Assessment of compressed air energy storage (CAES) potential in boreholes using an iterative method to estimate air leakage

Antoine Bachand, Felix-Antoine Comeau, Jasmin Raymond

In the proceedings of: GeoNiagara 2021: 74th Canadian Geotechnical Conference; 14th joint with IAH-CNC

ABSTRACT: Storage solutions are essential to increase the penetration rate of renewable energies. As a promising technology to overcome intermittent supply of green energies like wind power, compressed air energy storage (CAES) has received increasing attention in recent years. Large-scale CAES is an option that presents relatively low costs, but requires underground storage in a salt dome, aquifer or abandoned mine cavity. Thus, the specific geological context restricts the implementation of this technology. The objective of the research was to assess the potential of CAES in boreholes. This innovative technology can provide better reproducibility since it does not require particular geological conditions in addition to offering a modular solution that can be applied at different scales. The ability to seal against air leaks is one of the most critical requirements for a proper operation of CAES. This work used an iterative analytical method implemented in a python code to estimate the air leaks of an unlined CAES borehole. A sensitivity analysis was also carried out on the various parameters that impact air leaks. The most influential parameters are the rock permeability, the borehole radius and the mass flow rate of air injection. Under the permeability of 10-20 m2, a maximum operating pressure of 36 MPa and a constant volume of 70 m3, the minimum borehole radius must be greater than 0.1 m to obtain a daily air leakage under 2%. Under the same operating conditions and restrictions, the minimum borehole radius must be greater than 0.2 m at the permeability of 10-19 m2. Thus, the borehole radius acts as a major constraint for a CAES in boreholes without a concrete casing, which appears feasible in very low permeability rocks like unfractured granite. A concrete casing is essential for this technology to be viable in other permeable environments to ensure tightness requirements.

RÉSUMÉ: Les solutions de stockage énergétique sont essentielles pour augmenter le taux de pénétration des énergies renouvelables. Le stockage de l'énergie à air comprimé (CAES), une technologie prometteuse pour surmonter l'approvisionnement intermittent en énergies vertes, a fait l'objet d'une attention croissante ces dernières années. Le CAES à grande échelle nécessite un stockage souterrain dans un dôme de sel, un aquifère ou une cavité minière abandonnée. L'objectif de la recherche était d'évaluer le potentiel de CAES dans les trous de forage. Cette technologie innovante offrirait une meilleure reproductibilité puisqu'elle ne nécessite pas de conditions géologiques particulières en plus d'offrir une solution modulable pouvant être appliquée à différentes échelles. L’étanchéité contre les fuites d'air est une exigence critique pour un bon fonctionnement du CAES. Cette étude a utilisé une méthode analytique itérative pour estimer les fuites d'air d'un trou de forage CAES non revêtu. Une analyse de sensibilité a été réalisée sur les paramètres les plus influents, soit la perméabilité du roc, le rayon du trou de forage et le débit massique d'injection de l'air. Sous une perméabilité de 10-20 m2, une pression maximale d’opération de 36 MPa et un volume constant de 70 m3, le rayon minimal du trou de forage doit être supérieur à 0,1 m pour obtenir une fuite d'air quotidienne inférieure à 2 %. Dans les mêmes conditions et restrictions d’opération, le rayon minimum du trou de forage doit être supérieur à 0,2 m pour une perméabilité de 10-19 m2. Ainsi, le rayon du trou de forage constitue une contrainte majeure pour un CAES dans les trous de forage sans coffrage en béton, ce qui semble faisable dans les roches à très faible perméabilité comme le granite non fracturé. Un coffrage en béton est essentiel pour que cette technologie soit viable dans d'autres environnements perméables afin de garantir l'étanchéité.

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