본 연구에서는 TOUGH2-FLAC3D 연계해석기법을 이용하여 암반공동에 고온의 열에너지를 30년간 저장하는 경우 주변 암반에 야기되는 열-수리-역학적 연계거동을 살펴보았다. 열에너지저장에 따른 암반의 거동 특성 및 환경 영향을 예측하고 이에 대한 제어기준을 수립하기 위한 기초 연구로서, 저장소 주변 암반에서 발생하는 열-수리 흐름과 역학적 거동의 상호작용에 대하여 검토하였다. 기본해석으로서 결정질 암반 내 원통형 공동에$350^{\circ}C$의 대용량 열에너지를 저장하는 경우를 모델링하였으며, 열에너지저장소의 단열성능은 고려하지 않았다. 암반 내 열전달의 주요 메카니즘은 암반의 전도에 의한 것으로 판단되며, 암반의 역학적 거동은 수리적 요소보다는 열적 요소에 지배적인 영향을 받는 것으로 나타났다. 암반과 지하수 가열에 따른 유효응력 재분포 양상과 열팽창으로 인한 암반 변위 및 지표 융기를 검토하였으며, 주변 암반에서의 전단파괴 위험도를 정량적인 수치를 통해 제시하였다. 암반 가열에 따른 열팽창으로 인하여 지표면에서 수 cm의 융기가 발생하였으며, 저장공동 상부에 인장응력이 크게 발달하면서 전단파괴의 위험도가 증가하는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 TOUGH2-FLAC3D 연계해석기법을 이용하여 암반공동에 고온의 열에너지를 30년간 저장하는 경우 주변 암반에 야기되는 열-수리-역학적 연계거동을 살펴보았다. 열에너지저장에 따른 암반의 거동 특성 및 환경 영향을 예측하고 이에 대한 제어기준을 수립하기 위한 기초 연구로서, 저장소 주변 암반에서 발생하는 열-수리 흐름과 역학적 거동의 상호작용에 대하여 검토하였다. 기본해석으로서 결정질 암반 내 원통형 공동에$350^{\circ}C$의 대용량 열에너지를 저장하는 경우를 모델링하였으며, 열에너지저장소의 단열성능은 고려하지 않았다. 암반 내 열전달의 주요 메카니즘은 암반의 전도에 의한 것으로 판단되며, 암반의 역학적 거동은 수리적 요소보다는 열적 요소에 지배적인 영향을 받는 것으로 나타났다. 암반과 지하수 가열에 따른 유효응력 재분포 양상과 열팽창으로 인한 암반 변위 및 지표 융기를 검토하였으며, 주변 암반에서의 전단파괴 위험도를 정량적인 수치를 통해 제시하였다. 암반 가열에 따른 열팽창으로 인하여 지표면에서 수 cm의 융기가 발생하였으며, 저장공동 상부에 인장응력이 크게 발달하면서 전단파괴의 위험도가 증가하는 것으로 나타났다.
The thermal-hydrological-mechanical (T-H-M) behavior of rock mass surrounding a high-temperature cavern thermal energy storage (CTES) operated for a period of 30 years has been investigated by TOUGH2-FLAC3D simulator. As a fundamental study for the development of prediction and control technologies ...
The thermal-hydrological-mechanical (T-H-M) behavior of rock mass surrounding a high-temperature cavern thermal energy storage (CTES) operated for a period of 30 years has been investigated by TOUGH2-FLAC3D simulator. As a fundamental study for the development of prediction and control technologies for the environmental change and rock mass behavior associated with CTES, the key concerns were focused on the hydrological-thermal multiphase flow and the consequential mechanical behavior of the surrounding rock mass, where the insulator performance was not taken into account. In the present study, we considered a large-scale cylindrical cavern at shallow depth storing thermal energy of $350^{\circ}C$. The numerical results showed that the dominant heat transfer mechanism was the conduction in rock mass, and the mechanical behavior of rock mass was influenced by thermal factor (heat) more than hydrological factor (pressure). The effective stress redistribution, displacement and surface uplift caused by heating of rock and boiling of ground-water were discussed, and the potential of shear failure was quantitatively examined. Thermal expansion of rock mass led to the ground-surface uplift on the order of a few centimeters and the development of tensile stress above the storage cavern, increasing the potential of shear failure.
The thermal-hydrological-mechanical (T-H-M) behavior of rock mass surrounding a high-temperature cavern thermal energy storage (CTES) operated for a period of 30 years has been investigated by TOUGH2-FLAC3D simulator. As a fundamental study for the development of prediction and control technologies for the environmental change and rock mass behavior associated with CTES, the key concerns were focused on the hydrological-thermal multiphase flow and the consequential mechanical behavior of the surrounding rock mass, where the insulator performance was not taken into account. In the present study, we considered a large-scale cylindrical cavern at shallow depth storing thermal energy of $350^{\circ}C$. The numerical results showed that the dominant heat transfer mechanism was the conduction in rock mass, and the mechanical behavior of rock mass was influenced by thermal factor (heat) more than hydrological factor (pressure). The effective stress redistribution, displacement and surface uplift caused by heating of rock and boiling of ground-water were discussed, and the potential of shear failure was quantitatively examined. Thermal expansion of rock mass led to the ground-surface uplift on the order of a few centimeters and the development of tensile stress above the storage cavern, increasing the potential of shear failure.
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문제 정의
6과는 상이한 포화도 및 압력 분포를 보일 수 있다. 그러나 장기적인 관점에서 주변 암반과 지표 부근의 역학적 거동 및 열-수리적 환경 변화가 공동 주변의 거동보다는 암반 및 지하수를 통한 열전파 특성에 지배적인 영향을 받는다는 점을 고려할 때, 본 연구를 통해 열에너지 저장소 주변 암반에서 발생가능한 열-수리-역학적 연계거동의 일반적인 특징에 대해 살펴볼 수 있었다. 열에너지 저장 공동 자체의 안정성 평가를 위해서는 향후 암반 조건과 열에너지저장소의 설계조건(저장온도, 저장심도, 열저장매질, 열회수방식, 단열조건)에 따른 보다 합리적인 경계조건 설정 및 모델링이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 TOUGH2-FLAC3D 연계해석기법을 통하여 350℃의 열에너지를 심도 50 m의 암반공동에 30년간 저장하는 경우, 주변 암반의 열-수리적 흐름 및 역학적 거동 특성을 살펴보고, 향후 열에너지저장소의 설계조건과 암반 조건에 따른 환경영향 범위 예측 및 제어기준 수립에 이를 활용하고자 하였다.
본 연구에서는 강도-응력비(strength-stress ratio)를통해 주변 암반의 전단파괴에 대한 위험도를 살펴보았다. 여기서 강도-응력비는 해석모델의 각 요소에 작용하는 최소유효주응력의 크기를 σ'본 연구에서는 이를 위한 기초연구로서 천부의 암반 공동에 350℃의 대용량 열에너지를 30년간 저장 운영하는 경우를 수치적으로 모델링하고 이에 따라 주변 암반에서 발생하는 열-수리-역학적 연계거동을 살펴보았다. 지하수의 다상 유동과 암반 내 열흐름 해석을 위해 TOUGH2의 EOS4(equation of state 4) 모듈(Pruess etal.
본 연구에서는 천부 암반에 고온의 열에너지저장소를 30년간 운영하는 경우를 모델링하고 비정상상태해석(transient state analysis)을 통해 시간의 경과에 따른 주변 암반의 열-수리 유동 특성 및 역학적 거동을 살펴보았다. 여기에서는 열에너지 저장소 주변 암반의 열-수리-역학적 복합거동에 대한 이해 증진을 목적으로 단열성능을 고려하지 않은 안전측 해석을 실시하였고, 저장소의 규모와 형상은 Park et al.
본 절에서는 열에너지저장소 주변 암반의 열-수리적 거동으로서 30년간의 운영에 따른 암반의 온도, 압력, 포화도 등의 변화를 살펴보았다. Fig.
본 절에서는 열에너지저장소 주변에서 압력과 열응력 발생 등으로 인해 야기되는 유효응력 변화와 변위 발생 양상 등 암반의 역학적 거동에 대하여 논의하였다. 저장 공동 주변에서는 암반이 가열되고 지하수가 기화하면서, 열응력에 의한 유효응력 증가와 수증기 발생에 따른 유효응력 감소(압력 증가)가 동시에 발생하게 된다.
여기에서는 저장공동 자체의 안정성보다는 열에너지저장으로 인해 주변 암반에 발생하는 열-수리적 변화와 역학적 거동을 예측하는 데에 주목적을 두었으며, 기초해석 케이스로서 단열성능을 고려하지 않았다. 해석상에서 열에너지저장소는 열원으로서 기능하며, 불투수성 탄성모델을 가정하였으므로 공동과 매우 인접한 영역에서의 해석결과는 실제 현상과 다소 차이를 보일 수 있다.
열에너지저장소에 해당하는 요소들의 경우, 열-수리해석 시 일정온도(350℃)를 유지하는 불투수성 열원으로서만 기능하며, 역학적 물성이 암반과 동일한 탄성모델을 부여하였다. 일반적인 암반공동 안정성 평가에서는 시공 과정과 배수 특성을 고려하여 공동 내부에 null 모델을 사용하거나 대기압 조건 등을 설정하는 것이 바람직하나, 본 연구에서는 암반공동 자체의 안정성이 아닌 열에너지저장으로 인한 주변 암반의 열-수리 환경변화와 역학적 거동 분석에 주목적을 두고 해석대상을 가급적 단순화하여 모델링하고자 하였다.
가설 설정
암반의 변형계수는 Hoek et al.(2002)의 식을 통해 계산하였으며, 암반 굴착으로 인한 손상이 거의 발생하지 않은 것으로 가정하여 손상계수(D,disturbance factor) 0을 적용하였다. 열적․수리적 입력 물성은 여러 참고문헌(Waples and Waples, 2004, Jaeger et al.
여기에서는 열에너지 저장소 주변 암반의 열-수리-역학적 복합거동에 대한 이해 증진을 목적으로 단열성능을 고려하지 않은 안전측 해석을 실시하였고, 저장소의 규모와 형상은 Park et al.(2014)의 연구를 참고로, 높이와 직경이 각각 50 m, 20 m인 원통형을 가정하였다. 그들의 연구에서는 100 MW급 A-CAES(adiabatic compressed air energy storage) 발전을 위한 열에너지저장모델로, 주입과 토출(thermal charging and discharging)에 따라 저장소 내 온도가 20～685℃ 범위 내에서 반복적으로 변화하는 시스템을 고려하였으나, 본 연구에서는 열에너지저장소 내부에 이상적인 열성층화(thermalstratification)가 유지되는 것으로 가정하여 평균 온도에 가까운 350℃를 저장온도로 결정하였다.
OAA’ 평면, OBB’ 평면, AA’B’B 평면, 하부경계면에 대한 열-수리 경계조건으로는 수직 방향으로의 질량 유동･열유동 유속(flux)이 제로인 Neumann 조건을 적용하였고, 상부경계는 대기 조건으로서 일정한 온도(15℃)와 압력(대기압, 0.103 MPa)이 유지되는 것으로 가정하였다.
(2014)의 연구를 참고로, 높이와 직경이 각각 50 m, 20 m인 원통형을 가정하였다. 그들의 연구에서는 100 MW급 A-CAES(adiabatic compressed air energy storage) 발전을 위한 열에너지저장모델로, 주입과 토출(thermal charging and discharging)에 따라 저장소 내 온도가 20～685℃ 범위 내에서 반복적으로 변화하는 시스템을 고려하였으나, 본 연구에서는 열에너지저장소 내부에 이상적인 열성층화(thermalstratification)가 유지되는 것으로 가정하여 평균 온도에 가까운 350℃를 저장온도로 결정하였다.
암반의 역학적 물성은 RMR(rock mass rating)과 GSI(geological strength index)가 50과 45인 보통암을 가정해 산정하였으며, 파괴기준으로서 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였다. 암반의 변형계수는 Hoek et al.
TOUGH2 해석에서 수리적 파라미터는 FLAC3D 계산의 유효응력 정보와 연계모듈을 통해 매 time step마다 갱신된다. 이때 역학적 변화가 열적 거동에 미치는 영향은 무시할 수 있는 것으로 가정한다.
지하수위는 지표면과 동일한 것으로 가정하였으며, 암반의 투수계수는 결정질 암반을 가정하여 국내에 주로 분포하는 화강암의 투수계수인 10-17m2을 적용하였다. Jaeger et al.
한편, 역학적 해석의 경계조건으로서 AA’B’B 평면과 하부경계면의 자유도는 모두 구속된 것으로 가정하였고, OAA’ 평면, OBB‘ 평면의 절점에서는 수직 방향 변위만이 허용된다. 측압비는 1.0을 적용하였으며, 지상설비 접근성과 시공 경제성을 고려하여 토피고가 50 m인 비교적 천부 암반에 저장소가 위치하는 것으로 가정하였다.
한편, 역학적 해석의 경계조건으로서 AA’B’B 평면과 하부경계면의 자유도는 모두 구속된 것으로 가정하였고, OAA’ 평면, OBB‘ 평면의 절점에서는 수직 방향 변위만이 허용된다.
제안 방법
103 MPa)이 유지되는 것으로 가정하였다. 해석영역의 초기조건은 심도에 따른 온도와 압력증가율이 각각 0.025℃/km, 10 MPa/km이 되도록 정상상태해석(steady state analysis)를 수행하여 설정하였다. 한편, 역학적 해석의 경계조건으로서 AA’B’B 평면과 하부경계면의 자유도는 모두 구속된 것으로 가정하였고, OAA’ 평면, OBB‘ 평면의 절점에서는 수직 방향 변위만이 허용된다.
대상 데이터
시간의 경과에 따른 주변 암반의 거동 관찰을 위하여 열에너지저장소 주변과 지표면 부근에 총 8개의 모니터링 지점을 선정하였으며, Fig. 2에 각 모니터링 지점의 위치가 표시되어 있다. P1와 P2는 각각 저장소의 상부 벽면과 하부벽면에서 수직방향으로 5 m 이격된 지점이며, P3와 P4는 저장소 측벽에서 수평방향으로 각각 5,50 m 이격된 지점이다.
이론/모형
, 1999)을 이용하였으며, 이에 따른 역학적 거동 해석을 위하여 Rutqvist et al.(2002)이 개발한 TOUGH2-FLAC3D 연동 해석기법을 이용하였다.
열적․수리적 입력 물성은 여러 참고문헌(Waples and Waples, 2004, Jaeger et al., 2007, Siegesmund and Dürrast, 2011)을 토대로, 화강암에 대한 일반적인 범위에서 결정하였고 투수계수함수(relative permeability function)와 모세관압함수(capillary pressure function)는 각각 van Genuchten -Mualem model(Mualem, 1976, van Genuchten, 1980, Pruess et al., 1999)과 van Genuchten model(van Genuchten, 1980, Pruess et al., 1999)을 적용하였다.
성능/효과
1 이하로 감소하였으며, 이는 공극 내 온도와 압력 조건이 비등점에 도달하게 되어 지하수가 수증기로 기화되었음을 의미한다. 공극 내 전체 압력은 지하수의 상(phase)에 따른 포화도와 압력에 따라 계산되는데, 수증기압 증가로 인해 공동 주변 압력이 30년 경과 시 최대 4.8 MPa(공동 측벽 부근)을 나타냄을 확인할 수 있다. 참고로, 해석 모델의 지하수위는 지표면과 동일한 것으로 가정하였으므로 공동 주변 초기압력은 0.
3)와 같이 저장 공동을 중심으로 한 방사 방향으로 발달하는 것으로 나타났으나, 공동 상부에서는 비교적 낮은 수준의 압축응력이 지표면과 평행한 방향으로 발달하였다. 공동 상부 지표면 부근에서는 인장응력(최대 2.9 MPa)이 최소주응력으로 작용하는 것으로 나타났으며, 암반 내 열팽창에 의한 융기로 인해 지표면과 수직한 방향으로 발달하는 것을 확인할 수 있다. 지표면 부근(심도 5 m)에서 30년간 융기량이 최대 75 mm인 것으로 해석되었고, 공동 중심으로부터 수평 이격거리가 136 m에 달하는 지역까지 10mm 이상의 융기가 발생하는 것으로 나타났다.
비교적 낮은 투수계수를 갖는 결정질 암반을 가정할 때, 저장공동 주변의 열흐름은 방사형으로 발생하며, 공동 주변의 온도, 압력 및 기체 포화도가 증가하는 경향을 보였다. 공동 주변에서는 지하수의 기화에 따른 수증기압과 온도 상승으로 인한 열응력이 동시에 증가하게 되며, 유효응력을 포함한 역학적 거동 특성은 기화나 다상유동과 같은 수리적 변화보다는 암반 온도 상승으로 인한 응력 재배치에 더 직접적인 영향을 받는 것으로 나타났다. 암반 내 주요 열전달은 암반 자체의 전도에 의해 일어나는 것으로 판단되며, 지하수로 인한 영향은 크지 않았다.
3은 열에너지저장소 운영 후 1년, 3년, 30년 경과 시 주변 암반의 온도분포를 나타낸 것으로 시간의 경과에 따라 저장소를 중심으로 방사형 열흐름이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 단열성능을 고려하지 않았으므로 저장소 부근의 암반 온도가 200℃ 이상 고온으로 증가하는 것으로 나타났다. 암반 온도가 100℃ 이상으로 증가한 지점과 저장소의 최대 이격거리는 운영 후 1년, 3년, 30년 경과 시 각각 약 7.
시간의 경과에 따라 최소주응력은 압축응력에서 인장응력으로 전환되며, P5, P6, P7 지점에서 각각 운영 후 약 3년, 5년, 20년 경과 시 전단파괴에 도달하여 소성영역이 발생하였다. 본 연구에서는 암반의 인장강도를 5.0 MPa로 설정하였는데, 해석상에서 최소주응력이 모두 -3.0MPa 이상인 것으로 예측되어(Fig. 10(b)) 인장파괴 발생지점은 관찰되지 않았다.
비교적 낮은 투수계수를 갖는 결정질 암반을 가정할 때, 저장공동 주변의 열흐름은 방사형으로 발생하며, 공동 주변의 온도, 압력 및 기체 포화도가 증가하는 경향을 보였다. 공동 주변에서는 지하수의 기화에 따른 수증기압과 온도 상승으로 인한 열응력이 동시에 증가하게 되며, 유효응력을 포함한 역학적 거동 특성은 기화나 다상유동과 같은 수리적 변화보다는 암반 온도 상승으로 인한 응력 재배치에 더 직접적인 영향을 받는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 단열성능을 고려하지 않았으므로 저장소 부근의 암반 온도가 200℃ 이상 고온으로 증가하는 것으로 나타났다. 암반 온도가 100℃ 이상으로 증가한 지점과 저장소의 최대 이격거리는 운영 후 1년, 3년, 30년 경과 시 각각 약 7.5, 12.5, 27.0 m로 나타났으며, 암반 온도가 200℃ 이상으로 증가한 지점의 경우, 약 3.0, 5.0, 10.0 m인 것으로 해석되었다. 지표면 부근에서는 운영 3년이 경과된 시점까지 큰 온도 변화를 보이지 않는 것으로 나타났으며, 저장소 상부에서는 대기경계의 일정온도(15°C) 조건으로 인해 상대적으로 급한 온도 구배를 보였다.
9는 TOUGH2 해석과 TOUGH2-FLAC3D 연동 해석을 통해 얻어진 해석결과를 보여주는 것으로, 모니터링 지점 P3에서의 온도, 압력, 기체포화도(gas saturation) 분포를 나타낸다. 운영 초기에는 각 파라미터가 거의 동일한 결과를 보였으나, 시간의 경과에 따라 역학적 거동을 고려하지 않는 경우(TOUGH2)의 온도, 압력, 기체포화도가 상대적으로 높게 평가되고 있음을 확인할 수 있다. 역학적 거동을 고려하는 경우(TOUGH2-FLAC3D), 열응력에 의한 유효응력 증가로 인해 투수계수와 공극률이 감소하고, 이에 따라 열흐름과 압력 증가가 지연되면서 기체포화도가 낮아지게 되는 것으로 사료된다.
위 결과를 종합하여 살펴보면, 열응력에 의해 저장공동 주변에서 최대주응력과 최소주응력이 모두 증가하는 경향을 보였고, 운영 후 30년 경과 시 각각 최대 21.0MPa과 12.4 MPa를 나타내었다. 최대주응력의 경우, 전반적으로 열흐름 분포(Fig.
103MPa인 대기 조건에서와 달리 암반 내에서는 지하수의 기화가 100℃ 이상의 온도에서 발생하게 된다. 저장 공동 주변에서 시간의 경과에 따라 온도와 수증기압이 증가하고 이에 따라 비등점이 연쇄적으로 높아지게 되므로, 고온(350℃)의 열에너지를 저장함에도 불구하고, 주변 암반 내 지하수의 기화 발생 범위는 공동벽면에서 불과 10 m 미만인 것으로 나타났다.
4는 각 모니터링 지점에서 운영 기간의 경과에 따른 온도 변화를 보여준다. 저장 공동과 인접한 P1, P2, P3 지점의 온도는 운영 초기(5년 이내), 급격히 증가하여 10년 이후 수렴하는 경향을 보였고, 공동 측벽부와 50 m 이격거리에 있는 P4 지점에서는 5년 후부터 온도가 서서히 증가하여 30년 경과 시에는 약 50℃를 나타내었다. 지표면 부근에서는 운영 초기 거의 온도변화를 보이지 않다가 약 2년 경과 시부터 온도가 상승하여 운영 종료 시 최대 25.
단위는 모두 Pa이며, 응력 분포도에서 양의 부호는 압축응력을 의미한다. 저장공동을 중심으로 응력과 압력이 모두 증가함을 확인할 수 있고, 평균 전응력과 평균 유효응력의 최대 증가량은 측벽부에서 각각 18.4, 14.8 MPa로 나타났다. 지하수의 기화(Fig.
저장소와 인접한 P1, P2, P3 지점들의 경우 열응력증가로 인해 최대주응력과 최소주응력이 함께 증가하였고, 최소주응력에 비해 최대주응력의 증가폭이 더 크게 나타났다. 저장소 상부의 P1 지점에서는 최소주응력이 증가하다가 2.5～3년 경과 시 감소하면서 파괴포락선에 근접하는 경향을 보였는데, 이 시점에서 지표 부근의 융기와 함께 최소주응력 방향이 지표면과 평행한 방향에서 수직한 방향으로 전환되는 현상을 확인할 수 있었다. P4 지점에서는 최소주응력이 서서히 감소하다가 운영 후 5년 경과 시부터 암반 온도 상승(Fig.
저장소와 인접한 P1, P2, P3 지점들의 경우 열응력증가로 인해 최대주응력과 최소주응력이 함께 증가하였고, 최소주응력에 비해 최대주응력의 증가폭이 더 크게 나타났다. 저장소 상부의 P1 지점에서는 최소주응력이 증가하다가 2.
4)과함께 다시 증가하는 경향을 보였다. 전반적으로 암반 공동 주변에서 최대주응력은 온도 증가와 함께 지속적으로 상승하는 경향을 보였지만, 최소주응력은 차등적 열팽창으로 인한 변위 발생으로 인해 크기와 방향에 큰 영향을 받는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 지표면 부근의 모니터링 지점들(P5～P8)에서는 얕은 심도에 따라 초기 응력이 낮고, 온도 증가량이 크지 않아 최대주응력은 소폭 상승하는 경향을 보였으나, 암반의 수직 팽창에 따라 최소주응력이 크게 감소하면서 파괴포락선에 근접하는 현상을 뚜렷이 관찰할 수 있다.
암반 내 주요 열전달은 암반 자체의 전도에 의해 일어나는 것으로 판단되며, 지하수로 인한 영향은 크지 않았다. 지표 부근의 온도는 초기 15℃에서 운영 후 30년 경과 시 26.5℃까지 증가하는 것으로 나타났으며, 지표 융기량은 약 76 mm로 해석되었다. 저장소 주변에서 열응력의 증가로 인한 응력/강도비(안전율) 감소, 열팽창으로 인한 유효응력 증가와 수직팽창 등 역학적 안정성이 현저히 감소하는 것으로 나타났으며, 향후 설계 단계에서 입지조건에 특성화된 열-수리-역학적 연계거동 예측과 안정성 평가가 반드시 필요할 것으로 판단된다.
9 MPa)이 최소주응력으로 작용하는 것으로 나타났으며, 암반 내 열팽창에 의한 융기로 인해 지표면과 수직한 방향으로 발달하는 것을 확인할 수 있다. 지표면 부근(심도 5 m)에서 30년간 융기량이 최대 75 mm인 것으로 해석되었고, 공동 중심으로부터 수평 이격거리가 136 m에 달하는 지역까지 10mm 이상의 융기가 발생하는 것으로 나타났다.
10을 살펴보면, 저장공동 주변으로는 높은 열응력으로 인해 최대주응력과 최소주응력이 함께 증가하여 축차 응력이 상대적으로 작은 반면, 공동 상부 지표 부근이나 측벽부에서 약 15～30 m 이격거리를 갖는 영역에서는 최대주응력과 최소주응력이 큰 차이를 보임을 확인할 수 있다. 지표면 부근에서는 시간의 경과에 따라 전단파괴에 취약한 지점이 확대되며, 운영 후 30년 경과 시에는 저장공동 중심으로부터의 수평 이격거리가 약 83.5 m 이내인 영역에서 강도-응력비가 1.5 이하의 낮은 수치로 나타났다.
8 MPa로 나타났다. 지하수의 기화(Fig. 5)로 인해 저장공동 주변의 압력이 증가하지만, 측벽부에서 최대 4.0 MPa의 비교적 낮은 변화량을 보였으며, 암반 내 유효응력의 변화가 대부분 열응력의 증가에 기인함을 확인할 수 있었다.
여기에서는 저장공동 자체의 안정성보다는 열에너지저장으로 인해 주변 암반에 발생하는 열-수리적 변화와 역학적 거동을 예측하는 데에 주목적을 두었으며, 기초해석 케이스로서 단열성능을 고려하지 않았다. 해석상에서 열에너지저장소는 열원으로서 기능하며, 불투수성 탄성모델을 가정하였으므로 공동과 매우 인접한 영역에서의 해석결과는 실제 현상과 다소 차이를 보일 수 있다. 예를 들면, 열저장매질과 공동내벽 사이에 공기층이 존재하는 경우 암반의 열팽창으로 인해 공동 내부로의 변위가 Fig.
후속연구
단열재를 고려하는 경우 암반 및 지표면 부근의 온도 상승을 현저히 저하시킬 수 있을 것으로 기대되나, 이를 위해 장기적 관점에서의 단열성능이 확보될 필요가 있다. 또한, 본 연구에서는 결정질 암반에 대한 연속체 해석을 수행하였으나 실제 암반 내 지하수의 흐름이 주로 불연속면을 통해 이루어진다는 점을 고려할 때, 향후 현장부지의 파쇄대 및 지하수 조건에 대한 면밀한 조사를 바탕으로 불연속 암반 내열-수리 유동 특성을 합리적으로 반영할 수 있는 수치모델링 개발이 병행되어야 할 것이다.
그러나 장기적인 관점에서 주변 암반과 지표 부근의 역학적 거동 및 열-수리적 환경 변화가 공동 주변의 거동보다는 암반 및 지하수를 통한 열전파 특성에 지배적인 영향을 받는다는 점을 고려할 때, 본 연구를 통해 열에너지 저장소 주변 암반에서 발생가능한 열-수리-역학적 연계거동의 일반적인 특징에 대해 살펴볼 수 있었다. 열에너지 저장 공동 자체의 안정성 평가를 위해서는 향후 암반 조건과 열에너지저장소의 설계조건(저장온도, 저장심도, 열저장매질, 열회수방식, 단열조건)에 따른 보다 합리적인 경계조건 설정 및 모델링이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
5℃까지 증가하는 것으로 나타났으며, 지표 융기량은 약 76 mm로 해석되었다. 저장소 주변에서 열응력의 증가로 인한 응력/강도비(안전율) 감소, 열팽창으로 인한 유효응력 증가와 수직팽창 등 역학적 안정성이 현저히 감소하는 것으로 나타났으며, 향후 설계 단계에서 입지조건에 특성화된 열-수리-역학적 연계거동 예측과 안정성 평가가 반드시 필요할 것으로 판단된다. 단열재를 고려하는 경우 암반 및 지표면 부근의 온도 상승을 현저히 저하시킬 수 있을 것으로 기대되나, 이를 위해 장기적 관점에서의 단열성능이 확보될 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
에너지저장시스템 개발은 신재생에너지원의 어떤 점을 보완할 수 있는가?
효율적인 에너지저장시스템(energy storage system, ESS)의 개발은 신재생에너지원의 간헐성과 가변성을 보완하여 에너지의 이용효율 및 수급 탄력성을 향상시킬 수 있다는 점에서 새로운 에너지원을 발굴하는 일만큼 중요하다. 열에너지저장(thermal energy storage, TES)은 태양열, 지열, 산업폐열과 같은 열원 기반의 에너지를 다른 형태로 변환하지 않고 저장하였다가 소비처의 용도에 따라 냉난방용 열원으로 공급하거나 전력 생산에 활용하는 것을 의미한다.
열에너지저장이란?
효율적인 에너지저장시스템(energy storage system, ESS)의 개발은 신재생에너지원의 간헐성과 가변성을 보완하여 에너지의 이용효율 및 수급 탄력성을 향상시킬 수 있다는 점에서 새로운 에너지원을 발굴하는 일만큼 중요하다. 열에너지저장(thermal energy storage, TES)은 태양열, 지열, 산업폐열과 같은 열원 기반의 에너지를 다른 형태로 변환하지 않고 저장하였다가 소비처의 용도에 따라 냉난방용 열원으로 공급하거나 전력 생산에 활용하는 것을 의미한다. 대용량의 열에너지를 저장하는 시스템의 경우 철재컨테이너와 같은 지상탱크나 암반 내 지하공간이 활용될 수 있으며 후자를 지하 열에너지저장(underground thermal energy storage, UTES)이라고 한다.
CTES의 암반공동이 지상식저장소에 비해 유리한 점은?
(2013)과 Park et al.(2014)의 연구에 따르면, 열에너지저장소의 장기운영 시 암반공동이 지상식 저장소에 비하여 열성층화(thermal stratification) 및 열손실 측면에서 유리한 조건을 갖는 것으로 알려져 있다. 그러나 CTES는 높은 초기 건설비용과 환경 영향에 대한 우려 등으로 인해 스웨덴 Lyckebo 지역의 난방용 열수 저장시설(SKANSKA, 1983)을 제외하면 적용사례를 찾아보기 어렵고, 국내외적으로 100℃ 이상의 고온 열에너지저장을 위한 운영시스템, 단열시스템 등에 대해서는 초기 연구단계에 있다고 할 수 있다.
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