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기술동향
동향 기본정보
화석연료 암석구조에 관한 연구
동향 개요
| 기관명 | NDSL |
|---|---|
| 작성자 | KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 |
| 작성일자 | 2018-12-01 00:00:00.000 |
| 내용 | 전세계 에너지 공급의 원천이 되는 화석연료인 케로겐(Kerogen)은 암석 내부의 공극(pore space)의 크기와 연결 정도에 따라 연료 회수 잠재력이 달라진다. MIT 수석연구원인 Roland Pelleng 및 Franz-Josef Ulm박사와 프랑스국립과학연구센터(CNRS), 프랑스 Aix-Marseille UniversitE (AMU), 미국휴스턴 Shell Technology센터가 함께하는 국제공동연구팀은 처음으로 케로겐 내부 구조에 대한 3차원 이미지를 형성하는 데 성공했다. 이 이미지는 기존에 비해 50배 이상 정밀한 묘사를 제공해, 주어진 지형에서 회수 가능한 오일 및 가스량에 대한 정확한 예측을 가능하게 한다. 또한 석탄 및 오일연료 사용감축 움직임에 따라 대체 연료로 각광받고 있는 천연가스의 매장량 측정에 활용될 것으로 보인다. 본 연구논문은 Proceedings National Academy of Sciences(PNAS)에 게재되었다. 동 연구팀은 기존에 컴퓨터 시뮬레이션에 기반한 케로겐 기공구조에 대한 연구를 발표한 적이 있으며, 이번 연구에서는 새로운 3차원 이미지를 만들기 위해 1나노미터(10억분의 1미터)이하의 분해가 가능한 전자단층촬영(electron tomography)기법을 활용했다. 기존 케로겐 연구에서는 50나노미터 이하로 이미지화가 시도된 적이 없다. 화석연료는 죽은 식물과 같은 유기 물질이 묻혀 미립질 토사와 혼합되면서 형성된다. 이 혼합물이 깊숙이 매장되면서 수백만 년 동안 탄소기반 분자가 산재해있는 미네랄 매트릭스(mineral matrix)가 된다. 미네랄 매트릭스는 시간이 지남에 따라, 많은 열과 압력을 받아 복잡한 구조로 변형된다. Pelleng 박사는 열분해 과정에 산소와 수소를 조리(cooking)하는 과정이 포함되며 이를 통해 결과적으로 목탄을 얻게 된다고 설명했다. 그는 덧붙여, 그 과정에서 연료, 윤활유 및 화학 원료에 유용한 분자 그라데이션을 얻게 된다고 설명했다. 연구팀은 이번 연구를 통해 케로겐의 생성연대에 따라 나노 구조가 달라진다는 사실을 밝혀냈다. 상대적으로 미성숙한 케로겐은 훨씬 큰 기공을 가지지만 기공 사이에 연결이 드물어 연료를 추출하기가 어렵다. 이와 달리, 성숙한 케로겐은 더 작은 기공을 가지고 있는 경향이 있으나, 기공 간 연결이 많아 가스 혹은 오일이 쉽게 흐를 수 있는 구조를 가지고 있어 연료 추출이 용이하다. 동 연구는 또한 일반적으로 케로겐의 기공 크기가 너무 작기 때문에 유체가 다공성 물질을 통과하는 경로를 계산하는데 활용되는 표준유체역학방정식을 적용하기 어렵다는 것을 밝혀냈다. 이 같은 스케일에서 물질은 기공 벽과 밀접하게 접촉하기 때문에 벽과의 상호작용이 그 기공의 특성에 영향을 미친다. 따라서 연구팀은 유체 이동을 계산하는 새로운 방법을 개발해야 했다. 박사는 현재까지 나노스케일 이하의 기공에 적용 가능한 유체역학 방정식은 없다고 설명했다. 연구팀은 케로겐 구조의 세부 이미지를 얻기 위해 전자단층촬영을 활용했는데, 이는 현미경 내에서 작은 샘플을 회전시키면서 전자 빔이 샘플 구조를 탐침하여 연속적으로 단면도를 제공한다. 이렇게 얻은 단면도를 조합하여 기공 구조를 3차원으로 재구성하는 방식이다. 과학자들은 지난 몇 년간 이 방식을 활용해왔으나, 케로겐 구조에 적용하는 것은 이번이 처음이다. Pelleng 박사는 “이 새로운 나노스케일 단층촬영을 통해 탄화수소 분자가 실제로 암석 내부에 자리하고 있는지 확인이 가능하다”고 설명했다. 연구팀은 구조 이미지를 얻은 후 시뮬레이션의 정확성, 유속 계산 및 기계적 속성을 향상시키기 위해 구조분자 모델과 함께 이미지를 활용하였다. 이를 통해 석유 및 가스의 생산량이 줄어드는 원인 그리고 이러한 감소를 늦출 수 있는 새로운 방안을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 현재까지 연구팀은 세 지역에서 추출한 케로겐 샘플을 연구해왔으며, 이를 통해 케로겐의 성숙도와 기공 크기 및 기공 간 연결성 간에 강력한 상관관계가 있음을 발견했다. 연구팀은 앞으로 케로겐 추출 지역을 확장하여 특정 지역의 기공 구조를 예측하는 공식을 도출하는 연구를 지속할 예정이다. |
| 출처 | |
| 원문URL | http://click.ndsl.kr/servlet/OpenAPIDetailView?keyValue=03553784&target=TREND&cn=GTB2018004828 |
| 첨부파일 |
추가정보
| 과학기술표준분류 | |
|---|---|
| ICT 기술분류 | |
| 주제어 (키워드) | 1. 전자단층촬영,케로겐,화석연료,열분해과정,공극,미네랄 매트릭스,기공,다공성물질,유체역학방정식,탄화수소 분자 2. nanoscale tomography,hydrocarbon molecules,fossil fuels,kerogen,mineral matrix,normal hydrodynamic equations,subnanoscale pores |