더 스마트한 석유·가스 생산

이산화탄소 과잉 해결


  • 이산화탄소는 자연 생명에 필수
  • 현대 산업화로 인해 과도한 이산화탄소 배출
  • 첨단 기술로 이산화탄소 제거 및 격리 가능

재닛 E. 핀헤로 |

이산화탄소는 대기, 토양, 동식물, 사람 사이를 소리 없이 움직인다. 이산화탄소가 없다면 지구상의 자연 생명체는 생존할 수 없다.

탄소 원자 하나에 산소 원자 두 개가 결합한 이산화탄소는 섬세한 가벼움을 통해 지구의 생명유지 기능을 수행한다. 예를 들어, 이산화탄소가 없으면 식물이 식량을 생산할 수 없다.

전 세계적으로 산업화가 진행되면서 대기 중으로 배출되는 온실가스 (예: 메탄, 아산화질소, 수증기)가 증가했다. 우리의 생명을 지속시켜주는 친구인 이산화탄소가 기후 변화를 초래하는 적이 되어버린 것이다.


이산화탄소 포집

오늘날 대기 중에는 과도한 양의 이산화탄소가 존재한다. 탄소포집·활용·저장 (CCUS)은 세계의 이산화탄소 과잉 배출을 관리하는 주요한 방법 중 하나로 널리 간주된다.

배출 저감 기술은 이산화탄소의 대기 중 배출을 방지하며, 에너지 시스템 전반에 적용 가능하다.

탄소 포집은 천연가스의 품질 개선에 사용되며, 이제 첨단 기술을 통해 이산화탄소를 제거 및 격리할 수 있다.

CCUS는 우선 이산화탄소를 배출원 또는 대기에서 직접 포집한다. 그 후 기술을 통해 포집한 이산화탄소를 기체의 1/500 크기로 압축한다.

압축된 이산화탄소는 수송되어 지하에 저장되거나 유용한 용도로 재활용될 수 있다.

탄소를 배출원으로 되돌리다

거미줄처럼 연결된 강관과 탱크들이 사우디아라비아 중부의 사막에 우뚝 솟아 있다. 이 금속 설비에서 이산화탄소 포집 및 석유회수증진 프로젝트가 조용히 진행되고 있다.

아람코의 하위야 NGL 회수 플랜트는 천연가스에서 이산화탄소를 분리하여 압축한 후, 파이프라인을 통해 85km 떨어진 우스마니아 플랜트의 맞춤형 재주입 설비로 수송한다. 그 후 이산화탄소는 다시 가와르 유전·가스전으로 보내진다.
하위야 NGL 플랜트의 직원 오마르 N. 알모드림 (Omar N. Almodrhim)은 근무 중 4시간마다 이산화탄소 설비의 압력을 확인하고 기능을 테스트한다. 이 설비는 2015년부터 이산화탄소를 지하로 재주입하고 있다.

하위야 NGL 회수 플랜트에서 포집된 이산화탄소는 세계 최대의 전통적 육상 유전인 가와르 유전에 재주입된다.

표준 온도와 압력에서 이산화탄소는 아주 가벼운 무색의 기체이다. 이러한 이산화탄소를 압축하면 초임계 상태로 전환된다.


7단계 압축 과정

하위야 NGL플랜트는 인근 하라드 가스 플랜트에서 가스를 공급받는다. 가스에서 이산화탄소가 분리되면, 내접기어 (internally-geared) 압축기가 7단계를 거쳐 이산화탄소를 압축한다.

우스마니아에서 고압 이산화탄소는 엄격히 제어되는 일렬의 4개의 주입정, 4개의 생산정 및 2개의 관측정으로 수송된다. 생산정 4개는 유량측정장치 및 원격 제어 초크밸브와 실시간으로 연결되어 있으며, 외부 작업자인 모하메드 M. 알라쉬디 (Mohammed M. Alrashdi)는 이들 용기 중 하나의 액위 수준 (product level)을 점검한다.

5단계에 이르면 이산화탄소는 가스 탈수 설비로 수송되고 6, 7단계에서는 다시 압축기로 되돌아온다. 최종 단계는 이산화탄소를 1,500-1,600psi로 압축한 후 8인치 합금강 파이프라인을 통해 85km 떨어진 우스마니아의 파일럿 플랜트까지 수송하는 것이다.

우스마니아에 도착한 이산화탄소는 4개의 주입정으로 방출된다. 인접한 4개의 석유 생산정에서 생산된 유체는 트렁크 라인 (trunk line)을 통해 분리 플랜트로 이동하고, 적절한 고압 생산 트랩에서 추가 처리가 진행된다.

우스마니아 파일럿 플랜트에는 2015년 이래 80만톤의 이산화탄소가 재주입되었다. 이 프로젝트는 석유회수증진과 더불어 상당한 규모의 이산화탄소 격리를 달성하고 있다.

가와르 유전에 탄소 재주입

중동 내
최첨단 대규모 이산화탄소 포집 및 재주입 프로젝트
최대
80만톤 재주입, 2015년 7월부터 매년

유전 격리

이산화탄소를 석유·가스 저류층에 주입해야 하는 설득력 있는 이유가 있다. 석유, 용존 가스, 염수 및 일부 황화수소로 구성된 석유 저류층 유체는 보통 압축된 상태이다.

유체를 추출하는 것은 지하의 자연 압력이 점차 감소할 수 있음을 의미한다. 압축된 이산화탄소를 생산 중인 유전으로 흘려 보내면, 점성이 높은 유체가 부풀어 올라 석유 회수가 더 쉬워진다.

중요한 사실은, 격리를 위해 이산화탄소를 주입함으로써 이산화탄소의 대기 중 방출을 방지할 수 있다는 점이다. 이 프로젝트의 팀장을 맡고 있는 아람코 EXPEC 첨단연구센터의 수석과학자 수닐 L. 코칼 (Sunil L. Kokal)은 이산화탄소를 석유 저류층에 격리하는 것이 “탄소 관리 솔루션”이라고 말한다.

코칼 팀장은 “압축 이산화탄소를 포집하여 석유·가스 저류층에 주입하는 것은 전 세계적 배출 저감에 도움이 되는 기술적 솔루션”이라고 언급했다. “우리 하위야 프로젝트를 면밀히 모니터링한 결과, 포집된 이산화탄소의 상당량이 가와르 유전에 계속 저장되어 있는 것으로 확인됐다.”

“포집된 이산화탄소의 대부분은 저류층 지하에 격리되어 있다. 격리란 이 격리된 이산화탄소가 더 이상 온실가스가 아니라는 의미이다.”

사우디아라비아 외딴 지역 룹알할리 (공백의 지역) 사막에 위치한 샤이바 유전에서는 린 (lean) 천연가스가 저류층으로 재주입된다. 이곳의 NGL 회수 플랜트는 샤이바에서 생산된 가스에서 화학 제품과 차량 연료의 핵심 원료인 고부가 NGL을 추출한다.

NGL 추출 후 남은 황화수소, 이산화탄소 및 잔류 가스는 유전으로 재주입된다. 이러한 폐가스 활용은 온실가스 배출을 줄이고 석유회수에도 도움이 된다.


배출 저감

에너지 효율적인 산업설비 운영은 상대적으로 효율성이 낮은 운영에 비해 온실가스 배출과 운영 비용을 동시에 줄일 수 있다. 탄화수소 생산에서 에너지 사용을 줄이기 위한 조치에는 열병합 발전시스템, 태양광·풍력과 같은 재생에너지, 플레어 가스 회수 시스템이 포함된다.

최첨단 기술, 현명하게 유지관리되는 인프라, 스마트한 사고 혁신은 보이지 않는 가스 누출의 방지에 도움을 준다. 그리고 생산 프로세스에 대한 훈련과 성실한 이행을 통해 직원들도 나름의 역할을 하고 있고, 안전조치 역시 도움이 된다.