탄층 메테인

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1. 개요

탄층 메테인(Coalbed methane, CBM)은 석탄층에서 방출되는 메탄 가스를 의미하며, 1970년대 후반부터 천연 가스 자원으로서 개발되기 시작했다. 탄층 메테인은 주로 메테인으로 구성되며, 석탄의 공극률, 흡착 능력, 균열 투과율 등의 특성에 따라 회수 가능한 가스량이 결정된다. 추출 과정은 지하에 구멍을 뚫어 가스를 뽑아내는 방식으로 이루어지며, 생산수 처리와 환경적 영향에 대한 고려가 필요하다. 탄층 메테인은 메탄 누출로 인한 온실 가스 배출과 지하수 영향 등의 환경 문제를 야기할 수 있으며, 생산 지역으로는 호주, 캐나다, 미국 등이 있으며, 한국에서도 잠재적인 매장 지역이 존재한다.

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탄층 메테인
개요
보웬 분지의 탄층 메탄 가스 기반 시설
다른 이름	석탄층 메탄 CBM 석탄 광산 메탄 (CMM)
정의	석탄층에서 추출되는 천연 가스의 한 형태
주요 성분	메탄 (CH4)
생성 과정	석탄화 과정 중 또는 미생물 활동에 의해 생성
저장 방식	석탄 매트릭스 표면에 흡착된 상태로 존재
추출 방법	시추공을 뚫어 지하수를 제거하여 압력을 낮춤 압력 감소로 메탄 가스 방출 및 포집
매장 환경	지하 석탄층 주로 얕은 깊이에 매장
구성 성분	메탄 외에 소량의 에탄, 프로판, 이산화탄소, 질소 등이 포함될 수 있음
특징
에너지원	천연 가스와 유사한 에너지원으로 활용 가능
환경 영향	연소 시 이산화탄소 배출 추출 과정에서 지하수 오염 가능성 수압 파쇄법 사용 시 환경 논란 존재
활용 분야	발전 난방 산업용 연료 화학 원료
생산 및 이용
주요 생산 국가	미국 캐나다 호주 중국 인도네시아
생산량 증가 요인	천연 가스 수요 증가 기술 발전 정부 지원 정책
개발 기술	시추 기술 가스 처리 기술 수압 파쇄 기술 (논란)
경제성	천연 가스 가격 및 생산 비용에 따라 변동
추가 정보
클리트 (Cleat)	석탄층 내의 천연 균열 시스템으로, 메탄 가스의 흐름에 중요한 역할
탈가스화 (Degasification)	석탄 채굴 전에 메탄 가스를 제거하는 과정으로, 안전 확보 및 자원 활용 목적
탄층 메탄 개발의 과제	환경 규제 준수 수자원 보호 지역 사회와의 협력

2. 역사

탄층 메테인은 석탄층에서 메테인을 방출하는 과정에서 발전했다. 일부 석탄층은 오랫동안 "가스" 상태로 알려져 왔으며, 안전을 위해 채굴 전에 표면에서 석탄층으로 구멍을 뚫어 메테인을 방출하기도 했다.

1970년대 후반, 미국에서는 연방 정부의 지원을 받아 탄층 메테인이 천연 가스 자원으로 개발되기 시작했다. 당시 연방 정부의 가격 통제로 천연 가스 가격은 시장 가격 이하로 유지되어 시추를 위축시켰으나, 동시에 정부는 더 많은 가스 생산을 장려하고자 했다. 미국 에너지부(US Department of Energy)는 탄층 메테인을 포함한 여러 비전통적 가스 자원에 대한 연구를 지원했으며, 탄층 메테인은 연방 가격 통제에서 면제되고 연방 세금 공제 혜택도 받았다.

호주에서는 1996년 퀸즐랜드의 보웬 분지에서 탄층 가스의 상업적 추출이 시작되었다.

2. 1. 세계적 발전

탄층 메테인은 석탄층에서 메테인을 방출하는 과정에서 발전했다. 일부 석탄층은 오랫동안 "가스" 상태로 알려져 왔으며, 안전을 위해 채굴 전에 표면에서 석탄층으로 구멍을 뚫어 메테인을 방출했다.^[1]

1970년대 후반, 탄층 메테인은 미국의 천연 가스 자원으로서 연방 정부의 지원을 받았다.^[1] 당시 연방 정부의 가격 통제로 천연 가스 가격은 시장 가격 이하로 유지되었고, 이는 천연 가스 시추를 위축시켰다.^[1] 이와 동시에 정부는 더 많은 가스 생산을 장려하고자 했으며,^[1] 미국 에너지부(US Department of Energy)는 탄층 메테인을 포함한 여러 비전통적 가스 자원에 대한 연구를 지원했다.^[1] 탄층 메테인은 연방 가격 통제에서 면제되었고, 연방 세금 공제 혜택도 받았다.^[1]

호주에서는 1996년 퀸즐랜드의 보웬 분지에서 탄층 가스의 상업적 추출이 시작되었다.^[1]

3. 저류층 특성

탄층 메탄 저류층은 독특한 특성을 가지고 있다. 천연 가스 가격이 상승함에 따라, 콜 베드 메탄(CBM) 생산 계획이 활발해지고 있다. 상업적 생산을 위해서는 열량이 높은 고품위(고 석탄화도) 석탄이 좋으며, 가스의 메탄 성분이 92% 이상 필요하다. 미국에서의 CBM 매장량은 700조 입방 피트, 캐나다에서는 90조 입방 피트로 추정된다. 중국은 세계 최대의 석탄 생산국이며, 쉘과 같은 외국 자본과 공동으로 채취할 계획이 있다.^[41]

유전의 천연 가스와 달리, 황화수소를 포함하지 않고, 에탄 가스 등 무거운 성분도 거의 포함하지 않는다. 석탄의 기질과 cleat라고 부르는 갈라진 틈에 존재하며, 가스를 채취하기 위해서는 석탄 내에서 가스가 이동하는 투과성이 좋은 틈새가 발달해 있는 것이 필요하다.

석탄층에는 메탄(CH₄)이 흡착되어 있다. 탄층에 이산화 탄소(CO₂)를 주입하면, 석탄층이 CO₂를 흡착하고 CH₄가 치환되어 떨어져 나오기 때문에^[42], 이 메탄(CH₄)을 추출하는 것이 가능하다. 구체적으로는 지상에서 석탄층을 향해 세로로 갱정을 굴착하고, 강철 파이프를 설치하여 석탄층에 구멍을 뚫어 가스의 압력으로 지표면으로 분출시킨다. 경제적으로 석탄 채굴이 어려워 폐광된 탄광의 탄층에서도 이 방법으로 메탄 가스를 채취할 수 있다.^[43]

3. 1. 공극률

탄층 메탄 저류층은 이중 공극률 저류층으로 간주된다. 이중 공극률 저류층은 균열(자연 균열)과 관련된 공극률이 흐름 특성을 담당하고, 매트릭스의 저류층 공극률이 가스 저장을 담당하는 저류층이다. 탄층 메탄 저류층의 공극률은 10%~20%까지 다양할 수 있지만, 저류층의 균열 공극률은 0.1%~1% 범위로 추정된다.^[6]

3. 2. 흡착 능력

탄층 메테인에 포함된 가스는 주로 메탄이며, 극소량의 에탄, 질소, 이산화 탄소 및 기타 몇 가지 가스를 포함한다. 자연 상태의 석탄 고유의 특성이 회수할 수 있는 가스의 양을 결정한다.

석탄의 흡착 능력은 석탄 1단위 질량당 흡착되는 가스의 부피로 정의되며, 일반적으로 SCF(표준 상태에서의 부피) 가스/톤으로 표시된다. 흡착 능력은 석탄의 순위와 품질에 따라 달라진다. 미국에서 발견되는 대부분의 석탄층의 경우 이 범위는 일반적으로 100~800 SCF/톤이다. 석탄층 내 가스의 대부분은 흡착된 형태로 존재한다. 저류층이 생산에 들어가면 먼저 균열 공간의 물을 퍼낸다. 이는 압력을 감소시켜 매트릭스에서 가스의 탈착을 촉진한다.^[7]

3. 3. 균열 투과율

균열 투과율은 가스가 흐르는 주요 통로 역할을 한다. 투과율이 높을수록 가스 생산량도 높아진다. 미국에서 발견되는 대부분의 탄층의 투과율은 0.1~50밀리다르시 범위에 있다. 균열 저류층의 투과율은 가해지는 응력에 따라 변한다. 석탄은 응력에 민감한 투과율을 보이며, 이 과정은 자극 및 생산 작업 중에 중요한 역할을 한다.^[8]^[9] 탄층 메테인 저류층의 균열 투과율은 가스 고갈과 함께 증가하는 경향이 있는데, 이는 기존 저류층과는 대조적이다. 이러한 독특한 거동은 메탄이 매트릭스에서 방출될 때 석탄이 수축하기 때문이며, 이로 인해 균열이 열리고 투과율이 증가한다.^[10] 또한, 저류층 압력이 낮아지면서 석탄 매트릭스가 수축하여 저류층에 수평 응력 손실이 발생하고, 이는 석탄의 현장 파괴를 유발한다고 여겨진다. 이러한 파괴는 저류층의 균열 투과율의 갑작스러운 감소와 관련이 있다.^[11]^[9]

3. 4. 기타 특성

탄층 메탄에 포함된 가스는 주로 메탄이며, 에탄, 질소, 이산화 탄소 및 기타 몇 가지 가스를 극소량 포함한다. 자연 상태의 석탄 고유의 특성이 회수할 수 있는 가스의 양을 결정한다. 지층의 두께가 일부 지역에서 생산되는 가스량에 직접적으로 비례하지 않을 수 있다.

예를 들어, 캔자스 남동부 체로키 분지(Cherokee Basin)에서 단일 유효층 두께가 0.3m~0.6m인 우물이 훌륭한 가스 생산량을 보이는 반면, 두께가 두 배인 다른 지층에서는 거의 생산이 없는 현상이 관찰되었다. 일부 탄층(및 셰일) 지층은 지층의 두께와 관계없이 높은 가스 농도를 보일 수 있는데, 이는 해당 지역의 다른 지질학적 요인 때문일 가능성이 높다.

일반적으로 모든 생산 저류층과 마찬가지로, 우물 블록과 사면 간의 압력 차이는 가능한 한 커야 한다. 석탄 밀도, 초기 기상 농도, 임계 가스 포화도, 비가역적 물 포화도, Sw = 1.0 및 Sg = 1-Sw 비가역적 조건에서의 물과 가스의 상대 투과율 등 다른 영향 요인도 있다.

4. 추출

탄층 메테인(CBM) 추출은 천연 가스를 얻는 방법 중 하나로, 석탄층에 흡착된 메탄 가스를 뽑아내는 기술이다.

유전의 천연 가스와는 달리, 탄층 메테인은 황화수소를 포함하지 않고, 에탄 가스 등 무거운 성분도 거의 포함하지 않는다. 석탄의 기질과 클리트(cleat)라고 부르는 갈라진 틈에 존재하며, 가스를 채취하기 위해서는 석탄 내에서 가스가 이동하는 투과성이 좋은 틈새가 발달해 있는 것이 필요하다.

최근 천연 가스 가격이 상승함에 따라, CBM 생산 계획이 활발해지고 있다. 상업적 생산을 위해서는 열량이 높은 고품질(고 석탄화도) 석탄이 좋으며, 가스의 메탄 성분이 92% 이상 필요하다. 미국에서의 CBM 매장량은 700조 입방 피트, 캐나다에서는 90조 입방 피트로 추정된다. 중국은 세계 최대의 석탄 생산국이며, 쉘과 같은 외국 자본과 공동으로 채취할 계획이 있다.^[41]

2016년, 유바리시는 석유자원개발, 지질조사회사, NPO 법인과 포괄적 연계 협정을 체결하고 CBM 채굴에 착수했다. 2017년에는 구 세이료 초등학교 부지에서 보링을 실시하여 지하 944미터에서 순도가 높은 메탄 가스 채취에 성공했다. 예정량에는 미치지 못했지만, 일일 70m³의 가스를 채취하고 있다.^[46]

4. 1. 추출 과정

탄층 메테인은 강철로 둘러싸인 구멍을 지하 100m에서 1500m 깊이에 있는 석탄층에 뚫어 가스를 추출한다. 석탄층 내 압력이 자연적인 생산 또는 석탄층에서 물을 퍼내는 것에 의해 감소하면, 가스와 ''생산수'' 모두 튜빙을 통해 지표면으로 올라온다. 이후 가스는 압축 스테이션으로 보내져 천연 가스 파이프라인으로 들어간다.^[12] 생산수는 고립된 지층에 재주입하거나, 하천으로 방출하거나, 관개에 사용하거나, 증발 연못으로 보낸다. 물에는 탄산수소나트륨과 염화물 같은 용해된 고형물이 포함되어 있지만, 이는 지층 지질에 따라 달라진다.^[12]

탄층 메테인 시추공은 기존 저수지보다 낮은 가스 생산률을 보이며, 일반적으로 하루 약 8495053.98L³ (약 0.100 m³/s)에 가까운 최고 생산량을 기록한다. 초기 비용이 많이 들 수 있다. 탄층 메테인 시추공의 생산 프로필은 물을 퍼내고 가스가 탈착되어 흐르기 시작하면서 가스 생산률이 처음에는 증가하는 "부정적 감퇴"로 특징지어진다. 건조한 탄층 메테인 시추공은 표준 가스 시추공과 유사하다.

메탄 탈착 과정은 랭뮤어 등온선(가스 함량 대 저수지 압력)을 따른다. 등온선은 최대 가스 함량(무한 압력에서)과 그 가스의 절반이 석탄 내에 존재하는 압력으로 분석적으로 설명할 수 있다. 이 매개변수(랭뮤어 부피 및 랭뮤어 압력)는 석탄의 특성이며, 매우 다양하다. 앨라배마의 석탄과 콜로라도의 석탄은 다른 유사한 석탄 특성에도 불구하고 극적으로 다른 랭뮤어 매개변수를 가질 수 있다.

석탄 저수지에서 생산이 발생하면 압력 변화는 석탄의 다공성과 투과성에 변화를 일으킨다. 이를 매트릭스 수축/팽창이라고 한다. 가스가 탈착되면 기공 내 가스 압력이 감소하여 기공 크기가 줄어들고, 석탄을 통한 가스 흐름을 제한한다. 기공이 수축하면서 전체 매트릭스도 수축되어 가스가 이동할 수 있는 공간(클리트)을 증가시켜 가스 흐름을 증가시킬 수 있다.

특정 탄층이 탄층 메테인(CBM) 자원으로서 가지는 잠재력은 다음 기준에 따라 달라진다.

클리트 밀도/강도: 클리트는 석탄 시트 내에 국한된 균열이다. 이는 석탄층에 투과성을 부여한다. 탄층 메테인의 수익성 있는 활용을 위해서는 높은 클리트 밀도가 필요하다.
마세랄 조성: 마세랄은 해당 퇴적암의 미세하고 균질한 암석학적 실체이다. 높은 비트리나이트 조성은 탄층 메테인 추출에 이상적인 반면, 불활성분은 이를 방해한다.
석탄의 랭크: 비트리나이트 반사율이 0.8–1.5%인 경우 탄층의 생산성이 더 높다.

가스 조성도 고려해야 한다. 천연 가스 기기는 입방 피트당 약 1,000 BTU (영국 열량 단위) 또는 거의 순수한 메탄의 발열량을 가진 가스를 위해 설계되었기 때문이다. 가스에 질소 또는 이산화 탄소와 같은 비가연성 가스가 몇 퍼센트 이상 포함되어 있으면, 이를 제거하거나 더 높은 BTU 가스를 혼합하여 ''파이프라인 품질''을 달성해야 한다. 탄층 가스의 메탄 조성이 92% 미만이면 상업적으로 판매할 수 없을 수 있다.

석탄층에는 메탄(CH₄)이 흡착되어 있다. 석탄층에 이산화 탄소(CO₂)를 주입하면, 석탄층이 CO₂를 흡착하고 CH₄가 치환되어 떨어져 나오기 때문에^[42], 이 메탄(CH₄)을 추출하는 것이 가능하다. 구체적으로는 지상에서 석탄층을 향해 세로로 갱정을 굴착하고, 강철 파이프를 설치하여 석탄층에 구멍을 뚫어 가스 압력으로 지표면으로 분출시킨다. 경제적으로 석탄 채굴이 어려워 폐광된 탄광의 탄층에서도 이 방법으로 메탄 가스를 채취할 수 있다.^[43]

천연 가스 가격 상승에 따라, 콜 베드 메탄(CBM) 생산 계획이 활발해지고 있다. 상업적 생산을 위해서는 열량이 높은 고품위(고 석탄화도) 석탄이 좋으며, 가스의 메탄 성분이 92% 이상 필요하다.

유전의 천연 가스와 달리, 황화수소를 포함하지 않고, 에탄 가스 등 무거운 성분도 거의 포함하지 않는다. 석탄의 기질과 cleat라고 부르는 갈라진 틈에 존재하며, 가스를 채취하기 위해서는 석탄 내에서 가스가 이동하는 투과성이 좋은 틈새가 발달해 있는 것이 필요하다.

2016년, 유바리시는 석유자원개발, 지질조사회사, NPO 법인과 포괄적 연계 협정을 체결하고 콜 베드 메탄 채굴에 착수했다. 2017년에는 구 세이료 초등학교 부지에서 보링을 실시하여 지하 944미터에서 순도가 높은 메탄 가스 채취에 성공했다. 예정량에는 미치지 못했지만, 일일 70m³의 가스를 채취하고 있다.^[46]

4. 2. 생산 프로필

가스를 추출하기 위해, 강철로 둘러싸인 구멍을 지하 100m에서 1500m 깊이에 있는 석탄층에 뚫는다. 석탄층 내의 압력이 자연적인 생산 또는 석탄층에서 물을 퍼내는 것에 의해 감소함에 따라, 가스와 ''생산수'' 모두 튜빙을 통해 지표면으로 올라온다. 그런 다음 가스는 압축 스테이션으로 보내져 천연 가스 파이프라인으로 들어간다. 생산수는 고립된 지층에 재주입되거나, 하천으로 방출되거나, 관개에 사용되거나, 증발 연못으로 보내진다. 물에는 일반적으로 탄산수소나트륨과 염화물과 같은 용해된 고형물이 포함되어 있지만 지층 지질에 따라 다르다.^[12]

탄층 메테인 시추공은 종종 기존 저수지보다 낮은 가스 생산률로 생산되며, 일반적으로 하루에 약 8495053.98L³ (약 0.100 m³/s)에 가까운 최고 생산량을 보이며, 초기 비용이 많이 들 수 있다. 탄층 메테인 시추공의 생산 프로필은 일반적으로 물을 퍼내고 가스가 탈착되어 흐르기 시작함에 따라 가스 생산률이 처음에는 증가하는 "부정적 감퇴"로 특징지어진다. 건조한 탄층 메테인 시추공은 표준 가스 시추공과 유사하다.

메탄 탈착 과정은 랭뮤어 등온선이라고 하는 곡선(가스 함량 대 저수지 압력)을 따른다. 등온선은 최대 가스 함량(무한 압력에서)과 그 가스의 절반이 석탄 내에 존재하는 압력으로 분석적으로 설명할 수 있다. 이 매개변수(각각 랭뮤어 부피 및 랭뮤어 압력이라고 함)는 석탄의 특성이며, 매우 다양하다. 앨라배마의 석탄과 콜로라도의 석탄은 다른 유사한 석탄 특성에도 불구하고 극적으로 다른 랭뮤어 매개변수를 가질 수 있다.

석탄 저수지에서 생산이 발생함에 따라, 압력 변화는 석탄의 다공성과 투과성에 변화를 일으키는 것으로 여겨진다. 이는 일반적으로 매트릭스 수축/팽창이라고 알려져 있다. 가스가 탈착됨에 따라, 기공 내의 가스에 의해 가해지는 압력이 감소하여 기공의 크기가 줄어들고 석탄을 통한 가스 흐름을 제한한다. 기공이 수축됨에 따라, 전체 매트릭스도 수축되어 결국 가스가 이동할 수 있는 공간(클리트)을 증가시켜 가스 흐름을 증가시킬 수 있다.

특정 탄층이 탄층 메테인(CBM) 자원으로서의 잠재력은 다음 기준에 따라 달라진다.

클리트 밀도/강도: 클리트는 석탄 시트 내에 국한된 균열이다. 이는 석탄층에 투과성을 부여한다. 탄층 메테인의 수익성 있는 활용을 위해서는 높은 클리트 밀도가 필요하다.
마세랄 조성: 마세랄은 해당 퇴적암의 미세하고 균질한 암석학적 실체이다. 높은 비트리나이트 조성은 탄층 메테인 추출에 이상적인 반면, 불활성분은 이를 방해한다.

석탄의 랭크 또한 탄층 메테인 함량과 관련이 있다. 비트리나이트 반사율이 0.8–1.5%인 경우 탄층의 생산성이 더 높다는 것을 의미하는 것으로 밝혀졌다.

가스 조성을 고려해야 한다. 천연 가스 기기는 입방 피트당 약 1,000 BTU (거의 순수한 메탄의 발열량)를 가진 가스를 위해 설계되었기 때문이다. 가스에 질소 또는 이산화 탄소와 같은 비가연성 가스가 몇 퍼센트 이상 포함되어 있으면, 이를 제거하거나 더 높은 BTU 가스를 혼합하여 ''파이프라인 품질''을 달성해야 한다. 탄층 가스의 메탄 조성이 92% 미만이면 상업적으로 판매할 수 없을 수 있다.

4. 3. 랭뮤어 등온선

메탄 탈착 과정은 랭뮤어 등온선이라고 하는 곡선(가스 함량 대 저수지 압력)을 따른다. 등온선은 최대 가스 함량(무한 압력에서)과 그 가스의 절반이 석탄 내에 존재하는 압력으로 분석적으로 설명할 수 있다. 이 매개변수(각각 랭뮤어 부피 및 랭뮤어 압력이라고 함)는 석탄의 특성이며, 매우 다양하다. 앨라배마의 석탄과 콜로라도의 석탄은 다른 유사한 석탄 특성에도 불구하고 극적으로 다른 랭뮤어 매개변수를 가질 수 있다.

4. 4. 매트릭스 수축/팽창

석탄 저수지에서 생산이 이루어지면서 압력 변화가 발생하여 석탄의 다공성과 투과성에 변화가 생기는 것으로 알려져 있다. 이를 일반적으로 매트릭스 수축/팽창이라고 한다. 가스가 탈착되면 기공 내 가스 압력이 감소하여 기공 크기가 줄어들고, 이는 석탄을 통한 가스 흐름을 제한한다. 기공이 수축하면서 전체 매트릭스도 수축하게 되는데, 이는 결국 가스가 이동할 수 있는 공간(클리트)을 넓혀 가스 흐름을 증가시킬 수 있다.

5. 환경적 영향

탄층 메테인을 포함한 모든 탄소 기반 화석 연료를 연소하면 이산화탄소(CO₂)가 대기 중으로 방출된다. 탄층 메테인 생산 과정에서도 메테인이 대기 중으로 누출될 수 있다. 메테인은 이산화탄소보다 훨씬 강력한 온실가스로, 20년 동안 질량 단위당 CO₂보다 72배, 100년 동안 25배, 500년 동안 7.5배의 지구 온난화 효과를 가진다.^[13] 에너지원의 전 과정 온실 가스 배출량 분석에 따르면, 탄층 메테인으로 전기를 생산하는 것은 석탄보다 온실 가스 효과가 절반 미만이다.^[14]

호주에서는 탄층 메테인 추출로 인해 장기적으로 부정적인 환경 영향이 나타났다는 연구 결과가 있다.^[15]^[16]^[17]^[18]^[19] 미국에서는 채굴 중 석탄에서 누출되는 메테인이 전체 메테인 배출량의 7%를 차지한다.^[20]

생산수는 가스 추출 과정에서 발생하는 부산물로, 염분, 화학 물질, 중금속, 방사성 핵종 등을 포함할 수 있어 처리가 필요하다.^[22] 일부 지역에서는 역삼투압 등을 통해 생산수를 처리하여 다양한 용도로 활용하기도 한다. 2012년 이스턴 스타 가스(Eastern Star Gas)는 오염된 물을 방류한 혐의로 벌금을 부과받았으며,^[23] 뉴사우스웨일스 주의회는 생산수의 개방형 저장을 금지할 것을 권고했다.^[25]^[26]

와이오밍주 파우더강 유역과 같이 일부 지역의 탄층 메테인 생산수는 연방 식수 기준을 충족하여 가축 급수 등에 사용되기도 하지만, 높은 나트륨 흡착비로 인해 관개용으로는 제한적이다.^[27] 대수층 연결성에 따라 물을 끌어올리면 넓은 지역의 지하수 수위가 낮아지고 흐름에 영향을 줄 수 있다.^[28] 호주에서는 탄층 메테인 산업으로 인해 연간 126000ML~280000ML의 지하수가 추출되며, 국가 수자원 위원회는 연간 300000ML 이상이 추출되는 것으로 추정한다.^[22]

5. 1. 메탄 누출

탄층 메테인과 마찬가지로 모든 탄소 기반 화석 연료를 연소하면 대기 중으로 이산화탄소(CO₂)가 방출된다. 온실 가스로서의 영향은 화학자이자 물리학자인 스반테 아레니우스에 의해 처음 분석되었다. 탄층 메테인 생산은 또한 대기 중으로 메테인 누출을 수반한다. 메테인은 20년 동안 질량 단위당 CO₂보다 72배, 100년 동안 25배, 500년 동안 7.5배의 지구 온난화 효과가 있는 것으로 평가된다.^[13] 에너지원의 전 과정 온실 가스 배출량 분석에 따르면, 탄층 메테인으로 전기를 생산하는 것은 기존의 천연 가스와 마찬가지로 석탄보다 온실 가스 효과가 절반 미만이다.^[14]

여러 호주 연구에서 지역적으로나 전 세계적으로 석탄층 가스 추출의 장기적인 부정적인 환경 영향이 나타났다.^[15]^[16]^[17]^[18]^[19]

미국에서 채굴 중 석탄에서 누출되는 메테인은 전체 메테인 배출량의 7%를 차지한다.^[20] 채굴 전에 석탄 광산 메테인을 회수하는 것은 메탄 배출량을 줄일 수 있는 주요 기회로 여겨진다. CNX Resources와 같은 회사는 활성 및 폐쇄 광산의 온실 가스 배출량을 줄이기 위한 메탄 감소 프로그램을 운영하고 있다.^[21]

5. 2. 생산수 처리

생산수는 가스 추출의 부산물로 표면으로 배출되는데, 지역에 따라 품질이 크게 다르다. 염, 자연 발생 화학 물질, 중금속 및 방사성 핵종과 같은 용존 물질이 바람직하지 않은 농도로 함유될 수 있다.^[22] 많은 생산 지역에서는 역삼투압 공장 등을 통해 물을 처리하여 관개, 가축 급수, 도시 및 산업 용도 또는 먼지 억제를 위해 유용하게 사용한다.

2012년 이스턴 스타 가스(Eastern Star Gas)는 필리가 스크럽(Pilliga Scrub)의 보헤나 크릭(Bohena Creek)으로 "높은 수준의 염분을 함유한 오염된 물을 방류한" 혐의로 벌금을 부과받았다.^[23] "16건의 오염수 유출 또는 누출"이 있었으며, 여기에는 "삼림 지대와 개울로의 심각한 염수 유출"도 포함되었다.^[24] 같은 해, 뉴사우스웨일스 주의회^[25] 조사에서는 개방형 저장 연못의 사용을 비판하며 "뉴사우스웨일스 주 정부가 생산수의 개방형 저장을 금지"할 것을 권고했다.^[25]^[26]

석탄층 메탄에서 생산되는 모든 물이 염분이 있거나 바람직하지 않은 것은 아니다. 미국 와이오밍주 파우더강 유역의 석탄층 메탄 우물에서 나오는 물은 일반적으로 연방 식수 기준을 충족하며, 이 지역에서 가축에게 물을 주는 데 널리 사용된다.^[27] 관개용으로 사용되는 것은 비교적 높은 나트륨 흡착비로 인해 제한적이다.

5. 3. 지하수 영향

대수층의 연결성에 따라, 물을 끌어올리면 넓은 지역의 대수층이 낮아지고 지하수 흐름에 영향을 미칠 수 있다.^[28] 호주에서 탄층 메탄 산업은 연간 126000e6L에서 280000e6L의 지하수 추출을 추정하고 있으며, 국가 수자원 위원회는 연간 300000e6L 이상의 추출을 추정하고 있다.^[22]

6. 탄층 메탄 생산 지역

천연 가스 가격 상승으로 콜 베드 메탄(CBM) 생산 계획이 활발해지고 있다. 미국의 CBM 매장량은 700조 입방 피트, 캐나다는 90조 입방 피트로 추정된다. 중국은 세계 최대 석탄 생산국으로, 쉘 등 외국 자본과 공동으로 채취할 계획이다.^[41]

일본의 경우 구시로 탄전, 이시카리 탄전^[44]^[45], 조반 탄전, 지쿠호 탄전에 대량으로 존재한다고 추정된다. 이시카리 탄전에는 실험용 플랜트가 있으며, 구시로 탄전은 도시 가스 회사인 구시로 가스가 최근까지 콜 베드 메탄을 활용했다.

6. 1. 주요 생산국

호주의 탄층 메탄(CSG) 상업적 회수는 1996년에 시작되었다. 2014년 현재 퀸즐랜드와 뉴사우스웨일스의 탄층 메탄은 호주 가스 생산량의 약 10%를 차지했다. 2014년 1월 기준 증명된 매장량은 33조 세제곱 피트(35905PJ)로 추정되었다.^[30] 주요 탄층 메탄 자원은 퀸즐랜드와 뉴사우스웨일스의 주요 석탄 매장지에 있으며, 보웬 분지, 수라트 분지, 시드니 분지 등이 있다. 사우스오스트레일리아에도 추가적인 잠재 자원이 있다.

캐나다에서는 브리티시 컬럼비아에 약 90e12cuft의 탄층 메테인이 매장되어 있는 것으로 추정된다. 앨버타는 2013년 상업용 탄층 메테인 유정을 보유한 유일한 주로, 약 170e12cuft의 경제적으로 회수 가능한 탄층 메테인이 매장되어 있는 것으로 추정되며, 전체 매장량은 최대 500e12cuft에 달한다.^[31]^[32] 탄층 메테인은 비재생 에너지로 간주되지만, 앨버타 연구 위원회와 앨버타 지질 조사국 등은 메탄을 생성하는 박테리아 활동이 계속 진행되고 있기 때문에 재생 에너지라고 주장하기도 한다.

영국의 탄광에 매장된 가스는 2조 9,000억 입방 미터로 추정되지만, 경제적으로 회수 가능한 양은 1%에 불과할 수 있다. 일부 메탄은 탄광 환기 작업을 통해 추출되어 전력 생산에 사용된다. 2008년, 민간 산업의 채굴과는 별개로 탄층 메탄 우물에 대한 평가가 시작되었으며, IGas Energy는 광산 환기와 별도로 탄층 메탄을 상업적으로 추출한 영국 최초의 기업이 되었다. 2012년 기준으로, 전력 생산을 위해 가스를 추출하는 Igas의 Doe Green 탄층 메탄 우물이 영국에서 유일한 상업용 CBM 우물이었다.^[35] 영국의 전력 생산에 사용되는 CBM(GWh)은 1996년 40GWh에서 최고 2008년 611GWh까지 증가하였으나 2020년에는 185GWh로 감소하였다.

2017년 미국의 탄층 메테인 생산량은 1.76Tcf로, 해당 연도 전체 미국 건조 가스 생산량의 3.6%를 차지했다. 이는 2008년 1.97Tcf의 최고 생산량에서 감소한 수치이다.^[37] 대부분의 CBM 생산량은 콜로라도, 와이오밍, 뉴멕시코 등 로키 산맥 주에서 나왔다.

카자흐스탄은 향후 수십 년 동안 대규모 탄층 메탄(CBM) 부문의 발전을 보일 것으로 예상된다.^[38] 예비 연구에 따르면 카자흐스탄의 주요 탄전에는 최대 9,000억 m3의 가스가 매장되어 있으며, 이는 카자흐스탄 전체 매장량의 85%에 해당한다.

인도에서는 그레이트 이스턴 에너지(GEECL)가 개발 계획이 승인된 최초의 회사였다. GEECL이 23개의 수직 생산 우물 굴착을 완료함에 따라, 인도에서 2007년 7월 14일에 탄층 메탄이 상업적으로 이용 가능하게 되었으며, 압축 천연 가스(CNG) 가격은 킬로그램당 30루피였다. 초기에 CBM의 90%는 차량 연료로 CNG 가스로 배분될 예정이었다. GEECL은 동남아시아 최초의 CBM 스테이션을 건설했으며, 웨스트 벵골 주 아산솔 시에도 건설하고 있다. 에사르 그룹(Essar Group)의 에사르 오일 앤 가스 탐사 및 생산 유한회사의 CBM 포트폴리오는 5개의 블록을 포함하며, 현재 이 중 하나인 라니간지 이스트만 운영 중이다.

천연 가스 가격이 상승함에 따라, 콜 베드 메탄(CBM) 생산 계획이 활발해지고 있다. 미국에서의 CBM 매장량은 700Tcf, 캐나다에서는 90Tcf로 추정된다. 중국은 세계 최대의 석탄 생산국이며, 쉘과 같은 외국 자본과 공동으로 채취할 계획이 있다.^[41]

6. 2. 한국의 잠재 지역

한국에는 탄층 메테인이 대량으로 존재할 것으로 예상되는 지역은 없다. 일본의 경우 구시로 탄전, 이시카리 탄전^[44]^[45], 조반 탄전, 지쿠호 탄전에 대량으로 존재할 것으로 예상된다. 이시카리 탄전에는 실험용 플랜트가 있으며, 구시로 탄전은 도시 가스 회사인 구시로 가스가 최근까지 콜 베드 메탄을 활용하고 있었다.

7. 더불어민주당의 정책 방향 (별도 소주제)

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참조

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