Spatio-Temporal Monitoring of Soil CO2 Fluxes and Concentrations after Artificial CO2 Release

CCS (Carbon Capture and Storage) is a technical process to capture $CO_2$ from industrial and energy-based sources, to transfer and sequestrate impressed $CO_2$ in geological formations, oceans, or mineral carbonates. However, potential $CO_2$ leakage exists and causes environmental problems. Thus, this study was conducted to analyze the spatial and temporal variations of $CO_2$ fluxes and concentrations after artificial $CO_2$ release. The Environmental Impact Evaluation Test Facility (EIT) was built in Eumseong, Korea in 2015. Approximately 34kg $CO_2$ /day/zone were injected at Zones 2, 3, and 4 among the total of 5 zones from October 26 to 30, 2015. $CO_2$ fluxes were measured every 30 minutes at the surface at 0m, 1.5m, 2.5m, and 10m from the $CO_2$ releasing well using LI-8100A until November 13, 2015, and $CO_2$ concentrations were measured once a day at 15cm, 30cm, and 60cm depths at every 0m, 1.5m, 2.5m, 5m, and 10m from the well using GA5000 until November 28, 2015. $CO_2$ flux at 0m from the well started increasing on the fifth day after $CO_2$ release started, and continued to increase until November 13 even though the artificial $CO_2$ release stopped. $CO_2$ fluxes measured at 2.5m, 5.0m, and 10m from the well were not significantly different with each other. On the other hand, soil $CO_2$ concentration was shown as 38.4% at 60cm depth at 0m from the well in Zone 3 on the next day after $CO_2$ release started. Soil $CO_2$ was horizontally spreaded overtime, and detected up to 5m away from the well in all zones until $CO_2$ release stopped. Also, soil $CO_2$ concentrations at 30cm and 60cm depths at 0m from the well were measured similarly as $50.6{\pm}25.4%$ and $55.3{\pm}25.6%$, respectively, followed by 30cm depth ($31.3{\pm}17.2%$) which was significantly lower than those measured at the other depths on the final day of $CO_2$ release period. Soil $CO_2$ concentrations at all depths in all zones were gradually decreased for about 1 month after $CO_2$ release stopped, but still higher than those of the first day after $CO_2$ release stared. In conclusion, the closer the distance from the well and the deeper the depth, the higher $CO_2$ fluxes and concentrations occurred. Also, long-term monitoring should be required because the leaked $CO_2$ gas can remains in the soil for a long time even if the leakage stopped.

인위적 CO2 누출에 따른 토양 CO2 플럭스와 농도의 시공간적 모니터링

CCS (Carbon Capture and Storage)는 공업용 자원이나 에너지 기반의 자원으로부터 $CO_2$를 포집하여 고갈 유 가스전, 석탄층, 바다, 심부 대염수층 등에 저장하는 기술이다. 그러나 잠재적인 $CO_2$ 누출은 환경문제를 유발할 수 있기 때문에 저심도에서 $CO_2$의 누출을 검출할 수 있는 모니터링 기술이 필요하다. 따라서 본 연구는 인위적인 $CO_2$ 누출실험을 통해 지표면 부근에서 토양 $CO_2$가 확산되는 경향을 분석하고자 실시하였다. 시험대상지 "The Environmental Impact Evaluation Test Facility (EIT)"는 2015년에 충북 음성군 대소면에 설치되었다. 총 5개의 구역 중 2, 3, 4구역에서 약 34 kg $CO_2$/day/zone의 $CO_2$를 2015년 10월 26일부터 30일까지 주입하였다. $CO_2$ 플럭스는 LI-8100A를 이용하여 3구역의 누출구로부터 0m, 1.5m, 2.5m, 10m 지점의 지표면에서 11월 13일까지 매 30분마다 측정하였으며, $CO_2$ 농도는 GA5000을 이용하여 3개 구역의 누출구로부터 0m, 2.5m, 5.0m, 10m 지점의 15cm, 30cm, 60cm 깊이에서 11월 28일까지 1일 1회 측정하였다. $CO_2$ 플럭스는 누출시작 5일 후에 누출구로부터 0m 지점에서 확인되었으며 누출이 종료된 이후에도 11월 13일까지 계속 증가하였다. 2.5m, 5.0m, 10m 지점의 $CO_2$플럭스 간에는 유의한 차이를 보이지 않았다. 한편, $CO_2$ 농도는 인위적인 $CO_2$ 누출이후 둘째 날에 3구역의 누출구로부터 0m 지점의 60cm 깊이에서 38.4%로 측정되었다. $CO_2$ 농도는 시간이 지날수록 수평적으로 더 넓게 확산되었으나, $CO_2$ 누출을 종료할 때까지 모든 구역에서 누출구로부터 5m 지점까지만 검출되었다. 또한, $CO_2$ 누출 마지막 날에 30cm와 60cm 깊이에서 $CO_2$ 농도는 각각 $50.6{\pm}25.4%$와 $55.3{\pm}25.6%$로 유사하게 측정되었으나, 15cm 깊이에서는 $31.3{\pm}17.2%$로 다른 지점에 비해 유의하게 낮은 것으로 나타났다. $CO_2$ 누출을 종료한 후 모든 구역의 모든 깊이에서 $CO_2$ 농도는 약 1달 동안 서서히 감소하였지만 누출 직후보다는 여전히 높았다. 결론적으로 누출구로부터 가깝고 깊이가 깊을수록 $CO_2$ 플럭스와 농도는 높은 것으로 나타났으며, 누출이 된 $CO_2$ 기체는 누출이 멈추더라도 장기간 토양 내에 잔류할 수 있기 때문에 장기 모니터링이 필요할 것으로 판단된다.