Compressed Air Energy Storage: Geological Storage and Volume Requirement

Dong-Woo Ryu

doi:10.32390/ksmer.2023.60.2.129

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General Remarks

Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers. 30 April 2023. 129-144
https://doi.org/10.32390/ksmer.2023.60.2.129

Compressed Air Energy Storage: Geological Storage and Volume Requirement

압축공기에너지저장 : 지질학적 저장 방식과 소요 체적

Dong-Woo Ryu¹^*

류 동우¹^*

¹Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon, Korea

¹한국지질자원연구원 자원탐사개발연구본부

^{*Corresponding Author}

ABSTRACT

In recent years, climate change and nationally determined contribution (NDC) policies worldwide have accelerated the transition from fossil energy sources to renewable energy. Consequently, the energy storage system (ESS) sector has emerged as an area of increasing importance in this industry. In particular, compressed air energy storage (CAES), which has a long history of commercialization, is reappraised as a competitive ESS technology with the potential for long-duration and utility-scale storage. The second part of the comprehensive overview aims to provide valuable insights into the planning, design, and construction stages of the CAES system. It describes various geological storage methods for CAES, such as rock salt, aquifers, and depleted gas fields, as well as the potential issues that need to be addressed when deploying each method. Furthermore, it elucidated the isochoric and isobaric storage types and introduced an analytical model for calculating the storage energy density of CAES based on each storage type with sample configurations.

Keywords

CAES

geological storage

isobaric storage

isochoric storage

storage energy density

최근 들어 기후 변화와 전 세계 각국의 NDC 정책은 화석 에너지에서 재생에너지로의 전환을 가속화시키고 있다. 이에 따라 에너지저장시스템(ESS) 분야는 산업계에서 점점 더 중요성이 커지는 분야로 부상하고 있다. 특히 상용화의 역사가 오래된 압축공기에너지저장(CAES)은 장시간 및 유틸리티 규모의 저장이 가능한 경쟁력 있는 ESS 기술로 재평가되고 있다. CAES 시스템의 계획, 설계 및 건설 단계에서 통찰력을 제공하기 위해 준비한 CAES 관련 두 번째 총설이다. 본 총설에서는 암염 공동, 대수층, 폐가스전과 같은 지질학적 저장 방식을 소개하고, 이와 관련한 주요 현안들을 설명하였다. 또한, 저장공동의 압력 변화에 따라 정압저장과 정적저장에 대한 설명과 각 저장 방식별 저장에너지 밀도를 계산하는 모델을 예시 사례와 함께 소개하였다.

키워드

압축공기에너지장

지질학적 저장

정압저장

정적저장

저장에너지 밀도

MAIN

서 론
CAES 개요
압축공기 저장 방식
지질학적 저장과 주요 현안
암염공동
대수층
폐가스전
지질학적 저장의 입지제약성
저장체적 산정
저장에너지 밀도
정압저장 방식
정적저장/변압발전
정적저장/정압발전
저장 체적 산정
결 론

서 론

CAES(Compressed Air Energy Storage)는 상용화된 발전원 규모(utility scale)의 에너지저장시스템의 일종으로, 일반적으로 하나의 유닛으로부터 수십~수백 MW의 부하관리 및 발전출력을 수 시간 동안 제공할 수 있다(Collins, 1993; Crotogino, et al., 2001; Eckroad et al., 2003). 이런 특성으로 인하여 차익거래(arbitrage) 및 자체기동서비스(black start) 목적으로 활용되었으며, 재생에너지 보급에 따라 발생하는 계통 현안을 해결하기 위해 유연성 자원(flexibility resources)으로서 재생에너지통합시장(renewable integration) 참여가 기대되고 있다.

독일 Huntorf와 미국 McIntosh에 위치한 두 개의 상용 CAES 플랜트는 암염돔(salt dome)을 용해채굴(solution mining)하여 만든 공동에 압축공기를 저장하여 현재까지 성공적으로 운영해 왔다(Eckroad et al., 2003; Madlener and Latz, 2013; Raju and Khaitan, 2012; Succar and Williams, 2008). 하지만, 다른 지질학적 저장 방식인 암염층(salt bed), 광산 채굴적(excavated mine), 대수층 그리고 폐가스전은 개념적으로 검토되었지만 실제 상용화에 이르지는 못 하고 있다(DOE, 2022).

한편 초기투자비와 같은 경제성 문제로 암반굴착 저장공동 방식이 크게 주목받지는 않았으나, 최근 급격한 에너지전환으로 인한 재생에너지통합시장의 확대가 예상됨에 따라 입지제약에서 자유로운 암반굴착 저장공동 방식에 대한 사업적 타당성 검토와 함께 실증연구 추진 계획들이 발표되고 있다(DOE, 2022; Hydrostor, 2023; RICAS, 2023).

CAES의 시스템 분류 및 특성은 지난 총설을 통해 상세히 소개된 바 있다(Ryu, 2023). 본 총설에서는 지금까지 제안된 지질학적 저장방식인 암염, 대수층, 폐가스전에 압축공기 저장 시 고려되어야 할 현안들을 살펴보고자 한다. 또한, 저장 방식에 따른 CAES 저장 용량 산정 방식에 대해서도 함께 설명하고자 한다.

CAES 개요

대용량 장주기 에너지저장장치로서 CAES는 유휴전력이나 간헐적 특성을 지닌 재생에너지 등을 수전(受電)하여 압축기를 통해 주변 공기를 압축하여 별도의 공간에 저장하고, 발전 시 압축공기를 터빈에 공급하여 발전하는 기계적 에너지저장장치의 일종이다. CAES는 시스템 측면에서 등온(isothermal), 단열(adiabatic) 그리고 비단열(diabatic) CAES 등 세 가지 유형으로 분류할 수 있다. 상용화되어 운영되고 있거나 계획 중인 비단열 CAES(D-CAES)은 플랜트 전체가 하나의 가스터빈과 같지만, 연소용 공기(combustion air)의 압축과정은 실제 가스터빈 프로세스와는 달리 독립적으로 이루어진다. 압축과정에서 공기 온도는 상승하게 되며, 이때 발생하는 열은 냉각기를 통해 대기 중으로 방출되는데 이는 공기의 온도를 낮춰 밀도를 높여주는 효과가 있다. 이렇게 압축된 공기는 지하 동굴에 저장된다.

단열 CAES(A-CAES)은 D-CAES와 달리 압축과정에서 발생하는 열을 별도의 열에너지저장(TES, Thermal Energy Storage) 장치에 저장한다. 방전과정에서 TES 내 열교환으로 가열된 압축공기는 팽창기를 통해 일을 하게 된다. 이와 달리 별도의 TES 없이 고온의 압축공기 자체를 저장할 수도 있으나 고온의 압축공기의 밀도는 상대적으로 낮고 열 손실을 막기 위한 저장공동 표면에 별도의 단열 처리가 필요하다. 이와 같은 낮은 밀도와 열 손실을 해결하기 위해서는 높은 초기 비용을 수반하기 때문에 기술적 경제적 타당성에 있어 논란의 여지가 있다(Wolf, 2011). 독립적인 TES 장치가 있는 A-CAES는 AA-CAES(Advanced Adiabatic CAES)로도 불린다. 독립적인 TES 장치는 압력 용기(pressurized container) 내 암석이나 세라믹 소재의 벽돌을 적층하여 고온의 공기가 유동할 수 있도록 제작할 수 있다. ADELE 프로젝트와 같은 실증 프로젝트를 통해 AA-CAES에 있어 넘어야 할 기술적 장벽을 제시하고 있으며, TES를 구성하는 열저장 매질의 재료 문제도 포함한다(Power, 2010).

등온 CAES(I-CAES, Isothermal CAES)는 등온 압축/팽창과정을 구현하여 고온 열저장의 기술적 현안을 제거할 수 있다. I-CAES는 압축/팽창이 이루어지는 실린더 내 액분사 혹은 액체 피스톤을 적용한다. 이는 효과적인 열전달을 가능하게 하여 등온과정(isothermal process)에 유사하게 구현하여 효율을 높인다. 충분한 열전달 과정을 위해서는 매우 느린 속도의 왕복동 행정(reciprocal process)이 필요하며, 주로 대형 선박용 엔진과 같은 장행정 왕복동 엔진(long stroke reciprocal engine)을 활용한다. 왕복동 엔진을 사용하기 때문에 등온 CAES는 주로 수~수십 MW 수준의 출력 규모에서 실용적일 수 있다. 따라서 발전원 규모 CAES로는 D-CAES와 A-CAES가 가장 적합하다고 할 수 있다.

D-CAES와 A-CAES의 모식도는 Fig. 1과 같다. CAES 플랜트는 (1) 모터/발전기, (2) 인터쿨러와 애프터쿨러가 있는 다단 공기 압축기, (3) 고압 및 저압 터빈을 포함한 터빈 트레인, (4) 압축된 공기를 저장하는 공동/용기, 그리고 (5) 연료 저장 및 열교환기 유닛 등 장비 제어 및 보조장치 등으로 구성된다. I-CAES의 모식도는 Fig. 2와 같다.

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Fig. 1.

Schematic diagram of (a) diabatic and (b) adiabatic compressed air energy storage (Fuchs et al., 2012).

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Fig. 2.

Schematic diagram of the SustainX isothermal CAES plant (Kim et al., 2012).

압축공기 저장 방식

압축공기를 저장하는 방식에는 크게 지상방식, 지질구조 활용방식 그리고 지하 암반굴착 저장공동 방식 등이 있으며, 저장공동 내 저장압력의 변화 유무에 따라 정적저장(isochoric storage)과 정압저장(isobaric storage)으로 구분할 수 있다(Fig. 3). 정적저장은 저장된 압축공기를 조절기(regulator)를 통해 일정 압력으로 터빈 입구로 공급하는 정압발전과 배출에 따른 감압을 허용하면서 공급하는 변압발전으로 다시 구분할 수 있다.

일반적으로 CAES 플랜트의 시스템 효율을 최적화하기 위해 최대/최소 저장 압력(운영 압력 범위)을 설정하며, 이는 압축공기 저장공동의 설계와 직접 관련이 있다. 또한, 최대 저장 압력 및 최소 운전 압력은 경제성 및 지상 설비(특히, 터빈)의 제원에 따라 결정된다. 저장 측면에서는 저장 공간을 줄이는 방법은 저장압력을 높이거나 혹은 운영 압력 범위를 넓힘으로써 가능하다. 시스템 공학적 설계와 주기기 사양에 따라 운전 압력 범위에 차이가 있으나, 기존 상용 플랜트를 기준으로 최대 저장 압력은 5 MPa에서 7.5 MPa, 최소 저장 압력은 2 MPa에서 4 MPa이다. 왕복동 시스템을 적용하는 I-CAES의 경우 운전 압력은 4.5 MPa에서 최대 20 MPa의 범위를 가진다(Bollinger, 2015).

저장공동 내 압축공기가 터빈으로 공급되면서 저장공동 내 압력은 점점 낮아지게 된다. 배출되는 공기압력은 압력조절기(regulator)라는 별도의 밸브를 이용하여 운영압력을 유지시킨다¹⁾. 이는 에너지효율 측면에서 조절손실(throttling loss)의 원인이 되며, 이를 해결하기 위해 팽창비를 조절하는 가변노즐(variable geometry nozzle)을 고려할 수 있다.

정압저장은 저장공동 내 압축공기의 압력을 일정하게 유지하기 위해 비압축성 유체인 물을 이용하여 일정 수압으로 저장공동을 채우는 방식이다(Fig. 3 (a)). 정압저장은 저장공동 내 압축공기를 모두 사용할 수 있기 때문에 저장 공간 체적을 줄일 수 있고, 일정 압력의 공기를 공급하기 때문에 에너지 효율을 높일 수 있다는 장점을 가진다. 반면, 저수지, 통수갱, 운영압력에 해당하는 수두차 확보를 위한 깊은 심도 등은 단점이 될 수 있다. 2010년 전후 해상풍력(offshore wind farm)과 관련하여 수중 설치형 압축공기 정압저장(underwater isobaric compressed air storage) 개념이 제안되었는데, 압축공기를 저장하는 구조물의 종류에 따라 flexible type (Fig. 3(b))과 rigid type (Fig. 3(c))으로 구분할 수 있다.

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Fig. 3.

Types of isochoric compressed air storage: (a) underground storage with constant pressure reservoirs (Weber, 1975), (b) underwater flexible energy bag (Pimm et al., 2014), and (c) underwater rigid modular structures (Braytonenergy, 2023).

압력 보상수(compensating water)를 이용한 암반굴착 저장공동 방식은 저장 체적 보상을 통해 압력 손실을 최소화하고 시스템 효율을 향상시킬 수 있지만, 샴페인 효과(champagne effect)로 알려진 현상으로 인해 통수갱(water shaft) 내 압력 보상수의 불안정한 흐름을 관리해야 한다(Giramonti and Smith, 1981; 2012).

경제성을 훼손하지 않는 범위에서 고압의 압축공기를 대용량으로 안전하게 저장하는 기술 개발은 CAES가 대용량 장주기 ESS 시장에서 경쟁력을 확보하기 위해 가장 중요한 현안이다.

지질학적 저장과 주요 현안

압축공기 저장을 위해 암염, 대수층, 폐가스전 등과 같은 지질구조를 활용하는 방식은 지질학적 저장(geological storage)으로 정의할 수 있다. CAES 플랜트용 압축공기 저장을 위해 King and Apps(2013)이 소개한 다양한 지질학적 저장 방식별 주요 현안을 중심으로 정리하여 기술하고자 한다. 지질학적 저장 방식은 이산화탄소 포집·저장(carbon capture and storage, CCS)에서도 유사한 문제점이 발생할 수 있지만, CAES는 일간 혹은 주간으로 운영되기 때문에 주입(injection)과 배출(discharge)이 주기적으로 반복된다는 점에서 큰 차이가 있을 수 있다.

독일 Huntorf와 미국 McIntosh에 위치한 두 개의 상용 CAES 플랜트는 암염돔에 용해채굴로 형성한 공동에 압축공기를 저장하여 지금까지 성공적으로 운영되었다. 반면 암염층의 용해채굴 시 암염 구조 내 불용성 불순물(insoluble impurities), 채굴된 소금의 처분, 암염 재료의 가소성(plasticity) 특성에 기인하는 잠재적 붕락 위험 등은 압축공기 저장 공동을 개발하는데 주요 공학적 현안이 될 수 있다.

대수층 저장 방식은 대수층의 정수압 크기의 압력 수준으로 저장해야 하는 제약, 우물(주입정/생산정)의 생산성(well productivity)의 한계, 잠재적 산소고갈(oxygen depletion) 그리고 공기와 물의 동시 배출 가능성에 대한 공학적 현안들을 가진다. 이와 같은 문제점들은 적정 심도와 높은 투수계수의 다공성 매질을 가진 배사구조(anticline structure)의 지질구조를 활용함으로써 어느 정도 해소시킬 수 있다.

한편, 폐가스전에 압축공기를 저장할 때 몇 가지 검토되어야 할 사안들이 있다. 공기와 천연가스와의 화학적 반응으로 인한 폭발 가능성 혹은 터빈 내 연소를 어렵게 할 수 있는 저장 공기의 산화 여부 등은 면밀하게 검토해야 할 사안이다. 또한 CAES의 주요 설비인 압축기와 터빈과 같은 터보기기(turbo-machinery)의 요구사양 수준의 공기 질량 유량(air mass flow rate)으로 주입과 배출하는 과정에서 폐가스전 내 기포(air bubble)를 생성하는 현상인 샴페인 효과의 영향을 검토해야 한다.

높은 압력을 받은 기체는 분자 밀도가 증가하여 액체에 용해되고 포화상태에 이르게 된다. 샴페인 효과는 압력이 감소할 때 용해되어 있던 공기가 기포 형태로 급격히 분리되어 빠져나오는 게 되는 현상으로 정압저장 CAES(isobaric CAES)에서 다공성 매질이나 무복공 공동 내 공기와 물의 상호작용에 의해 발생할 수 있다.

기포의 팽창은 다공성 매질의 구조를 취약하게 하며, 결국 공극 내 급격한 압력변화로 인해 다공성 구조가 파괴되어 저장 공기의 누출로 이어질 수 있다. 또한, 장기적으로는 샴페인 효과로 인한 압력 변화가 매질의 피로 파괴를 유발할 수도 있다. 따라서 샴페인 효과는 다공성 매질이나 무복공 암반 공동을 활용하는 정압저장 CAES에서는 시스템 효율성과 내구성 측면에서 고려해야 할 중요한 현상이다.

암염공동

용해채굴로 형성된 암염공동은 암염의 불투수성과 깊은 심도에서 작용하는 지압으로 천연가스 및 압축공기 저장에 성공적으로 활용되었다(Fig. 4).

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Fig. 4.

Schematic to illustrate the depths of operational and proposed global gas storage caverns in relation to operational and proposed global CAES caverns (Parkes et al. 2018).

암염은 자가 수복(self-healing) 혹은 자가 회복(self-recovery) 기능을 가진 재료이며, 용해채굴 과정에서 공동 벽면을 따라 용해된 암염이 재결정화(re-crystallization)하여 공동 표면에 불투수성 막을 형성한다. 이와 같은 결정질 소금막(salt membrane)은 매우 낮은 기질 투수계수(matrix permeability)와 암염의 가소성 특징과 함께 압축공기의 주입/배출로 인해 형성될 수 있는 저장공동 표면의 2차 균열을 폐합하여 밀봉시킨다. 이런 암염 공동의 특징들은 가장 이상적인 압축공기 저장공동으로 활용되는 이유이다.

반면, 암염 공동은 시간의존성 변형 거동(creep behavior), 암염 공동 중간에 위치하는 층서의 변형 및 파괴와 같은 역학적 문제가 발생할 수 있다. 그리고 암염 공동의 심도가 깊어져 압축공기 배관 라인이 너무 길어지거나 직경이 작으면 압력손실이 커져 발전 효율에 영향을 미칠 수도 있다(Olabi et al., 2021).

고압 압축공기 저장용으로 활용할 수 있는 암염의 구조는 다이어퍼리즘(diapirism)으로 생성된 암염돔과 암염층이 대표적이다(Fig. 5).

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Fig. 5.

Schematic of various salt structures (Gillhaus and Horváth, 2008).

암염돔과 암염층의 특성에는 큰 차이가 있다. 암염돔은 고대 바다의 증발로 남겨진 소금 퇴적물이 상부 퇴적층보다 낮은 밀도로 부력이 작용하여 상부 퇴적층의 균열을 뚫고 상승하여 돔 구조를 형성하게 되는데 이를 “salt diapir“라고 한다(Fig. 6). 일반적으로 암염돔은 암염층에 비해 상대적으로 불순물이 적은 순수 소금이 균질하게 분포하지만, 제한된 수평 방향 경계로 인해 저장공동으로 활용 시 지상 평면 범위가 제한된다. 또한, 암염돔의 다이어퍼 과정을 통해 불순물이 주로 상부에 집중되어 덮개암을 형성한다. 덮개암은 낮은 투수계수를 가진 경석고(anhydrite)가 대표적이며 암염돔의 용해를 막는 역할을 한다(King and Apps, 2013).

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Fig. 6.

Diagram of stages of diapirism during crustal extension (Geological digressions, 2023).

암염층은 암염돔에 비해 상대적으로 많은 불순물을 가지며, 석회암, 백운암, 경석고, 폴리핼라이트(polyhalite), 이암, 실트암(siltstone) 그리고 사암 등과 교호하여 층서를 이룬다. 낮은 용해성을 가진 불순물은 불용성 잔유물로서 암염층 내 불균질하고 넓게 분포하여 용해채굴을 어렵게 한다.

대수층

대수층은 가용성 있는 부지의 면적이 넓고 건설을 위한 일회성 초기 투자비(CAPEX)가 낮아서 암염 공동에 비해 경제적 강점을 지닌다(Kim et al, 2012). 반면 대수층 구조에 대한 지질학적 자료가 매우 제한되어 고비용 탐사, 현장 실험 및 분석이 선행되어야 한다.

대수층 저장 방식은 다양한 공학적 현안(혹은 제약)들을 가진다: (1) 대수층의 정수압 정도의 압력 수준에서 압축공기를 저장, (2) 우물 생산성(well productivity)의 한계로 인한 다수의 우물 설치, (3) 잠재적 산소고갈(oxygen depletion), (4) 공기와 물의 동시 배출 등은 검토되어 해결해야 할 공학적 현안들을 가진다. 이와 같은 현안들은 적정 심도와 높은 투수계수의 다공성 매질을 가진 배사구조를 선택함으로써 회피할 수 있다.

산소고갈과 관련한 흥미로운 연구 사례로 1981-1982년 사이에 이루어진 Pittsfield CAES 실험으로 미국 일리노이주 파이크 카운티에서 압축공기 저장에 대수층을 사용할 수 있는지를 확인하기 위한 광범위한 현장 실험이 수행되었다(EPRI, 1990). 이 연구의 중요한 결과 중 하나는 대수층에 공기를 주입하면 산소가 토착 생물종과 반응하여 저장된 공기의 산소 농도를 감소시킨다는 것이다. 이러한 산화 반응은 수개월 정도의 특징적인 시간 단위로 진행되며, 압축공기 주입이 촉매가 되어 주로 대수층 구조 내 황화물 미네랄과의 반응을 촉진시킨다. 압축공기 내 산소는 여러 광물들과 사이에서 반응을 일으켜 다양한 결과를 초래할 수도 있다. Pittsfield CAES 실험 사례에서는 압축공기 내 산소는 철의 황화물인 황철광( $F e S_{2}$ )을 산화시켜 적철광( $F e_{2} O_{3}$ )을 생성하는데 소모됨으로써 저장 공기 내 산소고갈을 초래한다(EPRI, 1990):

(1)

4 F e S_{2} + 11 O_{2} \to 2 F e_{2} O_{3} + 8 S O_{2}

이 반응의 생성물은 대수층 내 공기의 유동성에는 문제가 되지 않지만, 불완전한 반응에 의한 부분 산화로 형성된 황산철( $F e (O H) S O_{4}$ )은 각각 콜로이드 수산화철과 멜란테라이트를 생성시켜 다공성 매질의 투과성을 훼손시킬 수 있다.

대수층으로부터 배출된 공기는 연료와 함께 연소되기 때문에 산소고갈로 인한 연소 효율 저하가 발생할 수 있다. 그러나 최근 CAES 시스템은 부분적 산소고갈이 발생해도 연소 효율의 손실 없이 운영할 수 있다.

또 다른 문제로는 다공성 매질의 입자를 결합하는 시멘팅 물질이 탄산염 혹은 황화물로 구성된 경우 산화작용으로 용해되어 미립자를 만든다. 시추공 근처에서 발생한 미립자들이 터빈으로 유입되어 문제를 발생시킬 수 있기 때문에 황화물 함량이 높은 대수층은 제외시켜야 한다.

한편, 압축공기를 저장할 수 있는 대수층의 구조 및 압축공기 저장 용량과는 별개로 팽창기와 같은 터보기기가 정격 출력을 내기 위해 필요한 공기 질량 유량을 충족하는 것은 매우 중요하다. 따라서 CAES의 효율적 운영을 위해서는 주입 압력과 배출 압력의 차이가 작고 지속적으로 유지할 수 있는 대수층의 수압 특성이 매우 중요하다(Fig. 7).

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Fig. 7.

Compressed air storage pressure cycle relative to hydrostatic aquifer pressure (King and Apps, 2013).

암염 공동과 달리 대수층에서는 압축공기 저장 시 여러 개의 압축공기 주입정 및 생산정이 필요한데, 이는 대수층을 구성하는 다공성 매질의 투수계수와 밀접한 관계가 있다. 반면 과도한 투과성은 압력 손실을 일으켜 플랜트 운영 시간을 단축시킬 수 있으며, 주입된 압축공기가 모두 배출되지 않고 공기 완충층(air cushion layer)을 형성하는데 소비되는 단점이 있다(Fig. 5). 이러한 단점으로 인해 현재까지 지하 대수층은 압축공기 저장 공간으로 사업화되지 않았으며, 이탈리아 Sesta의 25MW 다공성 암반층 CAES 실증과 다공성 사암 구조를 활용한 미국 IMAU 프로젝트를 포함한 일부 연구 프로젝트만 진행되었다(Qiu, 2023).

미국 전력연구소(electric power research institute, EPRI)는 필요한 지질학적 요건을 갖춘 지층을 식별하기 위해 비교적 상세한 평가 시스템을 개발한 바 있다. 이 평가 시스템은 지질학적, 경제적, 환경적 고려 사항에 기초한 점수 기반 시스템(score-based system)으로, 대수층의 지질학적 특징을 평가하는 데 사용되는 매개변수에는 투수계수, 심도, 공극률, 폐쇄성, 지질 유형 및 암반 특성을 포함한다(Table 1).

Table 1.

Ranking criteria for candidate sites for aquifer CAES (EPRI, 1982)

Score	1	2		3		4			5
Score Interpretation	Unusable	Marginal		OK		Good			Excellent
Permeability (md)	<100	100–200		200–300		300–500			>500
Porosity (%)	<7	7–10		10–13		13–16			>16
Total Reservoir Volume ( $V_{R} / V_{S}$ )	<0.5			0.5–0.8 or >3.0		0.8–1.0 or 1.2–3.0			1.0–1.2
Total Closure Rating (h/H)	<0.5			0.5–0.75		0.75–0.95			0.95–1.0
Depth to Top of Reservoir (m)	<137 or >760	140–170		170–260 or 670–760		260–430 or 550–670			430–550
Reservoir Pressure (bar)	< 13 or > 69	13-15		15–23 or 61–69		23–39 or 50–61			39–50
Type of Reservoir	Highly Discontinuous	Moderately vulgar limestone & dolomite		Reefs, highly vulgar limestone & dolomite		Channel sandstones			Blanket sands
Residual Hydrocarbons (%)	> 5%			1–5%					< 1%
Caprock leakage	Leakage evident		No data available				Pumping test shows no leakage
Caprock Permeability (md)					>10^-5			<10^-5
Caprock Threshold Pressure (bar)					21–55			>55
Caprock Thickness (m)					< 6			> 6

최근 CAES의 계간 운영(inter-seasonal operation)을 위해 대수층을 활용하는 모델이 제시되기도 하였다. 전체 대수층 시스템과 연계된 시추공을 통합한 3D 모델을 구축하여 초기 주입, 압축공기 주입, 폐쇄(shut-in) 그리고 압축공기 배출에 의한 전력 생산 등 운영 사이클 동안의 저류층 시스템의 유체역학 및 열역학적 특성인 다상 유체 흐름, 열전달, 압력 및 온도 반응, 가스 포화도 변화, 에너지 효율 변화 등에 대한 시뮬레이션 결과를 제시한 바 있다(Li et al. 2023). 운영 사이클 동안 모델링 결과는 대수층 저장으로 인한 열 손실과 공기 완충층 등으로 저장효율은 94.3%로 추산되었으며, 생산 중 시추공에서 발생되는 에너지 손실은 0.09%로 나타났다.

운영 주기 동안 주입 공기가 광범위하게 확산하여 유효 기체상 체적이 급격히 감소하고, 후속 배출 시 압력 공급이 불충분하여 시추공의 깊은 부분에서는 역류현상(backwater phenomenon)이 쉽게 발생할 수 있다. 따라서, 주입정 및 생산정 사이의 거리 등에 대한 설계 또한 매우 중요한 인자이다. 또한, 대수층 저장 시스템 구축은 초기 충전 과정에서 대수층과 덮개암의 안전성에 중점을 두어야 하며, 과압력을 방지하기 위해 간헐적 주입 또는 일정한 압력으로 주입하여 운영해야 한다.

폐가스전

폐가스전은 피압을 받는 다공성 매질을 활용한다는 측면에서 대수층 압축공기 저장과 매우 유사하다(Fig. 8(a)). 대수층 저장에 비해 폐가스전은 가스전의 압력 이력에 대한 정보가 있고, 개별 유정의 잠재적 기체 질량 유량을 예측할 수 있다는 점에서 강점이 있다.

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Fig. 8.

Sketch of (a) a depleted gas field for the CAES system and (b) compressed air reservoir (King and Apps, 2013).

가스전은 일반적으로 지하수를 포함하는 구조 트랩과 층서 트랩에서 발견된다. 트랩 내에서는 지하수, 공기, 천연가스 등 3가지 유체의 유동이 발생한다. 압축공기는 구조 트랩이나 층서 트랩의 가스전 모두 저장이 가능하다. 주입된 압축공기는 가스전 내 잔류 탄화수소인 천연 가스를 밀어내어 주변으로 이동시키며, 그 결과 공기/가스 버블은 실제 CAES 주기기에 공급될 수 있는 압축공기 버블층(working air bubble), 산화된 공기 완충층(oxidized air cushion), 천연 가스층을 형성하게 된다(Fig. 8(b)).

압축공기를 저장하기 위한 폐가스전 선택 시 투과성 평가, 공기 산화에 의한 산소고갈 가능성, 폭발 유발 환경 등을 검토해야 한다.

특히, 폐가스전에 압축공기를 주입하면 다공성 매질 내 잔류 탄화수소와 반응하여 투과성을 감소시키는 화합물과 부식성 물질이 형성될 수 있다. 폐가스전에 설치된 배관(pipe)과 시멘트 케이싱을 열화시키는 부식 유형에는 생물학적 부식, 균일(uniform) 부식, 피팅(pitting) 부식, 갈바닉(galvanic) 부식, 틈새(crevice) 부식, 침식 부식, 피로(fatigue) 부식, 마손(fretting) 부식 등이 있다. 압축공기 주입에 의한 부식은 고압 및 고온 조건에서, 특히 상당한 수분이 존재할 때 더욱 빨라질 수 있다. 침식 부식, 부식 피로, 마손 부식 등은 압축공기 저장과는 무관하여 적절한 배관과 케이싱 재료의 선택으로 예방할 수 있다. 그러나 일부 부식 현상은 압축공기 저장에 특정 문제를 일으킬 수 있고, 균일 부식 및 피팅 부식과 같은 전기 화학적 부식 과정을 막기 위해서는 배관 및 유정용 튜블러의 내부 코팅이 필요하다. 이러한 코팅과 라이닝은 부식의 영향을 일부 완화할 수 있지만, 내식성이 뛰어난 재료를 적용하더라도 열화현상에 대한 모든 배관 및 유정 재료의 상태에 대한 모니터링이 필수적이다(Fig. 9). 물은 전해질을 형성하여 부식 속도를 높일 수 있으므로 건조 공기(dry air)를 주입하는 것이 효과적일 수 있다(Succar and Williams, 2008).

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Fig. 9.

Photograph of fracture on the protective FRP (fiberglass-reinforced plastic) string in the Huntorf CAES facility in Germany (Crotogino et al., 2001).

생물학적 부식을 유발하는 황산화 균과 같은 호기성 박테리아(GAB, General Aerobic Bacteria)는 압축공기 저장 환경에서 번성할 수 있다. 이 박테리아는 천연 황을 황산으로 산화시켜 시추 배관과 케이싱 시멘트에 부식을 일으킬 수 있으며, 특히 배관 표면에 부분 부식과 기공 형성의 원인이 된다. 한편, 부유성 플랑크톤도 다공성 매질의 투과성에 영향을 미칠 수 있다(Succar and Williams, 2008). 시추 작업 중 가스전이 오염되지 않게 이수 선택에 주의를 기울여야 하며, 기존 박테리아 종의 개체수를 제어하기 위해 관련 종을 확인한 후 살균제를 공기와 함께 주입할 수도 있다. Chen과 Chen(1984)는 부식의 원인 박테리아 검출을 위한 저류층 분석 기술에 대해 상세히 기술한 바 있다.

한편, 잔류 탄화수소로 인해 고압 공기가 유입될 때 가연성 및 현장 연소 위험이 발생할 수 있다. 천연가스/공기 혼합물의 가연성은 CAES의 주기기 작동에 문제를 일으킬 수 있다. 이 문제는 천연가스를 활성 버블 영역에서 멀리 이동시키거나 경우에 따라 공기/천연가스 혼합을 희석시키기 위해 질소 주입을 통해 완화시킬 수 있다(EPRI, 1990).

지질학적 저장의 입지제약성

용해채굴에 의해 형성된 암염 공동, 수벽 시스템을 갖춘 무복공 암반굴착 저장공동, 내압 및 기밀 기능을 위해 별도 인공구조물을 가진 복공식 암반굴착 저장공동 등 지하 환경 내 고압의 압축공기 저장 방식은 지상 저장 방식에 비해 안전성, 경제성, 부지 활용성, 확장성 측면에서 훨씬 장점이 많은 저장 방식이다.

암염 공동은 암반굴착 저장공동에 비해 건설비와 같은 초기 투자비 측면에서 강점이 있다. 다만 최근 성장하고 있는 재생에너지 통합 시장과 계통 유연성 자원으로 기능하기 위해서는 가급적 발전원 근처에 위치하는 것이 적절하다. 이런 관점에서 암염 분포는 재생에너지원이나 주요 발전원의 위치와 다소 차이가 있으며, 암염 공동을 활용한 CAES는 재생에너지 통합 시장에서 역할은 제한적일 수 있다(Fig. 10). 대안으로서 암반굴착 저장공동을 활용하는 부분은 여전히 비용적 측면과 운영 수명 측면에서 암반공학적 접근을 통해 입지 유연성의 장점을 극대화시킬 수 있다.

암반굴착 저장공동 방식은 크게 무복공식 암반 공동(unlined rock cavern)과 복공식 암반 공동(lined rock cavern)으로 구분할 수 있으며, 정압저장과 정적저장에 모두 적용할 수 있는 개념이다. 앞서 설명한 바와 같이 정압저장에 적용할 수 있는 무복공식 암반 공동은 공동의 체적을 효과적으로 줄일 수 있지만, 보상수 공급을 위한 상류 저수지와 운영압력 유지를 위한 깊은 심도의 저장공동이 필요하다. 반면, 정적저장 방식을 적용할 수 있는 복공식 암반 공동은 암반 조건에 따라 피복암의 두께를 최적화시킴으로써 비교적 낮은 심도에 위치시킬 수 있다.

저장체적 산정

CAES 시스템은 압축공기를 저장하는 방식에 따라 다양한 방식으로 운영될 수 있다. 가장 일반적인 저장 운영 방식은 정적조건(isochoric condition) 하에서 CAES 시스템을 운영하는 것이다. 이는 저장 체적이 고정되어 적절한 압력 범위에서 운영된다는 의미이다. 운영 방식은 저장공동 내 압력 변화에 따라 고압 터빈 입구 압력(high pressure turbine inlet pressure)이 변하는 방식과 압력 조절을 통해 고압 터빈의 입구 압력을 일정하게 유지하는 방식 등 두 가지 운영 옵션이 있다. 후자의 경우 조절 손실(throttling loss)로 인하여 전자에 비해 큰 저장 체적이 필요함에도 현재 운영 중인 CAES 플랜트 모두 일정 입구 압력 방식으로 운영하고 있다. Huntorf 플랜트의 경우 고압 터빈 입구 압력이 46 bar로 조절되도록 설계되어 운영되며(저장공동 내 압력은 48~66 bar), McIntosh 플랜트는 비슷한 45 bar로 조절되어 공급된다(저장공동 내 압력은 45~74 bar). 세 번째는 저장공동 내 압력을 일정하게 유지하는 방식인 정압저장(isobaric storage)이다. 압력 보상수를 이용한 암반굴착 저장공동 방식(Fig. 3(a))이나 수중 정수압 상태를 응용한 수중 압축공기 저장 방식(Fig. 3(b))을 통해 적용할 수 있다.

정압조건과 정적조건의 운영조건에서 저장공동의 단위 체적당 생산할 수 있는 전기에너지 양인 저장에너지 밀도(storage energy density)를 계산하는 것은 CAES 플랜트 설비 요구사항에 부합하는 저장공동 건설 계획 수립에 매우 중요하다.

Succar와 Williams(2008)는 Zaugg(1975)이 제시한 D- CAES의 저장공동 체적 모델을 토대로 재구성한 바 있으며, 이는 고압 및 저압 터빈으로 구성된 2단 터빈을 적용한 경우로 제한된 모델이다(Fig. 11). Roos와 Haselbacher (2022)는 Zaugg 모델을 기초로 다단 터빈까지 새로운 모델로 확장하여 단열 CAES(A-CAES)의 에너지저장 밀도 및 저장공동의 체적을 산정하는 모델을 제안하였다.

A-CAES와 관련한 모델은 Glendenning(1976)가 제시한 압축기와 터빈으로만 구성된 플랜트에 대한 모델에서 출발할 수 있다. 이 모델은 저장공동과 충전 및 방전 과정에서의 부정류 특성을 고려하지 않은 모델로, TES의 효율이 100%인 AA-CAES 플랜트의 가장 단순화된 모델이다(Fig. 10(a)). 이후 Frutschi(1985)는 이 모델을 확장하여 TES를 고려한 A-CAES 모델의 효율 분석 모델을 제시한 바 있다.

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Fig. 10.

A comparison of areas of high-quality wind resources and geology compatible with CAES (Succar and Williams, 2008).

본 절에서는 Succar와 Williams(2008)가 재구성한 모델에 대한 접근법을 설명하고, Roos와 Haselbacher(2022)의 2단 터빈이 적용된 CAES의 저장 체적 산정 결과를 소개하고자 한다.

저장에너지 밀도

CAES 시스템에서 지질학적 조건을 평가하기 위한 주요 인자 중 하나는 저장공동의 단위 체적당 생산할 수 있는 전기에너지 양인 저장에너지 밀도, $E_{G E N} / V_{S}$ 를 이해하는 것이 중요하다.

터빈에서 생산되는 전기에너지는 다음과 같이 주어진다:

(2)

E_{G E N} = η_{M} η_{G} \int_{0}^{t} {\dot{m}}_{T} W_{C V, T O T} d t

여기서, 적분항은 터빈 내 공기 팽창과 연료에 의해 생성되는 기계적 일을 의미하며, $W_{C V, T O T}$ 는 이 과정에서 생성한 단위 질량당 전체 기계적 일, ${\dot{m}}_{T}$ 는 공기 질량 유량, $t$ 는 최대 출력에서 저장된 압축공기를 모두 소진하는데 소요된 시간, $η_{M}$ 은 터빈의 기계적 효율, $η_{G}$ 는 발전기 효율이다.

Huntorf 플랜트와 McIntosh 플랜트는 고압과 저압 터빈(팽창기)를 이용한 2단 팽창과정으로 전기를 생산하기 때문에 터빈의 일은 아래 식과 같이 각 단계 출력의 합으로 표현할 수 있다:

(3)

W_{C V, T O T} = W_{C V_{1}} + W_{C V_{2}} = - \int_{P_{1}}^{P_{2}} V d P - \int_{P_{2}}^{P_{b}} V d P

여기서 $P_{1}, P_{2}, P_{b}$ 는 각각 고압 터빈 입구 압력, 저압 터빈 입구 압력, 대기압이다. 식 (3)의 첫 번째 항은 고압 터빈 입구 압력 $P_{1}$ 에서 저압 터빈 입구 압력 $P_{2}$ 로 팽창시켜 생성된 일이며, 두 번째 항은 저압 터빈 입구 압력 $P_{2}$ 에서 대기압( $P_{b}$ )로 팽창시켜 생성된 일이다.

먼저 첫 번째 팽창과정으로부터 얻은 일을 살펴보면, 단열 압축을 가정하고 작동 유체가 비열이 일정한 이상기체( $P \cdot V^{k} = c (c o n t a n t)$ , 비열비(specific heat ratio) $k_{1} = {C_{P}}_{1} / {C_{V}}_{1}, C_{V}$ 는 정적비열, $C_{P}$ 는 정압비열)라고 가정하면 단위 질량당 일은 다음과 같다.

(4)

W_{C V 1} = \int_{P_{2}}^{P_{1}} V d P = c^{1 / k_{1}} \int_{P_{2}}^{P_{1}} \frac{d P}{P^{1 / k_{1}}} = \frac{k_{1}}{k_{1} - 1} {[P {(\frac{c}{P})}^{1 / k_{1}}]}_{P_{2}}^{P_{1}} = \frac{k_{1}}{k_{1} - 1} [P_{1} V_{1} - P_{2} V_{2}] = \frac{c_{V}}{c_{P} - c_{V}} \frac{c_{P}}{c_{V}} P_{1} V_{1} (1 - \frac{P_{2} V_{2}}{P_{1} V_{1}}) = c_{P} T_{1} [1 - {(\frac{P_{2}}{P_{1}})}^{\frac{k_{1} - 1}{k_{1}}}]

식 (4)와 동일한 유도과정으로 두 번째 팽창과정의 일 $W_{C V 2}$ 을 합하여 단위 질량당 전체 일( $W_{C V 2}$ )은 다음 식과 같다.

(5)

W_{C V, T O T} = c_{P_{2}} T_{2} (\frac{c_{P_{1}} T_{1}}{{c_{P}}_{2} T_{2}} [1 - {(\frac{P_{2}}{P_{1}})}^{\frac{k_{1} - 1}{k_{1}}}] + [1 - {(\frac{P_{b}}{P_{2}})}^{\frac{k_{2} - 1}{k_{2}}}])

또한, 터빈을 통해 나온 전체 질량 유량은 주입된 공기와 연료로 표현할 수 있다.

(6)

{\dot{m}}_{T} = {\dot{m}}_{A} + {\dot{m}}_{F} = {\dot{m}}_{A} (1 + \frac{{\dot{m}}_{F}}{{\dot{m}}_{A}})

${\dot{m}}_{F} {\dot{m}}_{A} \approx c o n s t a n t$ 이며 단위 체적당 터빈에서 생산할 수 있는 전기에너지는 다음 식과 같이 계산할 수 있다:

(7)

\frac{E_{G E N}}{V_{S}} = \frac{α}{V_{S}} \int_{0}^{t} \dot{m_{A}} (β + 1 - {(\frac{P_{b}}{P_{2}})}^{\frac{k_{2} - 1}{k_{2}}}) d t

여기서 𝛼와 𝛽는 다음과 같다:

(8)

α = η_{M} η_{G} c_{P} 2 T_{2} (1 + \frac{{\dot{m}}_{F}}{{\dot{m}}_{A}})

(9)

β = \frac{{c_{P}}_{1} T_{1}}{{c_{P}}_{2} T_{2}} [1 - {(\frac{P_{2}}{P_{1}})}^{\frac{k_{1} - 1}{k_{1}}}]

정압저장 방식

정압저장 CAES(isobaric CAES)는 전체 팽창과정에서 공기 질량 유량이 일정하여 다음 식과 같이 표현할 수 있다:

(10)

{\dot{m}}_{A} = \frac{m_{A}}{t} = \frac{P_{S} V_{S} M_{W}}{R T_{S} t}

마찬가지로 입구 압력과 온도가 항상 일정하기 때문에 식 (7)은 다음과 같이 간단한 형태로 변환된다:

(11)

\frac{E_{G E N}}{V_{S}} = \frac{α}{V_{S}} {\dot{m}}_{A} (β + 1 - {(\frac{P_{b}}{P_{2}})}^{\frac{k_{2} - 1}{k_{2}}}) \int_{0}^{t} d t

식 (10)를 식 (11)에 대입하면 저장에너지 밀도는 다음과 같다:

(12)

\frac{E_{G E N}}{V_{S}} = \frac{α M_{W}}{R T_{S}} P_{S} (β + 1 - {(\frac{P_{b}}{P_{2}})}^{\frac{k_{2} - 1}{k_{2}}})

정적저장/변압발전

정적저장 CAES(isochoric CAES)은 저장공동 내 압력변화( $P_{S 2}$ 에서 $P_{S 1}$ 로)가 발생하는 점에서 변압저장이며, 터빈 입구에 공급되는 압력의 변화 여부에 따라 정압발전과 변압발전으로 구분할 수 있다.

고압 터빈 내에서 압력비, $P_{2} / P_{1}$ 는 일정하기 때문에 저압터빈 내에서의 압력비는 저장공동의 압력 $P_{S}$ 에 비례한다(Zaugg, 1975):

(13)

\frac{P_{b}}{P_{2}} = \frac{P_{1}}{P_{2}} \frac{P_{b}}{φ P_{S}} = \frac{c o n s t a n t}{P_{S}}

여기서 𝜑는 저장공동에서 터빈 입구까지의 압력손실을 설명하는 보정계수로 0.9이하의 값을 가진다:

(14)

\dot{m_{A}} = \frac{d}{d t} (\frac{V_{S} P_{S} M_{W}}{R T_{S}}) = \frac{d}{d t} (\frac{V_{S} M_{W} P_{S}}{R T_{S 2}} {(\frac{P_{S 2}}{P_{S}})}^{\frac{k_{S} - 1}{k_{S}}}) = \frac{1}{k_{S}} [\frac{V_{S} M_{W}}{R T_{S 2}} {(\frac{P_{S 2}}{P_{S}})}^{\frac{k_{S} - 1}{k_{S}}}] \frac{d P_{S}}{d t}

식 (13)과 식 (14)를 식 (7)에 대입하면, 저장에너지 밀도는 식 (15)와 같다:

(15)

\frac{E_{G E N}}{V_{S}} = \frac{α M_{W}}{R T_{S 2}} \frac{(P_{S 2})^{\frac{k_{S} - 1}{k_{S}}}}{k_{S}} \int_{P_{S 1}}^{P_{S 2}} {(\frac{1}{P_{S}})}^{\frac{k_{S} - 1}{k_{S}}} (β + 1 - {(\frac{P_{1}}{P_{2}} \frac{P_{b}}{φ P_{S}})}^{\frac{k_{2} - 1}{k_{2}}}) d P_{S} = \frac{α M_{W}}{R T_{S 2}} \frac{(P_{S 2})^{\frac{k_{S} - 1}{k_{S}}}}{k_{S}} \{(β + 1) \int_{P_{S 1}}^{P_{S 2}} {(\frac{1}{P_{S}})}^{\frac{k_{S} - 1}{k_{S}}} d P_{S} - {(\frac{P_{1}}{P_{2}} \frac{P_{b}}{φ})}^{\frac{k_{2} - 1}{k_{2}}} \int_{P_{S 1}}^{P_{S 2}} {(\frac{1}{P_{S}})}^{\frac{k_{S} - 1}{k_{S}} + \frac{k_{2} - 1}{k_{2}}} d P_{S}\} = \frac{α M_{W}}{R T_{S 2}} \frac{P_{S 2}}{k_{S}} \{(β + 1) \frac{1}{(P_{S 2})^{1 / k_{S}}} \int_{P_{S 1}}^{P_{S 2}} {(P_{S})}^{\frac{1}{k_{S}} - 1} d P_{S} - {(\frac{P_{1}}{P_{2}} \frac{P_{b}}{φ})}^{\frac{k_{2} - 1}{k_{2}}} \frac{(P_{S 2})^{- \frac{k_{2} - 1}{k_{2}}}}{(P_{S 2})^{\frac{1}{k_{S}} + \frac{1}{k_{2}} - 1}} \int_{P_{S 1}}^{P_{S 2}} {(P_{S})}^{\frac{1}{k_{S}} + \frac{1}{k_{2}} - 2} d P_{S}\} = \frac{α M_{W} P_{S 2}}{R T_{S 2}} \{(β + 1) (1 - {(\frac{P_{S 1}}{P_{S 2}})}^{1 / k_{S}}) - {(\frac{P_{1}}{P_{2}} \frac{P_{b}}{φ P_{S 2}})}^{\frac{k_{2} - 1}{k_{2}}} \frac{1}{k_{S} (\frac{1}{k_{S}} + \frac{1}{k_{2}} - 1)} (1 - {(\frac{P_{S 1}}{P_{S 2}})}^{\frac{1}{k_{S}} + \frac{1}{k_{2}} - 1})\}

정적저장/정압발전

정적저장 CAES의 또 다른 형태인 정적저장/정압발전은 저장공동의 압력 $P_{S}$ 에서 고압 터빈 입구 압력 $P_{1}$ 으로 조절되어 공기 질량 유량과 출력을 일정하게 유지하는 방식이다. 정압저장 방식과 같이 압축공기의 팽창 과정에서 기계적 일을 표현하는 적분은 시간에 대한 평균으로 단순화시킬 수 있으나, 정적저장 방식의 저장공동에서 배출되는 순 공기 질량 유량(net air mass flow rate)은 $P_{S 2}$ 에서 $P_{S 1}$ 의 범위로 변화하는 저장 압력의 함수이다:

(16)

\dot{m_{T}} = \frac{∆ m_{A}}{t} (1 + \frac{\dot{m_{F}}}{\dot{m_{A}}})

(17)

∆ m_{A} = \frac{V_{S} P_{S 2}}{R T_{S 2}} - \frac{V_{S} P_{S 1}}{R T_{S 1}} = \frac{V_{S} P_{S 2}}{R T_{S 2}} (1 - {[\frac{P_{S 1}}{P_{S 2}}]}^{\frac{1}{k_{S}}})

식 (16)과 식 (17)를 식 (7)에 대입하면 다음과 같은 저장에너지 밀도를 얻을 수 있다:

(18)

\frac{E_{G E N}}{V_{S}} = \frac{α M_{W} P_{S 2}}{R T_{S 2}} (β + 1 - {(\frac{P_{b}}{P_{2}})}^{\frac{k_{2} - 1}{k_{2}}}) (1 - {(\frac{P_{S 1}}{P_{S 2}})}^{\frac{1}{k_{S}}})

저장 체적 산정

Fig. 11은 정압저장, 정적저장/정압발전, 정적저장/변압발전 CAES의 저장에너지 밀도를 최대 저장 압력의 함수로 계산한 그래프이며, 또한 정적저장/정압발전 CAES와 정적저장/변압발전 CAES의 저장에너지 밀도를 저장압력 비(storage pressure ratio)의 함수로 계산된 도표도 포함하고 있다(Succar and Williams, 2008).

방전 시간은 저장공동의 최대 압력에서 밸브가 처음 열린 후 저장공동의 최소 작동 압력에 도달하는 순간까지의 시간이다. 저장공동의 유형, 즉 정압저장 혹은 정적저장에 따라 단위 체적당 생산할 수 있는 에너지 양은 Fig. 11과 유사한 추세로 변화한다.

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Fig. 11.

The energy produced per unit volume for different CAES configurations (Zaugg, 1975).

세 가지 경우 모두 저장에너지 밀도, $E_{G E N} / V_{S}$ 는 저장 압력 $P_{S 2}$ 혹은 단위 체적당 질량 $P_{S 2} \cdot M_{W} / R T_{S 2}$ 이 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가한다. 그러나 일부 경우에는 저장공동의 열적 환경에 따라 애프터쿨러에서 열 손실이 크게 발생할 수 있다(Elmegaard et al., 2005).

특히 정적저장/변압발전에 비해 정적저장/정압발전에서 조절 손실이 발생하여 보다 큰 저장 용량의 저장공동이 필요할 수 있지만, 발전원 규모에서는 큰 문제가 되지는 않는다. 특히 조절 손실은 큰 초기 압력( $P_{S 2} > 60$ bar)에서 작아지며, 이는 보다 높은 터빈 효율과 간소화된 시스템 운영이 지닌 이점으로 상쇄되기 때문에 Huntorf 플랜트와 McIntosh 플랜트에서 정적저장/변압발전 CAES 시스템을 적용하였다.

정적저장 방식의 CAES는 정압저장 방식보다 큰 용량의 저장 공간이 필요하지만, 저장 공간과 터빈의 압력 한계가 일치하는 범위 내에서 저장압력 범위를 적절하게 설계함으로써 저장 공간의 체적을 효과적으로 줄일 수 있다. 정압저장과 정적저장/변압발전의 저장에너지 밀도의 비는 다음과 같다 (식 (12)와 식 (18)의 비로, 정압저장에서의 $P_{S}$ 와 $T_{S}$ 는 정적저장에서의 $P_{S 2}$ 와 $T_{S 2}$ 와 같음):

(19)

(1 - {[\frac{P_{S 1}}{P_{S 2}}]}^{\frac{1}{k_{S}}})

식 (19)의 값은 $P_{S 2} / P_{S 1}$ 이 증가함에 따라 증가한다(Fig. 12). 따라서 큰 압력 변동과 높은 최대 저장 압력을 견딜 수 있는 지층을 선택함으로써 저장에너지 밀도를 높일 수 있고, CAES 플랜트 소요 부지의 면적을 줄일 수 있다.

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Fig. 12.

The ratio of storage energy density between an isochoric CAES system with constant turbine inlet pressure (Case 3) and an isobaric CAES reservoir (Case 1) as a function of the ratio between the operating pressures of the Case 3 system ( $P_{S 2} / P_{S 1}$ ), assuming $k_{S} = 1.4$ and $(P_{S 2} / T_{S 2}) / (P_{S 1} / T_{S 1}) = 1$ (modified from Succar and Williams, 2008).

낮은 압력 비에서는 평균적으로 2~4 $k W h / m^{3}$ 범위의 저장에너지 밀도를 가진다. Huntorf 플랜트의 경우, $P_{S 2} /, P_{S 1} = 1.38, P_{S 2} = 66 b a r, E_{G E N} / V_{S} = 3.74 k W h / m^{3}$ 이다. 반면, 높은 운전 압력과 큰 압력 비에서는 6~9 $k W h / m^{3}$ 범위의 저장에너지 밀도를 가지며, Alstom의 최신 터빈을 적용 시 $P_{S 2} / P_{S 1} = 2.0, P_{S 2} = 110, E_{G E N} / V_{S} = 8.44 k W h / m^{3}$ 이다(Eckroad et al., 2003; Tuschy et al., 2004).

Roos와 Haselbacher(2022)의 2단 터빈이 적용된 CAES의 저장 체적 산정 모델은 Fig. 13의 Zaugg(1975) 모델에 기초한다.

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Fig. 13.

Component and state numbering in Zaugg’s model for a two-stage turbine (Roos and Haselbacher, 2022).

Fig. 14는 고압터빈의 입구온도 (hp TIT) $T_{1} = 825 K$ 과 저압터빈의 입구온도(lp TIT) $T_{2} = 1100 K$ 로 제시된 Zaugg (1975)의 조건을 적용한 경우이다. $T_{2}$ 가 $T_{1}$ 보다 높은 이유는 고압터빈에서 팽창된 공기를 연료와 함께 연소시켜 저압터빈 입구로 공급하기 때문이다. 또한, $T_{1} / T_{S} 1 = 825 / 300 = 2.75$ 이고, $P_{2} / P_{S 1} = 0.5$ 인 경우, $η_{G} = 0.98, η_{M} = 0.85$ 와 같이 효율을 가정하면 Fig. 14의 결과를 얻을 수 있으며, 이는 Fig. 11과 잘 부합하는 결과를 보여준다. 저장공동의 최대 저장압력과 압력 범위를 $P_{S 2} / P_{b} = 80$ 과 $P_{S 2} / P_{S 1} = 1.4$ 로 계획 시 저장에너지 밀도 $E_{G E N} / V_{S} \approx 3.8 k W h / m^{3}$ 로 계산되며, 500 $M W h$ 의 전기에너지를 생산하기 위해 2단 터빈이 적용된 정적저장 방식의 CAES는 $131, 579 m^{3}$ 의 저장공동 체적이 필요하다.

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Fig. 14.

Energy storage density, $E_{G E N} / V_{S}$ , assuming , $η_{s . t .} = 0.85$ (isentropic efficiency), $T_{1} / T_{S 2} = 825 / 300 = 2.75, T_{2} / T_{1} = 1100 / 825 \approx 1.33, P_{2} / P_{S 2} = 0.5, k = 1.4$ , and $P_{b} = 1$ (atm).

결 론

압축공기 저장을 위해 암염, 대수층, 폐가스전 등과 같은 지질구조를 활용하는 방식인 지질학적 저장은 나름의 경제적 강점을 이유로 지금까지 많은 검토가 이루어졌다. 암염돔과 달리 암영층은 압축공기 저장공동으로 활용하기 위해 암염 구조 내 불용성 불순물, 채굴된 소금의 처분, 암염 재료의 가소성 특성에 기인하는 잠재적 붕락 위험 등과 같은 공학적 현안을 해결해야 한다. 대수층 저장 방식은 CAES 작동압력 수준의 정수압 환경이 보장되어야 하며, 우물(주입정/생산정)의 생산성의 한계와 잠재적 산소고갈 그리고 공기와 물의 동시 배출 가능성에 대한 현안들을 가진다. 폐가스전을 활용 시에는 사전에 잔류 천연가스와의 화학적 반응에 의한 폭발 가능성과 터빈 내 연소를 어렵게 할 수 있는 저장 공기의 산화 여부 등을 면밀하게 검토해야 한다. 또한, 대수층 및 폐가스전 내 기포가 생성하는 현상인 샴페인 효과의 영향도 중요하다.

CAES 플랜트의 저장공동 건설 계획 수립에 있어 주기기의 요구사항에 부합하는 최대 저장압력과 운영 압력 범위의 내압성능과 저장 체적을 확보해야 한다. 이를 위해 저장에너지 밀도 개념을 살펴보았으며, 정압조건과 정적저장/정압발전, 정적저장/변압발전의 운영조건에 대한 저장에너지 밀도의 추정식을 검토하였다. 이로부터 주어진 주기기 및 운영 조건에서 저장공동의 단위 체적당 생산할 수 있는 전기에너지 양을 계산할 수 있으며, 2단 터빈이 적용된 D-CAES에서 정적저장/변압발전조건의 저장공동 체적 계산을 예시로 제시하였다.

CAES는 재생에너지원의 비중이 높아짐에 따라 장주기 대용량 에너지저장장치로서 재평가되고 있는 에너지저장장치이다. CAES가 장주기 대용량 ESS 시장에서 경쟁력을 지니기 위해서는 무엇보다도 입지제약에서 자유롭고 경제성을 확보할 수 있는 저장 기술 개발이 전제되어야 한다. 따라서, 지질학적 저장과 관련한 공학적 현안들과 경제성 문제를 해결할 암반공학적 해법이 더욱 필요한 시점이다.

Acknowledgements

본 연구는 한국지질자원연구원의 주요사업(GP2021-007)의 지원으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

References

Bollinger, B., 2015. Technology Performance Report SustainX Smart Grid Program, US Department of Energy, Washington, DC, USA. 49p.

Braytonenergy, 2023.03.01., https://www.braytonenergy.net/our-projects/ucaes-undersea-compressed-air-energy-storage/

Chen, E.Y. and Chen, R.B., 1984. Monitoring microbial corrosion in large oilfield water systems, Journal of Petroleum Technology, 36, p.1171-1176. 10.2118/11509-PA

Collins, S., 1993. Commercial options for energy storage multiply, Power, 137(1), p.55-57.

Crotogino, F., Mohmeyer, K.U., and Scharf, R., 2001. Huntorf CAES: More than 20 years of successful operation, Solution Mining Research Institute Meeting, Orlando, Florida, USA.

DOE, US., DOE Global Energy Storage Database, 2022.02.01., https://sandia.gov/ess-ssl/gesdb/public/projects.html

Eckroad, S., Gyuk, I., Mears, L., and Gotschall, H., 2003. EPRI-DOE Handbook of Energy Storage for Transmission and Distribution Applications, EPRIDO-1001834, Palo Alto, CA, USA. 512p.

Elmegaard, B., Szameitat, N., and Brix, W., 2005. Compressed air energy storage (CAES) - possibilities in Denmark, 18th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation, and Environmental Impact of Energy Systems. Trondheim, Norway, p.1499-1507.

EPRI, 1982. Compressed-Air Energy Storage Preliminary Design and Site Development Program in an Aquifer, Electric Power Research Institute, Palo Alto, CA, USA, EM-2351.

EPRI, 1990. Compressed-air energy storage: Pittsfield aquifer field test. Test data: engineering analysis and evaluation, Electric Power Research Institute, Palo Alto, CA, USA, EPRI GS-6688.

Frutschi, H.U., 1985. Efficiency of thermal power generation in air-storage power plants, Brown Boveri Review, 72(3), p.125-129.

Fuchs, G., Lunz, B., Leuthold, M., and Sauer, D.U., 2012. Technology Overview on Electricity Storage, ISEA, Aachen, June, 26.

Geological digressins, 2023.03.01., https://www.geological-digressions.com/mineralogy-of- evaporites-the-rise-of-diapirs/

Gillhaus, A. and Horváth, P.L., 2008. Compilation of Geological and Geotechnical Data of Worldwide Domal Salt Deposits and Domal Salt Cavern Fields. Solution Mining Research Institute Report, Clarks Summit, PA, USA.

Giramonti, A.J. and Smith, E.B., 1981. Control of the champagne effect in CAES power plants, Proceedings of Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, East Hartford, Connecticut, USA. p.984-988.

Giramonti, A.J. and Smith, E.B., 2012. Analytical simulation of the champagne effect in CAES power plants, Journal of Energy, 7(6), p.570-574. 10.2514/3.62700

Glendenning, I., 1976. Long-term prospects for compressed air storage, Applied Energy, 2, p.39-56. 10.1016/0306-2619(76)90038-6

Hydrostor, 2023.02.01., https://www.hydrostor.ca/

Kim, H.M., Rutqvist, J., Ryu, D.W., Choi, B.H., Sunwoo, C., and Song, W.K., 2012. Exploring the concept of compressed air energy storage (CAES) in lined rock caverns at shallow depth: a modeling study of air tightness and energy balance, Applied Energy, 92, p.653-667. 10.1016/j.apenergy.2011.07.013

Kim, Y.M., Lee, J.H., Kim, S.J., and Favrat, D., 2012. Potential and evolution of compressed air energy storage: energy and exergy analyses, Entropy, 14(8), p.1501-1521. 10.3390/e14081501

King, M. and Apps, J., 2013. Compressed air energy storage: matching the earth to the turbo-machinery-no small task, available at https://www.sandia.gov/ess-ssl/EESAT/2013_papers/Compressed_Air_Energy_Storage_Matching_the_Earth_to_the_Turbo-Machinery_-_No_Small_Task.pdf

Li, Y., Yu, H., Luo, X., Liu, Y., Zhang, G., Tang, D., and Liu, Y., 2023. Full cycle modeling of inter-seasonal compressed air energy storage in aquifers, Energy, 263, 125987. 10.1016/j.energy.2022.125987

Madlener, R. and Latz, J., 2013. Economics of centralized and decentralized compressed air energy storage for enhanced grid integration of wind power, Applied Energy, 101, p.299- 309. 10.1016/j.apenergy.2011.09.033

Olabi, A.G., Wilberforce, T., Ramadan, M., Abdelkareem, M.A., and Alami, A.H., 2021. Compressed air energy storage systems: components and operating parameters - a review, Journal of Energy Storage, 34, 102000. 10.1016/j.est.2020.102000

Parkes, D., Evans, D.J., Williamson, P., and Williams, J.D.O., 2018. Estimating available salt volume for potential CAES development: A case study using the Northwich Halite of the Cheshire Basin, Journal of Energy Storage, 18, p.50-61. 10.1016/j.est.2018.04.019

Pimm, A., Garvey, S., and de Jong, M., 2014. Design and testing of energy bags for underwater compressed air energy storage, Energy, 66, p.496-508. 10.1016/j.energy.2013.12.010

Power, R.W.E., 2010. ADELE-Adiabatic Compressed Air Energy Storage for Electricity Supply, RWE Power AG, Essen/Kőln, 141.

Qiu, Y., 2023. Application trend analysis of compressed air energy storage and gas storage, Highlights in Science, Engineering and Technology, 33, p.14-19. 10.54097/hset.v33i.5238

Raju, M. and Khaitan, K. S., 2012. Modeling and simulation of compressed air storage in caverns: a case study of the Huntorf plant, Applied Energy, 89, p.474-481. 10.1016/j.apenergy.2011.08.019

RICAS, 2023.02.01., https://www.ricas2020.eu/

Roos, P. and Haselbacher, A., 2022. Analytical modeling of advanced adiabatic compressed air energy storage: Literature review and new models, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 163, 112464 10.1016/j.rser.2022.112464

Ryu, D.W., 2023. Compressed Air Energy Storage: Status, Classification and Characteristics, Journal of The Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers, 60(1), p.38-58. 10.32390/ksmer.2023.60.1.038

Succar, S. and Williams, R.H., 2008. Compressed Air Energy Storage: Theory, Resources, and Applications for Wind Power, Princeton Environmental Institute, 81p.

Tuschy, I., Althaus, R., Gerdes, R., and Keller-Sornig, P., 2004. Evolution of gas turbines for compressed air energy storage, VGB Powertech, 85, p.84-87.

Weber, O., 1975. Air-Storage gas turbine power station at Huntorf, Brown Boveri Review, 62, p.332-337.

Wolf, D., 2011. Methods for Design and Application of Adiabatic Compressed Air Energy Storage Based on Dynamic Modeling, Oberhausen, Lufen, Germany.

Zaugg, P., 1975. Air-storage power generating plants, Brown Boveri Review, 62, p.338-347.

각주

[1] 1) McIntosh CAES의 경우 45기압으로 터빈에 공급됨.

Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers ISSN:2288-0291(Print) 2288-2790(Online) 한국자원공학회지

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Compressed Air Energy Storage: Geological Storage and Volume Requirement

ABSTRACT

MAIN

Fig. 1.

Schematic diagram of (a) diabatic and (b) adiabatic compressed air energy storage (Fuchs et al., 2012).

Fig. 2.

Schematic diagram of the SustainX isothermal CAES plant (Kim et al., 2012).

Fig. 3.

Types of isochoric compressed air storage: (a) underground storage with constant pressure reservoirs (Weber, 1975), (b) underwater flexible energy bag (Pimm et al., 2014), and (c) underwater rigid modular structures (Braytonenergy, 2023).

Fig. 4.

Schematic to illustrate the depths of operational and proposed global gas storage caverns in relation to operational and proposed global CAES caverns (Parkes et al. 2018).

Fig. 5.

Schematic of various salt structures (Gillhaus and Horváth, 2008).

Fig. 6.

Diagram of stages of diapirism during crustal extension (Geological digressions, 2023).

(1)

Fig. 7.

Compressed air storage pressure cycle relative to hydrostatic aquifer pressure (King and Apps, 2013).

Table 1.

Ranking criteria for candidate sites for aquifer CAES (EPRI, 1982)

Fig. 8.

Sketch of (a) a depleted gas field for the CAES system and (b) compressed air reservoir (King and Apps, 2013).

Fig. 9.

Photograph of fracture on the protective FRP (fiberglass-reinforced plastic) string in the Huntorf CAES facility in Germany (Crotogino et al., 2001).

Fig. 10.

A comparison of areas of high-quality wind resources and geology compatible with CAES (Succar and Williams, 2008).

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

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(10)

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(15)

(16)

(17)

(18)

Fig. 11.

The energy produced per unit volume for different CAES configurations (Zaugg, 1975).

(19)

Fig. 12.

Fig. 13.

Component and state numbering in Zaugg’s model for a two-stage turbine (Roos and Haselbacher, 2022).

Fig. 14.

Energy storage density, EGEN/VS , assuming , ηs.t.=0.85 (isentropic efficiency), T1/TS2=825/300=2.75,T2/T1=1100/825≈1.33,P2/PS2=0.5,k=1.4, and Pb=1 (atm).

Acknowledgements

References

각주

Energy storage density, $E_{G E N} / V_{S}$ , assuming , $η_{s . t .} = 0.85$ (isentropic efficiency), $T_{1} / T_{S 2} = 825 / 300 = 2.75, T_{2} / T_{1} = 1100 / 825 \approx 1.33, P_{2} / P_{S 2} = 0.5, k = 1.4$ , and $P_{b} = 1$ (atm).