소금동굴 내 수소 저장소 구축 과정에서 일반적으로 기체 주입과 브라인 배출을 통해 용해공간을 사용 가능한 수소 저장 공간으로 전환해야 합니다. 이 단계의 공정 매개변수는 소금동굴의 유효 저장 용량과 운전 안전성에 직접적인 영향을 미칩니다. H₂를 브라인 배출 매개체로 사용하는 데 따른 비용과 안전 위험을 줄이고, 구축 단계에서 안정적인 완충층 구조를 형성하기 위해 CH₄, N₂ 및 CO₂를 완충층 가스로 선정하여 주입-배출 단계에서의 유동 거동과 소금동굴 수소 저장 성능에 미치는 영향 규칙을 연구하였습니다. 미국 Dunham 소금암 지역의 지질 매개변수를 기반으로 CMG-GEM 수치 시뮬레이션 플랫폼을 활용해 소금동굴 3차원 모델을 구축하고, 배출 속도, 주입 압력, 완충층 가스 종류 등 주요 인자를 체계적으로 분석했으며, 기체 누출 시간, 누적 주입량, H₂ 유효 저장 용량 및 완충층 가스 비율을 평가 지표로 사용하였습니다. 시뮬레이션 결과, 배출 속도가 기체 누출 현상과 유효 저장 용량을 제어하는 주요인임을 나타냈습니다. 배출 속도가 40 m³/h에서 80 m³/h로 증가할 때 기체 누출 시간이 약 34% 앞당겨지고, 유효 수소 저장 용량은 약 9% 감소하며, 기체-수계 경계면은 전체적으로 완만한 하강에서 우물 축을 따라 원뿔 모양으로 진화하였습니다. 주입 압력이 22 MPa에서 25 MPa로 상승하면 누적 주입량이 약 13.6% 증가하지만, 기체 누출 발생 시기에는 제한적인 영향을 미쳤습니다. 다양한 완충층 가스 조건에서 CO₂는 용해도가 높고 계면 장력이 감소하여 배출 단계에서 기체 누출이 더 쉽게 발생하며, 완충층 가스 비율은 약 45%에 달할 수 있습니다. CH₄ 조건에서는 더 높은 H₂ 유효 저장 용량을 얻을 수 있으며, N₂는 약 37%의 낮은 완충층 가스 비율과 더 유리한 H₂ 순도를 보였습니다. 또한, 다양한 소금동굴 형태는 기체 누출 현상, 누적 주입량 및 유효 저장 용량에 유의한 영향을 미치나, 동일한 배출 속도 조건에서 각 형태별 배출 속도 변화에 따른 일반적인 규칙은 일치하며, 완충층 가스 비율 변화는 적었습니다. 연구 결과, 구축 단계에서 합리적인 완충층 가스 선택과 배출 속도 제어는 기체 누출 발생을 지연시키고, 소금동굴 유효 수소 저장 용량과 운전 안전성을 향상하는 데 기여하며, 소금동굴 수소 저장소 구축 공정 설계에 기반을 제공할 수 있음을 보여주었습니다.

소금동굴 수소 저장; 주입·배출; 완충층 가스; 수치 시뮬레이션; 기체 누출