KR101034249B1 - 에너지회수장치를 구비한 이산화탄소 지중저장 시스템 - Google Patents

에너지회수장치를 구비한 이산화탄소 지중저장 시스템 Download PDF

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이공훈
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이정호
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Abstract

본 발명은 주입정의 주입압력이 목표압력을 초과하여 지층 흡수가 지연되는 경우 초과되는 압력을 회수하여 고압펌프 양단의 압력차를 줄임으로써 전력소모를 줄일 수 있도록 하는 에너지회수장치를 구비한 이산화탄소 지중저장 시스템에 관한 으로, 이산화탄소가 저장되는 저장탱크와, 상기 저장탱크로부터 지중저장 대상 지층에 연결되어 상기 저장탱크에 저장된 상기 이산화탄소를 지중저장 대상지층으로 이동시키는 주입라인과, 상기 주입라인에 결합되어 상기 이산화탄소를 가압하는 고압펌프와, 상기 주입라인에 결합되어 상기 이산화탄소를 가열하는 히터와, 상기 주입라인에 결합되어 상기 고압펌프에 의해 가압된 상기 이산화탄소를 지중에 주입하는 주입정(wellhead)과, 상기 주입정에 설치되어 상기 주입정 후단의 상기 이산화탄소의 주입압력을 일정하게 유지하는 배압조절기(back pressure regulator)와, 상기 배압조절기를 통해 회수된 상기 이산화탄소를 상기 고압펌프의 전단의 상기 주입라인으로 유입시키는 회수라인을 포함한다.

Description

에너지회수장치를 구비한 이산화탄소 지중저장 시스템{GEOLOGICAL STORAGE SYSTEM OF CARBON DIOXIDE USING ENERGY RECOVERY DEVICE}
본 발명은 이산화탄소 지중저장 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화탄소를 지중저장 대상 지층에 주입하는 지중저장 시스템에 있어서, 주입정의 주입압력이 목표압력을 초과하여 지층 흡수가 지연되는 경우 초과되는 압력을 회수하여 고압펌프 양단의 압력차를 줄임으로써 전력소모를 줄일 수 있도록 하는 에너지회수장치를 구비한 이산화탄소 지중저장 시스템에 관한 것이다.
화석 연료의 사용으로 인한 지구온난화 등의 환경문제를 완화하기 위해 온실가스를 감축시키기 위한 노력이 이루어지고 있다. 온실가스의 감축을 위해서는 신재생에너지의 개발 등을 통해 종래 화석 연료에 의존하며 성장해온 산업 구조를 점진적으로 변경함으로써 화석 연료의 사용을 근본적으로 줄여나가야 하나, 이와 동시에 단기적으로 배출되는 방대한 양의 이산화탄소를 처리할 수 있는 해결책이 필요하다.
온실가스를 대량으로 감축시킬 수 있는 기술의 하나로서 최근 이산화탄소 포집 및 저장(CCS : Carbon Capture and Storage) 기술이 주목받고 있다.
이산화탄소 포집 및 저장기술이란 기후변화 및 교토의정서 상의 온실가스 감축요구에 대응하기 위하여 발전소 및 제철소 등 대규모의 이산화탄소 발생원으로부터 포집한 이산화탄소를 파이프라인이나 선박 등을 통해 수송하여 육상 또는 해저 750~1000m 심도에 있는 석유전, 가스전, 심부대염수층, 석탄층 등의 적합지층에 수백 년 이상 저장 및 관리하는 기술을 말한다.
이산화탄소의 대규모 발생원에서 포집된 이산화탄소는 액체 상태로 탱크로리로 운송되거나, 액체 혹은 초임계 상태로 파이프라인을 통하여 운송된다. 포집되어 온 이산화탄소가 깊은 심도에 주입되는 경우 주변 지층에 고착되거나 지중유체에 용해되어야 장기적인 안전성이 확보되며, 이를 용이하게 하기 위해서 종래 지중주입 시스템은 이산화탄소를 주로 고압의 초임계 상태로 만들어서 주입한다. 도 1은 종래 이산화탄소 지중저장 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 종래 이산화탄소 지중저장 시스템에서는 저장탱크(10)에 저장된 이산화탄소를 펌프(20)로 가압하여 고압 상태로 만든 후 주입 조건인 초임계 상태까지 히터(30)를 사용하여 가열하도록 설계되며, 초임계 상태의 이산화탄소는 주입정(40)을 통해 지중저장 대상 지층에 주입된다.
그러나, 종래 이산화탄소 지중저장 시스템에 의하면 이산화탄소를 고압 상태로 만들기 위한 고압용 펌프(20)를 사용해야 하며, 이러한 고압용 펌프(20)에서 고압을 생성하기 위해서는 고용량의 전력 소모가 필수적이다. 환경문제를 해결하기 위한 방안으로 제시되어온 이산화탄소 지중저장 과정에서 다량의 전력을 소모하게 된다면 그 효용이 반감되는 문제가 있다.
특히 이산화탄소가 주입되는 지층의 구조, 상태에 따라 이산화탄소의 지층 흡수 속도가 다양하게 변화하고, 이에 따라 주입정(40)의 주입압력이 변화하게 되나, 펌프(20)는 이와 무관하게 저장탱크(10)로부터 배출된 소정 압력의 이산화탄소를 일정 압력치까지 일률적으로 가압하므로 지중주입시 주입되지 못한 이산화탄소의 동역학 에너지가 낭비될 뿐 활용되지 못하는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고압펌프를 이용하여 가압된 이산화탄소를 지중저장 대상 지층에 주입하는 경우 주입되지 못한 잉여 이산화탄소의 동역학 에너지를 회수하여 재사용함으로써 고압펌프에서 고압 생성시 소모되는 에너지를 저감시킬 수 있는 에너지회수장치를 구비한 이산화탄소 지중저장 시스템을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 에너지회수장치를 구비한 이산화탄소 지중저장 시스템은 이산화탄소가 저장되는 저장탱크와, 상기 저장탱크로부터 지중저장 대상 지층에 연결되어 상기 저장탱크에 저장된 상기 이산화탄소를 지중저장 대상지층으로 이동시키는 주입라인과, 상기 주입라인에 결합되어 상기 이산화탄소를 가압하는 고압펌프와, 상기 주입라인에 결합되어 상기 이산화탄소를 가열하는 히터와, 상기 주입라인에 결합되어 상기 고압펌프에 의해 가압된 상기 이산화탄소를 지중에 주입하는 주입정(wellhead)과, 상기 주입정에 설치되어 상기 주입정 후단의 상기 이산화탄소의 주입압력을 일정하게 유지하는 배압조절기(back pressure regulator)와, 상기 배압조절기를 통해 회수된 상기 이산화탄소를 상기 고압펌프의 전단의 상기 주입라인으로 유입시키는 회수라인을 포함한다.
여기서 상기 회수라인을 통해 회수된 이산화탄소가 저장탱크로부터 고압펌프 쪽으로만 유동하도록 함으로써 잉여 이산화탄소의 동역학 에너지를 재사용할 수 있도록 상기 주입라인에 결합되고, 상기 회수라인에 의해 상기 이산화탄소가 상기 주입라인에 유입되는 지점 전단에 위치하여 상기 이산화탄소가 상기 저장탱크로부터 상기 고압펌프의 방향으로만 흐르도록 하는 체크밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 지중저장 대상 지층에서 이산화탄소의 흡수가 지연되어 주입정의 주입압력이 목표압력을 초과하는 경우 배압조절기를 통해 주입되지 못한 잉여 이산화탄소를 회수하여 회수라인을 통해 고압펌프 전단에 유입시킨다. 고압펌프로의 유입압력이 상승하여 펌프 양단 압력차가 줄어들면 펌프의 소비전력을 감소시키는 효과를 얻을 수 있다. 결국, 주입되지 못한 잉여 이산화탄소의 동역학 에너지를 회수하여 재사용함으로써 에너지를 절감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 이산화탄소의 지중저장 시스템을 도시한 개요도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지회수장치를 구비한 이산화탄소 지중저장 시스템을 도시한 개요도이다.
도 3은 고압펌프의 양단 압력차에 대한 용량과 소비전력의 관계를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 에너지회수장치를 구비한 이산화탄소 지중저장 시스템(100)의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지회수장치를 구비한 이산화탄소 지중저장 시스템(100)을 도시한 개요도이다. 도 2를 참조하면 본 실시예에 따른 에너지회수장치를 구비한 이산화탄소 지중저장 시스템(100)은 이산화탄소가 저장되는 저장탱크(110)와, 상기 저장탱크(110)로부터 지중저장 대상 지층에 연결되어 상기 저장탱크(110)에 저장된 상기 이산화탄소를 지중저장 대상지층으로 이동시키는 주입라인(L1), 상기 주입라인(L1)에 결합되어 상기 이산화탄소를 가압하는 고압펌프(120), 상기 주입라인(L1)에 결합되어 상기 이산화탄소를 가열하는 히터(130), 상기 주입라인(L1)에 결합되어 상기 고압펌프(120)에 의해 가압된 상기 이산화탄소를 지중에 주입하는 주입정(wellhead)(140), 상기 주입정(140)에 설치되어 상기 주입정(140) 후단의 상기 이산화탄소의 주입압력을 일정하게 유지하는 배압조절기(back pressure regulator)(145), 상기 배압조절기(145)를 통해 회수된 상기 이산화탄소를 상기 고압펌프의 전단의 상기 주입라인으로 유입시키는 회수라인(L2)을 포함한다. 이외에도 상기 주입라인(L1)에 결합되고, 상기 회수라인(L2)에 의해 상기 이산화탄소가 상기 주입라인(L1)에 유입되는 지점 전단에 위치하여 상기 이산화탄소가 상기 저장탱크(110)로부터 상기 고압펌프(120)의 방향으로만 흐르도록 하는 체크밸브(150)를 더 포함할 수 있다.
초임계 이산화탄소 지중주입 시스템은 파이프라인을 통해 이송된 기상의 이산화탄소를 대형압축기를 통해 가압, 승온시킴으로써 초임계 상태로 만들어 주입하는 경우도 있으나, 본 실시예에서는 저장탱크(110)에 저장되어진 액체 상태의 이산화탄소를 가압하여 주입하는 형태를 대상으로 한다.
주입라인(L1)은 저장탱크(110)로부터 지중저장 대상 지층까지 연결되며, 상기 저장탱크(110)에 저장된 이산화탄소가 지중저장 대상으로 이동할 수 있도록 하는 이동 통로의 역할을 한다.
상기 고압펌프(120)는 전단으로 유입된 이산화탄소를 가압하여 소정 압력을 갖는 고압 상태의 이산화탄소로 만들어 후단으로 내보낸다.
상기 히터(130)는 열교환을 통해 가압된 이산화탄소를 승온시킴으로써 주입조건에 맞는 초임계 상태의 이산화탄소로 만든다.
주입정(140)은 상기 고압펌프(120) 및 히터(130)에 의해 가압, 승온이 이루어진 초임계 상태의 이산화탄소를 지중저장 대상 지층으로 주입한다. 상기 주입정(140)에서는 이산화탄소 주입량, 주입압력 등을 측정함으로써 주입상태를 모니터링 할 수 있다.
상기 주입정(140)에는 배압조절기(145)가 추가로 설치된다. 배압조절기(145)는 상기 주입정(140) 후단의 압력을 조절하여 주입정(140)에서 이산화탄소가 주입되는 주입압력이 일정하게 나타나도록 한다.
상기 체크밸브(150)는 주입라인(L1) 상에 설치되고, 저장탱크(110)와, 회수라인(L2)에 의해 회수된 이산화탄소가 주입라인(L1)에 유입되는 지점 사이에 위치하며, 주입라인(L1)을 통해 유동하는 이산화탄소가 저장탱크(110)로부터 고압펌프(120)의 방향으로만 이동하도록 그 흐름의 방향을 설정한다.
이하, 본 실시예에 따른 에너지회수장치를 구비한 이산화탄소 지중저장 시스템(100)의 동작을 설명한다.
도 4는 도 2의 에너지회수장치를 구비한 이산화탄소 지중저장 시스템(100)을 이용한 이산화탄소 지중저장 방법을 도시한 흐름도이다. 이에 의하면 상기 저장탱크(110)에 저장된 이산화탄소가 상기 주입라인(L1)을 통해 이동하여 상기 고압펌프(120)에서 압축되는 압축단계(S100), 상기 압축단계(S100)에서 가압된 상기 이산화탄소가 상기 히터(130)에서 가열되어 초임계상태로 되는 가열단계(S150), 상기 압축단계(S100)에서 가압된 상기 이산화탄소가 상기 주입정(140)에서 지중저장 대상 지층에 주입되는 주입단계(S200), 상기 주입단계(S200)에서 주입정(140)의 주입압력이 목표압력을 초과하는 경우 상기 배압조절기(145)에 의해 주입되지 못한 상기 이산화탄소가 상기 회수라인(L2)을 통해 상기 주입라인(L1) 상의 상기 고압펌프(110) 전단으로 유입시키는 회수단계(S300);를 포함한다.
상기 압축단계(S100)에서 저장탱크(110)에 저장된 액체 이산화탄소는 주입라인(L1)을 타고 이동하여 고압펌프(120)의 전단으로 유입된다. 상기 액체 이산화탄소는 고압펌프(120)를 거치며 가압되어 고압의 이산화탄소가 되고, 다시 히터(130)의 전단으로 유입되어 열교환을 통해 승온되어 주입조건에 맞는 상태의 이산화탄소가 된다. 초임계 상태의 이산화탄소로 주입하고자 하는 경우 73.9 bar 이상의 압력조건과 31.1 ℃ 이상의 온도조건을 만족해야 한다.
본 실시예에서는 상기 압축단계(S100)에서 이산화탄소가 고압펌프(120)를 거친 후 고압펌프(120)후단에 설치된 히터(130)를 통과하면서 승온되어 주입구에서부터 초임계 상태로 주입되는 가열단계(S150)를 거치도록 하였다. 그러나 이외에도 상기 히터(130)를 포함하지 않도록 설계하여 가열단계(S150)를 생략하고, 주입구에서 고압의 액체 상태로 주입하며, 주입관(wellbore pipe)을 통과하면서 온도가 상승하여 지중에서 초임계 상태로 되도록 하는 것도 가능하다.
상기 주입단계(S200)는 주입정(140)에서 액체 상태 또는 본 실시예에 따라 가압 및 승온을 거쳐 변환된 초임계 상태의 이산화탄소를 지중저장 대상 지층으로 주입한다. 이산화탄소의 주입시 지층의 구조나 상태에 의해 이산화탄소의 지층 흡수 속도가 달라질 수 있고, 이에 따라 주입정(140)에서의 주입압력에 변동이 일어난다. 이산화탄소의 지층 흡수가 지연되는 경우 주입정(140)의 주입압력은 상승하여 목표압력을 넘어서게 되는데, 이 때 배압조절기(145)가 작동하여 미처 주입이 이루어지지 못한 이산화탄소를 회수라인(L2)으로 배출함으로써 주입정(140)에서의 주입압력을 일정하게 유지하는 회수단계(S300)를 거친다.
상기 회수단계(S300)에서 상기 회수라인(L2)을 통해 회수된, 주입되지 못한 이산화탄소는 회수라인(L2)을 타고 이동하여 주입라인(L1) 상의 고압펌프(120) 전단으로 유입된다. 이로써 고압펌프(120) 전단의 유입 압력을 증가시켜 고압펌프(120) 양단의 압력 차이가 감소된다. 도 3은 고압펌프(120)의 양단 압력차에 대한 용량과 소비전력의 관계를 나타낸 그래프로, 이를 참조하면, 펌프 양단의 압력차가 줄어드는 경우, 고압펌프(120)의 용량이 증가하고, 소모 전력이 감소하는 경향을 나타내는 것을 알 수 있다. 따라서, 잉여 이산화탄소의 동역학 에너지를 이용하여 고압펌프(120)의 양단의 압력차를 줄임으로써 고압펌프(120)에서 고압 상태의 이산화탄소를 만드는 데 필요한 전력소비를 줄일 수 있다.
또한, 추가적으로 저장탱크와, 회수라인(L2)을 통한 이산화탄소의 유입지점(L1) 사이에 체크밸브(150)를 설치하는 경우, 회수라인(L2)을 타고 유동한 이산화탄소가 모두 고압펌프(120) 쪽으로 이동하도록 함으로써 발생할 수 있는 에너지 손실을 막을 수 있다.
본 발명에 따르면, 배압조절기(145)는 주입정(140)의 주입압력이 목표압력을 초과하는 경우에만 선택적으로 작동하여 초과분에 해당하는 동역학 에너지를 포함하는 이산화탄소를 회수라인(L2)으로 내보낸다. 주입정(140)에서의 주입압력 변동에 따라 미처 흡수되지 못한 잉여 이산화탄소를 회수하여 고압펌프(120) 전단에 유입시킴으로써 고압펌프(120) 양단의 압력차를 감소시켜 전력소비를 절감하므로, 여분의 동역학 에너지를 연속적으로 회수하여 재사용할 수 있는 장점이 있다.
10 : 저장탱크 20 : 펌프
30 : 히터 40 : 주입정
100 : 에너지회수장치를 구비한 이산화탄소 지중저장 시스템
110 : 저장탱크 120 : 고압펌프
130 : 히터 140 : 주입정
145 : 배압조절기 150 : 체크밸브
L1 : 주입라인 L2 : 회수라인

Claims (5)

  1. 이산화탄소가 저장되는 저장탱크;
    상기 저장탱크로부터 지중저장 대상 지층에 연결되어 상기 저장탱크에 저장된 상기 이산화탄소를 지중저장 대상지층으로 이동시키는 주입라인;
    상기 주입라인에 결합되어 상기 이산화탄소를 가압하는 고압펌프;
    상기 주입라인에 결합되어 상기 고압펌프에 의해 가압된 상기 이산화탄소를 지중에 주입하는 주입정(wellhead);
    상기 주입정에 설치되어 상기 주입정 후단의 상기 이산화탄소의 주입압력을 일정하게 유지하는 배압조절기(back pressure regulator);
    상기 고압펌프 전단의 유입압력이 증가되도록 상기 배압조절기를 통해 회수된 상기 이산화탄소를 상기 고압펌프의 전단의 상기 주입라인으로 유입시키는 회수라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지회수장치를 구비한 이산화탄소 지중저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주입라인에 결합되고, 상기 회수라인에 의해 상기 이산화탄소가 상기 주입라인에 유입되는 지점 전단에 위치하여 상기 이산화탄소가 상기 저장탱크로부터 상기 고압펌프의 방향으로만 흐르도록 하는 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지회수장치를 구비한 이산화탄소 지중저장 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주입라인에 결합되고, 상기 고압펌프의 후단에 설치되어 상기 이산화탄소를 가열하는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지회수장치를 구비한 이산화탄소 지중저장 시스템.
  4. 제1항의 이산화탄소 지중저장 시스템을 이용하며,
    상기 저장탱크에 저장된 이산화탄소가 상기 주입라인을 통해 이동하여 상기 고압펌프에서 압축되는 압축단계;
    상기 압축단계에서 가압된 상기 이산화탄소가 상기 주입정에서 지중저장 대상 지층에 주입되는 주입단계;
    상기 주입단계에서 주입정의 주입압력이 목표압력을 초과하는 경우 상기 배압조절기에 의해 주입되지 못한 상기 이산화탄소가 상기 회수라인을 통해 상기 주입라인 상의 상기 고압펌프 전단으로 유입시키는 회수단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 지중저장 방법.
  5. 제3항의 이산화탄소 지중저장 시스템을 이용하며,
    상기 저장탱크에 저장된 이산화탄소가 상기 주입라인을 통해 이동하여 상기 고압펌프에서 압축되는 압축단계;
    상기 압축단계에서 가압된 상기 이산화탄소가 상기 히터에서 가열되어 초임계상태로 되는 가열단계;
    상기 압축단계에서 가압된 상기 이산화탄소가 상기 주입정에서 지중저장 대상 지층에 주입되는 주입단계;
    상기 주입단계에서 주입정의 주입압력이 목표압력을 초과하는 경우 상기 배압조절기에 의해 주입되지 못한 상기 이산화탄소가 상기 회수라인을 통해 상기 주입라인 상의 상기 고압펌프 전단으로 유입시키는 회수단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 지중저장 방법.
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KR101215468B1 (ko) 2012-10-30 2012-12-26 한국지질자원연구원 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치 및 방법
KR20190054313A (ko) 2017-11-13 2019-05-22 인하대학교 산학협력단 단일 수평정을 이용한 이산화탄소 지중 저장장치

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JP2008238054A (ja) 2007-03-27 2008-10-09 Tokyo Electric Power Co Inc:The 炭酸ガスの地中貯留システム
KR20100068088A (ko) * 2008-12-12 2010-06-22 한국해양연구원 이산화탄소를 해양지중에 저장하기 위한 공정방법

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