[논문 리뷰] Technical and Economic Feasibility Analysis of Underground Hydrogen Storage: A Case Study in Intermountain-West Region USA

Fangxuan Chen, Zhiwei Ma외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 07.

Hybrid Renewable Energy Systems인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 미국 인터마운틴웨스트(I-WEST) 지역의 고갈된 가스 저류지, 소금 동굴, 염수 지하수층에서의 지하 수소 저장 기술적 및 경제적 타당성을 평가한다. 현장별 지질학적 및 경제 모델링을 통해 고갈된 가스 저류지가 가장 비용 효율적인 선택임을 규명하였으며, 수소 저장 단위비용은 1.3kg당 1.3달러로, 지역의 2020년 에너지 수요의 최소 72%를 충족시킬 수 있다.

ABSTRACT

Hydrogen is an integral component of the current energy transition roadmap to decarbonize the economy and create an environmentally-sustainable future. However, surface storage options (e.g., tanks) do not provide the required capacity or durability to deploy a regional or nationwide hydrogen economy. In this study, we have analyzed the techno-economic feasibility of the geologic storage of hydrogen in depleted gas reservoirs, salt caverns, and aquifers in the Intermountain-West (I-WEST) region. We have identified the most favorable candidate sites for hydrogen storage and estimated the volumetric storage capacity. Our results show that the geologic storage of hydrogen can provide at least 72% of total energy consumption of I-WEST region in 2020. We also calculated the capital and levelized costs of each storage option. We found that a depleted gas reservoir is the most cost-effective candidate among the three geologic storage options. Interestingly, the cushion gas type and volume play a significant role in the storage cost when we consider hydrogen storage in saline aquifers. The levelized costs of hydrogen storage in depleted gas reservoirs, salt caverns, and saline aquifers with large-scale storage capacity are approximately $1.3, $2.3, and $3.4 per kg of H2, respectively. This work provides essential guidance for the geologic hydrogen storage in the I-WEST region.

연구 동기 및 목표

• 미국 인터마운틴웨스트(I-WEST) 지역 내 지하 수소 저장의 기술적 및 경제적 타당성을 평가하기 위해.
• 수소 저장에 가장 적합한 지질학적 형성—고갈된 가스 저류지, 소금 동굴, 염수 지하수층—을 규명하기 위해.
• 다양한 저장 유형 간의 부피 저장 용량 및 단위비용을 추정하기 위해.
• 염수 지하수층 내 쿠션 가스의 영향이 저장 경제성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 탄소 감축을 지원하기 위한 지역 수소 인프라 계획에 실질적인 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 공개된 지하 데이터를 활용해 I-WEST 지역 전역의 잠재적 저장지점에 대한 지리공간적 및 지질학적 평가를 수행하였다.
• 구조적 안정성, 다공도, 투과도를 기준으로 세 가지 저장 유형—고갈된 가스 저류지, 소금 동굴, 염수 지하수층—을 평가하였다.
• 저류지 시뮬레이션 기법을 적용하여 부피 저장 용량 및 수소 회수 효율을 추정하였다.
• 각 저장 유형에 대해 표준화된 공학 및 경제 모델을 사용해 자본비용 및 단위비용을 계산하였다.
• 염수 지하수층 내 쿠션 가스 부피가 운영비용 및 저장 효율성에 미치는 영향을 통합하였다.
• 저장 용량 평가의 기준으로서 2020년 지역 에너지 소비 데이터를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 I-WEST 지역의 고갈된 가스 저류지, 소금 동굴, 염수 지하수층에서 수소를 저장하는 데 있어 기술적 및 경제적 타당성은 어떠한가?
• RQ2 지역 내에서 수소 저장의 단위비용이 가장 낮은 지질학적 형성은 무엇인가?
• RQ3 염수 지하수층 내 쿠션 가스의 존재 및 부피가 수소 저장 비용 및 효율성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 세 가지 저장 유형을 종합한 I-WEST 지역의 총 부피 저장 용량은 얼마인가?
• RQ5 지하 수소 저장은 지역의 2020년 에너지 수요를 어느 정도 충당할 수 있는가?

주요 결과

• I-WEST 지역의 지질학적 수소 저장은 지역 전체 2020년 에너지 소비의 최소 72%를 충당할 수 있다.
• 고갈된 가스 저류지는 가장 비용 효율적인 저장 옵션으로, 단위비용은 1.3kg당 1.3달러이다.
• 소금 동굴은 높은 자본 및 시공 비용으로 인해 단위비용이 1.3kg당 2.3달러로 더 높다.
• 염수 지하수층은 쿠션 가스 부피와 운영 복잡성의 영향을 크게 받아 단위비용이 1.3kg당 3.4달러로 가장 높다.
• 염수 지하수층 내 쿠션 가스는 저장 비용을 낮추고 압력 관리 및 회수 효율을 향상시키는 데 핵심적인 역할을 한다.
• 이 연구는 대규모 수소 저장 구현에 적합한 다수의 실현 가능한 후보지가 I-WEST 지역 곳곳에 존재함을 규명하였다.