서 론
전 세계적으로 환경, 기후변화에 관한 관심과 함께 탄소중립 추진으로 인해 화석에너지의 역할이 축소되고 있으며 오랜 기간 주 에너지원이었던 석탄에 대한 수요는 지속적으로 감소하고 있다(IEA, 2022). 화석연료를 태우는 과정에서 온실가스와 대기오염물질을 다량 배출하므로 선진국을 중심으로 석탄화력발전을 점진적으로 줄여나가려 하고 있다. 세계 석탄 수요는 2021년을 기준으로 2030년까지 약 10% 감소하는 것으로 전망되며 선진국에서는 50% 가까이 감소할 것으로 예측된다. 특히 발전부문에서 태양광 및 풍력 등 신재생에너지가 석탄화력발전을 대체하면서 석탄 사용량이 60% 감소할 것으로 전망된다. 또한 2030년에서 2050년까지 산업부문의 석탄량은 10% 이내, 발전부문에서는 노후 화력발전소의 폐쇄, 재생에너지 설비의 확대 등으로 35% 이상 감축될 것으로 전망된다(IEA, 2022, Fig. 1). 국내에서도 2050 탄소중립 달성을 위해 발전 부분의 탈탄소화와 중장기적 석탄 의존도 축소가 요구되는 상황으로 석탄 발전 비중을 점진적으로 감축할 계획이다(Lee et al., 2022). 산업통상자원부의 제10차 전력수급기본계획(2022 ~ 2036)에 의하면 2030년까지 석탄 발전의 비중을 19.7%, 2036년에는 14.4%로 축소하고 원자력 및 신재생에너지의 비중을 30% 이상으로 증가시키는 방향을 제안하였다(Ministry of Trade, Industry and Energy, 2023, Table 1). 이에 따라 석탄 사용 비중은 지속적으로 감소하여 국내 석탄광의 수는 1995년 약 27개에서 2010년에는 장성광업소(강원 태백), 도계광업소(강원 삼척), 화순광업소(전남 화순), 상덕광업소(강원 삼척), 태백광업소(강원 태백)의 5개만 운영되었으며 태백광업소(2018년)와 화순광업소(2023년)가 순차적으로 폐광되었다(KESIS, 2023; Korea Coal Corporation, 2023, Fig. 2). 또한, 탈석탄 정책에 따라 대한석탄공사는 2025년까지 국내의 모든 석탄 광산의 운영을 종료하고자 하고 있다(Korea Coal Corporation, 2022). 따라서 국내에서 2030 국가 온실가스 감축 목표와 2050 탄소중립 달성을 위해 석탄에 대한 수요는 발전, 산업 등에서 현재보다 더 감소할 것이며 이에 따라 국내 폐석탄광의 수는 200개 이상에 달할 것으로 예측된다(KOMIR, 2023).
Table 1.
Expected electricity generation by source and share (Unit: TWh; Ministry of Trade, Industry and Energy, 2023)
국내 폐석탄광산의 수가 증가함에 따라 정부와 지자체는 점차 축소되어 가는 석탄산업과 쇠퇴하는 국내 폐광지역을 대상으로 지역 경제 활성화 및 자연환경 복원과 함께 폐광지역 자원 활용, 그린에너지, 도시 재생뉴딜사업, 산림 뉴딜사업, 석탄자원 활용 등 다양한 분야에서 활용할 수 있는 대책을 마련하고 있다(Korea Coal Corporation, 2021). 예를 들어 강원도 함백 폐광부지에 태양광 발전사업을 추진하여 신재생에너지 발전 수익을 지역에 환원하여 폐석탄광산 지역의 경제 활성화에 이바지하고자 하는 방안을 제안하였다(Ministry of Trade, Industry and Energy, 2017). 2050 탄소중립 시나리오 안에 따르면 이산화탄소 포집 및 활용 ‧ 저장(CCUS, Carbon Capture, Utilization and Storage)으로 85.2백만 톤을 처리해야 하며 이산화탄소 포집 및 저장(CCS, Carbon Capture and Storage)으로 국내외 육상 지층, 해양 지층 등을 활용하여 연간 최대 60백만 톤을 처리해야 한다(Republic of Korea, 2021). CO2 지중격리가 가능한 지층은 고갈 유 ‧ 가스전, 심부대염수층, 채광할 수 없는 석탄층(Unmineable Coal Seams)으로 알려져 있다. 현재 전세계적으로 CO2 주입이 진행되는 프로젝트들 대부분은 유가스전 지역의 석유회수증진기법(EOR, Enhanced Oil Recovery)이 적용되는 사례이며, 그다음으로 심부대염수층에 CCS 적용을 위한 기술개발이 진행되고 있다(Fig. 3). 국내는 생산 중이거나 고갈된 유가스전이 제한적이며, 심부대염수층의 탐사와 저장소 확보에 많은 시간이 소요되므로 상대적으로 낮은 심도에 위치하며 육상에 존재하는 폐석탄광 지역이 중단기적으로 CCS 부지로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
국내 CCS 유망 구조인 동해 가스전은 약 7.3억 톤 규모로 평가되었으며 추가 탐사 ‧ 시추 및 기술개발로 최대 11.6억 톤(연 3,870만 톤) 저장이 가능할 것으로 전망되었다(Ministry of Trade, Industry and Energy, 2021). 하지만 동해 가스전은 해상 저장소이기 때문에, 시추비가 육상에 비해 높고 플랫폼 등의 해상설비의 건설비 및 운영비가 고가이므로 경제성을 확보하기 어렵다는 문제가 있다. 또한, 우리나라 주변의 심부대염수층은 현재까지 조사된 지하 구조 데이터를 기반한 CO2 저장가능성 평가에서 취득된 자료의 불확실성으로 인해 낮은 등급을 받았으며, 육상 저장소는 평가가 이루어지지 않은 상황이다(Fig. 4). 따라서 현재까지 한국은 CCS 유망 구조가 동해 가스전 외에 존재하지 않기 때문에, 육상에서는 폐석탄광 지역이 가장 좋은 후보지가 될 수 있다.
Fig. 4.
CO2 storage resource catalog: assessment cycle of three findings (modified from Global CCS Institute [2022]).
석탄층은 CO2에 대해 매우 강한 흡착성을 가지고 있고(Kim et al., 2013), 이미 국내에서는 200개 내외의 폐석탄광이 존재하기 때문에, 국내 육상 CCS를 위해서는 폐석탄광을 활용한 CCS 기술을 적극적으로 개발할 필요가 있다. 이러한 폐석탄광 지역에서 CCS를 적용하기 위해서는 초임계 상태로 주입이 가능한 800 m 이상의 석탄층이 존재하는 것이 가장 좋으나, 만약 이러한 심도에 미채광 석탄층이 존재하지 않더라도 석탄층 하부에 충분한 투과성을 가지고 있는 사암층에 주입한다면 상부로의 누출이 발생하더라도 석탄의 높은 CO2 흡착성으로 인해 누출을 효과적으로 방지할 수 있을 것으로 기대된다.
CO2 주입 공법을 적용하기 위해서는 부지 선정 기준을 만족해야 한다. 먼저 CO2를 효과적으로 주입할 수 있는 적정 투과도, 주입된 CO2가 외부 지층으로 누출되지 않기 위한 지질구조, 그리고 채광에 의한 경제성이 낮은 석탄층이어야 한다(Bachu et al., 2007). 더 이상 채광이 불가능한 석탄층에 CO2를 주입하면 석탄 표면과의 흡착 친화도가 더 높은 CO2가 반데르발스 결합에 의해 석탄을 구성하는 유기물질에 흡착된 CH4를 탈착시킨다(Kim et al., 2018). Wang et al.(2023)은 Jiaozuo의 Zhongma Mine의 석탄 시료를 사용하여 35°C, 1 ~ 6 MPa에서 CO2와 CH4 두 기체에 대한 석탄의 Langmuir isotherm(흡착등온선)을 도출하였다(Table 2, Fig. 5). 그 결과, 압력이 증가함에 따라 두 기체에 대한 석탄 시료의 흡착 능력은 처음에는 급격하게 증가하다가 점차 안정화되는 경향을 보였으며 CO2의 흡착 용량이 2배 정도 높다고 분석하였다. 따라서 폐석탄층에 CO2를 주입하면 CH4에 비해 높은 흡착성으로 흡착된 CH4를 탈착시키고 CO2를 흡착시킴으로써 CH4의 회수가 가능할 뿐만 아니라 CO2를 지중격리도 가능하기에 폐석탄광층을 국내 육상 중규모 CO2 저장소로 이용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 이미 압력이 강하하여 CH4가 탈착된 석탄층이라 하더라도 CO2 저장만으로도 CCS 목적 달성에는 문제가 없을 것이다. 이에 본 연구에서는 전라남도 화순 지역의 폐석탄광에서 취득한 샘플을 이용한 고압흡착실험을 통해 폐석탄광의 CO2 지중저장 가능성을 평가하고자 한다.
Table 2.
Vitrinite reflectance and proximate analysis of the coal sample (Wang et al., 2023)
| Sample name | Proximate analysis | ||||
| Ro (%) | Mad (%) | Aad (%) | Vad (%) | FCad (%) | |
| ZM | 4.2 | 0.43 | 9.64 | 8.28 | 81.65 |
화순 탄광 개요
화순 탄광은 대한민국 화순군에 위치하며, 지형은 천운산의 북쪽에 있는 복암하천을 중심으로 고지대와 저지대로 나뉜다. 화순 탄층은 고생대 화순층에 속하며, 1 ~ 2매의 탄층이 발달하고 있으며, 주로 북북동에서 남서서로 주향을 가지고 광구를 가로지르고 있다(Korea Coal Corporation, 2001). 화순 탄층의 총 연장은 6 km이며, 평균 탄폭은 3.4 m이다. 동갱과 복암지구는 주향 이동단층에 의해 분리되어 있으며, 이 지역의 지질은 교란과 혼입이 심하게 발생하는 복잡한 특징을 가지고 있다(Fig. 6). 동갱지구는 남동방향으로 경사가 급한 지형을 형성하고 있으며, 70°의 경사로 이루어졌지만, 복암지구는 남동향으로 발달하며 45°의 경사를 가진다(Korea Coal Corporation, 2023). 두 지구의 주 가행탄층은 탄폭이 0.3 m에서 50 m까지 다양하게 변동하며, 탄층 내에 대소 협석이 불규칙하게 혼합되어 있고, 암맥관입으로 인해 탄층 발달 상태가 교란되어 있다(Fig. 7). CCS 기술을 적용하는 데 고무적인 사항은 Fig. 7에 초록색으로 표시된 석탄층 하부에 덮개암인 셰일과 사암층이 존재하므로 심도 800 m 이상의 미개발 석탄층에 직접 주입하거나, 하부 사암층을 CO2 주입 지층으로 활용하고 셰일이 상부 유동을 방지하는 형태의 지중저장이 가능할 것으로 판단된다. 이를 보다 정확히 판단하기 위해서는 탐사 및 시추를 통한 저장층과 차폐층에 대한 보다 심도 있는 연구가 요구된다.
화순 탄광 갱도의 평균 온도는 29°C이며 최고 표고는 갱구 110 ML, 최하부 520 ML으로 심도 630 m이다(Fig. 6). 화순 탄광의 매장량은 약 36백만 톤이며 이 중 가채량은 17백만 톤이다(Korea Coal Corporation, 2023). Table 3은 2016 ~ 2022년까지 화순광업소의 생산량을 정리한 것이며, 발열량으로 보아 화순 탄광에서 생산한 탄의 종류는 갈탄(4,000 ~ 6,000 kcal/kg)임을 확인할 수 있다(Korea Coal Corporation, 2022)
Table 3.
Operational performance at the Hwasun coal mine (Korea Coal Corporation, 2022)
| Year | 2016 | 2017 | 2018 | 2019 | 2020 | 2021 | 2022 |
| Product (1,000 ton) | 224 | 199 | 132 | 100 | 92 | 75 | 63 |
| Calolific Value (Kcal/kg) | 4264 | 4267 | 4141 | 4068 | 4085 | 4055 | 4046 |
실험 방법 및 결과
고압 흡착장비(BELSORP-HP, BEL Japan, Inc.)를 통해 CO2 흡착량을 측정하였으며, 이 장비는 부피측정법을 이용하여 흡착량을 계측한다(Fig. 8). 부피측정법은 열적 평형에 빠르게 도달하며, 중량측정법에 비해 실험이 용이하다는 특징이 있다.
실험은 다음과 같은 절차로 진행하였다: 우선, 실험 시료의 무게를 측정 후, 흡착 장비에서 헬륨 가스로 빈 cell과 시료가 포함된 cell의 부피를 측정한다. 시료의 무게와 측정된 부피를 통해 시료의 밀도를 계산한 후, 실험 가스를 단계적으로 주입하여 압력에 따른 흡착량을 측정한다. 측정 결과는 압력에 따른 기체의 부피 변화가 고려되지 않은 초과 흡착량이므로 Gibbs‘s 절대 흡착량 계산식을 이용하여 절대 흡착량을 계산한다(식 1).
: 초과 흡착량
: 절대 흡착량
: 가스 밀도
: 흡착상의 밀도
압력의 관점으로 정리한 흡착등온식(식 2)을 통해 P/V와 P의 그래프로 그리게 되면 기울기는 1/VL, 절편은 1/(VL/PL)인 직선(Linear Langmuir isotherm)을 얻을 수 있으며(Fig. 9(a)), 이를 통해 Langmuir 인자인 VL과 PL의 계산이 가능하다. VL은 Langmuir 상수로 최대흡착량, PL은 최대흡착량 1/2 지점의 압력을 의미하며, Langmuir isotherm으로 표현할 수 있다(Fig. 9(b)). 흡착 가스량이 VL에 도달하게 되면, 더 이상 증가하지 않고 최대 흡착 가스량을 유지하게 된다.
: 압력
: 가스흡착부피
Fig. 9.
(a) Linear Langmuir Isotherm graph and (b) Typical Langmuir isotherm (modified from Kim et al., 2018).
본 실험은 현장의 괴탄 시료를 파쇄하여 입자의 크기를 조절한 분탄의 흡착 특성을 분석하였다. 실험에 사용된 석탄 시료의 입자 크기는 149 ~ 105 µm, 105 ~ 88 µm, 88 ~ 63 µm, 63 ~ 53 µm이다. 이와 같이 크기를 다르게 실험한 이유는 부피측정법에서는 실험 시간의 단축을 위해 석탄을 파쇄하여 실험을 수행하는데 입자의 크기에 따라 실험 가스가 흡착될 수 있는 표면적이 달라져 흡착량이 다르게 산출되기 때문이다. 각각의 실험 결과는 Linear Langmuir isotherm을 통해 나타내었으며(Fig. 10), 입자의 크기가 클수록 흡착량은 낮게 측정되었다. 이를 이용하여 VL과 PL을 계산하였으며(Table 4), 계산된 Langmuir 인자를 이용하여 시료별 Langmuir isotherm을 나타내었다(Fig. 11). CO2의 흡착량은 석탄의 입자 크기가 작아질수록 증가하는 양상을 보이며, 최대흡착량은 67.74 ~ 262.19 m3/ton로 측정되었다(Fig. 11, Table 4). 심도 800 m 이상의 석탄층에 초임계 상태의 CO2를 주입한다는 가정에서(1,000 psi, 318.15 K), 시료 중 가장 작은 입자 크기인 63 ~ 53 µm의 경우 146.89 m3(STP)/ton의 흡착량을 가지고, 가장 큰 149 ~ 105 µm의 경우 같은 조건에서 50.59 m3(STP)/ton의 흡착량을 가지게 된다. 이러한 양상을 보이는 이유는 가스를 흡착할 수 있는 비표면적이 증가하였기 때문이며, 현장 CO2 흡착량 분석을 위해서는 입자 크기를 증가시키거나 괴탄의 형태로 실험하는 것이 실제 저장량 측정에 적합하다(Kim et al., 2018). 특히 괴탄 시료를 사용하여 실험할 경우 석탄 암체 내부로는 확산(diffusion)을 통해 CO2가 유동되며, 비표면적이 작기 때문에 본 실험 결과보다 낮은 흡착량을 보일 것으로 판단된다.
화순 탄광의 CO2 저장 가능성 분석
본 연구에서는 화순 탄광에 CO2 잠재 저장성을 평가하기 위해 두 가지 경우를 가정하였다. 먼저 Fig. 7에 도시된 바와 같이 하부로 경사진 석탄층이 CO2 저장 가능 심도인 800 m 하부까지 존재하는 경우와, 석탄층 하부의 사암층에 저장하는 경우이다. 후자의 경우에는 사암층 상부에 셰일층이 존재하는 것으로 Fig. 7에 나타나 있으나 이 셰일층이 CO2 누출을 방지하기 위한 1) 충분한 두께, 2) 단층 부재, 3) 트랩 구조 형성의 세 가지 조건을 만족하는지에 대해서는 정밀한 평가가 요구된다. 현 시점에서는 현장자료의 한계성으로 인해 기존 문헌연구에 기반한 가정과 가용한 현장자료 및 실험 결과를 토대로 화순 탄광의 CO2 저장 가능성을 제시하고자 하였으며, 그 결과는 아래와 같다.
800 m 이상 심도의 석탄층에 주입
일반적인 석탄층메탄가스(CBM, Coal Bed Methane)층의 생산영역은 탄층의 지질학적 특성, 초기 압력, cleat 발달 정도 등에 따라 다르게 나타나며, 일반적으로 80 ~ 320 acre (323,748 ~ 1,294,994 m2)로 알려져 있다. 이는 수직정 하나로 반경 284.49 ~ 568.99 m 내부의 CH4를 생산할 수 있음을 의미한다(Ranathunga et al., 2014). 이 생산영역과 CO2의 저장영역이 같다고 가정하고 주입영역을 40, 80, 160, 320 acre로 변화시키며 CO2 흡착량 분석을 수행하였다. 이를 위해 한국 석탄의 평균 밀도인 2.1 ton/m3(Chon and Kim, 1994; Kim et al., 2017)와 가장 흡착량이 적은 149 ~ 105 µm 케이스(흡착량: 50.59 m3(STP)/ton)를 적용하였다. 그 결과, 두께 1m당 주입 반경별 CO2 흡착량은 주입반경이 커질수록 증가하며, 주입정 하나당 2.7만 톤에서 32만 톤의 CO2를 저장할 수 있는 것으로 판단된다(Fig. 12). 이 결과는 장기간 주입할 수 있는 최종 저장량으로, 석탄층의 투과도와 부존 특성에 따라 연간 주입량을 정확히 산출해야 하는 과정과 저장이 가능한 석탄층 두께에 대한 정확한 규명이 요구된다.
하부 사암층에 주입
화순 탄광의 경우, 기존에 채광이 진행되었던 석탄층 하부에 사암층과 덮개암의 역할을 할 수 있는 셰일이 존재하기 때문에 사암층의 안정적인 CO2 저장이 가능할 것으로 기대된다. 만약 셰일층의 차폐 효율이 낮아 상부의 석탄층으로 누출이 발생하더라도 미채광 석탄층의 흡착성 때문에 누출 가능성은 낮아질 것으로 판단된다. 만약 폐광 후 대부분의 갱도와 채굴적이 지하수로 채워지게 되는 경우, 누출된 CO2가 지하 공동에 용해트랩 형태로 저장될 수 있으나 이 경우 폐쇄된 갱도에서 미소진동 센서, CO2 농도감지 센서, 갱도 내 지하수 pH 모니터링 기법 등을 활용한 누출 모니터링을 시행한다면 대기 중 누출을 사전에 감지할 수 있어 CCS 안전성 확보에도 기여할 수 있을 것이다.
결과적으로 화순탄광의 지질구조는 매우 다양하며, CO2의 저장 및 누출 가능성을 정확히 평가하기 위해서는 저장소 부지에 대한 심도 있는 연구가 필요하다. 또한, 본 연구결과는 대상 지층의 정보의 한계로 인해 상부 지층의 석탄 시료를 대상으로 수행하였기 때문에 부록A의 CO2 저장자원량 관리체계(CO2 Storage Resources Management System)에 따라 탐사저장자원량(Prospective Storage Resources)으로 분류될 수 있다. 향후 미채광 석탄층과 하부 지층에 대한 물리탐사, 물리검층, 코어실험, 현장 주입시험 등과 같은 추가적인 분석을 통해 잠재저장자원량(Contingent Storage Resources)으로 상향될 수 있을 것이다. 또한, 연간 수십만 톤에서 수천만 톤의 CO2 저장소 확보가 시급한 상황에서 국내 폐석탄광을 활용한 CO2 지중격리가 가능하다면 다수의 저비용 육상 중규모 CO2 저장소를 조기에 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
결 론
본 논문은 국내 석탄 산업의 축소와 폐쇄로 인한 대안으로 석탄층 내 CO2 주입 가능성을 분석하였다. 2023년 6월 폐광된 화순 탄광의 시료를 대상으로 석탄 입자 크기와 CO2 흡착량 사이의 관계를 조사한 결과, 입자크기가 작을수록 CO2 흡착량이 증가하며, 최대흡착량은 67.74 ~ 262.19 m3/ton으로 측정되었다. 화순 탄광의 CO2 주입 반경을 40 ~ 320 acre로 가정하여 분석하였을 때, 석탄층 두께가 1 m인 경우 주입정당 2.7만 톤에서 32만 톤의 CO2 저장이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 화순 탄광의 경우 미개발 석탄층 하부에 사암층과 셰일이 존재하여, 사암층에 CO2를 주입한다면 덮개암 역할의 셰일과 흡착 능력이 높은 석탄층으로 안정적인 CO2 저장이 가능할 것으로 판단된다. 그러나, 초임계 상태의 CO2를 주입하기 위해서는 800 m 이상의 주입 심도가 필요하며, CO2 주입압력이 높을수록 주입속도와 저장용량이 증가하므로, 화순 탄광의 하부 지층에 대한 물리탐사, 시추공 물리검층, 저장지층의 흡착 능력 평가, 그리고 인근 CO2 배출원과의 연계가 필수적이다. 본 연구는 현장자료의 한계성으로 인해 기존 문헌연구에 기반한 가정과 가용한 현장자료 및 실험 결과를 토대로 화순 탄광의 CO2 저장 가능성을 제시하고자 하였으며, 실제 저장소로의 전환을 위해서는 보다 심도 있는 연구와 현장 조사가 필요하다.
