[논문 리뷰] Numerical Simulation of the Impact of Different Cushion Gases on Underground Hydrogen Storage in Aquifers Based on an Experimentally-Benchmarked Equation-of-State

Qingqi Zhao, Yuhang Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 18.

CO2 Sequestration and Geologic InteractionsEnvironmental Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 실험적으로 검증된 상태방정식을 사용하여 두 단계, 세 성분으로 구성된 저류 시뮬레이터를 개발하여, 다양한 쿠시온 가스(CO2, CH4, N2)가 지하 수원에서 수소 유동성과 저장 효율성에 미치는 영향을 조사한다. CO2를 쿠시온 가스로 사용할 경우 밀도 구동 대류에 의해 수상상태에서의 용해도가 향상되어 수소 순도가 최대로 향상되며, CH4와 N2는 수소의 이동성과 생산 속도를 향상시킨다.

ABSTRACT

Underground hydrogen storage (UHS) in geological formations is a promising technology for large-scale hydrogen energy storage. Although lessons were learned from similar studies, including geological carbon sequestration and underground gas storage, the unique thermodynamic and physical properties of hydrogen distinguish UHS from the other subsurface storage projects. We developed a two-phase, three components reservoir simulator, which incorporated essential physics based on the fully coupled multi-physics framework of the Delft Advanced Reservoir Simulation (DARSim). Hydrogen rich fingers were observed in the aqueous phase when CO2 was used as the cushion gas, because dissolved CO2 increased brine density, leading to density-driven downward convection which was favorable for hydrogen dissolution into the aqueous phase. The highest purity of produced hydrogen was observed when CO2 was used as the cushion gas, whereas using CH4 and N2 as the cushion gas was favorable for the hydrogen production rate and mobility. This work is the first study that utilizes an EoS based reservoir simulator to investigate hydrogen's flow patterns and interactions with cushion gases in an underground storage system. The developed reservoir simulation tool and research findings from this study will be valuable to support decision making in practical UHS projects.

연구 동기 및 목표

• 염소수원에서 다양한 쿠시온 가스가 수소 저장 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 기타 지하 가스와 비교할 때 수소가 지닌 고유한 열역학적 및 물리적 과제를 해결하기 위해.
• 수소-쿠시온 가스 상호작용을 정확히 반영할 수 있는 물리 기반 저류 시뮬레이터를 개발하기 위해.
• 다양한 쿠시온 가스 조건에서 수소 순도, 생산 속도, 이동성과 같은 핵심 성능 지표를 평가하기 위해.
• 실험적으로 검증된 상태방정식을 사용하여 실제 지하 수소 저장 프로젝트에 의사결정 지원 도구를 제공하기 위해.

제안 방법

• 델프트 고급 저류 시뮬레이션(DARSim) 프레임워크를 기반으로 한 두 단계, 세 성분으로 구성된 저류 시뮬레이터를 개발하였다.
• 유체의 흐름, 이동, 열역학적 거동을 동시에 모델링하기 위해 완전히 결합된 다물리 모델을 통합하였다.
• 수소 및 쿠시온 가스의 상 행동을 정확히 표현하기 위해 실험적으로 검증된 상태방정식(EoS)을 사용하였다.
• 대표적인 수원 모델에서 CO2, CH4, N2 등 다양한 쿠시온 가스를 사용하여 수소 주입 및 회수 사이클을 시뮬레이션하였다.
• 성능 평가를 위해 수소 포화도, 상 분포, 용해 수소 농도를 추적하였다.
• 흐름 패턴 분석을 통해 수소 농도가 높은 지점의 형성과 밀도 구동 대류를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지하 수원 저장소에서 회수 시 쿠시온 가스(CO2, CH4, N2)의 선택이 수소 순도에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 CO2를 쿠시온 가스로 사용할 경우 밀도 구동 대류가 수소 용해도 및 이동성에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ3 다양한 쿠시온 가스가 저장된 수소의 생산 속도와 이동성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 수소 주입 및 회수 과정에서 지배적인 흐름 패턴과 상 분포 역학은 무엇인가?
• RQ5 실험적으로 검증된 상태방정식은 기존의 EoS 모델 대비 시뮬레이션 정확도를 어느 정도 향상시키는가?

주요 결과

• CO2를 쿠시온 가스로 사용할 경우 밀도 구동 대류에 의해 수상상태에서의 용해도가 향상되어 수소 순도가 가장 높아졌다.
• CO2를 사용할 경우 수상상태에서 수소 농도가 높은 지점이 형성되어 상당한 하향 이동과 용해가 발생함을 나타냈다.
• CH4와 N2를 쿠시온 가스로 사용할 경우 수소의 이동성과 생산 속도가 향상되어 더 높은 회수 효율성을 나타냈다.
• 실험적으로 검증된 상태방정식은 상 행동과 계면 상호작용을 정확히 예측할 수 있게 하였다.
• 시뮬레이션 결과, CO2에 의해 염수 밀도가 증가하여 대류 혼합이 촉진되었고, 이로 인해 수소 용해도가 증가함을 확인하였다.
• 이 연구는 상태방정식 기반 저류 시뮬레이터를 사용하여 지하 저장소에서 수소 유동성과 쿠시온 가스 상호작용을 모델링한 최초의 연구이다.