Transcript 중층심해에 분사된 액체 CO2 용해 예측모델 개발 주관기관 : KAIST

과제번호 : M102KP010001-02K1601-02911
중층심해에 분사된 액체 CO2 용해 예측모델 개발
주관기관 : KAIST; 위탁기관 : 인하대학교; 연구책임자 : 김종보교수
요 약 문(Abstract)
이산화탄소 해양에 처리하는 대표적 방법으로는 액화된 이산화탄소를 배에 싣고 나가 중층심해에 분사시키는
방법(그림 1)과 고정된 수중 파이프라인에서 분사시키는 방법(그림 2)이 있다. 그러나 분사된 이산화탄소가 빠
른 시간에 표면 위로 떠올라 대기 중으로 확산되어 버리면 기술적으로 아무런 의미가 없다. 따라서 분사깊이가
깊어지면 깊어질수록 이산화탄소 처리기술측면에서는 유리하나 경제적으로 기술적으로 여러 가지 어려운 점이
대두된다. 따라서 본 연구에서는 이산화탄소를 분사하여 이를 모두 바닷물에 용해시켜 대기와 격리시킬 수 있
는 바다깊이와 분사 초기 이산화탄소 액적의 크기를 결정하는 모델을 개발하고자 한다.
그림 1 선박을 이용한 분사방법
기술개요 및 필요성
그림 2 고정파이프라인을 이용한 분사방법
국내외 기술개발 현황
액화된 이산화탄소를 배에 싣고 나가 중층심해에 분사시킬 경우 단일 액적으로 상승하고, 고정된 수중 파이프라
일본에서 수행중인 대부분의 연구들은 이산화탄소의 밀도가 해수보다 무거운 3000m 이하에서 분사시켜 심해
인을 통하여 분사시키는 방법은 액적군(plume)의 형태를 갖고 상승하면서 이산화탄소 액적과 해수의 농도차에
에 저장시킨다는 시나리오를 설정하여 연구를 수행하고 있고, 심해에 액체 이산화탄소 저장시 중요한 정적흐름
의해서 용해가 일어난다. 따라서 용해모델을 개발하기 위해서는 해수와 이산화탄소의 관계를 정확히 알아야 하
상태에서의 결정 수화물의 구성 메커니즘과 특성들에 초점이 맞춰지고 있다.
는데 기존의 모델은 다음과 같은 문제점을 갖고 있다.
 해수가 아닌 순수 물을 사용
미국의 경우 경제적 측면에서 유리하고, 현실적으로 가능한 심해 600∼1,000m 정도에서 이산화탄소를 분사
 해류속도 무시
시켜 해수에 용해시킨다는 시나리오를 가지고 있으나, 실험실에서 기초실험을 수행하고 있는 단계이기 때문에
 이산화탄소 액적과 해수 사이에 생성되는 이산화탄소 하이드레이트를 무시
기술적으로 완성되기까지는 상당한 시일이 소요될 것으로 판단된다.
 깊이에 따른 해수온도, 이산화탄소와 물의 밀도, 염도가 일정하다고 가정
추진체계 및 전략
연구목표
1차년도
2차년도
단일/액적군 용해 예측모델 개발
동해바다
이산화탄소를 대기와 완전
이산화탄소 단일액적의 용해거동 예측모델 개발
히 격리시킬 수 있는 바다깊
기존 수치모델 정리
Clipperton-clarion 해역
깊이에 따른용해거동을 예
이산화탄소 액적의 용해모델 확립
해수의 온도, 압력, 유속, 염분과
이산화탄소 용해도와의 관계 규명
용해 모델 개선
이, 분사 초기 액적의 크기,
이산화탄소 액적군의 용해거동 예측모델 개발
3차년도
모델 개발 방법
단일/액적군 수치모델 개발
기존 모델과 실험데이터와 비교 평가
측할 수 있는 모델 개발
용해거동 해석
용해 모델 확립
1차년도 추진실적 및 추진계획
용
기존 모델 정리
단일 액적 용해 모델 개발 및 코드화
액체 이산화탄소의 용해도 계산
실적(%)
100
300
100
100
500
900
1100
이산화탄소 액적의 용해거동 계산
계산중
1300
4월예정
Cs without the hydrate
in seawater
700
100
Sea water temperature profile line
Hydrate equilibrium line
CO 2 gas/liquid equilibrium line
1500
0
3
6
9
12
15
18
21
24
60
Co with the hydrate
in seawater
700
900
1300
20
1500
10
20
40
60
80
100
기술이 중요
40
30
0
액체에서 기체로 기화
 500m 깊이에 도달하기 전까지 해수에 완전히 용해시키는
50
1100
Temperature (oC)
용해거동과 주변농도와의 관계 계산

70
300
Hydrate Liquid zone
500
이산화탄소 액적의 표면농도 계산
표면농도와 용해도의 관계 계산
Cp,w without the hydrate
in pure water
Gas zone
Hydrate Gas zone
 수심 약 500m에서 이산화탄소의 밀도와 용해도 급격한 변화
80
100
100
Co ( kg/m 3 )
내
Depth ( m )
진
Depth (m)
추
276.15K
278.65K
281.15K
276.15K
278.65K
281.15K
0
10
20
30
:
:
:
:
:
:
Hirai ' s (1997)
Hirai ' s (1997)
Hirai ' s (1997)
This study
This study
This study
 순수물과 해수의 용해도 예측[Cs  0.95C p , w]
 하이드레이트가 존재하는 이산화탄소 액적의 표면농도 예측
40
Pressure ( MPa )
Solubility ( kg/m3 )
Co  a  b  P  c  P 2    T    T 2
a  1.946 104 , b  1.083844, c  6.5077 103
  135.1632,   2.34 101
4월예정
그림 3 이산화탄소 밀도변화
그림 4 이산화탄소 용해도변화 그림 5 이산화탄소 액적의 표면농도
기대효과 및 활용방안
참고문헌
 선진국에서도 아직 연구가 미비한 분야이므로 해양 처리에 대한 기술을 선점
 Marchetti, C., 1977, "On Geoengineering and carbon dioxide Problem", Climate Change. Vol. 1, pp. 59∼68
 우리나라가 직면할 환경부담금 해결을 위한 하나의 대처방안으로 활용
 Loken, K. P. and Austvik, T., 1993, "Deposition of Carbon Dioxide on the Seabed in the Form of Hydrates, PART Ⅱ", Energy
Convers. Mgmt, Vol. 34, No. 9-11, pp. 1081∼1087
 본 연구 수행과정에서 국제협력이 이루어질 예정이므로 이산화탄소처리를 위한 국제협력 연구 및 공동대처기구
등에 참여할 기회로 활용
 이산화탄소처리를 위한 시스템과 공정의 설계 및 제작의 실용화에 기업의 참여를 유도하는데 활용

Hirai, S., Okazaki, K., Tabe, Y., Hijikata, K. and Mori, Y., 1997, "Dissolution Rate of Liquid carbon dioxide in Pressurized Water
Flows and the Effect of Clathrate Film", Energy Convers. Mgmt, Vol. 22, No. 2-3, pp. 285∼293
 Clift R., Grace, J. R. and Weber, M. E., 1978, "Bubbles, Drops and Particles", Academic Press, pp. 97∼135