KR101056083B1 - 신뢰성이 우수한 이산화탄소 지중 저장 시스템 - Google Patents
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Abstract
CO2 지중 저장 및 관리에 대한 신뢰성이 우수한 CO2 지중 저장 시스템에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 CO2 지중 저장 시스템은 복수의 저장탱크에 저장된 CO2를 정해진 지층에 저장하는 CO2 지중 저장부; 및 CO2가 저장되는 지층에 대응하는 지표면 아래에 위치하는 비포화대에 배치되며, 비포화대 CO2의 농도를 감지하는 CO2 농도 감지부;를 포함한다. 이때, CO2 지중 저장부는 복수의 저장탱크로부터 지중 저장을 위한 CO2를 도입 받도록 복수개로 분지 형성된 다기관부와, 입측은 다기관부와 연통 형성되며 출측은 상기 지층으로 향하는 주입배관과 연결되어 다기관부를 통해 도입된 CO2를 주입배관으로 공급하는 분배 챔버부와, 분배 챔버부 내부로 도입된 CO2의 온도를 조절하는 온도 조절부와, 분배 챔버부를 통해 지중 주입될 CO2의 유량 및 유압을 조절하는 유량/유압 조절부를 포함한다.
본 발명에 따른 CO2 지중 저장 시스템은 복수의 저장탱크에 저장된 CO2를 정해진 지층에 저장하는 CO2 지중 저장부; 및 CO2가 저장되는 지층에 대응하는 지표면 아래에 위치하는 비포화대에 배치되며, 비포화대 CO2의 농도를 감지하는 CO2 농도 감지부;를 포함한다. 이때, CO2 지중 저장부는 복수의 저장탱크로부터 지중 저장을 위한 CO2를 도입 받도록 복수개로 분지 형성된 다기관부와, 입측은 다기관부와 연통 형성되며 출측은 상기 지층으로 향하는 주입배관과 연결되어 다기관부를 통해 도입된 CO2를 주입배관으로 공급하는 분배 챔버부와, 분배 챔버부 내부로 도입된 CO2의 온도를 조절하는 온도 조절부와, 분배 챔버부를 통해 지중 주입될 CO2의 유량 및 유압을 조절하는 유량/유압 조절부를 포함한다.
Description
본 발명은 이산화탄소(CO2) 지중 저장 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안정적으로 CO2를 지중 저장할 수 있으며, 저장시 혹은 저장 후 CO2의 누출 여부를 효과적으로 모니터링할 수 있는 CO2 지중 저장 시스템에 관한 것이다.
오늘날 전세계적으로 큰 문제가 되고 있는 지구 온난화 현상은 CO2가 가장 큰 요인으로 작용한다. CO2는 석탄을 이용하는 화력발전소, 철광석을 원료로 하는 제철소, 석유를 원료로 하는 석유화학공장 등에서 배출하는 배출가스에 많이 포함되어 있다. 따라서, 지구 온난화 현상을 최대한 방지하기 위해서는, 상기와 같은 원인 등에 의해 발생하는 CO2가 처리되어야 한다.
CO2 처리 기술로는 지중 저장 기술, 해양 저장 기술 및 광물 탄산 염화 기술 등이 있다.
이 중에서, 해양 저장 기술(ocean storage technology)은, 기체, 액체, 고체 또는 수화물 상태로 CO2를 해양이나 해저 바닥에 저장하는 기술이다. 해양 저장 기술은 해양생태계의 파괴 우려 및 장기적인 CO2 저장에 대한 불안정성 등을 문제로 현재까지 본격적으로 시도되지 못하고 있는 기술이다.
또한, 광물 탄산 염화 기술(mineral carbonation technology)은, CO2를 주로 칼슘과 마그네슘 등의 금속 산화물과 화학적으로 반응시켜 불용해성의 탄산염 광물 상태로 CO2를 처리하는 기술이다. 이러한 광물 탄산 염화 기술은 많은 양의 반응 에너지가 요구됨과 동시에, 탄산염 광물의 저장 및 처리 자체에 환경 문제를 야기할 우려가 따르는 바, 아직까지는 실현되기 어려운 기술에 속한다.
따라서 최근까지는 지중 저장 기술이 가장 효과적인 CO2 처리 기술로서 평가 받고 있다.
CO2 지중 저장 기술은, 육상(또는 해저) 750 ~ 1000m 심도에 존재하는 적합한 지층(geologic formation)에 CO2를 저장하는 기술을 말한다. 심도에 주입된 CO2는 초임계 유체 상태로 존재하므로, 거동이 대단히 느리고 주변 지층이나 지중 유체와 반응하여 고착 또는 용해된다. 이러한 의미에서 CO2 지중 저장 기술은 CO2 지중 격리 기술로 불리기도 한다.
본 발명의 목적은 안정적으로 CO2를 지중 저장할 수 있으며, 또한 지중 저장시 혹은 지중 저장후 CO2의 누출 여부를 효과적으로 모니터링할 수 있어, 지중 저장의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 CO2 지중 저장 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 CO2 지중 저장 시스템은 복수의 저장탱크에 저장된 CO2를 정해진 지층에 저장하는 CO2 지중 저장부; 및 CO2가 저장되는 지층에 대응하는 지표면 아래에 위치하는 비포화대에 배치되며, 상기 비포화대 CO2의 농도를 감지하는 CO2 농도 감지부;를 포함한다.
상기 CO2 지중 저장부는 상기 복수의 저장탱크로부터 지중 저장을 위한 CO2를 도입 받도록 복수개로 분지 형성된 다기관부와, 입측은 상기 다기관부와 연통 형성되며 출측은 상기 지층으로 향하는 주입배관과 연결되어 상기 다기관부를 통해 도입된 CO2를 상기 주입배관으로 공급하는 분배 챔버부와, 상기 분배 챔버부 내부로 도입된 CO2의 온도를 조절하는 온도 조절부와, 상기 분배 챔버부를 통해 지중 주입될 CO2의 유량 및 유압을 조절하는 유량/유압 조절부를 포함한다.
상기 CO2 농도 감지부는 상기 비포화대에 매설되며, 통 형상을 갖는 기체 수집 챔버와, 상기 기체 수집 챔버 측면에 형성되는 기체 유입구와, 상기 기체 수집 챔버 상부에 관통 형성되며 상기 기체 수집 챔버 내의 기체에 포함된 CO2의 농도를 측정하는 CO2 농도 측정 센서를 포함한다.
본 발명에 따른 CO2 지중 저장 시스템은, CO2 저장 탱크로부터 CO2가 저장될 지층으로 주입되는 CO2의 압력 및 온도를 안정적으로 제어할 수 있는 CO2 지중 저장부와, 지표면 바로 아래의 비포화대에서 CO2 농도를 효과적으로 모니터링할 수 있는 CO2 농도 감지부를 구비한다.
따라서, 본 발명에 따른 CO2 지중 저장 시스템을 이용하면, CO2 지중 저장시에 안정성을 가질 수 있으며, CO2 지중 저장시 혹은 저장후 CO2의 누출을 쉽게 모니터링할 수 있다. 그 결과 CO2 지중 저장의 신뢰성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CO2 지중 저장 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 지중 주입될 CO2의 온도 및 유량 및 유압이 조절되는 실시예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 CO2가 지중 저장되는 부지의 비포화대 CO2 농도 감지부를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 CO2가 지중 저장되는 부지의 비포화대 CO2 농도 모니터링 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 도 4의 모니터링 서버를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 CO2가 지중 저장되는 부지의 비포화대 CO2 농도 모니터링 방법의 일실시예를 나타내는 순서도이다.
도 2는 지중 주입될 CO2의 온도 및 유량 및 유압이 조절되는 실시예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 CO2가 지중 저장되는 부지의 비포화대 CO2 농도 감지부를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 CO2가 지중 저장되는 부지의 비포화대 CO2 농도 모니터링 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 도 4의 모니터링 서버를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 CO2가 지중 저장되는 부지의 비포화대 CO2 농도 모니터링 방법의 일실시예를 나타내는 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 신뢰성이 우수한 CO2 지중 저장 시스템에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CO2 지중 저장 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 CO2 지중 저장 시스템은 CO2 지중 저장부(110 ~ 140) 및 CO2 농도 감지부(300)를 구비한다.
CO2 지중 저장부(110 ~ 140)는 복수의 저장탱크에 저장된 CO2를 정해진 지층에 저장한다.
CO2 농도 감지부(300)는 CO2가 저장되는 지층에 대응하는 지표면 아래에 위치하는 비포화대에 배치되며, 비포화대에 존재하는 CO2의 농도를 감지한다.
CO
2
지중 저장부
먼저, CO2 지중 저장부에 대하여 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, CO2 지중 저장부는 다기관부(110), 분배 챔버부(120), 온도 조절부(130) 및 유량/유압 조절부(140)를 포함한다.
다기관부(110)는 저장탱크로부터 지중 주입을 위한 CO2를 공급받도록 복수 배관이 분지 형성된다.
다기관부(110)는 각각 개별적으로 구비된 복수의 저장탱크(T)로부터 보관 중인 CO2를 분배 챔버부(120) 내측으로 통합 이송할 수 있도록 형성된 배관 부재를 말한다.
이를 위해, 상기 다기관부(110)는 서로 간섭이 생기지 않도록 복열 배치된 다기관(多岐管, manifold) 형태를 지니는 것이 바람직하다. 여기서의 복열 배치에 해당되는 관체의 개수는 복수의 저장탱크(T)의 개수에 대응하여 설계되는 것이 바람직하며, 도시된 3개의 관체의 개수에 본 발명은 제한될 필요가 없다.
다시 말해서, 각각 개별적인 장소에서 CO2를 보관하고 있는 복수의 저장탱크(T)는 CO2의 효과적인 이송을 위하여, 저장탱크(T)의 출측으로부터 각각 구별된 배관(114)이 하나씩 연결 형성된다. 다기관부는 배관(114)을 통해 분배 이송된 CO2를 분배 챔버부(120) 내부로 합류시키기 위한 역할을 한다.
이때, 다기관부(110)는 복수의 저장탱크(T)로부터 연결된 배관(114)과의 체결 편의성을 위하여, 상호 연결되는 일측 부위에서 확관 형성된 소켓(112)을 더 구비하는 것이 바람직하다.
복수의 저장탱크(T)는 CO2를 임시 또는 한시적으로 보관하는 저장용기를 말한다. 각각의 저장탱크(T)는 정해진 내부 체적에 보다 많은 양의 CO2를 보관하기 용이한 압축 탱크인 것이 바람직하다.
각각의 저장탱크(T)의 하측에는, 상기 저장탱크(T) 내부에 보관된 CO2의 온도 상태를 적정 수준으로 유지 가능하게 전열 보온기(119)가 구비되는 것이 바람직하다. 이러한 전열 보온기(119)에 해당되는 구체적인 예로서는, 외부 전원(Vs)을 인가받아 발열 기능을 제공하는 유도 가열 코일(induction heating coil)을 이용할 수 있다.
복수의 저장탱크(T) 각각의 출측에는, 스톱밸브(116) 및 압력 게이지(118)가 더 구비될 수 있다. 스톱밸브(116)는 내부 유동 유체를 열림/닫힘 방식으로 조절함으로써, 유체 유동을 단속하는 기능을 갖는 밸브이다. 이러한 스톱밸브(116)는 복수의 저장탱크(T) 각각에서 분배 챔버부(120)로 향해 이동되는 CO2의 유동을 개폐 조절한다. 그리고 압력 게이지(118)는 복수의 저장탱크(T) 각각으로부터 분배 챔버부(120)로 공급될 CO2의 유압을 검출한다.
저장탱크(T)로부터 공급되는 CO2의 설정 온도 및 압력은 50℃ 및 40bar로 정해질 수 있으나, 이러한 설정 온도 및 압력은 CO2 저장 조건 및 환경 등에 따라 적절히 임의 선택 가능하다.
복수의 저장탱크(T)에 보관된 CO2는 각각 구별된 배관(114)을 따라 이동하되, 상기 다기관부(112)를 통해 분배 챔버부(120) 내부에서 합류된다.
분배 챔버부(120)는 다기관부(110)를 통해 공급받은 CO2를, 정해진 지층에 연결되는 주입배관(122)을 통해 지층에 공급하도록 형성된다.
여기서, 주입배관(122)은 미리 형성된 시추공(201) 내부를 따라 지층에 연결된다. 시추공(201) 내에는 주입배관(122)의 위치 고정을 위해 설치되는 패커(203)가 구비될 수 있으며, 이러한 시추공(201) 및 패커(203)를 통해 CO2의 지중 저장이 안정적으로 유도될 수 있다.
분배 챔버부(120)는, 입측(120a)은 상기 다기관부(110)의 출구 개구와 연통 형성되고, 출측(120b)은 CO2를 저장하기 위하여 정해진 지층으로 향하는 주입배관(122)과 연결 형성된다. 이를 통하여, 분배 챔버부(120)는 다기관부(110)를 통해 도입 받은 CO2를 주입배관(122)을 통해 CO2가 지층으로 공급되도록 하는 기능을 담당한다.
즉, 분배 챔버부(120)는 다기관부(110)를 통해서 복수의 저장탱크(T)로부터 도입 받은 CO2를 통합하고, 이를 다시 출측의 주입배관(122)을 통해 지층으로 주입하는 역할을 수행한다.
더욱 안정적인 CO2 통합 및 분배 기능을 수행하기 위하여, 상기 분배 챔버부(120)의 외장은 압력 용기 형태의 케이싱(124)으로 이루어질 수 있으며, 상기 분배 챔버부(120)의 외연 둘레에는 후술될 온도 조절부(130)의 세부 구성인 가열부(133)가 내장될 수 있다.
이러한 가열부(133)는 분배 챔버부(120) 내부의 CO2를 가열하여 사용자가 설정한 온도까지 승온 조절하는 기능을 제공할 수 있다.
온도 조절부(130)는 분배 챔버부(120) 내부로 도입된 CO2의 온도를 조절한다.
이를 위해, 온도 조절부(130)는 지중으로 주입될 CO2의 온도를 검출하는 온도 센서(131)와, 분배 챔버부(120) 내부로 도입된 CO2를 가열하여 승온 조절하는 가열부(133) 및 온도 센서(131)에서 검출된 CO2의 온도를 비교하고, 승온해야할 CO2 온도 보상치를 산출하고 또한 가열부(133)를 동작 제어하는 제어기(도 2의 135)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제어기(도 2의 135)의 구성은 도 2의 설명 시 상세히 다루기로 하고, 여기서는, 상기 온도 센서(131) 및 가열부(133)의 구성에 대해서만 상세히 설명하기로 한다.
온도 센서(131)는, 주입배관(122) 상에 장착될 수 있으며, 상기 주입배관(122)을 통해 지중 관정으로 향하여 공급되는 CO2의 실제 온도를 계측하는 센싱 수단이다. 이러한 온도 센서(131)로는 다양한 타입의 온도계 중 어느 것이 이용되어도 무방하다.
이러한 가열부(133)는 분배 챔버부(120) 내부로 도입된 CO2를 일정 승온 범위 내에서 가열하는 기능을 담당한다. 가열부(133)에 의한 CO2 유지 온도는 대략 50℃로 정해질 수 있으나, 이러한 CO2 유지 온도는 CO2 저장 환경 등에 의하여 변화될 수 있다.
가열부(130)로 이용 가능한 구체적인 예로는, 외부 전원(Vs)을 인가받은 후 저항열을 발생시켜 분배 챔버부(120) 내부의 CO2를 승온 조절 가능한 유도 가열기(induction heater)를 제시할 수 있다.
유량/유압 조절부(140)는 분배 챔버부(120)를 통해 지중 주입될 CO2의 유량 및 유압을 조절한다. 이러한, 유량/유압 조절부(140)는 분배 챔버부(120)를 통해 지중 주입되는 CO2의 유량 및 유압을 조절하는 기능을 담당한다.
도시된 바와 같이 유량/유압 조절부(140)는, 분배 챔버부(120)를 통해 지중 주입될 CO2의 유량을 검출하는 유량 검출부(141)와, 분배 챔버부(120)를 통해 지중 주입될 CO2의 유압을 검출하는 유압 검출부(143)와, 분배 챔버부(120)를 통해 지중 주입될 CO2의 유량을 개폐 조절함은 물론, 유동 유압까지 조절하도록 구비된 밸브부(145, 147)를 포함할 수 있다.
여기서, 유량 검출부(141) 및 유압 검출부(143)는 모두 주입배관(122) 상에 구비되어, 분배 챔버부(120)를 통해 유출되는 CO2의 유량 및 유압을 효과적으로 검출하는 형태로 이루어질 수 있다. 이러한 유량 검출부(141) 및 유압 검출부(143)는 상용의 유량계 및 유압 게이지가 적용될 수 있다.
밸브부(145, 147)는 도 1에 도시된 예와 같이, 유량 검출부(141)를 기준으로 전, 후에 각각 구분 설치될 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 예와 같이, 밸브부(145a, 145b, 147)는 주입배관(122)의 일부 구간이 이중 배관으로 분지 형성된 각각의 관체 상에 설치될 수 있다.
이러한 유량/유압 조절부(140)에는, 유량 검출부(141), 유압 검출부(143) 및 밸브부(145, 147)를 제외하고, 유량/유압 제어부(149)의 구성이 추가적으로 더 포함될 수 있다.
유량/유압 제어부(149)의 기능 및 역할은 도 2를 통해 상세히 확인할 수 있다.
즉, 도시된 유량/유압 제어부(149)는 유량 검출부(141) 및 유압 검출부(143)를 통해 검출된 CO2의 유량 및 유압 데이터를 기 설정된 기준값과 비교 판단하고, 지중 주입될 CO2가 적정 유압 및 유량으로 공급될 수 있도록 상기 밸브부(145a, 145b, 147)의 개폐 동작을 제어한다.
이와 같은 유량/유압 제어부(149)는, 유량 검출부(141) 및 유압 검출부(143)와, 이와 연동하여 개폐 구동하는 밸브부(145a, 145b, 147) 상호 간의 능동적인 제어를 가능하게 해줌으로써, 보다 신속하고 정확한 조건으로의 CO2 분배 기능을 가능하게 해준다.
도 2는 지중 주입될 CO2의 온도 및 유량 및 유압이 조절되는 실시예를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 온도 조절부(130)의 세부 구성으로서, 제어기(135)가 포함된다.
제어기(135)는, 온도 센서(131)에서 검출된 CO2의 온도를 기 설정된 기준값과 비교하는 온도 비교부(136)와, 상기 기준값과의 비교를 통해 상기 가열부(133)에 의해 승온되어야 할 CO2의 온도 보상치를 산출하는 온도 연산부(137)와, 상기 산출된 온도 보상치 만큼 상기 분배 챔버부(120) 내부의 CO2를 승온시키도록 상기 가열부(133)의 동작을 제어하는 온도 제어부(138)와 같은 세부 구성을 포함한다.
여기서, 상기 온도 비교부(136)의 기능에 있어서, "기 설정된 기준값"의 의미는 사용자가 지중 관정으로 주입할 CO2의 목표 온도 값을 말하며, 온도 센서(131)에서 검출된 CO2의 온도가 "기 설정된 기준값"보다 낮을 경우에는 그 차이에 해당하는 온도 보상치를 상기 가열부(133)의 동작을 제어함으로써 승온 조절한다.
상술한 바와 같이, 복수의 저장탱크에 저장되어 있는 CO2는 도 1에 도시된 예와 같이, 다기관부, 분배 챔버부, 온도 조절부 및 유량/유압 조절부를 포함하는 CO2 지중 저장부에 의하여 온도 및 유량, 유압이 조절된 상태로 정해진 지층에 저장될 수 있다.
CO
2
농도 감지부
다음으로, CO2 농도 감지부에 대하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 적용되는 CO2 농도 감지부를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 도시된 CO2 농도 감지부(300)는 기체 수집 챔버(310), 기체 유입구(320) 및 CO2 농도 측정 센서(330)를 포함한다.
기체 수집 챔버(chamber, 310)는 원통, 사각통과 같은 통 형상을 가지며, 지표면 아래의 비포화대에 매설된다. 여기서 비포화대는 지하수면의 상부 층을 의미하며, 통상적으로 미교결 암석과 토양이 분포하고 토양내 기체(산소, 질소, CO2 등)와 수분이 함께 존재하는 층을 의미한다. 비포화대는 대략 지표면에서 50~300cm 정도가 될 수 있다.
기체 수집 챔버(310)의 재질은 토양층을 교란하지 않고 장기간 사용할 수 있으며, 또한 기체와 반응이 잘 이루어지지 않음과 동시에 기체를 흡착하지 않는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 조건을 만족하는 기체 수집 챔버(310)의 재질로는 스테인리스 스틸(stainless steel)이 될 수 있다. 기체 수집 챔버(310)의 바닥에는 지하수 또는 토양수가 유입되었을 경우 중력에 의한 자연 배수가 가능하도록 복수의 배수공이 형성될 수 있다.
기체 유입구(320)는 기체 수집 챔버(310) 측면에 형성되어 기체 수집 챔버(310) 외부의 기체가 기체 수집 챔버(310) 내부로 유입되도록 한다. 기체 유입구(320)는 메쉬(mesh), 즉 망의 형태로 이루어질 수 있다.
한편, 기체 유입구(320)는 기체 수집 챔버(310) 측면에 복수개로 형성될 수 있다.
CO2 농도 측정 센서(330)는 기체 수집 챔버(310) 상부에 관통 형성되며, 기체 수집 챔버(310) 내의 기체에 포함된 CO2의 농도를 측정한다.
상기 CO2 농도 측정 센서(330)는 다양한 센서가 이용될 수 있으나, 사용이 간편하고 측정 정확도가 우수한 NDIR(Non Dispersive Infra-Red) 센서인 것이 가장 바람직하다.
다만, NDIR 센서를 토양 내 설치하였을 경우 토양 공극 내 기체의 함량이 불균질하여 측정이 불완전할 수 있다. 따라서, 본 발명에서와 같이 일정량 이상의 기체가 집적될 수 있는 기체 수집 챔버(310)를 토양층에 설치하고, 상기 기체 수집 챔버(310)에 모아져 평균화된 분포를 갖는 기체에 대하여 NDIR 센서를 이용하여, CO2 농도를 측정하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 CO2 농도 감지부(300)는 기체 수집 챔버(310) 내에서 아래의 화학식 1과 같이 CO2를 반응시켜 탄산염 광물로 변환하기 위하여, 알칼리토금속 수산화물이 기체 수집 챔버(310) 내부로 공급되어 저장되는 알칼리토금속 수산화물 유입 및 저장부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이때, 알칼리토금속 수산화물은 Mg(OH)2, Ca(OH)2, Ba(OH)2 등을 제시할 수 있다.
[화학식 1]
M(OH)2 + CO2 → MCO3 +H2O
(여기서 M은 알칼리토금속)
기체 수집 챔버(310) 내부로 공급되어 저장된 알칼리토금속 수산화물은 상기와 같이 CO2와 반응하여 탄산염 광물을 형성한다. 특히, 토양 내에서의 CO2의 함량이 대기의 CO2 함량보다 약 300배 정도 높은 것으로 알려져 있으므로, 상기 반응을 일으키기에 충분한 CO2가 제공될 수 있다. 이러한 알칼리토금속 수산화물 유입 및 저장부에서 알칼리토금속의 유입은 기체 수집 챔버(310) 측면으로부터 이루어질 수 있으며, 저장은 기체 수집 챔버(310) 내부의 별도 공간에서 이루어질 수 있다.
알칼리토금속 수산화물은 CO2 농도 감지가 진행되는 시점에는 알칼리토금속 수산화물 유입 및 저장부에 저장만 되어 있으며 기체 수집 챔버(310) 내부 공간과는 격리된 상태가 된다. 그 이유는 CO2 농도 감지 시점에 알칼리토금속 수산화물이 기체 수집 챔버(310) 내에 존재하면 CO2 농도 감지의 정확성이 저하될 우려가 있기 때문이다.
따라서, 알칼리토금속 수산화물은 CO2 감지 시점 이외에 기체 수집 챔버(310) 내부 공간의 기체와 소통이 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들면 CO2 농도 감지 주기가 1시간이라고 할 경우, CO2 농도 감지 직후 30분간 알칼리토금속 수산화물 유입 및 저장부가 챔버 내부와 소통이 이루어질 수 있다.
상기 알칼리토금속 수산화물 유입 및 저장부가 있을 경우, CO2의 감지와 함께 탄산염 광물의 생성 및 CO2 저감 효과를 얻을 수 있다.
일단 지표 위로 누출된 CO2는 지표면의 대기와 섞여서 빠르게 이동하므로, 그 농도를 빠르게 감지하고 누출을 판단하여 지상설비의 가동 여부를 판단하는 것이 어렵다. 따라서, 지표 누출 전단계인 비포화대에서 CO2 농도가 비이상적으로 높아지게 되면 CO2 지중 저장의 지상 주입 설비의 가동을 잠정적으로 중지하고 CO2의 농도/유출여부를 확인하여 주입을 계속할 지 여부를 판단할 필요가 있다.
도 4는 본 발명에 따른 CO2가 지중 저장되는 부지의 비포화대 CO2 농도 모니터링 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 도시된 비포화대 CO2 농도 모니터링 시스템은 복수의 비포화대 CO2 농도 감지부(300), 복수의 통신 장치(410) 및 모니터링 서버(420)를 포함한다.
상기 복수의 비포화대 CO2 농도 감지부(300)를 구성하는 챔버, 기체 유입구 및 CO2 농도 측정 센서는 도 5에서 전술한 바와 동일하므로, 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, CO2가 저장되는 지층에 대응하는 지표면의 CO2 저장부지에는 저장 탱크와 같은 CO2 임시 저장 설비, 가압 설비, 증온 설비, 주입 설비 등이 배치된다. 이러한 설비들이 포함되는 것을 고려하면, 이산화탄소 저장부지는 수백m x 수백m 정도가 될 수 있으며, 1km x 1km 이상도 될 수 있다.
따라서, CO2 농도 감지부(300)는 CO2 저장부지에 복수개로 배치된다. 또한, CO2는 저장부지 주변으로도 유출될 수 있으므로, 비포화대 CO2 농도 감지부(300)는 CO2 저장부지 뿐만 아니라 그 주변부지에도 복수개로 배치되는 것이 바람직하다.
복수의 통신 장치(410)는 상기 복수의 비포화대 CO2 농도 감지부(300) 각각의 CO2 농도 측정 센서와 연결되어, CO2 농도 측정 센서로부터 출력되는 CO2 농도를 무선 통신을 통하여 모니터링 서버(420)로 전송한다. 본 발명에서는 CO2 농도 전송 수단으로 무선 통신 장치의 예를 들었으나, 이는 원거리나 복수의 비포화대 CO2 농도 감지부(300)가 있을 경우 편리하기 때문이며, 유선 통신 장치를 배제하는 의미는 아니다.
모니터링 서버(420)는 시간대별 기준 CO2 농도를 저장한다. 또한 모니터링 서버(420)는 통신 장치(410)로부터 전송되는 측정 CO2 농도(C_detec)와 미리 저장된 시간대별 기준 CO2 농도(C_ref)를 비교하여 정상 신호 또는 이상 신호를 모니터 또는 프린터를 통하여 출력한다. 물론, 모니터링 서버(420)는 측정 CO2 농도를 직접 출력할 수 있으며, 측정 CO2 농도를 저장 공간에 저장할 수 있다.
모니터링 서버(420)는 전송되는 측정 CO2 농도(C_detec)와 측정된 시간에 해당하는 기준 CO2 농도(C_ref)를 비교하여, 측정 CO2 농도(C_detec)가 기준 CO2 농도(C_ref)보다 클 경우, 상기 이상 신호를 발생시킬 수 있다.
이때 모니터링 서버(420)에서 이상 신호를 발생시키는 기준은 기준 CO2 농도(C_ref) 자체보다 측정 CO2 농도(C_detec)가 특정수치(α) 이상인 경우(C_detec ≥ C_ref+α)가 될 수 있다.
또한, 모니터링 서버(420)에서 이상 신호를 발생시키는 기준은 측정 CO2 농도(C_detec)가 기준 CO2 농도(C_ref)의 특정비율(β%, β는 1보다 큰 값) 이상인 경우(C_detec ≥ βx C_ref)가 될 수 있다.
상기와 같은 동작을 수행하기 위하여, 모니터링 서버(420)는 도 5에 도시된 바와 같이, 입력부(510), 데이터 저장부(520), 비교부(530) 및 출력부(540)를 포함할 수 있다.
입력부(510)는 상기 복수의 CO2 농도 감지부(300) 각각의 통신 장치(410)로부터 측정 CO2 농도(C_detec)를 입력받는다. 데이터 저장부(520)는 시간대별 기준 CO2 농도를 저장한다.
비교부(530)는 입력부(510)로부터 측정 CO2 농도(C_detec)를 입력받고, 데이터저장부(520)로부터 기준 CO2 농도(C_ref)를 입력받아, 입력된 측정 CO2 농도(C_detec)와 기준 CO2 농도(C_ref)를 비교하여, ‘0’과‘1’또는 ‘LOW’와 ‘HIGH’와 같은 결과신호를 출력한다.
출력부(540)는 비교부(530)의 결과신호에 따라 정상 신호 또는 이상 신호를 모니터 또는 프린터와 같은 출력 장치로 출력한다.
한편, 모니터링 서버(420)는 경보 장치(미도시)와 연결될 수 있는데, 경보 장치는 모니터링 서버(420)의 이상신호에 응답하여 알람이나 사이렌과 같은 경보를 발생시켜, 관리자나 근무자 등이 쉽게 CO2 누출 발생을 인지할 수 있도록 한다.
도 6은 CO2가 지중 저장되는 부지의 비포화대 CO2 농도 모니터링 방법의 실시예를 나타내는 순서도이다.
도 6를 참조하면, 도시된 비포화대 CO2 농도 모니터링 방법은 기준 CO2 농도 데이터 저장 단계(S610), CO2 농도 감지 및 모니터링 단계(S620) 및 결과신호 출력 단계(S631,S632)를 포함한다.
기준 CO2 농도 데이터 저장 단계(S610)에서는 CO2 농도 감지부에서 CO2가 지중 저장될 부지의 비포화대 CO2의 농도를 시간대별로 측정하여, 통신 장치를 통하여 모니터링 서버로 전송하고, 상기 모니터링 서버에서 전송된 비포화대 CO2의 농도를 기준 CO2 농도로 저장한다.
기준 CO2 농도를 모니터링 서버에 미리 저장하는 이유는 다음과 같다.
토양 또는 비포화대의 CO2는 토양 내 생물학적 활동과 그에 영향을 미치는 물리화학적 현상에 따라서 농도가 변화한다. 즉, 토양에서는 유기물의 분해 및 산화에 의해서 CO2의 함량이 대기의 CO2 함량보다 약 300배 정도높은 것으로 알려져 있다. 또한, 토양 내 CO2는 계절에 따라서, 낮과 밤에 따라서, 기타 물리화학적 조건에 따라서 수시로 변화하게 된다. 또한 토양의 특성, 토양층의 심도, 수분함량 등에 따라 지역별로 다르며, 불과 몇 미터(m) 사이에서도 변화하기 때문에 토양의 CO2의 농도를 일반화하는 것은 매우 어렵다.
따라서 지층에 주입된 CO2의 누출 여부를 확인하기 위해서는 최소한 1년 이상 정해진 지점에서 CO2의 농도를 시간단위로 측정하여 자연적인 배경 농도를 미리 파악한 후, 이러한 배경농도를 벗어나는 이상치가 관측되었을 때 대응하는 것이 필요하다.
즉, 일별/월별/분기별/계절별 CO2 농도의 특성과 농도 변화를 일으키는 요인에 대해 충분한 연구를 수행한 후에, 자연적인 변화와 다른 변화에 대해서 미리 대응을 하는 것이 바람직하다.
다음으로 CO2 농도 감지 및 모니터링 단계(S620)에서는 CO2의 지중 저장이 시작된 후 혹은 지중 저장이 완료된 후, CO2 농도 감지부에서 비포화대의 CO2의 농도를 측정하여, 통신 장치를 통하여 모니터링 서버로 전송하며, 모니터링 서버에서 측정된 CO2의 농도와 기준 CO2 농도를 비교한다.
결과신호 출력 단계(S631,S632)에서는 모니터링 서버에서, 측정 CO2의 농도와 기준 CO2 농도를 비교한 결과를 이용하여 정상 신호 또는 이상 신호를 출력한다. 모니터링 서버는 측정된 CO2 농도와 기준 CO2 농도를 비교하여, 측정된 CO2 농도가 기준 CO2 농도보다 일정값 이상 클 경우, 이상 신호를 발생시킬 수 있다.
모니터링 서버에서 이상 신호가 출력될 경우, 경보를 출력하는 과정(S633)이 더 포함되어, CO2의 주입이 중단(S634)될 수 있도록 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 CO2 지중 저장 시스템은 미리 정해진 지층으로 주입되는 CO2의 압력 및 온도를 최적 제어함으로써 보다 안정적으로 CO2를 저장할 수 있으며, 또한, 지표 부근에서 CO2 누출에 대한 모니터링을 쉽고 정확하게 할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
T: 저장탱크 110: 다기관부
120: 분배 챔버부 130: 온도 조절부
140: 유량/유압 조절부 150: 통신인터페이스
201: 시추공 203: 패커(packer)
300 : 농도 감지부 310 : 기체 수집 챔버
320 : 기체 유입구 330 : CO2 농도 측정 센서
410 : 통신 장치 420 : 모니터링 서버
510 : 입력부 520 : 데이터 저장부
530 : 비교부 540 : 출력부
120: 분배 챔버부 130: 온도 조절부
140: 유량/유압 조절부 150: 통신인터페이스
201: 시추공 203: 패커(packer)
300 : 농도 감지부 310 : 기체 수집 챔버
320 : 기체 유입구 330 : CO2 농도 측정 센서
410 : 통신 장치 420 : 모니터링 서버
510 : 입력부 520 : 데이터 저장부
530 : 비교부 540 : 출력부
Claims (7)
- 복수의 저장탱크에 저장된 CO2를 정해진 지층에 저장하는 CO2 지중 저장부; 및
CO2가 저장되는 지층에 대응하는 지표면 아래에 위치하는 비포화대에 배치되며, 상기 비포화대 CO2의 농도를 감지하는 CO2 농도 감지부;를 포함하고,
상기 CO2 지중 저장부는
상기 복수의 저장탱크로부터 지중 저장을 위한 CO2를 도입 받도록 복수개로 분지 형성된 다기관부와, 입측은 상기 다기관부와 연통 형성되며 출측은 상기 지층으로 향하는 주입배관과 연결되어 상기 다기관부를 통해 도입된 CO2를 상기 주입배관으로 공급하는 분배 챔버부와, 상기 분배 챔버부 내부로 도입된 CO2의 온도를 조절하는 온도 조절부와, 상기 분배 챔버부를 통해 지중 주입될 CO2의 유량 및 유압을 조절하는 유량/유압 조절부를 포함하되, 상기 복수의 저장탱크 하측에는 상기 복수의 저장탱크 내에 저장된 CO2가 일정 온도로 유지될 수 있도록 가열하는 전열 보온기가 구비되고,
상기 CO2 농도 감지부는
상기 비포화대에 매설되며, 통 형상을 갖는 기체 수집 챔버와, 상기 기체 수집 챔버 측면에 형성되는 기체 유입구와, 상기 기체 수집 챔버 상부에 관통 형성되며 상기 기체 수집 챔버 내의 기체에 포함된 CO2의 농도를 측정하는 CO2 농도 측정 센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 CO2 지중 저장 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 온도 조절부는,
상기 주입배관 상에 장착되어, 상기 분배 챔버부로부터 유출되어 지중 주입될 CO2의 온도를 검출하는 온도 센서와,
상기 분배 챔버부의 외연을 둘러 감싸는 형태로 배치되어, 상기 분배 챔버부 내부로 도입된 CO2를 가열하여 승온 조절하는 가열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 CO2 지중 저장 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 유량/유압 조절부는,
상기 주입배관 상에 장착되어 지중 주입될 CO2의 유량을 검출하는 유량 검출부와,
상기 주입배관 상에 장착되어 지중 주입될 CO2의 유압을 검출하는 유압 검출부와,
상기 주입배관 상에 장착되어, 상기 분배 챔버부로부터 유출되어 지중 주입될 CO2의 유량 및 유압을 조절하도록 구비된 밸브부를 포함하는 것을 특징으로 하는 CO2 지중 저장 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 다기관부의 일측에는,
복수의 저장탱크와 배관을 통해 연결 형성되도록 확관 형성된 소켓이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 CO2 지중 저장 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 저장탱크 출측에는,
상기 분배 챔버부로 공급될 CO2의 유동을 개폐 조절하도록 구비된 스톱밸브와,
상기 분배 챔버부로 공급될 CO2의 유압을 검출하도록 구비된 압력게이지가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 CO2 지중 저장 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 기체 수집 챔버 측면에 형성되며, 알칼리토금속 수산화물이 상기 기체 수집 챔버 내부로 공급되어 저장되는 알칼리토금속 수산화물 유입 및 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CO2 지중 저장 시스템.
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