암반 공동 열에너지저장소 주변 암반의 수리적 조건에 따른 열-수리-역학적 연계거동 분석 Effects of Hydrological Condition on the Coupled Thermal-Hydrological-Mechanical Behavior of Rock Mass Surrounding Cavern Thermal Energy Storage원문보기
본 연구에서는 천부의 암반 공동에 대용량 고온의 열에너지를 저장하는 경우 주변 암반에 야기되는 열-수리-역학적 연계거동을 살펴보고, 이에 지하수위와 암반 투수계수 등 수리적 조건이 미치는 영향을 검토하였다. 해석대상을 투수계수가 비교적 낮은 수준($10^{-17}m^2$)인 결정질 암반으로 가정할 때 열에너지 저장으로 인한 암반 거동에 지하수가 미치는 영향은 크지 않을 것으로 예측되었다. 저장 공동이 지하수위 하부에 위치하는 경우의 온도, 주응력, 변위 분포 등은 저장공동이 불포화대에 위치하는 경우와 거의 동일하게 나타났다. 암반내 열전달 특성은 암반의 투수계수에 매우 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 암반의 투수계수를 $10^{-15}m^2$ 이하로 가정한 경우 열전달은 주로 암반에 전도에 의한 것으로 판단할 수 있었으나, 투수계수를 $10^{-12}m^2$으로 가정하는 경우 지하수 대류에 의한 상향 열유동이 뚜렷이 관찰되었다. 암반 투수계수의 크기에 따라 열수의 대류나 비등으로 인한 상변화 등 복합적인 유동 특성을 나타났으며, 온도, 압력, 포화도 분포가 상이하게 발달하였다.
본 연구에서는 천부의 암반 공동에 대용량 고온의 열에너지를 저장하는 경우 주변 암반에 야기되는 열-수리-역학적 연계거동을 살펴보고, 이에 지하수위와 암반 투수계수 등 수리적 조건이 미치는 영향을 검토하였다. 해석대상을 투수계수가 비교적 낮은 수준($10^{-17}m^2$)인 결정질 암반으로 가정할 때 열에너지 저장으로 인한 암반 거동에 지하수가 미치는 영향은 크지 않을 것으로 예측되었다. 저장 공동이 지하수위 하부에 위치하는 경우의 온도, 주응력, 변위 분포 등은 저장공동이 불포화대에 위치하는 경우와 거의 동일하게 나타났다. 암반내 열전달 특성은 암반의 투수계수에 매우 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 암반의 투수계수를 $10^{-15}m^2$ 이하로 가정한 경우 열전달은 주로 암반에 전도에 의한 것으로 판단할 수 있었으나, 투수계수를 $10^{-12}m^2$으로 가정하는 경우 지하수 대류에 의한 상향 열유동이 뚜렷이 관찰되었다. 암반 투수계수의 크기에 따라 열수의 대류나 비등으로 인한 상변화 등 복합적인 유동 특성을 나타났으며, 온도, 압력, 포화도 분포가 상이하게 발달하였다.
The thermal-hydrological-mechanical (T-H-M) behavior of rock mass surrounding a large-scale high-temperature cavern thermal energy storage (CTES) at a shallow depth has been investigated, and the effects of hydrological conditions such as water table and rock permeability on the behavior have been e...
The thermal-hydrological-mechanical (T-H-M) behavior of rock mass surrounding a large-scale high-temperature cavern thermal energy storage (CTES) at a shallow depth has been investigated, and the effects of hydrological conditions such as water table and rock permeability on the behavior have been examined. The liquid saturation of ground water around a storage cavern may have a small impact on the overall heat transfer and mechanical behavior of surrounding rock mass for a relatively low rock permeability of $10^{-17}m^2$. In terms of the distributions of temperature, stress and displacement of the surrounding rock mass, the results expected from the simulation with the cavern below the water table were almost identical to that obtained from the simulation with the cavern in the unsaturated zone. The heat transfer in the rock mass with reasonable permeability ${\leq}10^{-15}m^2$ was dominated by the conduction. In the simulation with rock permeability of $10^{-12}m^2$, however, the convective heat transfer by ground-water was dominant, accompanying the upward heat flow to near-ground surface. The temperature and pressure around a storage cavern showed different distributions according to the rock permeability, as a result of the complex coupled processes such as the heat transfer by multi-phase flow and the evaporation of ground-water.
The thermal-hydrological-mechanical (T-H-M) behavior of rock mass surrounding a large-scale high-temperature cavern thermal energy storage (CTES) at a shallow depth has been investigated, and the effects of hydrological conditions such as water table and rock permeability on the behavior have been examined. The liquid saturation of ground water around a storage cavern may have a small impact on the overall heat transfer and mechanical behavior of surrounding rock mass for a relatively low rock permeability of $10^{-17}m^2$. In terms of the distributions of temperature, stress and displacement of the surrounding rock mass, the results expected from the simulation with the cavern below the water table were almost identical to that obtained from the simulation with the cavern in the unsaturated zone. The heat transfer in the rock mass with reasonable permeability ${\leq}10^{-15}m^2$ was dominated by the conduction. In the simulation with rock permeability of $10^{-12}m^2$, however, the convective heat transfer by ground-water was dominant, accompanying the upward heat flow to near-ground surface. The temperature and pressure around a storage cavern showed different distributions according to the rock permeability, as a result of the complex coupled processes such as the heat transfer by multi-phase flow and the evaporation of ground-water.
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문제 정의
또한, Rutqvist et al.(2012)이 제안한 연동해석을 통해 TOUGH2 코드의 열-수리 유동해석과 FLAC3D의 역학적 거동해석을 순차적으로 반복함으로써 열에너지 저장공동 주변 암반의 열-수리-역학적 연계거동을 예측하고자 하였다.
본 연구는 Park et al.(2015)의 수치적 연구에 대한 후속연구로서, 암반의 수리적 조건이 저장공동 주변 암반의 복합적 거동에 미치는 영향을 보다 면밀하게 검토하는 데에 목적이 있다. 수치모델 및 전반적인 접근방식은 Park et al.
본 연구에서는 TOUGH2-FLAC3D 연계해석기법을 통하여 천부 암반 공동에 고온의 열에너지를 장기간 저장하는 경우를 모델링하고, 암반의 수리적 조건이 주변 환경의 열-수리-역학적 특성에 미치는 영향을 검토하였다. 여기에서는 저장공동 자체의 안정성보다는 열에너지저장으로 인해 주변 암반에 발생하는 열-수리적 변화와 역학적 거동을 예측하는 데에 주목적을 두었으며, 기초적인 연구로서 저장공동의 단열성능은 고려하지 않았다.
그들의 연구에서는 기본 해석케이스로서 지하수위가 지표면과 동일하고, 암반의 투수계수가 10-17 m2인 경우의 수치해석 결과를 논의하였다. 본 연구에서는 암반의 거동특성에 영향을 줄 수 있는 수리적 요인으로서 저장공동 인근의지하수 포화조건(지하수위)과 암반 투수계수를 선정하고 이에 따른 수치모델링을 실시하였다. 이를 위하여 지하수위가 심도 150 m인 경우와 암반의 투수계수가 각각 10-15, 10-12 m2인 경우에 대한 수치해석을 수행하였으며, 각 해석결과를 Park et al.
본 절에서는 열에너지저장소 주변 암반의 거동 특성에 암반의 투수계수가 미치는 영향을 논의하였다. 이를 위하여 암반의 투수계수가 10-17 m2 , 10-15 m2 , 10-12 m2인 경우에 대한 수치해석을 수행하고 암반의 열-수리 유동 및 역학적 거동 특성을 비교 검토하였다.
본 절에서는 열에너지저장소 주변 암반의 거동 특성에 지하수가 미치는 영향을 살펴보기 위하여 저장공동이 지하수위 상부에 위치하는 경우를 모델링하고, 그 해석결과를 지하수위가 지표면과 동일한 경우의 해석결과(Park et al., 2015)와 비교･검토하였다. 해석모델의 암반 투수계수는 결정질 암반을 가정하여 비교적 낮은 수치인 10-17 m2를 적용하였다.
본 연구에서는 TOUGH2-FLAC3D 연계해석기법을 통하여 천부 암반 공동에 고온의 열에너지를 장기간 저장하는 경우를 모델링하고, 암반의 수리적 조건이 주변 환경의 열-수리-역학적 특성에 미치는 영향을 검토하였다. 여기에서는 저장공동 자체의 안정성보다는 열에너지저장으로 인해 주변 암반에 발생하는 열-수리적 변화와 역학적 거동을 예측하는 데에 주목적을 두었으며, 기초적인 연구로서 저장공동의 단열성능은 고려하지 않았다.
가설 설정
저장심도와 저장기간은 각각 50 m, 30년이며, 기초 연구로서 저장공동의 단열성능을 배제한 안전측 해석을 실시하였다. 저장소는 높이와 직경이 각각 50 m, 20 m인 원통형이며, 내부의 저장온도는 평균 350℃인 것으로 가정하였다.
해석모델의 암반 투수계수는 결정질 암반을 가정하여 비교적 낮은 수치인 10-17 m2를 적용하였다. 지하수위를 심도 150 m로 가정하고, 지표면에서 지하수위까지 포화도(saturation)가 1.0 이하인 불포화대(unsaturated zone)가 존재하는 것으로 모델링하였다. 여기서 포화도는 정확히 액체포화도(liquid saturation)를 의미하는 것으로 공극 내 액상으로 존재하는 지하수의 체적비를 의미한다.
이를 위하여 암반의 투수계수가 10-17 m2 , 10-15 m2 , 10-12 m2인 경우에 대한 수치해석을 수행하고 암반의 열-수리 유동 및 역학적 거동 특성을 비교 검토하였다. 해석상에서 지하수위는 지표면과 동일한 것으로 가정하였으며, 이외의 해석조건은 2장에서 설명한 바와 같다.
제안 방법
본 연구의 해석조건과 해석모델은 Park et al.(2015)의 연구에서 기술한 바와 동일하며, 암반의 거동에 수리적 조건이 미치는 영향을 살펴보기 위하여 지하수위 포화 조건 및 투수계수에 따른 비교 해석을 실시하였다. 저장심도와 저장기간은 각각 50 m, 30년이며, 기초 연구로서 저장공동의 단열성능을 배제한 안전측 해석을 실시하였다.
수치모델 및 전반적인 접근방식은 Park et al.(2015)의 연구에서와 동일하며, 지하수위와 암반의 투수계수에 따른 암반내 열-수리유동과 역학적 거동을 비교･분석하였다. 지하수의 다상(multi-phase)유동 해석을 위해 TOUGH2(Pruess et al.
이하 본문에서는 포화도와 액체포화도를 동일한 의미로 표기하였으며, 이는 공극 내 수증기나 공기와 같은 기체의 체적비를 뜻하는 기체포화도(gas saturation)와 대별된다. 열-수리 해석(TOUGH2 해석)의 초기조건 모사를 위하여 심도에 따른 암반의 온도구배와 지하수의 압력구배(지하수위 하부)를 각각 0.025℃/km, 10 MPa/km로 설정하였고, 불포화대의 포화도는 심도에 따라 0.0(지표면)에서 1.0(지하수위)으로 선형적으로 증가하도록 하였다. 열에너지저장소가 50～100 m 심도에 위치하므로 주변 암반의 포화도는 약 0.
본 절에서는 열에너지저장소 주변 암반의 거동 특성에 암반의 투수계수가 미치는 영향을 논의하였다. 이를 위하여 암반의 투수계수가 10-17 m2 , 10-15 m2 , 10-12 m2인 경우에 대한 수치해석을 수행하고 암반의 열-수리 유동 및 역학적 거동 특성을 비교 검토하였다. 해석상에서 지하수위는 지표면과 동일한 것으로 가정하였으며, 이외의 해석조건은 2장에서 설명한 바와 같다.
본 연구에서는 암반의 거동특성에 영향을 줄 수 있는 수리적 요인으로서 저장공동 인근의지하수 포화조건(지하수위)과 암반 투수계수를 선정하고 이에 따른 수치모델링을 실시하였다. 이를 위하여 지하수위가 심도 150 m인 경우와 암반의 투수계수가 각각 10-15, 10-12 m2인 경우에 대한 수치해석을 수행하였으며, 각 해석결과를 Park et al.(2015)의 연구 결과와 함께 비교･제시하였다.
(2015)의 연구에서 기술한 바와 동일하며, 암반의 거동에 수리적 조건이 미치는 영향을 살펴보기 위하여 지하수위 포화 조건 및 투수계수에 따른 비교 해석을 실시하였다. 저장심도와 저장기간은 각각 50 m, 30년이며, 기초 연구로서 저장공동의 단열성능을 배제한 안전측 해석을 실시하였다. 저장소는 높이와 직경이 각각 50 m, 20 m인 원통형이며, 내부의 저장온도는 평균 350℃인 것으로 가정하였다.
대상 데이터
1은 해석모델의 형상을 보여주는 것으로, 저장소형상 및 열-수리 흐름의 축대칭 조건을 활용하여 해석 대상의 1/12에 해당하는 영역만을 모델링하였다. 시간의 경과에 따른 주변 암반의 거동 관찰을 위해 열에너지저장소 주변과 지표면 부근에 총 6개의 모니터링 지점을 선정하였으며, 각 지점의 위치는 Fig. 1에 제시된 바와 같다. P1, P2, P3는 열에너지저장소와 인접한 지점들로 각각 상부벽, 측벽, 하부벽에서 5m 이격된 지점이며, P4, P5, P6은 심도가 5 m인 지표면 부근의 지점이다.
이론/모형
, 1999)를 이용하였으며, 역학 해석을 위하여 Rutqvist et al.(2002)이 개발한 TOUGH2-FLAC3D 연동 해석기법을 이용하였다.
, 2012). 본 연구에서는 수치해석을 위해 TOUGH2 코드의 여러 상태방정식 (equation of state, EOS) 중 물과 공기의 유동을 대상으로 하며 증기압력내림(vapor pressure lowering) 현상을 반영할 수 있는 EOS4 모듈을 사용하였다. 또한, Rutqvist et al.
(2015)의 연구에서와 동일하며, 지하수위와 암반의 투수계수에 따른 암반내 열-수리유동과 역학적 거동을 비교･분석하였다. 지하수의 다상(multi-phase)유동 해석을 위해 TOUGH2(Pruess et al., 1999)를 이용하였으며, 역학 해석을 위하여 Rutqvist et al.(2002)이 개발한 TOUGH2-FLAC3D 연동 해석기법을 이용하였다.
성능/효과
위 해석결과를 지하수위가 지표면인 경우의 역학적 거동 특성과 비교하면, 지하수위가 심도 150 m일 때 공동 주변으로 초기 압력 수준이 낮아 유효응력이 더 크게 계산되었고, 이에 따라 공동 주변으로 강도-응력비가 더 높은 수치를 나타내는 것으로 나타났다. 또한, 열전달 속도와 온도 영향 반경이 더 작은 수치로 예측되었으며 지표 부근의 융기량도 적게 발생하였다. 그러나 유효주응력, 변위, 강도-응력비의 시간적･공간적 분포가 거의 동일하게 예측되었으며, 열팽창으로 인한 지표면 융기와 수직방향 인장력의 발달, 그리고 이에 따른 지표 부근 강도-응력비 감소 등 전반적인 역학적 거동 특성이 Park et al.
시간의 경과에 따라 최소주응력은 압축응력에서 인장응력으로 전환되며, P4, P5 지점에서 각각 운영 후 약 3년, 4년 경과 시 전단파괴에 도달하여 소성영역이 발생하였다. 본 연구의 해석상에서는 암반의 최소주응력이 모두 -3.0 MPa 이상인 것으로 예측되었으며(Fig. 9), 암반의 인장강도로 5.0 MPa를 적용하였으므로, 인장파괴 발생지점은 관찰되지 않았다.
상기한 해석결과로부터 지하수위가 심도 150 m일 때의 응력과 변위 분포를 종합하여 살펴보면, 저장공동 주변에서 최대주응력과 최소주응력이 모두 증가하는 경향을 보였고, 운영 후 30년 경과 시 각각 최대 23.6 MPa 과 12.4 MPa를 나타내었다. 지표면 부근(심도 5 m)에서 운영 30년간 발생한 융기량은 최대 69 mm이며, 공동 중심으로부터 수평방향 이격거리가 128 m인 지역까지 10 mm 이상의 융기가 발생하는 것으로 나타났다.
인 경우 지표면으로의 상향 열흐름이 뚜렷이 관찰되며, 저장 공동의 측벽에서는 비교적 협소한 영역을 통해서만 열전달이 발생하였다. 시간의 경과에 따라 지표면을 따라 수평방향 열-수리 유동이 발생하였고, 운영 종료 시 공동 중심에서 44 m 이내의 지표 부근 온도가 100℃ 이상으로 증가하는 것으로 나타났다. 저장소 상부에서는 운영 후 3년 경과 시 지표면 부근(심도 5 m) 암반의 온도가 모두 100℃ 이상으로 가열되는 것으로 나타났다.
)인결정질 암반으로 가정할 때 열에너지 저장으로 인한 암반 거동에 지하수가 미치는 영향은 크지 않을 것으로 예측되었다. 암반의 지하수위 조건에 따른 해석 결과를 비교한 결과, 암반 내 주요 열전달은 모두 암반 자체의 전도에 의한 것으로 판단할 수 있었고, 역학적 거동 및 전단파괴에 대한 안정성 측면에서 거의 동일한 해석결과를 얻었다. 암반이 불포화 상태인 경우, 포화 상태인 경우에 비해 압력 증분이 작고 열전달 속도가 다소 느린 것으로 해석되어 변위나 강도-응력비 등에서 다소 유리한 조건을 나타내었지만, 그 차이는 크지 않았다.
암반의 투수계수가 10-12 m2 , 10-15 m2 , 10-17 m2일 때 운영 후 30년 경과 시 공동 주변 최대 압력은 각각 1.6 MPa(하부 벽면 부근), 3.6 MPa(측벽 부근), 4.8 MPa (측벽 부근)로 나타나, 투수계수가 낮을수록 압력이 더 크게 증가하는 것으로 나타났다. 투수계수가 10-12 m2일 때에는 저장 공동 상부 지표 부근에서 온도가 200℃ 이상으로 증가하였다.
이하로 가정한 경우 열전달의 주요 메카니즘이 암반에 전도에 의한 것으로 판단할 수 있었으나, 투수계수가 클수록 지하수 유동에 의해 열전달 범위가 광범위해지고 지표면 부근의 역학적 안정성도 저하되는 것으로 나타났다. 암반의 투수계수를 사암 또는 세립질 모래의 투수계수(10-12 m2)로 가정한 경우에는 지하수 자연대류에 의한 열유동이 뚜렷이 관찰되었고, 100℃ 이상 고온의 열수가 지표면까지 전달될 것으로 예측되었다.
암반의 투수계수에 따라 모델링을 실시한 결과, 암반의 투수계수를 10-15 m2 이하로 가정한 경우 열전달의 주요 메카니즘이 암반에 전도에 의한 것으로 판단할 수 있었으나, 투수계수가 클수록 지하수 유동에 의해 열전달 범위가 광범위해지고 지표면 부근의 역학적 안정성도 저하되는 것으로 나타났다. 암반의 투수계수를 사암 또는 세립질 모래의 투수계수(10-12 m2)로 가정한 경우에는 지하수 자연대류에 의한 열유동이 뚜렷이 관찰되었고, 100℃ 이상 고온의 열수가 지표면까지 전달될 것으로 예측되었다.
10). 열에너지저장소와 인접한 P1, P2 지점의 경우 열응력 증가로 인해 최대주응력과 최소주응력이 함께 증가하였고, 최소주응력에 비해 최대주응력의 증가폭이 더 크게 나타났다(Fig. 11). 저장소 상부의 P1 지점에서는 최소주응력이 증가하다가 2～3년 경과 시부터 서서히 감소하면서 파괴포락선에 근접하는 경향을 보였는데, 이 시점에서 지표 부근의 융기와 함께 최소주응력 방향이 지표면과 평행한 방향에서 수직한 방향으로 전환되는 현상을 확인할 수 있었다.
투수계수가 클수록 지표에서의 융기량이 크게 발생하였고, 특히 투수계수가 10-12 m2일 때 저장공동 상부(P4)에서는 운영 초기부터 지표 융기가 급격히 증가하여 최대 122 mm의 수치를 나타내었다. 운영 후 30년 경과 시에는 저장공동 중심에서 반경방향으로 이격거리가 132 m에 달하는 지역에서 지표면 융기가 10 mm 이상 발생하는 것으로 나타났다.
7(a))를 살펴보면, 저장공동 주변(P1, P3)에서 지하수 조건에 따라 경미한 차이를 보이긴 하지만 지표면 부근(P4)에서는 거의 동일한 온도 변화를 보였다. 위 결과로부터 암반의 투수계수가 10-17 m2 수준일 때 저장공동 주변의 열흐름은 암반 자체의 전도에 의해 주로 발생하며, 지하수의 영향을 거의 받지 않는 것을 간접적으로 확인할 수 있었다.
위 해석결과를 지하수위가 지표면인 경우의 역학적 거동 특성과 비교하면, 지하수위가 심도 150 m일 때 공동 주변으로 초기 압력 수준이 낮아 유효응력이 더 크게 계산되었고, 이에 따라 공동 주변으로 강도-응력비가 더 높은 수치를 나타내는 것으로 나타났다. 또한, 열전달 속도와 온도 영향 반경이 더 작은 수치로 예측되었으며 지표 부근의 융기량도 적게 발생하였다.
시간의 경과에 따라 지표면을 따라 수평방향 열-수리 유동이 발생하였고, 운영 종료 시 공동 중심에서 44 m 이내의 지표 부근 온도가 100℃ 이상으로 증가하는 것으로 나타났다. 저장소 상부에서는 운영 후 3년 경과 시 지표면 부근(심도 5 m) 암반의 온도가 모두 100℃ 이상으로 가열되는 것으로 나타났다. 이는 암반 내 열흐름이 지하수의 자연대류에 큰 영향을 받음을 의미하는 것으로 암반의 투수계수가 높아 지하수 유동이 용이한 조건에서 공극수 가열에 따라 밀도차에 의한 열수의 상향 유동이 발생하는 것으로 판단할 수 있다.
11). 저장소 상부의 P1 지점에서는 최소주응력이 증가하다가 2～3년 경과 시부터 서서히 감소하면서 파괴포락선에 근접하는 경향을 보였는데, 이 시점에서 지표 부근의 융기와 함께 최소주응력 방향이 지표면과 평행한 방향에서 수직한 방향으로 전환되는 현상을 확인할 수 있었다. 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.
저장소 상부의 P1 지점에서는 최소주응력이 증가하다가 2～3년 경과 시부터 서서히 감소하면서 파괴포락선에 근접하는 경향을 보였는데, 이 시점에서 지표 부근의 융기와 함께 최소주응력 방향이 지표면과 평행한 방향에서 수직한 방향으로 전환되는 현상을 확인할 수 있었다. 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 P4, P5 지점에서는 초기 응력이 낮고 온도 증가량이 크지 않아 최대주응력은 소폭 증가하였으나, 암반의 수직 팽창에 따라 최소주응력이 크게 감소하면서 파괴 포락선에 근접하는 현상을 뚜렷이 관찰할 수 있다.
4 MPa를 나타내었다. 지표면 부근(심도 5 m)에서 운영 30년간 발생한 융기량은 최대 69 mm이며, 공동 중심으로부터 수평방향 이격거리가 128 m인 지역까지 10 mm 이상의 융기가 발생하는 것으로 나타났다. 최대주응력 분포는 온도 분포와 유사하게 전반적으로 저장 공동을 중심으로 한 동심원 형태를 보였으나(Fig.
이는 시간의 경과에 따라 공동주변, 특히 지표 부근의 상부 영역을 중심으로 최소주응력이 감소하거나 인장력이 발달함에 따라 축차응력이 증가하기 때문인 것으로 해석할 수 있다. 지표면 부근에서는 시간의 경과에 따라 낮은 강도-응력비를 보이는 지점(전단파괴에 취약한 지점)이 확대되는 것을 확인할 수 있었고, 운영 후 30년 경과 시에는 저장공동 중심으로부터의 수평 이격거리가 약 83.5 m 이내인 영역에서 강도-응력비가 1.5 이하의 낮은 수치로 나타났다(Fig. 11).
지하수위에 따른 암반의 온도 분포를 비교한 결과, 모두 공동을 중심으로 하는 동심원 형태의 온도 구배를 갖는 것으로 나타났으며 두 조건에서 거의 동일한 결과를 보였다. 지하수위가 심도 150 m인 경우, 운영 후 30년 경과 시 공동 벽면에서 수평방향으로 이격거리가 각각 9.5 m, 27.0 m 이내인 영역에서 암반 온도가 200℃, 100℃ 이상으로 증가하는 것으로 나타났다. 지하수위가 지표면과 동일한 경우에 비하여 암반 내 열흐름 속도가 다소 느린 것으로 예측되었으나 해석결과의 차이는 크지 않았다.
지하수위에 따른 암반의 온도 분포를 비교한 결과, 모두 공동을 중심으로 하는 동심원 형태의 온도 구배를 갖는 것으로 나타났으며 두 조건에서 거의 동일한 결과를 보였다. 지하수위가 심도 150 m인 경우, 운영 후 30년 경과 시 공동 벽면에서 수평방향으로 이격거리가 각각 9.
지표면 부근(심도 5 m)에서 운영 30년간 발생한 융기량은 최대 69 mm이며, 공동 중심으로부터 수평방향 이격거리가 128 m인 지역까지 10 mm 이상의 융기가 발생하는 것으로 나타났다. 최대주응력 분포는 온도 분포와 유사하게 전반적으로 저장 공동을 중심으로 한 동심원 형태를 보였으나(Fig. 8), 공동 상부에서 비교적 낮은 수준의 압축응력이 지표면과 평행한 방향으로 발달하였다. 최소주응력의 경우 공동 상부 지표면 부근에서 인장응력(최대 2.
이는 앞서 언급한 바와 같이, 고온의 열원으로 인한 암반 내 열응력 증가가 크게 발생하여 공극 내 지하수의 가열이나 비등으로 인한 압력 변화가 유효응력에 미치는 영향이 상대적으로 작아지기 때문이다. 투수계수의 크기와 관계없이 시간의 경과에 따라 지표 부근에서 온도가 상승하면서 지표 융기, 인장력의 발달 및 축차응력 증가로 인해 강도-응력비가 현저히 감소하는 것으로 나타났다. 투수계수가 클수록 지표에서의 융기량이 크게 발생하였고, 특히 투수계수가 10-12 m2일 때 저장공동 상부(P4)에서는 운영 초기부터 지표 융기가 급격히 증가하여 최대 122 mm의 수치를 나타내었다.
이는 암반 내 열흐름이 지하수의 자연대류에 큰 영향을 받음을 의미하는 것으로 암반의 투수계수가 높아 지하수 유동이 용이한 조건에서 공극수 가열에 따라 밀도차에 의한 열수의 상향 유동이 발생하는 것으로 판단할 수 있다. 한편, 투수계수가 10-15 m2인 경우에는 앞서 3장에서 논의한 투수계수가 10-17 m2일 때와 유사하게 저장공동을 중심으로 방사형의 온도분포를 보이는 것으로 나타났으며, 이로부터 암반의 투수계수가 10-15 m2인 경우에도 저장공동 주변 열전달의 주요 메카니즘이 암반 자체의 전도에 의한 것임을 확인할 수 있다. 단, 투수계수가 10-15 m2일 때에는 10-17 m2일 때에 비해 더 넓은 영역까지 열이 전달되는 것을 관찰할 수 있었고, 이는 지하수 유동의 영향을 배제할 수 없음을 의미한다.
해석대상을 투수계수가 비교적 낮은 수준(10-17 m2)인결정질 암반으로 가정할 때 열에너지 저장으로 인한 암반 거동에 지하수가 미치는 영향은 크지 않을 것으로 예측되었다. 암반의 지하수위 조건에 따른 해석 결과를 비교한 결과, 암반 내 주요 열전달은 모두 암반 자체의 전도에 의한 것으로 판단할 수 있었고, 역학적 거동 및 전단파괴에 대한 안정성 측면에서 거의 동일한 해석결과를 얻었다.
후속연구
이는 기화나 다상유동과 같은 수리적 요인보다는 가열로 인한 열응력과 열팽창이 암반의 역학적 특성에 지배적인 영향을 미쳤기 때문이다. 그러나 본 연구에서는 단열성능을 고려하지 않았으므로 암반 내 온도가 다소 과장된 수치로 평가되었으므로 향후 저장소의 설계조건 및 현지암반 조건을 고려한 보다 합리적인 모델링과 분석이 이루어질 필요가 있다.
는 국내에 주로 분포 하는 화강암의 투수계수에 비해 1,000～10,000배에 달하는 다소 과장된 수치이기는 하나, 암반 내 지하수의 흐름이 주로 투수계수가 높은 단층 파쇄대나 절리 등불연속면을 통해 이루어진다는 점을 고려할 때, 이를 통한 지하수의 대류 및 지표로의 열수 이동 가능성을 배제할 수 없다. 따라서 향후 현장부지의 파쇄대 및 지하수 조건에 대한 면밀한 조사를 바탕으로 불연속 암반 내 열-수리 유동 특성을 반영한 거동 평가가 이루어져야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열에너지저장은 어떤 장점이 있는가?
최근 전력수급 체계의 불안정성과 온실가스 배출로 인한 에너지 환경 문제가 주요한 이슈로 부각되면서 새로운 에너지원의 개발과 에너지의 효율적 관리에 대한 중요성이 증대되고 있다. 열에너지저장(thermal energy storage, TES)은 에너지 이용 효율을 증진시킬 수 있는 방법 중 하나로, 태양열, 조력, 풍력과 같은 신재생에너지나 산업폐열과 같은 잉여 에너지를 적절히 회수･저장하여 열원 형태의 유효 에너지를 안정적으로 확보함으로써 전력공급의 탄력성을 제고하고 에너지 공급과 에너지 수요의 시간적･양적 불균형을 해소할 수 있다.
암반 공동 열에너지저장의 장점은 무엇인가?
암반 공동 열에너지저장(cavern thermal energy storage, CTES)은 지하공동 내 열에너지를 저장하는 개념으로 암반 자체를 열저장 매질로 사용하는 대수층 열에너지 저장(aquifer thermal energy storage, ATES)이나 보어홀 열에너지저장(borehole thermal energy storage, BTES) 에 비해 입지 유연성이 좋고, 고온의 원자로열이나 산업 폐열, 태양열 등의 대규모 저장에도 적용할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 국내외적으로 상용화 사례를 찾기 어렵고, 현재까지 고온 열에너지저장 기술 대부분이 태양열에너지와 연계된 지상식 저장소에 초점을 맞추어 개발되어 왔으므로 암반 공동을 활용하기 위한 저장방식 및 운영방식 등에 대해서는 초기연구 단계에 머물러 있는 상태이다.
암반 공동 열에너지저장을 위해 주변 암반의 거동 특성을 적절히 예측하고 제어 대책을 수립하는 것이 중요한 이유는 무엇인가?
암반 공동을 활용한 대용량 고온 열에너지저장 개념은 공동 자체의 안정성을 감소시킬 뿐만 아니라 주변 암반의 열-수리적 환경과 역학적 거동 특성에 큰 변화를 초래할 수 있다. 또한 지하수나 암반의 열전달로 인해 지표 생태계에도 영향을 미칠 수 있다는 점에서, 주변 암반의 거동 특성에 대해 적절히 예측하고 제어 대책을 수립하는 것은 매우 중요한 연구 과제라고 할 수 있다. 여러 연구에 의하면, 지중온도의 증가는 지하수용존 물질의 농도를 증가시키고 미생물의 반응 활성화를 야기시켜, 토양의 산화-환원 상태를 보다 강력한 환원 조건으로 바꾸고 오염물질의 확산을 촉진시키는 것으로 알려져 있다.
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