가 . 온도 , 염분 , 해수 중 용해된 CO
2(DCO
2) 초기조건
Hydrostatic model 영역에 사용된 Scalar 물리량은 우리나라의 얻을 수 있는
자료가 부족하여, 온도, 염분, DCO2의 초기조건은 수심에 따라 Fig. 13와 같이
(Kano et al., 2010) 부여 하였으며 수심 500m 이하의 물리량의 값은 500m와 동
일하게 설정하였다.
Fig. 13 Initial condition (temparature [T], salinity [S], dissolved CO2 [DCO2, C], and density [R])
나 . CO
2누출량 , 누출 비율 및 누출 지점
근방역에서 균열이 발생하여 CO2의 누출이 된다고 상정하였으며, 이때 누출 량은 RITE(The Research Institute for Innovative Techonology for the Earth) 2004에 서 가정한 양을 사용하였다. 누출 지점에서 해수에 용해된 CO2와 CO2 기포의 초 기 누출 비율을 달리하여 해석을 수행하였다(Table 6).
Leakage Amount Initial CO2 bubble ratio case 1
3,800ton/year
10%
case 2 50%
case 3 90%
case 4
94,600ton/year
10%
case 5 50%
case 6 90%
Table 6 Cases of leakage & initial CO2 bubble ratio
근방역 내의 누출 영역은 Fig. 14과 같이 가정하였다. 누출 면적 및 매 초당 CO2 누출량은 각각 50,625m2, 5.9254× ⋅과 2.3802×
⋅이다. 누출되는 기포의 직경은 2cm(0.02m, 반지름 1cm)를 설정하였다.
Fig. 14 Leakage area in small-scale region
다 . 해석 parameter
Table 7은 중규모 영역의 계산과 근방역의 해석에 사용된 계수의 값을 나타 낸 표이다.
수평 와점성 계수(Horizontal Eddy Viscosity)는 Fujino & Tabeta(1991)의 값인 20를 사용하였으며, 수직 와점성 계수(Vertical Eddy Viscosity)는 0.0001
로 사용하였다. 마찰 계수는 0.0025를 사용하였으며, Coriolis 효과는 고려하지 않 았다.
Parameter Value Parameter Value
Time step 1sec Cloud 6.63
Air Density 1.226 Precipitation 0.2743
Water Density 1025 Vapor pressure 26.86 Horizontal Eddy
Viscosity 20 Wind 2.12
Vertical Eddy
Viscosity 1E-4 Air Temperature 26.2℃
Horizontal Eddy
Diffusivity 10 Courant Number 0.5
Vertical Eddy
Diffusivity 1E-5 Diffusive
Number 0.5
Frictional
Coefficient 0.0025
Coriolis
Coefficient 0.0
Table 7 Simulation parameters
제2절 요약
본 장에서 수행한 연구 내용은 다음과 같다.
1) 2017년 CO2 해양지중저장 시험이 수행되었던 포항인근 육지 및 해역 (경
도 129° ~ 131°, 위도 35.1° ~ 36.73°, 180km × 180km, 최대수심 2,200m)을 해석영역으로 선정하였다.
2) 해석 영역의 격자생성에 필요한 육지와 해저지형 정보는 각각 US Geological Survey(USGS)의 GTOPO 30 데이터와 일본해양자료센터(Japan Oceanographic Data Center, JODC)의 데이터를 수집하여 사용하였다.
3) 해석 영역 내 해수유동 재현을 위한 경계조건 부여 및 재현결과 비교를 위해 필요한 조위성분은 NAO-99jb(Matsumoto et al., 2000)와 국립해양조사 원(Korea Hydrographic Oceanographic Agency, KHOA)의 데이터를 이용하였 다.
4) 수집한 조위 성분중 해수유동에 큰 영향을 주는 4개의 분조(O1, K1, M2
& S2)를 선정하였고, 이 4개 분조의 조위성분을 조합하여 개방역의 조위
경계조건으로 사용하였다.
5) 기포 CO2의 용해율 및 국부유동에 영향을 미치는 온도/해수밀도/DCO2의 초기조건 설정을 위하여 관련 데이터를 조사하였으나, 국내 관련 데이터 가 부족하여 Kano et al.(2010)의 연구에서 사용한 분포를 초기조건으로 부여하였다.
6) 수평방향 격자수를 변화시켜 중규모영역 단독 시뮬레이션을 수행하여 얻 어진 조위(수위)와 계측값을 비교하여, 중규모영역의 최적 격자수를 찾았 다. (부록 A.1 참조)
7) 해석영역 내 수심 230m 해저면에 지진 등으로 길이 및 폭이 각각 2,250m 와 22.5m(면적 50,625m2)인 균열이 발생한 경우를 상정하였다.
8) 균열부를 통해서 해수로 누출되는 기포 CO2의 량은 연간 3,800톤과
94,600톤의 두 가지 조건을, 누출지점에서의 초기 기포 CO2의 비율은
10%, 50%와 90%의 세 가지 조건을 가정하여 총 여섯 가지의 시뮬레이션 을 수행하였다.
제 4 장 수치 시뮬레이션 결과
제1절 조위 비교
조위 비교를 Fig. 15의 점선 내부의 지역(Point 7, 9)은 국립해양조사원(Korea Hydrographic Oceanographic Agency, KHOA)의 data와 NAO-99jb의 data 그리고 시 뮬레이션 결과를, 이 외의 영역은 NAO-99jb의 data와 시뮬레이션 결과를 비교하 였다.
Fig. 15 Locations of tidal level comparison
계산결과 영역의 중심을 제외한 영역에서 진폭과 위상이 정성적으로 일치한 다(Fig. 16 ~ 29).
Fig. 16 Comparison of tidal level at north boundary(No. 4)
Fig. 17 Comparison of tidal level at south boundary(No. 2)
Fig. 18 Comparison of tidal level at east boundary(No. 3)
Fig. 20 Comparison of tidal level at northeast boundary(No. 14)
Fig. 21 Comparison of tidal level near land area 1(No. 5)
Fig. 22 Comparison of tidal level near land area 2(No. 6)
Fig. 23 Comparison of tidal level near land area 3(No. 7)
Fig. 24 Comparison of tidal level in the central area of simulation domain(No. 1)
Fig. 25 Comparison of tidal level in the central area of simulation domain(No. 10)
Fig. 26 Comparison of tidal level in the central area of simulation domain(No. 11)
Fig. 28 Comparison of tidal level at leakage point(No. 8)
Fig. 29 Comparison of tidal level in the southwest area of simulation domain(No. 9)
제2절 근방역
Fig. 30과 31은 근방역에서 CO2 기포가 해수 중에 차지하는 비율인 공극율
(Void rate)을 각 case별 CO2 누출 30일 후 누출점을 포함하는 xz 단면(y= 1,125m) 과 yz 단면(x= 1,125m)에서 나타낸 그림이다. CO2 기포 비율이 높을수록 누출점 인근에 CO2 기포가 많은 것이 보이며, 모든 case에서 수심 100m 이하에서 CO2
기포가 용해되는 것으로 보인다.
case 1
(CO2 bubble ratio 10%)
case 4
(CO2 bubble ratio 10%)
case 2
(CO2 bubble ratio 50%)
case 5
(CO2 bubble ratio 50%)
case 3
(CO2 bubble ratio 90%)
(f) case 6 (CO2 bubble ratio 90%) Fig. 30 Comparison contour maps of void rate including leakage point in xz-plane(y= 1,125m) after 30 days of CO2 leakage with the different leakage
case 1
(CO2 bubble ratio 10%)
case 4
(CO2 bubble ratio 10%)
case 2
(CO2 bubble ratio 50%)
case 5
(CO2 bubble ratio 50%)
case 3
(CO2 bubble ratio 90%)
case 6
(CO2 bubble ratio 90%) Fig. 31 Comparison contour maps of void rate including leakage point in yz-plane(x= 1,125m) after 30 days of CO2 leakage with the different leakage
amount in small scale region ((left): 3,800ton/year, (right): 94,600ton/year)
Fig. 32은 근방역에서 CO2 기포 비율이 10%이며 누출량이 적은(연간 3,800 톤) case 1과 누출량이 많은(연간 94,600 톤) case 4의 CO2 누출 30일 후 누출점 을 포함한 xz 단면(y= 1,125m)과 yz 단면(x= 1,125m)에서 DCO2의 변화량(Δ DCO2, dC)변화량을 그린 그림이다. 누출량이 적은 case 1은 case 4에 비하여 누 출량이 약 25배 적기 때문에, 비교적 적은 변화를 볼 수 있다.
(a)
(b)
case 1 (3,800ton/year, CO2 bubble ratio 10%),
case 4 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 10%), Fig. 32 Comparison contour maps of ΔDCO2 including leakage point
after 30 days of CO2 leakage with the different leakage amount in small scale region((a) : xz-plane(y= 1,125m), (b) : yz-plane(x= 1,125m))
Fig. 33은 근방역에서 CO2 기포 비율이 10%이며 누출량이 적은(3,800ton/year) case 1과 누출량이 많은(94,600ton/year) case 4의 CO2 누출 30일 후 누출점을 포 함한 xz 단면(y= 1,125m)과 yz 단면(x= 1,125m)에서 pCO2의 변화량(ΔpCO2, dpCO2)를 그린 그림이다.
(a)
(b)
case 1 (3,800ton/year, CO2 bubble ratio 10%),
case 4 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 10%), Fig. 33 Comparison contour maps of ΔpCO2 including leakage point
after 30 days of CO2 leakage with the different leakage amount in small scale region((a) : xz-plane(y= 1,125m), (b) : yz-plane(x= 1,125m))
Fig. 34과 35은 근방역에서 연간 94,600톤CO2가 누출되며, CO2 기포 비율이
10%인 case 4와 비율이 90%인 case 6의 누출점을 포함한 xz 단면(y= 1,125m)과
yz 단면(x= 1,125m)에서 DCO2의 변화량(ΔDCO2, dC)를 10일 간격으로 그린 그림 이다. CO2 기포 비율이 높은 case 6은 기포 비율이 낮은 case 4에 비하여 Δ DCO2가 비교적 높게 상승하며, 누출점 인근에서는 ΔDCO2가 case 4에 비하여 낮은 것을 볼 수 있다.
(a) 10 days
(b) 20 days
(c) 30 days
case 4 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 10%)
case 6 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 90%) Fig. 34 Comparison contour maps of ΔDCO2 including leakage point
in xz-plane(y= 1,125m) with the different CO2 bubble ratio in small-scale region after (a) 10, (b) 20 and (c) 30 days of CO2 leakage
(a) 10 days
(b) 20 days
(c) 30 days
case 4 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 10%)
case 6 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 90%) Fig. 35 Comparison contour maps of ΔDCO2 including leakage point
in yz-plane(x= 1,125m) with the different CO2 bubble ratio in small-scale region after (a) 10, (b) 20 and (c) 30 days of CO2 leakage
Fig. 36과 37는 근방역에서 연간 94,600톤의 CO2가 누출되며, CO2 기포 비율 이 10%인 case 4와 비율이 90%인 case 6의 누출점을 포함한 xz 단면(y= 1,125m) 과 yz 단면(x= 1,125m)에서 pCO2의 변화량(ΔpCO2, dpCO2)를 10일 간격으로 그린
그림이다. 두 case 모두 DCO2의 변화량과 유사한 경향을 보이고 있으며, 최대값
이 500ppm을 넘지 않는 것을 볼 수 있다.
(a) 10 days
(b) 20 days
(c) 30 days
case 4 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 10%)
case 6 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 90%) Fig. 36 Comparison contour maps of ΔpCO2 including leakage point
in xz-plane(y= 1,125m) with the different CO2 bubble ratio in small-scale region after (a) 10, (b) 20 and (c) 30 days of CO2 leakage
(a) 10 days
(b) 20 days
(c) 30 days
case 4 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 10%)
case 6 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 90%) Fig. 37 Comparison contour maps of ΔpCO2 including leakage point
in yz-plane(x= 1,125m) with the different CO2 bubble ratio in small-scale region after (a) 10, (b) 20 and (c) 30 days of CO2 leakage
다른 case 2, case 3, case 5는 부록에 5일의 간격으로 비교 가능하도록 수록 하였다(부록 A.2, A.3 참조).
제3절 중규모 영역
Fig. 38은 중규모 영역에서 CO2 기포 비율이 10%이며 누출량이 적은
(3,800ton/year) case 1과 누출량이 많은(94,600ton/year) case 4의 CO2 누출 30일 후 누출점을 포함한 xz 단면(y= 108,000m)과 yz 단면(x= 63,000m)에서 DCO2의 변화 량(ΔDCO2, dC) 그린 그림이다. 누출량이 적은 case 1의 ΔDCO2는 누출량이 많
은 case 4와 비교하여 적은 변화를 보인다.
(a)
(b)
case 1 (3,800ton/year, CO2 bubble ratio 10%),
case 4 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 10%), Fig. 38 Comparison contour maps of ΔDCO2 including leakage point
after 30 days of CO2 leakage with the different leakage amount in meso-scale region((a) : xz-plane(y= 108,000m), (b) : yz-plane(x= 63,000m))
Fig. 39은 중규모 영역에서 CO2의 기포 비율이 10%이며 누출량이 적은 (3,800ton/year) case 1과 누출량이 많은(94,600ton/year) case 4의 CO2 누출 30일 후 누출점을 포함한 xz 단면(y= 108,000m)과 yz 단면(x= 63,000m)에서 pCO2의 변화 량(ΔpCO2, dpCO2)를 그린 그림이다.
(a)
(b)
case 1 (3,800ton/year, CO2 bubble ratio 10%),
case 4 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 10%), Fig. 39 Comparison contour maps of ΔpCO2 including leakage point
after 30 days of CO2 leakage with the different leakage amount in meso-scale region((a) : xz-plane(y= 108,000m), (b) : yz-plane(x= 63,000m))
Fig. 40과 41은 중규모 영역에서 연간 94,600톤의 CO2가 누출되며, CO2 기포
비율이 10%인 case 4와 비율이 90%인 case 6의 누출점을 포함한 xz 단면(y=
108,000m)과 yz 단면(x= 63,000m)에서 DCO2의 변화량(ΔDCO2, dC)를 10일 간격 으로 그린 그림이다.
(a) 10 days
(b) 20 days
(c) 30 days
case 4 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 10%)
case 6 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 90%) Fig. 40 Comparison contour maps of ΔDCO2 including leakage point
in xz-plane(y= 108,000m) with the different CO2 bubble ratio in meso-scale region after (a) 10, (b) 20 and (c) 30 days of CO2 leakage
(a) 10 days
(b) 20 days
(c) 30 days
case 4 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 10%)
case 6 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 90%) Fig. 41 Comparison contour maps of ΔDCO2 including leakage point
in yz-plane(x= 63,000m) with the different CO2 bubble ratio in meso-scale region after (a) 10, (b) 20 and (c) 30 days of CO2 leakage
Fig. 42과 43은 중규모 영역에서 연간 94,600톤의 CO2가 누출되며, CO2 기포
비율이 10%인 case 4와 비율이 90%인 case 6의 누출점을 포함한 xz 단면(y=
108,000m)과 yz 단면(x= 63,000m)에서 pCO2의 변화량(ΔpCO2, dpCO2)를 10일 간 격으로 그린 그림이다. ΔDCO2와 유사한 경향을 보이고 있으며 ΔpCO2의 최대 값이 500ppm을 넘지 않는 것을 볼 수 있다.
(a) 10 days
(b) 20 days
(c) 30 days
case 4 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 10%)
case 6 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 90%) Fig. 42 Comparison contour maps of ΔpCO2 including leakage point
in xz-plane(y= 108,000m) with the different CO2 bubble ratio in meso-scale region after (a) 10, (b) 20 and (c) 30 days of CO2 leakage
(a) 10 days
(b) 20 days
(c) 30 days
case 4 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 10%)
case 6 (94,600ton/year, CO2 bubble ratio 90%) Fig. 43 Comparison contour maps of ΔpCO2 including leakage pointin
in yz-plane(x= 63,000m) with the different CO2 bubble ratio in meso-scale region after (a) 10, (b) 20 and (c) 30 days of CO2 leakage
비교하지 않은 case 2, case 3, case 5는 부록에 5일의 간격으로 비교 가능하 도록 수록하였다(부록 A.4, A.5 참조).
제4절 결과 요약
포항인근 해양지중에 저장된 CO2가 수심 230m, 길이 및 폭이 각각 2,250m과
22.5m(면적 50,625m2)인 균열부를 통해 해저면에서 해수층으로 누출되는 경우를
상정하여, 다중규모 해양수치모델을 이용한 시뮬레이션을 수행하였다. 해석 케이 스는 두 가지의 누출량(연간 3,800톤 및 94,6000톤) 조건과 세 가지의 초기 기포
CO2 비율(10%, 50% 및 90%)을 조합하여 총 여섯 가지이며, 누출 후 30일까지의
시뮬레이션을 수행하여 그 결과를 분석, 상대비교 하였다.
주요 해석 결과는 다음과 같다.
1) 해수유동 재현성의 정확도 확인을 위해, 시뮬레이션을 통해서 얻어진 조 위(수위)를 국립해양조사원과 NAO-99jb의 분조 성분을 이용해 얻은 조위 와 비교한 결과, 해석영역의 중심부를 제외하고 진폭과 위상이 일치하였 다. 중심부에서의 조위차이는 3면의 개방역에 부여한 조위 및 무반사 경 계조건의 중첩 현상과 해저 및 육지 지형에서 발생하는 지형류 등의 영 향으로 판단된다.
2) 근방역내의 공극률의 시간에 의한 변화를 보면, 기포 CO2는 누출량 및 초 기 기포비율에 상관없이 수직방향으로 주로 이동한다. 또한, 초기 기포 비 율에 따라 최대 상승 높이의 차이가 나지만, 해석한 모든 케이스에서 누 출된 CO2 기포는 수면에 도달하기 전에 모두 해수에 용해되는 것으로 예 측되었다.
3) 해수중 용해된 DCO2의 근방역 내에서의 거동은 기포 CO2의 상승에 동반 하는 해수의 상승유동 및 중규모 영역으로부터의 해수유동에 영향을 받으
며, DCO2의 누출후 변화량인ΔDCO2의 분포는 기포 CO2와 주변해수의 농
도와 직접적으로 관계가 있음을 확인하였다.