[논문]온실가스(<tex>$CO_2$</tex>) 지중저장과 암반공학적 기술요소

김형목; 박의섭; 신중호; 박용찬

온실가스($CO_2$) 지중저장과 암반공학적 기술요소
Greenhouse Gas ($CO_2$) Geological Sequestration and Geomechanical Technology Component 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.18 no.3 = no.74, 2008년, pp.175 - 184

김형목 (한국지질자원연구원 지반안전연구부) , 박의섭 (한국지질자원연구원 지반안전연구부) , 신중호 (한국지질자원연구원 지반안전연구부) , 박용찬 (한국지질자원연구원 지반안전연구부)

초록
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본 고에서는 온실가스 감축방안으로 배출 $CO_2$를 지하심부에 격리 저장시키는 지중 저장기술의 국내외 기술동향을 살펴보고 지반 및 암반공학적 관련기술로서 $CO_2$ 주입에 따른 대상지층의 역학적 안정성 및 누출경로 평가를 위한 열-수리-역학적 연계해석기술 및 적용사례, 기술개발요소를 소개하였다.

In this study, state-of-the-art of $CO_2$ geological sequestration as a method of greenhouse gas reduction was reviewed. Thermal-Hydraulic-Mechanically(THM) coupled simulation technology and its application to a stability analysis of geological formation due to $CO_2$ injection...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 고에서는 CCS 기술 중 CO2를 지하심부(1000 m 이상)에 격리저장시키는 기술의 국내외 기술동향을 살펴보고 지반, 암반공학분야 관련 전문가가 관심을 가져볼 만한 기술분야로서 CCh의 주입에 따른 대상 지층의 안정성 및 누출경로 평가 해석기술에 관해 소개한다.
본 고에서는 기후변화협약 대응을 위한 온실가스 감축 방안으로서의 co2 지중 저장분 야에서 요구되는 지반 및 암반공학적 기술의 일환으로 THM 연계거동의 해석을 위한 TOUGH-FLAC 연계해석기술 및 적용사례를 소개하였다. CO₂ 지중저장에서의 THM 해석기술의 가장 큰 특징으로는 C₆-물(혹은 원유)를 고려한 이상유동(two phase flow)와 용해(dissolution) 및 광물화 반응 등의 화학적 반응을 평가할 수 있는 기능이 필요하다는 점을 들 수 있다.
, 2006) 및 TOUGH-FLAC 연계해석기술Rutqvist & Tsang, 2003)등이 보고된 바 있다. 본 고에서는 이들 연계해석기술 중 TOUGH-FLAC 연계해석기술 및 적용사례에 대해 살펴보았다

가설 설정

균열 발생가능성 계산에는 점착력은 없는 것으로 가정하고 내부마찰각은 30도를 설정하였다. 그림에서 양수 값은 주입압이 균열 발생 임계치를 초과함을 나타내며 짙은 색 영역일수록 균열 발생 가능성이 높음을 나타낸다 등방성 응력조건에서 균열 발생 확률이 가장 낮으며 응력 조건에 따라 전단파괴가 발생하는 균열방향도 달라짐을 알 수 있다.
해석에 사용된 모델은 그림 10과 같다 3개의 저 투수성 층이 주입저장층 상부에 존재하나, 최상부의 저투수 성층만이 덮개암(caprock 3)으로서의 역할을 수행하고 나머지 덮개임ecaprock 1과 caprock 2)에는 단층대 혹은 불연속면이 존재하여 상승 경로를 제공하는 것으로 가정하였다.

제안 방법

기술개발 동향분석을 위해 1998년부터 2006년까지 온실가스 제어기술 관련 최대규모의 국제학회인 GHGT(GreenHouse Gas Technology)0)) 발표된 논문분석을 실시하였다. GHGT는1992 년부터 시작된 ICCDR (International Conference on Carbon Dioxide Removal)과 1995 년의 Greenhouse Gases: Mitigation Options Conference가합쳐진 학술대회로 2008년 11월에 미국 워싱턴 DC에서 제9회 GHGT 회의가 개최될 예정이다.
주입심도는 1600 이이며 C₆를 초임계상태로 30년간 주입했을 경우 CO₂ 상승에 따른 상부 덮개암층의 장기적 안정성 평가 및 균열 생성 가능성을 연계해석을 통해 파악하고자 하였다 해석에 사용된 입력변수 값은 표 3과 같다.
해석은 3가지 응력조건에 대해 수행하였으며 해석순서는 먼저 공극수압 및 3차원 응력장 계산 후 파괴기준식의 적용을 통한 전단파괴 및 인장균열 발생률을 계산함으로써 누출 경로 발생가능성을 평가하였다. 전단파괴 기준식으로는 Coulomb 파괴기준식을 이용 하였으며 인장균열은 유체압이 최소주응력을 초과할 때 발생한다.
고압의 지하심부에 액체 혹은 초임계상태로 주입되는 CQ의 거동 저장층 내 유체 및 광물과의 물리적 . 화학적 반응을 통한 저장, 그리고 주입에 따른 대상 지층의 역학적 변화 등의 예측 . 평가를 위해서는 열(T)- 수리(H)-역학(M)-화학적(C)으로 연동된 제반 거동을 평가할 수 있는 기술이 요구됨을 알 수 있다(그림 7).

이론/모형

전단파괴 기준식으로는 Coulomb 파괴기준식을 이용 하였으며 인장균열은 유체압이 최소주응력을 초과할 때 발생한다.

성능/효과

된다(그림 9). 각 시간스텝에서 공극률 및 투수 계수가 일정하다고 가정하는 양각법(explicit)과 반복계산 수준에서 매번 업데이트된 새로운 값을 이용하는 음각법(implicit)으로 구분될 수 있으며, 양각법은 시간에 따른 공극률 및 투수계수의 변화가 완만한 경우 및 시간 스텝을 충분히 작게 설정했을 경우에 만족스러운 결과를 얻을 수 있다. 자연적으로 이 경우 계산 시간이 길어지는 단점이 있다.

후속연구

획기적 대응기술개발 없이는 의무감축으로 인해 산업전반에 미치는 영향이 지대할 것으로 예상되는 버〕- 대책마련이 시급하다고 할 수 있다. 온실가스 감축분야에서 배출 온실가스의 처리기술 특히 CCS와 연계한 지중저장기술개발 및 실용화 진입은 매우 시급하며, 지반 및 암반공학 관련 전문가의 적극적인 활동과 공헌을 통해 하나뿐인 지구환경 보전에의 지대한 기여를 기대해 본다.
및 저장층 내에서의 co2 . 유체 유동 및 주입에 따른 유동양상 변화, 광물화 반응을 통한 침전속도 평가 및 유체유동 지연효과 평가기술 등의 개발 및 정밀도향상, 국내 지질구조 분석을 통한 저장후보지 선정 및 예상 저장량 산출 등을 들 수 있으며 이를 위해서는 수리 지질 및 지구화학 전문가와의 긴밀한 공조체제가 요구될 것으로 생각된다
한편, 개발된 해석모델의 검증을 위해서는 실험실 및 현장 스케일 시험 데이타의 축적이 필요하며 CO₂ 지중저장과 같이 실험실 및 현장시험에서는 재현 불가능한 장기적 시간 스케일에서는 자연현상에서 발생되어 온관련현상(natural analogue)을 활용한 모델검증(May, 2005)을 실시하여야 할 것이다

참고문헌 (9)

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