[논문]복공식 지하 압축공기에너지 저장공동 기밀시스템 설계변수의 민감도 해석

김형목; 류동우; 선우춘; 송원경

doi:10.7474/tus.2011.21.4.287

복공식 지하 압축공기에너지 저장공동 기밀시스템 설계변수의 민감도 해석
Sensitivity Analysis of Design Parameters of Air Tightness in Underground Lined Rock Cavern (LRC) for Compressed Air Energy Storage (CAES) 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.21 no.4 = no.93, 2011년, pp.287 - 296

김형목 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) , , 류동우 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) , 선우춘 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) , 송원경 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부)

초록
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본 연구에서는 압축공기에너지 지하저장을 위한 복공식 암반공동의 기밀성능을 평가할 목적으로 다상유체 열유동 해석을 수행하였다. 기밀성능은 저장공동으로부터 누출되는 공기질량으로 평가하였으며, 저장공동 내부에 콘크리트 라이닝 기밀시스템을 설치하고 저장공동은 비교적 천심도인 지하 100m 심도에 위치하는 것으로 가정하였다. 저장공동 내 질량수지분석 결과, 콘크리트 라이닝 및 주변 암반의 투과계수가 누기량 및 저장공동의 장기적 기밀성능에 미치는 영향이 큰 것으로 파악되었으며 콘크리트 라이닝의 투과계수가 $1.0{\times}10^{-18}\;m^2$이하 일 경우, 저장공동 운영압력이 5 MPa에서 8 MPa 사이일 때 누기량은 1%이하 인 것으로 계산되었다. 또한, 콘크리트 라이닝의 초기포화도에 따른 공기누출량 계산결과, 라이닝 수분포화도를 증가시킬수록 누기량은 감소하고 저장공동 기밀성능이 향상됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We performed a numerical modeling study of thermodynamic and multiphase fluid flow processes associated with underground compressed air energy storage (CAES) in a lined rock cavern (LRC). We investigated air tightness performance by calculating air leakage rate of the underground storage cavern with concrete linings at a comparatively shallow depth of 100 m. Our air-mass balance analysis showed that the key parameter to assure the long-term air tightness of such a system was the permeability of both concrete linings and surrounding rock mass. It was noted that concrete linings with a permeability of less than $1.0{\times}10^{-18}\;m^2$ would result in an acceptable air leakage rate of less than 1% with the operational pressure range between 5 and 8 MPa. We also found that air leakage could be effectively prevented and the air tightness performance of underground lined rock cavern is enhanced if the concrete lining is kept at a higher moisture content.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 저장공동 내 공기 압축 및 팽창 과정에서 발생하는 저장공동 내 온도변화와 주변 콘크리트 및 암반의 온도차이에 의한 열유동이 발생할 수 있다. 본 연구에서는 다상 다성분 열유동 거동을 모사할 수 있는 TOUGH2 프로그램을 이용하여 지하 압축공기에너지 저장공동 주변 누출 거동을 해석하고, 투과계수로 대표되는 주요 설계변수가 누출량 변화에 미치는 영향을 검토하였다. 본 해석에서는 TOUGH2 코드의 다양한 상태방정식(Equation of State, EOS) 중 물-공기를 대상으로 비등온(non-isothermal) 해석을 지원하는 EOS3 모듈을 사용하였다.
본 연구에서는 다상 다성분 열유동 거동을 모사할 수 있는 TOUGH2(Pruess et al., 1999) 프로그램을 이용하여 지하 압축공기에너지 저장을 위한 2차원 원형공동주변 누출 거동을 해석하고, 라이닝 투과계수 등의 복공식 기밀시스템의 설계변수가 누출량 변화에 미치는 영향에 대한 수치해석적 검토를 실시함으로써 향후 압축공기에너지 지하저장시설 구축에 필요한 기초자료를 확보하는데 그 목적을 두었다. TOUGH2는 이산화탄소지중저장(Pruess and Spycher, 2006), 방사성 폐기물 심지층 처분(Wu et al.
본 연구에서는 압축공기에너지 지하저장을 위한 복공식 암반공동의 기밀성능을 평가할 목적으로 TOUGH2 코드를 이용한 다상 다성분 유체 열유동해석을 수행하고, 저장공동 내부로부터 누출되는 공기량을 계산하여 주요 설계인자가 공기누출량에 미치는 영향을 파악하였다. 저장공동 내부 콘크리트 라이닝 및 주변 암반의 투과계수가 공기누출량 및 저장공동의 장기적 기밀성능에 미치는 영향이 큰 것으로 파악되었다.
이들 압력 및 온도 변화 양상은 콘크리트 라이닝으로 대표되는 기밀시스템 특성 및 압축·저장-배출·팽창 과정의 반복에 따라 달라질 것으로 예상되어 콘크리트 라이닝 물성이 저장 압축공기의 누출거동에 미치는 영향을 파악할 목적으로 민감도 해석을 실시하였다.

가설 설정

기본 해석에서는 콘크리트 라이닝, 암반손상영역 및 주변 암반의 물성이 동일한 것으로 설정하였으며, 이후 해석에서는 이들 물성의 변화가 저장공동 기밀성능에 미치는 영향을 질량수지분석을 통한 공기누출량 계산을 통해 살펴보았다. 압축공기 저장공동은 반경 2.5 m의 원형공동으로 지하 100 m 심도에 위치하고 지하수면은 지표면과 일치하는 것으로 가정하였다. 저장 공동내 공기압력은 압축·저장시 최대 8 MPa, 팽창·배출시 최소 5 MPa 범위에서 운영되는 것으로 하였다.
초기 조건으로 지표면 온도는 10℃, 온도구배는 3℃/100 m씩 증가하는 것으로 가정하고, 지하수면은 지표면과 일치하는 것으로 가정하였다. 따라서, 저장공동 설치심도에서의 온도 및 압력은 13℃ 및 1 MPa이다.

제안 방법

, 2002), 심부 지열에너지 개발(Battistelli, 1997) 등과 같은 심부지하에서의 복잡한 다상 다성분 유체유동 문제에 적용된 바 있으나, 압축공기에너지 지하저장에의 적용사례는 보고된 바 없다. TOUGH2 해석결과는 저장공동과 주변 콘크리트 라이닝 및 암반 온도차이에 의해 발생하는 열전달에 의한 열역학적 에너지수지분석도 가능하나 본 논문에서는 저장 공동으로부터의 압축공기 누출량 계산을 위한 질량수지분석만을 다루었다. 또한, TOUGH2는 FLAC3D(Itasca, 2009)와의 연계해석을 통해 향후 저장공동의 역학적 안정성 평가에도 확장 적용가능할 것으로 기대된다.
해석에 사용된 매질의 주요 물성은 Table 2와 같다. 기본 해석에서는 콘크리트 라이닝, 암반손상영역 및 주변 암반의 물성이 동일한 것으로 설정하였으며, 이후 해석에서는 이들 물성의 변화가 저장공동 기밀성능에 미치는 영향을 질량수지분석을 통한 공기누출량 계산을 통해 살펴보았다. 압축공기 저장공동은 반경 2.
본 연구에서는 원형 2차원 단면 형상을 가지는 지하압축공기에너지 저장공동을 대상으로 Figure 2와 같은 해석모델을 이용하여 TOUGH2 해석을 실시하였다. 원형 저장공동의 직경은 5 m, 콘크리트 라이닝 두께는 50 cm, 라이닝 배면에는 1 m의 암반손상영역(Excavation Disturbed Zone, EDZ)을 설정하였다.
본 연구에서는 이후 총 10회의 압축·저장 및 배출·팽창 과정을 반복하였다.
본 연구에서는 원형 2차원 단면 형상을 가지는 지하압축공기에너지 저장공동을 대상으로 Figure 2와 같은 해석모델을 이용하여 TOUGH2 해석을 실시하였다. 원형 저장공동의 직경은 5 m, 콘크리트 라이닝 두께는 50 cm, 라이닝 배면에는 1 m의 암반손상영역(Excavation Disturbed Zone, EDZ)을 설정하였다.
저장공동 운영 중 압력 및 온도변화를 모니터링 할 목적으로 저장공동 내부(P1), 콘크리트 라이닝 내부(P2), 암반 내부(P3)에 각각 관측점을 설정하여 시간경과에 따른 이들 변수들의 변화를 살펴보았다(Figure 2).
초기 조건 설정을 위해서 압축·저장 및 배출·팽창 과정을 반복하기 전 운영압력의 평균값에 해당하는 6.25 MPa의 압력이 저장 공동 내부에 작용하는 것으로 운영 초기조건을 재현하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 다상 다성분 열유동 거동을 모사할 수 있는 TOUGH2 프로그램을 이용하여 지하 압축공기에너지 저장공동 주변 누출 거동을 해석하고, 투과계수로 대표되는 주요 설계변수가 누출량 변화에 미치는 영향을 검토하였다. 본 해석에서는 TOUGH2 코드의 다양한 상태방정식(Equation of State, EOS) 중 물-공기를 대상으로 비등온(non-isothermal) 해석을 지원하는 EOS3 모듈을 사용하였다.

이론/모형

기본해석에서는 콘크리트 라이닝과 주변 암반의 모세관압 및 상대투과특성을 van Genuchten(1980) 함수를 이용하여 동일하게 설정하였다. van Genuchten 함수의 정의과정에 필요한 P₀ 상수는 가스침투압(air entry pressure)을나타내는 것으로 작용 공기압이 가스침투압보다 커질 때 콘크리트 라이닝 공극을 통해 급격한 공기유동이 발생하게 된다.

성능/효과

고투과성의 콘크리트 라이닝(1.0×10-16 m2)을 대상으로 콘크리트라이닝의 초기포화도가 26%(가스포화도: 74%)와 71%(가스포화도: 29%)일 때의 누출량은 각각 89.9 kg/day 및 5.51 kg/day로 1일 저장질량의 12%와 0.8%로 계산되었다.
그러나, 콘크리트 라이닝의 두께 증가에 따른 기밀성능 향상 효과는 콘크리트 라이닝의 투과계수가 암반의 투과계수보다 상대적으로 낮은 경우에만 관측되었으며 암반의 투과계수가 상대적으로 큰 경우에는(예를 들어, 고투과성의 1.0×10-16 m2의 경우), 콘크리트 라이닝 두께에 의한 누출량 변화는 크지 않았다.
본 고에서는 고유투과계수(intrinsic permeability)를 이용하여 투과특성을 표시하였는데 고유투과계수는 매질의 투과특성을 나타내는 재료상수로 매질의 공극 구조 및 연결성에 좌우될 뿐 매질을 통과하는 유체특성과는 무관하다. 따라서, 압축공기와 주변 지하수가 공존하는 저장공동 주변의 투과특성을 나타내는데 적합할 것으로 판단된다. 고유투과계수와 일반적인 투수계수 사이의 상관성 및 측정기법에 관한 내용은 김형목 외(2010)에 소개된 바 있다.
0×10^-16 m²의 경우), 콘크리트 라이닝 두께에 의한 누출량 변화는 크지 않았다. 따라서, 콘크리트 라이닝 두께보다는 투과특성의 개선을 통한 저장공동의 기밀성능 향상방안을 강구하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
8%로 계산되었다. 따라서, 콘크리트 라이닝의 수분함유량을 증가시켜 가스포화도가 감소할수록 저장공동 기밀성능이 향상됨을 알 수 있다. Figure 8은 콘크리트 라이닝의 가스 포화도의 증가에 따른 1일 누출량 계산결과를 나타낸 것으로 가스포화도 증가에 비례하여(; 콘크리트 수분함유량이 감소할수록) 저장공동으로부터의 공기누출비율이 증가함을 확인할 수 있다.
반대로, 콘크리트 라이닝의 투과계수가 큰 경우, 압축공기 누출로 인해 압축·저장-배출·팽창을 반복함에 따라 저장공동 내 압력이 점차로 감소하는 결과를 확인할 수 있다. 또한, 콘크리트 라이닝 내부압력은 저장공동 압력과 유사한 값을 보였으며 주변 암반의 압력 역시 저장공동 내부 압력과 밀접하게 연계된 거동을 보임을 알 수 있다.
0 × 10^-18 m² 이하로 시공함으로써 누기량을 1일 저장 공기질량의 1% 이하로 유지할 수 있음을 확인하였다. 또한, 콘크리트 라이닝 수분포화도를 증가시킬수록 누기량은 감소하고 저장공동 기밀성능이 향상됨을 확인하였다.
본 연구에서는 압축공기에너지 지하저장을 위한 복공식 암반공동의 기밀성능을 평가할 목적으로 TOUGH2 코드를 이용한 다상 다성분 유체 열유동해석을 수행하고, 저장공동 내부로부터 누출되는 공기량을 계산하여 주요 설계인자가 공기누출량에 미치는 영향을 파악하였다. 저장공동 내부 콘크리트 라이닝 및 주변 암반의 투과계수가 공기누출량 및 저장공동의 장기적 기밀성능에 미치는 영향이 큰 것으로 파악되었다. 예를 들어,심도 100 m에 저장공동 운영압력이 5 MPa에서 8 MPa 사이일 경우, 콘크리트 투과계수를 1.
콘크리트 라이닝 두께를 증가시킴에 따라 누출량은 1.0×10-6 kg/s에서 2.3×10-7 kg/s으로 감소하여 약 25%의 기밀성능 향상 효과를 가져왔다.
콘크리트 라이닝의 투과계수가 1.0×10-18 m2 이하일 경우, 주변 암반의 투과계수이 고투과성(1.0×10-15 m2)인경우에도 누출율이 1% 이하로 유지되는 결과를 확인할 수 있다.
Table 4는 저장공동 심도를 100 m에서 500 m로 증가시켰을 경우의 누출량 계산결과를 나타낸다. 콘크리트 라이닝의 투과특성과는 무관하게 고투과성인 경우와 저투과성 두 경우 모두에서 저장심도 증가에 따라 누출율이 약 100배 정도 감소하여 기밀성능이 향상됨을 확인하였다. 이는 저장공동 심도 증가에 비례하여주변 지하수압이 증가하고 콘크리트 라이닝 내부 모세관압(: 저장압축공기압력과 주변 지하수압의 차이)이감소함으로써 수분함유량이 증가하여 공기의 상대투과 특성이 감소하기 때문으로 판단된다.

후속연구

TOUGH2 해석결과는 저장공동과 주변 콘크리트 라이닝 및 암반 온도차이에 의해 발생하는 열전달에 의한 열역학적 에너지수지분석도 가능하나 본 논문에서는 저장 공동으로부터의 압축공기 누출량 계산을 위한 질량수지분석만을 다루었다. 또한, TOUGH2는 FLAC3D(Itasca, 2009)와의 연계해석을 통해 향후 저장공동의 역학적 안정성 평가에도 확장 적용가능할 것으로 기대된다.
압축공기 지하저장공동의 열역학적 에너지수지분석을 통한 저장효율 평가가 향후 추가적으로 수행될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 본 연구에서의 기밀성능 평가는 저장공동 내 체적이 일정한 것으로 가정하였으나, 압축공기 저장 및 배출의 반복에 따른 저장 공동의 역학적 변형과 이에 따른 콘크리트 라이닝 및 주변 암반의 투과특성 변화 등을 함께 고려함으로써 기밀성능 평가의 정밀도를 향상시킬 수 있을 것이다.
이를 통해 압축공기 주입·배출, 공동내부에서의 압축공기 유동 및 콘크리트 라이닝에의 누출에 따른 압력 및 온도변화를 동시에 모사할 수 있다. 또한, 이들 특이 요소의 공동 내부방향의 변위를 구속할 경우, 고압의 압축공기가 콘크리트 라이닝에 미치는 압력을 재현할 수 있고 이는 저장공동의 역학적 변형 및 누출거동과의 연계해석에도 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 논문에는 질량수지분석 결과만을 소개하였으나, 공기 압축과정에서는 고온의 열이 발생하기 때문에 저장 공동 내 압축공기 온도와 콘크리트 라이닝 및 주변 암반과의 온도차이에 의한 열전달을 통한 에너지손실이 발생할 수 있다. 압축공기 지하저장공동의 열역학적 에너지수지분석을 통한 저장효율 평가가 향후 추가적으로 수행될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 본 연구에서의 기밀성능 평가는 저장공동 내 체적이 일정한 것으로 가정하였으나, 압축공기 저장 및 배출의 반복에 따른 저장 공동의 역학적 변형과 이에 따른 콘크리트 라이닝 및 주변 암반의 투과특성 변화 등을 함께 고려함으로써 기밀성능 평가의 정밀도를 향상시킬 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압축공기에너지저장 기술은 어떻게 전력에너지를 공급하는가?	대용량 전력저장기술로서 잉여전력을 이용하여 전력 에너지를 압축공기로 변환하여 지하공동에 저장해 두었다가, 필요시 저장 압축공기에너지로 가스 터빈 등을 구동하여 전력에너지를 공급하는 압축공기에너지저장(compressed air energy storage, CAES) 기술이 최근 주목을 받고 있다. 압축공기를 저장하는 지하저장공동은 콘크리트 라이닝으로 대표되는 기밀시스템의 설치 유무에 따라 복공식과 무복공식으로 구분될 수 있다(김형목 외, 2009).
	독일 Huntorf와 미국 Alabama주 McIntosh는 어떤 특성으로 인해 별도의 기밀시스템을 설치하지 않고 운영이 가능했는가?	독일 Huntorf의 지하저장공동은 지하심부 약 600m에 저장용량 310,000 m3로 설치되었으며(Figure 1, Table 1), 미국 McIntosh는 심부 450 m에 500,000 m3의 저장 공동이 위치한다. 이들 저장공동은 모두 암염층에 용해채굴(solution mining)을 이용하여 형성된 공동으로 암염층의 치밀한 구조적 특성으로 별도의 기밀시스템을 설치하지 않고 운영되었다(Pepper, 2008).
	지하저장공동이 기밀시스템의 설치 유무에 따라 무엇으로 구분되는가?	대용량 전력저장기술로서 잉여전력을 이용하여 전력 에너지를 압축공기로 변환하여 지하공동에 저장해 두었다가, 필요시 저장 압축공기에너지로 가스 터빈 등을 구동하여 전력에너지를 공급하는 압축공기에너지저장(compressed air energy storage, CAES) 기술이 최근 주목을 받고 있다. 압축공기를 저장하는 지하저장공동은 콘크리트 라이닝으로 대표되는 기밀시스템의 설치 유무에 따라 복공식과 무복공식으로 구분될 수 있다(김형목 외, 2009). 복공식 압축공기 지하저장공동에서는 무복공식에서 예상되는 암반 균열을 통한 저장압축공기의 누출을 방지하기 위하여 콘크리트 라이닝을 포함한 기밀시스템을 설치하여 기밀성을 담보하고 동시에 저장공동의 역학적 안정성을 도모하게 된다.

참고문헌 (14)

김택곤, 김지연, 이진무, 2008, 압축공기에너지 저장(CAES) 의 현황과 전망, 한국암반공학회 춘계학술대회논문집, pp. 123-131.
김형목, 류동우, 정소걸, 송원경, 2009, 일본의 압축공기 지하저장 기술, 2009년 한국암반공학회 춘계학술발표회논문집, pp. 9-19.
김형목, 류동우, 신중호, 송원경, 2010, 모형실험을 통한 콘크리트 블록 및 시공이음부의 기밀성 측정, 터널과 지하공간.
박완문, 이경북, 정훈영, 송원경, 류동우, 김형목, 최종근, 2010, 압축공기저장시설의 국내적용을 위한 지하공동의 기밀성 분석, 한국지구시스템공학회지, 47(1), pp. 17-25.
이연규, 박경순, 송원경, 박철환, 최병희, 2009, 압축공기 저장용 터널에 설치된 콘크리트 라이닝의 안정성 해석, 터널과 지하공간, 19(6), pp. 498-506.

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Battistelli, A., Calore, C., Pruess, K., 1997, The simulator TOUGH2/EWASG for modelling geothermal reservoirs with brines and non-condensible gas, Geothermics, Vol. 26(4), pp. 437-464.

상세보기
Itasca, FLAC3D, Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions, Version 4.0. Minneapolis, Minnesota, Itasca Consulting Group, pp. 438. 2009.
Jessica, L. N., 2006, Reservoir Simulation of Combined Wind Energy and Compressed Air Energy Storage in Different Geologic Settings, MS Thesis, Colorado School of Mines, USA.
Navarro, V., Yustres, A., Cea, L. Candel, M. Juncosa, R. and Delgado, J., 2006, Characterization of the water flow through concrete based on parameter estimation from infiltration tests, Cement and Concrete Research 36, pp. 1575-82.

상세보기
Pepper, D., Utility Power Storage Technologies, BCC Research, 2008.
Pruess, K., Oldenburg, C. and Moridis, G., TOUGH2 User's Guide Version 2.0, LBNL-43134, 1999.
Pruess, K. Spycher, N., 2006, ECO2N-A new TOUGH2 fluid property module for studies of CO2 storage in saline aquifers, Proceedings of TOUGH Symposium, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California, May 15-17, 2006, pp. 1-7.
Van Genuchten, M. T., A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils, Soil Sci Soc Am J 44 (1980), pp. 892-898.

상세보기
Wu, Y. S., Pan, L., Zhang, W. and Bodvarsson, G. S., 2002, Characterization of Flow and Transport Processes within the Unsaturated Zone of Yucca Mountain, Nevada." Journal of Contaminant Hydrology 54, pp. 215-247.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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