탄베드 메탄

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석탄층 메탄(CBM 또는 석탄층 메탄),^[1] 석탄층 가스, 석탄 심 가스(CSG^[1]), 또는 석탄 광산 메탄(CMM)^[2]은 석탄층으로부터 추출한 천연 가스의 일종이다.^[3] 최근 수십 년 동안 미국, 캐나다, 호주, 그리고 다른 나라들에서 그것은 중요한 에너지원이 되었다.

이 용어는 석탄의 고체 행렬에 흡수된 메탄을 가리킨다. 황화수소가 부족해 '단가스'라고 불린다. 이 가스의 존재는 지하 석탄 채굴에서 발생한 것으로부터 잘 알려져 있는데, 그 곳에서 그것은 심각한 안전 위험을 나타낸다. 탄베드 메탄은 흡착이라는 과정에 의해 석탄 안에 저장되기 때문에 전형적인 사암이나 다른 전통적인 가스 저장소와 구별된다. 메탄은 거의 액체에 가까운 상태로, 석탄(매트릭스라고 부른다) 내의 모공 안쪽을 줄지어 서 있다. 석탄의 개방된 골절(클리트라고 불림)도 자유 가스를 함유하거나 물로 포화시킬 수 있다.^{[citation needed]}

기존 저장소에서 나오는 많은 천연가스와는 달리, 탄베드 메탄은 프로판이나 부탄과 같은 매우 무거운 탄화수소를 거의 포함하고 있지 않으며, 천연가스 응축수는 없다. 그것은 종종 몇 퍼센트까지의 이산화탄소를 함유하고 있다. 석탄층 메탄은 일반적으로 케로겐과 유기물의 열적 성숙에 의해 형성된다. 그러나 일반 지하수를 재충전하는 석탄 솔기는 그 자리에 사는 미생물 공동체가 생성하는 메탄을 본다.^[4][5]

역사

석탄층 메탄은 석탄 솔기에서 메탄을 분출하면서 자랐다. 일부 석탄층에서는 오래 전부터 '가시(gassy)'로 알려졌으며, 안전 대책으로 표면에서 나온 솔기에 보어홀을 뚫었고, 채굴 전에 메탄이 분출할 수 있도록 했다.

천연가스 자원으로서의 석탄층 메탄은 1970년대 후반 미국 연방정부로부터 큰 압력을 받았다. 연방정부의 가격 통제는 천연가스 가격을 시장 수준 이하로 유지함으로써 천연가스 시추를 억제하고 있었다. 동시에, 정부는 더 많은 가스 생산을 장려하기를 원했다. 미국 에너지부는 석탄층 메탄을 포함한 많은 비전통적인 가스원에 대한 연구에 자금을 지원했다. 탄베드 메탄은 연방정부의 가격 통제가 면제되었고, 연방정부의 세금 공제도 받았다.

호주에서는 1996년 퀸즐랜드 보웬 분지에서 석탄 심 가스의 상업적 추출이 시작되었다.^[6]

저장기 특성

탄층 메탄에 함유된 가스는 주로 메탄과 미량의 에탄, 질소, 이산화탄소, 그리고 다른 가스들은 거의 없다. 자연에서 발견되는 석탄의 본질적인 성질이 회복될 수 있는 가스의 양을 결정한다.

투과성

석탄층 메탄 저장소는 이중 다공성 저장소로 간주된다. 이중 다공성 저장소는 균열(자연 골절)과 관련된 다공성이 흐름 거동을 책임지고, 매트릭스의 저장 다공성이 기체의 저장을 책임지는 저장소를 말한다. 석탄층 메탄 저장소의 다공성은 10%-20%에서 달라질 수 있지만, 저장소의 구개 다공성은 0.1%-1% 범위 내에 있는 것으로 추정된다.

흡착 용량

석탄의 흡착 용량은 보통 SCF(표준 입방 피트, 표준 압력 및 온도 조건에서의 부피) 가스/톤으로 표현되는 석탄의 단위 질량 당 흡착된 기체의 부피로 정의된다. 흡착능력은 석탄의 등급과 품질에 달려 있다. 미국에서 발견되는 대부분의 석탄 솔기의 사거리는 보통 100에서 800 SCF/ton사이에 있다. 석탄층 기체의 대부분은 흡착된 형태다. 저수지를 생산하면 먼저 골절공간의 물을 퍼낸다. 이것은 기체로부터 가스의 탈착을 증가시키는 압력 감소로 이어진다.^[8]

파단 투과성

앞에서 논의한 바와 같이, 균열 투과성은 기체가 흐를 수 있는 주요 통로 역할을 한다. 투과성이 높을수록 가스 생산량이 높다. 미국에서 발견되는 대부분의 석탄 솔기의 경우 투과성은 0.1~50밀리 다시의 범위에 있다. 균열된 저수지의 투과도는 응력에 따라 변한다. 석탄은 응력에 민감한 투과성을 보이며, 이 과정은 자극과 생산 작업에서^{[9][citation needed]} 중요한 역할을 한다.^[10] 탄베드 메탄 저장소의 균열 투과성은 가스 고갈과 함께 증가하는 경향이 있다. 기존 저장소와 대조적으로. 이 독특한 행동은 석탄의 수축으로 인해 메탄이 매트릭스에서 방출되어 골절이 열리고 투과성이 증가하기 때문이다.^[11] 또한 저유소 압력에서의 석탄 행렬의 축소로 인하여 저수지 내 수평 응력이 손실되어 석탄의 현장 고장을 유발하는 것으로 생각된다. 이 같은 고장은 저수지^[12][10] 골절투과성이 갑자기 감소했기 때문으로 풀이된다.

형성 두께 및 초기 저장장치 압력

형성의 두께는 일부 지역에서 생산되는 기체의 부피에 정비례하지 않을 수 있다.^{[citation needed]}

예를 들어, 캔자스 남동부의 체로키 분지에서는 1-2피트(0.3~0.6m)의 단일 존의 유정을 가진 우물이 우수한 가스요금을 생산할 수 있는 반면, 두께가 2배인 대체 형성은 거의 없는 곳에서 생산될 수 있다는 것이 관찰되어 왔다. 일부 석탄(및 셰일) 형성은 그 지역 지질학의 다른 요인 때문일지도 모르며, 아마도 그 지역의 두께와 상관없이 높은 가스 농도를 가질 수 있다.^{[citation needed]}

웰 블록과 모래 표면의 압력 차이는 일반적으로 생산되는 저장소의 경우 가능한 한 높아야 한다.^{[citation needed]}

기타 속성

다른 영향을 미치는 매개변수로는 석탄 밀도, 초기 가스 위상 농도, 임계 가스 포화, 환원 불가능한 물 포화, 각각 Sw = 1.0 및 Sg = 1-Sw 비환원 조건에서 물과 가스에 대한 상대 투과성이 있다.^{[citation needed]}

추출

이 절은 출처를 인용하지 않는다. 신뢰할 수 있는 출처에 인용문을 추가하여 이 섹션을 개선할 수 있도록 도와주십시오. 공급되지 않은 재료는 도전하여 제거할 수 있다. (2012년 5월) (이 템플릿 메시지를 제거하는 방법과 시기 알아보기)

가스를 추출하기 위해 지하 100~1500m(330~4920ft)의 석탄 심에 강철로 둘러싸인 구멍을 뚫는다. 자연 생산이나 석탄층에서의 물의 펌핑으로 인해 석탄층 내의 압력이 감소함에 따라 가스와 생산된 물이 모두 관을 통해 수면으로 나온다. 그리고 나서 가스는 압축기 스테이션으로 보내지고 천연 가스 파이프라인으로 보내진다. 생산된 물은 고립된 형성에 다시 주입되거나, 하천으로 방출되거나, 관개를 위해 사용되거나, 증발 연못으로 보내진다. 물은 전형적으로 중탄산나트륨과 염화물과 같은 용존 고형분을 함유하고 있지만, 형성 지질학에 따라 다르다.^{[citation needed]}

석탄층 메탄우물은 보통 하루에 거의 30만 입방피트(8,500m³)로 정점을 찍고 있는 기존 저수지보다 낮은 가스율로 생산되는 경우가 많으며, 초기 비용이 클 수 있다. CBM 웰의 생산 프로파일은 일반적으로 물을 퍼내고 가스가 탈착·유동되기 시작하면서 가스 생산률이 초기에는 증가하는 '부수 감소'가 특징이다. 건조한 CBM 우물은 표준 가스 우물과 비슷하다.^{[citation needed]}

메탄 탈착 과정은 Langmuir isotm이라고 불리는 곡선(가스 함량 대 저수지 압력)을 따른다. Isotherm은 최대 가스 함량(무한 압력)과 그 가스의 절반이 석탄 안에 존재하는 압력으로 해석적으로 설명할 수 있다. 이러한 매개변수(각각 랑무어 부피와 랑무어 압력이라고 함)는 석탄의 성질이며, 매우 다양하다. 알라바마의 석탄과 콜로라도의 석탄은 다른 유사한 석탄 특성에도 불구하고 근본적으로 다른 Langmuir 매개변수를 가질 수 있다.^{[citation needed]}

석탄 저장고에서 생산이 이루어짐에 따라, 압력의 변화는 석탄의 다공성과 투과성에 변화를 일으키는 것으로 생각된다. 이것은 일반적으로 매트릭스 수축/스웰링이라고 알려져 있다. 기체가 탈색되면서 모공 속 기체에 의해 작용하는 압력이 감소하여 크기가 작아지고 석탄을 통한 기체 흐름을 제한하게 된다. 모공이 줄어들면 전체 매트릭스도 줄어들게 되는데, 이는 결국 가스가 통과할 수 있는 공간(클리트)을 늘려 기체 흐름을 증가시킬 수 있다.^{[citation needed]}

CBM 선원으로서 특정 석탄층의 잠재력은 다음 기준에 따라 결정된다. 클리트 밀도/강도: 클리트(cleats)는 석탄 시트 안에 갇힌 관절이다. 그들은 석탄재에 투과성을 부여한다. CBM의 수익성 있는 착취를 위해서는 높은 클리트 밀도가 필요하다. 또 다른 중요한 것은 대식성 구성이다: 대식성은 해당 퇴적암의 미세하고 동질적이며 석유적인 물질이다. CBM 추출에는 유리성이 높은 조성이 이상적인 반면, 관성나이트도 같은 조성을 한다.^{[citation needed]}

석탄의 등급은 또한 CBM 함량과 연관되어 있다. 0.8–1.5%의 확실한 반사율이 석탄층의 높은 생산성을 암시하는 것으로 밝혀졌다.^{[citation needed]}

천연 가스 기기는 입방 피트당 약 1,000 BTU(영국식 열 단위)의 가열 값 또는 거의 순수한 메탄 가스를 위해 설계되기 때문에 가스 구성을 고려해야 한다. 만약 가스가 질소나 이산화탄소와 같은 불연성 가스를 몇 퍼센트 이상 함유하고 있다면, 이러한 가스를 제거하거나 파이프라인 품질을 달성하기 위해 더 높은 BTU 가스와 혼합해야 할 것이다. 석탄층 가스의 메탄 성분이 92% 미만이면 상업적으로 시판되지 않을 수도 있다.^{[citation needed]}

환경 영향

메탄

모든 탄소 기반 화석 연료와 마찬가지로, 석탄층 메탄을 태우면 이산화탄소(CO₂)가 대기 중으로 이산화탄소를 배출한다. 온실가스로서의 그것의 효과는 처음에 화학자이자 물리학자 스반테 아르헤니우스에 의해 분석되었다. CBM의 생산은 또한 대기 중으로 방출되는 메탄의 누출을 수반한다. 메탄은 질량 단위당 지구온난화 효과가 20년 이상_2. CO보다 72배, 100년 이상 25배, 500년 이상 7.5배로 줄어든 것으로 평가된다.^[13] 에너지원의 생애주기 온실가스 배출량을 분석한 결과 CBM에서 전기를 생산하는 것은 기존 천연가스와 마찬가지로 석탄의 온실가스 효과가 절반에도 미치지 못하는 것으로 나타났다.^[14]

미국의 경우 채굴 중 석탄에서 빠져나오는 메탄은 총 메탄 배출량의 10%에 달한다. 채굴에 앞서 탄광 메탄을 회수하는 것은 메탄 배출량을 줄일 수 있는 주요 기회로 보인다.^{[citation needed]}

사회 기반 시설

CBM 웰은 도로, 파이프라인, 압축기 스테이션의 네트워크로 연결된다. 시간이 지남에 따라, 남아있는 메탄을 추출하기 위해 우물의 간격을 더 촘촘하게 할 수도 있다.

생산수

가스 추출의 부산물로서 표면으로 유입되는 생산물은 지역마다 품질은 크게 다르지만 염류, 자연적으로 존재하는 화학 물질, 중금속 및 방사성핵종과 같은 용해 물질의 바람직하지 않은 농도를 포함할 수 있다.^[15] 많은 산지에서는 역삼투성 식물을 통해 물을 처리하고 관개, 가축용 물, 도시 및 산업용 물, 또는 분진 억제에 유용하게 사용한다.

필리가 스크럽

이스턴 스타 가스는 2012년 필리가 스크럽에서 "고농도의 소금을 함유한 오염수를 보헤나 크릭으로 방류"한 혐의로 벌금형을 선고받았다.^[16] '산림지와 개울에 식염수가 심각하게 유출된 것'^[17] 등 '16건의 오염수 유출 또는 유출'이 있었다. 2012년, NSW 입법위원회^[18] 조사에서는 "NSW 정부는 생산된 물의 개방 보관을 금지할 것"^[18][19]을 권고하면서 개방된 연못의 사용을 비판하였다.

파우더 강 유역

모든 석탄층 메탄에서 생성된 물이 식염수이거나 다른 방법으로 바람직하지 않은 것은 아니다. 미국 와이오밍주 분말강 유역의 석탄층 메탄우물에서 나오는 물은 연방 음용수 기준을 충족하며 이 지역에서 가축에게 물을 주기 위해 널리 사용되고 있다.^[20] 관개를 위한 그것의 사용은 상대적으로 높은 나트륨 흡착 비율에 의해 제한된다.

지하수

대수층 연결에 따라, 물 철수는 넓은 지역에 걸쳐 대수층을 압박하고 지하수 흐름에 영향을 미칠 수 있다.^[21] 호주의 CBM 업계는 연간 12만6000리터(3.3×10리터¹⁰)에서 28만리터(7.4×10리터¹⁰)의 지하수 채굴을 추산하고 있으며, 국립수자원위원회는 연간 30만리터(7.9×10리터¹⁰) 이상의 채굴을 추산하고 있다.^[15]

발전

2012년 아스펜 스키 회사는 콜로라도주 서머셋에 옥스보우 카본의 엘크 크릭 광산에 3메가와트급 메탄 투 전기 공장을 세웠다.^[22]

탄베드 메탄 생산 지역

호주.

석탄 심 가스 자원은 퀸즐랜드와 뉴사우스웨일스의 주요 석탄 분지에 있으며, 남호주에는 추가적인 잠재적 자원이 있다. 석탄 심 가스(CSG)의 상업적 복구는 1996년 호주에서 시작되었다. 2014년 현재 퀸즐랜드와 뉴사우스웨일스산 석탄 심 가스는 호주 가스 생산량의 약 10%를 차지하고 있다. 입증된 매장량은 2014년 1월 현재 33조 입방피트(35905페타줄)로 추정된다.^[23]

• 보웬 분지
• 수랏 분지
• 시드니 분지

캐나다

캐나다에서 브리티시 컬럼비아는 약 90조 입방피트(2조 5천억 입방미터)의 석탄층 가스를 보유하고 있는 것으로 추정된다. 2013년 알버타는 상업용 석탄층 메탄우물을 보유한 유일한 주였으며, 경제적 회수가 가능한 약 170조 입방피트(4조 8천억 입방미터)의 석탄층 메탄을 보유하고 있는 것으로 추정되며, 전체 매장량은 최대 500조 입방피트(14조 입방미터)에 달한다.^[24][25]

알버타연구회, 알버타지질조사회 등은 메탄을 형성한 박테리아 작용이 진행 중이기 때문에 탄베드 메탄은 재생 가능한 자원이라고 주장해 왔지만, 탄베드 메탄은 재생 불가능한 자원으로 간주되고 있다.^{[citation needed]} 이는 CBM 생산에 수반하는 탈수 작용이 세균의 메탄^[26] 생산에 필요한 조건을 파괴하고 추가 메탄의 발생률이 결정되지 않은 것도 드러나 논란이 되고 있다. 이 논쟁은 현재 캐나다 앨버타 주에서 소유권 문제를 일으키고 있는데, 이는 비갱신형 자원만 도가 합법적으로 소유할 수 있기 때문이다.^[27]

영국

영국의 석탄 밭에 있는 가스는 29억 입방미터로 추정되었지만, 1%만이 경제적으로 회복될 수 있을 지도 모른다. 영국의 CBM 잠재력은 대체로 검증되지 않았다. 일부 메탄은 탄광 분출 작업에 의해 추출되고, 전기를 발생시키기 위해 연소된다. 광업과는 무관한 석탄층 메탄우물에 대한 민간 산업의 평가는 2008년부터 시작되었는데, 그 때 55건의 육상 탐사 면허가 발급되어 잠재적 석탄층 메탄 지역 7,000평방킬로미터에 이른다. IGas Energy는 영국에서 최초로 탄광 방출로부터 분리된 탄광 메탄을 상업적으로 추출한 것이 되었다; 2012년 현재, 도 그린의 이가스 탄광 메탄 웰은 영국에서 유일하게 발전용 가스를 추출한 것이다.^[28]

미국

2017년 미국의 석탄층 메탄 생산량은 1조 7600억 입방피트(TCF)로, 그해 미국 전체 건식가스 생산량의 3.6%에 달했다. 2017년 생산량은 2008년 TCF 1.97을 정점으로 감소하였다.^[29] 대부분의 CBM 생산은 콜로라도주, 와이오밍주, 뉴멕시코주 로키마운틴주에서 이루어졌다.

카자흐스탄

업계 전문가들에 따르면 카자흐스탄은 앞으로 수십 년 동안 대형 석탄층 메탄(CBM) 부문이 발전하는 것을 목격할 수 있을 것이라고 한다.^[30] 예비 조사에 따르면 카자흐스탄의 주요 탄전에는 무려 9,000억 m3의 가스가 있을 것으로 보이며 이는 카자흐스탄 전체 매장량의 85%에 해당한다.

인도

GEECL(Great East Energy, Great East Energy, GECL)의 23개 수직 생산 우물 시추 공사가 완료됨에 따라 2007년 7월 14일부터 인도에서 CNG의 kg당 30파운드 가격으로 석탄베드 메탄을 상업적으로 판매할 수 있게 되었다. 초기에는 CBM의 90%가 CNG 기체로 차량들 사이에 유통될 것이다. GEECL은 또한 동남아시아에 최초의 CBM 기지를 설립할 것이며 인도에도 동일한 기지가 서벵골의 아산솔 시에 위치할 것이다. GECL은 1차 현장개발계획이 승인된 첫 번째 기업이다.

프라샨트 모디 GECL 최고운영책임자(COO)는 "콜베드 메탄 탐사, 생산, 마케팅, 유통에 과감히 뛰어든 인도 최초의 민간기업으로 자부심을 느낀다"고 말했다. 우리나라가 발전속도를 유지하기 위해 더 높은 에너지원을 필요로 하는 상황에서 CBM이 미래세대를 위한 주요 에너지원의 하나로 중요한 역할을 할 것으로 확신한다고 말했다.^[31]

에사르그룹의 에사오일앤가스탐사프로덕션(주)의 CBM 포트폴리오에는 5블록이 포함돼 있다. 현재 이 중 라니건즈 이스트만 가동 중이다. 그 밖에 자르칸드의 라즈마할, 오디샤의 탈처와 이브 밸리, 마디아 프라데시의 소하그푸르 등이 있다. 5개 블록은 약 10조 입방 피트(CBF)의 CBM 매장량을 보유하고 있다.

참고 항목

• 폭발성 가스
• 지하 석탄 가스화
• 서부 캐나다 퇴적분지

참조

외부 링크

• 최신 CBM 뉴스
• 미국 지질조사국 페이지 CBM
• 미국 환경 보호청 페이지 CBM
• 브리티시 컬럼비아 에너지광산석유자원부 석탄가스 안내서
• 캔자스 지질 조사 안내서 콜베드 메탄
• 석탄층 메탄가스
• 석탄 심 가스: 오스트레일리아 방송국의 번호별