이산화탄소 해양지중저장용 임시저장탱크 내부 기체-액체 경계면 높이 파악용 전극센서{liquid phase height identifying electrode sensor for CO2 temporary storage tank of carbon dioxide capture and storage}

본 발명은 지구온난화와 기후변화를 유발하는 대표적 온실가스인 이산화탄소를 대규모로 해양지중에 저장하기 위하여 이산화탄소를 발생지(포집지)로부터 저장지까지 선박으로 수송하는 데 있어 임시저장소 역할을 하는 임시저장탱크 내부의 이산화탄소 기체-액체 경계면 높이(액체상의 수위)를 파악하기 위한 전극센서에 관한 것이다.

안전한 해저 지질구조 내에 이산화탄소(CO ₂ )를 격리, 저장시키는 기술(이하 '이산화탄소 해양지중저장기술'이라 함)은 기후변화 및 교토의정서상의 온실가스 감축요구에 대응하기 위해 발전소 및 제철소 등 대규모 발생원에서부터 포집한 이산화탄소를 파이프라인이나 선박 등을 통해 수송하여 이를 해양의 퇴적층(유/가스전, 심부 염대수층, 석탄층 등)에 대규모로 수백~수천 년 이상 장기간 저장 및 관리하는 기술을 말한다(참고문헌 : 강성길, 허철, 한국해양환경공학회 논문).

일반적으로 제철소, 발전소 등에서 포집된 이산화탄소는 상온(atmospheric temperature) 상압(atmospheric pressure)의 기상(vapor)으로 존재하는데, 이를 연간 수십~수백만 톤 이상의 대량으로 해상(offshore)의 저장지까지 이송하기 위해서는 매우 큰 부피의 저장용기 또는 매우 큰 직경의 파이프라인이 필요하게 되므로 경제적, 기술적으로 바람직하지 않다.

따라서 이산화탄소를 가압 및 냉각하여 액체상(liquid)이나 초임계(supercritical) 상태로 만든 후, 파이프라인이나 선박을 이용하여 대량으로 포집지부터 해상의 저장지까지 이송하는 기술의 개발이 필요하다. 이를 위해 여러 국가들이 경제적이고 저비용의 파이프라인 수송이나 장거리 선박 수송 기술의 개발에 대규모 예산을 투입하여 매진하고 있다.

이산화탄소 해양지중저장을 위해서는 상기 언급된 바와 같이 파이프라인이나 선박을 이용하여 이산화탄소를 저장지까지 수송하는 과정이 필요하다. 만약 이산화탄소 수송을 위해 선박을 이용하는 경우라면 임시저장탱크가 필수적인데, 이는 이산화탄소를 선박에 적하역(loading/unloading)하는 시간 동안 이산화탄소를 임시로 저장할 공간이 필요하기 때문이다.

임시저장탱크는 통상 100바 이하의 압력용기를 사용하는데, 이 경우 예상되는 중요한 문제는 임시저장탱크 내부의 압력 상승으로 인하여 임시저장탱크의 균열이나 파공이 발생하는 것이다. 여기서, 임시저장탱크 내부의 압력이 상승하는 요인으로는 태양 복사열로 인한 임시저장탱크 외부 표면 가열, 주변 온도가 임시저장탱크 온도보다 높음으로 인한 열 유입 현상 등을 들 수 있으며, 더불어 임시저장탱크 내부 액체층에서 자연대류가 발생함에 따른 변온층 발달로 인한 추가적인 압력상승 또한 중요한 요인으로 꼽을 수 있다.

임시저장탱크 내부에 이산화탄소가 저장된 후 상기 언급한 바와 같은 압력상승 현상이 발생할 때, 초기에 임시저장탱크 내부에 기체가 존재할 경우, 압력이 상승함에 따라 기체상은 액체상으로 꾸준히 바뀌게 되고 결국 임시저장탱크 내부는 액체상으로 전부 바뀌어 급격한 압력상승이 발생할 수 있다.

따라서 이산화탄소 해양지중저장을 위한 임시저장탱크를 제작하여 운영할 경우, 임시저장탱크 내부의 기체-액체 경계면 높이(액체상의 수위)를 정확히 파악하는 것이 임시저장탱크의 안전한 사용 및 임시저장탱크 내부 공간의 효율적 활용에 있어 필요하다고 할 수 있다.

종래에는 이러한 기체-액체 경계면 높이를 파악하기 위해 초음파식 수위계나 플로트식 수위계를 주로 사용하였다.

하지만, 초음파식 수위계는 고가이고 사용 시 보정이 필요하다는 단점이 있다. 또한 임시저장탱크의 퍼지(purge)나 벤트(vent) 및 적하역(loading/unloading) 시 액체층 내부에서 상변화(기화)가 일어날 경우 경계면을 잘못 측정할 가능성이 높다. 즉 임시저장탱크 내부가 정상 상태(steady state)가 아니라 비정상 상태(unsteady state)일 경우 수위계측의 정밀도가 떨어지는 단점이 있다.

그리고 플로트식 수위계는 기계적인 작동부가 존재함으로 인한 고장 가능성이 존재하고, 임시저장탱크와 같은 고압용기 내부에 적용할 시에는 단순한 1점 스위치 형식의 적용으로 인해 정밀한 수위계측이 어려운 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 고장이 적으며, 구조가 간단하며, 가격이 저렴하고 경제적이며, 설치가 간편하며, 설치 이후에 보정이 필요 없으며, 정밀한 수위계측이 가능한, 이산화탄소 해양지중저장용 임시저장탱크 내부 기체-액체 경계면 높이 파악용 전극센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 임시저장탱크의 내부로 관통하도록 설치되되, 몸체 상단부는 센서마개에 의하여 상기 임시저장탱크에 고정되며, 몸체 표면에는 다수 개의 전극이 일정 간격으로 이격하여 위에서 아래로 순차적으로 위치하되, 상기 전극은 몸체 표면에 위치한 전극연결선의 일 끝단과 일대일로 연결되고 상기 전극연결선의 타 끝단은 상기 센서마개에 연결되는 센서봉; 일 끝단은 상기 센서마개를 통해 상기 전극연결선과 연결되며 타 끝단은 상기 임시저장탱크 외부의 멀티플렉서에 연결되는 외부연결선; 전원공급기와 저항측정기를 장착하며 상기 전원공급기와 상기 외부연결선 간의 연결을 차단 또는 접속시키거나 상기 저항측정기와 상기 외부연결선 간의 연결을 차단 또는 접속시키는 멀티플렉서; 상기 멀티플렉서 및 상기 외부연결선을 통하여 상기 전극에 전원을 공급함으로써 상기 전극이 가열될 수 있도록 하는 전원공급기 및; 상기 멀티플렉서 및 상기 외부연결선을 통하여 상기 전극의 시간에 따른 저항변화를 계측하는 저항측정기;를 포함하여 이루어지되, 상기 저항측정기에 의해서 계측되는 상기 전극의 저항변화 속도 차이에 따라 상기 임시저장탱크 내부의 기체-액체 경계면 높이를 파악하는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 해양지중저장용 임시저장탱크 내부 기체-액체 경계면 높이 파악용 전극센서를 제공한다.

상기 센서봉은 상기 임시저장탱크의 내부를 수직으로 관통하도록 설치된다.

상기 센서봉은 전기가 통하지 않는 절연성의 세라믹으로 이루어진다.

상기 센서봉은 단면이 사각인 형태를 갖는다.

상기 센서봉의 총 4개의 측면 중 제 1 측면에는 상기 전극을 배치하고 상기 제 1 측면과 연접하는 제 2 측면에는 상기 전극연결선을 배치한다.

상기 센서마개는 상기 임시저장탱크의 플렌지에 안착되어 기밀이 될 수 있도록 플렌지 형식으로 제작되어 상기 플렌지에 볼트로 결합한다.

상기 전극은 백금(Pt) 박막 전극으로 이루어진다.

상기 전극은 구부러진(serpentine) 구조를 갖는다.

본 발명은, 상기 전극이 상기 임시저장탱크 내부의 액체상과 접촉하는 부분과 기체상과 접촉하는 부분의 온도변화 속도가 각각 다름을 이용하여 기체-액체 경계면을 구분한다.

본 발명에 따르면, 이산화탄소 해양지중저장을 위한 임시저장탱크 내부의 기체-액체 경계면 높이(액체상의 수위) 변화를 효과적으로 파악할 수 있다. 즉, 임시저장탱크 내부의 압력이 일정한 정상상태나 압력변동이 있는 비정상상태 등에 관계없이 기체-액체 경계면의 높이를 효과적으로 파악함으로써, 임시저장탱크 내부 전체가 액체상으로 채워짐으로 인해 발생할 수 있는 급격한 압력상승을 미연에 예상하고 방지할 수 있으며, 나아가 임시저장탱크 내부의 체적 활용도를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 전체적인 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 센서봉의 제 1 측면 구조를 보여준다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 센서봉의 제 2 측면 구조를 보여준다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 전체적인 개념도이다.

본 발명은 고장이 적으며, 구조가 간단하며, 가격이 저렴하고 경제적이며, 설치가 간편하며, 설치 이후에 보정이 필요 없으며, 정밀한 수위계측이 가능한, 이산화탄소 해양지중저장용 임시저장탱크 내부 기체-액체 경계면 높이 파악용 전극센서를 제공하는 것을 목적으로 하는바, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 센서봉(10), 외부연결선(40), 멀티플렉서(50), 전원공급기(60) 및 저항측정기(70)를 포함하여 이루어진다(도 1).

센서봉(10)은 전기가 통하지 않는 절연성의 세라믹으로 이루어진다. 이러한 센서봉(10)은 임시저장탱크(20)의 내부를 수직으로 관통하도록 설치된다(도 1). 이는 만약 센서봉(10)이 임시저장탱크(20)의 내부에서 비스듬하게 설치되면 이로 인하여 기체-액체 경계면 높이(액체상의 수위)(H)를 계측함에 있어 오차가 발생할 수 있기 때문이다.

센서봉(10)의 몸체 상단부는 센서마개(30)와 연결되며 상기 센서마개(30)에 의하여 센서봉(10)은 임시저장탱크(20)에 고정된다(도 1). 이 경우, 센서마개(30)는 임시저장탱크(20)의 플렌지(21)에 안착되어 기밀이 될 수 있도록 플렌지 형식으로 제작되어 플렌지(21)에 볼트(31)로 결합된다(도 1).

한편, 센서봉(10)의 몸체 표면에는 다수 개의 전극(11)과 전극연결선(12)이 형성되어 있다(도 2, 도 3). 전극(11)은 일정 간격으로 이격하여 센서봉(10)의 위에서 아래로 순차적으로 위치하며 전극연결선(12)은 이들 전극(11)을 센서마개(30)에 연결한다. 즉, 각각의 전극(11)은 다수 개의 전극연결선(12)의 일 끝단과 일대일로 연결되는데 이러한 전극연결선(12)의 타 끝단은 센서마개(30) 쪽으로 향하여 센서마개(30)와 연결된다.

이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 센서봉(10)과 센서봉(10)의 몸체 표면에 형성된 전극(11)과 전극연결선(12)의 구조에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 센서봉(10)의 제 1 측면 구조를 보여준다. 그리고 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 센서봉(10)의 제 2 측면 구조를 보여준다.

본 발명의 실시 예에 따르면 센서봉(10)은 단면이 사각인 형태를 갖는다. 이는 센서봉(10)의 몸체 측면에 전극(11)과 전극연결선(12)의 배치를 보다 효과적으로 할 수 있기 때문이다. 이 경우, 센서봉(10)의 총 4개의 측면 중 제 1 측면에는 전극(11)을 배치(도 2)하고 제 1 측면과 연접하는 제 2 측면에는 전극연결선(12)을 배치(도 3)한다.

센서봉(10)의 제 1 측면에는 다수 개의 전극(11)이 일정 간격으로 이격하여 센서봉(10)의 위에서 아래로 순차적으로 위치한다(도 2). 본 발명의 실시 예에서 전극(11)은 백금(Pt) 박막 전극(11)으로 구성하였다. 각 전극(11)은 구부러진(serpentine) 구조를 가지며 이로 인해 100ohm 이상 1000ohm 이하의 저항을 갖도록 하였다. 본 발명의 실시 예에서 전극(11)이 구부러진 구조를 갖도록 한 이유는 전극(11)이 센서봉(10)의 표면에 넓게 퍼지도록 하여 센서봉(10)의 표면에 닿는 액체상을 빠짐없이 검출할 수 있도록 하기 위함이다. 각 전극(11)은 센서봉(10)의 제 1 측면에 300nm 이상 600nm 이하의 두께로 백금을 증착한 후 노광공정(lithography) 및 식각공정(etching)을 거친 후 제작, 완성된다. 한편, 센서봉(10)의 제 2 측면에는 전극연결선(12)이 전극(11)과 같은 공정을 거친 후 제작, 완성되는바(도 3), 각각의 전극(11)은 다수 개의 전극연결선(12)의 일 끝단과 일대일로 연결되며 이러한 전극연결선(12)의 타 끝단은 센서마개(30) 쪽으로 향하여 센서마개(30)와 최종 연결된다.

외부연결선(40)은 센서봉(10)의 전극연결선(12)이 센서마개(30)를 통해 임시저장탱크(20) 외부로 연장되어 나온 선이라고 할 수 있는데, 이러한 외부연결선(40)은 임시저장탱크(20) 외부의 멀티플렉서(multiplexer)(50)에 전부 연결된다(도 1). 즉, 외부연결선(40)의 일 끝단은 센서마개(30)를 통해 전극연결선(12)과 연결되며 타 끝단은 임시저장탱크(20) 외부의 멀티플렉서(50)에 연결되는 것이다.

상기한 바와 같이 외부연결선(40)은 멀티플렉서(50)에 연결되는데, 이와 동시에 전원공급기(60)와 저항측정기(70)도 멀티플렉서(50)에 장착된다(도 1). 이 상태에서 멀티플렉서(50)는 전원공급기(60)와 외부연결선(40) 간의 연결을 차단 또는 접속시키거나 저항측정기(70)와 외부연결선(40) 간의 연결을 차단 또는 접속시키는 역할을 한다.

만약 멀티플렉서(50)가 전원공급기(60)와 외부연결선(40) 간의 연결을 접속시키면 전원공급기(60)는 멀티플렉서(50) 및 외부연결선(40)을 통하여 임시저장탱크(20) 내 센서봉(10)의 모든 전극(11)에 전원을 공급하여 이로써 전극(11)이 가열될 수 있도록 한다. 물론 멀티플렉서(50)가 전원공급기(60)와 외부연결선(40) 간의 연결을 차단시키면 전원공급기(60)는 전극(11)에 전원을 공급할 수 없게 되며 따라서 전극(11)은 가열되지 않고 점차 냉각된다.

그리고 만약 멀티플렉서(50)가 저항측정기(70)와 외부연결선(40) 간의 연결을 접속시키면 저항측정기(70)는 멀티플렉서(50) 및 외부연결선(40)을 통하여 임시저장탱크(20) 내 모든 전극(11)의 시간에 따른 저항변화를 계측하게 된다. 물론 멀티플렉서(50)가 저항측정기(70)와 외부연결선(40) 간의 연결을 차단시키면 저항측정기(70)는 전극(11)의 시간에 따른 저항변화를 계측하지 못하게 된다.

이하에서는 본 발명에 따라 임시저장탱크(20) 내부의 기체-액체 경계면 높이(H)를 파악하는 과정에 대하여 상세히 설명한다(도 1).

먼저, 센서봉(10)을 임시저장탱크(20) 내부로 관통하도록 설치한다. 이 경우 센서봉(10)은 상술한 바와 같이 임시저장탱크(20)의 내부를 수직으로 관통하도록 설치되며, 센서봉(10)의 몸체 상단부는 센서마개(30)에 의하여 임시저장탱크(20)에 고정된다. 센서봉(10)의 몸체 표면에는 전극(11)이 일정 간격으로 이격하여 센서봉(10)의 위에서 아래로 순차적으로 위치하며 전극연결선(12)은 이들 전극(11)을 센서마개(30)에 연결한다.

다음으로, 센서봉(10)의 전극연결선(12)이 센서마개(30)를 통해 임시저장탱크(20) 외부로 연장되어 나온 선이라고 할 수 있는 외부연결선(40)을 임시저장탱크(20) 외부의 멀티플렉서(50)에 전부 연결하고, 이와 함께 전원공급기(60)와 저항측정기(70)도 멀티플렉서(50)에 장착한다.

다음으로, 멀티플렉서(50)가 전원공급기(60)와 외부연결선(40) 간의 연결을 접속시키면, 전원공급기(60)가 전극(11)에 전원을 공급함으로써 전극(11)이 점차 가열된다. 그리고 수 초간(2~10초 사이) 전극(11)이 가열된 후 멀티플렉서(50)가 전원공급기(60)와 외부연결선(40) 간의 연결을 차단시킨다. 이처럼 전원공급기(60)와 외부연결선(40) 간의 연결이 차단되면 가열되었던 전극(11)이 점차 냉각되면서 온도변화가 나타나게 된다.

다음으로, 멀티플렉서(50)가 저항측정기(70)와 외부연결선(40) 간의 연결을 접속시키면, 저항측정기(70)가 전극(11)의 시간에 따른 저항변화를 계측하게 되는데, 이처럼 저항측정기(70)에 의해서 계측되는 전극(11)의 저항변화 속도 차이에 따라 임시저장탱크(20) 내부의 기체-액체 경계면 높이(H)를 파악할 수 있게 된다. 이는, 탱크(20) 내부의 액체상과 접촉하게 되는 전극(11)과 기체상과 접촉하게 되는 전극(11)의 온도변화, 즉 저항변화의 속도가 각각 다르므로, 계측되는 저항변화의 속도 차이에 따라 기체-액체 경계면을 구분하는 것이 가능해지기 때문이다.

따라서 본 발명에 따르면, 이산화탄소 해양지중저장을 위한 임시저장탱크(20) 내부의 이산화탄소 기체-액체 경계면의 높이(H) 변화를 효과적으로 파악할 수 있다. 즉, 임시저장탱크(20) 내부의 압력이 일정한 정상상태나 압력변동이 있는 비정상상태 등에 관계없이 기체-액체 경계면의 높이(H)를 효과적으로 파악함으로써, 임시저장탱크(20) 내부 전체가 액체상으로 채워짐으로 인해 발생할 수 있는 급격한 압력상승을 미연에 예상하고 방지할 수 있으며, 나아가 임시저장탱크(20) 내부의 체적 활용도를 높일 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 센서봉 11 : 전극
12 : 전극연결선 20 : 임시저장탱크
21 : 플렌지 30 : 센서마개
31 : 볼트 40 : 외부연결선
50 : 멀티플렉서 60 : 전원공급기
70 : 저항측정기