KR102028615B1 - 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템은 주입용 이산화탄소(2)를 지중(underground)에 주입하는 주입부(10); 및 토양(1)에 배치되어, 소정의 지중 깊이에서의 이산화탄소의 농도, 및 지표에서 누출되는 누출가스의 플럭스를 측정하는 가스측정부(20);를 포함한다.

Description

이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템{INTEGRATED MANAGEMENT SYSTEM OF OPEN FIELD SHALLOW CARBON DIOXIDE RELEASE EXPERIMENT}

본 발명은 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실외에서, 지중에 저장된 이산화탄소의 누출과 유사한 환경을 조성하여 지중 이산화탄소의 확산 경향과 식물 및 토양 생태계에 미치는 영향을 실험적으로 확인할 수 있는 시스템에 관한 것이다.

기후변화와 지구온난화는 환경문제인 동시에 경제문제와 직결되므로, 자국의 산업경쟁력과 경제활동 보호를 위해 각국은 혁신적인 에너지 기술 확보에 열을 올리고 있다. 혁신적 에너지 기술 중 이산화탄소 포집 및 저장(carbon dioxide capture and storage, CCS) 기술은 단일 기술로는 이산화탄소 감축에 대한 기여도가 가장 클 것으로 평가되어 가장 주목받는 기술분야에 해당한다.

이산화탄소 저장 기술로는 해양 저장 기술, 광물 탄산염화 기술 및 지중 저장 기술 등이 있다. 해양 저장 기술(ocean storage technology)은 기체, 액체, 고체 또는 수화물(hydrate) 상태로 이산화탄소를 해양이나 해저 바닥에 분사 또는 주입하여 저장하는 기술이다. 그러나 이산화탄소의 해양 분사 및 주입은 해양 생태계를 빠른 속도로 파괴시키고, 해양 자체가 열린계로써, 대기와 함께 탄소 순환을 형성하기 때문에, 주입된 이산화탄소의 장기적이고 안정적인 저장을 보장할 수 없는 문제가 있다.

광물 탄산염화 기술(mineral carbonation technology)은 이산화탄소를 주로 칼슘과 마그네슘 등의 금속 산화물(metal oxide)과 화학적으로 반응시켜서 불용해성의 탄산염 광물(carbonate mineral) 상태로 침전시켜서 이산화탄소를 저장하는 기술이다. 그러나 이러한 광물 침전 화학 반응은 그 반응 속도가 너무나 느리고, 많은 양의 반응 에너지가 필요하며, 생성된 탄산염 광물의 저장과 처리 자체가 새로운 환경 문제를 야기시킬 수 있다.

지중 저장 기술(geologic storage technology)은 육상이나 해저에서 750 ~ 2,000 m 심도에 존재하는 적합한 지층(geologic formation)에 이산화탄소를 주입하여 저장하는 기술로서, 선진국에서 석유 및 천연가스 개발 사업과 연계하여 활발히 개발·적용되고 있으며, 이산화탄소 지중 저장이 석유 및 천연가스 회수 증진 등과 같은 부가가치 효과도 가지므로, 현재까지 세 가지 이산화탄소 저장 기술 중에서 지중 저장 기술이 가장 효과적이고 경제적인 기술로 평가되고 있다.

이러한 이산화탄소 지중 저장을 위해서, 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 이산화탄소 지중 저장 통합 관리 시스템이 개발되었다. 이산화탄소 지중 저장에는 지층 특성화 및 평가 기술, 시추 및 주입 기술, 거동 예측 또는 수치 모델링 기술, 거동 관측 기술, 환경 영향 평가 기술, 및 폐쇄 후 관리 기술이 요구된다. 여기서, 환경 영향 평가 기술, 및 폐쇄 후 관리 기술은 이산화탄소의 누출 특성을 분석하고, 지상으로의 누출 모니터링을 통하여 이산화탄소 지중 저장의 장기적인 안정성을 제고하기 위한 기술로서, 종래 이산화탄소 지중 저장 통합 관리 시스템에서 중요한 핵심 기술이다.

안전한 이산화탄소 포집 및 저장기술을 구현하기 위해서는 이산화탄소 거동 및 누출에 대한 지중 모니터링 시스템 개발과 환경위해성 및 환경영향 평가 등이 필요한데, 대부분의 이산화탄소 포집 및 저장기술에 관한 연구는 이산화탄소 포집 부분에 치우쳐 있고, 기술영향평가, 전략환경평가 및 환경영향평가 분석 등을 포함하는 관리방안에 관해서는 연구가 이루어지지 않고 있다.

이에 지중 이산화탄소의 증가가 환경, 토양, 생태 등에 미치는 위해성을 평가하기 위한 연구가 필요하고, 이러한 연구를 수행할 수 있는 모니터링 장비의 개발이 시급하다.

KR 10-2012-0052797 A

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 지중에 저장된 이산화탄소의 누출과 유사한 환경을 조성하고 그에 따른 불포화대 이산화탄소의 누출을 모니터링하고, 지중 이산화탄소의 누출이 식물, 및 생태계에 미치는 영향을 평가할 수 있는 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템은 주입용 이산화탄소를 지중(underground)에 주입하는 주입부; 및 토양에 배치되어, 소정의 지중 깊이에서의 이산화탄소의 농도, 및 지표에서 누출되는 누출가스의 플럭스를 측정하는 가스측정부;를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템에 있어서, 액화 이산화탄소를 저장하는 적어도 하나 이상의 저장탱크, 상기 액화 이산화탄소를 기화시켜 상기 주입용 이산화탄소를 생성하는 기화기, 및 상기 기화기로부터 상기 주입용 이산화탄소를 상기 주입부로 공급하는 공급라인을 포함하는 공급부;를 더 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템에 있어서, 상기 주입부는 양단이 개방되고, 내부에 상기 공급라인이 삽탈되며, 일단이 상기 지중에 박히는 주입관; 일단이 개방된 중공관 형상으로, 외주면에 상기 공급라인으부터 공급되는 상기 주입용 이산화탄소가 배출되도록 관통된 배출홀이 형성되고, 상기 주입관로의 일단에 삽입되어 슬라이딩되면서, 상기 주입관의 내면에 의해 상기 배출홀이 개폐되는 주입헤드; 및 원추형으로, 일단이 뾰족하고, 타단이 상기 주입헤드의 타단에 결합되되 상기 배출홀이 폐쇄되는 방향으로 상기 주입헤드가 슬라이딩될 때에 상기 주입관의 일단에 걸리도록 형성된 팁부;를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템에 있어서, 상기 주입부는 상기 팁부의 외면으로부터 돌출된 적어도 하나 이상의 돌기부;를 더 포함하고, 상기 주입관과 상기 주입헤드가 나사결합된다.

또한, 본 발명에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템에 있어서, 상기 가스측정부는 중공관 형상으로 형성되되, 상기 지중에 매설되는 일단의 외주면에 유입홀이 관통되어, 상기 유입홀을 통해 지상에 배치되는 타단으로 상기 이산화탄소를 배출시키는 이산화탄소배출부; 상기 이산화탄소배출부의 타단으로 배출되는 상기 이산화탄소의 농도를 측정하는 농도측정기; 상기 지표에 배치되는 일단이 개방된 중공통 형상으로 형성되어, 상기 누출가스를 내부에 포집하는 가스포집부; 및 상기 가스포집부에 포집된 상기 누출가스의 플럭스를 측정하는 가스센서;를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템에 있어서, 상기 주입용 이산화탄소의 유량을 측정하고 제어하는 유량측정제어부;를 더 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템에 있어서, 측정된 상기 주입용 이산화탄소의 유량, 상기 이산화탄소의 농도, 및 상기 누출가스의 플럭스를 데이터화하여 저장하는 저장서버;를 더 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템에 있어서, 상기 저장서버는 기상관측부에서 수집된 기상 데이터를 더 저장한다.

또한, 본 발명에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템에 있어서, 상기 저장서버에 저장된 데이터를 기반으로, 상기 주입용 이산화탄소가 상기 토양의 생태계에 미치는 영향을 분석하고 데이터화하여 저장하는 환경분석부;를 더 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템에 있어서, 상기 저장서버에 저장된 데이터, 및 상기 환경분석부에 저장된 데이터 중 적어도 어느 하나 이상을 실시간으로 디스플레이하는 모니터링부;를 더 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템에 있어서, 상기 토양의 온도 및 습도를 측정하는 온습도측정부;를 더 포함한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따르면, 실제 지중 이산화탄소 누출과 유사하게 실외에서 토양 속으로 이산화탄소를 다량 방출시킬 수 있으며, 이를 통하여 지중 이산화탄소 가스의 거동 및 이산화탄소의 누출이 식물과 토양 등 생태계에 미치는 영향을 관찰하고 향후 이산화탄소 누출을 예측하는데 중요한 정보를 제공할 수 있다.

또한, 이산화탄소 포집 및 저장 사업 시에 이산화탄소 누출에 빠르게 대응할 수 있을 뿐만 아니라 그 사업의 안전성을 증명하는데 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템의 구성도이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 주입부의 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 가스측정부의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템의 구성도이다.
도 6은 이산화탄소 주입 후 지중 이산화탄소 농도의 변화를 나타내는 사진이다.
도 7은 이산화탄소 주입 전후 지중 이산화탄소 및 산소 농도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 이산화탄소 주입 전후 이산화탄소 플럭스의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 이산화탄소 주입 전후 메탄 플럭스의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10은 이산화탄소 주입 전후 소나무와 굴참나무 묘목의 엽록소 형광 및 함량 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11은 이산화탄소 주입 전후 소나무와 굴참나무 묘목의 광합성량, 기공전도도, 및 증산량 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12는 이산화탄소 주입 전후 고구마의 엽록소 함량 변화를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템의 구성도이고, 도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 주입부의 단면도이며, 도 4는 도 1에 도시된 가스측정부의 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템은 주입용 이산화탄소(2)를 지중(underground)에 주입하는 주입부(10); 및 토양(1)에 배치되어, 소정의 지중 깊이에서의 이산화탄소의 농도, 및 지표에서 누출되는 누출가스의 플럭스를 측정하는 가스측정부(20);를 포함한다.

본 발명은 지중에 저장된 이산화탄소의 누출과 유사한 환경을 조성하여 지중 이산화탄소의 확산 경향과 식물 및 토양 생태계에 미치는 영향을 실험적으로 확인하는 시스템으로서, 종래의 이산화탄소 포집 및 저장기술이 이산화탄소 포집 분야에 치우쳐 있는바, 이산화탄소 거동 및 누출을 모니터링하고, 이산화탄소가 환경에 미치는 영향을 분석할 수 있는 장비를 제공하고자 안출되었다.

구체적으로, 본 발명에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템은, 주입부(10), 및 가스측정부(20)를 포함한다.

주입부(10)는, 이산화탄소 천부누출실험을 위해, 실험용 토양(1) 내에 이산화탄소를 주입할 수 있도록 제공되는 장치이다. 여기서, 이산화탄소 천부누출실험은 실제 지중(underground)에 저장된 이산화탄소의 거동과, 지표로 누출된 이산화탄소가 생태계에 미치는 영향을 분석하기 위해, 실외에서 이와 유사한 환경을 조성하여 행하는 실험을 의미하고, 실험용 토양(1)은 그 실험이 행해지는 토양을 의미한다. 이때, 실험용 토양(1)은 일정 영역씩 구획하여, 다수의 영역으로 분할될 수 있고, 분할된 영역마다 서로 다른 토양과 식생 환경으로 조성될 수 있으며, 그 영역마다 개별적으로 주입부(10)에 의해 이산화탄소가 주입될 수 있다.

한편, 주입부(10)에 의해 주입되는 주입용 이산화탄소(2)는 기체 상태로, 공급부(30)에 의해 공급될 수 있다. 여기서, 일실시예에 따른 공급부(30)는, 저장탱크(31), 기화기(33), 및 공급라인(35)을 포함할 수 있다.

저장탱크(31)는 액화 이산화탄소를 저장하는 용기로서, 적어도 하나 이상을 사용할 수 있다. 이러한 저장탱크(31)는 관로에 의해 기화기(33)와 연결될 수 있다. 기화기(33)는 액화 이산화탄소를 기화시켜 기체 상태의 이산화탄소를 생성하는데, 이때 생성된 이산화탄소가 주입용 이산화탄소(2)가 된다. 한편, 기화기(33)와 주입부(10)는 공급라인(35)에 의해 서로 연결되므로, 주입용 이산화탄소(2)는 공급라인(35)을 따라, 주입부(10)로 공급된다. 여기서, 공급라인(35)은 중공관 형상으로 형성되어, 내부에 주입용 이산화탄소(2)가 이동할 수 있는 통로를 제공하는데, 주입부(10)가 넓은 면적의 지중에 주입용 이산화탄소(2)를 주입할 수 있도록, 다수 개가 구비될 수 있고, 이때 지중에 매설되거나 또는 지표에 노출된 상태로 흩어져 배치될 수 있다. 다만, 공급라인(35)의 개수나 배치되는 위치가 반드시 위와 같이 한정되어야 하는 것은 아니다. 일례로, 롤(roll)에 감아서 보관하다가, 실험을 하는 경우에만 풀어서 사용할 수도 있다.

가스측정부(20)는, 소정의 지중 깊이에서의 이산화탄소의 농도, 및 지표에서 누출되는 누출가스의 플럭스를 측정할 수 있는 장비로 구성되어, 실험용 토양(1)에, 다수의 영역으로 구획된 경우에는 그 영역마다 배치될 수 있다. 여기서, 이산화탄소의 농도는 주입된 주입용 이산화탄소(2)의 지중에서의 거동을 분석하는 자료로 활용될 수 있고, 누출가스의 플럭스는 지중에서 지표로 누출되는 가스의 거동 및 누출되는 토양 영역에서 그 가스가 생태계에 미치는 영향을 분석하는 자료로 활용될 수 있다. 이때, 누출가스는 이산화탄소를 비롯하여 메탄, 산소 등 지표로 누출되는 모든 가스를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템은, 유량측정제어부(40)를 더 포함할 수 있다.

유량측정제어부(40)는, 주입용 이산화탄소(2)의 유량을 측정하고, 제어할 수 있도록 구성된 장비이다. 여기서, 유량계(flow meter)를 사용하여, 주입용 이산화탄소(2)의 유량을 측정하고, 유량제어밸브(folw control valve)를 통해 그 유량을 제어할 수 있다.

한편, 본 실시예에서, 저장서버(50)를 더 포함할 수 있다.

저장서버(50)는, 전술한 주입용 이산화탄소(2)의 유량, 이산화탄소의 농도, 및 누출가스의 플럭스를 데이터화하여 저장한다. 주입용 이산화탄소(2)의 유량, 이산화탄소의 농도, 및 누출가스의 플럭스는 실험용 토양(1)의 생태계에 영향을 미치는 인자이므로, 실험용 토양(1)의 구획 영역별, 시간대별로 저장서버(50)에 저장되어, 생태계에 미치는 영향을 분석할 때 기본자료로 활용된다.

또한, 저장서버(50)는, 실험용 토양(1)의 생태계에 영향을 미치는 기상 데이터를 더 저장할 수도 있다. 여기서, 기상 데이터는 기상관측부(WS)에서 수집된 기상 정보로부터 얻을 수 있다.

이하에서는 전술한 주입부(10), 및 가스측정부(20)의 구체적 구성에 대해 설명한다.

도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 주입부(10)의 단면도로서, 도 2를 참고로, 일실시예에 따른 주입부(10)는, 주입관(11), 주입헤드(13), 및 팁부(15)를 포함할 수 있다.

여기서, 주입관(11)은 양단이 개방된 중공관 형태로, 내부에 공급라인(35)이 삽탈될 수 있도록 형성된다. 이러한 주입관(11)의 일단은 실험용 토양(1)의 지중에 박히고, 그 반대쪽 타단은 지상에 노출되므로, 타탄을 통해 공급라인(35)을 삽입하거나, 제거할 수 있다. 한편, 주입관(11)은 지표에 대해 소정의 각도로 기울어져, 지중에 박힐 수 있고, 이때 박히는 깊이는 주입용 이산화탄소(2)를 주입하기 위한 지중 깊이를 고려하여 정할 수 있다.

주입헤드(13)는 일단이 개방된 중공관 형상으로, 주입관(11)의 일단에 삽입되어 슬라이딩되도록 형성된다. 따라서, 주입헤드(13)의 내부와 주입관(11)의 내부는 서로 소통하므로, 주입용 이산화탄소(2)를 배출하는 공급라인(35)의 일단은 주입헤드(13) 내부에 배치될 수 있다. 또한, 주입헤드(13)가 주입관(11) 내에서 슬라이딩되므로, 주입헤드(13)가 주입관(11)의 타단과 가까워지는 방향으로 움직이면, 주입헤드(13)의 외주면은 주입관(11)의 내면에 의해 커버되고, 주입헤드(13)가 주입관(11)의 타단과 멀어지는 방향으로 움직이면, 주입헤드(13)의 외주면이 외부로 노출되게 된다. 한편, 주입헤드(13)의 외주면에는 공급라인(35)을 따라 배출된 주입용 이산화탄소(2)가 외부로 배출될 수 있도록, 배출홀(13a)이 관통되어 형성된다. 따라서, 배출홀(13a)은 주입헤드(13)의 슬라이딩 방향에 따라, 주입관(11)의 내면에 의해 개폐되므로, 배출홀(13a)이 개방될 때에만, 주입용 이산화탄소(2)가 외부로 배출되게 된다.

한편, 주입헤드(13) 내의 주입용 이산화탄소(2)가 주입헤드(13)의 개방된 일단을 통해, 주입관(11)의 내부를 따라 외부로 배출될 수도 있으므로, 이를 방지하기 위해서 주입헤드(13)의 내주면으로부터 돌출된 역류방지벽(17)이 제공될 수 있다. 여기서, 역류방지벽(17)은 중심부에 공급라인(35)이 통과할 수 있는 천공을 구비한 디스크(disk) 형상으로 형성되어, 주입용 이산화탄소(2)의 역류를 방지할 수 있다. 또한, 그 천공에 공급라인(35)이 억지끼움되어, 공급라인(35)이 고정되는 동시에, 공급라인(35)과 천공 내면 사이에 기밀이 유지될 수 있다.

팁부(15)는 지중에 쉽게 박힐 수 있도록, 일단이 뾰족한 원추형으로 형성된 부재이다. 그 일단이 반대쪽 타단은 주입헤드(13)의 타단에 결합되는데, 배출홀(13a)이 폐쇄되는 방향으로 주입헤드(13)가 슬라이딩될 때에 주입관(11)의 일단에 걸리도록 형성되므로, 주입헤드(13)의 슬라이딩되는 깊이를 제한한다.

이렇게 형성된 주입부(10)는, 지중을 향해 전진하며 박히는 동안에는, 토양(1)과의 저항에 의해 주입헤드(13)의 외주면이 주입관(11)에 의해 커버되므로, 주입용 이산화탄소(2)를 주입하고자 하는 경우에는, 주입관(11)을 후퇴시켜 배출홀(13a)을 개방시킨다. 이때, 팁부(15)가 지중에 박혀 고정되고, 주입관(11)은 팁부(15)에 의해 천공된 지중의 공간을 따라 이동했기 때문에, 주입관(11)을 당기면, 팁부(15)와 연결된 주입헤드(13)는 움직이지 않고, 주입관(11)만 후퇴하게 된다.

다만, 토양(1)의 공극 내에 많은 수분이 포함된 경우, 주입관(11)을 당길 때에, 팁부(15)와 주입헤드(13)가 함께 당겨질 수도 있는바, 도 3를 참고로, 다른 실시예에 따른 주입부(10')는, 돌기부(19)를 더 포함하고, 주입관(11)과 주입헤드(13)가 나사결합될 수 있다.

돌기부(19)는 팁부(15)의 외면으로부터 돌출된 형태로, 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 이러한 형상으로 돌기부(19)가 형성되면, 팁부(15)가 그 일단에서 타단을 향하는 축을 중심으로 회전하고자 할 때에, 큰 저항력이 생겨, 팁부(15)의 회전을 방해한다.

이때, 주입헤드(13)와 나사결합되는 주입관(11)을 회전시키면, 팁부(15)가 고정되어 주입관(11)만 회전하므로, 그 나사결합이 풀리면서, 주입관(11)은 후퇴하고, 이로 인해 배출홀(13a)이 개방될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템의 가스측정부(20)는, 이산화탄소배출부(21), 농도측정기(23), 가스포집부(25), 및 가스센서(27)를 더 포함할 수 있다.

이산화탄소배출부(21)는, 중공관 형상으로 형성된 부재로서, 그 일단은 지중에 매설되고, 반대쪽 타단은 지상으로 노출되도록 실험용 토양(1)에 배치된다. 여기서, 그 일단의 외주면에는 유입홀(21a)이 관통 형성되는바, 그 유입홀(21a)을 통해 지중의 이산화탄소가 타단으로 배출된다. 따라서, 소정의 지중 깊이에, 이산화탄소배출부(21)의 일단을 위치시킴으로써, 그 깊이에서의 이산화탄소를 지상으로 배출하여 그 깊이에서의 이산화탄소의 농도를 측정할 수 있다.

농도측정기(23)는 이산화탄소배출부(21)의 타단을 통해 배출되는 이산화탄소의 농도를 측정한다. 여기서, 농도측정기(23)는 가스의 성분별 농도를 측정할 수 있도록 구성된 모든 공지의 가스농도측정기일 수 있다.

가스포집부(25)는 일단이 개방된 중공통 형상으로 형성되어, 그 일단이 실험용 토양(1)의 지표에 배치됨으로써, 지표로부터 누출되는 누출가스를 그 내부 공간에 포집한다. 이때, 가스포집부(25)의 타단을 포함한 외주면에 가스센서(27)가 연결되어, 누출가스의 플럭스를 측정할 수 있다.

여기서, 가스센서(27)는 가스를 검출하는 센서로서, 기체 속에 포함되어 있는 특정 가스의 성분량에 의해 신호를 발신하도록 형성된 모든 공지의 센서를 포함할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템의 구성도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 이산화탄소 천부노출실험 통합관리시스템은, 환경분석부(60)를 더 포함할 수 있다.

환경분석부(60)는, 전술한 저장서버(50)에 저장된 데이터를 기반으로, 주입용 이산화탄소(2)가 실험용 토양(1)의 생태계에 미치는 영향을 분석하고, 그 분석결과를 데이터화하여 저장한다. 주입용 이산화탄소(2)가 실험용 토양(1)의 지중에 주입되면, 주입되는 유량에 따라, 지중 내의 이산화탄소 농도, 산소 농도, 누출되는 이산화탄소와 메탄 등 기타 가스의 플럭스가 변하므로, 이에 따라 식물 및 토양 생태계에 영향을 미치게 된다. 이때, 식생 식물의 엽록소 형광과 함량, 광합성량, 기공전도도, 증산량의 변화를 관찰하고, 그 관찰 결과로부터 이산화탄소가 토양 생태계에 미치는 영향을 분석할 수 있다. 또한, 저장서버(50)에 저장된 기상 데이터를 활용하여, 이산화탄소가 기상 조건에 따라 어떠한 영향을 미치는지도 분석할 수 있다. 이러한 환경분석부(60)는 소정의 소프트웨어와 하드웨어가 상호작동하는 컴퓨터 등에 의해 구현될 수 있다.

나아가, 본 실시예에서는, 온습도측정부(80)를 더 포함하여, 토양(1)의 온도 및 습도를 측정할 수 있다. 이때 측정된 정보는 데이터화되어 저장서버(50)에 저장된 후, 상기 분석과정에서 토양의 온습도 정보로 활용될 수도 있다. 따라서, 지중에 주입되는 이산화탄소의 유량, 소정의 깊이에서의 이산화탄소의 농도, 지표에서 누출되는 누출가스의 플럭스, 기상, 토양의 온습도 등을 종합적으로 고려하여, 이산화탄소가 토양 생태계에 미치는 영향을 분석할 수 있다. 여기서, 온습도측정부(80)는 온도측정기, 및 습도측정기로 구현될 수 있다.

또한, 본 실시예에서는, 모니터링부(70)를 더 포함할 수 있다. 모니터링부(70)는 이산화탄소의 거동 및 이산화탄소가 생태계에 미치는 영향을 실시간으로 디스플레이한다. 따라서, 모니터링부(70)는 저장서버(50)에 저장된 데이터, 및 환경분석부(60)에서 저장된 데이터 중 적어도 어느 하나 이상을 출력하므로, 실험자는 이산화탄소가 토양 생태계에 미치는 영향을 실시간으로 확인할 수 있다.

이하에서는 구체적인 실시예를 통해 본 발명에 따른 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템에 관하여 보다 상세하게 설명한다.

실시예 1

실험용 토양을 2개의 구획으로 분할하고, 각각의 분할영역에 주입부를 통해 이산화탄소를 주입하였다. 여기서, 그 분할영역 중 어느 하나인 제1 영역에는, 소나무(Pinus densiflora, P. densiflora)와 굴참나무(Quercus variabilis, Q. variabilis) 묘목을, 다른 하나인 제2 영역에는 고구마를 각각 심고, 소정의 시간 격차를 두어 실험을 진행했다. 이때, 지표로부터 50㎝ 깊이에 주입헤드가 위치하도록, 주입관을 지표에 대해 비스듬히 기울여 지중에 삽입했다. 이산화탄소배출부는, 그 유입홀이 지표로부터 15㎝ 깊이에 배치되도록, 지중에 삽입하여, 그 깊이에서의 이산화탄소, 및 산소의 농도를 측정하였다. 또한, 가스포집부를 설치하여, 제1 영역에서는 이산화탄소의 플럭스 변화, 제2 영역에서는 메탄의 플럭스 변화를 측정하였다.

평가예 1

도 6은 이산화탄소 주입 후 지중 이산화탄소 농도의 변화를 나타내는 사진이고, 도 7은 이산화탄소 주입 전후 지중 이산화탄소 및 산소 농도의 변화를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 8은 이산화탄소 주입 전후 이산화탄소 플럭스의 변화를 나타내는 그래프이며, 도 9는 이산화탄소 주입 전후 메탄 플럭스의 변화를 나타내는 그래프이다. 여기서 이산화탄소 주입 전 그래프 변화는 Control plot(실선)으로, 이산화탄소 주입 후에는 Treatment plot(점선)으로 나타냈다.

도 6을 참고로, 이산화탄소 주입 이후, 날짜에 따라 지중 이산화탄소의 농도가 변하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 이산화탄소 주입 전과 주입 후에, 제1 영역에서의 소나무 및 굴참나무 묘목 각각에서 이산화탄소 및 산소의 농도가 각각 다른 양상으로 변화하였고(도 7 참고), 이산화탄소 플럭스도 이산화탄소의 주입됨에 따라 변하는 것을 확인할 수 있었다(도 8 참고).

제2 영역의 메탄 플럭스도 이산화탄소 주입 전과 주입 후에 다르게 나타났다(도 9 참고).

한편, 도 10 및 도 11에서, 이산화탄소가 소나무 및 굴참나무 묘목에 미치는 영향을 분석하였는데, 엽록소 형광과 함량, 광합성량(Pn), 기공전도도(Gs), 및 증산량(E)이 각각 달라졌다.

도 12에서는, 제2 영역에서의 고구마의 엽록소 함량(SPAD)도 이산화탄소 주입을 전후해서 변하는 것으로 확인되었다. 이때, 이산화탄소 주입 전에는, 가장자리(edge)와 중심부(center)의 엽록소 함량이 거의 비슷한 수준을 유지했으나, 이산화탄소 주입 후에는, 시간이 갈수록, 중심부에서의 엽록소 함량이 가장자리에 비해 상대적으로 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1: 토양 2: 주입용 이산화탄소
10, 10': 주입부 11: 주입관
13: 주입헤드 13a: 배출홀
15: 팁부 17: 역류방지벽
19: 돌기부 20: 가스측정부
21: 이산화탄소배출부 21a: 유입홀
23: 농도측정기 25: 가스포집부
27: 가스센서 30: 공급부
31: 저장탱크 33: 기화기
35: 공급라인 40: 유량측정제어부
50: 저장서버 60: 환경분석부
70: 모니터링부 80: 온습도측정부

Claims (11)

1. 주입용 이산화탄소를 지중(underground)에 주입하는 주입부;
   상기 주입용 이산화탄소를 상기 주입부로 공급하는 공급라인을 포함하는 공급부; 및
   토양에 배치되어, 소정의 지중 깊이에서의 이산화탄소의 농도, 및 지표에서 누출되는 누출가스의 플럭스를 측정하는 가스측정부;를 포함하고,
   상기 주입부는,
   양단이 개방되고, 내부에 상기 공급라인이 삽탈되며, 일단이 상기 지중에 박히는 주입관;
   일단이 개방된 중공관 형상으로, 외주면에 상기 공급라인으부터 공급되는 상기 주입용 이산화탄소가 배출되도록 관통된 배출홀이 형성되고, 상기 주입관의 일단에 삽입되어 슬라이딩되면서, 상기 주입관의 내면에 의해 상기 배출홀이 개폐되는 주입헤드; 및
   원추형으로, 일단이 뾰족하고, 타단이 상기 주입헤드의 타단에 결합되되 상기 배출홀이 폐쇄되는 방향으로 상기 주입헤드가 슬라이딩될 때에 상기 주입관의 일단에 걸리도록 형성된 팁부;를 포함하는 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 공급부는
   액화 이산화탄소를 저장하는 적어도 하나 이상의 저장탱크; 및
   상기 액화 이산화탄소를 기화시켜 상기 주입용 이산화탄소를 생성하고, 생성된 상기 주입용 이산화탄소를 상기 공급라인으로 공급하는 기화기;
   를 더 포함하는 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 주입부는
   상기 팁부의 외면으로부터 돌출된 적어도 하나 이상의 돌기부;
   를 더 포함하고,
   상기 주입관과 상기 주입헤드가 나사결합되는 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 가스측정부는
   중공관 형상으로 형성되되, 상기 지중에 매설되는 일단의 외주면에 유입홀이 관통되어, 상기 유입홀을 통해 지상에 배치되는 타단으로 상기 이산화탄소를 배출시키는 이산화탄소배출부;
   상기 이산화탄소배출부의 타단으로 배출되는 상기 이산화탄소의 농도를 측정하는 농도측정기;
   상기 지표에 배치되는 일단이 개방된 중공통 형상으로 형성되어, 상기 누출가스를 내부에 포집하는 가스포집부; 및
   상기 가스포집부에 포집된 상기 누출가스의 플럭스를 측정하는 가스센서;
   를 포함하는 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 주입용 이산화탄소의 유량을 측정하고 제어하는 유량측정제어부;
   를 더 포함하는 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   측정된 상기 주입용 이산화탄소의 유량, 상기 이산화탄소의 농도, 및 상기 누출가스의 플럭스를 데이터화하여 저장하는 저장서버;
   를 더 포함하는 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 저장서버는
   기상관측부에서 수집된 기상 데이터를 더 저장하는 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템.
   
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 저장서버에 저장된 데이터를 기반으로, 상기 주입용 이산화탄소가 상기 토양의 생태계에 미치는 영향을 분석하고 데이터화하여 저장하는 환경분석부;
   를 더 포함하는 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 저장서버에 저장된 데이터, 및 상기 환경분석부에 저장된 데이터 중 적어도 어느 하나 이상을 실시간으로 디스플레이하는 모니터링부;
    를 더 포함하는 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템.
    
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 토양의 온도 및 습도를 측정하는 온습도측정부;
    를 더 포함하는 이산화탄소 천부누출실험 통합관리시스템.
    

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