KR20110012588A - 이산화탄소 등 기체의 저장 상태 모니터링 및 누출 여부의 검출 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기체 상태 또는 액화 기체 상태의 트레이서가 포함되도록 이산화탄소 등 기체를 저장하는 방법 및 저장된 이산화탄소 등 기체의 누출 여부를 검출하는 방법에 관한 것으로서, 이산화탄소 등 기체의 저장시 기체 상태 또는 액화 기체 상태의 트레이서가 포함되도록 한 후, 상기 이산화탄소 등 기체가 저장된 주입정 주변의 트레이서의 농도를 측정함으로써 이산화탄소 등 기체의 누출 여부를 검출할 수 있다.
이산화탄소, 이산화탄소 포집 및 저장(carbon dioxide capture and storage; CCS), 트레이서, 지구온난화
Description
본 발명은 기체 상태 또는 액화 기체 상태의 트레이서가 포함되도록 이산화탄소 등 기체를 저장하는 방법 및 상기 트레이서를 이용하여 저장된 이산화탄소 등 기체의 누출 여부를 검출하는 방법에 관한 것이다.
현재, 전세계적인 경제활동에 따라 화석연료의 연소에 의한 대기로의 이산화탄소 등 기체의 배출은 매년 26 기가톤에 달하고 있으며, 그 총량은 매년 증가되고 있는 추세이다. 이로 인해, 대기중 이산화탄소 등 기체의 함량이 증가함에 따라 지구의 온도가 점점 높아지는 문제가 심각성을 더해가고 있다.
이에 대한 대응방안으로서 대기중 이산화탄소 등 기체의 함량이 증가하는 것을 방지하기 위한 방법들이 강구되고 있다.
일차적으로는, CO2 등 기체의 발생 자체를 줄이기 위한 연구가 다각도로 수행되고 있으나, 전세계적으로 산업화가 가속됨에 따라 CO2 등 기체의 발생은 오히려 늘어가고 있는 추세이다.
따라서, 경제활동에 의해 이미 다량으로 발생되고 있는 CO2 등 기체를 포집하여 지중 또는 해양에 격리하는 방안이 논의되고 있는 바, 이러한 이산화탄소 등 기체의 포획 및 저장(CCS; carbon dioxide capture and storage) 기술은 진보된 에너지 기술 포트폴리오의 중심 요소로서의 잠재력을 가질 수 있다.
다만, 지중이나 해양에의 CO2 등 기체의 저장 및 격리는 이에 적합한 특수한 지질구조를 요구하기 때문에, 최근에는 해양에의 CO2 등 기체의 저장 및 격리에 관심이 집중되고 있다.
종래에 논의되고 있는 해양에의 CO2 등 기체의 저장 및 격리기술로서는 (i)이산화탄소 등 기체를 해수에 용해시켜 해양에 폐기시키는 방법, 그리고 (ii)이산화탄소 등 기체를 액체 상태로 만들어 수심 3,000m 이상의 심해에 폐기시키는 방법 등을 들 수 있다.
그러나, 전자의 경우 이산화탄소 등 기체를 함유하는 해수가 해양생물의 생태계에 영향을 줄 염려가 있다는 점, 후자의 경우 이산화탄소 등 기체를 액화시키기 위한 설비 및 동력에 고비용이 소요되는 점이 문제되고 있어 실용화되기에는 어려운 점이 많다.
이에 따라 최근 이산화탄소 등 기체를 해양 중에 확산시킴 없이 안정하고 경제적으로 이산화탄소 등 기체를 폐기할 수 있는 신규한 방법을 찾기 위한 노력이 지속되고 있다.
최근 가장 유력한 이산화탄소 등 기체의 저장 및 격리기술로서 해저의 염수 대수층(saline aquifer)에 초임계유체 상태로서의 이산화탄소 등 기체를 주입하는 방법이 개발되고 있다. 이 경우, 모자암(cap rock)에 의한 이산화탄소 등 기체의 유출을 방지할 수 있는 장점이 있다. 또한 초임계유체 상태의 이산화탄소 등 기체를 지구표면으로부터 1000m 내외의 염수대수층으로 주입하므로, 액화 이산화탄소 등 기체를 3000m 이상의 심해에 폐기하는 것에 비해 에너지 비용이 덜 소요되는 장점이 있다.
다만, 이 경우에도 모자암 자체의 흠결이나 지각운동으로 인해 저장된 이산화탄소 등 기체가 모자암의 틈새를 통하여 해양으로 누출되는 문제가 발생될 수 있다.
따라서, 지중이나 해양에 효율적으로 이산화탄소 등 기체를 저장하기 위해서는, 이러한 이산화탄소 등 기체의 누출 여부 및 그 누출 정도를 정확하게, 비용 효율적으로 모니터할 수 있어야 한다. 그러나, 이산화탄소 등 기체가 누출될 경우 기체상태로 대기 중에 확산되어버리므로, 아직까지 이산화탄소 등 기체의 누출 여부 및 누출 정도를 정확하고 쉽게 검출하는 것은 매우 어려운 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 이산화탄소 등 기체의 누출 여부의 검출이 용이하도록 이산화탄소 등 기체를 저장하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같이 저장된 이산화탄소 등 기체의 누출 여부를 검출하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 1ppb 내지 100ppm의 기체 상태 또는 액화 기체 상태의 트레이서가 포함되도록 이산화탄소 등 기체와 상기 기체 상태 또는 액화 기체 상태의 트레이서를 혼합하는 단계; 상기 이산화탄소 등 기체 및 트레이서의 혼합물을 저장하는 단계를 포함하는, 이산화탄소 등 기체의 저장 방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 두 번째 측면은 1ppb 내지 100ppm의 기체 상태 또는 액화 기체 상태의 트레이서가 포함되도록 이산화탄소 등 기체를 저장하는 단계, 및 상기 이산화탄소 등 기체가 저장된 주입정 주변의 트레이서의 농도를 측정하는 단계를 포함하는, 이산화탄소 등 기체의 누출 여부의 검출 방법을 제공한다.
본 발명에 따라 1ppb 내지 100ppm의 기체 상태 또는 액화 기체 상태의 트레이서가 포함되도록 저장된 이산화탄소 등 기체의 경우, 상기 이산화탄소 등 기체가 저장된 주입정 주변의 트레이서의 농도를 측정함으로써 간단하고 정확하게 이산화탄소 등 기체의 누출 여부 및 누출량을 검출해낼 수 있다.
특히, 상기 이산화탄소 등 기체가 상기 트레이서와 함께 누출될 경우, 상기 기체 상태 또는 액화 기체 상태의 트레이서 물질은 이산화탄소 등 기체에 비해 수백만 배 이하의 농도로 주입되어 있음에도 불구하고, 검출이 가능하다. 이는 상기 트레이서 물질이 해수에서 ppq(part per quadrillion, ppb의 백만분의 일) 수준의 측정 한계(detection limit)를 나타내기 때문이다. 또한, 상기 트레이서 물질은 물리화학적으로 매우 안정하기 때문에, 이산화탄소 등 기체의 수송, 저장, 누출의 과정에서 거의 분해되지 않고 변환되지 않는다.
이하, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 측면은, 1ppb 내지100 ppm의 기체 상태 또는 액화 기체 상태의 트레이서가 포함되도록 이산화탄소 등 기체와 상기 기체 상태 또는 액화 기체 상태의 트레이서를 혼합하는 단계; 상기 이산화탄소 등 기체 및 트레이서의 혼합물을 저장하는 단계를 포함하는, 이산화탄소 등 기체의 저장 방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 1ppb 내지 100ppm의 기체 상태 또는 액화 기체 상태의 트레이서가 포함되도록 이산화탄소 등 기체를 저장하는 단계, 및 상기 이산화탄소 등 기체가 저장된 주입정 주변의 트레이서의 농도를 측정하는 단계를 포함하는, 이산화탄소 등 기체의 누출 여부의 검출 방법에 관한 것이다.
상기 이산화탄소 등 기체의 저장 방법 또는 누출 여부의 검출 방법에 있어서, 상기 이산화탄소 등 기체의 저장 조건 또는 수송 조건에서 상기 트레이서의 밀도가 상기 이산화탄소 등 기체의 밀도의 2배 이상인 것이 바람직하다. 트레이서의 밀도가 상기 범위일 경우, 이산화탄소 등 기체의 수송 또는 저장시 트레이서가 유출될 가능성이 상대적으로 적으며, 사용이 편리하다.
상기 트레이서가 이산화탄소 등 기체와 함께 기체상태로 혼합되어 수송 및 저장될 수 있으려면 수송 및 저장 상태에서 기체상태를 유지해야 하므로, 상기 이산화탄소 등 기체의 수송 또는 저장시의 밀도는 기체상태를 유지할 수 있는 한 트레이서의 성분에 따라 달라질 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 이산화탄소 등 기체의 저장 방법 또는 누출 여부의 검출 방법에 있어서, 상기 이산화탄소 등 기체의 누출 조건에서 상기 트레이서의 밀도가 상기 이산화탄소 등 기체의 밀도의 30배 이상인 것이 바람직하며, 50배 이상인 것이 더욱 바람직하다. 트레이서의 밀도가 상기 범위일 경우, 이산화탄소 등 기체가 누출되어 대기중으로 확산되더라도, 트레이서는 주입정 주변에서 머물러 있을 수 있으므로 주입정 주변의 트레이서의 농도를 측정함으로써 이산화탄소 등 기체의 누출 여부 및 누출 정도를 측정할 수 있다.
상기 이산화탄소 등 기체의 저장 방법 또는 누출 여부의 검출 방법에 있어서, 상기 트레이서로서 적합한 물질은 SF6, SF5CH3, 헬륨 등이 있으며, 이들 중 2 이상의 조합도 가능하나, 상기와 같은 밀도 조건을 만족시킬 수 있으면, 상기 물질에 특별히 한정되지는 않는다.
상기 이산화탄소 등 기체의 저장 방법 또는 누출 여부의 검출 방법에 있어서, 상기 이산화탄소 등 기체의 저장 장소는 육지, 해양, 해저에 한정되지 않으나, 효율 측면에서 해양인 것이 바람직하며, 그 중에서도 특히 염수대수층인 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명에 따른 이산화탄소 등 기체의 저장 방법 또는 누출 여부 의 검출 방법을, 이산화탄소를 해양의 염수대수층에 저장하는 것을 예시하여 보다 구체적으로 설명할 것이다. 그러나, 이는 설명을 위한 것일 뿐이며, 이에 한정되지 않고, 당 기술 분야의 통상의 기술자라면 하기 설명을 통하여 모든 이산화탄소의 저장 및 누출 여부의 검출에 있어서 본 발명의 개념을 용이하게 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소의 저장시, 저장된 이산화탄소의 누출 여부 및 누출된 이산화탄소의 정량적 검출을 위한 트레이서 물질을 초임계유체 상태의 이산화탄소와 혼합하여 파이프라인을 통하여 해저의 염수대수층에 주입하며, 상기 저장된 이산화탄소의 누출 여부 및 누출속도를 검사하기 위해 상기 염수대수층의 상부를 형성하는 모자암(capp rock) 상부로부터 100m 이내의 등밀도표면에서 해수를 채취하여 트레이서의 농도를 점검한다.
염수대수층(saline aquifers)은 암성결정들 사이의 작은 공간에 염수액을 함유한 다공질의 투과성 저장 암석으로 정의된다. 이들은 일반적으로 음용수를 함유한 대수층보다 깊은 곳에서 나타난다. 높은 염수 비율 및 깊이 때문에, 염수대수층에 함유된 물은 지표면에서 기술적 및 경제적으로 사용되지 못한다.
이산화탄소의 저장 및 격리에 사용될 수 있기 위해서는, 염수대수층의 상부에 모자암 (cap rock)이 형성되어 있어야 한다. 모자암을 관통한 파이프라인을 통해 주입된 CO2는 모자암에 의해 해수로 새어나오지 못하므로, 주로 모자암 하단의 저장소 상부에 CO2를 포획할 수 있게 된다. 모자암은 또한 장기적인 저장안정성을 위한 주요 포획 메커니즘을 제공한다. CO2가 새어나올 수 없도록 확실한 봉인 역할 을 하기 위해서는 모자암은 흠이 없어야 한다. 그러나 흠결이 다소 있는 모자암을 구비한 염수대수층도 이산화탄소의 저장 및 격리에 사용될 수 있는데, 그 이유는 모자암 중의 흠결로 인해 누출되는 이산화탄소의 양이 많지 않은 반면 그 흠결은 시간이 지나면서 다시 치유되어 이산화탄소가 새어 나오는 통로를 막아주는 경향이 있기 때문이다.
대수층에 주입된 이산화탄소는 3가지 주요과정(트랩핑 효과, 염수에의 용해, 지질화학적 반응에 의한 미네랄의 형성)에 의해 고정화된다. 초기에는 주로 트랩핑 효과에 의해 이산화탄소가 저장되며, 시간이 지남에 따라 염수에의 용해 및 지질화학적 반응에 따른 이산화탄소의 고정화가 진행된다.
이산화탄소의 저장 및 격리에 사용될 수 있는 염수대수층을 선정하기 위해서는 우선 그곳의 지질 구조에 대한 상세한 분석에 의해 그 봉인 특성이 완벽한지 여부가 확인되어야 한다. 이러한 기준에 비추더라도, 현재 지구 전체에 걸쳐 염수대수층에 잠재적으로 저장될 수 있는 CO2 양은 매우 크다. CO2 저장소로 사용될 수 있는 염수대수층은 지질학적으로 안정된 지역에 있어야 하는데, 이는 염수대수층에 저장된 이산화탄소의 누출을 막아주는 모자암(cap rock)이 지질학적인 판의 활동에 의해 손상될 수 있기 때문이다. 판의 활동에 의해 야기되는 모자암의 손상 중 이산화탄소의 누출에 주로 기여하는 형태는 모자암 결정의 흠결이 발생되는 것으로서, 상기 흠결은 모자암의 하부의 염수대수층에 저장된 이산화탄소가 해수 및 그 표면으로 새어나올 수 있는 누출 통로로서 작용할 수 있다.
깊은 위치의 지질층에서의 CO2 저장의 누출(leakage)문제와 관련하여 다음 사항들이 검토되어야 한다.
(1) 누출속도에 대한 현장 자료가 축적되어야 한다.
(2) CO2 의 급격한 방출은 거의 가능하지 않으나, 투과성의 흠을 통하여 매우 천천히 CO2가 이동할 수 있다.
(3) 따라서, 느린 속도로 이루어지는 CO2 누출에 의한 인류의 건강 및 복지의 위협은 현재 문제되지 않으나, 미래 세대의 기후에 대한 영향을 미칠 수 있다.
(4) CO2 누출의 가능성 및 그 정도는 주입이 끝난 후 시간에 따라 점차 감소할 것이다. 이는 주입된 CO2의 상당수가 암석구멍의 액체에 용해되고, 화학적으로 안정한 탄산 침전물을 형성하기 때문이다.
본 발명에 의하면, 폐기되는 이산화탄소가스를 압축 및 가열하여 초임계유체 상태로 만들고, 파이프라인을 통해 트레이서 물질과 함께 염수대수층에 주입시킴으로써 이산화탄소를 저장 및 격리한다. 초임계상태의 CO2는 액체와 같이 밀도가 높으나, 기체와 같은 낮은 점도를 가져 파이프라인을 통해 목표 저장소로 쉽게 흘러 들어간다. 저장소에서 CO2를 초임계유체 상태로 유지하기 위해서는 저장소의 깊이가 지구 표면 아래로 800 미터 이상 깊이에 위치해야 한다. 또한 염수대수층을 저장소로 활용하기에 적합한 모자암의 두께는 약 백미터에 달하여야 한다.
초임계유체 상태로서의 CO2에 혼입되는 트레이서 물질은 다음과 같은 특성을 가져야 한다. 즉, (1) CO2에 균질하게 용해될 수 있어야 하고, (2) 자연 상태의 해수에서는 검출되지 않는 수준으로 극미량으로 존재하여야 하고, (3) 해수에의 용해도가 정량적인 검출이 가능할 만큼 충분하여야 하며, (4) 염수대수층 내에서의 저장 중에 주위 암석에 흡착되거나 반응하여 고착화되거나 분해 및 변성되지 않을 정도로 화학적으로 안정되어야 하는 것이다.
상기 트레이서 물질로는 SF6, SF5CF3, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. SF6는 또한 폐제품의 냉매 등으로부터 재활용된 것으로도 사용가능하다. SF6 및 SF5CF3는 해양학의 여러 분야에서 트레이서 물질로서 사용 가능하며, 특히 해수의 혼합, 공기-해수 기체교환, 심층수 형성과정의 연구에서 응용될 수 있다. 상기 트레이서는 주입되는 CO2에 1ppb 내지 100ppm의 함량으로 혼합될 수 있으며, 1 ppb 내지 100ppb 범위가 특히 바람직하다.
저장된 CO2가 cap rock의 균열 등에 의해 해수로 누출될 경우 상기 트레이서는 cap rock 상부에서 해수에 용해된 상태로 등밀도 표면을 따라 확산된다. 예컨대, 담수에서 SF6의 오스왈드 용해도는 5~21℃ 영역에서 0.011~0.005 정도이며, SF5CF3의 오스왈드 용해도는 SF6의 절반 수준이다.
이하에서는 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 실시예는 본 발 명의 설명을 위한 것으로서, 본 발명을 실시예의 범위로 한정하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1: SF
6
와 이산화탄소의 열역학적 상태 비교
이산화탄소의 수송 압력(상압), 저장 압력(고압) 및 유출 압력(저압)에서 SF6와 이산화탄소의 엔탈피를 각각 평가하였다. (도 1 및 도 2 참조)
평가 결과, 수송 압력에서는 SF6와 이산화탄소 모두 과냉의 액상으로 존재하고, 저장 압력에서는 모두 초임계 상태로 존재하는 것을 알 수 있으나, 유출 압력에서는 이산화탄소는 기상으로 존재하는 반면 SF6는 액상으로 존재하는 것으로 나타났다.
이에 따르면, 수송과 저장 조건에서 SF6와 이산화탄소가 동일한 상태로 존재하므로 사용에 적합하며, 누출 조건에서는 이산화탄소는 기포가 되어 대기중으로 떠오르는 반면, SF6는 액상으로 물 속에 섞여있을 수 있기 때문에, 이산화탄소 누출에 따른 트레이서의 역할을 할 수 있다.
실시예 2: SF
6
와 이산화탄소의 밀도 비교
이산화탄소의 수송 압력(상압), 저장 압력(고압) 및 유출 압력(저압)에서 SF6와 이산화탄소의 밀도를 각각 평가하였다. (도 3 및 도 4 참조)
평가 결과, 수송 압력에서는 SF6의 밀도가 이산화탄소 밀도의 2배로 나타났고, 저장 압력에서도 SF6의 밀도가 이산화탄소 밀도의 2배로 나타났다. 반면, 유출 압력에서는 SF6의 밀도가 이산화탄소 밀도의 50배로 나타났다.
이에 따르면, 수송과 저장 조건에서 SF6가 이산화탄소보다 밀도가 2배 높아서 유출 가능성은 상대적으로 적으나, 누출이 발생하는 조건에서는 이산화탄소는 기포가 되어 대기중으로 떠오르는 반면, SF6는 이산화탄소의 50배에 달하는 밀도를 나타내며 이는 물보다 1.5배 높은 밀도에 해당하므로, 부력에 의해 떠오르지 않고 주입정 주변의 물층에서 채취될 수 있기 때문에, 이산화탄소 누출에 따른 트레이서의 역할을 할 수 있다.
도 1은 이산화탄소의 수송 압력(상압), 저장 압력(고압) 및 유출 압력(저압)에서 SF6의 엔탈피를 측정한 결과이다.
도 2는 이산화탄소의 수송 압력(상압), 저장 압력(고압) 및 유출 압력(저압)에서 이산화탄소의 엔탈피를 측정한 결과이다.
도 3은 이산화탄소의 수송 압력(상압), 저장 압력(고압) 및 유출 압력(저압)에서 SF6의 밀도를 측정한 결과이다.
도 4는 이산화탄소의 수송 압력(상압), 저장 압력(고압) 및 유출 압력(저압)에서 이산화탄소의 밀도를 측정한 결과이다.
Claims (12)
1ppb 내지100 ppm의 기체 상태 또는 액화 기체 상태의 트레이서가 포함되도록 이산화탄소 등 기체와 상기 기체 상태 또는 액화 기체 상태의 트레이서를 혼합하는 단계; 상기 이산화탄소 등 기체 및 트레이서의 혼합물을 저장하는 단계를 포함하는, 이산화탄소 등 기체의 저장 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 이산화탄소 등 기체의 저장 조건에서 상기 트레이서의 밀도가 상기 이산화탄소 등 기체의 밀도의 2배 이상인 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 등 기체의 저장 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 이산화탄소 등 기체의 누출 조건에서 상기 트레이서의 밀도가 상기 이산화탄소 등 기체의 밀도의 30배 이상인 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 등 기체의 저장 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 트레이서는 SF6, SF5CH3 및 헬륨으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 조합인 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 등 기체의 저장 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 이산화탄소 등 기체의 저장 장소는 육지, 해양 또는 해저인 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 등 기체의 저장 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 이산화탄소 등 기체의 저장 장소는 염수대수층인 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 등 기체의 저장 방법.
1ppb 내지 100ppm의 기체 상태 또는 액화 기체 상태의 트레이서가 포함되도록 이산화탄소 등 기체를 저장하는 단계, 및 상기 이산화탄소 등 기체가 저장된 주입정 주변의 트레이서의 농도를 측정하는 단계를 포함하는, 이산화탄소 등 기체의 누출 여부의 검출 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 이산화탄소 등 기체의 저장 조건에서 상기 트레이서의 밀도가 상기 이산화탄소 등 기체의 밀도의 2배 이상인 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 등 기체의 누출 여부의 검출 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 이산화탄소 등 기체의 누출 조건에서 상기 트레이서의 밀도가 상기 이산화탄소 등 기체의 밀도의 30배 이상인 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 등 기체의 누출 여부의 검출 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 트레이서는 SF6, SF5CH3 및 헬륨으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 조합인 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 등 기체의 누출 여부의 검출 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 이산화탄소 등 기체의 저장 장소는 육지, 해양 또는 해저인 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 등 기체의 누출 여부의 검출 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 이산화탄소 등 기체의 저장 장소는 염수대수층인 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 등 기체의 누출 여부의 검출 방법.
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