지구온난화 문제가 인류 생존을 위협하는 중대한 이슈로 떠오르면서 세계 각국은 온실가스 감축에 적극 나서고 있다. 대표적 온실가스인 이산화탄소($CO_2$)는 석탄, 석유와 같은 화석연료를 연소하는 과정에서 대량으로 방출되고 있다. $CO_2$를 포집하고 저장하는 CCS ($CO_2$ Capture & Storage) 기술은 온실가스 저감의 대표적 기술로 세계 각국에서 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 연구는 대규모 $CO_2$ 배출원에서 포집된 $CO_2$를 대상으로, 국내 최초로 해상에서 지중저장을 하기 위한 고압 주입설비의 설계 및 구축에 관한 연구다. 이를 위해 2017년초 $CO_2$ 지중 주입설비가 구축되었으며 포항시 영일만 해상 플랫폼에서 $CO_2$ 시험주입을 국내 최초로 성공하였다. 그 결과 해상주입을 위한 주입설비의 운전 요구조건과 $CO_2$ 주입 특성이 파악되었고 주입장치 운영에 관한 노하우도 얻게 되었다. 시험주입에서 얻어진 결과는 향후 장치개선과 scale-up에 활용될 예정이다.
지구온난화 문제가 인류 생존을 위협하는 중대한 이슈로 떠오르면서 세계 각국은 온실가스 감축에 적극 나서고 있다. 대표적 온실가스인 이산화탄소($CO_2$)는 석탄, 석유와 같은 화석연료를 연소하는 과정에서 대량으로 방출되고 있다. $CO_2$를 포집하고 저장하는 CCS ($CO_2$ Capture & Storage) 기술은 온실가스 저감의 대표적 기술로 세계 각국에서 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 연구는 대규모 $CO_2$ 배출원에서 포집된 $CO_2$를 대상으로, 국내 최초로 해상에서 지중저장을 하기 위한 고압 주입설비의 설계 및 구축에 관한 연구다. 이를 위해 2017년초 $CO_2$ 지중 주입설비가 구축되었으며 포항시 영일만 해상 플랫폼에서 $CO_2$ 시험주입을 국내 최초로 성공하였다. 그 결과 해상주입을 위한 주입설비의 운전 요구조건과 $CO_2$ 주입 특성이 파악되었고 주입장치 운영에 관한 노하우도 얻게 되었다. 시험주입에서 얻어진 결과는 향후 장치개선과 scale-up에 활용될 예정이다.
Almost all countries of the world have recently made great efforts to reduce green-house gases to alleviate the global warming threatening human survival, because a huge amount of carbon dioxide as one of the main green-house gases has been emitted from the combustion processes of fossil fuels such ...
Almost all countries of the world have recently made great efforts to reduce green-house gases to alleviate the global warming threatening human survival, because a huge amount of carbon dioxide as one of the main green-house gases has been emitted from the combustion processes of fossil fuels such as coal and oil. $CO_2$ capture and storage (CCS) technology is a representative method to diminish the green-house gases, and actively investigated by many countries. This study focuses on the design and construction of a high pressure $CO_2$ injection facility to store it to underground, which is the first $CO_2$ injection in Korea following the steps of the $CO_2$ capture from large $CO_2$ emission sources and transportation to the sea. Injection tests of $CO_2$ on the platform on the sea were carried out in Yeongil Bay of Pohang city in the early 2017. Thus, we were able to perceive the necessary operating conditions of the injection facility, injection characteristic, and knowhow of the injection facility. The results obtained from the injection test shall be utilized for facility upgrades and scale-ups.
Almost all countries of the world have recently made great efforts to reduce green-house gases to alleviate the global warming threatening human survival, because a huge amount of carbon dioxide as one of the main green-house gases has been emitted from the combustion processes of fossil fuels such as coal and oil. $CO_2$ capture and storage (CCS) technology is a representative method to diminish the green-house gases, and actively investigated by many countries. This study focuses on the design and construction of a high pressure $CO_2$ injection facility to store it to underground, which is the first $CO_2$ injection in Korea following the steps of the $CO_2$ capture from large $CO_2$ emission sources and transportation to the sea. Injection tests of $CO_2$ on the platform on the sea were carried out in Yeongil Bay of Pohang city in the early 2017. Thus, we were able to perceive the necessary operating conditions of the injection facility, injection characteristic, and knowhow of the injection facility. The results obtained from the injection test shall be utilized for facility upgrades and scale-ups.
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문제 정의
바다의 특성상 급작스런 기상 악화로 파도가 높아지면 CO2 충전작업이 매우 위험해질 수 있다. 본 연구에서는 CO2 저장탱크를 해상 플랫폼에 설치하기 전에 미리 지상에서 CO2 를 가득 채워 놓은 후 옮겨와 설치하는 방식으로 이 문제를 해결했다. CO2 주입은 액체, 기체, 초임계가스 등 여러 가지가 있으나 본 설비는 Critical point 부근의 초임계가스가 주입되도록 제작되었다.
본 연구에서는 해상에서 CO2를 보다 효율적으로 지중에 주입하기 위해 주입설비를 어떤 개념으로 설계했으며, 어떤 단위기기가 사용되었고, 어떻게 장치전체를 구축했으며, 어떤 경로로 지하에 주입했는지에 대해 소개하려고 한다.
가설 설정
주입공 상부에서 주입된 CO2는 하부로 이동하면서 CO2 자중에 의한 압력 변화, 지열에 따른 온도 변화가 생기고 이에 따라 밀도도 변한다. 주입공 상부의 CO2 주입 압력은 항상 주입공 하부의 CO2 상태를 염두에 두고 정하게 되는데 본 연구에서는 설계 단계에서 주입공 깊이를 850 m, 주입공 하부의 온도와 압력을 60℃, 9 MPa, 저장층 최대 허용압력(덮개층 파괴압력)을 15 MPa로 가정하고 시작했다. 그리고 이를 토대로 주입공 입구에서 CO2 의 최대 유량을 1,000 kg/h, 최고 압력을 12 MPa(계기압 기준), 최대 주입 온도를 40℃로 정해 설계에 반영했다.
제안 방법
LCO2 Booster Pump는 CO2 이송 시 배관의 열손실로 인해 LCO2 Main Pump에서 Cavitation 현상이 발생할 수 있어 이를 방지하기 위한 장치이다. Cavitation을 방지하기 위한 방법으로 배관의 CO2 를 냉각하여 온도를 낮추는 방법도 있으나 전력소모 및 유지보수의 편의성을 고려하여 Booster Pump로 가압하는 방식을 채택했다. LCO2 Booster Pump는 가변형으로 Inverter에 의한 Motor 회전수 조절로 토출측 압력을 제어한다.
해상 플랫폼의 모든 설비 전원은 발전기(350 KW, 60 Hz)로 공급하며 주입설비의 결선작업 시 모든 전선은 Tray 작업을 하여 운전원의 이동 또는 유지 보수작업 중 간섭으로부터 보호하였다. HMI, Panel류 등 주입설비의 조작 장치는 운영실에 설치하여 주입설비의 모든 동작이 HMI로 조작 가능하도록 하였고 CCTV로 주입설비 전 구역을 감시할 수 있도록 하였다. 원격통신 시스템을 구축하여 육상 감시소에서 해상 플랫폼의 주입설비를 조작, 감시가 가능하도록 하였다.
주요 설비로 LCO2 Storage Tank, LCO2 Booster Pump, LCO2 Main Pump, Waterbath Heater, Control & Monitoring System 등이 있으며 시간당 1,000 kg의 CO2 를 지중에 주입할 수 있다. LCO2 Booster Pump를 이용하여 LCO2 Main Pump Cavitation을 방지할 수 있게 하였으며 LCO2 Main Pump는 Inverter를 이용한 Motor 회전수 조절로 CO2 주입 압력 조절이 가능하게 하였다. 단위기기류는 PLC 및 HMI를 이용하여 제어되고 운전상의 모든 데이터는 PC에 저장된다.
HMI는 Process의 감시 및 제어기능, Graphic 화면에 의한 Process Data의 감시, Parameter 설정 및 제어값 출력, 공정 운영에 따른 Alarm 및 Message의 감시 및 처리기능을 구비하였다. 공정변수의 설정이 설비의 가동 중에도 가능하게 하였으며 Trend, Trip, Event, 가동시간 등 성능 및 문제점 파악을 위한 기록 기능과 Auto Start/Stop 기능을 포함하였다. CO2 주입설비의 운전에 서는 이상 압력 및 온도 상승 등에 따라 Interlock 상황이나 내외부 요인들에 의해 Emergency 상황이 발생할 수 있다.
, 2014)의 사례를 참고했다. 그리고 유체의 유속 및 압력강하, 배관 수급, 유체의 성질에 따른 부식성, 운전기간 등을 고려해 설계했다.
주입공 상부의 CO2 주입 압력은 항상 주입공 하부의 CO2 상태를 염두에 두고 정하게 되는데 본 연구에서는 설계 단계에서 주입공 깊이를 850 m, 주입공 하부의 온도와 압력을 60℃, 9 MPa, 저장층 최대 허용압력(덮개층 파괴압력)을 15 MPa로 가정하고 시작했다. 그리고 이를 토대로 주입공 입구에서 CO2 의 최대 유량을 1,000 kg/h, 최고 압력을 12 MPa(계기압 기준), 최대 주입 온도를 40℃로 정해 설계에 반영했다.
설계는 전체공정의 기본설계, 단위 기기류의 구성과 선정, 기기와 배관설계, 전기계장 및 제반설계의 순서로 진행되었다. 또한 모든 장치는 안전을 고려하여 고압가스안전관리법의 기준에 맞춰 설계 제작되었다.
원격통신 시스템을 구축하여 육상 감시소에서 해상 플랫폼의 주입설비를 조작, 감시가 가능하도록 하였다. 또한 주입설비 및 운전 설비에 접지연결 작업을 하여 감전 등의 전기사고에 대비하였으며 해상 플랫폼 상부에 피뢰침을 설치하여 낙뢰 등에 대비하였다. Figs.
배관은 조작의 편의성 등을 고려하여 배치하였으며 Skid 내 배관은 조업자의 통행에 불편이 없도록 했고 밸브류의 조작에도 어려움이 없도록 하였다. 모든 설비는 해상 운송과 해상 조립을 염두에 두어 육상에서 Skid 단위로 조립했고 해상 플랫폼으로 이송한 후에는 연결배관 공사만으로 완결되도록 했다. 이 외의 부대시설로는 발전기, 경유탱크, 물탱크, 크레인 등이 있다.
배관은 LCO2 Main Pump를 기준으로 저압부와 고압부로 나누어 설계하였으며 설계압력은 각 구간의 최대 운전압력의 1.1배로 하여 안전성을 높였다. 설계 시 Waterbath Heater 이전 구간은 최대 운전온도를 30℃로 설정하였다.
본 연구에서는 이러한 해상에서 유의할 조건을 모두 고려하여 CO2 주입설비 구축이 이루어졌다. 설계는 전체공정의 기본설계, 단위 기기류의 구성과 선정, 기기와 배관설계, 전기계장 및 제반설계의 순서로 진행되었다.
주입설비 구축이 이루어졌다. 설계는 전체공정의 기본설계, 단위 기기류의 구성과 선정, 기기와 배관설계, 전기계장 및 제반설계의 순서로 진행되었다. 또한 모든 장치는 안전을 고려하여 고압가스안전관리법의 기준에 맞춰 설계 제작되었다.
HMI, Panel류 등 주입설비의 조작 장치는 운영실에 설치하여 주입설비의 모든 동작이 HMI로 조작 가능하도록 하였고 CCTV로 주입설비 전 구역을 감시할 수 있도록 하였다. 원격통신 시스템을 구축하여 육상 감시소에서 해상 플랫폼의 주입설비를 조작, 감시가 가능하도록 하였다. 또한 주입설비 및 운전 설비에 접지연결 작업을 하여 감전 등의 전기사고에 대비하였으며 해상 플랫폼 상부에 피뢰침을 설치하여 낙뢰 등에 대비하였다.
대상 데이터
LCO2 Booster Pump는 가변형으로 Inverter에 의한 Motor 회전수 조절로 토출측 압력을 제어한다. LCO2 Main Pump도 Inverter에 의한 Motor 회전수 조절로 토출측 압력을 제어하며 Triflex Plunger Type으로 선정하였다. CO2가온을 위한 장치는 주입공 전단에 설치되었으며 간접가열식인 Waterbath 방식을 선정하였다.
Main Pump, Waterbath Heater가 있다. LCO2 Storage Tank는 Perlite 진공단열 타입의 초저온탱크로 해상에서 바람의 영향을 적게 받도록 Horizontal 타입을 선정했으며 총 3대의 탱크가 설치됐다. LCO2 Booster Pump는 CO2 이송 시 배관의 열손실로 인해 LCO2 Main Pump에서 Cavitation 현상이 발생할 수 있어 이를 방지하기 위한 장치이다.
또한 배관 크기와 재질은 일본 Nagaoka site (Kikuta et al., 2004)와 독일 Ketzin Site (Liebscher et al., 2013; Möller et al., 2014; Todorovic et al., 2014; Henninges et al., 2011; Fischer et al., 2014)의 사례를 참고했다.
이론/모형
LCO2 Main Pump도 Inverter에 의한 Motor 회전수 조절로 토출측 압력을 제어하며 Triflex Plunger Type으로 선정하였다. CO2가온을 위한 장치는 주입공 전단에 설치되었으며 간접가열식인 Waterbath 방식을 선정하였다. 이것은 히터를 통해 물을 가열한 후 더워진 물이 CO2 를 덥히는 방식으로 Ambient Heat Exchanger, Steam Vaporizer 등의 다른 승온 방식과 비교해 안정적 온도제어와 편리한 운영이 장점이다.
성능/효과
본 연구를 통해 소규모 해상 CO2 주입설비를 설계, 제작하여 포항 영일만 해상 플랫폼 상에 구축하였으며 CO2 를 해상 에서 지중에 주입하는 실증을 국내 최초로 완료하였다. 주요 설비로 LCO2 Storage Tank, LCO2 Booster Pump, LCO2 Main Pump, Waterbath Heater, Control & Monitoring System 등이 있으며 시간당 1,000 kg의 CO2 를 지중에 주입할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
정부가 선정한 ‘10대 핵심 녹색기술’ 중 하나로서 온실가스 감축과 신 성장 동력을 함께 도모할 수 있는 신기술로 주목받고 있는 기술은?
이산화탄소(CO2) 포집 및 저장(CO2 Capture & Storage, 이하 CCS) 기술은 정부가 선정한 ‘10대 핵심 녹색기술’ 중 하나로서 온실가스 감축과 신 성장 동력을 함께 도모할 수 있는 신기술로 주목받고 있다. 유럽이나 미국, 호주, 일본, 중국 등은 이미 CO2 지중저장 사이트를 건설하여 테스트를 진행해 오고 있으며 이에 대한 노하우를 축적하고 있다.
대표적 온실가스는 무엇인가?
지구온난화 문제가 인류 생존을 위협하는 중대한 이슈로 떠오르면서 세계 각국은 온실가스 감축에 적극 나서고 있다. 대표적 온실가스인 이산화탄소($CO_2$)는 석탄, 석유와 같은 화석연료를 연소하는 과정에서 대량으로 방출되고 있다. $CO_2$를 포집하고 저장하는 CCS ($CO_2$ Capture & Storage) 기술은 온실가스 저감의 대표적 기술로 세계 각국에서 연구가 활발하게 진행되고 있다.
우리나라는 CO2 Capture & Storage 기술에서 저장(Storage) 분야는 상대적으로 기술개발이 늦어진 이유는 무엇인가?
유럽이나 미국, 호주, 일본, 중국 등은 이미 CO2 지중저장 사이트를 건설하여 테스트를 진행해 오고 있으며 이에 대한 노하우를 축적하고 있다. 이에 반해 우리나라는 CCS 기술을 주로 포집(Capture) 위주로 개발해 왔기 때문에 저장(Storage) 분야는 상대적으로 기술개발이 늦어진 면이 있다. CO2 지중저장 기술은 단순해 보이지만 고려할 사항이 많고, 비용도 많이 들며 현장 경험이 중요한 기술이다.
참고문헌 (8)
Liebscher, A., Moller, F., Bannach, A., Kohler, S., Wiebach, J., Schmidt-Hattenberger, C., Weiner, M., Pretschner, C., Ebertb, K., Zemke, J., 2013, Injection operation and operational pressure-emperaturemonitoring at the $CO_2$ storage pilot site Ketzin, Germany-esign, results, recommendations, International Journal of Greenhouse Gas Control, 15, 163-173.
Moller, F., Liebscher, A., Martens, S., 2014, Injection of $CO_2$ at ambient temperature conditions-Pressure and temperature results of the "old injection"experiment at the Ketzin pilot site, Energy Procedia, 63, 6289-6297.
Global CCS Institute, 2017a, Knowledge sharing report. $CO_2$ liquid logistics shipping concept (LLSC): overall supply chain optimization, Retrieved from http://hub.globalccsinstitute.com/publications/co2-liquid-logistics-shipping-conceptllsc-overall-supply-chain-optimization/53-co2
Global CCS Institute, 2017b, $CO_2$ liquid logistics shipping concept (LLSC): overall supply chain optimization, Retrieved from https://hub.globalccsinstitute.com/publications/co2-liquid-logistics-shipping-concept-llsc-%E2%80%93-businessmodel-report/appendix-1-co2
Todorovic, J., Torsæter, M., Opedal, N., Wiese B., Martens S., 2014, Characterization of $CO_2$ Pipeline Material from the Ketzin Pilot Site, Energy Procedia, 63, 2610-2621.
Henninges, J., Liebscher, A., Bannach, A., Brandt, W., Hurter, S., Kohler, S., Moller, F., CO2SINK Group, 2011, P-T-and two-phase fluid conditions with inverted density profile in observation wells at the $CO_2$ storage site at Ketzin (Germany), Energy Procedia, 4, 6085-6090.
Kikuta, K., Hongo, S., Tanase, D., Ohsumi, T., 2004, Field test of $CO_2$ injection in Nagaoka, Japan, Greenhouse Gas Control Technologies, 7, 1367-1372.
Fischer, S., Szizybalski, A., Zimmer, M., Kujawa, C., Plessen, B., Liebscher, A., Moeller, F., 2014, N2-CO2 co-injection field test at the Ketzin pilot $CO_2$ storage site, Energy Procedia, 63, 2848-2854.
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