용하면 원하는 규모의 공동을 확보할 수 있으므로 대규모 에너지 저장 및 처리시설이 필요한 지역에서 주로 사용되는 방법이다. 또한 우리나라의 지질 특성상 수십 미터 하부에 단단한 기반암이 존재하기 때문에 기존의 지하 저장 방법 중 적용 가능성이 가장 큰 방법으로 사료된다.
국내∙외 지하 저장 사례
현재까지 암모니아를 대상으로 한 지하 저장 실증 및 상용화 사례는 국내외에서 공식적으로 보고된 바가 없으므로 본 절에서는 LNG 및 수소의 지하 저장 사례를 중심으로 관련 기술 동향에 대해서 살펴보고자 한다.
국내에서는 주로 암반 공동 기반의 지하 LNG 지하 저장 시설에 관한 연구 및 실증이 수행되어 왔으며, 대표적으로 SK 건설과 한국지질자원연구원(KIGAM)에서 파일럿 규모의 실증시설을 통해 다양한 연구를 수행하였다. SK 건설은 프랑스 Geostock 및 SN Technigaz와 협업하여 대전 지역에 파일럿 규모의 복공식 암반 공동 기반 지하 LNG 저장소를 설계 및 시공하였으며, Cavern 주변 암반의 온도 변화에 따른 내조 시스템, 콘크리트, 암반의 변위 분석, 열역학적 거동에 의한 미세균열 발생 여부, 냉각 단계 균열 암반 결빙층(Ice lense) 형성 조절 등에 대한 평가를 수행하였다(Kim et al., 2003).
한국지질자원연구원에서는 복공식 압축공기 에너지 저장(Compressed Air Energy Storage, CAES) 실증시설에서 현장 기밀실험을 통해 암반과 콘크리트 라이닝의 기밀 성능을 평가하였다(Kim et al., 2011). 또한 LNG 지하 저장 실증 실험을 통해 기화율, 경제성, 안전성 등을 기존 저장 방법(지상 및 지중식 탱크)과 비교 분석을 수행하였으며, 극저온 LNG 저장 조건에서 암석 내 결빙층(Ice Ring) 형성에 따른 절리 간극 변화 및 구조 안정성에 대한 수치해석을 수행하여 장기 저장 안정성 확보 방안을 제시한 바 있다(Chung et al., 2006; Jeong et al., 2008; Park et al., 2008).
해외에서는 과거에 천연가스 지하 저장 경험을 기반으로 하여, 최근에는 수소 및 수소화합물 저장에 관한 연구 및 실증을 수행하며 지하 저장 물질의 적용 범위가 확대되고 있다. 또한 국내에서는 주로 암반 공동 기반의 지하 저장 시설에 대한 실증을 수행한 반면, 해외에서는 폐유가스전, 대수층, 암염돔 등 다양한 지질 환경을 활용한 수소 저장 실증 프로젝트가 활발하게 진행되고 있다.
미국 유타주에서는 미쓰비시 파워(Mitsubishi Power Americas, Inc.)와 매그넘 디벨롭먼트(Magnum Development, LLC)의 주도하에 ACES(Advanced Clean Energy Storage) Delta 프로젝트가 수행되고 있으며, 이 프로젝트는 암염돔에 세계 최대 규모인 300 GWh급의 수소 지하 저장 시설을 구축하는 것을 목표로 한다. 저장된 수소는 인근 천연가스 복합 발전소에 공급될 예정이며, 2025년 상용화를 목표로 하고 있다(Chevron, 2025; Park et al., 2024; Kim, 2024). Fig. 1에 ACES Delta 프로젝트의 개념도를 나타내었다.
유럽에서도 다양한 실증 프로젝트가 진행 중이다. 오스트리아의 RAG Austria AG에서 수행하고 있는 Underground Sun Conversion은 수소 지하 저장과 CCUS 기술을 접목한 프로젝트로 풍력, 태양열 등 재생에너지로 생산된 전기를 이용하여 수소를 생산하고 생산된 수소와 이산화탄소를 저류층에 혼합 주입하여 저류층 내 미생물들의 화학적 작용을 통해 메탄화하여 저장한다(Underground Sun Conversion, 2022; Park et al., 2024). Fig. 2에 Underground Sun Conversion 프로젝트의 개념도를 나타내었다. 프랑스에서는 Terega와 Hydrogène de France가 누벨아키텐 지역에서 1.5 GWh 규모의 수소 지하 저장 시범사업을 추진 중이며, Fig. 3에 나타낸 것과 같이 네덜란드 HyStock는 암염돔 기반의 중앙제어식 수소 저장 시설을 구축하여 하나의 중앙 설비에서 각 암염돔의 압력, 생산, 주입 등을 제어하며, 각 암염돔에는 최소 6,000 톤의 수소 저장이 가능하다(HyStock, 2022a).
Fig. 3.
Diagram of the salt dome-based hydrogen-storage project in Hystock, the Netherlands (HyStock, 2022b).
호주의 Ardent Underground에서는 수직구를 굴착하여 수소(압축가스 형태)를 저장하는 프로젝트가 진행 중에 있다. Blind Boring Rig 및 Reverse Circulation System을 이용하여 수직구를 굴착하고, Steel Liner 조립하여 수직구 내부에 설치한 후 Steel Liner와 암반 사이의 공간을 그라우팅하여 수소를 저장하는 방식이다. Fig. 4에 Ardent Underground의 수직구 기반 수소 저장 프로세스의 개념도를 나타내었다. 이러한 수직구 기반의 저장 시설은 최소한의 설계조정으로 다른 위치에서도 저장 시설을 구축할 수 있으며, 수직구 당 최대 150톤 규모의 수소를 저장할 수 있다(Ardent Underground, 2022).
Fig. 4.
Diagram of the shaft-based hydrogen-storage project at Ardent Underground in Australia (Ardent Underground, 2022).
Table 2에는 앞서 언급한 주요 국가들의 수소 지하 저장 프로젝트 현황을 정리하여 제시하였다(Park et al., 2022; Park et al., 2024; Kim, 2024). 현재 진행 중인 수소 지하 저장 프로젝트들은 대부분 기체 수소를 고압으로 압축하여 저장하는 방법을 채택하고 있으며, 이는 액화 수소의 경우 ‒253°C의 극저온 조건을 유지하는데 필요한 높은 단열 성능과 에너지 비용 문제 때문으로 사료된다. 암모니아의 경우 비교적 쉽게 액화가 가능하므로 액화 수소에 비해 기술적인 제약이 적을 것으로 판단되며, 위험성이 높은 고압가스 저장 방식의 대안으로써 액화 암모니아 저장 기술 개발 및 적용이 필요할 것으로 사료된다.
Table 2.
Global Underground Hydrogen-Storage Projects
지하 저장 방식의 기술적 검토
부지 선정 요건 및 평가 기준
부지 선정은 단순히 물리적인 공간 확보의 개념을 넘어 지하 저장 시설의 구조적 안정성 및 장기 운영의 신뢰성 확보하기 위한 주요 절차이다. 특히 암모니아의 경우 독성, 부식성, 수용성이 높은 물질로, 누출될 경우 지하수나 토양에 심각한 피해를 유발할 수 있으므로 지질학적, 수리학적 검토가 필요하며, 시공 및 운영의 실현 가능성, 사회적 수용성 등 여러 요소를 종합적으로 고려할 필요가 있다.
지질학적 측면에서 암모니아 지하 저장 시설 시공에는 단층, 절리, 파쇄대 등의 불연속면이 적고 투수계수와 공극률이 낮은 무결한 암반이 저장 시설의 기밀성 확보와 누출 시 암모니아의 확산을 억제할 수 있는 천연 방벽의 역할을 수행하기에 유리하므로 가장 이상적인 조건으로 사료된다. 이러한 지질적 조건 외에도 지하수위, 유동 방향 등 지하수의 유동 특성을 분석하여 물질의 이동 가능성과 환경영향 범위를 예측하는 것이 필수적이다.
입지 주변의 인구 밀도, 토지 이용 방식, 향후 개발 계획 등은 사회적 수용성과 시설의 지속적 운영 가능성을 평가하는 데 핵심적인 요소이며, 민원 발생 가능성 또한 사전에 충분히 검토되어야 한다. 이와 더불어, 굴착, 환기, 모니터링과 같은 설계 및 운영 단계에서의 기술적 접근성과 기반 인프라와의 연계 가능성 또한 중요하게 고려되어야 한다. 이러한 사회적∙기술적 요인들을 종합적으로 분석함으로써, 지하 저장 시설의 적용 가능성을 보다 객관적으로 평가할 수 있을 것으로 사료된다.
적용 가능한 지하저장소 모델
기존의 지하 저장 시설의 유형은 폐유가스전, 대수층, 암염돔, 암반 공동 등이 있으며, 최근 수직구를 기반으로 한 지하 저장 시설의 실증도 이루어지고 있다. 그러나 국내의 지질학적 여건과 암모니아의 특성상 폐유가스전, 대수층, 암염돔 기반의 저장 방식은 적용이 어려울 것으로 사료된다. 따라서 국내에서 현실적으로 고려 가능한 모델은 암반 공동 방식과 수직구 기반의 저장모델로 구분할 수 있을 것으로 판단된다.
추가적으로 수직구 기반 저장모델과 네덜란드의 HyStock 프로젝트에서 사용되고 있는 중앙제어식 저장 방법을 접목한 다중 수직구 기반 중앙제어식 지하 저장모델을 고려할 수 있을 것으로 판단된다. 이 모델은 최소한의 설계조정을 통해 모듈화가 가능한 수직구 방법의 장점과 복수의 저장 공간을 효율적으로 운영할 수 있는 중앙제어식 방법의 장점을 융합한 모델로 단일 수직구를 이용한 모델에 비해 확장성과 운영 효율성이 높으며, 리스크 분산이 가능하여 저장량 조절이나 유지보수 측면에서 이점이 있다. Table 3에는 암모니아 저장을 위한 지하저장소의 유형별 특성을 나타내었다.
Table 3.
Comparison of Subsurface Storage Types for Ammonia
이 모델의 경우 2개 이상의 터널을 병렬로 굴착하는 경우 단면 크기와 굴착 대상 지반의 공학적 특성을 고려해야 하며, 터널 굴착공사로 인한 주변 지반 거동 및 발파진동이 인접 터널에 영향을 미치지 않도록 상호 충분히 이격시켜야 한다. 터널 상호 간의 영향은 지반 조건이나 시공법에 따라 다르며, 지반이 완탄성체인 경우에는 수직구 직경(D)의 2배로 설정하는 경우 상호 간에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 알려져 있다. Fig. 5에는 수직구 이격거리의 개념도를 나타내었다. 미국 AASHTO LRFD 기반의 설계 지침에 따르면, 수직구를 병렬로 굴착하는 경우 이격거리는 수직구 직경(D)의 최소 3배 이상을 확보할 것을 권장하고 있으며, 이격거리가 6배 미만일 경우 상호간섭 가능성을 구조적으로 검토하도록 명시하고 있다(Iowa Department of Transportation, 2021).
수직구 굴착 공법 및 특징
수직구를 굴착하는 방법에는 크게 하향식 굴착 방법과 상향식 굴착 방법으로 구분되며, 일반적으로 수직구의 굴착 심도가 얕은 경우에는 Drill & Blast 공법 또는 전단면 굴착 장비를 이용하는 Blind Shaft Drilling 공법과 같은 하향식 굴착 방법이 효과적이다. 반면, 굴착 심도가 깊어짐에 따라 버력처리의 어려움, 경제성, 장비 운용 효율 등을 고려하여, 하부 작업 공간 확보 후 Raise Boring Machine(RBM) 공법과 Raise Climber(RC) 공법 등의 상향식 굴착 방법을 적용하는 경우가 많다.
Drill & Blast 공법은 천공, 발파, 환기, 버력처리, 보강 순서대로 한 공정씩 진행 굴착하는 방법으로 일반적으로 적용지반, 굴착 단면, 심도의 제한이 없으며 굴착 및 보강의 동시 시공이 가능하므로 문제 발생 시 대처가 용이하다는 장점이 있다. 그러나 용수에 대해서 사전 대책이 필요하며 소구경 수직구 굴착에 어려움이 있으며, 발파 굴착이므로 진동 및 소음, 안전상의 문제가 발생할 수 있고 환기 또는 급∙배수 등의 부대시설이 필요하다. 또한 하부에 횡갱이 없는 수직구의 경우 버력처리 문제로 심도 200 m 정도 이하로 내려갈 경우 공사 기간 및 공사 비용이 급격히 증가할 수 있다.
Blind Shaft Drilling은 TBM과 비슷한 개념의 장비로 Fig. 6에 나타낸 전단면 굴착 장비를 이용하여 상부에서 하부로 전단면을 굴착하는 방식이다. Fig. 6(a)은 Shaft Boring Machine(SBM)으로 커터 헤드를 암반에 압입하고 회전하며 굴착하는 장비로 주로 경~극경암 지반에서 사용되며, (b)는 Shaft Boring Roadheader로 장비 최하단에 장착된 커팅 드럼을 회전하며 굴착하는 방식으로 주로 연암~중경질 지반에서 사용된다. (c)는 Shaft Boring Extension Machine으로 경~극경암 지반에서 유도공을 확장하는 장비이다. 이러한 장비들의 굴진율은 6~10 m/day로 타 굴착 방법에 비해 빠른 시공이 가능하다(Rennkamp and Harquail, 2022). 또한 굴착 중에 발생하는 버력은 컨베이어 벨트를 이용한 버킷 시스템이나 공압식 또는 슬러리 방식의 Mucking System 또는 Reverse Circulation System을 통해 제거한다.
Raise Boring Machine 공법은 상부에 기계실, 하부에 리밍룸을 확보한 후, 소구경의 파일럿 비트(Pilot Bit)를 이용하여 상부에서 하부로 유도공을 굴착하고, 하부에서 파일럿 비트를 제거한 뒤 리머 헤드(Reamer Head)로 교체하여 끌어올리면서 회전∙압쇄를 통해 상부로 확공하는 방식이다. 또한 RBM 공법은 굴착 구간에 작업자가 투입되지 않아 안전성이 높고, 환기 설비가 불필요하며(Lee et al., 2003; Park et al., 2010), 기존에는 2~3 m 직경, 100~400 m 심도의 수직구 굴착에 주로 활용되었으나, 최근에는 대구경∙대심도 굴착이 가능한 장비도 상용화되어 적용 범위가 확대되고 있다. 다만, 고강도 암반이나 절리∙파쇄대가 발달한 구간에서는 굴착 속도가 저하될 수 있다.
Raise Climber 공법은 수직구 하부에 작업 공간이 확보된 조건에서 적용되며, 가이드 레일을 따라 이동하는 작업대를 활용하여 상향식 발파를 통해 굴착한다. 구동 방식(공압식, 디젤 유압식, 전동식), 제동 방식, 레일 크기 등에 따라 굴착 가능한 범위에 차이가 있으나, 일반적으로 200 m 내외가 최적으로 알려져 있으며 그 이상 굴착하는 경우 중간 작업 터널을 이용하여 연장할 수 있다. 또한 시공 각도를 30~90°까지 조절할 수 있으며, 사갱이나 복잡한 경사면의 굴착에도 적용할 수 있다. 특히 암반 강도가 매우 큰 경우 RBM보다 효율적인 굴착이 가능하나, 절리나 파쇄대가 집중된 지반에서는 시공 난이도가 높아지고, 용출수 발생 시 측량 및 시공이 어려워지는 단점이 존재한다(Lee, 2002). Table 4에는 앞서 설명한 수직구 굴착 공법별 특성을 종합하여 나타내었다.
Table 4.
Comparison of Vertical Shaft Excavation Methods
제도적 기반 및 경제적 타당성 분석
국내 법∙제도 현황
현재 국내에서 암모니아는 고압가스 안전관리법, 산업안전보건법, 화학물질관리법, 연구실 안전환경 조성에 관한 법률 등에 의해 관리되고 있으며 (Lee et al., 2021), ｢KGS FU111｣(고압가스 저장 기준), ｢KGS FU211｣(특정 고압가스 저장 시설 기준), ｢위험물안전관리기준｣(KFS-210), 고압가스 및 액화석유가스 ISO 탱크 컨테이너의 제조, 충전∙운반, 저장∙사용에 관한 기준 등 저장∙수송∙사용에 대한 엄격한 기준이 적용되고 있다.
그러나 이러한 법률 및 기준은 대부분 지상 또는 건축물 내부에 설치된 표준 탱크 기반 설비에 중점을 두고 있어 암반 공동 등 지하 저장 방식에 대한 설계 및 관리에 대한 기준이 미비한 실정이다. 따라서 지하 저장 시설에 관련된 별도의 설계 기준, 관리 절차, 안정성 평가 등의 항목을 포함하는 법∙제도적 보완이 필요할 것으로 사료된다.
경제적 타당성 분석
국내에서 고려할 수 있는 지하 저장 방법으로는 앞서 언급한 바와 같이 암반 동굴, 대구경의 단일 수직구 모델과 다중 수직구 기반 중앙제어식 모델 등의 수직구 기반 저장 시설을 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
이러한 방법의 경우 인위적으로 공동 또는 수직구를 굴착하는 방법으로 초기 인프라 구축이나 굴착, 보강 및 차폐 시설 등의 공사비용이 지상 탱크 저장 방식에 비해 다소 높은 경향이 있으나, 규모 확장에 따른 비용은 상대적으로 낮으며, 운영비 또한 큰 차이가 없어 전체적인 저장 규모가 커질수록 단위 저장비용이 감소하는 경향이 있다(Kim et al., 2003; Park et al., 2022). 국내 원유 및 LPG 저장 사례를 기반으로 분석한 바에 따르면, 저장 용량이 약 890,000 m3 이상일 경우 지하 저장이 지상 저장보다 경제적이며, 약 3,200,000 m3 규모에서는 지하 저장이 약 15% 이상 비용 측면에서 유리한 것으로 보고되었다(Park et al., 2022).
또한 저장 물질의 물리적 특성 측면에서도 액화 암모니아는 수소에 비해서 경제적인 이점을 갖는다. 기체 수소에 비해 부피 대비 에너지 저장 밀도가 높으며, 액화 수소에 비해 액화가 용이하며(1 atm, ‒33.4℃ 또는 8.5 bar, 20℃), 상온에서도 액상으로 저장이 가능함에 따라 지하 저장 시설 운용에 있어 경제적일 것으로 판단된다.
따라서 암모니아는 지하 암반을 활용한 대용량 장기 저장에 기술적 및 경제적 측면에서 모두 적합한 물질로 판단된다. 그러나 국내에서는 아직 암모니아 지하 저장에 관한 실증사례가 부재하므로, 향후 파일럿 규모의 실증 연구를 기반으로 시공성, 안전성, 유지관리성 등을 종합적으로 검토하고, 정량적인 경제성 평가를 수행할 필요가 있을 것으로 사료된다.
결론 및 향후 제언
본 논문에서는 암모니아의 물리∙화학적 특성, 국내외 지하 저장 사례, 암모니아 관련 법제도 등을 바탕으로 암모니아 지하 저장의 기술적, 경제적, 제도적 적용 가능성을 종합적으로 분석하였다. 암모니아 지하 저장에는 암반 공동형, 수직구형, 중앙제어식 다중 수직구 모델 등이 적용 가능할 것으로 사료되며, 특히 국내의 지질 조건을 고려할 때 수직구 기반의 모델이 설계의 모듈화 및 시공 효율성 측면에서 가장 유력한 대안으로 판단된다.
그러나 현재 지하 저장 설계, 운영 및 관리 등에 대한 구체적인 기준이 부족한 실정이다. 따라서 지하 에너지 저장 시설에 적합한 기술기준, 안정성 평가 절차, 비상 대응 체계 등의 법적, 제도적 기반의 마련이 필요하다. 이러한 제도적인 개선과 더불어 누출 감지 및 모니터링 기술, 저장 암반의 장기적 물성 변화 예측, 정량적인 경제성 평가 등의 후속 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한 파일럿 스케일의 실증 프로젝트를 통해 암모니아 지하 저장의 적용 가능성을 검증하여야 할 것으로 사료된다.
