• Investigation of the feasibility of carbon capture and storage (CCS) in basalt with review of the global studies on basaltic CO₂ storage

• The global research examined were classified into experimental/modeling/field demonstration.

• Usage of basalt as storage formation possesses distinctive advantages over conventional methods of CCS but must be carefully considered.

산업 혁명 이후 기술 발전의 가속화와 함께, 온실가스 배출량이 크게 증가하며 지구온난화가 가속화되고 있다(Chauhan et al., 2014; Desmet and Rossi-Hansberg, 2015; Houghton, 2005; Pörtner et al., 2022). 2022년 평균 기온은 1850년 대비 1.1도 상승하였고, 추후 2026년까지 1.5도 이상 상승할 확률이 50%로 예측되었다 (WMO, 2022). 지구온난화를 야기하는 원인 중 가장 큰 비중을 차지하는 CO₂의 배출은 대부분 화석연료의 소비에서 기인한다(Siddik et al., 2021). 이러한 화석연료 (액체 연료, 천연가스, 석탄 등)의 소비는 2050년까지 2020년 대비 각각 36.3%, 31.2%, 13.5% 증가할 것으로 예측되면서 (Nalley and LaRose, 2021), 전지구적 온실가스 배출량을 감축하기 위해 온실가스 배출권 거래제와 같은 정책과 신재생에너지 활용, 이산화탄소 포집·활용·저장(Carbon Capture Utilization and Storage, CCUS) 등의 연구가 활발히 수행중이다. CCUS는 대량의 CO₂ 생산지에서 발생한 CO₂를 포획한 뒤 활용(Utilization)과 저장(Storage)하는 기술로 구분된다. 이 중 이산화탄소 포집·저장(Carbon Capture and Storage, CCS)은 배출된 CO₂를 포집하여 지중에 저장하는 기술이다.

현재 유럽과 북미를 중심으로 65개의 영리적 목적의 CCS 시설이 가동 혹은 계획 상태이며, 그 숫자와 규모가 점진적으로 증가하고 있다 (Liu et al., 2018; Page et al., 2020; Rassool et al., 2020) (Figure 1). 이러한 세계적 추세에 따라, 국내 탄소중립 시나리오에서는 CCS기술로 2050년까지 최대 6천만 톤의 CO₂가 국내∙외 해양 지층에 저장될 것으로 전망하였다 (윤영기 et al., 2021). 이때 해외 저장소를 활용할 경우, 국내에서 발생한 CO₂를 포집하고 운반하는 과정에서 원거리 수송을 위한 CO₂ 수송 선박 및 인프라 관련 기술개발이 선행되어야 한다 (Kim et al., 2021). 또한, 산간지방이 많고 인구밀집도가 높아 CCS에 가용할 수 있는 육상 부지가 적은 국내 특성상, 대륙붕과 같은 국내 해저 지층 탐사를 통해 국내 저장소를 확보해야 할 필요성이 강조되고 있다 (Hong et al., 2005).

Figure 1. A portfolio of commercial CCS facilities in various power and industrial applications facilities. Size of circles is proportional to current CCS capacities. (Page et al., 2020)

기존 CO₂ 지중저장은 주로 염대수층, 석유·가스층, 석탄층을 대상으로 하여 진행되었으나 (Kim et al., 2021; Page et al., 2020), 최근에는 빠른 광물 포획 속도와 높은 사후안정성을 나타내는 현무암층 대상의 CO₂ 지중저장이 주목받고 있다. 현무암 CO₂ 지중저장은 현무암 등의 고철질 암석으로 구성된 지층에 CO₂가 용해된 물을 주입하여, 현무암-CO₂-물의 화학적 상호작용을 극대화시켜 탄산염 침전 속도를 가속화하는 CCS 기술이다. 이에 대한 현장 실증 프로젝트인 아이슬란드의 CarbFix Project, 미국의 Wallula Basalt Project 등이 성공적으로 완료됨에 따라 현무암층 CO₂ 지중저장의 실현가능성이 입증되었다 (Snæbjörnsdóttir et al., 2018; White et al., 2020). 본 연구에서는 현무암층 대상의 CO₂ 지중저장에 대한 국외선행 연구 사례들을 실험, 모델링, 현장 실증으로 분류하여 조사 및 분석한 후, 기술의 타당성을 검토함과 동시에 국내 CO₂ 저장소 확보에 기여할 수 있는 현장 실증연구의 수행 가능성으로 연결하고자 하였다.

주입된 이산화탄소는 저장층의 온도 및 압력 조건에 따라 기체(gaseous), 액체(liquid), 혹은 초임계(supercritical) 상으로 저장된다 (Handogo et al., 2022; Nakajima et al., 2014; Seevam et al., 2008). 특히, 초임계상 CO₂ (scCO₂)는 밀도가 주변 염수와 비슷하게 높아지기 때문에 부력의 영향을 상대적으로 적게 받으며, 따라서 좁은 공극 내 상대적으로 많은 양의 CO₂가 저장될 수 있는 장점이 있다. 하지만, 주입된 scCO₂는 저장층 내에서 수평 또는 수직으로 거동하면서 주변 온도 및 압력에 영향을 받으며, scCO₂의 상변화(phase change)가 발생할 수 있다. 주입층 환경의 변화와 scCO₂ 거동에 따라 CO₂는 이후 네 가지 기작으로 포획될 수 있다.

CO₂ 주입 후 순차적으로 발생하는 CO₂ 저장 기작은 (i) 지질구조/층서적 특성으로 인하여 저투수성 덮개암(low-permeability caprock) 하단 및 층서 경계에 물리적으로 포획되는 지질구조 포획(structural/stratigraphic trapping), (ii) 저장층 공극 내 모세관압(capillary pressure) 및 표면장력(interfacial tension)으로 인해 CO₂가 포획되는 잔류 포획(residual CO₂ trapping), (iii) CO₂가 주변 염수에 용해되며 저장되는 용해 포획(dissolution/solubility trapping), 그리고 (iv) CO₂가 용해된 염수 및 주변 매질과의 화학반응(용해 및 침전)으로 인한 탄산염암 광물의 2차 침전으로 발생하는 광물 포획(mineral/geochemical trapping)으로 구분할 수 있다 (Kelemen et al., 2019).

CO₂를 주입하는 저장층은 일반적으로 규산염암으로 구성된 퇴적층(silicate sedimentary formation)과 화산암 기원의 고철질/초고철질(mafic/ultramafic) 암석층으로 구분된다 (Raza et al., 2022). 규산염암 기원의 퇴적층과 화산암 기원의 화성암층은 광물학적인 차이로 인해 CO₂ 저장 소요 기간 및 총 저장량에 큰 차이가 나타난다. 퇴적분지에서는 주입된 CO₂의 대부분이 지질구조 포획과 잔류 포획 기작에 의해 고정되며, 용해 포획 기작에 의한 CO₂ 포획은 상대적으로 오랜 시간이 소요되고 기여도가 낮다. 최종적으로 광물 포획에 의한 지중 CO₂ 고정은 CO₂ 주입 후 최소 약 100년 이상의 기간이 요구된다. 반면, 대표적인 고철질/초고철질 암석층인 현무암층을 대상으로 CO₂를 주입할 경우, CO₂를 물에 용해시켜 주입하기 때문에 지질구조 포획 및 잔류 포획 기작의 기여도는 현저히 감소한다. 그러나 주입된 CO₂와 현무암 간 빠른 화학 반응 속도로 인해 주입 후 단기간에 광물 포획이 발생하며, 최대 2년 내 광물 포획 기작이 CO₂를 고정시키는 주된 기작으로 작용함이 확인되었다. 아이슬란드 CarbFix 프로젝트는 CO₂ 주입 이후 약 2개월 내 총 저장된 CO₂의 65% 이상이 광물 포획을 통해 저장 되었음을 보고한 바 있다 (Snæbjörnsdóttir et al., 2020).

2.1. 구조 포획

구조 포획은 저장층 내 염수 대비 밀도가 낮아 부력의 영향으로 인해 지표면 방향으로 상승하는 경향을 나타내는 CO₂의 특성과, 유체 흐름을 저지시키는 저투수성 지질학적 구조(덮개암 혹은 단층 구조; structural) 및 층서(stratigraphic)간 지질 특성의 물리적 차이를 활용한 CO₂ 포획 방법이다. 이 기작은 주입된 CO₂가 타 저장 기작을 통해 안정적으로 저장되기까지 CO₂를 저장층에 안정적으로 고립시키는 역할을 한다. 구조 포획 기작의 저장 효율은 주입층 상부에 존재하는 불투수성 지질구조(덮개암 및 단층)의 지질학적 특성에 기반하며, 불투수성 덮개암의 강도, 안정성, 및 차폐능(sealing capacity)에 따라 주입될 수 있는 CO₂의 양이 결정된다.

2.2. 잔류 포획

잔류 포획은 지층 내부 공극 구조에서 일어나는 포획 과정이며, 일반적으로 구조 포획과 함께 주입 초기부터 발생한다. 주입된 CO₂와 지중 공극수의 유동 특성 차이로 인해 CO₂가 주변 공극수를 치환하는 배수(drainage)과정이 발생하고, 이후 부력의 영향으로 CO₂는 수직 방향으로 상승하며, 이 과정에서 공극 내 CO₂가 주변 공극수에 의해 치환되는 흡입(imbibition)과정이 발생된다(Doughty, 2008). 배수와 흡입 과정은 암석과 지층의 수많은 공극 구조 내부에서 반복되며, 동시에 공극 규모의 모세관압 변화로 인해 상당량의 CO₂가 공극 내 방울 형태로 잔류하게 되는데, 이 과정을 잔류 포획으로 정의한다 (Krevor et al., 2011). 잔류 포획 기작은 지중저장 초기 CO₂ 저장률 및 저장 안정성에 매우 중요한 영향을 미친다 (Bachu and Bennion, 2008). 또한, 잔류 포획은 구조 포획에 비해 누출 위험성이 적은 CO₂ 저장을 촉진시키며, 연속적인 배수 및 흡입 과정을 통해 공극 내 방울 형태로 포획된 CO₂는 비표면적이 증가하여 용해 및 광물 포획 기작을 촉진시킨다.

2.3. 용해 포획

주입된 CO₂는 염수와의 밀도 차이로 인한 부력으로 상승하기 때문에, 초기 단계의 용해 포획은 덮개암 및 고립 구조 하단에서 집중적으로 발생한다. CO₂와 공극수가 접촉하는 부분에서 CO₂ 용해가 진행되면 CO₂-공극수의 혼합층이 생성되며, 이 혼합층의 밀도는 시간이 경과됨에 따라 최대 0.1 ~ 1 % 정도 증가할 수 있다 (Kneafsey and Pruess, 2010). 혼합층의 밀도가 증가함에 따라 확산의 영향 또한 증가하게 되어, 저장층 내 용해된 CO₂의 확산 속도(diffusive mixing)에 영향을 끼친다. 확산 순환이 활발해짐에 따라 CO₂가 공극수에 용해되며 혼합층이보다 두꺼워진다. 시간이 경과되며 두꺼워진 혼합층은 불안정해지고 이로 인해 대류(convection) 현상이 발생한다. 결론적으로, 용해 포획은 불투수층 하부에 구조 포획된 scCO₂의 용해를 촉진하여 저장 안정성을 향상시킴과 동시에 CO₂의 용해에 따라 탄산계를 형성시킨다. 형성된 탄산계는 H⁺ 및 HCO₃^- 이온으로 분해되거나 [1] 공극수에 존재하는 다른 양이온들과 반응하여 불용성 이온 종을 형성하며 [2~4], 해당 반응들은 추후 광물 포획이 일어날 수 있는 환경을 조성한다.

[1]$$C{O}_{2\left(aq\right)}+H_{2}O\leftrightarrow H^{+}+HC{O}^{-}$$

[2]$$C{a}^{2+}+C{O}_{2\left(aq\right)}+H_{2}O\leftrightarrow H^{+}+CaHC{O}_{3\left(aq\right)}$$

[3]$$N{a}^{+}+C{O}_{2\left(aq\right)}+H_{2}O\leftrightarrow H^{+}+NaHC{O}_{3\left(aq\right)}$$

[4]$$M{g}^{2+}+2C{O}_{2\left(aq\right)}+2H_{2}O\leftrightarrow 2H^{+}+Mg{\left(HC{O}_3\right)}_{2\left(aq\right)}$$

2.4. 광물 포획

광물 포획은 CO₂ 지중저장 기작 중 가장 오랜 시간이 소요되지만, 가장 높은 안정성을 나타내는 저장 기작이다. CO₂ 용해가 진행되면서 발생하는 pH 완충 작용으로 인해, 탄산(H₂CO₃), 중탄산염이온(HCO₃^-), 탄산염이온(CO₃^2-)이 포함된 탄산계가 생성된다. 해당 탄산계와 지중 광물의 화학반응을 통해 CO₂ 광물 포획이 일어난다. 이때 광물 포획에 의한 CO₂ 저장 속도는 저장층 내부의 온도, 압력, 수소이온농도(pH), 그리고 지중 광물의 종류에 따라 다르게 나타난다. 해당 조건들로 인해 광물 침전속도는 저장층마다 다양하게 나타나고, 특히, 규산염암기원 퇴적층에서의 광물 포획은 수십 년부터 수천 년까지 광범위한 기간에 걸쳐 일어난다 (Zhang and Song, 2014).

현무암을 비롯한 화성암 기원의 고철질/초고철질 암석층은 광물학적 조성 특성에 따라 2가 양이온(예: Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺)을 풍부하게 포함하고 있다. 이러한 암석층을 대상으로 하여 CO₂를 주입할 경우 CO₂를 물에 용해시켜 주입하는데, 이때 용해된 CO₂로 인해 탄산(H₂CO₃), 중탄산염이온(HCO₃^-), 탄산염이온(CO₃^2-)이 생성되며 이로 인해 pH가 낮아지면서 암석 내 양이온의 용출을 촉진시킨다. 양이온의 농도가 상승함에 따라, 방해석(CaCO₃), 백운석(CaMg(CO₃)₂) 및 마그네사이트(MgCO₃)와 같은 탄산염 광물 생성에 적합한 환경이 조성되어, 퇴적 분지와 달리 현무암층에서는 20 ~ 50 ℃의 지중 환경에서도 이례적으로 빠른 광물 침전이 가능하다 (Snæbjörnsdóttir et al., 2020). 하지만 고철질/초고철질 암석층의 광물학적 구성이 해당 분지의 기원 및 암석 종류에 따라 상당한 편차를 보이기 때문에, CO₂ 주입 후 암석층 내에서 광물 포획 및 화학반응의 속도는 저장환경마다 현저한 차이가 나타날 수 있다 (Kelemen et al., 2019).

현무암은 Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺와 같은 2가 양이온의 함량이 높고, 휘석 및 감람석 등 고철질 성분이 풍부한 광물의 조성을 보이며, 광물 포획에 유리한 공극 구조, 높은 반응성과 같은 특징을 가지고 있어 광물 탄산화(mineral carbonation) 기작을 통한 CO₂ 지중저장에 적절한 암석이다 (Snæbjörnsdóttir et al., 2020). 특히, 현무암은 다른 암석 대비 CO₂ 지중 광물화 잠재용량이 높고 (Xiong et al., 2017), 해양 지층과 대륙 지층 모두에서 광범위하게 분포하고 있으며 (Snæbjörnsdóttir et al., 2017; Takaya et al., 2013b), 광물 탄산화 속도가 빨라 누출 위험성이 낮다는 점에서 CO₂ 지중저장층으로서 주목받고 있다. 이러한 현무암의 여러 특성을 기반으로 하여, 현무암을 대상으로 하는 CO₂ 지중저장 연구 사례가 최근 증가하고 있다.

3.1. 현무암 특성

마그마는 불안정한 방사성 동위원소인 ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Tr, ⁴⁰K 등이 붕괴하면서 방출되는 열 에너지에 의해 지구 내부의 암석이 융해되어 형성된다. 형성된 마그마 중 일부가 지표부근으로 상승하면서 해당 지역의 온도 구배에 따라 냉각되고, 규산염, 산화물 및 황화물 등의 광물이 형성된다 (Cilek, 2009; Cox, 2013; Gill and Fitton, 2022). 형성된 화성암은 관입암 또는 심성암 및 화산암으로 분류되는데 (Gill and Fitton, 2022), 이 중 현무암은 흑색 또는 암회색의 고철질/초고철질 화산암으로서, 화성암 중 해양 지각에 가장 풍부한 암석이다.

현무암은 어두운 색을 띠는 세립질의 화성암으로 45 ~ 85 %의 고철질 광물을 포함하고 있다 (Farooqui et al., 2009). 현무암은 대륙성 현무암 범람지대(continental flood basalts), 거대 화성암 지대(large igneous province), 해대(oceanic plateau) 등지에서 광범위하고 두껍게 분포하며, 마그마 분출에 의해 형성된 대륙성 현무암 범람지대는 형성 후 분출된 용암이 냉각되는 동안 내부에 균열이 형성되므로 암석의 공극률과 투수율이 높아 적합한 CO₂ 저장소로 고려되고 있다 (McGrail et al., 2003). 해대와 같은 해저 현무암 지대 또한 거대한 CO₂ 잠재저장용량을 가지고 있기 때문에 적합한 저장소로 인식되고 있다(Goldberg et al., 2018; Marieni et al., 2013).

3.2. 현무암층 CO₂ 지중저장 기작과 영향 요인

화성암층 대상 CO₂ 주입의 주요 목적은 포집된 이산화탄소와 화성암을 반응시켜 주입된 CO₂를 안정적인 탄산염 광물로서 고정시키는 것이며, 광물화 속도가 빠르고 유출의 위험성이 낮다는 점에서 퇴적층에서의 CO₂ 지중저장과 차별되는 장점이 존재한다. 특히, 현무암의 경우 2가 양이온이 풍부하고 반응성이 높아 CO₂ 주입 이후 2년 내에 CO₂의 95% 이상이 광물로 고정된다. 또한, CO₂ 지중 광물화에 요구되는 온도와 압력 조건이 퇴적층에 비해 낮기 때문에, 저장대상층의 심도가 얕아도 CO₂ 저장이 가능하다.

현무암에 주입되는 용해된 CO₂(aq)는 탄산(H₂CO₃), 중탄산염이온(HCO₃^-), 탄산염이온(CO₃^2-)을 포함하는 탄산계를 생성한다 [5]. 형성된 탄산으로 인해 지층수의 pH가 낮아지고 현무암을 구성하는 광물들의 양이온(Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺)이 공극수로 침출된다 [6~9]. 해당 양이온들은 이후 CO₂(aq)와 반응하여 탄산염 광물을 생성한다 [10](Raza et al., 2022) (Figure 2).

Figure 2. Following carbon molecules through the injection of CO₂ saturated fluid and mineralization process. (Sandalow et al., 2021)

[5]$$C{O}_{2\left(g\right)}+H_{2}O\leftrightarrow H_{2}C{O}_3\leftrightarrow HC{O}_3^{-}+H^{+}\leftrightarrow C{O}_3^{2-}+H^{+}$$

[6]$$BasalticGlass+x{H}^{+}\to C{a}^{2+}+M{g}^{2+}+F{e}^{2+}+\mathrm{...}$$

[7]$$M{g}_{2}Si{O}_4+4H^{+}\to 2M{g}^{2+}+2H_{2}O+Si{O}_{2\left(aq\right)}$$

[8]$$MgCaS{i}_2{O}_6+4H^{+}\to C{a}^{2+}+M{g}^{2+}+2H_{2}O+2Si{O}_{2\left(aq\right)}$$

[9]$$CaA{1}_{2}S{i}_2{O}_8+8H^{+}\to C{a}^{2+}+2A{1}^{3+}+2Si{O}_{2\left(aq\right)}+4H_{2}O$$

[10]$${\left(Ca,Mg,Fe\right)}^{2+}+C{O}_2+H_{2}O\to \left(Ca,Mg,Fe\right)C{O}_3+2H^{+}$$

CO₂(aq)와 현무암 양이온의 상호작용을 통해 생성될 수 있는 광물은 방해석(CaCO₃), 백운석(CaMg(CO₃)²), 능고토석(MgCO₃), 능철석(FeCO₃) 및 앙케르석(Ca(Fe,Mg,Mn)(CO₃)²)을 포함한 탄산염 광물이다. 해당 상호작용은 현무암의 광물 조성, 열역학적 안정성, 그리고 주입 첨가물을 포함한 다양한 요인들에 의해 결정된다. 한 예로, 지중 온도 차이만으로도 현무암 용해 속도(Vs)는 log Vs = –14.35 ~ –13.79 (mol/cm²∙s)까지 변할 수 있다 (Brady and Gíslason, 1997). 이 외에도, 점토 광물, 수산화물(hydroxide) 및 제올라이트(zeolite) 등이 침전될 수 있는데, 이와 같은 광물들의 침전은 CO₂의 총 저장량을 감소시킬 수 있다(Aradóttir et al., 2011).

3.3. 국외 연구 사례

3.3.1. 실험실 연구

현무암 내 CO₂ 주입에 따른 다양한 화학반응을 이해하고 저장 가능성을 평가하기 위해 많은 실험 연구가 수행되었다. 특히, 실험 연구의 경우 회분식 반응기(batch reactor)를 사용한 사례가 다수인 것으로 나타났으며, 그 외에도 초음파 펄스 시험(ultrasonic pulse test), 삼축 압축 시험(triaxial chamber), 접촉각(contact angle) 측정 등 각 연구 목적에 적합한 다양한 실험 방법들이 활용되었다. 실험 조건은 크게 실험 방법, 반응 온도 및 압력, 반응 시간, 반응 유체 네 가지로 나누어 볼 수 있으며, 동일 실험 내에서도 실험 조건을 상이하게 설정해줌으로써 변화되는 결과를 비교 및 분석하였다.

회분식 반응기법(batch reactor method)이란, 화학반응을 진행시키기 위해 사용하는 반응기법 중 하나로서, 시료를 첨가한 후 목적을 달성할 때까지 반응을 지속시키는 방식이다 (Keskin et al., 2019). 주로 온도, 압력을 포함하는 다양한 조건 하에서 유체와 시료 간 반응을 알아보기 위해 사용된다 (Smith et al., 2013). 현재 CO₂와 현무암 간 반응을 연구하기 위해 회분식 반응을 활용한 실험이 다방면으로 이루어지고 있으며, 연구 사례별 실험조건을 Table 1에 정리하였다.

Table 1 . Studies using batch reactors method on CO2-Basalt interactions under different conditions.

Reference	Temp. (°C)	Pressure (MPa)	Time	Aqueous Solution	Carbonate Precipitation	Sample Type	Remarks
Giammar et al. (2005)	30 – 95	0.1 and 10	629 h	1) DIH2O 2) MgCl2+NaHCO3	Magnesite	Powder	- CO2 과포화 상태에서도 마그네사이트의 침전이 관찰되지 않음.
McGrail et al. (2009)	50	10.34	95 days	Water	Calcite	Core	- 현무암 표면과 CO2 충진수 사이의 반응 - 불순물 첨가로 인한 반응성의 변화
Schaef et al. (2009)	60 and 100	≥10.3	1351 days	Water and H2S	Calcite, rhodochrosite	Powder	- 공통된 광물을 가진 여러 지역의 현무암을 대상으로 수행한 단일 통과 흐름용해 실험에서 유사한 양이온의 방출을 확인하였으나, 장기 침전 실험에서는 침전 속도와 침전물의 조성 및 형태에서 차이가 발생함을 확인.
Schaef et al. (2010)	100	8.9	≤ 4 years	Water	Magnesite, Manganese, Siderite	Powder	- 장기간의 현무암-CO2 반응에서, 현무암 조성이 동일하더라도 침전 반응의 결과는 상이함을 확인.
Wolff-Boenisch et al. (2011)	25	0.4	102 – 601 h	Seawater	Alluminosilicate	Powder	- 고철질 암석에서 침전 반응의 속도는 다양하게 나타남.
Gysi and Stefánsson (2012)	40	0.1	260 days	1) DIH2O 2) DIH2O+0.5% HNO3	Siderite, Ankerite	Powder	- 저온에서 CO2 농도 및 pH 변화에 따른 점토광물과 탄산염과 경쟁 반응
Rosenbauer et al. (2012)	50 – 200	30	4300 h	NaCl brine	Magnesite	Powder	- 고온∙고압 실험을 통해 현무암의 높은 반응성 확인. - 현무암 내 M g 함량은 CO2 저장량에 비례함.
Takaya et al. (2015)	50	1	56 days	Seawater	Calcite	Powder	- 저연령 현무암과 응회암을 대상으로 CO2 용해 포획 및 광물 포획의 잠재성을 평가
Hellevang et al. (2017)	80 – 150	0.1 – 1.0	≤ 260 days	1 M HCl + Pure water	Smectite, Ca,Mg,Fecarbonate	Powder	- 온도, pH, CO2 분압, 배경수질의 금속 이온 구성 등에 따른 2가 금속 이온의 경쟁 반응을 분석하고, 탄산염 침전에 미치는 영향을 평가함.
Adeoye et al. (2017)	45 and 100	10	6 weeks	1.2 mM NaHCO3 and 13.8 mM of NaCl	Magnesite, Calcite	Powder	- 균열이 발달한 사문석 및 변질되지 않은 현무암과 CO2간의 화학적 상호작용을 연구
Kanakiya et al. (2017)	100	4.5 – 5.5	140 days	-	Ankerites	Powder	- 지화학 조성은 유사하나 공극 구조가 상이한 현무암 대상 실험을 수행하여 침전 반응 이후 암석의 특성 변화 관찰
Kumar et al. (2017)	100	0.5 and 1	100 h	Water	Aragonite, Calcite, hunite, Ankerite	Powder	- 다양한 광물 조성의 현무암에 대한 반응 실험을 통해 침전되는 2차 광물과 CO2-물-현무암 반응의 제어 인자를 규명.
Xiong et al. (2018)	100	10	≤ 40 weeks	DIH2O	Calcite, Ankerite	Core	- CT 스캐닝 기법을 통해 코어 샘플 내 포획된 광물의 정량화 및 침전되는 탄산염의 위치와 종류 분석
Clark et al. (2019)	50	8	66 days	Water	Ankerite, Calcite, Dolomite, Siderite	Powder	- 반응 시 초기 CO2 분압 및 pH의 중요성 확인. - 카올리나이트, 제올라이트의 형성에 의한 저장 용량 감소 가능성 확인.
Hellevang et al. (2019)	80	0.1	20 days	Seawater	Calcite	Core	- 2차 광물 침전의 공간적 분포에 대한 분석 결과, 불규칙한 분포가 나타남을 확인. - 결정의 성장 분포와 전체적인 kinetic에 대한 정확한 분석을 위해서는 새로운 확률론적 접근 방식이 필요함을 강조.
Marieni et al. (2020)	40	0.24	20 days	Seawater	-	Powder	- CO2 포화 해수 반응 실험을 통해 현무암과 반려암의 용해 반응 데이터 도출
Phukan et al. (2021)	60	8	12 weeks	DIH2O	Siderite	Powder	- 심부 환경에서 CO2가 풍부한 물과 균열 구조의 반응 시 발생하는 광물 침전의 특성 파악
Voigt et al. (2021)	130	0.25	7 months	Seawater	Aluminosilicate	Powder	- 결정핵 첨가 해수 등 여러 반응성 유체를 활용하여 CO2 충진 해수에 대한 광물 침전 반응을 진행한 결과, 방해석 결정핵의 첨가 및 높은 CO2 분압이 광물 침전에 유리한 조건임을 확인.
Ji et al. (2022)	200	0.1	7 h	0.3 M MgCl2 and 0.3 M Na2CO3	Magnesite	Powder	- 산성도, 전해질, 나노입자 등 다양한 조건에 따른 반응 실험을 통해 마그네 사이트의 효과적인 침전 메커니즘과 화학반응 속도를 분석하였고, 약산성 염수가 마그네사이트의 침전에 유리함을 확인.

Table 1에 따르면, 각 연구별 목적에 따라 실험 조건과 방법이 매우 상이한 것으로 나타났다. 온도의 경우 약 20 ℃에서 250 ℃에 이르는 넓은 범위에서 적용되었으나, 대체로 약 50 ℃ 이상의 조건에서 실험이 수행되었다. 압력 조건은 대기압에서부터 30 MPa까지의 범위로 수행된 것으로 나타났으나 대부분은 10 MPa 내외의 조건에서 적용되었다. 암석-유체 간 반응 시간은 적게는 수 시간에서 길게는 4년까지 나타났으며, 최소 한 달 이상의 장기간에 걸쳐 실험이 수행된 사례가 다수 존재했다. 반응 유체 및 실험 결과 침전된 탄산염의 종류 등을 포함한 각 연구 사례별 실험 조건과 내용은 매우 상이하므로, 각 연구의 목적과 내용을 면밀히 파악하는 것이 요구된다.

Giammar et al. (2005)는 고온‧고압 환경 하에서 초임계 CO₂의 존재 시 물과 고토감람석(forsterite) 간 상호작용을 분석하였다. 광물의 과포화 상태에서도 마그네사이트(magnesite)의 침전이 관찰되지 않았다는 점이 특징적이다. McGrail et al. (2009)에서는 현무암, CO₂가 충진된 물, H₂S 등을 Parr reactor vessel에서 반응시켰을 때, CO₂ 지중저장이 수행될 수 있는 지질환경 조건에서 현무암 표면과 CO₂ 충진수 사이에 반응이 활발하게 나타나는 것을 확인했으며, 또한 H₂S와 같은 불순물이 반응성을 변화시키는 것을 확인하였다. Schaef et al. (2010)는 고온‧고압 및 초임계 CO₂ 조건에서 정적(static) 실험을 장기간 수행하였을 때 현무암이 CO₂-H₂O 및 CO₂-H₂S-H₂O와 반응하여 발생되는 지화학적 반응을 평가하였다. 해당 연구에서는 현무암-유체 간 반응을 최대 4년까지 장기간 관찰했다는 점이 특징적이며, 이를 통해 현무암 광물 조성이 유사하더라도 침전물의 조성 및 형태, 광물화 속도에 상당한 차이가 발생함을 확인하였다. Wolff-Boenisch et al. (2011)는 25 ℃에서 결정질 현무암 및 감람석과 해수 및 기타 유체의 화학적 상호작용을 밝히는 실험을 수행하였다. 이때 현무암과 감람석의 반응 속도가 다르게 나타났기 때문에, 고철질 암석 간에도 반응속도가 다양하게 분포할 수 있음을 밝혔다. Gysi and Stefánsson (2012)은 저온 환경에서의 CO₂ 격리 가능성 및 관련 지화학 반응을 평가하기 위해 유리질 현무암(basaltic glass)-물-CO₂를 대상으로 회분식 반응 실험을 수행하였다. 연구 결과, 저온에서의 CO₂ 농도 변화가 현무암-물-CO₂ 반응 결과의 차이를 야기하고, pH 조건에 따른 점토광물과 탄산염간 경쟁 반응이 CO₂ 광물화를 저하시킬 수 있음을 밝혔다.

Takaya et al. (2015)는 연령이 낮은 현무암과 응회암을 대상으로 CO₂-물-암석 간 상호작용 실험을 수행하여, 암석 별 용해 특성 및 용해 포획과 광물 포획의 잠재성을 평가하였다. 현무암에서는 규산염 광물의 용해가 빠르게 나타났고, 응회암에서는 탄산염 광물의 용해 및 제올라이트(zeolite) 광물과의 이온교환 반응으로 인해 응회암의 용해 포획 잠재성이 높게 나타났다. Hellevang et al. (2017)은 온도, pH, CO₂ 분압, 배경수질의 금속 이온 구성 등에 따른 2가 금속 이온의 경쟁 반응을 분석하고, 탄산염 침전에 미치는 영향을 평가하였다. 모든 실험 조건에서 스멕타이트(smectite)의 침전이 CO₂ 투과성과 주입성을 저하시켰으며, 또한 Mg-와 Fe-탄산염암의 침전을 억제시키는 것을 확인하였다 (Figure 3). Adeoye et al. (2017)는 균열이 발달한 사문석(serpentine)과 변질되지 않은 현무암과 CO₂의 화학적 상호작용을 연구하기 위해 45 ℃ 및 10 MPa 환경에서 회분식 반응 실험을 수행하였다. 총 6주 동안 수행된 반응을 관찰하며 고온 조건이 광물 용해 및 탄산화 작용에 끼치는 영향을 분석하였다. Kanakiya et al. (2017)는 지화학 조성은 유사하나 공극 구조가 상이한 현무암을 대상으로 CO₂-H₂O-현무암 회분식 실험을 수행하였다. 이를 통해, 광물 탄산화가 공극률, 투수율 등 암석의 물리적 및 지화학적 특성에 미치는 영향을 평가하였다. Kumar et al. (2017)은 휘석(pyroxene)과 감람석(olivine), 사장석(plagioclase)의 반응속도를 판별하기 위해 여러 현무암 표본을 활용하여 CO₂-물-현무암 반응 실험을 진행하였고, 석회암(calcite), 아라고나이트(aragonite), 능철석(siderite) 및 2차 광물의 침전을 관측하였다. 이를 통해, CO₂-물-현무암 반응에서 시간이 가장 중요한 인자이며, pCO₂, pH, 온도가 부차적인 인자임을 확인하였다. Xiong et al. (2018)는 CT 스캐닝 기술을 활용하여, 다공성 현무암 코어 샘플 내 광물 포획을 정량화하고, 공극 및 균열 구조 내 탄산염 침전 위치를 확인하고 침전된 탄산염의 종류를 식별하고자 하였다. 실험을 통해, 탄산염은 수 주 이내에 공극 내 불규칙하게 침전됨을 관찰하였으며, 동일 실험 조건을 가정할 경우 모든 현무암 공극에 탄산염이 침전되기까지 총 38년이 소요될 것을 예측하였다.

Figure 3. SEM micrograph showing the formation of a carbonate phase, smectite, and a fine grained microcrystalline or amorphous phase for experiments 4,5 conducted at 80°C for 26 days. (a) Experiments 4 at pH 9.36, (b) Experiments 5 at pH 9.95, (c) Smectite growth at Experiment 4, (d) Calcite crystal at Experiments 5. Cal = calcite. (Hellevang et al., 2017)

Marieni et al. (2020)는 CO₂가 포화된 해수와의 반응실험을 통해 현무암과 오피오라이트(ophiolite) 기원의 반려암(gabbro) 용해 반응 데이터를 제공하였다. Phukan et al. (2021)는 CO₂가 풍부한 물이 균열 또는 절리와 반응한다는 가정 하에 800 m 이하의 심부 환경에서 광물 침전의 특성을 이해하고자 하였다. 실험 결과 현무암 표면에 규산염 광물이 상당량 침전되었으며, 이를 통해 CO₂ 누출 경로가 자발적으로 폐쇄될 수 있음을 보고한 바 있다. Voigt et al. (2021)는 해수, 인공 합성된 해수, 방해석 결정핵(seed crystal)이 첨가된 해수와 같은 여러 반응성유체와 아이슬란드 기원의 현무암 파우더 샘플을 다양한 조건 하에서 반응시켰다. 이를 통해 CO₂가 충진된 해수의 지중 광물화 잠재성을 평가하고자 하였다. 연구 결과, 방해석 결정핵이 첨가된 경우 CO₂의 광물화가 가속화되었으며, 높은 CO₂ 분압에서 마그네사이트가 우세하게 형성되고 주입성(well-injectivity)을 저하시킬 수 있는 2차 광물인 스멕타이트(Smectite)의 생성이 억제됨을 보고한 바 있다. Ji et al. (2022)는 MgCl2와 Na2CO₃ 수용액을 산성도, 전해질, 나노입자 등과 같은 다양한 조건에서 반응시킴으로써, 화학적 안정성이 매우 큰 마그네사이트의 효과적인 침전 메커니즘과 화학반응 속도(kinetics)를 분석하였다. 이를 통해, 마그네사이트 침전에 영향을 주는 반응 유체에 대한 정보를 제공하고자 하였다. 그 결과, 약산성 유체는 마그네사이트의 형성을 촉진하며, 유체의 성분에 염분이 많을수록 마그네사이트 침전이 빠르게 나타나는 것을 확인하였다.

3.3.2. 모델링 연구

실험 연구와 마찬가지로, 현무암 내 CO₂ 주입에 따른 다양한 화학반응 및 현상을 이해하기 위해 Table 2와 같은 모델링 연구가 수행되었다. Van Pham et al. (2012)은 2가 금속 이온 함량이 높은 대륙성 범람 현무암(continental flood basalt)을 대상으로 연구를 수행하였다. 물과 CO₂의 함량 및 온도에 따른 현무암의 반응을 실험하고, PHREEQC 코드와 지화학데이터베이스를 활용하여 모델링을 수행하였다. 모델링 결과, CO₂ 함량과 온도에 따라 침전되는 탄산염의 종류와 반응속도가 상이함을 확인하였다. Menefee et al. (2017)는 현무암 내 광물의 공간적 분포와 주입된 CO₂의 이류(advection) 및 확산(diffusion)에 따른 광물 탄산화 반응 정도를 평가하였다. 다화학종 반응이동(reactive transport) 수치 모사 코드인 CrunchTope를 활용하여 이류 및 확산 모델을 구축하였다. 이를 통해, 현무암 내 소규모 불균질성은 광물 탄산화에 큰 영향을 미치지 않음을 확인했지만, 유동속도 인자인 확산과 이류가 광물 탄산화 반응을 결정하는 주요 조건이 될 수 있음을 확인하였다.

Table 2 . Studies using modeling method on CO2-Basalt interactions under different conditions.

Reference	Temp. (°C)	Pressure (MPa)	Time	Aqueous Solution	Carbonate Precipitation
Van Pham et al. (2012)	40 – 100	10	10,000 yrs	Pure water	Magnesite
Menefee et al. (2017)	100	10	6 weeks	Water	Calcite, Magnesite, Siderite
Snæbjörnsdóttir et al. (2018)	35	-	400 days	Formation water	Calcite
Liu et al. (2019)	100	10	40 weeks	Formation water	Calcite, Magnesite, Siderite
Marieni et al. (2021)	25 – 260	-	-	Freshwater, Seawater, Formation water	Ankerite, Calcite, Aragonite
Utomo and Güleç (2021)	200	25	10 years	Brine	Calcite
Wu et al. (2021)	7.5	33	10 years	Brine	Calcite, Montmorillonite
Erol et al. (2022)	220	12.8	17 years	Water	Ankerite
Liu et al. (2022)	57	7.55	140 days	Formation water	Ankerite, Siderite, Calcite

아이슬란드 CarbFix 프로젝트에서는 175톤의 CO₂를 현무암 분지에 주입 후 모니터링을 실시하였고, PHREEQC를 활용한 반응 경로 모델링(reactive path modeling)을 통해 CO₂ 주입 전후 CO₂-물-현무암 반응속도를 규명하고자 하였다 (Snæbjörnsdóttir et al., 2018). 특히, 주입된 CO₂ 대부분이 안정적인 느린 속도의 유동 환경에서 400일 이내에 광물화 되었으며, pH와 CO₂ 분압에 따라 저장 효율이 달라짐을 확인하였다. Liu et al. (2019)는 현무암 코어와 현장 규모의 공극 및 균열 구조 내에서 CO₂ 탄산화 분포와 저장 효율을 평가하기 위한 모델링을 실시하였다. 정적(static) 회분식 반응 실험과 마이크로 CT 촬영분석 결과를 기반으로 TOUGHREACT를 사용하여 모델링 검증을 수행하였다. 연구 결과, 비변질성 현무암(nonaltered basalt)이 변질된 현무암보다 높은 효율의 광물 탄산화 반응을 나타냈다. 특히, 비변질성 현무암의 광물 탄산화 반응은 CO₂ 주입속도에 큰 영향을 받으므로 CO₂ 주입률은 현무암의 변질 여부에 따라 신중하게 선정되어야 함을 강조하였다. Marieni et al. (2021)는 PHREEQC 기반의 반응 경로 모델링을 통해 현무암에서의 CO₂ 및 H₂S 광물화 반응 속도를 계산하고 CO₂-해수 주입용액의 잠재성을 평가하였다. 특히, 높은 온도 조건의 CO₂-해수 주입 시 2차 광물의 침전이 탄산염 침전을 저하시킬 수 있기 때문에, CO₂-해수 시스템에서 가장 효율적인 탄산화는 150 ℃ 미만에서 이루어진다는 것을 확인하였다. Utomo and Güleç (2021)는 PHREEQC를 사용하여 인도네시아 현무암질 용암으로 구성된 웅가란 지열 저류암(The Ungaran geothermal reservoir)을 대상으로 CO₂-염수 간 상호작용을 모사하였다. 모델링을 통해 초기 단계에서의 용해 포획 효과, 주입으로부터 30일 이후 용해 포획에서 광물 포획으로의 점진적 전환, 주입 후 10년 이내 CO₂-염수-암석 간 평형 달성 등을 확인하였다. Wu et al. (2021)는 균열 구조내 다상 유체 흐름의 불확실성과 광물화 작용 간의 피드백을 이해하고자 하였다. 균열구조를 포함하는 현무암 내 CO₂ 거동 및 광물화 반응으로 변화되는 공극률, 투수율, 유체 이동성을 ECO₂N/TOUGHREACT로 분석하였다. 연구 결과, 균열망(fracture network) 특성화 기술의 필요성, 광물의 핵(nucleation) 생성 및 성장과정에 대한 깊은 이해, CO₂ 포획에 영향을 미치는 균열분포와 광물화 패턴 간의 관계에 대한 이해가 필요함을 강조하였다. Erol et al. (2022)는 CO₂-유체 혼합물이 심부 변성암으로 구성된 터키 서부 지열 저장소의 대리암, 편암에 주입됐을 때 나타나는 영향을 CarbFix 프로젝트에서 수행된 현무암질 지열 저류암 조성의 헬리셰이디(Hellisheiði) 지열발전소와 대비하여 분석하였다 (Figure 4). 이를 위해 PHREEQC와 EOS2/TOUGHREACT 반응성 거동 모델링을 수행하였으며, 여러 시나리오를 통해 유체-암석간 상호작용을 조사하고, CO₂ 충진 유체의 최대 주입량과 고온 환경인 지열 저류암에서 발생하는 광물화 과정을 식별하였다. 100 ℃ 부근의 온도 조건에서 석영의 용해 및 침전이 주입정 부근의 공극률 변화에 미치는 영향을 분석하였고, 100 ℃ 미만의 환경에서 주입정을 통한 비정질 규산염의 침전이 나타나므로 CO₂ 주입 시 100 ~ 110 ℃의 온도 조건이 적절하다고 보고하였다. 또한, 암석의 광물 함량, pH 변화 및 유체의 온도가 광물 탄산화에 상당한 영향을 미친다는 것을 확인하였다. Liu et al. (2022)는 인도 데칸 현무암(The Deccan basalt)의 CO₂ 광물화 효율을 평가하기 위해 반응 이동 모델을 구축하였다. 주입된 CO₂의 50 % 이상이 140일 이내에 광물화 되었으며, CO₂ 주입률에 따른 광물화 효율과 압력 증가에 대한 분석을 통해 광물 탄산화 효율 향상 및 안정성을 확보하기 위해서는 CO₂ 주입량이 정밀하게 설계되어야함을 강조하였다.

Figure 4. Illustration of the numerical models. (a) The large-scale model consists of the geothermal site domain (b) The localized model in which the pilot CO₂ injection well-G_inj and the nearby wells are shown. (Erol et al., 2022)

3.3.3. 현장 실증 연구

3.3.3.1. Wallula Basalt Project

미국 워싱턴주 월루라시에서 진행된 Wallula Basalt Project는 대륙 범람 현무암(컬럼비아 강 현무암 그룹; Columbia River Basalt Group)을 대상으로 수행된 최초의 현무암 대상 CO₂ 저장 실증 프로젝트이다. 해당 프로젝트는 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소(Pacific Northwest National Laboratory)가 주도하였으며, 워싱턴주 월루라시 근방의 컬럼비아 강 현무암 지대에 총 977톤의 CO₂를 1,219 m 깊이의 저장층에 주입하였다. 주입은 2013년 7월부터 2013년 8월까지 진행되었으며, 주입 전 (2012년) 및 주입 후 (2015년) 관정과 주입정 관측자료를 분석 및 비교∙평가하였다. 이 외에도 2017년에 측면 코어링(sidewall core) 획득 후 코어 분석을 실시하였으며, 2020년에는 저장층 내 CO₂ 광물화에 대한 반응성 거동 수치 모델링이 진행되었다 (White et al., 2020) (Figure 5). White et al. (2020)는 CO₂ 주입 2년 후 월루라 암석의 코어 분석을 실시하였다. 본 연구로부터 2년 동안 주입된 CO₂의 약 60 %가 광물화 되었으며, 이로 인해 침전되는 탄산염 광물은 전체 저장 공간의 약 4 %를 차지한다고 보고한바 있다. Wallula Basalt Project에서는 주입하는 CO₂의 14C 동위원소 비를 지층수(formation water)의 동위원소비보다 높게 주입하는 방식을 통해 CO₂ 주입 이후의 모니터링을 수행하였다. CO₂ 주입 과정 이후로, Boise system well flush water - CO₂ 주입 전의 지층수 - 주입된 CO₂ 샘플 - 주입 이후 water 샘플 등의 탄소 동위원소 비를 비교∙분석하여 CO₂의 지화학적 반응 여부를 파악하였다. 주입한 유체의 샘플을 추출하여 화학적 분석을 수행한 결과, Ca, Mg, Fe, Mn 등 금속 양이온 농도가 10~1000배 안팎으로 증가한 것을 확인하였다 (McGrail et al., 2014).

Figure 5. A stratigraphic structure diagram of Wallula Basalt project injecting site. (White et al., 2020)

3.3.3.2. CarbFix and CarbFix2 Project

아이슬란드의 CarbFix 프로젝트는 헤잉기들(Hengill) 활화산 지대에 위치한 현무암 분지를 대상으로 하는 CO₂ 지중저장 현장 실증 사업으로서, 향후 상업적 사업 규모로 확장을 목표하고 있는 프로젝트이다. 아이슬란드는 대부분 현무암으로 구성되어 있어 CO₂ 지중저장시 대표적인 주입층으로 고려되는 퇴적 분지가 존재하지 않으며, 2007년부터 현무암 대상의 소규모 CO₂ 지중저장 실증 사업을 위한 사전 현장 분석, 실험실 연구 (암석 시료의 지화학적 분석), 수치 모델링, 자연 유사 연구(natural analogue study), 모니터링 등의 연구가 수행되었다 (Gíslason et al., 2018). 이후 2011년에는 두 차례에 걸쳐 175톤의 CO₂ 및 73톤의 CO₂-H₂S 혼합물(75:25의 비율)이 주입되었고, 주입 후 2년 내에 주입된 CO₂의 약 95 %가 광물화 된 것을 확인하였다 (Matter et al., 2016). 성공적인 소규모 주입 실증 사업 이후 2014년에는 CarbFix2 프로젝트가 착수되었다. CarbFix2 프로젝트는 헬리셰이디 지열발전소(Hellisheiði Geothermal Power Plant)와의 연계를 통해, 배출된 CO₂ 및 H₂S에 대한 포집 및 용해, 지열 염수와의 혼합 과정을 수행하고, 그 후 상당한 양의 용해성 불순물이 포함된 CO₂ 가스 혼합물을 인근 현무암 분지(Husmuli re-injection zone)에 저장시키는 첫 성공 사례가 되었다 (Ratouis et al., 2022) (Figure 6). Alfredsson et al. (2013)는 헬리셰이디 지역의 현장 특성화 연구를 수행하였다. 암석 샘플로부터 층서적 분석, 광물 조성 분석(XRD 분석), 샘플 50개 원소 비율 산출(XRF 분석), 수화학적 분석, 원소 분석, 적정 분석(titration), 이온 크로마토그래피 분석, 초미량 원소 검출(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy 및 Inductively Coupled Plasma Sector Field Mass Spectrometry)과 같은 분석을 수행하였다. 연구 결과, 현무암 지대 피압대수층에는 2가 금속 이온(Ca²⁺, Mg²⁺)이 풍부하게 용존되어 있음을 확인하였고, 이에 따라 현무암 분지에 대한 높은 CO₂ 지중저장 가능성을 제시하였다. Callow et al. (2018)는 3D X-ray Micro-CT 기술을 활용하여 공극 구조의 구현 (2000 × 2000 픽셀), 부피 분석 및 공극 네트워크 모델링, 절대투수율을 계산하였다. 또한, 시추된 코어의 삼축 압축 시험을 통해, 암층 내부 소규모 공극(vesicle) 연결 구조로 인해 수직 방향 절대투수율이 높은 것을 확인하였다. Ratouis et al. (2022)는 TOUGH2를 이용하여 재주입 분지(Husmuli re-injection zone)의 복잡한 지질 구조 및 열-유체의 상호 반응을 분석하는 연구를 수행하였다. 다수 관정에서의 추적자 실험 결과를 기반으로 균열망의 수리 상수를 구하였으며, 수리 모델을 재조정하여 관측정에서 측정된 열 반응을 재현했다. 이를 통해 헬리셰이디 분지 내 CO₂ 지중저장의 경제성 및 효율성을 평가하였다. 또한, 추후 헤잉기들 활화산 지대 내 또 다른 지열 발전소인 네스자벨리어 지열발전소(Nesjavellir Geothermal Power Station)를 활용하여 해수에 대한 CO₂의 용해 및 현무암 분지로의 주입이 계획되어 있다 (Galeczka et al., 2022). CarbFix project에서는 CO₂를 기체 상태가 아닌 물에 용해된 형태로 지중에 주입하여 탄산염 광물로 포획하는 기작을 통해 CO₂를 저장하였다. 따라서 2-D/3-D 탄성파 조사 및 수직 탄성파 탐사(VSP, Vertical Seismic Profiling) 등과 같은 일반적인 지구물리학적 모니터링 기법을 활용할 수 없다는 제약이 존재하였다. 이를 극복하기 위해, CarbFix project에서는 화학적 추적자인 SF5CF3, Amido rhodamine G 등의 염료를 유체와 혼합시켜 부지에 주입하고, 이를 통해 유체의 이류∙분산으로 인한 물리적 운반 과정을 특정하는 모니터링 기술을 활용하였다. 또한, 모니터링 분석을 통해 도출된 자료를 토대로 모델링을 수행하여 수용액 상으로 주입된 CO₂의 지중 내 거동을 예측하였다 (Matter et al., 2011).

Figure 6. Aerial map of the CarbFix demonstration site. The gas-charged water pipe (green line) connects the capture plant to the injection well HN-16 (blue line). The four monitoring wells (HE-31, HE-48, HE-44, and HE-33 each shown in red) are located within 2 km down gradient from the injection well. Inferred faults are shown in black and feedzones location and contribution are represent by blue and red circles. (Ratouis et al., 2022)

현무암은 화성암 중 해양 지각에 가장 풍부한 암석이며, 전세계적으로 광범위하게 분포하고 있다. 최소 10,000 Gt 이상의 높은 저장 용량을 지니는 것으로 평가되고 있으며, 최근 CO₂ 지중저장 대상층으로서 적극적으로 고려되고 있다 (Figure 7). 현무암을 구성하는 주요 광물인 휘석, 감람석 등은 Mg²⁺, Fe²⁺, Ca²⁺ 등의 2가 양이온을 다량 함유하고 있고 물과의 반응성이 높다. 이러한 현무암에서의 CO₂ 광물 포획은 주변 지하수와 반응을 통해 암석이 용해되면서 2가 양이온이 방출된 후, 2차 탄산염 광물이 형성되는 기작에 의해 발생하며, 장기적이고 안정적으로 CO₂를 고정시킨다. 광물 고정 기작을 가속화하기 위해 CarbFix 프로젝트에서는 CO₂를 물에 용해시킨 후 현무암층으로 주입하는 실증 사업이 수행되기도 하였다. 이와 같이 현무암층을 대상으로 CO₂를 저장하는 방법의 장∙단점을 과학적 근거를 기반으로 하여 퇴적암층 내 저장 방법과 비교 및 검토한 후, 타당성을 분석하였다 (Table 3).

Table 3 . Advantages and considerations of CO₂ geological storage in basalt and in sedimentary basin.

CO2 geological storage in basalt	CO2 geological storage in sedimentary basin
-현무암 지층은 전세계적으로 광범위하게 분포하고 체적이 거대하여 높은 잠재 CO2 저장용량을 가짐 (Snæbjörnsdóttir et al., 2020). - CarbFix, Wallula Basalt 프로젝트의 성공 및 관련 여러 선행 연구를 통해 수행가능성이 확보되었음.	- 퇴적 분지는 두껍고 광범위하게 형성되어 있으며, 다공성 매질로 구성되어 있기 때문에 많은 양의 CO2를 저장할 수 있음. - Sleipner, Gorgon CCS, Petra Nova CCS Project 등 다양한 환경에서 장기간 수행되어 가능성이 증명됨 (Torp and Gale, 2004).
-공극과 투수율, 물과의 반응성이 상대적으로 높으며, 주요 광물 중 탄산염을 형성하는 2가 이온이 풍부함(Snæbjörnsdóttir et al., 2020; Takaya et al., 2013a; Xiong et al., 2017).	- 탄산염 형성에 용이한 2가 양이온의 부족으로, 용해·침전 반응에서 장기간의 반응 시간이 요구되기 때문에 CO2 저장의 최종 기작인 광물 포획 과정에서 1,000년 이상 소요됨(Kelemen et al., 2019).
- 덮개암과 같은 구조포획 구조가 필수적이지 않으며 (Cinar et al., 2008), CO2를 여러 상태로 주입할 수 있고, H2S, 유기산, 결정핵 등을 첨가하여 CO2의 침전 및 광물화를 가속시킬 수 있음.	- 주로 구조 포획 및 잔류 포획 기작을 통해 CO2를 저장하고, 대부분 초임계상의 CO2 (scCO2)를 주입하므로 부력에 대한 제어와 덮개암 등의 구조가 필수적임.
- CO2가 수용액상으로 주입되어 누출의 위험이 적고, 온도∙압력 조건이 유연하며 수평정 및 균열 구조를 활용할 수 있음. 또한 광물화가 2년 내 95% 이상 완료되며 빠르게 CO2가 고체상으로 저장되므로 안정한 장기적인 CO2 저장이 가능함.	- CO2의 수직적인 이동을 제어해야 하므로 안정적인 지질 구조가 요구되며, scCO2의 형태로 주입하기 위해 약 7.4 MPa, 31.1 ℃의 임계조건을 충족시켜야 함.
- 주입 지역의 환경 조건에 따라 주입 후 생성되는 2차 광물과 CO2 저장 효율이 매우 상이할 수 있음 (Schaef et al., 2009). 용해 및 침전 반응을 통해 진행되기 때문에 영향 요인이 다양하고 (온도, pH, 압력, 주입 유체, 첨가물, 현무암의 조성 등), 이로 인해 침전 광물의 종류, 용해 속도, 광물의 용해도, 주입성 등이 넓은 범위에서 변화함. - 이에 따라 황화철, 점토광물, 제올라이트(zeolite), 스멕타이트(smectite) 등의 규산 광물이 함께 침전하며 탄산염 침전을 저해할 수 있음 (Aradóttir et al., 2011; Hellevang et al., 2017). -고철질 화성암이 CO2와 반응하며 지중환경을 오염시킬 수 있는 Pb, Mn, Cd, Sr, Cu 등의 독성 금속 원소가 높은 농도로 방출한 사례가 존재함 (Moune et al., 2006).	- 지중에 CO2를 고정시키는 주된 기작이 광물 포획이 아니며, scCO2의 형태로 주입하므로, 단기적으로 많은 양의 CO2를 빠르고 경제적으로 저장할 수 있음 (De Silva and Ranjith, 2012; Li et al., 2023). - 침전이 매우 느리게 나타나기 때문에, 다공성 매체에서 발생할 수 있는 흐름망 변화가 적어 주입성 확보가 용이함. 또한 주로 퇴적암으로 구성되어 있어 중금속 원소로 인한 오염의 위험이 적음.
- CO2가 대부분 물에 용해된 수용액 상으로 주입되기 때문에 기존의 지구물리적(geophysical) 모니터링 기술이 적용되지 못하므로, 센서와 추적자, 모델링 등의 추가적인 모니터링 방안이 요구됨 (Matter et al., 2011).	- 지중에서 거동하는 CO2에 대해 탄성파 탐사, 물리 검층 등의 물리적, 간접적 방식으로 모니터링할 수 있기 때문에, 안정성 관리 측면에서 이점이 존재하며, 직관적인 모니터링이 가능함 (White et al., 2003).

Figure 7. Locations and distribution of carbon mineralization site and resources. (Sandalow et al., 2021)

현무암-CO₂-물의 화학 반응을 통해 광물로 포획되는 CO₂의 고정 속도는 현무암의 화학적 특성으로 인해 퇴적분지 내 CO₂ 저장에 비해 상대적으로 빠르게 평가된다. 일례로, 현무암층에 주입된 CO₂의 대부분은 수년 내 광물 형태로 고정된다고 보고된 바 있다 (Snæbjörnsdóttir et al., 2020). 또한, 현무암층 대상의 CO₂ 저장이 퇴적분지 내 저장에 비해 환경적 제약이 적다. 현무암층 CO₂ 저장 시 덮개암을 비롯한 구조 포획에서 요구되는 불투수층 구조가 필수적이지 않으며, 저온·저압의 환경에서도 안정적인 CO₂의 주입과 저장이 가능하다. 또한, 관정 설치 시 심부 깊은 곳까지 설치해야 하는 수직정(vertical well)이 아닌 얕은 층에 대한 수평정(horizontal well)의 적극적 활용이 가능하여 비용 측면에서 경제성이 높다 (Cinar et al., 2008). 심해 환경의 현무암도 CO₂의 지중 광물화를 위한 적절한 환경으로 고려될 수 있는데, 심해에는 투수성이 낮은 퇴적물이 많이 분포되어 있어 누출의 위험이 적고, CO₂의 밀도가 커지므로 안정적인 탄산염과 수화물의 형성이 가능하기 때문이다 (Goldberg and Slagle, 2009). 지층 내 균열 구조는 염대수층 CO₂ 지중저장에서는 기피되지만, 현무암 주입 시에는 광물-유체 간 반응표면적을 늘리기 때문에 CO₂를 효율적으로 고정시키는 요인으로 작용한다 (Stockmann et al., 2008). 일반적으로 물에 CO₂를 용해시켜 현무암에 주입하므로, CO₂ 누출 위험이 적다는 것도 장점으로 고려되며, H2S와 같은 다른 온실가스를 함께 용해시켜 주입할 수도 있다. 또한, 광물 결정(seed crystal), 유기산 물질 등 다양한 물질의 첨가를 통해 광물화의 속도를 조절할 수 있다 (Voigt et al., 2021). 최근 현무암을 비롯한 화성암이 다량 분포하고 있는 지역에 위치한 지열발전 시설에서는 순환수(working fluids)로서의 CO₂ 활용을 고려하고 있는데, 이를 통해 CO₂ 지중 광물화를 비롯한 다양한 부가 가치 창출이 가능하다는 점도 이점으로 고려될 수 있다 (Esteves et al., 2019).

그럼에도 지중 광물화는 신중히 고려되어야 할 여러 측면 또한 존재한다. CO₂ 지중 광물화는 암석의 용해와 침전이라는 복잡한 과정을 통해 이루어지는 기작이므로 영향 요인이 매우 다양하다. 온도, pH, 압력, 반응 유체의 성분 및 알칼리도, 염분 등에 따라 암석의 용해 속도, 침전 광물의 종류, 주입성(injectivity), 암석 물성이 매우 다양하게 변화한다. CO₂ 주입 후 탄산염 광물과 함께 점토광물을 비롯한 규산염 광물 및 황화철 등이 동시에 형성되어 탄산염의 침전을 방해할 수 있다 (Aradóttir et al., 2011). 이러한 광물들은 대체로 반응성이 적고 안정적이므로 CO₂ 광물화에 큰 방해 요소가 될 수 있다. 또한, 현무암 내 CO₂ 지중 광물화 수행 시 광물화 속도가 매우 빠르다는 것은 장점이 될 수 있으나, 이로 인해 공극이 침전광물로 채워지고 투수성과 공극률이 감소하면서, 관정 주입성(injectivity)의 저하 및 저장층의 압력 증가를 유발시킬 수 있다. 뿐만 아니라, CO₂가 용해된 담수 또는 해수를 주입하기 때문에 저장층의 압력이 쉽게 상승할 수 있다. 따라서 CO₂-용해수의 주입 시 양수정에서의 염수 추출 기법과 같은 압력 조절 기술이 함께 요구된다. 일부 연구에서는 광물의 용해 과정을 통해 저장층 내 증가된 압력이 해소될 수 있고, CO₂ 주입 속도를 느리게하면 공극 막힘과 압력 상승의 효과를 줄일 수 있다는 것을 확인한 바 있다 (Liu et al., 2019; McGrail et al., 2003; Schaef et al., 2011). 지중 환경 오염에 대한 위험성도 고려해야 할 요소 중 하나이다. 현무암질 성분의 화성암이 CO₂와 반응하면서 Pb, Mn, Cd, Sr, Cu 등의 유독성 금속 이온이 높은 농도로 방출된 사례가 존재함을 일부 연구에서 지적하였다 (Moune et al., 2006). 마지막으로, CO₂ 지중 광물화 수행 시 고도의 모니터링 기술이 지속적, 장기적으로 요구된다는 점도 고려되어야 한다. 물에 CO₂를 용해시켜 주입하므로 기존의 지구물리학적 표준 모니터링 기술의 적용이 어렵기 때문이다. 이러한 어려움을 극복하기 위해서, Wallula project는 soil gas 측정과 주입 전∙후 유체 표본을 수집하여 모니터링 분석을 수행하였고, CarbFix project에서는 SF₅CF₃와 같은 화학적 추적자를 부지에 주입하여 수용액 상의 CO₂의 지중 거동을 파악하는 모니터링 기술이 활용되었다 (Matter et al., 2011).

지구온난화의 심화로 인한 이상 기후, 해수면 상승 등이 전세계적으로 표출됨에 따라, 온실가스 배출의 감축이 필수적으로 요구되고 있다. 이러한 상황에서 CO₂ 지중저장으로 대표되는 CCS는 CO₂ 배출량을 상당량 줄일 수 있는 주요한 기술로 주목받고 있다. CO₂ 지중저장은 구조 포획, 용해 포획, 잔류 포획, 광물 포획의 4가지 기작으로 진행되며, 일반적으로 퇴적분지의 염대수층이나 석유·가스 저장층을 대상으로 한다. 최근에는 현무암의 매우 큰 잠재 CO₂ 저장용량, 높은 반응성, 풍부한 양이온 함량과 같은 특성들로 인해, 광물 포획을 중심으로 하는 현무암 CO₂ 지중저장에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 본 연구에서는 현무암 CO₂ 지중저장에 대한 국외 연구 사례들을 실험, 모델링, 현장 실증 연구로 분류하고 조사∙분석하였다. 실험 연구는 다양한 요인을 넓은 범위에서 변화시키며 실험되었는데, 온도는 20 ℃ ~ 250 ℃, 압력은 0.1 MPa ~ 30 MPa, 암석-유체 간 반응 시간은 수 시간에서 4년까지 진행되었다. 주로 반응 조건과 주입 전∙후 유체에 따른 현무암의 용해와 침전 효율, 침전광물 등에 대한 반응 결과의 변화를 분석하였다. 모델링 연구는 주로 현무암 CO₂ 지중저장 후보지와 유사한 모델을 구축하는 것을 목적으로 하며, 최근 두 가지 방향의 연구가 주목받고 있다. 반응성 거동 모델링(reactive transport modeling)은 화학반응과 유체거동을 함께 모델링하여 두 반응의 상호작용을 포괄하며, 지역특성화 모델링(site-specific modeling)은 CO₂ 주입 대상 지역의 특성을 모델링에 반영하여 실제 지역과 유사한 모델에서의 반응 예측 및 모니터링에 중점을 두고 있다. 이러한 실험과 모델링 연구 사례들의 결과를 기반으로 현무암 CO₂ 지중저장에 대한 타당성을 검토하였다.

현무암은 고철질 및 초고철질 광물을 높게 함유하는 화산암으로서, 전세계적으로 광범위하고 두껍게 분포하고 있다. 따라서 잠재 CO₂ 저장용량이 크고, 반응성이 높으며 CO₂ 지중저장 시 광물 포획에 용이한 양이온의 함량이 높다. 그에 따라 낮은 온도와 압력에서도 광물화 반응이 진행되며, 덮개암 등의 구조 포획 구조가 필수적이지 않기 때문에 저장 환경의 제약이 상대적으로 적다. 다양한 CO₂ 상과 첨가물을 활용한 주입 용액의 활용이 가능하며, 최종적으로는 CO₂가 고체 상의 광물로 저장되기 때문에 주입 이후 CO₂의 안정적이고 장기적인 고정이 가능하다. CO₂ 지중 광물화 저장을 수행하기에 유리한 현무암의 여러 특성을 바탕으로, 아이슬란드의 CarbFix project와 미국의 Wallula project가 성공적으로 완료되었기 때문에 실제 수행 가능성 또한 높게 평가된다.

하지만 현무암 CO₂ 지중저장은 사례별 환경 및 조건에 따른 연구 결과가 상이하므로, 수행 시 영향 요인 및 각 요인의 영향 정도가 신중하게 평가되어야 할 것이다. CO₂ 광물 포획은 암석 용해와 침전 반응으로 수행되어 실제 영향을 미치는 요인이 매우 다양하고, CO₂ 주입 후 기타 광물의 침전이 동반될 때 탄산염의 침전이 저하될 수 있으며, 광물의 침전을 통한 저장 방식으로 인해 관정 주입성(injectivity)의 저하가 발생할 수 있다. 주입 시 침전 및 광물화로 인해 기존 공극이 막히면서 저장층 내 압력 증가를 유발할 수 있고, 고철질 화성암이 CO₂와 반응하면서 용출되는 독성 중금속으로 인해 지중 환경 오염의 위험성에 대한 고려가 필요하며, CO₂가 물에 용해된 상태로 주입되기 때문에 기존 모니터링 방식과는 다른 방식이 요구된다. 이러한 고려 요소들은 대부분 CO₂ 지중 광물화 저장 수행 지역의 암석 조성, 지중 환경과 같은 지역적 특성에서 기인한다. 따라서 현무암 대상 CO₂ 지중 광물화 저장을 성공적으로 수행하기 위해서는 적합한 저장 수행 지역을 선별하고, 선별된 지역을 바탕으로 한 다양한 측면의 연구를 치밀하고 지속적으로 수행하는 것이 요구된다. 특히, 현무암을 비롯한 CO₂ 지중 광물화 대상 암층 및 주입 유체 간 특성과 반응 분석, 현장 실증 연구, 주입 대상층과 유사한 모델 구조의 개발, 저장 수행 시와 수행 후 모니터링 방안 연구 등이 필수적으로 요구된다.

본 연구는 2022년 한국석유공사 자체연구과제의 재원으로 한국석유공사의 지원을 받아 수행되었으며(No. 22-01), 산업통상자원부의 “에너지기술개발사업”(과제번호 20212010200010)의 지원을 받아 수행된 연구입니다.