초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
누출 CO₂가 용해상 또는 가스상으로 천부 지하수 환경 유입되고, 점차 형성되는 오염운의 분포에 따라 CO₂ 모니터링 농도와 결과 해석에 영향을 줄 수 있다. 실험 조건 조절이 가능한 실내 실험을 통해 동일한 현상을 직접 시각적으로 관찰하는 것을 목적으로 대형 실험 장치를 구축하고, plume 조성과 분포를 나타내는 이미지 데이터와 실시간 CO₂ 농도 변화 데이터를 동시에 획득하는 것을 목표로 실험을 진행한다. 시공간적 plu

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
누출 CO₂가 용해상 또는 가스상으로 천부 지하수 환경 유입되고, 점차 형성되는 오염운의 분포에 따라 CO₂ 모니터링 농도와 결과 해석에 영향을 줄 수 있다. 실험 조건 조절이 가능한 실내 실험을 통해 동일한 현상을 직접 시각적으로 관찰하는 것을 목적으로 대형 실험 장치를 구축하고, plume 조성과 분포를 나타내는 이미지 데이터와 실시간 CO₂ 농도 변화 데이터를 동시에 획득하는 것을 목표로 실험을 진행한다. 시공간적 plume의 변화를 직접 자료로 확보하고, 유입되는 CO₂의 source 상태에 따라 차이점이 있는 지와, 농도 데이터와 이미지 데이터를 비교 분석하여 현장의 인위 누출 시험 동안 얻은 간접적인 데이터들의 대표성을 판단하기 위한 기초자료 제공을 목표로 하여 연구가 진행될 것이다.

◼ 전체 내용
1. 수리 흐름 모사가 가능한 얇은 대형 double 판형 구조(e.g. Hele-Shaw cell) 수조를 설계 제작하여 시각화 모의시험 수행한다.
2. 수중 CO₂농도 측정을 위한 카트리지 설계 및 실험 적용 방안 모색한다.
3. 지중 저장된 CO₂가 누출되어 천부 환경으로 도달할 때, 용해된 CO₂(dissolved phase) 또는 가스 CO₂ (gas phase)로 흐름과 분포를 시각적으로 모사한다.
4. 선행된 시각화 연구에서 활용된 수조보다 10배 이상 큰 수조를 제작하는 것으로 목표로 기존 시각화 시험 대비 차별화된 연구 결과를 획득한다.
5. 작은 수조에서 방해가 될 수 있었던, 수조 경계면 간섭, 수리 흐름 간섭, 소스 주입량 조절 문제, 낮은 해상도 이미지 데이터 관련 내용 극복하고 반복적인 데이터 확보를 위한 수조 설계 방법을 확보한다.
6. 수치해석 모델을 활용하여 실내실험을 통해 얻은 이미지 데이터와 실측 농도 데이터 결과를 검증한다.

◼ 1단계
❏ 연구 목표
1. 선행연구 조사를 통해 유사한 실내 시각화 실험 연구 사례를 살피고 필요한 정보를 습득하여 연구 목적에 맞는 기술을 확인한다.
2. 누출된 CO₂의 형태가 현장 모니터링으로 구분이 되는지 자료를 수집하여 살펴본다.
2. 기존 선행연구 대비 10배 이상 큰 대형 시각화 수조를 개발한다.
3. 이미지 데이터 획득과 동시에 직접 가스 농도 측정이 실시간으로 가능한 시스템을 개발한다.
4. 물에 용해된 가스 농도 변화를 감지할 수 있는 특수 필터를 제작한다.
5. 가스 CO₂가 천부 대수층으로 유입되는 것을 가정하여 시각화 실험을 수행하고 얻어지는 이미지 데이터와 실측된 농도 데이터와의 관계를 확인한다.
❏ 연구 내용
1. 현장에서 인위 CO₂ 누출 실험한 사례를 살피고 용해상 CO₂ / 가스상 CO₂ 구분하여 해석한 사례와 선행연구들을 조사하였다. 조사된 선행연구에 따르면, 천부 대수층으로 유입되는 CO₂를 실시간으로 감지하는 시스템 확보가 매우 중요하며, 가스로 유입되는 CO₂와 용해된 상태로 천부 대수층에 유입되는 상태가 서로 다른 농도 변화 패턴을 보일 수 있음을 확인하였다. 특히, 지중 환경에는 대량의 CO₂가 존재하고 미생물과 메탄의 산화로 발생하기 때문에 누출된 CO₂와 구분하기 위해서는 현장의 자연적인 발생량을 선행적으로 조사되어야 할 것으로 판단된다. 또한, 대기압의 변화 원인으로 관측하는 관정 파이프를 통해 유입되는 외부 공기의 방해로 실시간 측정되는 가스 농도 자료에 왜곡을 줄 수 있음을 살펴볼 수 있었다. 또한, 실제로 누출된 CO₂가 천부 대수층에 유입되어 지하수 흐름을 따라 이동하게 되는 경우 감지가 안 될 수 있으며, 현장에서 얻은 데이터를 해석하기 위해서는 실내실험을 통해 추가적인 분석이 필요함을 시사했다.
2. 얇은 판 사이를 유지하면서 시각화 실험용 대형 수조를 제작할 수 있는지 선행연구들을 조사하고, 필요한 기술을 확보하였으며, 종합된 결과, 밝은 빛, 선명한 추적자, 그리고 낮은 pH에 반응하는 용액을 활용하는 것이 가장 보편적인 방법임을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 대형수조 제작을 개발하기에 앞서 활용될 수 있는 모든 방법을 적용할 설계도를 작성하였고, 실험을 진행하면서, 추가로 보완되어야 할 사항과 실험에 방해되고 자료를 확보하는데 저해하는 요소들을 하나씩 제거하면서 대형 시각화 실험 시스템을 구축해 나갔다.
3. 기존 연구들에서 사용한 이미지 시각화용 수조 대비 10배 큰 수조를 개발 및 제작을 시도한 사례는 없었으며, 이미지 데이터를 획득하면서, 직접 CO₂의 농도를 실시간으로 측정하는 것을 시도한 사례도 없었다. 본 연구 개발에서는 이러한 방법을 동시에 가능하도록 실험을 설계하였으며, 이미지가 확장되고 분포하는 것과 실제로 측정되는 농도 데이터 간의 차이점, 유사점, 그리고 특이점을 살피고 분석에 활용하였다.
4. 가스만 선택적으로 배출될 수 있는 특수 필름을 제작하여, 실내 실험 연구에 활용하였으며, 이러한 방법은 호주의 CO₂ 현장 부지에서 활용한 사례를 토대로 수행된 내용이다. 다만, 현장에서 사용하는 방법은 실내실험을 진행하기에는 부적합한 면이 있으므로 연구 개발 과정 중에 실내 실험에 맞는 특수 필름을 제작하였고, 그에 맞는 센서 보호 카트리지를 설계하여 실내 실험에 맞는 농도 측정 시스템을 자체 개발하여 실내 실험에적용하였다.
5. CO₂ 가스가 천부 대수층에 유입되는 것을 가정하여 시각화 시험을 대형 수조로 수행한 결과, 대부분의 기체는 빠르게 수직적으로 거동하고 진행되는 과정 중에 용해가 발생하여, 수조 내 공극수에 pH를 높이고 압력 변화를 불러오는 결과를 보였다. 또한, CO₂ 농도 데이터는 이미지가 만들어지면서 농도가 감지되기 시작하였으며, 이는 앞으로 반복적인 실험을 수행하여 실제로 어떤 연관성을 보여주는지 살펴봐야 할 부분이다. 수리 흐름을 줄 때 CO₂가 형성된 plume이 지나가는 지점을 따라 실시간 농도 데이터가 곡선을 보여주었음을 선행연구 결과 밝혔다. 이러한 연구 결과들을 바탕으로 추가로 동일한 가정과 조건으로 새롭게 제작된 수조에 적용하여 지속성 반복성, 그리고 재현성이 확인되는지 살펴봐야 할 것이다.

◼ 2단계
❏ 연구 목표
1. 용해한 CO₂ 물이 천부 대수층으로 유입되는 것을 가정하여 시각화 실험을 수행하고 얻어지는 이미지와 실시간 농도 변화데이터를 비교하여 현장에서 얻은 데이터를 해석하는데 근거가 될 수 있는 자료를 확보한다.
2. 가스 CO₂와 용해된 CO₂가 각각 수치해석 모델에 어떻게 계산되어 결과 값을 도출하는지 확인한다.
❏ 연구 내용
1. 앞 단계에서 활용한 대형시각화 수조의 단점을 추가로 보완하여 반복적인 실험이 가능하도록 수조를 설계 및 제작한다.
2. 제작된 대형시각화 수조를 활용하여 CO₂ 가스가 유입되었을 때를 먼저 가정하여 이전 데이터와 유사성과 차이점을 살펴본다.
3. 반복적인 CO₂ 가스 유입 시각화 실험을 수행한다.
4. 개선된 대형시각화 수조를 활용하여 CO₂가 용해된 물이 유입되었을 때를 가정하여 CO₂ 가스가 유입 가정과 똑같은 조건으로 시각화 시험을 시행한다.
5. 두 개의 다른 가정으로 진행된 시각화 실험 데이터를 비교 분석한다.
6. 이미지로 획득된 사진 분석 결과와 직접 실시간으로 측정된 가스 농도 자료와 상관성을 확인하고, 서로 설명력 있는 결과를 제시하는지 분석한다.
7. 개선된 대형 시각화실험용 수조를 이용하여 획득한 물리적 자료를 수치해석 모델을 구축하는 데 활용한다(압력, 온도 조건 등).
8. 실내 시험으로 획득한 이미지 자료와 가스 농도 자료를 수치해석 모델 결과와 비교 분석한다.
9. 개선되어야 할 실내 실험이 있는지 확인하고 추가적인 실험을 수행한다.
10. 실내 실험과 수치해석 모델로 얻어진 결과를 바탕으로 실제 현장에서 획득한 용해상 CO₂ / 가스상 CO₂ 인위 누출 시험 결과 해석을 시도한다.

□ 1단계 연구 성과
1단계 연구 성과(2021년~2023년)
① 현장 데이터 해석에 한계점을 극복하기 위한 현장 유사 대형시각화 실험 이미지 데이터 제공.
② 대형시각화 실험 기술 개발(real-time data: image & CO₂ concentrations) 응용 방법 제시.
③ 기존 활용한 다상 거동 수치모델 계산 한계 확인 및 후속 연구 방향 제시.
④ 수중 가스 농도 측정 장치 개발을 통해 응용 연구 가능성 제시.
⑤ 이미지와 농도 데이터를 동시에 획득하여 비교함으로써 관련 실험식에 대한 advanced 가능성 제시.

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과
① 현장 데이터 해석 및 추가 현장 실험 수행 기술 확보.
- 누출 CO₂ 상태(가스/용해)에 따른 실시간 모니터링 자료 분석 결과 다른 해석 결과 메커니즘 이해.
- 가스 누출 거동 메커니즘을 이해하고 CO₂ 분포와 이동 특성화 데이터를 확보하기 위한 비반응성 가스 추적자 활용.
② 대형시각화 실험 기술개발(real-time data: image & CO₂ concentrations).
- 대형시각화 실험을 통한 CO₂ 상태(가스/용해)별 plume 형성과 거동 이미지 확보.
- 현장에서는 데이터 획득 한계점 극복,
- 선행연구에서 시도하지 않았던 대규모 시각화 실험을 수행함으로써, 추가 데이터를 획득하는 시각화 실험의 활용도를 높임.
- 대형시각화 실험 구조 이용 수리 흐름을 형성할 수 있도록 설계, 선행 연구 대비 수리지질학적 흐름을 추가 반영한 시각화 실험.
- 풀럼의 시각화된 이미지 데이터와 실시간 CO₂ 농도 동시 획득할 수 있는 실내 실험 기술 확보.
③ 기존 활용한 다상 거동 수치모델 계산 한계 확인.
- 대형시각화 실험 결과로 얻은 실시간 이미지 데이터와 수치해석 모델 결과들을 비교했을 때 서로 다른 특이점 확인.
④ 선행된 시각화 실험과 연계 해석 및 후속 과제 제시.
- 현장 모니터링 결과 해석 관련 중요한 의미 제시.
- 대형시각화실험의 후속 과제 방향성 제시.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 7
• 1. 연구과제의 개요 ... 8
• 1) 연구의 필요성 ... 8
• 2) 연구의 목적 ... 9
• 3) 연구 최종 목표 ... 9
• 4) 연차별 연구추진 전략 ... 9
• 5) 연구 추진 내용 ... 10
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 10
• 1) 연도/월별 연구 추진 내용 ... 10
• 2) 세부 연구 수행 내용 ... 11
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 23
• 1) 연구 수행 결과 ... 23
• 2) 목표 달성 수준 ... 23
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 24
• 5. 연구 성과의 관리 및 활용 계획 ... 26
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 26
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 26
• 2) 연구추진 전략 ... 27
• 3) 연구추진 일정 및 기대하는 성과 ... 28
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 28
• 5) 연구 성과의 활용 방안 및 기대효과 ... 28
• 7. 참고문헌 ... 30
• 끝페이지 ... 48