1. 서 론
2. 실험 재료 및 방법
2.1 실험 재료
2.2 PDMS 마이크로모델
2.3 이산화탄소 주입 시스템
3. 실험 결과 및 분석
3.1 공극수 종류에 따른 이산화탄소 주입 패턴
3.2 이산화탄소 주입 속도에 따른 주입 효율
3.3 공극 구조에 따른 이산화탄소 주입 효율
3.4 NaCl 농도에 따른 주입 효율
4. 결 론
1. 서 론
Geological Carbon Sequestration(GCS)는 대기 중에서 포집된 이산화탄소를 deep saline aquifer와 같은 지질학적 구조에 주입하여 저장함으로써 영구히 격리하는 기술을 의미한다. 이산화탄소 지중 저장이 가능한 지질학적 구조에는 해저 염수층(deep saline aquifer)를 비롯하여 폐유전(depleted hydrocarbon reservoir), 원유층(oil reservoir), 석탄층(coal seam) 및 가스 하이드레이트 저장층(hydrate stability zone) 등이 존재한다. 이 중 해저 염수층, 폐유전 및 원유층은 저장층 상부에 덮개암이 존재함에 따라 주입된 이산화탄소가 유출되는 것을 방지하는 역할을 수행한다(Fig. 1)(Kaldi et al., 2013). 미국에서는 덮개암이 존재하는 saline formation 및 oil and natural gas reservoir와 채산성이 떨어지는 coal seam을 대상으로 최소 및 최대 이산화탄소 저장 가능량을 평가하였다. 그 결과, saline formation은 oil and natural gas reservoir 및 unmineable coal seam과 비교하여 약 44-191배 높은 저장 용량을 가지는 것으로 조사되었다(Table 1)(Gale, 2004).
Fig. 1
Candidate sites for geological carbon sequestration (a) deep saline aquifer with cap rock and has high storage capacity (b) depleted hydrocarbon reservoir which has low profitability (c) oil reservoir that can apply CO2-EOR (d) coal seam (e) hydrate stability zone (modified from Espinoza et al., 2011)
Table 1.
Estimated CO2 storage capacity based on USA storage layer structures (Gale, 2004)
| Storage structure | Min [GtCO2] | Max [GtCO2] |
| Oil and natural gas reservoir | 186 | 232 |
| un-Mineable coal seam | 54 | 113 |
| Saline formation | 2,379 | 21,633 |
| Total | 2,618 | 21,978 |
노르웨이는 1996년부터 시작된 Sleipner 프로젝트를 통해 2020년까지 매년 약 1 MtCO2를 800-1,000m 깊이에 존재하는 대수층에 저장하였다(Furre et al., 2017). 캐나다는 2015년부터 Quest 프로젝트를 통해 해저 2km의 염수층에 이산화탄소를 저장하고 있다. Quest 프로젝트를 통해 2022년까지 이산화탄소 저장량은 약 7.78 MtCO2로 캐나다의 2030년까지 온실가스 목표 감축량(511 MtCO2)의 약 1.5% 수준이다(Government of Alberta, 2023). 노르웨이 및 캐나다 외에도 카타르, 중국 및 미국 등에서도 GCS를 수행 중이며, 2019년 이후 수행되고 있는 국외 GCS 프로젝트는 Table 2와 같다.
Table 2.
Global GCS project after 2019 (Global CCS Institute, 2023)
해저 염수층과 같은 저장층은 공극 및 공극목이 존재하고 포화 상태인 공극 매체이다. 포화 상태인 공극 매체 내로 이산화탄소의 주입은 공극수와 비혼성 관계를 형성함에 따라 모세관 압력을 유발한다. 모세관 압력은 이산화탄소의 주입 및 저장 효율 저하와 같은 부정적인 영향을 미친다. 연구자들은 이산화탄소 주입 시 모세관 압력으로 인한 주입 효율 저하를 해결하기 위해 계면활성제와 같은 첨가제를 활용하여 계면장력, 접촉각 및 주입 효율 평가 등을 수행하였다(Kim & Santamarina, 2014; Cao et al., 2016). 특히, 이산화탄소 주입 효율 평가 시 유체의 흐름 특성을 직관적으로 관찰할 수 있고 정량적인 주입 효율 평가가 가능한 마이크로모델이 활용되었다. 기존 연구들은 동일한 크기의 공극 및 공극목이 규칙적으로 배열되어 네트워크를 형성하고 있는 마이크로모델을 주로 활용하여 계면활성제 활용 시 이산화탄소 주입 효율 평가를 수행하였다(Zheng et al., 2017; Song et al., 2020; Joewondo et al., 2021). 그러나, 공극 및 공극목이 규칙적으로 분포하는 마이크로모델에서 이산화탄소 주입 효율 평가는 실제 저장층의 공극 구조를 반영하지 못하는 한계점을 가진다.
실제 저장층의 공극 구조를 고려하기 위한 방안으로는 시추 코어의 micro X-ray computed tomography(CT) 이미지로부터 추출된 공극 및 공극목 정보를 활용하여 Poly-Di-Methyl-Siloxane(PDMS) 마이크로모델을 제작하는 방안이 널리 적용된다(Karadimitriou et al., 2013; De et al., 2022; Mansouri-Boroujeni, 2022). PDMS는 실리콘 폴리머의 일종으로 점탄성을 나타내며, 투명성, 무독성 및 불연성을 가짐에 따라 실험실 규모 환경에서 활용이 적합하다(Murakami et al., 1998). 또한, PDMS를 기반으로 마이크로모델을 제작하는 것은 SiO2 기반의 석영 또는 유리를 활용하여 제작하는 것과 비교하여 경제적으로 유리하며, 재사용이 가능함에 따라 취급이 용이하다(Karadimitriou et al., 2013).
PDMS 마이크로모델의 투명성은 공극 네트워크 내에서 이산화탄소와 같은 유체의 흐름 및 분포에 대한 관찰 및 분석에 관해 높은 유용성을 가진다(Karadimitriou et al., 2013). 실제로 PDMS 마이크로모델 내에서 기체의 종류에 따른 가스 거품의 분포 및 크기 변화 등에 대한 연구가 수행되었다(Lv et al., 2018). GCS 관점에서 PDMS 마이크로모델을 활용하여 주입되는 이산화탄소가 공극수를 치환하는 과정에서 이산화탄소의 주입 속도에 따른 유동 특성(점성 지배형, 모세관 지배형) 및 포화도 변화에 대한 분석도 수행되었다(Zhang et al., 2011; Majlaton, 2012).
따라서, 본 연구에서는 실제 저장층의 공극 구조를 고려하기 위해 micro X-ray CT 이미지 기반 PDMS 마이크로모델을 활용하여 비이온성 계면활성제 활용 유무에 따른 이산화탄소 주입 효율을 평가한다. Deep saline aquifer가 해저에 존재하는 경우 계면활성제가 염도에 노출된 조건을 고려하여 주입 효율 평가를 수행한다. 또한, 균일한 공극에서의 이산화탄소 주입 효율과의 비교를 통해 실제 저장층의 공극 구조가 주입 효율에 미치는 영향을 분석한다.
2. 실험 재료 및 방법
2.1 실험 재료
PDMS 마이크로모델 주입 실험을 위해 활용된 유체는 크게 탈이온수, 염수, 계면활성제 수용액 및 이산화탄소이다. 탈이온수는 역삼투압 방식을 통해 일반적인 물에서 이온을 제거한 상태이다. 본 연구에서는 초순수 정수 장비(Green RO 350; Human Corporation)을 활용하여 전기전도도가 1-30µs/cm 범위를 나타내는 탈이온수를 제조한다. 염수는 탈이온수에 NaCl 분말(Sodium chloride, 99.0%, SAMCHUN pure chemical)을 첨가하여 제조한다. 계면활성제 수용액은 Glucopon 600 CSUP(BASF, Ludwigshafen, Germany)를 실험 조건에 따라 탈이온수에 첨가하여 제조한다. 이산화탄소는 99.99%의 농도로 실린더 내부에 기체 상태로 존재하며, ISCO pump에 연결되어 주입 시스템에 이산화탄소를 공급한다.
2.2 PDMS 마이크로모델
마이크로모델은 공극 및 공극목으로 이루어져 네트워크를 형성하고 있는 다공성 매체이다. 본 연구에서는 실제 저장층의 공극 구조를 모사하기 위해 시추 코어 micro X-ray CT 이미지 기반 PDMS 마이크로모델을 제작한다. 실제 저장층의 공극 구조를 고려한 PDMS 마이크로모델의 제작 과정은 크게 micro X-ray CT 이미지 획득, 이미지 처리, 공극 네트워크 추출 및 CAD 기반 도면 작성으로 구성된다. 먼저, 본 연구에서는 베레아 사암의 X-ray CT 이미지를 활용한다. 이후 CT 이미지는 Image J 소프트웨어를 활용하여 밝기 및 대비 조절 후 threshold를 통해 흑-백 이진화 이미지를 생성한다. 이후, Pnextract 소프트웨어를 활용하여 이진화된 이미지로부터 공극과 공극목에 대한 네트워크 정보를 획득한다(Ryou et al., 2025). 획득한 공극 네트워크 정보를 바탕으로 2차원 CAD 도면을 작성한다. 최종적으로 작성된 2차원 공극 네트워크 도면을 바탕으로 PDMS 마이크로모델을 제작한다(Fig. 2).
Fig. 2
Process of the PDMS micromodel fabrication from the micro X-ray CT images of the in-situ core sample (a) selection of the micro CT images (b) image processing of the selected images using image J software (c) pore network extraction using result of the image process (d) drawing of the network using extracted pore network informations (e) comparing of the micromodel pore network digital and binary images
2.3 이산화탄소 주입 시스템
Fig. 3은 PDMS 마이크로모델을 활용하여 구축한 이산화탄소 주입 시스템이다. 이산화탄소는 ISCO pump 및 back pressure regulator를 통해 약 10kPa의 압력으로 실험 조건에 따른 공극수가 존재하는 PDMS 마이크로모델 내로 주입된다. 이산화탄소는 PDMS 마이크로모델 공극 부피(46µL)의 50배인 약 2,300µL를 주입 후 micro-lens camera를 통해 주입 완료 이미지를 촬영한다. 주입 완료 후 촬영된 이미지는 Image J 소프트웨어를 활용하여 일련의 이미지 처리 과정을 거침으로써 흑-백 이진화 이미지를 획득한다. 최종적으로, 이진화 이미지에서 이산화탄소가 주입된 흑색 부분의 면적비를 계산하여 정량적인 주입 효율이 산정되며(Gang et al., 2024; Gang et al., 2025), 본 연구에서 수행한 실험 조건은 Table 3과 같다.
3. 실험 결과 및 분석
3.1 공극수 종류에 따른 이산화탄소 주입 패턴
Fig. 4는 동일한 이산화탄소 주입 속도(0.001mL/min) 조건에서 공극수의 종류에 따라 흑-백으로 이진화된 주입 완료 이미지이다. Fig. 4(a)는 공극수가 탈이온수인 경우로 Fig. 4(b)의 공극수가 NaCl 0.1wt%인 경우와 유사한 주입 패턴을 나타낸다. 반면, 공극수의 NaCl 농도가 3.5wt%로 증가함에 따라 흑색의 이산화탄소 주입 면적이 감소하는 것으로 나타난다. Fig. 4(d) 및 (e)는 Glucopon 600 CSUP를 활용한 경우로 0.02wt%(Fig. 4(e)) 조건에서 탈 이온수를 활용하면 Fig. 4(a)와 비교하여 균일한 주입 패턴을 나타낸다. Fig. 4(e)에서 Glucopon 600 CSUP 0.02wt%를 활용한 경우를 제외하고 나머지 조건에서는 부분적으로 존재하는 미세 공극으로 이산화탄소 주입이 이루어지지 않음에 따라 균일한 주입 양상을 나타내지 않는다. 또한, 이산화탄소 주입 거리 증가 시 fingering 현상이 발생함으로 인해 낮은 주입 효율을 나타내는 것으로 판단된다. 향후, 국부적으로 존재하는 미세 공극 분포가 주입 효율에 미치는 영향에 대한 정량적 분석이 요구된다.
3.2 이산화탄소 주입 속도에 따른 주입 효율
Fig. 5는 이산화탄소의 주입 속도에 따른 실험을 통해 획득한 이미지를 활용하여 산정된 주입 효율을 나타낸다. Fig. 5(a)는 공극수가 순수 탈이온수 및 Glucopon 600 CSUP 수용액(탈이온수에 용해된)인 경우 이산화탄소 주입 속도에 따른 효율을 나타낸다. 순수 탈이온수가 활용된 경우 효율은 주입 속도에 따라 증가 후 수렴하는 경향을 나타내며, 60.07%(0.001mL/min)에서 78.81%(0.5mL/min)으로 약 19% 증가한다. Glucopon 600 CSUP를 활용한 경우에서는 주입 속도에 따라 증가하는 경향을 보이며, 농도와 관계없이 0.1mL/min 주입 속도 조건에서 90% 이상의 효율을 나타낸다. 가장 낮은 주입 속도(0.001mL/min) 조건에서 Glucopon 600 CSUP 활용 시 탈이온수 대비 7.34%(0.01wt%) 및 12.76%(0.02wt%) 증가하는 것으로 나타난다.
Fig. 5(b)는 순수 NaCl 수용액과 NaCl 수용액에 Glucopon 600 CSUP를 첨가한 용액을 활용하여 수행한 이산화탄소 주입 속도에 따른 효율이다. 순수 NaCl 수용액은 주입 속도 증가에 따라 효율 증진이 미비하게 나타난다. 특히, NaCl 농도가 3.5wt%(0.599M)인 경우에서는 주입 효율이 최대 56.34%(0.5mL/min)로 동일한 주입 속도 조건에서 탈이온수와 비교하여 22.47% 낮은 결과이다. 반면, NaCl 3.5wt%(0.599M)의 수용액에 Glucopon 600 CSUP를 첨가한 용액인 경우에서 주입 효율은 속도에 따라 증가하는 경향을 나타내며, 이는 탈이온수에 Glucopon 600 CSUP 첨가 용액을 활용한 경우와 유사하게 나타난다. 3.5wt%(0.599M)의 NaCl 수용액 조건에서 Glucopon 600 CSUP의 활용에 따른 주입 효율 개선 효과는 0.001mL/min 주입 속도를 기준으로 Glucopon 600 CSUP 농도에 따라 21.13%(0.01wt%) 및 26.24%(0.02wt%)로 나타난다.
3.3 공극 구조에 따른 이산화탄소 주입 효율
Fig. 6은 공극 구조의 균일성이 이산화탄소 주입 효율에 미치는 영향을 분석하기 위해 본 연구와 선행 연구에서 Glucopon 600 CSUP 활용 시 주입 속도에 따른 효율 변화를 나타낸다. 먼저, 선행 연구의 균일한 공극 구조 조건에서 효율은 주입 속도에 따라 증가하는 경향이 미비하게 나타나며, 이는 낮은 주입 속도(0.001mL/min)에서 90% 이상의 높은 효율을 나타내기 때문이다(Gang et al., 2025). 반면, 본 연구에서의 PDMS 마이크로모델을 활용한 경우로 주입 효율은 속도가 증가함에 따라 26.67%(0.01wt%) 및 25.98%(0.02wt%) 개선된다. 이러한 경향은 주입 효율이 계면활성제가 아닌 주입 속도에 지배적인 영향을 받아 개선됨에 따라 보이는 것으로 판단된다.
3.4 NaCl 농도에 따른 주입 효율
Fig. 7은 탈이온수 및 Glucopon 600 CSUP 수용액의 NaCl 농도에 따른 주입 효율 변화를 나타낸다. 탈이온수 활용 시 NaCl 농도가 증가함에 따라 주입 효율은 60.07%(0wt%)에서 44.69%(3.5wt%(0.599M))로 15.38% 감소한다. 반면, Glucopon 600 CSUP를 활용 시에는 NaCl 농도가 3.5wt%(0.599M)로 증가하여도 주입 효율이 65.82%(0.01wt%) 및 70.93%(0.02wt%)로 NaCl 농도가 0wt%인 경우와 유사하게 나타난다.
본 연구에서 3.5wt%(0.599M)의 NaCl 농도 조건은 미국 지질조사국에서 제시한 해수의 평균 NaCl 농도로 실제 현장에서 계면활성제 수용액 제조를 위해 해수를 활용하는 방안을 고려하여 수행되었다(Derkani et al., 2018). 그 결과, Glucopon 600 CSUP는 친수기가 비이온성으로 이온성 계면활성제와 비교하여 수중에 존재하는 Na+ 및 Cl-와 같은 이온에 저항성을 가짐에 따라 NaCl 농도가 3.5wt%(0.599M)로 증가함에도 주입 효율을 유지하는 것으로 판단된다(Negin et al., 2017).
4. 결 론
본 연구에서는 실제 저장층의 공극 구조를 고려하기 위해 micro X-ray CT 이미지 기반 PDMS 마이크로모델을 제작하여 계면활성제 활용 유무 및 NaCl 노출 조건을 고려하여 이산화탄소 주입 실험을 수행하였다. 이에 대한 결론은 아래와 같다.
(1)실제 저장층의 공극 구조를 고려한 PDMS 마이크로모델에서 Glucopon 600 CSUP의 활용은 이산화탄소 주입 효율의 향상을 보여준다. 그러나, 주입 효율 향상 정도는 선행 연구의 균일한 공극 구조 마이크로모델과 비교하여 미비한 것으로 나타난다. 본 연구와 선행 연구의 차이는 선행 연구에서 활용된 공극 구조 및 온도-압력 차이에 기인한 이산화탄소 상 차이에 따른 것으로 판단된다.
(2)본 연구에서 이산화탄소 주입 효율 향상을 위해 활용된 Glucopon 600 CSUP는 비이온성 계면활성제로 수중에 존재하는 Na+ 및 Cl- 이온에 의한 정전기적 상호작용에 높은 저항성을 가짐에 따라 해수와 동일한 NaCl 농도 조건에서도 탈이온수 조건에서와 유사한 주입 효율을 나타내는 것으로 판단된다. 따라서, 실제 현장에서 Glucopon 600 CSUP 활용을 위한 수용액 제조 시 해수의 활용을 통해 경제성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
(3)향후, 초임계 이산화탄소 및 불균일 공극 구조를 동시에 고려함으로써 실제 저장층의 조건에서 정량적인 공극 규모 주입 효율 및 개선에 관한 평가가 필요할 것으로 판단된다.
