Modelling of geomechanical performance of underground compressed air energy storage

Niels Tommelein
Modelleren van een ondergrondse opslagruimte voor gecomprimeerde lucht voor energieopslag. Het onderzoekt focust op het thermo-hydraulisch gedrag en de lekkage van lucht naar de omgeving. Het doel bestond erin een set van optimale condities te definiëren voor dergelijke installatie.

Modelleren van geotechnische performantie van ondergrondse energiestockage met gecomprimeerde lucht

Wat met de transitie naar hernieuwbare energie? In het kader van hernieuwbare energie is niet onbelangrijk om de fluctuerende aard van de bron (bijvoorbeeld zon en wind) in rekening te brengen. Aangezien het elektriciteitsnet steeds in evenwicht moet zijn, tussen vraag en aanbod, moeten er systemen geïmplementeerd worden om dit te garanderen.

Dit kan onder de vorm van energieopslag. Klassieke manieren zoals bvb. batterijen en een waterpompcentrale, zijn vaak gebonden aan voorwaarden of beperkingen zoals een geografisch hoogteverschil bij een waterpompcentrale. Een alternatieve, inventieve energieopslag bestaat uit de ondergrondse stockage van gecomprimeerde lucht. Deze gecomprimeerde lucht wordt dan in een later stadium, tijdens energietekorten en piekuren, gebruikt in een aangepaste gascentrale. In feite is één der fasen van een gasturbine naar voren geschoven in tijd.

Deze techniek bestaat erin gedurende periodes van energieoverschotten zoals ’s nachts of tijdens daluren energie te verbruiken en deze om te zetten in gecomprimeerde lucht. Deze lucht wordt dan opgeslagen in ondergrondse ruimtes. Deze ruimtes zijn vaak kunstmatig gecreëerd, maar afhankelijk van de ondergrond is het mogelijk dat dit met ‘beperkte’ investeringen kan gerealiseerd worden. Bijvoorbeeld steenzout biedt een zeer lage permeabiliteit wat ervoor zorgt dat er geen binnenwand moet aangelegd worden. Andere types gesteentes vragen, vaak vanwege hun hogere permeabiliteit of ander eigenschappen, hogere en complexere investeringen.

Het doel van deze thesis was criteria op te stellen welke toelaten het rendement van een dergelijk project te verhogen op het vlak van opslag door de lekkages naar het ondergronds gesteente te minimaliseren. Verder werd ook de invloed van de temperatuur van de geïnjecteerde lucht onderzocht.

In dit werk werd een ondergrondse opslagruimte, dewelke cilindervormig is (diameter 5m), gesimuleerd in een sedimentair siliciklastisch gesteente op een diepte van 100m via een 1D axi-symmetrisch thermo-hydraulisch model met een tweefasig stromingsmodel. Dit stromingsmodel bevat in de vloeibare fase water en opgeloste lucht. De gasfase bevat een mengsel van droge lucht en waternevel. Simulaties werden uitgevoerd op een model dat zich over 30m uitstrekt in dwarsprofiel. De opslagruimte werd als 10cm gemodelleerd om de korte termijn oscillaties tegen te gaan. Dit hield in dat andere parameters hieraan aangepast werden. De opslagruimte werd voorzien van een bekleding in beton van 50cm dik. Dit maakt de totale constructie een straal van 3m heeft in het model met 27m grond in het verlengde.  Alle simulaties werden uitgevoerd in de eindige elementen software Lagamine met als doel criteria en algemene trends te bepalen om de efficiëntie van een dergelijk project te maximaliseren, oftewel de verliezen door lucht lekkages te minimaliseren.

De exploitatie werd gesimuleerd volgens typerende, dagelijkse cyclussen nadat de opslagruimte op een bepaalde basisdruk was gebracht. Deze basisdruk zal de extractie van de later opgeslagen lucht vereenvoudigen. Een cyclus omvat een acht uur durende injectieperiode, een vier uur durende rustperiode, een vier uur durende productieperiode waarbij de gecomprimeerde lucht werd onttrokken van de opslagruimte aan dubbel debiet, en een acht uur durende stabilisatieperiode. Dit maakt dat de geïnjecteerde hoeveelheid lucht per cyclus steeds werd gerecupereerd. De simulaties werden uitgevoerd voor een referentiemodel met een bepaalde set parameters. Hierop zijn dan individuele parametermodellen gemaakt welke toelieten de invloed van één welgekozen parameter (zoals permeabiliteit, injectiedebiet, zuigspanning,..) op het gehele thermo-hydraulische proces te analyseren. Hierbij moet tevens opgemerkt worden dat een laag injectiedebiet, een onmiddellijke invloed heeft op de opgeslagen hoeveelheid energie die kan worden gerecupereerd. Beperktere verliezen in dit specifieke geval, leiden niet per se tot een hogere efficiëntie daar de lagere luchtdruk de extractie uit de opslaglocatie naar de gasturbine kan bemoeilijken.

De simulaties van een niet-beklede opslagruimte tonen aan dat de luchtdruk in de opslagruimte na elke cyclus verder daalt tegenover de basisdruk. Er is dus een aanzienlijke lekkage van lucht, dewelke het rendement naar beneden haalt.  De aanwezigheid van een bekleding is dus sterk aan te raden.

Een beklede opslagruimte werd gesimuleerd in een hydraulisch en thermo-hydraulisch model om de invloed van het thermisch aspect te bestuderen. Het thermo-hydraulisch model toonde zeer scherpe gelijkenissen met het hydraulisch model. Dit bevestigde het vermoeden dat er een lage koppeling bestaat tussen de luchtdruk en temperatuur. De variatie in luchtdruk in de opslagruimte gedurende de cyclus was te linken aan de ideale gaswet en het verschil in injectietemperatuur, aangezien de opslagruimte als constant volume werd beschouwd.

Wanneer een horizontaal profiel van de luchtdruk wordt geplot, is er een evoluerend front in het gesteente te zien naarmate de cyclussen vorderen. Verder is er een duidelijke correlatie tussen de saturatiegraad en de fase van het stromingsmodel. In gesatureerd gesteente komt opgeloste lucht in water voor.

De gevoeligheidsanalyse van het referentiemodel en de individuele parametermodellen lieten toe een set van criteria op te stellen dewelke tot een efficiëntere werking leiden:

·         Grote opslagruimte om de relatieve lekkage te minimaliseren.

·         Lage permeabiliteit van zowel de binnenbekleding alsook de omliggende grond waarbij de binnenbekleding een cruciale factor is.

·         Een voldoende hoge, maar beperkte basisdruk teneinde massaverliezen te beperken.

·         Een hoog injectiedebiet, wat meteen ook de hoeveelheid aan opgeslagen energie verhoogt.

·         Tweewekelijks de basisdruk herstellen.

·         Hoge zuigspanning van minstens de bekleding.

Deze maatregelen zorgen voor een energieopslaginstallatie die de nadelen gebonden aan hernieuwbare energie vereffent.

Bibliografie
  • British Geological Survey, 2015. Underground natural gas storage in the UK. [Online] Available at: http://www.bgs.ac.uk/research/energy/undergroundGasStorage.html [Accessed 5 May 2015].
  • Bullough, C. et al., 2004. Advanced adiabatic compressed air energy storage for integration of wid energy. London UK, EWEC 2004, pp. 22-25.
  • Charlier, R. et al., 2013. An unsaturated hydro-mechanical modelling of two in-situ experiments in Callovo-Oxfordian argillite. Engineering Geology, Issue 165, pp. 46-63.
  • Fluxys, 2012. Storage programme, Loenhout: Fluxys.
  • Gerard, P., 2011. Impact des transferts de gaz sur le comportement poro-mécanique des matériaux argileux. PhD Thesis, p. 301.
  • Ibrahim, H., Ilinca, A. & Perron, J., 2008. Energy storage systems-Characteristics and comparisons. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Issue 12, pp. 1221-1250.
  • Kim, H.-M.et al., 2013. Characterizing excavation damaged zone and stability of pressureized lined rock caverns for underground compressed air energy storage. Rock Mechanics and Rock Engineering, Issue 46, pp. 1113-1124.
  • Kim, H.-M.et al., 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, Issue 92, pp. 653-667.
  • Lagamine, 2008. Lagamine code preprocessore user's guide, Brussels: LagaProgs.
  • Laudone, G. M., Gribble, C. M., Jones, K. L. & J., C. H., 2015. Validated a priori calculation of tortuosity in porous materials including sandstone and limestone. Chemical Engineering Science, Issue 131, pp. 109-117.
  • Martin, L. B., Rutqvist, J. & Birkholzer, J., 2015. Long-term modeling of the thermal-hydraulic-mechanical response of a generic salt repository for heat-generating nuclear waste. Engineering Geology, Issue 193, pp. 198-211.
  • McGrail, B. et al., 2013. Grid-scale technology for renawable integration in the Pacific Northwest. Pacific Northwest National Laboratory, Issue PNNL-22235-FL, p. 8.
  • Mohanto, S., Singh, K., Chakraborty, T. & Basu, D., 2014. Cyclic thermo-mechanical analysis of wellbore in underground compressed air energy storage cavern. Geotechnical and Geologycal Engineering, Issue 32, pp. 601-616.
  • Rutqvist, J. et al., 2012. Modeling of coupled thermodynamic and geomechanical performance of underground compressed air energy storage in lined rock caverns. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, Issue 52, pp. 71-81.
  • Wang, T. et al., 2013. A new shape design method of salt cavern used as underground gas storage. Applied Energy, Issue 104, pp. 50-61.
  • Wyllie, M., 1965. Underground gas storage process. USA, Patent No. 3.175.614.
  • Xia, C. et al., 2015. A simplified and unified analytical solution for temperature and pressure variations in compressed air energy storage caverns. Renewable Energy, Issue 74, pp. 718-726.
  • Yang, C. et al., 2015. Feasibility analysis of usin abandoned salt caverns for large-scale underground energy storage in China. Applied Energy, Issue 137, pp. 467-481.
  • Zlender, B., Jelusic, P. & Boumezerane, D., 2013. The feasibility analysis of underground gas storage caverns. Engineering Structures, Issue 55, pp. 16-25.
Universiteit of Hogeschool
Master of Science in Civil Engineering option Construction and Geomaterials
Publicatiejaar
2016
Promotor
Prof. Pierre Gerard
Kernwoorden