신기후체제 출범 이후 온실가스 감축목표 달성을 위한 대규모 $CO_2$ 직접 감축의 거의 유일한 방안으로 알려져 있는 대용량 $CO_2$ 지중저장의 중요성이 강조되고 있다. 포항 분지 해상 중소규모 $CO_2$ 지중저장 실증사업은 대규모 $CO_2$ 저장 사업에 필요한 핵심 기술을 우선적으로 확보하기 위해 추진하고 있는 연구개발 사업이다. 국내 저장 실증을 위한 $CO_2$ 저장소 확보를 위해 2010년부터 3년간 육상-연안 $CO_2$ 저장소 탐사 연구 과제를 수행하여, 한반도 동남부 육상 및 연안에 걸쳐 발달하고 있는 포항분지를 중소규모 $CO_2$ 지중저장 실증 후보지역으로 선정한 바 있다. 2013년부터는 포항분지 해상 지층을 대상으로 저장소 탐사, 탐사시추, 저장소 특성화, 저장 설계, 플랫폼 설계 및 설치, 주입공 시추 및 완결, 주입설비 설치, 주입 및 모니터링 등의 개별 기술 개발을 수행하였으며, 2017년 초 국내 기술력을 기반으로 해저 실증 저장소에 국내 최초로 $CO_2$ 시험주입 실증에 성공하였다. 향후에는 $CO_2$ 저장소 연속 운전 실증을 위한 수송체계 구축과 저장소 운영체계 확립 연구를 진행할 계획이다. 안전하고 효율적인 저장소 운영을 위해 상시 주입 모니터링 및 정기적인 거동 누출 환경 모니터링을 수행할 계획이며, 이를 위한 주입 전 모니터링을 완수하고 모니터링 체계를 구축하였다. 포항분지 해상 중소규모 $CO_2$ 지중저장 실증 연구를 통해 국내 대규모 CCS 통합실증 및 상용화 사업에 필요한 핵심적 $CO_2$ 저장 기술을 자립화 하였고, 성공적인 시험 주입으로 대규모 $CO_2$ 지중저장 사업의 기술적 경험적 기초를 확보하였다. 또한 본 연구 사업은 국제적으로 점차 확대되고 있는 $CO_2$ 지중저장 기술 시장에서 우리나라의 기술 경쟁력을 확보하는데 기여할 것으로 기대된다.

소규모 이산화탄소 주입 실증 부지를 탐색하기 위해 포항분지 영일만 연안에서 취득한 탄성파 탐사와 시추 자료를 분석하였다. 연구지역에서 기반암은 해수면 기준 심도 650~950 m에 분포하며, 상부에 사암과 역암이 우세한 퇴적층이 발달한다. 이 퇴적층은 대부분 포항분지에서 이산화탄소가 초임계 상태로 존재할 수 있는 심도(약 740 m)보다 깊은 곳에 분포한다. 또한 평균 두께가 123 m로 저장능력이 양호할 것으로 여겨진다. 상부에 올라오는 이암층은 대개 600 m 이상 두껍고 육상과 해상의 포항분지에 광역적으로 분포하고 있어 덮개 능력이 양호할 것이다. 연구지역에 발달하는 북북동 방향의 단층들은 기반암 심도에서 주로 발달하는 퇴적동시성 단층으로 수직 연장성이 불량할 것으로 해석된다. 본 연구를 통해 영일만에 위치한 포항분지 심부에서 소규모 실증에 적합한 저장층과 덮개층이 분포하고 있음을 제시하였다.

본 논문에서는 이산화탄소 지중저장 시험이 진행 중인 포항 영일만 지역의 지질학적, 암석물리학적, 지질역학적 특성에 대한 분석 결과를 보고한다. 대상 저류층은 영일만 해상 퇴적층 750 m 심도에 다공질, 투수성의 사암/역암층으로 존재하며 상부에 두꺼운 이암층으로 덮고 있다. 해상에 굴착된 탐사시추공에서 측정된 응력 값은 이 지역이 주향이동 단층운동에 유리한 응력체계를 보인다. 측정된 응력 값에 기반하여 다양한 유형의 저류층 파쇄압력, 주변 단층의 전단활성 압력 등에 대한 정보에 대해 고찰하며 분석하였다.

대수층에 이산화탄소를 주입하여 저장하는 것은 대기 중 이산화탄소 농도를 저감하는데 중요한 역할을 한다. 하지만 이산화탄소 주입 시 대수층의 압력증가로 단층 재활성화가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 예방하기위해 이산화탄소 주입에 따른 대수층 압력변화를 분석하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 포항영일만 지질모델의 이산화탄소 주입정에서 450 m 떨어진 EF1 단층과 530 m 떨어진 EF2 단층에 대해 안정성 분석을 수행하였다. 약 2년 동안 이산화탄소의 주입과 중단을 반복하는 두 가지 시나리오에서 대수층 압력변화가 단층에 영향을 주는지 일일주입량(20 tons, 40 tons, 100 tons)에 따라 분석하였다. 또한 각 일일주입량 별로 계획 주입량과 예측 주입량을 비교하였다. 이산화탄소 일일주입량이 20 tons인 경우 단층에서의 최대압력이 단충 재활성압의 65% 수준으로 단층의 재활성화 가능성이 낮았다. 일일주입량이 40 tons과 100 tons으로 증가해도 단층에서의 최대 압력이 단층 재활성압의 각각 71%와 80% 정도이다. 또한 일일주입량이 20 tons인 경우와 40 tons인 경우 계획 주입량과 예측 주입량이 거의 일치하였지만 100 tons인 경우 주입정의 공저압력 허용한계로 인해 시뮬레이션 예측 주입량이 계획 주입량에 미치지 못하였다.

본 연구는 "포항분지 해상 소규모 $CO_2$ 주입실증 프로젝트"의 일환으로 경상북도 포항시 영일만에 설치된 해상 플랫폼에서 $CO_2$ 주입 실증을 위한 주입정 시추 및 완결(well drilling and completion)을 수행하였다. 주입정 시추(well drilling)는 포항분지 해상지역 퇴적지층에 설치한 해상플랫폼의 상부부터 해저면까지 케이싱 설치를 시작으로 단계별로 굴진 공경을 축소하면서 케이싱 설치 및 시멘트 그라우팅(cement grouting)을 시행하며 진행하였다. 최종심도 816.5 m 까지 공경 4 7/8 inch (${\Phi}124mm$) 규격으로 굴진하여 심도 746.5~816.5 m 구간에 유공 케이싱을 설치하여 주입구간을 형성하였다. $CO_2$ 주입을 위한 주입공 완결(well completion)을 위하여 주입관, 패커(packer), 주입탑(christmas tree)을 설치하였다. 주입공을 완결하고 주입 플랜트 설비를 설치하여 $CO_2$ 시험 주입을 성공적으로 수행하였다. 현재의 주입설비는 100톤 규모의 소규모 주입 실증을 위한 설비로서 향후 주입설비 격상을 통하여 총 1만톤의 중규모 실증 주입설비로 추가적인 연구개발을 진행하고 있다.

지구온난화 문제가 인류 생존을 위협하는 중대한 이슈로 떠오르면서 세계 각국은 온실가스 감축에 적극 나서고 있다. 대표적 온실가스인 이산화탄소($CO_2$)는 석탄, 석유와 같은 화석연료를 연소하는 과정에서 대량으로 방출되고 있다. $CO_2$를 포집하고 저장하는 CCS ($CO_2$ Capture & Storage) 기술은 온실가스 저감의 대표적 기술로 세계 각국에서 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 연구는 대규모 $CO_2$ 배출원에서 포집된 $CO_2$를 대상으로, 국내 최초로 해상에서 지중저장을 하기 위한 고압 주입설비의 설계 및 구축에 관한 연구다. 이를 위해 2017년초 $CO_2$ 지중 주입설비가 구축되었으며 포항시 영일만 해상 플랫폼에서 $CO_2$ 시험주입을 국내 최초로 성공하였다. 그 결과 해상주입을 위한 주입설비의 운전 요구조건과 $CO_2$ 주입 특성이 파악되었고 주입장치 운영에 관한 노하우도 얻게 되었다. 시험주입에서 얻어진 결과는 향후 장치개선과 scale-up에 활용될 예정이다.

포항분지 해상 중소규모 $CO_2$ 지중저장 실증 연구사업은 저장소 선정 및 저장소 특성화 연구 과정에서 $CO_2$ 지중저장 실증의 지진 유발 가능성과 누출 가능성에 대하여 진지하게 검토하고 $CO_2$ 지중저장 실증의 안정성을 확보하기 위한 많은 노력을 경주해 왔다. 그럼에도 불구하고 2017년 11월 15일 발생한 규모 5.4의 포항 지진으로 큰 피해를 입은 포항시와 시민들은 $CO_2$ 지중저장 실증의 지진 유발 가능성에 대하여 큰 우려를 가지고 있는 상황이다. 포항분지 해상 $CO_2$ 지중저장 실증 연구팀은 2017년 포항 지진 이후 포항 영일만 $CO_2$ 지중저장 실증의 안전성에 대하여 자체 조사를 수행하여, 2017년 포항 지진과 포항분지 영일만 해상 $CO_2$ 지중저장 실증의 관련성과 향후 본격적인 $CO_2$ 지중저장 실증이 수행될 경우 지진 유발 가능성이나 누출 가능성에 대하여 면밀하게 평가하였다. 자체 조사 결과, 포항분지 해상 중소규모 $CO_2$ 지중저장 실증 연구사업은 2017년 포항지진의 진앙과 약 10 km 떨어진 영일만 해역에 저장소가 위치하며, $CO_2$ 저장층의 심도도 해저면 아래 약 750-800 m 정도로서 포항 지진의 심도와 큰 차이를 보인다. 또한 포항분지 해상 중소규모 $CO_2$ 지중저장 실증 연구사업은 2017년 1월 12일부터 3월 12일까지 약 3개월간 $CO_2$ 시험 주입을 수행한 이후 수송체계 구축과 주입공 격상을 위해 $CO_2$ 주입 행위가 중지된 상황으로 2017년 11월 15일에 발생한 포항 지진과 직접적인 관련성을 찾기 어렵다. 무엇보다도 $CO_2$ 지중저장 기술의 개념이 지층을 파쇄하는 것이 아니라 염수와 같은 유체로 채워진 다공질 퇴적층에서 염수를 천천히 밀어내면서 초임계상의 $CO_2$를 주입한다는 측면에서 대용량의 $CO_2$를 장기간 주입하여 저장층의 압력이 크게 상승하는 경우를 제외하면 인간 사회에 피해를 가져오는 일정 규모 이상의 지진을 유발할 가능성이 크지 않은 것으로 분석되었다. 게다가 포항분지 해상 중소규모 $CO_2$ 지중저장 실증 연구사업의 $CO_2$ 시험 주입 규모가 약 100톤 정도로서 규모 5.0 이상의 지진을 유발할 수 있는 대규모 주입 행위가 없었기 때문에 2017년 포항 지진과의 연관성을 가정하는 것이 무리가 있다. 포항분지 해상 중소규모 $CO_2$ 지중저장 실증 연구사업의 연구팀은 자체 조사를 통해 향후 포항분지 해상 $CO_2$ 지중저장 실증 연구사업이 장기적으로 수행될 경우 지진 유발 가능성과 누출 가능성에 대하여도 평가를 수행하였다. 자체 평가 결과에 따르면, 저장층 상부의 덮개층이 파쇄되거나 주변 단층의 재활성화가 발생하지 않도록 정해진 범위에서 압력을 조절하면서 $CO_2$ 스트림을 주입할 경우 지진 유발이나 단층 재활성화를 초래할 가능성이 매우 희박한 것으로 분석되었다. 더불어, 포항분지 해상 중소규모 $CO_2$ 지중저장 실증 연구사업은 $CO_2$ 지중저장 실증 과정에서 주입된 $CO_2$ 스트림의 누출을 최소화하기 위해 저장소 인근 지층의 파쇄 압력, 저장소 인근 단층의 재활성화 압력, 주입공 누출을 방지하기 위한 완결 공정, 주입된 $CO_2$ 스트림의 누출 경로 파악과 거동 및 누출 모니터링, 안전한 $CO_2$ 저장을 위한 저장소 운영과 관련된 연구를 충실하게 수행하고 있으며, 연구팀의 자체 조사 결과 주입된 $CO_2$ 스트림이 인간 사회에 영향을 미칠 정도의 규모로 누출될 가능성은 크지 않은 것으로 평가되었다. 결론적으로 포항분지 해상 중소규모 $CO_2$ 지중저장 실증 연구사업은 인간이 감지할 정도의 지진 유발 및 주입된 $CO_2$ 스트림의 누출을 발생시킬 가능성이 크지 않으며, 비록 적은 가능성이지만, 지진이나 누출이 발생하지 않도록 지속적으로 안전성 확보를 위한 연구개발을 최우선적으로 수행할 계획이다.

포항분지 해상 중규모 실증 모니터링 연구팀은 영일만의 해상 $CO_2$ 주입 실증 사이트에서 주입되는 $CO_2$를 모니터링하기 위하여 지구물리-지화학 복합 모니터링 연구를 수행하고 있다. 이 연구에서는 주입 전 모니터링 탐사의 1차 결과로서, 지구물리 탐사에서는 한국형 Hydro-Geophone OBS (Ocean Bottom Sensor) 탐사장비 개발 현황과 3D 탄성파 탐사의 결과를, 천부 지화학 탐사에서는 주입사이트의 주입 전지화학 베이스라인 탐사(퇴적물 공극수의 음이온)에 대한 예비결과를 제시하였다.

백두산 분화시 북풍 또는 북동풍이 발달하게 되면 국내에 화산재가 확산될 가능성이 있으며, 화산재에 의해 민감한 영향을 받는 상수도 시설의 관리기준이 필요하다. 본 연구에서는 국내 상수도 시설의 관리기준 수립을 위해 국외의 다양한 화산에 대해 분야별 피해사례를 조사하였으며, 이를 바탕으로 상수도 시설의 피해 요인을 퇴적, 흡착/침착, 마모로 나누어 예상되는 피해 정도를 유형화하였다. 또한 위험평가 결과를 바탕으로 화산재 퇴적 두께에 따라 상수도 시설의 관리 단계를 4단계로 도출하였으며, 0~1 mm은 VAD(Volcanic Ash Degree) I, 1~3 mm는 VAD II, 3~5 mm는 VAD III, 5 mm 이상은 VAD IV로 제시하였다. 최종적으로 도출된 관리 단계별 경보 기준, 화산재 영향, 피해 대응 절차 및 방안 등으로 구성된 상수도 시설 관리 기준(안)을 제시하였다.

화산 폭발 시 발생되는 화산재는 수백 km 떨어진 광대한 지역으로 확산되며, 화산재가 지표수에 유입될 경우 상수도 시설에 피해를 받게 된다. 상수도시설의 경우 우리 국민들이 먹는 식수와 생활용수를 공급하는 시설로서 화산재 피해가 발생되면 수질오염 등의 피해발생으로 상수도 공급 중단 시 사회적 혼란이 야기된다. 그러나 재난관리 매뉴얼을 살펴본 결과 화산재 피해 에 대응하기 위한 상수도시설 매뉴얼 수립이 미비한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 기존에 수립된 화산 및 수질오염 관련 매뉴얼을 분석하여 문제점을 도출하였다. 그리고 신속한 상황판단 및 대응활동을 수행할 수 있도록 상수도시설 매뉴얼(안)의 적용범위, 재난유형, 관련기관 주요 임무 및 체계, 재난유형별 위기상황 시나리오 등의 개선방안을 제시하였다.

10년 전부터 댐 건설에 대한 사회적 비판이 제기됨에 따라 댐 공사를 통해 새로운 수자원을 확보하기가 어려워졌기 때문에 기존 댐에 대한 검토가 필요하게 되었다. 이에 따라, 계획, 시공 및 관리 등의 접근 방식은 댐 보수 및 보강과 관련하여 이미 확보된 기술을 활용하여 실시되었다. 이러한 보수와 보강의 결과로, 다수의 댐에서 침투 그라우팅이 수행되었으나, 현재까지 기술의 정립이 미흡한 실정이고, 국내외적으로 발표된 논문도 극히 드문 편이다. 본 논문에서는 YC댐에 대한 저압 침투그라우팅 보강 기술을 상세하게 분석하였다. 결과적으로 침투그라우팅은 YC댐과 같이 코어형 필댐의 차수성 개선에 효과적으로 적용될 수 있음을 확인하였다. 그리고, 주입기준과 관련하여 경험적으로 증명된 침투그라우팅의 기술적 상세들을 제시하였다. 본 연구를 통한 필댐 침투그라우팅 기술의 구체적인 분석자료들은 향후 필댐 및 저수지 보수보강에 있어 유용한 자료로 활용 가능할 것으로 판단된다.

노후 제체의 안전진단 및 그라우팅 보강효과 판정을 위해 지자체와 관공서는 전기비저항탐사를 주로 활용하고 있으나, 전기비저항탐사는 다양한 탐사조건에 의해 비저항 값이 변하는 정성적 평가이다. 또한 제체의 안정성과 직결되는 강성변화(stiffness change)를 파악하기 어려워, 그라우팅 시공 후 지속적인 안정성 모니터링에는 그 적용성이 떨어진다. 이에 본 연구는 지반의 강성(${\mu}$)과 밀접한 관계가 있는 전단파속도(Vs, shear velocity)를 통해 시멘트 그라우팅 시공에 따른 제체의 정량적인 보강효과에 대한 검증방안을 연구하였고, 검증방안에 대한 적용성을 검토하였다. 본 연구는 2개소의 제체를 대상으로 수행되었으며, 시멘트 그라우팅 시공 전 후의 투수시험, 표준관입시험, 다운홀시험(Down-hole Test) 및 MASW(Multi-channel Analysis of Surface wave) 탐사결과를 대비 분석하여 보강효과를 평가하였다. 그라우팅 시공 전 후 전단파속도 변화는 위상속도차이(phase velocity difference) 및 역산해석(inversion analysis)을 통해 각각 분석하였으며, 현장시험 결과와의 비교를 통해 분석결과의 신뢰성을 평가하였다. D 제방의 경우 약 5~10%, H 제방은 약 10~20% 이상의 속도증가가 나타났으며, 현장시험결과와 유사한 양상의 결과를 나타냈다.

한반도 지진에 대한 전조인자 연구를 위해 대전, 청원지역 지하수 관측정에서 심도별(-60 m, -100 m)로 화학성분과 라돈, 수위변화를 주기적으로 측정하였다. 관측정 특정심도 지하수의 pH와 전기전도도 값이 포항지진 발생에 따라 큰 폭으로 증가하는 등 비교적 뚜렷한 상관성을 보였다. 주요화학 성분 중에는 대전관측정에서는 ${HCO_3}^-$, $Cl^-$의 농도가 지진과의 연관성 있는 변동을 보이며, 청원지역 관측정에서는 $Mg^{2+}$, $Cl^-$, ${NO_3}^-$의 농도가 변화를 보였다. 그러나 지하수의 주요 화학성분의 변화는 지진발생과의 상관성이 명확하지는 않다. 대전관측정 지하수내 라돈 함량은 지진 발생 전 최저 162 Bq/L에서 지진발생 직후 573 Bq/L로 크게 증가하는 경향을 보여 지진과의 뚜렷한 상관성을 보여주었다. 지하수위의 경우에는 지진발생과의 상관성은 확인되지 않고 갈수기로 인한 지속적인 하강의 양상을 보여주었다. 그러나 포항 진앙지 10 km 이내 국가 지하수 관측정에서는 지진발생 직전 뚜렷한 지하수위의 하강 현상을 보여주었다. 결론적으로 포항지진 진앙지와 약 180 km 이상 떨어진 지역이지만 대전 관측정에서 라돈가스는 지진과 가장 뚜렷한 상관성을 보여 지진전조인자로서의 신뢰성할 수 있는 후보로서 가능성을 확인하였다. pH, 전기전도도, ${HCO_3}^-$, $Cl^-$성분은 지진과 일정 부분 상관성을 보여주었지만 보다 더 장기적인 모니터링을 통하여 지진전조로서 가능성을 확인할 수 있을 것으로 보인다.