탄소추적시스템에서 아시아 지역의 지표면 탄소 플럭스 추정을 위한 자료동화 매개변수의 영향 분석 및 모의 결과와 항공 관측 자료와의 비교

김현정 연세대학교 대학원 2016 국내석사

본 연구는 앙상블 칼만 필터 (EnKF) 기반의 대기 역모델링 (atmospheric inverse modeling) 시스템인 탄소추적시스템 (CarbonTracker)을 이용하여 아시아 지역의 지표면 탄소 플럭스를 추정함에 있어 그 정확도를 높이고 모델 결과를 검증하기 위해 수행되었다. 대기 역모델링 방법은 대기 중 이산화탄소 몰농도 관측 자료로부터 대기 수송 모델을 사용하여 지표면 탄소 플럭스를 역으로 추정하는 방법이다. 역모델링 방법은 제한된 관측 자료로부터 효과적인 플럭스 추정을 가능하게 하며, 육지와 해양 플럭스에 대한 합리적인 결과를 얻을 수 있음이 알려져 있다. 탄소추적시스템에서 사용되는 앙상블 칼만 필터 자료동화 방법에서는 자료동화 매개변수 (e.g., 동화 기간, 앙상블 수)의 설정이 결과에 영향을 준다. 현재 탄소추적시스템을 이용해 아시아 지역에 대해 수행된 연구에서는 탄소추적시스템이 먼저 적용된 북미와 유럽 지역의 설정을 따라 동화 기간 5주, 앙상블 수 150개의 설정을 따르고 있다. 하지만, 북미와 유럽 지역은 아시아 지역에 비해 관측자료가 조밀하게 분포한 지역이기 때문에 아시아 지역에 적합한 자료동화 매개변수에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 먼저, 아시아 지역에 적합한 자료동화 매개변수 설정 값을 찾기 위해 여러 가지 설정의 실험을 수행하고 자료동화에 사용되지 않은 관측 자료와 비교를 통해 결과를 검증하였다. 동화 기간 3, 5, 7, 10 주의 4가지 설정과 앙상블 수 100, 150, 300 개의 3가지 설정을 조합하여 총 12개 실험을 수행하였다. 본 연구에서 아시아 지역은 Transcom 지역 구분에 따라 Eurasian Boreal (EB), Eurasian Temperate (ET), Tropical Asia (TA) 지역으로 구성된다. 아시아 지역의 지표면 탄소 플럭스는 실험 설정에 민감한 편이였으며, 실험 간 차이는 EB, ET, TA 순으로 컸고 겨울보다 여름에 컸다. 최적화된 지표면 탄소 플럭스에 대한 불확실성은 앙상블 수가 클수록, 동화 기간이 짧을수록 컸다. 자료동화에 사용되지 않은 4곳의 독립적 관측 자료와 비교하여 검증한 결과 동화 기간 10주, 앙상블 수 300개의 설정이 아시아 지역에 가장 적합하였다. 또한, 보다 심층적인 분석을 위해 탄소추적시스템을 통해 추정된 대기 중 이산화탄소 농도를 항공 관측 자료인 CONTRAIL (Comprehensive Observation Network for Trace gases by Airliner) CO2 자료와 비교하여 모의된 결과를 검증하고 특성을 분석하였다. CONTRAIL 프로젝트는 상업용 항공기를 이용해 온실 기체를 관측하는 것을 목표로 2005년 후반에 시작되었으며, 자료의 신뢰도가 높아 역모델링 결과를 검증하기 위한 비교 자료로 사용하기에 적합하다. 전반적으로, 모의된 이산화탄소 농도는 관측된 이산화탄소 농도 값과 잘 맞았고, 약간의 양의 편향이 존재하여 모의된 이산화탄소 농도가 관측된 이산화탄소 농도에 비해 높은 편이었다. 항공기의 비행 경로를 따른 이산화탄소 농도의 수평 분포를 보면, 유라시아 대륙 북부에서 계절 별 모델-관측 간 차이의 변동성이 가장 컸는데, 성층권 이산화탄소 농도의 계절 변동성이 대류권에 비해 상 이동 (phase shift)이 존재하며 그 진폭 또한 작아 모의하기가 어려울 뿐만 아니라, 높은 고도에서 모델의 연직 해상도가 낮아 성층권 이산화탄소 농도를 충분히 모의하지 못하기 때문에 이러한 차이가 발생한 것으로 추측된다. 또한 북반구 여름철에 모델-관측 간 차이가 컸다. 결론적으로, 고위도 부근과 북반구 여름철에 상대적으로 모델-관측 간 차이가 컸지만 전반적으로는 모델에서 모의한 이산화탄소 농도 결과와 관측 값이 잘 맞았다. 연직 분포를 보면, 모든 공항에서 모델이 관측에 비해 이산화탄소 농도를 과대 모의하여 양의 편향이 존재하였고, 40°N 이상 위도 대에 위치한 공항에서는 고도가 높아짐에 따라 양의 편향이 점차 증가하였다. 반면, 그 외 공항에서는 전 고도에서 모델-관측 차이가 거의 일정하였는데, 이는 모델이 지표로부터 상층으로 이산화탄소가 수송되는 과정을 잘 모의하고 있음을 의미한다. NRT (나리타 공항)에서 연직 시계열 자료를 분석한 결과 고도가 높아질수록 모델-관측 간 상관 관계가 감소하였고, 특히 225 hPa 이상 고도에서 모델-관측 간 차이가 상대적으로 컸다. 같은 위도 대에서 내륙 지역에 위치한 DEL (델리 공항)과 태평양 한가운데 위치한 HNL (호놀룰루 공항)에서 이산화탄소 농도의 연직 분포를 비교한 결과, HNL에 비해 DEL에서 모델-관측 간 차이가 훨씬 컸다. 이는 균질한 해양 지역에 비해 다양한 영향 (e.g., 식생의 영향)이 존재하는 복잡한 내륙 지역에서 대기 중 이산화탄소 농도 모의가 더 어렵다는 것을 의미한다. This study was conducted to validate and improve the accuracy of the modeled results obtained using CarbonTracker, an atmospheric inverse modeling system based on the ensemble Kalman filter, for estimating surface CO2 fluxes in Asia. In inverse modeling system, surface CO2 flux is estimated inversely from atmospheric CO2 concentrations using atmospheric transport model. Inverse modeling enables the effective estimation from limited observations and reasonable results about land and ocean fluxes. In ensemble Kalman filter used in CarbonTracker, configuration of data assimilation parameters affects the results. Previous studies about CarbonTracker applied in Asia used 5-week assimilation window and 150 ensemble members following the configurations in North America and Europe where CarbonTracker was applied first. However, those regions have dense observations compared with Asia where observations are sparsely distributed, which implies the necessity of the research for Asia region. Therefore, several experiments with different parameter configurations were conducted and the results were verified based on comparisons with independent observations that were not used for data assimilation to find the optimal parameters for Asian region. The assimilation window lengths tested were 3, 5, 7, and 10 weeks and the ensemble sizes were 100, 150, and 300. Therefore, a total of 12 experiments using combinations of these parameters were conducted. In this study, Asian region consists of Eurasian Boreal (EB), Eurasian Temperate (ET), and Tropical Asia (TA) in Transcom regions. The optimized surface CO2 fluxes in Asia are sensitive to experimental settings. Differences between the optimized surface CO2 fluxes of the experiments were largest in EB region, followed by ET and TA and were larger in boreal summer than in boreal winter. The larger the ensemble size and the shorter the assimilation window length, the larger the uncertainty of optimized surface CO2 fluxes. The 10-week assimilation window and 300 ensemble sizes were the optimal configuration for CarbonTracker in the Asian region based on verification with four independent observations. Moreover, the atmospheric CO2 concentrations estimated by CarbonTracker were compared with CO2 measurements from the Comprehensive Observation Network for Trace gases by Airliner (CONTRAIL) project to validate and characterize the modeled results. CONTRAIL project was started in late 2005 to measure greenhouse gases using commercial airlines. Observation data from CONTRAIL project is appropriate to be used for verifying inverse modeling results because of its high reliability. Overall, the modeled results represented the atmospheric CO2 concentrations well with a slight overestimation compared to observations. In the case of horizontal distribution, variations in the model and observation difference were large in northern Eurasia because most of the model and data mismatch were located in the stratosphere where the model could not represent CO2 variations well enough due to low vertical resolution at high altitude and existing phase shift from the troposphere. In addition, the model and observation difference became larger in boreal summer. Despite relatively large differences at high latitudes and in boreal summer, overall, the modeled CO2 concentrations fitted well with observations. Vertical profiles of modeled and observed CO2 concentrations showed that the model overestimated the observations at all airports and the extent of the overestimation increased with higher altitudes at airports located above 40°N. Differences between modeled and observed CO2 concentrations were nearly constant at all altitudes for other airports, which implied that the surface CO2 concentration is transported well vertically in the transport model. At Narita, overall differences were small, although the correlation between modeled and observed CO2 concentrations decreased at higher altitude, showing relatively large differences above 225hPa. The vertical profiles at Moscow and Delhi located on land and at Hawaii on the ocean showed that the model is less accurate on land than on the ocean due to various effects (e.g., biospheric effect) on land compared to the homogeneous ocean surface.

지역별 자동차 이산화탄소 순배출량 추정 방안 연구

백바름 명지대학교 대학원 2014 국내석사

온실가스로 인한 부정적 영향은 긍정적 영향을 압도하는 것으로 분석되고 있으며, 이산화탄소의 절대적인 배출량이 압도적으로 많은 관계로 우선적으로 규제하고 있다. 따라서 세계적으로 기후변화협약(UNFCCC)을 통해 규제·방지하고 있으며, 우리나라는 온실가스 감축목표를 달성하기 위해 『녹색교통 추진전략』 등 다양한 감축전략을 발표하였다. 우리나라는 이산화탄소 감축을 위해 이산화탄소 배출량 관리지역 선정 및 조사·평가를 기반으로 이산화탄소 감축 전략을 지역별로 검토하고 추진한다. 하지만 이산화탄소 감축 정책의 정확한 감소효과를 판단하기 위해서는 지역에 따라 감축정책 도입이 가능한 범위의 이산화탄소 배출량 추정 방법이 필요하며, 또한 지역별 통행특성을 고려한 Tier3 수준의 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 지역별 관리 가능한 범위를 통행유형으로 설정하고, 지역별 관리 가능한 범위의 이산화탄소 배출량을 지역별 순배출량이라 새로이 정의한다. Tier3 수준의 배출량 추정을 위해서 통행배정모형 및 시간대별 분석을 시행한 결과, 안성시의 이산화탄소 순배출량과 총배출량은 3,151톤 차이가 발생하였으며, 평택시 2,476톤,용인시 2,107톤의 차이가 발생하였다. 또한 지역에 따라 첨두시 관리 가능한 순배출량의 집중도에서도 차이가 나타났다. 본 연구를 통해 현재 사용하는 추정 방법 및 평가지표의 보완 여부를 정량적으로 제시하고, 지역별 특성을 고려한 감축정책 도입 및 특별대책지역 선정을 기대한다. Studies show that the negative effects of greenhouse gas (GHG) overwhelm the positive ones, and tops the regulated list as its emission register absolute majority. Accordingly, globally, United National Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) enforces regulation and prevention, while the country has disclosed various reduction strategies including Green Traffic Implementation Strategy with a view to achieving GHG reduction goals. To reduce emissions, the country reviews and implements regional versions of reduction strategy, based on selection, survey and evaluation of management areas. To accurately judge reduction effects from a reduction policy, however, a method is needed to estimate the applicable scope of emission applicable for reduction policy implementation for different regions. Meanwhile, further study is necessary on the Tier3 level that reflects regional traffic characteristics. Accordingly, the study sets as traffic type the regionally manageable scopes, and redefines as regional pure emission the regionally manageable scope of emissions. An analysis of traffic allocation model and a time-based analysis, designed to estimate pure emission at the level of Tier3 show that the city of Anseong registers a difference of 3,151 tons between pure emission and total emission and the city of Pyeongtaek registers a difference of 2,476 tons, while the city of Yongin comes with a difference of 2,107 tons. While the study quantifies currently used estimation methods and assess a supplementation for evaluation indices, it hopefully ushers in a reduction policy and selection of special measure zones that reflect regional characteristics.

수도권 이산화탄소(CO2)배출량 산정과 저감방안을 위한 교재개발의 필요성

김태현 한국교원대학교 교육대학원 2007 국내석사

본 연구는 2003년 수도권 지역의 1-3종의 사업장을 대상으로 이산화탄소 배출량을 연료별, 제조시설별, 월별, 연간 배출량을 산출하여 비교․분석하고, 그 저감방안과 관련된 고등학교 환경교육 교재의 개발 방향을 제안하는 것이다. 수도권지역에서 전체 조사 대상 사업장으로부터 배출되는 이산화탄소 총량은 약 2,635만 톤으로 나타났는데, 이는 2000년 에너지 관리 공단에서 추정한 우리나라 총 이산화탄소 배출량(약 52,900만 톤)의 약 5%에 해당되는 양이다. 이산화탄소의 배출량은 제조시설 중에서 발전시설이 전체 배출량의 37%, 연료별 배출량의 경우는 LNG가 전체 연료사용량의 약 86%를 차지하였는데, 이는 2003년 국립환경과학원의 대기정책시스템(CAPSS)에서 조사된 수도권지역 이산화탄소의 자료에서 발전시설이 차지하는 64%의 배출량과 비슷한 분포를 나타내고 있다. 이산화탄소 배출 및 저감방안과 관련된 고등학교 환경교육 교재 상의 내용분석 결과, 모두 이산화탄소가 지구의 기온상승에 직접적으로 관여할 것으로 예상하고 다른 온실기체에 비하여 비교적 비중 있게 다루어지고 있었으나 이산화탄소 배출량 산정 및 저감방안에 대한 정보는 부족한 것으로 나타나 이에 대한 교재개발의 필요성이 요구되었다. 교재 개발의 방향은 본 연구에서 실시한 에너지 부문의 연소과정에서 추계한 이산화탄소 배출량 자료의 실태 조사를 통하여 이산화탄소의 발생원을 파악하고 각 발생원에 대한 미래 이산화탄의 양을 예측함과 동시에 이를 줄일 수 있는 저감대책기술을 제시하는 것이다. 본 연구를 통해 고등학교 ‘생태와 환경’ 교과의 지구온난화 영역에서 이산화탄소 배출량의 산정 및 저감방안에 대한 교재개발의 필요성 제안은 깊이 있는 환경 탐구활동 뿐만 아니라 기후변화협약 관련 기초 자료로 활용 될 수 있을 것이다.

지상원격탐사 장비를 활용한 서울시 대기 전층 이산화탄소 농도 분석

김주은 서울대학교 대학원 2024 국내석사

이산화탄소는 인류에게 막대한 피해를 입히는 기후변화의 가장 큰 원인 물질로서, 전 세계 화석연료 기반 이산화탄소 배출의 75%가 도시 에서 배출된다. 따라서, 도시 이산화탄소 모니터링은 기후변화 완화에 있어 필수적이다. 최근, 지상원격탐사 네트워크의 확장 및 인공위성의 증가로 인해 대기 전층 이산화탄소 농도를 활용하여 도시 이산화탄소 모니터 링 연구 결과들이 제시되고 있다. 하지만, 국내에서는 도시의 대기 전층 이산화탄소에 대한 이해가 부족한 상황이다. 본 연구는 2020년 5월부터 2023년 7월까지 지상원격탐사 장비인 EM27/SUN을 활용하여 서울시 대 기 전층 이산화탄소 모니터링 연구를 국내 최초로 수행하고 결과를 제시 하였다. 서울시 대기 전층 이산화탄소 모니터링 연구 결과, 증가 경향성 과 계절 변동성이 나타났다. 또한, 동일 기간 관측된 지상 in-situ 이산화탄소와 비교하였을 때, 대기 전층 이산화탄소 농도의 증가율 및 계절 변동성이 작았다. 이는 대기 전층 이산화탄소 농도가 상층의 낮은 농도 및 변동성이 반영된 값이기 때문이다. 다음으로, 관측 인접 지역의 이산화탄소 영향을 보기 위해, 관측 인접 지역을 설정하였다. 그 후, enhancements와 관측 인접 지역 영향 정도인 E_region 을 산정하였다. 이들 은 서로 양의 상관관계가 나타났으며, 관측 인접 지역의 영향이 잘 반영 될수록 enhancements가 큼을 확인하였다. 마지막으로, 대기 전층 이산화탄소와 지상 in-situ 이산화탄소의 풋프린트를 비교하였다. 대기 전층 이산화탄소의 관측 인접 지역 내 풋프린트 면적이 지상 in-situ 이산화탄소 풋프린트에 비해 넓었음을 확인하였다. 이를 통해 대기 전층 이산화탄소 농도가 지상 in-situ 이산화탄소 농도보다 지역 규모의 영향을 잘 반영함을 확인할 수 있었다. Carbon dioxide, a major contributor to climate change, significantly impacts humanity and is predominantly emitted in urban areas with intense human activity. Understanding these urban emissions is crucial for climate change mitigation, and research in urban CO2 monitoring is ongoing. Recent advancements include the expansion of ground-based remote sensing networks and increased satellite usage, facilitating studies on urban CO2 monitoring via total column carbon dioxide concentrations. However, in South Korea, there's a notable gap in understanding toal column CO2. This study marks the first in the country to perform such monitoring using the ground-based remote sensing instruments EM27/SUN. It analyzes atmospheric total column CO2 concentrations in Seoul from May 2020 to July 2023. Seoul's total column CO2 concentration exhibited an increasing trend of 2.16 ppm per year, with a seasonal variability of 7.79 ppm. When compared with the trend and variability of surface in-situ CO2 concentrations observed during the same period, the total column CO2 concentrations showed smaller increases and variability, likely reflecting lower concentrations and changes in the upper atmosphere. The study also examined the CO2 footprint from December 2021 to February 2022. The assessment of neighboring region impact on carbon dioxide observations employed the metric E_region, defined as the ratio of the aggregate footprint within neighboring regions to the overall footprint sum. A correlation coefficient of 0.5 was observed between total column CO2 measurements and the metric E_region. Furthermore, the correlation between these CO2 measurements and the sum of neighboring region footprint(/(xi yi)) was determined to be 0.7. Days with the top 10% of enhancements were identified, and the study compared total column CO2 and surface in-situ CO2 footprints in neighboring region. The findings indicate that the footprint area of total column CO2 is about 1.5 to 2 times larger than that of surface in-situ CO2, suggesting that total column CO2 observations encompass a broader area within the city compared to surface in-situ observations.

산림 소유역 시냇물 내 이산화탄소의 기원

이승철 서울대학교 대학원 2017 국내석사

매년 하천에서 대기로 배출되는 이산화탄소의 양 중 약 절반이 산림 유역 시냇물에서 배출될 것으로 추정된다. 하지만 산림 시냇물 내 이산화탄소의 기원에 대해서는 정확히 알려진 바가 없다. 이 연구는 산림 시냇물 이산화탄소의 기원을 추적하기 위해 2016년 4월부터 2017년 5월까지 시냇물의 이산화탄소 분압을 측정하고 하천 부근 토양 pCO2와의 상관성을 조사하였다. 또한 이산화탄소 공급원로서의 수체 내 용존유기탄소 분해의 가능성을 측정하고 시냇물의 이산화탄소 농도를 인위적으로 높여 수체 내 이산화탄소의 거동을 파악하였다. 그 결과 시냇물 pCO2는 토양 pCO2 및 수온과 양의 상관관계를 보였고, 강수사상이 발생한 뒤에 증가하는 경향을 보였다. 또한 시냇물 내 용존유기탄소의 분해에 의해서는 시냇물 이산화탄소 분압이 높아지기 어려운 것으로 분석됐으며, 시냇물로 유입된 이산화탄소는 빠르게 대기 중으로 유출될 수 있는 것으로 드러났다. 비록 입자성 유기물의 분해 가능성이나 수체 내 유기물의 광분해 가능성에 대한 추후 실험이 필요하긴 하지만, 시냇물 내 이산화탄소는 수체 내 용존유기물의 미생물에 의한 분해라기보다는 토양 내 축적돼 있던 이산화탄소가 강우 시 빗물과 함께 유출된 것일 가능성이 높다. 현재 추정 오차가 큰 시냇물 전체에서의 시냇물–대기 간 CO2 교환 플럭스를 보다 정확히 측정하기 위해서는 1, 2차 하천 내에서도 하천 pCO2의 시공간적 변화를 충분히 고려하여야 할 것이다.

Fabrication of Ionic Liquid Membrane Using Cyanuric Chloride or AgO for Facilitated CO2 Transport

지다혜 상명대학교 대학원 2015 국내석사

In this study, we researched the carriers based on the ionic liquid for facilitated CO2 transport. 1) cyanuric chloride and 2) AgO nanoparticles were introduced in the ionic liquid. As a result, ionic liquid membrane for facilitated CO2 transport was prepared. In part 2, a 1-butyl-3-methyl imidazolium tetrafluoroborate (BMIM+BF4-) ionic liquid membrane containing cyanuric chloride as a carrier can be utilized for facilitated CO2 transport. The cyanuric chloride complex was characterized by Fourier transform (FT) infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis, viscosity measurements, and FT-Raman spectroscopy. The BMIM+BF4-/cyanuric chloride membrane showed a high CO2 permeance of 19.2 GPU, in addition to excellent ideal selectivities of 11.0 for CO2/N2 and 10.7 for CO2/CH4 mixtures. A barrier effect was observed for CH4 and N2, while the amine groups on the imidazolium ring and cyanuric chloride selectively interacted with CO2 molecules, thus facilitating their transport. In part 3, the AgO nanoparticles were utilized as a CO2 separation membrane. The AgO nanoparticles were successfully generated in ionic liquid 1-butyl-3-methyl imidazolium tetrafluoroborate (BMIMBF4) by favorable interaction between the surface of particles and the counter anion of BMIM+BF4-. The generated AgO nanoparticles were confirmed by TEM, and the average size was 20 nm. Coordinative interactions of dissociated AgO particles with BMIM+BF4- were investigated by FT-Raman spectroscopy. When the ionic liquid BMIM+BF4- containing AgO nanoparticles was utilized as a CO2 separation membrane, the separation performance was largely enhanced. The ideal selectivity for CO2/N2 was 28.2 with a CO2 permeance of 14.1 GPU, while the neat BMIM+BF4- membrane showed an ideal selectivity of 8.8 and CO2 permeance of 5.3 GPU. 본 연구에서는 이온성 액체를 기반으로 하여, 이산화탄소 촉진수송 분리를 위한 운반체 개발에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위해, 이온성 액체에 1) 시아누릭 클로라이드 2) 산화은 나노 입자를 도입하였다. 그리고 이산화탄소 촉진수송 분리막을 제조하여 선택도 및 투과도를 측정하였다. 제1장에서는 이산화탄소 제거의 중요성과 포집 및 분리하는 기술을 소개하였다. 그리고 이온성 액체의 이산화탄소 용해도를 증가시키는 효과를 설명하였다. 마지막으로 이온성 액체에 운반체가 도입된 이산화탄소 촉진수송 분리 연구에 대해 언급하였다. 제2장에서는 이산화탄소 촉진수송 분리를 위해 시아누릭 클로라이드를 이산화탄소 운반체로 도입하였다. 이온성 액체 (1-butyl-3-methyl imidazolium tetrafluoroborate) (BMIM+BF4-) 내에서 시아누릭 클로라이드를 분산시켰고, 둘 간의 상호작용으로 인한 결합을 확인하기 위해 FT-IR 과 FT-Raman을 분석하였다. 또한, 열적 안정성을 확인하기 위해 TGA를 분석하였다. 그리고 이산화탄소 분리막을 제조하여, 이산화탄소의 분리 성능을 확인하였다. 그 결과 시아누릭 클로라이드가 질소와 메탄 기체의 투과를 방해하는 효과를 보였고, 이산화탄소 기체와는 선택적으로 상호작용을 해서 이산화탄소 촉진수송 분리되는 것을 확인하였다. 제3장에서는 이온성 액체 (1-butyl-3-methyl imidazolium tetrafluoroborate) (BMIM+BF4-)를 기반으로 하여 형성된 산화은 나노입자가 이산화탄소 분리막에 이용된 연구를 소개하였다. 산화은 입자들의 표면과 이온성 액체의 음이온 간에 상호작용을 통해, 이온성 액체 내에서 산화은 나노입자가 형성되었다. 산화은 나노입자는 TEM 분석을 통해 확인하였고, 이온성 액체와 분산된 산화은 입자들의 상호작용은 FT-Raman 분석을 통해 확인하였다. 산화은 나노입자를 포함하는 이온성 액체를 이용하여, 이산화탄소 분리막을 제조하고 이산화탄소 분리 성능을 측정하였다. 제4장에서는 본 연구에 대한 결론으로서, 이온성 액체를 기반으로 하는 이산화탄소 촉진수송 분리막과 이온성 액체 내에서 운반체의 역할의 중요성을 다시 한 번 언급했다.

1991-2011년 동아시아에서 측정한 이산화탄소, 메탄 농도와 탄소안정동위원소 연구

김휘민 한국교원대학교 대학원 2014 국내석사

1991∼2011년 동아시아지역의 중국 Mt. Waliguan(WLG), 몽골 Ulaan Uul(UUM), 한국의 태안(TAP), 일본 Ryori(RYO)와 하와이의 Mauna Loa(MLO)에서 이산화탄소, 메탄 농도의 분포를 분석하였다. 이산화탄소, 메탄 농도의 탄소안정동위원소비를 Keeling plot 방법에 적용하여 발생원 분석을 시도했다. 더불어 중국 대륙에서 가장 가까운 풍하측에 위치한 TAP에 도달하는 기류의 이동 경로를 분류하여 이산화탄소, 메탄 농도 수준과 발생원을 분석했다. 화석연료 사용량이 증가하고 있는 동아시아지역은 이산화탄소, 메탄 평균농도와 연 평균 증가율이 MLO 보다 높고, 아시아 몬순에 따른 대기운동으로 농도 분포 범위가 넓다. 중국으로부터 직접적인 기류로 TAP는 이산화탄소(377±12 ppm), 메탄(1881±23 ppb) 농도가 가장 높고, 이산화탄소의 가장 큰 연 평균 증가율을 보인다. 동아시아지역은 겨울철 난방을 위한 화석연료 사용의 누적과 봄철 농경지 경작을 위한 태우기 등 바이오매스 연소(biomass burning)의 영향으로 3∼5월에 이산화탄소 농도는 높고 작은 이산화탄소의 탄소안정동위원소비값을 보인다. 7∼8월에는 활발한 식생활동으로 이산화탄소 농도가 낮고 큰 이산화탄소의 탄소안정동위원소비값을 보인다. TAP에서는 메탄 농도의 계절 변동이 뚜렷하지 않다. 그러나, 농경지로 둘러싸인 WLG에서는 메탄 농도가 7월에 높지만, UUM, RYO, MLO에서는 6∼8월에 증가된 OH기에 의해 메탄이 산화되어 낮은 농도를 나타낸다. 동아시아지역의 이산화탄소 Keeling plot y절편 범위는 –29.18∼-28.11 ‰ 로 화석연료 연소로부터 배출된 이산화탄소가 부가되었다. 또한, 메탄의 Keeling plot y절편 –56.87∼-50.44 ‰ 은 생물기원 발생원의 영향이 배경 메탄 농도에 크게 부가된 것이다. 특히, TAP는 동아시아지역 다른 관측소와 비교해 더 작은 메탄의 탄소안정동위원소비 값을 가지는데, 주위 농경지로부터 발생한 메탄과 더불어 동아시아대륙의 발생원(생물기원+ 비 생물기원)으로부터 메탄이 부가되었다. TAP로 유입되는 기류를 CBG(continental background) 경로, RPC(regionally polluted) 경로, OBG(oceanic background) 경로로 분류하였는데 이산화탄소 농도는 CBG, RPC 경로에서 높았고, 이산화탄소의 탄소안정동위원소비는 작은 값을 가졌다. 화석연료의 연소가 많은 중국 북부 및 동부 산업 지역을 거치는 RPC 경로에서는 이산화탄소의 Keeling plot에서 가장 작은 y절편 값을 보인다. OBG 경로는 오염물질의 발원지가 적은 북태평양기단의 영향으로 낮은 이산화탄소 농도와 큰 이산화탄소의 탄소안정동위원소비 값을 가진다. 메탄 농도는 RPC 경로에서 높고 OBG 경로에서 낮다. RPC 경로에서 큰 메탄의 Keeling plot y절편 값은 중국 북부 및 동부 산업지대로부터 화석연료의 공정에서 발생한 메탄의 영향이다.

시공단계 공법에 따른 투입자원과 이산화탄소 배출량에 관한 연구

한승원 서울시립대학교 2011 국내석사

Recently, new technologies and environmental impact assessment methods have been developed in circumstance of rising up environmental issues. Therefore, many researchers have tried to assess environmental load(typically Carbon Dioxide) emitted in construction projects, however, the methods can assess CO2 emission in construction phase are insufficient. Thus, this study aims to quantify CO2 emission by using construction materials and equipment in construction phase. For quantifying, the basic unit for calculation CO2 emission was estimated. Futhermore, a few construction methods were analyzed with input resources(i.e. construction materials and equipment) to calculate CO2 emission in each method. CO2 emission calculated in 3 different cases were analyzed based on 3 methods to compare CO2 emission. Prior to estimating CO2 emission basic unit for producing construction materials and equipment, the concept, background and application of LCA(life Cycle Assessment) and the basic unit estimation processes researched by using input-output analysis were studied. Therefore, 448 construction materials basics unit and 155 construction equipment basic units were estimated by proposed estimation process in this study. To identify input resources, construction methods of Pile, Earth Retaining sheathing, Form work were analyzed. Construction method basic units were dealt with construction material and equipment basic units. Theses basic units were applied to cases and examine CO2 emission by each construction method. Therefore, the construction method can minimized CO2 emission were defined. Construction material basic units DB that this study proposed will be available as more realistic and correct data set for quantify CO2 emission. Also construction equipment basic unit DB that previous studies could not estimate can help quantifying CO2 emission in construction phase. In addition, this study can be an initial research for CO2 emission minimization of construction methods. This study has some limitations about research's boundary such as analyzing CO2 emission in only three construction works and considering CO2 emission except construction cost and duration. Further studies on CO2 emission in construction phase are needed in-depth analysis of more various construction methods, and transportation and demolition process of construction materials should also be analyzed. Moreover, CO2 emission with construction cost and duration should be considered. 최근 지구의 환경문제가 크게 대두되고 있는 상황에서 건설산업 또한 환경문제 극복을 위한 노력의 일환으로 각종 연구를 통한 신기술 개발, 환경영향평가기법 개발 등이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 상황에서 건설자재의 생산에 따른 환경부하(이산화탄소가 가장 대표적)의 발생에 관한 연구가 지속적으로 이루어지고 있지만, 시공단계에서 배출되는 이산화탄소에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 건설공사의 시공단계에 투입되는 건설자재와 건설장비의 사용으로 인해 배출되는 이산화탄소량을 정량화 하고자 한다. 이를 위해 이산화탄소 배출량 원단위를 작성하고, 몇 가지의 공법을 분석하여 공법에 따른 투입자원과 이들을 사용함으로써 배출되는 이산화탄소량을 산출하였다. 이산화탄소 배출량 산출을 위한 원단위 작성에 앞서 전과정평가(LCA)의 개념, 개발배경, 적용분야 등 이론적 고찰을 실시하였다. 건설자재의 원단위 작성을 위해 산업연관분석법을 활용한 선행연구의 프로세스를 조사하여 분석함과 더불어 본 연구에서 사용한 원단위작성 프로세스를 정립하였다. 건설장비의 경우, 작업능력과 에너지원의 사용량을 바탕으로 한 원단위 작성 프로세스를 제시하였다. 이러한 프로세스를 통해 448개의 건설자재와 155개의 건설장비에 대한 이산화탄소 배출량 원단위 DB를 작성하였다. 지정공사, 흙막이공사, 거푸집공사에서 사용되는 각각의 공법 분석을 통해 시공단계에 투입되는 자원을 분석하였다. 투입되는 자원에 따른 이산화탄소 배출량을 공법별 원단위로 작성하였으며, 이를 실제 사례에 적용하여 공법별 이산화탄소 배출량을 산출하였다. 산출결과를 바탕으로 이산화탄소 배출량을 최소화할 수 있는 공법을 선정하였다. 본 연구에서 제시한 건설자재의 이산화탄소 배출량 원단위 DB는 기존연구에서 제시한 원단위와 비교하여 보다 현실성있고 정확도 높은 평가자료로 활용될 수 있을 것이라 사료된다. 또한 기존 연구에서 수행하지 못했던 건설장비의 이산화탄소 배출량 원단위 DB를 작성함으로써 시공단계에 배출되는 이산화탄소량을 정량화 하는데 활용할 수 있을 것이다. 나아가 공법에 따른 이산화탄소 배출량을 비교, 분석하여 환경부하를 최소화할 수 있는 공법의 선정을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구는 세 가지 공사만을 대상으로 이산화탄소 배출량을 분석하였으며, 공사비와 공사기간을 고려하지 못했다는 점에서 본 연구는 한계점을 갖는다. 향후 다양한 공법에 대한 분석과 함께 건설자재의 운반 및 폐기에 이르는 시공단계의 전 과정에 걸친 분석범위 확장이 필요하다. 또한 공사비와 공사기간을 고려한 연구가 계속되어야 할 것이다.

금속-유기 골격체로부터 유래된 계층적 다공성 탄소 나노소재의 이산화탄소 흡착 평가

김혜련 인천대학교 일반대학원 2017 국내석사

이산화탄소는 주요 온실 기체 중의 하나로, 이산화탄소의 배출량이 급격히 증가함에 따라 지구 온난화의 심각성이 가중되고 있다. 인위적(anthropogenic) 이산화탄소 배출량의 많은 부분은 화석 연료의 연소에 의해 발생하고 있으며, 현재에는 알카놀아민 수용액이 이산화탄소 포집을 위한 흡착제로 상용화되고 있다. 하지만 알카놀아민 수용액은 재생에 많은 에너지가 소모되기 때문에, 이를 대체할 수 있는 새로운 흡착제가 요구된다. Metal-Organic Frameworks(MOFs)는 유기 리간드와 메탈 이온(또는 메탈 클러스터)으로 이루어진 다공성 물질로, 높은 다공성 및 비표면적을 가지며 물질의 기공 크기와 표면 성질을 조절하기 용이한 특성으로 인해 촉매, 에너지 저장, 약물 전달, 기체 분리 및 이산화탄소 포집 등의 다양한 분야에서 적용되고 있다. MOFs는 높은 다공성 및 비표면적으로 인해 이산화탄소 포집을 위한 흡착제로써 가능성을 지니고 있지만 수분에서의 불안정성이 문제가 된다. 화석 연료 발전소에서 연소 후 이산화탄소를 포집할 때, 배기 가스는 이산화탄소(~15-16%) 외에도 수증기(~5-7%)와 질소(~70-75%)를 포함한다. 따라서 배기 가스에 포함된 수증기 환경 하에서도 안정하며, 저에너지로 재생이 가능한 이산화탄소 흡착제가 요구된다. 안정성 및 에너지 관점에서, 다공성 탄소 소재(porous solid materials)는 적절한 이산화탄소 흡착제로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 MOFs를 열분해하여 다공성 탄소 소재를 형성하고, 이산화탄소 흡착제로써의 성능을 알아보았다. 아연(Zinc)을 포함하는 MOFs의 경우, 비교적 낮은 끓는점을 가지는 아연의 특성으로 인해 열분해를 통하여 금속이 제거된 다공성 탄소 소재를 얻을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 아연을 포함한 세 종류의 MOFs를 선택 및 열분해하여 다공성 탄소 소재를 제조하였다. MOFs로부터 유래된 다공성 탄소 소재의 특성을 확인하기 위하여 X선 회절법(X-ray diffraction)과 라만(Raman) 분광 분석을 수행하였다. 또한 기공 구조와 비표면적을 확인하기 위해서 77K에서 질소 흡착-탈착 등온선 결과를 분석하였다. 열분해 전의 전구체인 MOF와 MOF의 열분해를 통해 얻어진 다공성 탄소 소재의 이산화탄소 흡착 성능을 273K과 298K 두 온도에서 1bar의 압력까지 알아본 결과, 열분해 후에 형성된 다공성 탄소 소재의 이산화탄소 흡착량이 2~3배 증가하였다. 또한 습도가 존재하는 환경에서 이산화탄소 흡착 성능이 유지되는지 확인하기 위하여 파과 실험을 수행하였다. 그 결과, 50%의 습도 조건에서 다공성 탄소 소재의 CO2/N2 분리 성능이 거의 유지되었다. 따라서 발전소에서 진행되는 연소 후 이산화탄소 포집에 대한 적용 가능성을 확인할 수 있었다.

전력발전설비 대상 탄소감축 전략방안

방일우 고려대학교 공학대학원 2022 국내석사

1970년대 인간에 의한 지구온난화가 세계적인 이슈로 거론된 이후 UN에서는 기후변화에 대한 공식 연구 및 보고기관인 IPCC를 1988년에 설립하여 상태를 감시 및 보고하고 있다. 기상이변, 해수면 상승 등 인류의 생존을 위협하는 현상이 지속되면서 교토의정서(1997) 및 파리기후협약(2015)을 통해 보다 적극적으로 기후변화에 대응하고자 각 나라 별 온실가스의 절감 목표치를 UN IPCC의 권고치에 의거하여 자발적으로 발표하고 2023년부터 절감 이행을 점검하기로 한다. 우리나라도 2030년까지 2018년 수준의 온실가스 배출량을 40% 절감하는 계획을 UN에 보고한다. 온실가스(주로 이산화탄소)의 주요 배출원은 에너지 부분이다. 그 중에서도 전력 및 발전분야가 약 40%수준으로 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 전력 및 발전분야에서 온실가스를 줄일 수 있는 방안으로 현재의 화석연료를 통한 발전방식을 신재생에너지(태양광 및 풍력 등)으로 전환하는 방법과 화석연료를 이용하여 발전되는 설비의 배기가스에서 이산화탄소만 선별하여 포집하여 처리하는 방법 그리고 동일한 출력을 유지하면서 화석연료 사용량을 줄일 수 있는 설비의 성능을 개선하는 방법이 있다. 위 3가지 방안에 대한 각각의 현황 및 보급목표와 기술수준을 분석하고 그에 따른 이산화탄소 감축량을 추정하여 비교하였다. 그리고 기술발전에 따라 변화하는 건설 및 전체 운영기간을 고려한 원가(균등화 발전단가)를 상호 비교하여 외부환경(전력단가 및 탄소배출권)의 변화에 따른 최적의 방안을 도출하였다. 본 연구는 기후변화에 따라 급격하게 변화하는 세계적인 대응과 이를 기반으로 구축되는 탄소경제의 흐름을 이해하고 최적의 기술전략을 도출하는데 이바지할 것으로 사료된다.