이산화탄소 지중저장 모사실증을 통한 CO2 성상 및 특성 연구

국문 초록 (Abstract)

파리협정의 온실가스 감축 목표 달성과 저탄소 경제 및 탄소중립 구조로의 전환 가속화를 위해 사회적으로 획기적인 변화가 필요한 상황에서, 각국에서는 탄소제로 사회로의 전환을 위한 전략과 실행계획을 적극적으로 추진하고 있다. 2020년 기준으로 이산화탄소가 91.4%로 가장 높은 비중을 차지하였으며, 이산화탄소 감축을 위한 방법 중 CCUS 기술의 온실가스 감축 기여도를 약 17-19%로 전망하고 있다. 공주대학교 예산캠퍼스 내 CCS 저장 모사실증 테스트베드는 국내에서 유일하게 해양 저장 환경을 구현한 설비로, 공극 및 코어규모보다는 크고 대규모 현장규모보다는 작은 실험규모의 연구시설이다. 테스트베드에는 L-CO2 저장탱크, L-CO2 부스터펌프, L-CO2 메인펌프, 수조, 메인히터, PCV(Pressure Control Valve), 인공저장층, 소음기룸, 모니터링룸 등이 구축되어 있다. 이 장비들은 현장 사양과 동일하게 구성되어 실험의 신뢰성과 현장과의 유사성을 확보하고 있다. 실험의 정확성과 신뢰성을 확보하기 위해서는 장비 특성을 정확히 이해하고 보정하는 것이 중요하다. 이산화탄소를 지중저장하기 위해서는 공극률(Porosity), 투과율(Permeability), 모세관압(Capillary pressure) 등의 정보가 사전에 고려되어야 한다. 이러한 인공저장층의 물성과 실험 결과를 비교하여 상관관계가 있을 것으로 예측하고 기대하였지만, 실험에서는 예상과 다른 결과를 얻었다. 이를 통해 얻은 결과를 정량 및 정성적으로 평가하였으며, 가공한 데이터를 사용하여 인공저장층 내 각 저장층에서 이산화탄소의 압력, 온도, 밀도 변화 패턴을 분석하였다.
본 연구를 통해 인공저장층의 규모와 인공저장층 내 충진된 매질의 특성이 개선되어야 하는 필요성을 언급하며, 개선된 테스트베드에서의 실험연구는 실제 현장 저장소와 유사하게 개편하여 향후 새로운 CCS 기술 적용을 가능케 하는 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In a situation where groundbreaking social changes are needed to achieve the Paris Agreement's GHG(Greenhouse Gas) reduction objects and accelerate the transition to a low-carbon economy and carbon-neutral structure, each country is actively promoting strategies and action plans for the transition to a carbon-zero society. As of 2020, carbon dioxide accounted for the highest proportion at 91.4%, and among methods to reduce carbon dioxide, the contribution of CCUS technology to greenhouse gas reduction is expected to be approximately 17-19%. The Demonstration Test-bed for CCS Storage Technology at Kongju University's Yesan Campus is the only facility in Korea that implements an offshore storage environment and is an experimental scale research facility that is larger than the pore scale and core scale and smaller than the field scale.
The equipment built in the Test-bed facility includes L-CO2 storage tank, L-CO2 booster pump, L-CO2 main pump, water bath, main heater, PCV(Pressure Control Valve), artificial reservoir, silencer room and monitoring room. These equipment are configured identically to the field specifications, ensuring the reliability of the experiment and similarity to the field. To ensure the accuracy and reliability of the experiment, it is important to accurately understand and calibrate the equipment characteristics. In order to store CO2 underground, information such as porosity, permeability and capillary pressure must be considered in advance. By comparing the physical properties of this artificial reservoir with the experimental results, it was predicted and expected that there would be a correlation, but the experiment yielded results that were different from what was expected. The results obtained through this were evaluated quantitatively and qualitatively, and the processed data was used to analyze the pressure, temperature, and density variation patterns of CO2 in each reservoir within the artificial reservoir.
In this study, it is necessary to improve the scale of the artificial reservoir and the properties of the filled medium in the artificial reservoir. The experimental study in the improved Test-bed is similar to the actual field reservoir, and it can be used as basic data to enable the application of new CCS technology in the future.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 연구설비 4
• 1. CCS 저장 모사실증 테스트베드 4
• 2. 테스트베드 장비 7
• 1) 가동 장비 7
• 2) 인공저장층 11
• Ⅲ. 연구방법 14
• 1. 테스트베드 연구방법론 14
• 2. 연구과정 17
• Ⅳ. 연구내용 18
• 1. 실험설계 18
• 1) 연구목적 1 실험설계 18
• 2) 연구목적 2 실험설계 19
• 2. 데이터 처리 20
• 1) 실시간 시계열자료 추출 20
• 2) 데이터 추출 및 가공 21
• Ⅴ. 연구결과 22
• 1. 연구목적 1 실험 22
• 2. 연구목적 2 실험 54
• Ⅵ. 토의 59
• 1. 실험설비: 주입 조건에 따른 이산화탄소의 압력, 온도, 밀도 59
• 2. 압력 패턴(Type 1, Type 2, Type 3)과 투과율의 관계 60
• 3. 인공저장층의 개선 방향 61
• Ⅶ. 결론 62
• Ⅷ. 참고문헌 64