CCS는 "이산화탄소의 포집 및 저장 기술"의 약어로서, 화석연료를 사용하는 화력발전소, 제철소 등에서 대규모로 배출하는 이산화탄소를 저감하기 위한 방법이다. CCS는 화석연료의 연소에서 발생되는 가스를 포집하여, 압축, 수송, 주입의 프로세스를 거처서 깊은 지하에 영구적으로 저장한다. CCS를 기존 화력발전소에 적용시에는 CCS 설비가 없는 발전소에 비해 약 80~90%의 이산화탄소를 줄일 수 있다. IPCC의 보고서에 의하면, CCS는 2010년까지 이산화탄소 총 감축량의 10~55%를 감당할 수 있는 경제적 잠재력이 있다고 보고되고 있다. 본 고에서는 CCS 기술의 해외 적용 사례 및 관련 핵심 기술 동향에 대해 간략하게 소개하고자 한다.
CCS는 "이산화탄소의 포집 및 저장 기술"의 약어로서, 화석연료를 사용하는 화력발전소, 제철소 등에서 대규모로 배출하는 이산화탄소를 저감하기 위한 방법이다. CCS는 화석연료의 연소에서 발생되는 가스를 포집하여, 압축, 수송, 주입의 프로세스를 거처서 깊은 지하에 영구적으로 저장한다. CCS를 기존 화력발전소에 적용시에는 CCS 설비가 없는 발전소에 비해 약 80~90%의 이산화탄소를 줄일 수 있다. IPCC의 보고서에 의하면, CCS는 2010년까지 이산화탄소 총 감축량의 10~55%를 감당할 수 있는 경제적 잠재력이 있다고 보고되고 있다. 본 고에서는 CCS 기술의 해외 적용 사례 및 관련 핵심 기술 동향에 대해 간략하게 소개하고자 한다.
CCS (Carbon dioxide Capture and Storage) is a means of mitigating the contribution of $CO_2$ to the Greenhouse gas, from large point sources such as power plants and steel companies. CCS is a process whereby $CO_2$ is captured from gases produced by fossil fuel combustion, comp...
CCS (Carbon dioxide Capture and Storage) is a means of mitigating the contribution of $CO_2$ to the Greenhouse gas, from large point sources such as power plants and steel companies. CCS is a process whereby $CO_2$ is captured from gases produced by fossil fuel combustion, compressed, transported and injected into deep geologic formations for permanent storage. CCS applied to a conventional power plant can reduce $CO_2$ emissions to the atmosphere by approximately 80~90% compared to a plant without CCS. The IPCC estimates that the economic potential of CCS will be between 10% and 55% of the total carbon mitigation effort by year 2100. In this paper, overseas sites where CCS technology is being applied and technical development trends for CCS are briefly reviewed.
CCS (Carbon dioxide Capture and Storage) is a means of mitigating the contribution of $CO_2$ to the Greenhouse gas, from large point sources such as power plants and steel companies. CCS is a process whereby $CO_2$ is captured from gases produced by fossil fuel combustion, compressed, transported and injected into deep geologic formations for permanent storage. CCS applied to a conventional power plant can reduce $CO_2$ emissions to the atmosphere by approximately 80~90% compared to a plant without CCS. The IPCC estimates that the economic potential of CCS will be between 10% and 55% of the total carbon mitigation effort by year 2100. In this paper, overseas sites where CCS technology is being applied and technical development trends for CCS are briefly reviewed.
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문제 정의
CCS에 관한 해외 실증사업 사례를 중심으로 산업동향및 관련 기술에 대해 살펴보았다. CCS는 화력발전소, 제철소 등에서 발생한 CO2를 포집하여 지중에 영구적으로 저장하는 기술로서, 화석연료를 사용하면서도 온실가스를 줄일 수 있는 현실적인 기술적 대안으로, 화석연료에서 신재생에너지 기반사회로 넘어가는 Bridging Technology로 주목되고 있다.
대상이 되는 저장층(Trap)을 조사하여 그 특성이 CCS 플랜트 건설에 적합한지에 대하여 평가한다. 데이터의 축적과 저장층 및 배출원에 관한 분석이 필요하고 가능한 저장 메커니즘을 검토한다. 그 검토결과에 근거하여 저장 가능용량 평가, 경제성 평가, 유용자원의 유무 등에 의한 종합적인 평가에 근거하여 판단한다.
CCS에 관련된 기술 구성을 실시단계 순으로 분류하면 각 단계에서 시뮬레이션 기술과 모니터링 기술이 많은 단계에서 중요한 위치를 차지하고 있음을 알 수 있다(그림 12). 또한, 지하에 주입된 CO2가 어떠한 거동을 할 것인가에 대한 예측 시뮬레이션 기술과 초임계상태의 CO2 거동을 관측하는 모니터링 기술에 대해 설명하도록 한다.
본 논문에서는 당사에서 수행한 CCS에 관한 기술탐색연구(GS건설 연구보고서) 및 국내의 CCS 지중저장 연구(강성길, 2008)에 근거하여 해외의 CCS 현황 및 지반공학자가 관심을 가져야 할 지중저장기술을 중심으로 소개하도록 한다.
제안 방법
강관과 관측정 간에 탄성파 토모그라피 탐사(Crosswell Seismic Tomography)를 통하여 저장층에 CO2 분포를 탄성파 속도가 저감하는 영역에 대한 영상화 및 CO2 주입의 진행에 따라서 CO2 분포 영역이 지층의 경사방향에 따라 확대하는 상황을 확인하였다.
데이터의 축적과 저장층 및 배출원에 관한 분석이 필요하고 가능한 저장 메커니즘을 검토한다. 그 검토결과에 근거하여 저장 가능용량 평가, 경제성 평가, 유용자원의 유무 등에 의한 종합적인 평가에 근거하여 판단한다. 또한 작업시설의 건설에 필요한 법률의 준비작업 및 저장 가능 용량 평가에 있어 수치 시뮬레이션을 실시하여 CO2의 거동을 예측한다.
대상이 되는 저장층(Trap)을 조사하여 그 특성이 CCS 플랜트 건설에 적합한지에 대하여 평가한다. 데이터의 축적과 저장층 및 배출원에 관한 분석이 필요하고 가능한 저장 메커니즘을 검토한다.
그 검토결과에 근거하여 저장 가능용량 평가, 경제성 평가, 유용자원의 유무 등에 의한 종합적인 평가에 근거하여 판단한다. 또한 작업시설의 건설에 필요한 법률의 준비작업 및 저장 가능 용량 평가에 있어 수치 시뮬레이션을 실시하여 CO2의 거동을 예측한다.
또한, 일본의 주요 CO2배출원 근방에 있어서의 CO2저장가능양을 산정하여 CO2의 저장Map을 작성하였다 (그림 11).
의 장기거동에 대한 수치 시뮬레이션 예측을 그림 16에 나타내었다. 모니터링 데이터(강관 하단의 압력변화, 관측정의 CO2 도달시기)에 근거하여 저장 상황 및 1000년 후의 장기거동 예측하였다.
를 지하 1100 m의 대수층(사암층)에 저장하는 실험을 하였다. 저장된 CO2거동을 관측하기 위해 지표면에서 반복지진파탐사를 수행하였고, 보링공 내에서 검층, 탄성파 토모그라피, 모니터링 기술의 유효성을 확인하였다(RITE, 2009).
포집, 운송, 주입을 실시하고 시설의 유지관리를 수행하기 위하여 주입속도, 주입량에 관한 관리계획을 수행한다. 이 단계에서는 수치 시뮬레이션에 의한 CO2 거동 평가 및 성과를 확인하는 모니터링 기술이 요구된다.
대상 데이터
그림 10에 나타낸 것과 같이, 2000년에서 2007년까지 일본 국책연구기관인 RITE(Research Institute of Innovative Technology for the Earth)에 의해 나가오카市 Iwanohara에서 약 1만 톤의 CO2를 지하 1100 m의 대수층(사암층)에 저장하는 실험을 하였다. 저장된 CO2거동을 관측하기 위해 지표면에서 반복지진파탐사를 수행하였고, 보링공 내에서 검층, 탄성파 토모그라피, 모니터링 기술의 유효성을 확인하였다(RITE, 2009).
미국의 석탄가스 플랜트에서 포집한 CO2를 파이프라인으로 320 km 수송하여, 캐나다 Weyburn의 유전층에 주입하는 석유증진회수법(EOR)으로 2005년 말까지 약 700만 톤의 CO2를 주입하였다(그림 6). EOR (Enhanced Oil Recovery)은 석유의 융해성에 높은 특성을 이용하여 초임계상태의 CO2가 석유에 녹는 것에 의해서 체적 팽창과 함께 점성이 저하되는 특성을 이용하여 유전 지층에서 보다 많은 석유를 회수하는 방법이다.
성능/효과
의 배출이 증가되는 요인은1) 저유가 정책과 빠른 경제성장에 편승한 비효율적인 에너지소비, 2) 철강, 석유화학, 시멘트 등 에너지 집약적인 산업의 비중이 높음, 3) 국내 제조업의 총 설비 투자에서 에너지절약 시설투자 비중이 매우 낮음 등을 들 수 있다. 따라서 지속적인 경제성장을 위하여 많은 에너지를 소비하고 있는 실정이기 때문에 현재의 신재생에너지 개발과 소극적인 온실가스 대책으로는 커다란 경제적 타격을 입을 것으로 예상된다.
그림 17에 각각 해석 모델 및 해석 결과를 나타내었다. 시뮬레이션 결과에서 주입정 주변의 넓은 지역에서 지하수위 상승이 예상됨을 알 수 있다.
후속연구
허가조건은 환경 영향 평가를 수행하는 것과 해양환경의 감시를 수행하는 것이 의무사항으로 되어 있다. 육지부의 CCS에 대해서는 아직 법적 규정이 없으며, 향후 정비될 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CCS란?
최근 들어 기후변화에 대한 관심이 높아지면서 화석연료의 사용량을 억제하고 이산화탄소(이하 CO2) 배출량이 적은 신재생에너지 개발에 많은 노력을 기울이고 있으나, 현재의 신재생에너지원의 적용 규모나 범위를 고려할 때 화석연료를 대체하여 보급되기에는 앞으로도 상당 기간이 필요한 것은 분명하다. 따라서 신재생 에너지 개발 이외에도 보다 적극적인 방법으로 CO2를 감축할 수 있는 대책이 필요함에 따라, CO2의 발생원으로부터 직접 CO2를 포집하여 지반 내에 영구 저장하는 기술인 CCS(Carbon dioxide Capture and Storage)가 주목 받고 있으며, 보다 나아가 CDM(Clean Development Mechanism)사업으로 인정하여 인센티브를 부여하자는 논의도 진행되고 있다.
우리나라의 국내 에너지소비와 CO2의 배출이 증가되는 요인은?
우리나라의 국내 에너지소비와 CO2의 배출이 증가되는 요인은1) 저유가 정책과 빠른 경제성장에 편승한 비효율적인 에너지소비, 2) 철강, 석유화학, 시멘트 등 에너지 집약적인 산업의 비중이 높음, 3) 국내 제조업의 총 설비 투자에서 에너지절약 시설투자 비중이 매우 낮음 등을 들 수 있다. 따라서 지속적인 경제성장을 위하여 많은 에너지를 소비하고 있는 실정이기 때문에 현재의 신재생에너지 개발과 소극적인 온실가스 대책으로는 커다란 경제적 타격을 입을 것으로 예상된다.
노르웨이 Sleipner 프로젝트는 어떻게 운영되고 있는가?
노르웨이 Sleipner 프로젝트는 Statoil에 의해 1996년부터 상업적 목적으로 20년간 실시 중이며, CO2 지중 저장 모니터링을 1998년부터 실시 중이다. CO2의 포집과 지반내의 주입은 북해의 해상 플랫폼에서 행해지고 있으며, 천연가스와 함께 배출되는 CO2 가스를 분리 회수하여 대수층(Aquifer)에 주입하고 있다. 주입량은 연간 약 100만 톤이며, 노르웨이에서는 CO2 배출 시에 탄소세가 과세되므로 CCS 프로젝트를 통하여 수익을 창출하고 있다(그림 5).
참고문헌 (12)
GS건설 연구보고서, 2008, 온실가스 대량감축을 위한 $CO_2$ 저장기술 연구.
강성길, 허철, 2008, 해저 지질구조내 24-34 저장기술의 연구개발 동향 및 향후 국내 실용화 방안, 한국해양환경공학회지, Vol. 11, pp. 24-34,
Li, G., 2003, 4D seismic monitoring of $CO_2$ flood in a thin fractured carbonate reservoir, The Leading Edge, pp. 690-695.
Paul Freund, 2006, International Workshop on $CO_2$ Geological Storage, Japan.
Tore, A. T. and Gale, J., 2004, Demonstrating storage of $CO_2$ in geological reservoirs: The Sleipner and SACS projects, Energy, Vol. 29, pp. 1361-1369.
Wright, I., 2006, $CO_2$ Sequestration in a Gas Field-The In salah Project, Algeria, Carbon Management Challenges and Opportunities for Petroleum Industry.
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