서 론

기후 변화는 전 세계적으로 시급히 해결해야 할 문제로 대두되고 있다. 지구 평균 기온 상승을 억제하고 기후 재앙을 막기 위해 국제 사회는 온실가스 배출을 줄이기 위한 다양한 노력을 기울이고 있다. 이러한 노력의 일환으로 주목받고 있는 기술 중 하나가 바로 이산화탄소 포집 및 저장, 즉 CCS (Carbon Capture and Storage) 기술이다. CCS 기술은 산업 공정과 에너지 생산 과정에서 발생하는 대규모 이산화탄소(CO₂)를 포집한 후, 지질학적 구조가 안정된 지하 깊숙한 곳에 영구적으로 저장하는 기술로, 산업부문에서 온실가스 배출을 효과적으로 줄이는 기술이다. 파리협정과 같은 국제적 기후 협약에서 설정한 온실가스 감축 목표를 달성하기 위해서는 신재생 에너지원의 확대와 더불어 CCS 기술 도입이 필수적이라고 평가되고 있다. 화석 연료의 사용이 여전히 불가피한 상황에서 CCS 기술은 기후 변화 대응의 핵심 기술로 자리매김하고 있으며, 이에 대한 중요성은 나날이 커지고 있다.

노르웨이 슬라이프너 CCS 프로젝트가 성공적으로 수행되고 과학적으로 검증된 이후로, 현재 전 세계적으로 다양한 대규모 프로젝트들이 진행되고 있다(Statoil ASA, 2017).

대표적인 예로 호주 고르곤(Gorgon) 프로젝트는 약 750만 톤(Haynes et al., 2023)을, 캐나다 바운더리댐(Boundary Dam) 프로젝트는 약 580만 톤의 CO₂를 저장해(SaskPower, 2024) CCS의 상업적 가능성을 실증하였다. 또한, 중동지역에서는 사우디아라비아가 우트마니아(Utmaniyah) 프로젝트를 진행하여 세계 최대 규모인 가와르 유전에 연간 약 80만 톤의 CO₂를 주입하였고, 북해에 위치한 노르웨이의 슬라이프너 프로젝트는 1996년부터 연간 100만 톤의 CO₂를 북해 지하공간에 저장하여 현재까지 운영되고 있으며, CCS 기술의 실질적인 효과를 증명한 초기 모델로 평가받고 있다. 이에 이어서, 스노빗(Snøhvit) 프로젝트에서 연간 70만 톤을, 그리고 연간 150만 톤 주입을 목표로 운영 예정인 노던라이트(Northern Lights) 프로젝트까지, 많은 CCS 프로젝트가 성공적으로 진행되면서 CCS 기술이 단순한 이론적 개념을 넘어 실제로 적용 가능한 기술임을 입증하였다. 이처럼 전지구적으로 CCS 기술의 중요성을 인식하고 다양한 정책적 지원과 함께 프로젝트를 추진하고 있다(Clean Air Task Force, 2024). 그 중, 최근 노르웨이에서 추진 중인 스메아하이아(Smeaheia) CCS 프로젝트는 전 세계적으로 주목받고 있는 대표적인 사례로, 노르웨이 서부 해안에 위치한 호르다 대지(Horda Platform)의 지하 저장소에 연간 최대 2000만 톤의 대규모 CO₂를 안전하게 운반하고 저장하는 것을 목표로 하고 있다(Equinor, 2024).

한국은 동해-1 가스전을 활용해 연간 120만 톤의 CO₂를 주입하는 상업적 규모의 CCS 프로젝트를 진행하고 있으며, 이에 이어 군산분지 CCS 프로젝트와 같은 대규모 프로젝트를 추진할 계획이다. 하지만 군산분지 내 대규모 저장소를 확보하기 위해서는 3차원 탄성파 탐사자료와 시추자료를 기반으로 한 정밀한 지질학적 평가와 부지 특성화 연구가 필수적이다(Korea Energy Economics Institute, 2018; KNOC, 2024). 따라서 노르웨이의 스메아하이아 프로젝트는 앞으로 대규모 CO₂ 지중저장소를 확보해야 하는 우리나라가 참고할 수 있는 중요한 사례이다. 스메아하이아 프로젝트는 국제협력을 통해서 대규모 CO₂ 저장소 구축을 위한 부지 특성화 연구를 활발히 수행하고 있어서(Lothe et al., 2021), 스메아하이아 프로젝트의 추진 현황과 저장소 적합성 분석을 통해 국제공동연구 방안을 모색한다면 앞으로 우리나라 대규모 지중저장소 확보에 있어 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 이러한 목적으로, 본 논문에서는 노르웨이의 대규모 해양 CCS 프로젝트 현황을 소개하고, 지질학적/지구물리학적 관점에서 스메아하이아 CCS 프로젝트의 적합성을 분석하고자 한다.

노르웨이의 대규모 해양 CCS 프로젝트 현황

노르웨이가 대규모 해양 CCS 기술의 선도국으로서 국제적 인정을 받기까지는, 북해 연안을 따라 분포하는 풍부한 지중 저장소, 유전 및 가스전 개발을 통해 축적된 경험과 인프라, 그리고 체계적이고 전략적인 정책적 지원이 핵심적인 역할을 해왔다. 국내에서 대규모 CO₂ 지중 저장소 확보가 시급한 현 상황을 극복하기 위해서는 노르웨이의 CCS 정책, 북해 지역의 지질학적 특성, 현재 운영 중이거나 개발 중인 대규모 CCS 프로젝트에 대한 면밀한 분석이 필수적이다.

노르웨이의 CCS 정책

노르웨이의 CCS 정책은 기후 변화 대응의 핵심 요소로 자리 잡고 있으며, 이를 통해 2030년까지 1990년 대비 최소 50%에서 최대 55%까지 온실가스 배출을 감축하는 것을 목표로 삼고 있다(NMCE, 2021). 노르웨이는 2014년 유럽연합에서 2009년에 발표한 '지질학적 CO₂ 저장에 관한 지침'을 자국 법률에 통합함으로써 CCS 프로젝트의 법적 틀을 마련하였다. 이 지침에 따라 노르웨이의 CCS 프로젝트는 엄격한 규제 하에 운영되며, CO₂ 저장과 관련된 환경적 위험을 최소화하기 위한 모니터링이 필수적으로 포함된다. 한 예로 최근 개발 중인 롱쉽(Longship) 프로젝트 또한 매 5년마다 최신 연구자료와 기술을 반영해 모니터링 계획이 수정될 계획이다(Nordic Council of Ministers, 2023).

이러한 법적 규제와 더불어 재정적 지원 또한 중요한 역할을 하고 있다. 국가적 재정 지원은 CCS 기술 도입 초기 단계에서 발생하는 비용적 부담을 완화하고, 프로젝트의 장기적인 지속 가능성을 높이는 데 중요한 요소로 작용한다. 노르웨이는 높은 CO₂ 배출세를 부과하는 동시에, CCS 프로젝트에 대규모 재정 지원을 아끼지 않고 있다(Global CCS Institute, 2023). 오랜 재정 지원의 대표적인 성과가 롱쉽 프로젝트로, 이는 노르웨이 정부의 재정 지원과 민간기업의 투자를 바탕으로 유럽 최초로 포집-운송-저장이 연계된 CCS 프로젝트로 2024년부터 가동될 예정이다(Nordic Council of Ministers, 2023).

이러한 국가적 재정 지원과 함께 노르웨이가 CCS 선도국으로 자리 잡는 데 중요한 역할을 한 전략 중 하나는 인근 국가들과의 국제적 협력이다. 현재 노르웨이는 유럽 전역에서 다른 국가들과 CO₂ 운송 및 저장에 관한 양자 협정을 체결하며, 국제적인 CCS 기술 협력 네트워크를 강화하고 있다. 그 예로, 벨기에 및 덴마크와의 협정을 통해 CO₂ 운송 및 저장의 상호 운용성을 강화하고, 노르웨이의 북해 대륙붕에 다른 국가들의 CO₂를 저장하는 국경통과 CCS 프로젝트의 기반을 마련하였으며(Nordic Council of Ministers, 2023), 롱쉽 프로젝트의 일부인 노던라이트 프로젝트는 최초의 해양 국경통과 CCS 프로젝트로 주목받고 있다(Global CCS Institute, 2023). 이러한 노르웨이의 CCS 정책은 법적, 재정적, 그리고 국제적 측면에서 체계적으로 운영되고 있음을 보여주며, 한국과 같이 CCS 초기 단계에 있는 나라들이 참고할 수 있는 모범 사례로 평가될 수 있다. 또한, CCS 도입을 위한 구체적인 전략 수립에 유용한 시사점을 제공할 것으로 기대된다.

북해 지역의 지질학적 특성

이러한 정책적 기반이 마련될 수 있었던 데에는, 북해 연안을 따라 분포하는 풍부한 지중 저장소와 유전 및 가스전 개발을 통해 축적된 경험과 인프라를 기반으로 슬라이프너 프로젝트를 통해 CCS 기술의 구현가능성을 과학적으로 입증했기 때문이다. CCS 프로젝트를 위해서는 장기적으로 CO₂를 안정적으로 저장할 수 있는 지중 저장소를 확보하는 것이 중요한데, 스칸디나비아 반도의 서편에 위치한 노르웨이는 북해 연안을 따라 이러한 지중 저장소가 잘 발달될 수 있는 지질학적 역사를 경험하였다.

Fig. 1은 북해 지역이 3억 6천 년 전부터 어떤 지질학적 변화를 겪어왔는지를 보여준다. 약 4억 년 전, 당시 유럽판과 북아메리카판이 충돌하면서 발생한 칼레도니아 조산운동의 결과로, 고생대 페름기 이전까지 북해 지역은 육상 환경에 있다(Fig. 1(a)). 현재 노르웨이 서부의 산악지대에서는 당시의 충돌로 인해 형성된 변성암이 주로 발견되며(Geology Science, 2024), 현재의 피오르드 지형은 빙하기 동안의 침식 작용으로 인해 형성된 것이다.

Fig. 1.

Geological history of Norway (modified from Lee et al., 2024).

하지만 페름기 후반에서 중생대 트라이아스기 초기에 이르면서 북해 지역에 장력성 균열이 발생하였고(Roberts, 2019), 해저 균열을 따라 마그마가 상승하여 형성되었던 해양판이 식으면서 열적 침강으로 인한 대규모 그라벤(Graben) 구조가 형성되었다(Fig. 2). 이에 따라, 북해 지역이 점차 침강하며 바다에 잠겨, 해양 환경으로 전환되었다. Fig. 1(b)에서 확인할 수 있듯이, 이 열적 침강 과정은 북해 지역의 초기 해양 환경을 조성한 중요한 역할을 했음을 알 수 있다. 이후 중생대 쥐라기 시기에 인근 육지로부터 다량의 퇴적물이 유입되면서 두꺼운 해양 퇴적층이 형성되었다. 판게아의 분리가 가속화되면서 대서양 중앙 해령이 발달하며 북대서양이 확장되었고, 이로 인해, 유라시아판과 북미판이 멀어지게 되었다. Fig. 1(e)에서 볼 수 있듯이, 신생대에도 북해 지역은 해양 환경을 유지했으며, 지질학적으로 안정된 환경이 지속되어 큰 단층이 발달할 수 있는 가능성이 적었다(Fig. 3). 이는 CCS 프로젝트를 안전하게 운영하는 데 중요한 요소로 작용한다.

Fig. 2.

Geologic map of North Sea (modified from Scheiber et al., 2019).

Fig. 3.

Geological structures around Northern North Sea (modified from Patruno et al., 2022).

이러한 지질학적 역사를 배경으로 북해 분지가 육지 환경에서 해양 환경으로 전환된 당시, 탄산염암, 셰일, 사암 등의 해양 퇴적물로 형성된 두꺼운 해양 퇴적층이 발달하였으며, 이는 북해의 많은 부분에 CO₂를 안정적으로 저장할 수 있는 다공성 저장층을 형성하는 계기가 되었다. 특히, 트라이아스기부터 쥐라기까지 형성된 사암층은 CO₂ 저장에 매우 적합한 염대수층을 이루고 있다. 이 사암층은 높은 다공성과 투수성을 가져, 대규모 CO₂ 주입이 가능하며, 염수와 CO₂가 쉽게 혼합될 수 있는 환경을 갖추고 있다(Rigby and Alsayah, 2024). 또한 북해 지역의 인근에는 다수의 유가스전이 발견되어, 개발을 위해 진행된 탐사를 통해 CO₂ 지중 저장에 필요한 지질학적 분석이 충분히 이루어져 있다. 기존 석유 및 가스전 개발에서 검증된 바로, 북해 지역은 지질학적 층서 내에 특정한 모양으로 형성되어 있는 구조적 트랩이 많이 발달해 있고, 현재까지 대규모 지각 활동이 일어나지 않아 안정된 환경이라는 것을 알 수 있다. 이러한 지질학적 이점을 기반으로, 노르웨이에서는 다수의 해양 CCS 프로젝트가 개발 중이다(Fig. 4).

Fig. 4.

Location of CCS projects in Norwegian North Sea (modified from Equinor, 2023).

노르웨이의 CCS 프로젝트 추진 현황

노르웨이의 최초 CCS 프로젝트인 슬라이프너 프로젝트는 세계 최초의 상업적 CCS 프로젝트로, 북해에 위치한 슬라이프너 가스전에서 배출되는 CO₂를 포집하여 북해에 위치한 약 1,000 m 깊이의 Utsira 사암층에 저장하였다(Bellona Foundation, 2007). Utsira 사암층은 노르웨이 해안에서 약 250 km 떨어진 북해 해저 저장소로 후기 신생대에 형성된 200 ~ 250 m 두께의 다공성 사암층이 CO₂를 저장하기에 적합하고 상부에 위치한 50 ~ 100 m 두께의 저투과성 셰일층이 덮개암으로 작용하여 CO₂가 누출되는 것을 방지한다(Pratikna et al., 2022) 슬라이프너 프로젝트는 1996년부터 연간 100만 톤의 CO₂를 주입하여 2020년까지 약 2,000만 톤 이상의 CO₂를 성공적으로 저장한 사례로 평가받고 있다.

또 다른 노르웨이의 대규모 프로젝트인 스노빗 프로젝트는 노르웨이 바렌츠해(Barents Sea)에 위치한 스노빗 유전에서 액화 천연가스를 생산하면서 이에 포함된 CO₂를 2개의 주입정을 통해 지중저장한 선도적인 사례이다(Norwegian Petroleum, 2024). 스노빗 프로젝트에서는 매년 70만 톤의 CO₂를 포집하여 쥐라기에 형성된 약 2,600 m 깊이의 저장층에 주입하였다. 프로젝트 초기엔 Tubåen층에 저장하는 것으로 시작했지만, 시간이 경과하며 주입 후 압력이 예측보다 빠르게 증가하여 누출을 방지하기 위해 2011년부터 해당층에서의 주입을 정지한 후 Stø층과 Nordmela 층에 주입을 시작하였다(ECO₂ Project, 2013; White et al., 2018). 스노빗 프로젝트는 노르웨이의 국영석유회사인 에퀴노르(Equinor)가 주도하여 2008년부터 현재까지 지속적으로 운영되고 있으며 최소 2035년까지 운영이 가능할 것으로 예측된다(IEEFA, 2023).

최근 진행 중인 노르웨이 롱쉽 프로젝트는 실규모에서 수행되는 최초의 포집, 운송, 저장 프로젝트로 주목받고 있다. 초기 단계에서는 노르웨이의 Norcem Brevik 시멘트 공장과 Fortum Oslo Varme의 폐기물 소각장에서 약 80만 톤의 CO₂를 각각의 포집원에서 40만 톤씩 포집하여 해상에서 약 100 km 떨어진 북해의 해저 저장소 오로라(Aurora)에 저장할 예정이다(Norwegian Petroleum, 2024). 오로라 저장소는 해저 약 2.6 km 아래의 염수층에 위치해 있으며, 노르웨이의 외이가르덴(Øygarden)에 위치한 중간 터미널에서 해저 파이프라인을 통해 운송된 CO₂가 해당 저장소에 주입되는 방향으로 2024년부터 운영될 것으로 계획되었다(Northern Lights, 2024). 이 중, 포집과 운송을 제외한 저장 부분만을 노던라이트 프로젝트라고 부르며, 노던라이트 프로젝트는 노르웨이 정부, 에퀴노르, 쉘(Shell), 토탈에너지(Total Energies)의 지원을 받는 노던라이트 JV에 의해 추진되고 있다. 또한 네덜란드 내 Yara Sluiski와 같은 포집원과 연계한 국경통과 CCS 프로젝트로 운영되어 최소 2026년부터는 연간 500만 톤의 CO₂를 지중저장할 계획이다(Maritime Magazines, 2024; Northern Lights, 2024).

노르웨이가 추진하는 이러한 프로젝트들은 자국의 탄소 배출 저감에 그치지 않고, 전 세계적으로 에너지 산업의 탈탄소화를 선도하는 중요한 사례이다. 노던라이트 프로젝트는 국경을 넘어 유럽의 여러 포집원과 연계하여 CO₂의 대규모 처리 및 저장을 가능케 해 CCS 기술의 글로벌 적용 가능성을 보여주고 특히, 스메아하이아와 같은 향후 대규모 CO₂ 저장소의 추가 개발 계획은 기존에 노르웨이가 진행하던 프로젝트와는 차별화된 대규모의 상업적 저장소로, 장기적으로 유럽 내 탄소 배출 감축에 기여할 수 있는 핵심 프로젝트가 될 것이다. 한국 또한 2030년까지 연간 1,120만 톤의 CO₂를 CCS 기술로 처리하겠다는 목표를 세운 바 있다(Mondaq, 2024). 이를 달성하기 위해서는 약 2,000만 톤의 저장용량을 가져 개발이 예정되어 있는 노르웨이의 스메아하이아와 같은 대규모 저장소 개발과 연계된 포집, 운송, 저장 기술이 통합된 성공사례를 참고하여, 한국만의 CCS 사업 개발에 적용해야 할 것이다.

스메아하이아 부지의 지질학적 특성과 CCS 적합성

스메아하이아 부지의 지질학적 형성 과정

스메아하이아 부지의 주요 지질 구조는 페름기-트라이아스기 시대부터 시작된 단층 활동에 기원을 두고 있다(Fig. 3). 이 시기 동안 지각 변동이 활성화되면서 대서양 확장의 초기 징후가 나타나기 시작했다. 이후 쥐라기 중기와 후기 사이, 대서양이 본격적으로 확장되면서 북해 지역에서는 활발한 확장성 단층 운동이 발생하였다(Fig. 1). 이러한 확장성 단층 운동의 결과로 형성된 대규모 단층 구조 중 하나가 바이킹 그라벤(Viking Graben)으로, 이는 스메아하이아 인근의 주요 지질 구조 중 하나로 자리잡았다(Fig. 2).

바이킹 그라벤과 호르다 대지 사이에서 일어난 지각 확장 작용은 스메아하이아 부지의 지질학적 특성에 큰 영향을 미쳤다. 호르다 대지는 바이킹 그라벤의 동쪽 경계에 위치하며 주요 저장층의 심도가 얕고 구조적으로 안정적이라(Fig. 3), 대규모 CO₂ 지중저장 사업을 운영하기에 유리하다(NPD, 2011). 호르다 대지에서 발견된 스메아하이아 부지에서는 쥐라기 후기의 확장성 단층 운동에 의해 저장층과 덮개암층이 형성되기에 유리한 퇴적 환경이 지속되었다. 연안-대륙붕 환경에서 형성된 송네피오르드(Sognefjord) 층은 쥐라기 후기에 퇴적된 사암층으로, 육상에서 유래한 퇴적물들이 대륙붕을 따라 쌓이며, 주요 저장층으로서의 특성을 갖추게 되었다. 이 사암층 위에 해양성 셰일층인 드라우프네(Draupne) 층이 형성되어 현재 스메아하이아 부지의 중요한 덮개암 역할을 하고 있다(Fig. 5).

Fig. 5.

Key evidence (petrophysical analysis elements) for estimating formation age of 32/4-1 and 32/2-1 zones (modified from Gassnova, 2021).

스메아하이아 프로젝트 지중저장소의 지질구조

호르다 대지에 위치한 스메아하이아 부지는 주변에 비해 상대적으로 단층 시스템이 복잡하지 않다(Fig. 6). 스메아하이아 부지의 지질 구조는 2차원 탄성파 탐사와 3차원 탄성파 탐사자료를 기반으로 정밀하게 분석되었다(Fig. 7). 주요한 단층은 베테(Vette) 단층과 외이가르덴(Øygarden) 단층으로, 스메아하이아 부지의 주요 구조적 경계를 형성하며, 북서-남동(NW-SE) 방향으로 발달해 있다. 베테 단층은 스메아하이아 부지의 서쪽을 가로지르는 대규모 단층으로, 트롤 단층 블록(Troll Fault Block)과 스메아하이아 부지를 구분하는 경계 역할을 한다(Fig. 3, Fig. 6). 베테 단층은 약 4 ~ 5 km의 큰 변위를 가지며, 스메아하이아 부지의 구조적 안정성에 중요한 영향을 미친다. 반면, 외이가르덴 단층은 스메아하이아 부지의 동쪽 경계를 따라 발달하며, 비교적 작은 변위를 가지고 있다(Fig. 7). 이 두 단층은 Alpha 구조(32/4-1)와 Beta 구조(32/2-1)를 폐쇄하여, 저장층 내에서 CO₂ 누출을 방지할 수 있는 트랩구조를 형성한다.

Fig. 6.

Structural map with proposed injection location. Color bar indicates depth of upper boundary of Sognefjord formation and gray area indicates plume migration after approximately 500 years (modified from Gassnova, 2021).

Fig. 7.

Two-dimensional seismic survey data from line 115 of GN1101 (acquired in 1996) showing stratigraphic structures and fault distribution from Alpha structure to Beta structure, which confirm stratigraphic continuity of each formation (modified from Gassnova, 2021).

스메아하이아 지역의 주요 저장층은 쥐라기 중기에서 후기에 형성된 약 110 m 두께의 사암층으로, 송네피오르드, 펜스피오르드(Fensfjord), 크로스피오르드(Krossfjord) 층으로 이루어져 있다. 이 중 송네피오르드 층은 앞서 언급했듯이 연안-대륙붕 환경에서 퇴적된 중립질에서 조립질의 사암으로 구성되어 있으며, 연속적인 퇴적 패턴을 보여준다(NGU, 2002; Fawad et al., 2021). 높은 다공성과 투과성 덕분에 CO₂ 저장소로서 가장 적합한 특성을 가지고 있다. 펜스피오르드 층은 송네피오르드 층 아래에 위치하며, 약 103 m 두께의 세립질 사암층으로 이루어져 있다. 주로 연안의 삼각주 환경에서 퇴적되었으며, 펜스피오르드 층 하부에 위치한 크로스피오르드 층은 약 72 m 두께로 삼각주 환경에서 퇴적된 불연속적인 사암층이다. 크로스피오르드 층은 Alpha와 Beta 구조 사이에서 불연속적인 형태로 나타나기 때문에, 송네피오르드 층에 비해 저장층으로서의 품질이 낮을 것으로 예측된다.

스메아하이아 프로젝트 지중저장소의 적합성

이처럼 스메아하이아 부지는 CO₂ 지중저장에 적합한 지질구조를 갖추고 있어, CO₂ 지중저장소로서 높은 평가를 받고 있다. 앞서 언급했듯이 주요 저장층은 송네피오르드 층이며, 전체 저장층은 그 하부의 펜스피오르드층, 크로스피오르드 층까지 포함한다. 송네피오르드 및 펜스피오르드 층은 고다공성과 고투과성을 가진 퇴적암으로 구성되어 있어 다량의 CO₂를 저장할 수 있는 조건을 갖추었으며, 셰일 함량이 낮고 연속성이 좋아 CO₂ 플룸이 퍼져나가면서 저장되기에 용이하다(Mondol et al., 2018). 송네피오르드 층은 공극률 30 ~ 31 %, 투과성 1000 ~ 2000 mD, 셰일 함량 16 ~ 23 %로 모든 적합성 요소에서 양호한 특성을 보이며, 송네피오르드 층만의 저장 가능 용량은 약 100 Mt로 대용량의 CO₂를 안정적으로 저장할 수 있을 것으로 파악되고 있다(Statoil, 2016). 펜스피오르드 층 역시 공극률 26 ~ 28 %, 투과성 900 ~ 1700 mD로 저장소로서 양호한 특성을 보이며 일정 부분에서 우수한 연속성을 가져 CO₂ 저장에 적합할 것으로 기대된다 크로스피오르드 층은 초기에는 두 퇴적층과 함께 저장층으로 기대되었다. 하지만 공극률 21 ~ 25 %, 투과성 130 ~ 500 mD, 셰일 함량 18 ~ 24 %로 상부의 두 지층에 비해 품질이 낮으며, 지질구조에서도 확인한 것처럼 지층의 연속성이 좋지 않아 저장소로서의 적합성이 떨어지는 것으로 평가되고 있다(Fawad et al., 2021). 주요 지층의 암석물성 분석 결과를 Table 1에 정리하였다.

주요 저장층 상부에 위치한 드라우프네 층은 스메아하이아 부지의 주요 덮개암층으로, 셰일층으로 구성되어 CO₂가 상부로 이동하는 것을 막는 역할을 한다. 또한 저장층 사이에 위치한 헤더(Heather) A, B, C층 또한 입자 크기가 작고, 점토 함량이 높아 CO₂의 흐름을 차단하는 덮개암 역할을 할 것으로 기대된다. 따라서 Alpha와 Beta 구조(Fig. 7)는 베테 단층과 외이가르덴 단층에 의해 측면부가 폐쇄되고, 상하로는 헤더 A, B, C층, 드라우프너 층으로 폐쇄된 트랩 구조를 가지고 있고, 저장 가능 용량이 커서 대규모 CCS 사업을 추진하기에 유리하다(Mulrooney et al., 2020). 또한 신생대 이후로는 지질학적으로 안정한 환경이었기 때문에(Fig. 1, Fig. 3), 대규모의 CO₂가 저장된 후에도 오랜 기간 안전하게 밀폐될 수 있을 것으로 기대된다.

스메아하이아 프로젝트는 여전히 부지 특성화 단계에 있으며, 이 과정에서 한계점이 존재할 수 있고 이를 통해 예상되는 위험 요소에 대비할 필요가 있다. 스노빗 프로젝트에서 저장소 압력이 예상보다 빠르게 증가해 다른 저장층으로 전환이 필요했던 사례가 있었듯이, 스메아하이아 부지에서도 특성화 과정에서 사용된 연구 자료의 한계로 인해 발생할 수 있는 위험 요소에 대한 대비가 필요하다. 이러한 한계를 고려하여 추가적인 탐사와 모니터링을 통해 안정성을 확보하는 것이 중요하다.

현재 스메아하이아 부지의 부지 특성화는 2D 및 3D 탄성파 탐사자료를 통해 주요 단층 구조와 저장층의 위치를 파악하는 방식으로 이루어지고 있다. 그러나 탐사자료의 해상도가 약 16 m로 제한되어 있어, 두께가 얇은 저장층이나 복잡한 구조를 가진 지질 구간에서는 정확한 특성 평가가 어려울 수 있다. 이러한 해상도 제한은 저장소의 구조적 안정성을 충분히 파악하는 데 있어 한계를 가지며, 이는 장기적인 CO₂ 격리 효과에 잠재적인 위험을 초래할 수 있다. 또한, 전단파 속도 로그 자료가 부족하여 탄성파 속도 기반의 상세한 탄성 매개변수 분석이 어렵고, 이로 인해 저장소의 장기적인 안정성 평가가 완전하지 않을 수 있다(Fawad et al., 2021).

따라서 스메아하이아 프로젝트의 성공적인 수행을 위해서는 이러한 한계점들을 보완하기 위한 추가적인 노력이 필요하다. 이를 위하여, 부지 특성화를 위한 체계적인 평가와 이를 기반으로 한 안전 관리 전략 수립이 중요하다. 고해상도 3D 탄성파 탐사와 전기 저항 탐사와 같은 여러 지구물리탐사 기법을 활용하여 현재 특성화의 해상도 문제를 해결하고, 추가적인 자료를 확보하여 저장소 안정성에 대한 정확한 예측 모델을 구축해야 한다. 이는 스메아하이아 프로젝트의 CO₂ 격리 안정성을 확보하고 추후 CO₂ 주입이 이루어질 시 모니터링 단계를 위한 필수적인 자료로도 활용될 수 있을 것이다.

스메아하이아 CCS 프로젝트 개발 현황

스메아하이아 CCS 프로젝트는 2018년 초 에퀴노르가 남부 지역에서 탐사정을 시추할 수 있는 라이선스를 부여받은 후, 2019년 Gladsheim 구조에서 시추자료가 수집되고 분석되면서 본격적으로 시작되었다. CLIMIT 프로그램의 재정적 지원을 통해 SWAP (Strategic Well Acquisition Project) 프로젝트가 수행되어 대규모 CO₂ 저장소로서의 가능성을 평가하였다. SWAP 프로젝트를 통해 채취된 코어의 샘플 분석과 역학적 테스트 결과, 두꺼운 드라우프네 셰일층이 덮개암으로서 충분한 강도와 밀폐성을 가지고 있음을 확인하였다. 또한, 각 저장층에서의 압력 측정 결과, 저장층과 트롤 필드와의 유압적 연결성이 적절히 차단되어 CO₂ 격리에 이상적인 조건을 제공하고 있음을 확인하였다(Gassnova, 2012).

이후 SWAP2 프로젝트를 통해 호르다 대지 남부 지역에서 추가 탐사가 진행되었으며, Stovegolvet 지역에서 수행된 시추정 분석을 통해 스메아하이아 부지의 지질 구조와 저장층 특성에 대한 추가 데이터를 확보하였다. 이러한 파일럿 단계에서 얻은 데이터를 바탕으로, 스메아하이아 부지는 연간 2천만 톤의 CO₂를 저장할 수 있는 저장소로 평가되었으며, 본격적인 개발 단계로 진입하게 되었다(Gassnova, 2024).

현재 스메아하이아 CCS 프로젝트는 저장 용량을 최적화하고 안정적인 CO₂ 격리 환경을 구축하는 방향으로 이루어지고 있다. 2021년 6월 에퀴노르가 스메아하이아 부지에 대한 상업적 CO₂ 저장소 운영 라이선스를 노르웨이 석유 에너지부에 신청하면서 본격적인 개발이 이루어지고 있다(Carbon Capture Journal, 2024). 2022년에는 스메아하이아 부지의 본격적 개발과 함께, 유럽 전체 규모의 CO₂ 수송 네트워크를 구축하기 위한 CO₂ Highway Europe이라는 프로젝트가 시작되었다. 이 프로젝트는 스메아하이아 저장소를 중심으로 유럽 내 CCS 네트워크를 형성하는 것을 목표로 하고 있다. 이를 위해 에퀴노르는 2024년 운영을 시작한 노던라이트 프로젝트에 이어 2028년에는 스메아하이아 프로젝트를 초기 저장용량 연간 최소 500만 톤으로 가동을 시작할 계획이며, 연간 2,000만 톤 규모로 확대할 계획이다(Equinor, 2024; Fig. 8).

Fig. 8.

Equinor's CCS project development plans (Equinor, 2024).

결 론

본 연구에서는 노르웨이 스메아하이아 CCS 프로젝트를 중심으로 대규모 CCS 프로젝트의 현황과 북해 지역의 지질학적 특성을 분석하고, 스메아하이아 지중 저장 부지의 적합성을 논의하였다. 스메아하이아 프로젝트는 고다공성과 고투과성을 지닌 사암질 저장층과 저투과성 덮개층이 발달되어 있어 대규모 CO₂ 저장에 적합한 지질구조를 형성하고 있으며, 정밀한 지질학적 및 지구물리학적 특성화 연구를 통해 위험 관리 전략을 구축하여 장기적인 CCS 프로젝트 추진을 위한 안전성을 확보하였다.

한국은 현재 동해-1 가스전에서 상업적 규모의 CCS 프로젝트를 진행하고 있으며, 향후 군산분지와 같은 대규모 해양 CCS 프로젝트를 추진하기 위해서는 정밀한 부지 특성화 연구가 필수적이다. 그러나 한국은 노르웨이와 달리 지질 구조가 더 복잡하고, 저장소로 활용할 수 있는 지질 환경에도 차이가 있다. 노르웨이는 북해 연안의 고다공성 사암질 대염수층과 저투과성 셰일층을 가진 안정적인 지질 구조를 활용할 수 있는 반면, 한국은 불확실한 저장소 크기, 상대적으로 낮은 투과성, 복잡한 지질 구조와 같은 제약을 가지고 있어 보다 정밀한 지질학적 분석과 위험 관리가 필요하다. 따라서 한국에서는 고해상도 3D 탐사 기법과 정밀 시추 기반 물리탐사 기법 등을 결합한 복합적 접근을 통해 안정적인 저장소 확보를 위한 개선 방안을 마련해야 한다. 이러한 차이점을 고려해 한국 지질에 적합한 맞춤형 기술과 추가적인 모니터링 전략을 수립하는 것이 중요하다.

스메아하이아 프로젝트의 사례는 이러한 부지 특성화 연구와 체계적인 위험 관리 전략의 중요성을 강조하며, 국내 CCS 프로젝트의 성공을 위한 참고 사례로 활용될 수 있다. 현재 스메아하이아 프로젝트에서 지질학적 데이터 분석과 저장소 개발에 참여하고 있는 노르웨이 국영회사 에퀴노르는 국내 동해에서 추진 중인 해상 풍력 사업에도 참여하고 있다. 이러한 협력 관계를 바탕으로 한국은 CCS 선도국인 노르웨이와의 국제 공동 연구 및 기술적 협력을 기대할 수 있으며, 국제 협력 네트워크가 형성된다면 국내 대규모 CO₂ 저장소 확보 및 운영에 필요한 기반을 마련할 수 있을 것으로 기대된다.