KR101967344B1 - 이산화탄소의 지중 저장 시스템 및 이산화탄소의 지중 저장 방법 - Google Patents

이산화탄소의 지중 저장 시스템 및 이산화탄소의 지중 저장 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 이산화탄소의 지중 저장 시스템 은, 지상에서부터 다수의 암석 그레인 및 염수를 포함하는 염수성 대수층까지 연장되어 있고, 염수성 대수층에 이산화탄소를 포함하는 주입 물질을 공급하는 주입 파이프, 다수의 암석 그레인 사이에 위치하는 다수의 공극, 그리고 다수의 공극 중 일부와 연결되어 있고, 이산화탄소가 다수의 공극을 거쳐 도달한 후 저장되는 저장 구조를 포함한다.

Description

이산화탄소의 지중 저장 시스템 및 이산화탄소의 지중 저장 방법{GEOLOGICAL STORAGE SYSTEM OF CARBON DIOXIDE AND PROCESS FOR GEOLOGICAL STORAGE OF CARBON DIOXIDE}
이산화탄소의 지중 저장 시스템 및 이산화탄소의 지중 저장 방법이 제공된다.
지구 온난화를 완화하기 위해 온실가스를 대량으로 감축할 수 있는 기술의 하나로서 이산화탄소(CO2) 포집 및 저장 기술(Carbon dioxide Capture and Storage, CCS)에 대한 관심 및 수요가 증대되고 있다.
이산화탄소 포집 및 저장 기술이란 기후 변화 및 교토 의정서 상의 온실 가스 감축 요구에 대응하기 위해 발전소 및 제철소 등 대규모의 이산화탄소 발생원으로부터 포집한 이산화탄소를 석탄층, 석유전이나 가스전 등의 저류층, 염수성 대수층(saline aquifer) 등에 장기간 저장 및 관리하는 기술을 말한다.
다만, 염수성 대수층에 이산화탄소를 저장하는 경우, 염수성 대수층에 위치하는 공극 내에 모세관 현상이 발생하여 이산화탄소의 거동을 제어하는 것이 용이하지 않을 수 있다.
이러한 이산화탄소의 거동 제어를 통한 이산화탄소의 저장 증대를 위해 산성 가스를 주입하여 공극 내 이산화탄소-염수의 계면 물성을 변화시킴으로써 이산화탄소의 거동을 변화시키기 위한 노력이 있어 왔으나, 경제적이지 못하고 환경 문제를 발생시킬 수 있다.
또한, 염수성 대수층의 염수를 퍼올려서 이산화탄소를 미세 기포화하여 기액 혼합 유체로서 염수성 대수층에 주입하는 방법이 있으나, 염수를 퍼올리기 위한 양수 장비나 펌프가 필요하고, 시스템의 규모가 지나치게 커질 수 있으며, 저장을 위한 에너지 소비가 과도해질 우려가 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 이산화탄소의 지중 저장 시스템 및 이산화탄소의 지중 저장 방법은 염수와 이산화탄소 간의 계면 장력을 감소시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 이산화탄소의 지중 저장 시스템 및 이산화탄소의 지중 저장 방법은 염수-이산화탄소-암석 간의 접촉각을 증가시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 이산화탄소의 지중 저장 시스템 및 이산화탄소의 지중 저장 방법은 모세관 압력을 감소시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 이산화탄소의 지중 저장 시스템 및 이산화탄소의 지중 저장 방법은 염수성 대수층 내에서의 이산화탄소의 이동 효율을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 이산화탄소의 지중 저장 시스템 및 이산화탄소의 지중 저장 방법은 염수성 대수층 내의 이산화탄소의 저장량을 증가시키기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 이산화탄소의 지중 저장 시스템 은, 지상에서부터 다수의 암석 그레인 및 염수를 포함하는 염수성 대수층까지 연장되어 있고, 염수성 대수층에 이산화탄소를 포함하는 주입 물질을 공급하는 주입 파이프, 다수의 암석 그레인 사이에 위치하는 다수의 공극, 그리고 다수의 공극 중 일부와 연결되어 있고, 이산화탄소가 다수의 공극을 거쳐 도달한 후 저장되는 저장 구조를 포함한다.
여기서, 다수의 공극과 저장 구조는 염수로 충진되어 있고, 이산화탄소는 주입 물질에 포함되어 있는 미생물에 의해 생성된 생계면활성제에 의해 둘러싸여 염수와 분리되어 있다.
이산화탄소는 기체, 액체, 또는 초임계 상태일 수 있다.
미생물은 바실러스 섭틸리스 균이고, 생계면활성제는 서팩틴일 수 있다.
생계면활성제는 미셀 구조를 형성하고, 미셀 구조 내부에 이산화탄소가 포획될 수 있다.
저장 구조의 상부 및 하부에 덮개암이 위치할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 이산화탄소의 지중 저장 방법은, 지상에서부터 다수의 암석 그레인 및 염수를 포함하는 염수성 대수층까지 연장되어 있는 주입 파이프를 통해 이산화탄소, 미생물 및 미생물 배양액을 포함하는 주입 물질을 염수성 대수층에 공급하는 단계, 미생물에 의해 생성된 생계면활성제가 미셀 구조를 형성하고, 미셀 구조의 내부에 이산화탄소를 포획하여 저장 물질을 형성하는 단계, 다수의 암석 그레인 사이에 위치하고 염수로 충진되어 있는 다수의 공극을 통해 저장 물질을 이동시키는 단계, 그리고 다수의 공극 중 일부와 연결되어 있고 염수로 충진되어 있는 저장 구조로 저장 물질을 이동시켜 저장 물질을 저장하는 단계를 포함한다.
주입 물질을 염수성 대수층에 공급하는 단계 이전에, 상 변환 장치를 통해 이산화탄소의 상을 액체 또는 초임계 상태로 변환시키는 단계를 포함할 수 있다.
염수성 대수층의 온도 및 압력 환경에 대응하여 이산화탄소의 상을 결정할 수 있다.
미생물은 바실러스 섭틸리스 균이고, 생계면활성제는 서팩틴일 수 있다.
주입 물질을 염수성 대수층에 공급하는 단계에서, 주입 물질의 주입 온도, 주입 압력, 그리고 주입량을 조절할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 이산화탄소의 지중 저장 시스템 및 이산화탄소의 지중 저장 방법은 염수와 이산화탄소 간의 계면 장력을 감소시킬 수 있고, 염수-이산화탄소-암석 간의 접촉각을 증가시킬 수 있으며, 모세관 압력을 감소시킬 수 있고, 염수성 대수층 내에서의 이산화탄소의 이동 효율을 향상시킬 수 있고, 이산화탄소의 저장량을 증가시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 이산화탄소의 지중 저장 시스템의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 A 영역을 보다 상세하게 나타낸 도면이다.
도 3은 생계면활성제에 의한 계면 장력 변화 및 접촉각 변화를 측정하기 위한 실험 모식도이다.
도 4a는 생계면활성제의 생성에 따른 기체, 액체, 초임계 상태의 이산화탄소와 물 간의 계면 장력 변화를 측정한 그래프를 나타내고, 도 4b는 도 4a에서 점선 원으로 표시된 부분에 대응되는 조건에서의 이산화탄소 촬영 이미지를 나타낸다.
도 5a는 생계면활성제의 생성에 따른 기체, 액체, 초임계 상태의 이산화탄소와 석영 판(quartz plate) 간의 접촉각 변화를 측정한 그래프를 나타내고, 도 5b는 도 5a에서 점선 원으로 표시된 부분에 대응되는 조건에서의 이산화탄소-석영 판의 촬영 이미지를 나타낸다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 실시예에 따른 이산화탄소의 지중 저장 시스템의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 이산화탄소의 지중 저장 시스템(100)은, 이산화탄소(CO2) 저장 탱크(110), 주입부(120), 그리고 지상에서부터 지하의 염수성 대수층(saline aquifer, 140)까지 형성(연장 또는 연신)되어 있는 주입 파이프(130)를 포함한다. 여기서 이산화탄소 저장 탱크(110)에 저장되어 있는 이산화탄소는 주입부(120)에 의해 주입 파이프(130)를 거쳐 염수성 대수층(140)에 저장된다.
염수성 대수층(140)은 지층수 또는 염류가 높은 농도로 용해되어 있는 염수(saline water)로 포화되어 있는 퇴적층이고, 다수의 암석 그레인(grain)과 암석 그레인 사이마다 존재하는 빈 공간을 포함하며, 이러한 빈 공간에 염수가 충진되어 있다. 염수성 대수층(140)은 오랜 기간 염수를 함유하고 있는 지질 구조로서 이산화탄소를 유출 없이 안정하게 저장할 수 있고, 일반적으로 전 세계 대부분의 지역에 존재하므로 이산화탄소의 잠재 저장 능력이 클 수 있다.
실시예에 따른 이산화탄소의 지중 저장 시스템(100)의 염수성 대수층(140)의 깊이는 지표면(102)으로부터 약 800 m 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 약 800 m 보다 낮은 깊이에 형성되어 있을 수도 있다.
지표면(102) 상에 위치하는 이산화탄소 저장 탱크(110)는 대규모 발전 시설 등의 이산화탄소 생성지에서 포집된 이산화탄소가 이송되어 저장되는 설비를 의미하고, 복수 개로 존재할 수 있다. 포집된 이산화탄소는 파이프, 선박, 또는 차량 등을 이용하여 이산화탄소 저장 탱크(110)로 이송될 수 있다. 이산화탄소 저장 탱크(110)는 이산화탄소를 주입부(120)로 전달한다.
주입부(120)는 이산화탄소, 미생물 및 미생물 생장을 위한 미생물 배양액을 포함하는 주입 물질을 주입 파이프(130)를 통해 염수성 대수층(140)에 공급한다.
여기서, 미생물은, 예를 들어, 바실러스 섭틸리스(bacillus subtilis) KCTC2189 균일 수 있다. 바실러스 섭틸리스 균을 생장시키기 위한 미생물 배양액은, 예를 들어, Glucose, MgSO4, CaCl2, FeSO4, Na2EDTA, MnSO4, NH4Cl, NaNO3, KH2PO4, Na2HPO4 등을 포함할 수 있다.
바실러스 섭틸리스 균은 전술한 배양액에서 생장하면서 생계면활성제(biosurfactant)인 서팩틴(surfactin)을 생성한다. 이러한 서팩틴은 친수성(hydrophilic) 부분과 소수성(hydrophobic) 부분을 동시에 포함하고, 친수성 부분이 염수 쪽을 향하도록 배치되면서 미셀(micelle) 구조를 형성할 수 있다. 이때 미셀 구조 내부에 이산화탄소가 포획(trapped)되면서 저장 물질을 형성할 수 있다.
주입부(120)는 온도 센서(미도시) 및 가열 장비(미도시)를 사용하여 이산화탄소의 온도를 조절하는 온도 조절부(미도시), 이산화탄소의 유량(주입량) 및 유압(주입 압력)을 조절하는 유량 유압 조절부(미도시), 염수성 대수층(140)의 온도 및 압력 환경에 대응하여 이산화탄소의 상(phase)을 변환시키는 상 변환 장치(미도시)를, 그리고 미생물 및 미생물 배양액을 분배하는 분배기(미도시) 등을 포함할 수 있고, 이로 인해 주입 파이프(130)로 주입되는 이산화탄소의 온도, 유량, 유압, 미생물 및 배양액의 주입 비율 등의 조건이 필요에 따라 제어될 수 있다.
도시되지는 않았지만, 주입 파이프(130)의 배출구 주변의 암석 그레인의 분포도 또는 밀도가 낮을 수 있고, 점토질 암석 등과 같이 염수 및 이산화탄소를 통과시키지 않는 덮개암(불투수층)이 존재하지 않을 수 있다. 이로 인해 저장 물질이 원활하게 염수성 대수층(140)으로 주입될 수 있다.
배출구에서 배출된 이산화탄소는 암석 그레인 사이의 빈 공간(공극)을 거쳐서 저장 구조까지 도달하여 저장될 수 있고, 저장 구조는 미리 조사될 수 있다.
이때, 이산화탄소를 서팩틴이 둘러싸면서 미셀 구조를 형성함으로 인해서, 염수와 이산화탄소 간의 계면 장력이 감소하고, 접촉각이 증가하여 모세관 압력(capillary pressure)이 감소할 수 있고, 이로 인해 이산화탄소의 유동성 또는 이동 효율(sweep efficiency)이 향상될 수 있으며, 이산화탄소 저장량 또는 저장 효율이 크게 증가할 수 있다. 또한 저장 물질의 구조로 인해서 안정적인 저장 구조에 전략적으로 이산화탄소를 주입할 수 있다.
도 2는 도 1에서 사각형의 점선으로 표시된 A 영역을 보다 상세하게 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 이산화탄소의 지중 저장 시스템(100)은 다수의 암석 그레인(152) 사이에 위치하는 다수의 공극(154), 그리고 다수의 공극(154) 중 일부와 연결되어 있고, 이산화탄소(162)를 포함하는 저장 물질(160)이 다수의 공극(154)을 거쳐 도달한 후 저장되는 저장 구조(170)를 포함한다.
이때, 다수의 공극(154)과 저장 구조(170)는 염수로 충진되어 있고, 주입 파이프(130)에서 배출된 이산화탄소(162)는 주입 물질에 포함되어 있는 미생물에 의해 생성된 생계면활성제(biosurfactant, 164)에 의해 둘러싸여 저장 물질(160)을 형성함으로써 염수와 분리(격리)되어 있을 수 있다.
염수성 대수층(140)의 다수의 암석 그레인(152)은 각각 크기 및 모양이 상이할 수 있고, 이로 인해 암석 그레인(152) 사이마다 공극(154)이 존재할 수 있으며, 이러한 공극(154)을 따라 저장 물질(160)이 이동될 수 있다.
이때, 모세관 압력의 크기가 작을수록 저장 물질(160)이 공극(154)을 용이하게 통과할 수 있다. 모세관 압력은 모세관 통과 압력(capillary breakthrough pressure)으로도 표현될 수 있다. 모세관 압력의 크기가 작을수록 이산화탄소가 염수성 대수층(140) 내로 주입되어 효과적으로 확산된 후 저장 구조(170)에 안정적으로 저장될 수 있다. 모세관 압력에 의해 이산화탄소의 거동성이 제한되는 경우, 원하는 곳으로 이산화탄소를 이동시킬 수 없게 되고, 이산화탄소의 저장량이 감소될 수 있다.
모세관 압력은 이산화탄소 및 염수의 압력 차이를 의미할 수 있고, 하기 수학식 1에 따라 이산화탄소(162)와 염수의 계면 장력(interfacial tension), 암석 그레인(152) 표면에서의 이산화탄소(162) 또는 염수의 접촉각(contact angle), 그리고 공극의 반지름 등의 인자에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017082396730-pat00001
수학식 1에서, PC는 모세관 압력을 의미하고, PCO2 는 이산화탄소의 압력을 의미하며, PW는 염수의 압력을 의미하고, γW - CO2 는 염수와 이산화탄소 간의 계면 장력을 의미하며, θ는 염수-이산화탄소-암석 간의 접촉각을 의미한다.
여기서, 계면 장력은 염수와 이산화탄소가 접촉하게 되었을 때, 경계면의 넓이를 감소시키려는 방향으로 작용하는 힘을 의미할 수 있다. 또한, 염수-이산화탄소-암석 간의 접촉각은, 염수-이산화탄소, 염수-암석, 이산화탄소-암석이 접촉하였을 경우의 접촉각을 의미한다.
염수와 이산화탄소 간의 계면 장력이 작을수록 모세관 압력이 작아질 수 있고, 염수-이산화탄소-암석 간의 접촉각이 클수록 모세관 압력이 작아질 수 있다. 모세관 압력이 작아질수록 저장 구조(170)에 전략적으로 이산화탄소를 주입할 수 있고, 이산화탄소의 유동성(거동성) 또는 이동 효율이 향상될 수 있으며, 이산화탄소 저장량 또는 저장 효율이 증가할 수 있다.
이산화탄소를 단독으로 염수성 대수층(140)에 주입하는 기존의 시스템과 비교하여, 실시예에 따른 이산화탄소의 지중 저장 시스템(100)은, 바실러스 섭틸리스 균과 그 배양액을 이산화탄소와 함께 주입함으로써, 바실러스 섭틸리스 균이 생성한 생계면활성제인 서팩틴(164)이 이산화탄소(162)를 둘러싸면서 미셀 구조를 형성하여 저장 물질(160) 이루게 되고, 이러한 서팩틴(164)에 의해 염수와 이산화탄소(162) 간의 계면 장력이 작아질 수 있고, 염수-이산화탄소-암석 간의 접촉각이 커질 수 있다. 따라서, 이산화탄소(162)의 모세관 압력이 감소하고, 이산화탄소의 유동성이 향상되며, 이산화탄소의 저장량이 증대될 수 있다.
이산화탄소(162)는 기체 상태, 액체 상태, 또는 초임계(supercritical) 상태로 염수성 대수층(140)에 주입될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 주입부(120)에 포함되어 있는 상 변환 장치에 의해 기체 상태의 이산화탄소가 액체 또는 초임계 상태로 변환될 수 있다.
이산화탄소(162)의 상(phase)은 이산화탄소(162)를 저장할 염수성 대수층(140)의 온도 및 압력 조건(환경)에 대응하여 결정될 수 있다.
예를 들어, 염수성 대수층(140)의 환경이 약 31.48 ℃, 약 7.4 MPa 이상의 고온/고압 상태인 경우, 기체 상태의 이산화탄소(162)를 초임계 상태로 변환시킨 후 염수성 대수층(140)에 주입할 수 있다. 이러한 경우, 염수성 대수층(140)의 깊이는 지표면(102)으로부터 약 800 m 이상일 수 있고, 이산화탄소(162)는 고밀도 및 고유동성 특성을 갖는 초임계 상태를 유지할 수 있다.
다만, 예를 들어 염수성 대수층(140)이 지표면(102)으로부터 800 m 이하 깊이에 위치하고, 온도/압력 조건이 이산화탄소(162)가 초임계 상태로 유지되기에 적합하지 않은 경우에는, 이산화탄소(162)가 기체 또는 액체 상태로 주입될 수 있다. 다만, 이산화탄소(162)가 액체 상태로 주입되어야 하는 경우에는 상 변환 장치(미도시)에 의해 상 변환 공정이 수행될 수 있다.
염수성 대수층(140)의 지표면(102)으로부터의 깊이는 다양할 수 있고, 각 깊이에서의 온도 및 환경 조건에 대응하여 이산화탄소(162)의 상이 결정될 수 있다.
저장 물질(160)의 저장을 위해, 염수성 대수층(140)은 식수로 사용될 수 있는 층과 분리되어 있어야 한다. 또한 주입 파이프(130)에서 염수성 대수층(140)으로 이산화탄소(162)가 주입되는 부분에 인접한 영역에는 충분한 다공성 및 침투성이 확보되어야 할 필요가 있고, 이를 위해 주입 파이프(130)에서 이산화탄소(162)가 주입되는 부분에 인접한 영역에서의 암석 그레인(152)의 밀도가 다른 영역에 비해 상대적으로 낮을 수 있다.
저장 물질(160)이 공극(154)을 거쳐 도달하는 저장 구조(170)는, 공극(154)에 비해 현저하게 큰 빈 공간을 내부에 포함할 수 있다. 저장 물질(160)은 저장 구조(170) 내부의 빈 공간에 저장될 수 있다. 종래 시스템에 비해서, 생계면활성제(164)에 의해 저장 물질(160)의 유동성이 증대되어, 상대적으로 더 많은 양의 저장 물질(160)이 저장 구조(170)에 도달할 수 있다.
저장 구조(170)의 상부 및 하부에는 덮개암(172a, 172b)이 위치할 수 있다. 또한 덮개암(172a, 172b)은 저장 구조(170) 측면의 적어도 일부에 형성되어 있을 수도 있다. 덮개암(172a, 172b)은 염수 및 저장 물질(160)을 투과시키지 않아 오랜 기간 이산화탄소(162)가 저장될 수 있도록 하는 불투수층(불투과층)일 수 있고, 예를 들어, 점토질일 수 있다.
이하에서는, 실시예에 따른 이산화탄소의 지중 저장 방법에 대하여 설명한다. 전술한 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해서는 설명이 생략될 수 있다.
실시예에 따른 이산화탄소의 지중 저장 방법은, 주입 물질을 염수성 대수층(140)에 공급하는 단계, 저장 물질(160)을 형성하는 단계, 다수의 공극(154)을 통해 저장 물질(160)을 이동시키는 단계, 그리고 저장 구조(170)로 저장 물질(160)을 이동시켜 저장 물질(160)을 저장하는 단계를 포함한다.
우선 지상에서부터 염수성 대수층(140)까지 연장되어 있는 주입 파이프(130)를 통해 이산화탄소(162), 미생물 및 미생물 배양액을 포함하는 주입 물질을 염수성 대수층(140)에 공급하는 단계가 수행된다.
이때, 주입 물질을 염수성 대수층(140)에 공급하는 단계 이전에, 상 변환 장치(미도시)에 의해 이산화탄소(162)의 상(기체, 액체, 초임계)이 결정될 수 있고, 주입부(120)에서 이산화탄소(162), 미생물 및 미생물 배양액의 주입 비율이 결정될 수 있으며, 주입 물질의 주입량, 주입 온도 및 압력이 결정될 수 있다. 이산화탄소(162)의 상은 염수성 대수층(140)의 온도 및 압력 환경에 대응하여 결정될 수 있다.
이어서, 미생물에 의해 생성된 생계면활성제(164)가 미셀 구조를 형성하면서, 미셀 구조의 내부에 이산화탄소(162)를 포획하여 저장 물질(160)을 형성하는 단계가 수행된다.
여기서, 미생물은 바실러스 섭틸리스 균일 수 있고, 바실러스 섭틸리스 균이 생성하는 생계면활성제인 서팩틴(164)에 의해 염수-이산화탄소 간 계면 장력이 감소되고, 염수-이산화탄소-암석 간 접촉각이 증가할 수 있다.
이후, 다수의 암석 그레인(152) 사이에 위치하고 염수로 충진되어 있는 다수의 공극(154)을 통해 저장 물질(160)을 이동시키는 단계가 수행된다.
미리 선정된 저장 구조(170)까지 저장 물질(160)을 이동시키기 위해 주입부(120)에서 주입 압력을 조절할 수 있고, 실시예에 따른 저장 물질(160)의 이동 효율은 종래 시스템의 이산화탄소의 이동 효율에 비해 월등하게 우수할 수 있다.
이어서, 다수의 공극(154) 중 일부와 연결되어 있고 염수로 충진되어 있는 저장 구조(170)로 저장 물질(160)을 이동시켜 저장 물질(160)을 저장하는 단계가 수행된다.
이하에서는, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 서팩틴(surfactrin)에 의한 계면 장력 변화 및 접촉각 변화를 측정하기 위한 실험 모식도이다.
도 3을 참조하면, 좋은 품질의 이미지 획득을 위해, 계면 장력 변화 및 접촉각 변화 실험은 암실(dark room)에서 이루어졌고, 스테인레스 재질의 반응조(reactor)에 히트 콘트롤러와 연결된 코일을 감싸서 실제 염수성 대수층(140)의 온도를 구현하였다. 또한 고압 실린지 펌프(high pressure pump)를 이용하여 반응조에 이산화탄소를 주입하고, 이송 베슬(transfer vessel)을 통해 반응조에 탈이온수, 바실러스 섭틸리스 균 및 배양액을 혼합하여 주입하는 방식으로 압력을 조절하였다. 이러한 압력 및 온도 조건은 압력 센서(pressure transducer) 및 열전대(thermocouple)를 통해 실시간으로 모니터링 되었다. 계면 장력 변화 및 접촉각 변화는 고해상도의 매크로 렌즈(macro lens)가 장착된 카메라를 이용하여 측정되었다.
실험 온도 조건은 약 301.15 K(28 ℃) 에서 약 310.15 K(37 ℃)의 범위, 그리고 실험 압력 조건은 약 3 MPa 에서 약 10 MPa까지로, 이산화탄소가 가스, 액체, 초임계 상태로 존재하도록 조절하였다. 약 310.15 K, 약 3 MPa 에서는 가스 상태의 이산화탄소, 약 301.15 K, 약 10 MPa 에서는 액체 상태의 이산화탄소, 약 310.15 K, 약 10 MPa 에서는 초임계 상태의 이산화탄소로 실험을 진행하였다.
반응조의 용량은 약 50 cm3 였으며, 온도 및 압력의 독립적 영향을 규명하기 위해 소금물이 아닌 탈이온수와 이산화탄소가 사용되었다.
실험에 사용된 배양액의 조성은 하기 표 1과 같다.
Compound Concentration
Carbon source Glucose 40 g/L
Mineral salt medium MgSO4 8.0 X 10-4 M
CaCl2 8.0 X 10-4 M
FeSO4 8.0 X 10-4 M
Na2EDTA 8.0 X 10-4 M
MnSO4 8.0 X 10-4 M
Nitrogen source
 NH4Cl 0.1 M
NaNO3 0.118 M
Phosphate buffer
 KH2PO4 0.03 M
Na2HPO4 0.04 M
도 4a는 생계면활성제의 생성에 따른 기체, 액체, 초임계 상태의 이산화탄소와 물 간의 계면 장력 변화를 측정한 그래프를 나타내고, 도 4b는 도 4a에서 점선 원으로 표시된 부분에 대응되는 조건에서의 이산화탄소 촬영 이미지를 나타낸다. 구체적으로 도 4b는 생계면활성제가 생성되기 이전과 이후에 있어서의 기체, 액체, 초임계 상태의 이산화탄소 모양을 촬영한 이미지이다.
도 4a에서 점선 (1)(기체 상태), 점선 (2)(초임계 상태), 그리고 점선 (3)(액체 상태)은 각각 기존의 문헌에 예시되어 있는 이산화탄소-물의 계면 장력을 나타낸다.
상세하게 설명되지는 않았지만, 바실러스 섭틸리스 균에 의한 서팩틴의 생성은 FT-IR 스펙트럼 분석을 통해 확인되었다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 생계면활성제 생성으로 인하여, 기체, 액체, 그리고 초임계 상태의 이산화탄소 모두 물과의 계면 장력이 감소하는 현상을 확인할 수 있다.
기체 상태(37 ℃, 3 MPa)의 이산화탄소와 물의 계면 장력은 약 49.5 mN/m 에서 약 20 mN/m 로 약 39% 감소하였고, 액체 상태(28 ℃, 10 MPa)의 이산화탄소와 물의 계면 장력은 약 28.5 mN/m 에서 약 13 mN/m 로 약 54% 감소하였으며, 초임계 상태(37 ℃, 10 MPa)의 이산화탄소와 물의 계면 장력은 약 32.5 mN/m 에서 약 18.5 mN/m 로 약 43% 감소하였음을 볼 수 있다.
이러한 계면 장력의 감소는, 상세하게 설명되지 않았지만, 도 4b의 이미지들로부터 공지된 라플라스 방정식(Laplace equation)에 의해 계면 곡선의 모양 변화를 통하여 확인할 수 있다.
도 5a는 생계면활성제의 생성에 따른 기체, 액체, 초임계 상태의 이산화탄소와 석영 판(quartz plate) 간의 접촉각 변화를 측정한 그래프를 나타내고, 도 5b는 도 5a에서 점선 원으로 표시된 부분에 대응되는 조건에서의 이산화탄소-석영 판의 촬영 이미지를 나타낸다. 구체적으로 도 5b는 생계면활성제가 생성되기 이전과 이후의 석영 판 상에서의 기체, 액체, 초임계 상태의 이산화탄소 모양을 촬영한 이미지이다.
도 5a에서 점선 (1)(기체 상태), 점선 (2)(초임계 상태), 그리고 점선 (3)(액체 상태)은 각각 기존의 문헌에 예시되어 있는 이산화탄소-석영의 접촉각을 나타낸다.
상세하게 설명되지는 않았지만, 바실러스 섭틸리스 균에 의한 서팩틴의 생성은 FT-IR 스펙트럼 분석을 통해 확인되었다.
기체 상태(37 ℃, 3 MPa)의 이산화탄소와 석영 판의 접촉각은 약 20.5 ° 에서 약 23.2 °로 약 1.16 배 증가하였고, 액체 상태(28 ℃, 10 MPa)의 이산화탄소와 석영 판의 접촉각은 약 18.4 ° 에서 약 61.8 °로 약 3.36 배 증가하였으며, 초임계 상태(37 ℃, 10 MPa)의 이산화탄소와 석영 판의 접촉각은 약 35.5 ° 에서 약 47.7 °로 약 1.34 배 증가하였음을 확인할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 기체 상태, 액체 상태, 초임계 상태의 조건 모두에서, 서팩틴 생성 후 이산화탄소와 석영 판 사이의 접촉각이 증가한 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 이산화탄소의 지중 저장 시스템 110: 이산화탄소 저장 탱크
120: 주입부 130: 주입 파이프
140: 염수성 대수층 152: 암석 그레인
154: 공극 160: 저장 물질
162: 이산화탄소 164: 서팩틴
170: 저장 구조 172a: 상부 덮개암
172b: 하부 덮개암

Claims (10)

  1. 지상에서부터 다수의 암석 그레인(grain) 및 염수(saline water)를 포함하는 염수성 대수층(saline aquifer)까지 연장되어 있고, 상기 염수성 대수층에 이산화탄소(CO2)를 포함하는 주입 물질을 공급하는 주입 파이프,
    상기 다수의 암석 그레인 사이에 위치하는 다수의 공극, 그리고
    상기 다수의 공극 중 일부와 연결되어 있고, 상기 이산화탄소가 상기 다수의 공극을 거쳐 도달한 후 저장되는 저장 구조
    를 포함하고,
    상기 다수의 공극과 상기 저장 구조는 상기 염수로 충진되어 있고,
    상기 이산화탄소는 상기 주입 물질에 포함되어 있는 미생물에 의해 생성된 생계면활성제(biosurfactant)에 의해 둘러싸여 상기 염수와 분리되어 있는
    이산화탄소의 지중 저장 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 이산화탄소는 기체, 액체, 또는 초임계(supercritical) 상태인 이산화탄소의 지중 저장 시스템.
  3. 제1항에서,
    상기 미생물은 바실러스 섭틸리스(bacillus subtilis) 균이고, 상기 생계면활성제는 서팩틴(surfactin)인 이산화탄소의 지중 저장 시스템.
  4. 제1항에서,
    상기 생계면활성제는 미셀(micelle) 구조를 형성하고, 상기 미셀 구조 내부에 상기 이산화탄소가 포획되는 이산화탄소의 지중 저장 시스템.
  5. 제1항에서,
    상기 저장 구조의 상부 및 하부에 덮개암이 위치하는 이산화탄소의 지중 저장 시스템.
  6. 지상에서부터 다수의 암석 그레인(grain) 및 염수(saline water)를 포함하는 염수성 대수층(saline aquifer)까지 연장되어 있는 주입 파이프를 통해 이산화탄소(CO2), 미생물 및 미생물 배양액을 포함하는 주입 물질을 상기 염수성 대수층에 공급하는 단계,
    상기 미생물에 의해 생성된 생계면활성제(biosurfactant)가 미셀(micelle) 구조를 형성하고, 상기 미셀 구조의 내부에 상기 이산화탄소를 포획하여 저장 물질을 형성하는 단계,
    상기 다수의 암석 그레인 사이에 위치하고 상기 염수로 충진되어 있는 다수의 공극을 통해 상기 저장 물질을 이동시키는 단계, 그리고
    상기 다수의 공극 중 일부와 연결되어 있고 상기 염수로 충진되어 있는 저장 구조로 상기 저장 물질을 이동시켜 상기 저장 물질을 저장하는 단계
    를 포함하는
    이산화탄소의 지중 저장 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 주입 물질을 상기 염수성 대수층에 공급하는 단계 이전에,
    상(phase) 변환 장치를 통해 상기 이산화탄소의 상을 액체 또는 초임계(supercritical) 상태로 변환시키는 단계를 포함하는 이산화탄소의 지중 저장 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 염수성 대수층의 온도 및 압력 환경에 대응하여 상기 이산화탄소의 상을 결정하는 이산화탄소의 지중 저장 방법.
  9. 제6항에서,
    상기 미생물은 바실러스 섭틸리스(bacillus subtilis) 균이고, 상기 생계면활성제는 서팩틴(surfactin)인 이산화탄소의 지중 저장 방법.
  10. 제6항에서,
    상기 주입 물질을 상기 염수성 대수층에 공급하는 단계에서,
    상기 주입 물질의 주입 온도, 주입 압력, 그리고 주입량을 조절하는 이산화탄소의 지중 저장 방법.
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