하지만 바다는 미래의 광산이다. 바다에서 석유나 천연가스 같은 화석연료를 채굴하는 것은 물론 망간·니켈·코발트·구리 등의 각종 광물도 캐낼 수 있기 때문이다. 또한 얼음 덩어리 형태의 천연가스인 가스 하이드레이트를 채굴해 고갈되고 있는 화석연료 문제를 해결할 수 있다. 심지어 바닷물을 걸러내 리튬과 우라늄 같은 고가의 광물을 채취하는 것도 가능하다.
최초의 해상유전이 등장한 것은 지난 1950년대 후반이다. 하지만 육상이 아닌 바다에서 본격적으로 석유나 천연가스를 캐내기 시작한 것은 그리 오래되지 않았다. 육상에서 자원을 캐내는 것보다 바다에서 캐내는 것이 훨씬 어렵고 비용도 많이 들기 때문이다.
사실 해상에서 석유나 천연가스를 채굴할 수 있었던 것도 기술적인 발전과 함께 화석연료의 가격이 엄청나게 올랐기 때문이다. 육상에서의 각종 자원 고갈은 이미 예정된 것이고, 이로 인해 가격이 상승하면 할수록 바다에서의 자원개발이 필요해진다. 이 때문에 영토 개념의 영해가 크지 않더라도 바다에서 자원을 캐내는 기술을 보유한 국가가 미래의 자원전쟁에서 승리할 수밖에 없다.
최근 국내에서도 바다에서 각종 자원을 얻기 위한 연구가 활발해지고 있다. 한국지질자원연구원은 바닷물에서 리튬을 회수하는 기술개발에 성공했으며, 한국해양연구원은 해저에서 망간단괴를 채굴하는 심해저 광물자원 집광 및 양광장비의 실증실험을 실시했다.
또한 울릉도와 독도 남단의 울릉분지에 최소 6억 톤 이상 매장된 것으로 추정되는 가스 하이드레이트의 채굴을 위한 준비작업도 착착 진행되고 있다.
바닷물 걸러 리튬과 우라늄 채취
일반적으로 바닷물은 96.5%가 순수한 물이고, 나머지 3.5%에 각종 광물질이 녹아 있다. 이 광물질 속에는 나트륨을 비롯해 마그네슘, 리튬, 스트론튬, 우라늄, 브롬 등의 원소가 존재한다.
현재 바닷물을 이용해 채굴되는 자원으로는 염전에서 만들어지는 나트륨, 즉 소금이 대표적이다. 일부에서는 바닷물을 이용해 마그네슘을 추출하고 있기도 하지만 경제성으로 인해 규모는 보잘 것 없는 상태다.
지질자원연구원 산하 광물자원연구본부의 정강섭 박사팀은 최근 바닷물로부터 리튬을 채취하는 기술개발에 성공했다. 이 기술은 바닷물에 미량으로 존재하는 리튬을 흡착제를 이용, 걸러내는 것이다. 기술력만 있으면 무한정으로 자원을 생산할 수 있음을 보여주는 대표적 사례다.
리튬은 은백색의 광택을 가진 가장 가벼운 금속으로 매장량이 전 세계적으로 1,100 만 톤에 불과하다. 그것도 볼리비아, 칠레, 브라질 등 주로 남미지역에 몰려있다.
연간 25만 톤이 생산되는 리튬은 핸드폰, 노트북, 디지털카메라, 캠코더 등 각종 전자제품용 배터리에 사용되는 리튬 2차전지에 필수적인 자원이다. 하지만 현재 같은 수준으로 리튬을 채굴할 경우 2025년이면 고갈되고 만다.
더욱이 각종 전자제품의 사용 증가와 함께 전기자동차까지 본격 도입되면 리튬 2차 전지의 수요는 급상승하게 된다. 우리나라 역시 지난해 리튬을 비롯해 리튬이 포함된 2차전지 등 11만 톤을 수입했다.
현재 바닷물 속에는 1ℓ 당 0.17㎎의 리튬이 존재한다. 이를 지구의 모든 바닷물로 환산하면 2,300억 톤이나 된다. 특히 바닷물이 존재하는 한 이 같은 부존량은 언제든지 유지되기 때문에 사실상 무한에 가깝다고 할 수 있다.
정 박사팀이 개발한 리튬 채취 기술은 흡착제를 이용하는 것으로 이 흡착제는 리튬과 잘 결합하는 성질을 가지고 있다. 즉 흡착제가 바닷물 속에 녹아 있는 리튬과 결합하면 이로부터 리튬을 분리해 내는 것이다.
흡착제는 망간산화물 계열의 이온-체(Ion-Sieve)로 만들어진다. 이온-체란 이온을 분말을 걸러내는 체처럼 배열함으로써 리튬보다 작은 물질은 통과시키고 보다 큰 물질은 결합되지 않는 형태를 말한다. 따라서 이온-체에는 크기가 꼭 맞는 리튬만 결합하게 되며, 이를 이용하면 흡착제 1g당 45㎎의 리튬을 채취할 수 있다.
하지만 분말 형태인 이 흡착제의 크기는 101㎛(1㎛=100만분의 1m)에 불과해 그대로 사용하는 것이 불가능하다. 우리나라보다 먼저 리튬 채취 기술을 개발해온 일본의 경우 분말 형태의 흡착제를 폴리염화비닐(PVC)과 결합해 구슬형태로 만드는 기술을 연구해 왔다.
이처럼 PVC와의 결합을 통해 흡착제를 고정화시키기는 했지만 분말 상태의 흡착제가 가졌던 흡착성능은 30% 정도 감소했으며, 30~40회 정도 사용하고 나면 흡착성능 저하로 폐기시켜야 한다는 단점이 있다.
이에 반해 정 박사팀은 흡착제의 성능유지를 위해 분말 상태의 흡착제를 그대로 사용하는 대신 각종 차(茶)에 사용되는 티백 형태로 고정시키는 기술을 개발했다. 분리 막형 레저버시스템으로 불리는 이 기술은 바닷물을 잘 통과시키는 티백 형태의 구조물 속에 흡착제 분말을 가두고, 이 상태에서 리튬을 흡착시키게 된다.
구체적인 리튬 채취 메커니즘은 이렇다. 우선 리튬과 결합된 흡착제를 분리막형 레저버시스템에서 분리한 뒤 묽은 염산 계열의 용액에 담가 리튬을 채취한다. 그 다음 정제 및 농축 과정을 거치면 순도 높은 리튬을 얻게 된다.
정 박사는 “일본 기술과 비교할 때 흡착제가 가진 본래의 리튬 채취 성능을 최대한 이용할 수 있으며, 특히 반영구적으로 사용할 수 있다는 게 최대 장점”이라고 말했다. 일반적으로 바닷물로부터 광물을 채취하려는 연구는 2차 세계대전 때부터 시작된 것으로 알려져 있다. 바닷물에서 금을 얻으려고 했던 독일이 시초라는 것.
물론 바닷물 속에 각종 광물이 포함돼 있고, 이를 채취하려는 실험 차원의 연구는 이전에도 있어왔다. 하지만 생산을 위한 연구를 진행한 것은 독일이 처음이다. 하지만 바닷물로부터 금을 얻으려고 했던 독일의 시도는 실패로 끝났다. 바닷물속의 금 성분은 너무나도 미량이었고, 당시의 기술로는 이를 채취하는 것도 어려웠기 때문이다.
바닷물로부터 광물을 채취하는 기술 개발에 가장 열성적인 국가는 일본이다. 일본은 약 30년 전부터 이 같은 기술 개발에 막대한 자금을 투자해 왔으며, 리튬과 우라늄을 채취하는 연구시설까지 갖춰 놓은 상태다.
현재 일본은 리튬의 경우 연간 1,200톤, 우라늄의 경우는 연간 1,300톤을 생산할 수 있는 해양 플랜트를 가동 중이다. 물론 실제 생산량이 아니라 플랜트의 생산 규모가 이 정도 수준이라는 얘기다.
현재 리튬은 육상 채굴보다 3.3배, 우라 늄은 3배 이상 높은 비용이 들어가는 것으로 알려져 있다. 이 같은 생산단가를 감안할 때 경제성이 떨어지는 시설에 일본이 투자를 지속하고 있는 이유는 명확하다. 리튬과 우라늄 모두 고가의 광물인 동시에 현재 수준으로 채굴이 이루어진다면 수십 년 내에 고갈될 것이 명확하기 때문이다.
정 박사팀은 민간업체의 참여를 통해 오는 2014년까지 연간 10톤 규모의 리튬 채취 플랜트를 건설한다는 계획이다. 특히 원자력발전소 및 화력발전소에서 발생되는 온배수를 활용하면 당장 2만 톤의 리튬을 생산하는 것도 가능할 것으로 보고 있다. 발전소에서 배출되는 온배수를 이용하는 것은 흡착제가 18~20℃의 온도에서 최적의 성능을 발휘하기 때문이다.
정 박사팀은 리튬 채취 비용을 보다 낮추는 추가연구를 진행하는 한편 2011년부터는 바닷물에서 우라늄과 마그네슘도 채취할 수 있는 기술 개발에 나설 계획이다. 다만 우라늄의 경우 바닷물 속에 녹아있는 양이 리튬보다 적은 0.003㎎ 수준이다. 그만큼 경제성이 취약하다는 얘기다.
심해저 광물자원 집광 및 양광장비
망간단괴는 수심 5,000m 내외의 깊은 바다에 부존하는 망간 중심의 금속 덩어리다. 크기는 다양하다. 수mm 정도의 작은 알갱이 수준에서 지름 20cm에 이르는 것도 있으며, 평균적으로는 지름 3~10cm 정도의 감자 크기 덩어리다.
망간단괴는 바다로 유입된 여러 물질 가운데 무거운 금속이 침전돼 암석화되거나 해저 화산활동 및 열수분출공을 통해 유입되는 금속 성분이 결합돼 덩어리 형태로 존재하게 된다. 망간단괴의 성분은 30%가 망간이며 철(6%), 실리콘(5%), 알루미늄(3%), 니켈(1.5%), 구리(1.4%), 코발트(0.25%) 등이 포함돼 있다.
생성지역이나 환경에 따라 포함하고 있는 성분과 구성 비율이 달라지며, 소량의 나트륨· 칼륨·티타늄·바륨도 포함돼 있다. 특히 망간을 포함해 각종 금속은 대부분 육상 부존량이 적은 반면 수요는 증가하고 있어 경제적 가치가 크다.
망간단괴의 활용도가 이처럼 높다는 것은 이미 알려진 사실이지만 수심 5,000m 내외의 심해저 바닥에 있는 망간단괴를 해상으로 끌어올리는 것은 매우 어려운 일이다. 실제 전 세계적으로 깊은 바다와 호수에서 망간단괴가 발견되지만 구성 성분 측면에서 가치가 높은 것은 대부분 태평양과 인도양의 적도 부근 깊은 바다에 존재하고 있다.
특히 망간단괴로부터 각종 금속을 추출할 때는 현재 육상에서 얻을 수 있는 것보다 생산단가가 낮아야 경제성을 확보할 수 있다. 이는 심해저의 망간단괴를 끌어올리는 기술과 값싸게 금속을 추출할 수 있는 기술 개발의 중요성을 의미한다.
우리나라에는 깊은 바다가 없어 망간단괴를 찾아보기 어렵다. 하지만 우리나라는 태평양의 클라리온-클리퍼톤 지역에 대한 심해저 탐사를 통해 독점개발 광구를 확보했다. 지난 2002년 국제해저기구(ISA)로부터 이 지역의 7만5,000㎢ 면적에 대한 독점 개발 권한을 얻어낸 것.
하와이 섬 동남쪽 2,500km 거리에 위치한 독점개발 광구의 크기는 남한의 75%에 달하는데, 약 3억 톤의 망간단괴가 부존돼 있는 것으로 추정된다. 이는 연간 300만 톤씩 채집할 경우 50년간 생산할 수 있는 양이다. 특히 망간과 코발트는 국내 수요를 모두 충족시킬 수 있으며 니켈은 17%, 구리는 1% 정도의 수요 충족이 가능하다. 이를 금액으로 환산하면 무려 1조원에 달한다.
해양연구원이 최근 심해저 광물자원 집광 및 양광장비를 개발해 실증실험에 나선 것도 태평양 클라리온-클리퍼톤 해역에 부존돼 있는 망간단괴를 채집하기 위해서다.
집광 및 양광장비는 무한궤도 차량 형태의 집광장비와 집광장비에 모아진 망간단괴를 선박으로 끌어올리는 양광장비로 구성돼 있다. 집광장비는 해저를 따라 움직이며 망간단괴를 끌어 모으는 기능을 한다.
해양연구원은 최근 집광 및 양광장비의 실증시험을 실시했다. 이번 실증시험은 동해 후포항 앞바다의 약 100m 수심에서 이루어졌는데, 사전에 뿌려진 45톤 분량의 인공 망간단괴를 채집해 끌어올리는 방식이었다.
해양연구원 산하 해양시스템연구 본부의 홍섭 박사는 “상용 장비 개발에 앞서 현재의 기술이 적합한지 여부를 확인하는 실증시험이었지만 스스로 주행하는 장비를 이용했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 말했다.
미국, 일본, 독일, 영국은 지난 1970년대 말 컨소시엄을 이뤄 망간단괴를 채집하는 시험을 실시했다. 당시에는 모두 예인방식의 채집 장비를 사용했는데, 이는 단순 채집기능만 갖춘 채집 장비를 해저로 내려 보낸 뒤 선박이 앞으로 끌고 가는 형태다.
하지만 수심 5,000m 깊이의 심해저에서 바닥을 긁으며 움직이는 예인방식은 적합하지 않았다. 특히 양광장비를 채택하지 않아 채집 장비에 부착된 그물망 형태의 공간에 망간단괴를 모은 뒤 채집 장비와 함께 끌어올리는 수준에 머물렀다. 이 같은 점을 감안하면 해양연구원은 선진국보다 다소 늦게 출발했지만 최신 기술을 도입한 집광 및 양광기술을 실증한 셈이다.
국산 채집 장비의 작동 메커니즘
이번 실증시험에 사용된 시험 집광장비는 길이 5m, 폭 4m, 높이 3m다. 시험 집광장비 자체의 무게는 9톤이지만 선박의 크레인과 연결되는 도킹 스테이션과 추가로 부착된 장비 등을 포함하면 실증시험에 사용된 무게는 약 10톤 규모다.
수중 유압시스템으로 작동되는 이 집광 장비는 선박으로부터 전달되는 150kw의 전기로 작동되며, 선박에 있는 운용시스템과는 광통신을 이용해 통신·제어정보·영상 정보 등을 주고받는다.
망간단괴의 채집은 다음과 같은 수순으로 이루어진다. 우선 집광장비 앞부분에 부착된 폭 1.3m의 채집기 양 측면에서 물의 제트분사를 통해 바닥 침전물 속에 반 정도 파묻힌 망간단괴를 떠오르게 한다. 그 다음 떠오른 망간단괴를 채집기 앞부분에 있는 컨베이어 벨트 형태의 기계장치를 통해 모은 다음 유연 관(管)을 통해 양광장비로 전달한다.
홍 박사는 “바닥에 있는 망간단괴를 끌어올리는 가장 손쉬운 방법은 진공청소기처럼 빨아올리는 유체식”이라면서 “하지만 이 같은 방식은 에너지 소모가 엄청나고 망간단괴 이외의 다른 물질도 함께 끌어올려야 하는 단점이 있다”고 말한다. 반면 기계식의 경우 에너지 소모는 적지만 채집 효율성이 떨어진다는 단점이 있다.
이 때문에 홍 박사팀은 유체식과 기계식이 결합된 하이브리드 방식의 기술을 개발했다. 이는 물 제트분사라는 유체식을 통해 망간단괴를 해저에서 분리해 내고, 컨베이어벨트 형태의 기계장치를 통해 망간단괴를 모아들이는 형태다.
홍 박사는 “침전물이 가득한 해저는 마치 죽과 같은 상태이어서 움직이기도 힘들다”면서 “특히 드문드문 박혀 있는 망간단괴를 모으는 것은 더욱 어려운 일”이라고 말했다.
지난 2001년부터 시작된 심해저 광물자원 집광 및 양광장비 연구는 이번 실증시험을 통해 일정부분 마무리되고 내년부터는 후속 연구를 위한 준비 작업에 들어가게 된다. 현재 정부차원에서 확정되지 않았지만 연구계획상으로는 2011년부터 약 30톤 무게에 2~3개의 채집기를 장착한 파일럿 집광 및 양광장비를 제작할 계획이다.
이 장비의 개발이 끝나는 2012년에는 울릉도 남단에 있는 울릉분지 약 1,000m 수심 해역에서 집광장비를 중심으로 한 예비 파일럿 테스트가 진행된다. 또한 2015년에는 양광장비까지 포함한 상태로 수심 2,000m 해역에서 파일럿 테스트가 진행된다.
홍 박사는 “일반적으로 심해저 기술은 수심 2,000m가 기준점”이라면서 “이 수심에서 작동되는 기술은 추가 연구만으로도 수심 5,000m에서 활용할 수 있다는 게 해양시스템을 연구하는 학자들의 공통된 견해”라고 강조했다.
홍 박사는 태평양 클라리온-클리퍼톤 광구에서 연간 300만 톤 규모의 망간단괴를 생산할 상용 집광장비의 경우 시험 집광 장비에 비해 폭은 2배 정도인 10m, 무게는 70~80톤에 달할 것으로 보고 있다. 또한 시험 집광장비의 경우 무게 부담으로 채집기의 폭이 1.3m에 불과하지만 상용 집광장비에서는 1.5m로 넓어지게 되며, 채집기 역시 5~6개로 늘어난다.
양광장비는 초속 3~5m의 속도로 채집된 망간단괴를 끌어올리기 위해 수심 1,000m 지점과 2,000m 지점에 6단 원심펌프 2기를 장착하게 된다. 또한 수심 5,000m 내외의 깊이에 있는 양광장비 하부에는 망간단괴 200~300톤을 저장하는 버퍼가 설치된다.
얼음 덩어리 형태의 천연가스
자원 빈국인 우리나라에서 유일하게 풍부한 매장량을 가진 것으로 추정되는 자원은 가스 하이드레이트다.
가스 하이드레이트는 해저 또는 동토지역 지하의 저온·고압환경에서 천연가스가 물 분자와 결합해 형성된 얼음 덩어리 형태로 1cc의 가스 하이드레이트는 고도로 압축된 172cc의 메탄가스 및 0.8cc의 물로 분리 된다. 이처럼 고밀도 상태의 천연가스를 얻을 수 있고 전 세계적으로 고른 부존량을 갖고 있어 미래의 자원으로 평가받고 있다.
하지만 해저에서 채굴할 때 해저면의 대규모 붕괴현상 또는 메탄가스 유출 등의 환경문제가 발생할 수 있어 생산기술 확보에 어려움을 겪고 있다. 이 때문에 지식경제부 산하 가스 하이드레이트 사업단(단장 이성록)은 이달 중 미국 알래스카의 노스슬로프 지역에서 추진되는 육상 가스 하이드레이트 생산시험 프로젝트에 참여, 생산기술 확보에 나설 계획이다.
사업단은 알래스카에서 추진되는 육상 시험생산 프로젝트에 참여함으로써 생산기술 확보가 가능할 것으로 보고 있으며, 앞으로 미국이 멕시코 만(灣)에서 진행할 해상 가스 하이드레이트 시험생산 프로젝트에도 참여할 수 있는 연결고리를 확보할 수 있을 것으로 보고 있다.
또한 부존 가능성은 크지만 지난 2007년 1차 시추작업에 포함시키지 못했던 울릉 분지 10개 지역에 대한 2차 시추도 내년 4월부터 재개할 계획이다. 이번 2차 시추는 2012년 시험 생산정 가동을 위한 최적지역 선정을 목표로 하고 있다. 또한 2015년을 전후해서는 소규모라도 준상용 생산에 나선다는 계획이다.
울릉분지는 울릉도와 독도 남단의 해저 분지로 가로 세로 약 150km 내외에 면적은 12만㎢에 달한다. 이곳에는 최소 6억 톤 이상의 가스 하이드레이트가 부존돼 있을 것으로 추정되고 있다.
6억 톤의 가스 하이드레이트를 천연가스로 환산하면 현재 국내 천연가스 사용량의 30년 분에 해당된다. 이성록 단장은 “오는 10월께 2차 시추를 위한 위치 선정 작업을 진행할 예정”이라면서 “미국 알래스카 프로젝트 참여를 통해 기초적인 생산기술 확보가 가능할 전망”이라고 밝혔다.
지질자원연구원은 가스 하이드레이트 사업단과 함께 시추 가능지역 선정 작업을 진행하는 한편 채굴을 위한 감압법 기술도 개발 중이다. 감압법은 고압 상태의 가스 하이드레이트가 대기압에 가깝게 압력이 낮아지면 얼음 상태에서 메탄가스가 분리되는 특성을 이용한 것으로 현재 가장 유망한 생산기술로 평가받고 있다.
감압법 이외의 기술에는 열수법이 있는데, 이는 뜨거운 물을 가스 하이드레이트와 접촉시켜 가스를 분리해 내는 방식이다. 하지만 이는 경제성이 낮은 것으로 평가돼 대부분의 선진국들 역시 감압법을 중심으로 연구개발이 이뤄지고 있다.
대덕=강재윤기자 hama9806@sed.co.kr
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