A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf ·...

114
Natural Resources Research Institute December 2013 University of Minnesota Duluth 5013 Miller Trunk Highway Duluth MN 558111442 1 Natural Resources Research Institute, University of Minnesota Duluth. 2 Humphrey School of Public Affairs, University of Minnesota. 3 St. Anthony Falls Laboratory, University of Minnesota. 4 Department of Civil Engineering, University of Minnesota Duluth. by Donald R. Fosnacht 1 , Principal Investigator Elizabeth J. Wilson 2 , Economic & Policy Team Leader Jeffrey D. Marr 2 , Facilities Team Leader Carlos CarranzaTorres 4 , Geotechnical Engineering Team Leader Steven A. Hauck 1 , Geology Team Leader Rebecca L. Teasley 4 , Environmental Team Leader A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR COMPRESSED AIR ENERGY STORAGE IN MINNESOTA

Transcript of A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf ·...

Page 1: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

  

  Natural Resources Research Institute          December 2013 University of Minnesota Duluth 5013 Miller Trunk Highway Duluth MN 55811‐1442   1 Natural Resources Research Institute, University of Minnesota Duluth. 2 Humphrey School of Public Affairs, University of Minnesota. 3 St. Anthony Falls Laboratory, University of Minnesota. 4 Department of Civil Engineering, University of Minnesota Duluth. 

 by 

Donald R. Fosnacht1, Principal Investigator Elizabeth J. Wilson2, Economic & Policy Team Leader 

Jeffrey D. Marr2, Facilities Team Leader Carlos Carranza‐Torres4, Geotechnical Engineering Team Leader 

Steven A. Hauck1, Geology Team Leader Rebecca L. Teasley4, Environmental Team Leader 

A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR COMPRESSED AIR

ENERGY STORAGE IN MINNESOTA

Page 2: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

 Cover image: CAES location map.   Recommended citation: Fosnacht,  D.R., Wilson,  E.J., Marr,  J.D.,  Carranza‐Torres,  C.,  Hauck,  S.A.,  and  Teasley,  R.L.,  2013,  A Progress Report on Opportunities for Compressed Air Energy Storage  in Minnesota: Natural Resources Research Institute, University of Minnesota Duluth, 106 p.              Natural Resources Research Institute University of Minnesota, Duluth 5013 Miller Trunk Highway Duluth, MN 55811‐1442 Telephone: 218‐720‐4272 Fax: 218‐720‐4329 e‐mail: [email protected]  Web site: http://www.nrri.umn.edu/egg    ©2013 by the Regents of the University of Minnesota  All rights reserved.   The University of Minnesota is committed to the policy that all persons shall have equal access to its programs, facilities, and employment without regard to race, color, creed, religion, national origin, sex, age, marital status, disability, public assistance status, veteran status, or sexual orientation. 

This publication is accessible from the home page of the Economic Geology Group of the Center for Applied  Research  and  Technology  Development  at  the  Natural  Resources  Research  Institute, University of Minnesota Duluth  (http://www.nrri.umn.edu/egg) as a PDF  file  readable with Adobe Acrobat 6.0. 

Date of release: December 2013 

Page 3: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Table of Contents  i 

 

TABLE OF CONTENTS 

LIST OF TABLES............................................................................................................................................ iiv

LIST OF FIGURES............................................................................................................................................ v

LIST OF APPENDICES .................................................................................................................................... vi

EXECUTIVE SUMMARY .................................................................................................................................. 1

Policy, Economics, and Past Attempts ...................................................................................................... 1

Facilities and Basic Operational Characteristics ....................................................................................... 1

Location Analyses...................................................................................................................................... 2

Air Leakage Control and Structure Integrity ............................................................................................. 3

Environmental and Permitting.................................................................................................................. 4

1. CAES PROGRESS REPORT – ECONOMIC AND POLICY TEAM ..................................................................... 5

1.1. WORK SUMMARY................................................................................................................................... 5

1.2. KEY FINDINGS......................................................................................................................................... 5

1.3. INTERIM REPORT ON ECONOMIC AND POLICY TEAM TASKS ................................................................ 5

1.3.1. Task 1: Policy and Economic Environment for CAES Development................................................ 6

1.3.2. Task 2: Develop Preliminary Regulatory And Socio‐Political Criteria For Assessment Guidelines ................................................................................................................................................. 7

1.3.3. Task 3: Assess Socio‐Political Factors Affecting CAES Implementation ..........................................7

1.3.4. Task 4: Identify Life Cycle Parameters ............................................................................................ 8

1.3.5. Task 5: Analyze Economic Factors Affecting CAES Implementation...............................................8

1.3.5.1. Literature Review on Compressed Air Energy Storage............................................................ 8

1.3.5.2. Key economic issues affecting CAES implementation ............................................................. 9

1.3.6. Task 6: Compare First Order Economic Estimates of a CAES Project with the Previously Developed PHES Analysis. .......................................................................................................................10

1.4. REFERENCES .........................................................................................................................................10

2. CAES PROGRESS REPORT – FACILITIES TEAM .........................................................................................23

2.1. REVIEW OF THE FACILITIES TEAM SCOPE ............................................................................................23

2.2. ANNUAL PROGRESS SUMMARY: FACILITY ASSESSMENT TEAM ..........................................................23

2.2.1. Task 1: Technology assessment and review of published literature and evaluation of existing/planned facilities .......................................................................................................................23

2.2.2. Task 2: Evaluation of conventional and advanced compressed air energy storage technologies............................................................................................................................................23

Page 4: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Table of Contents  ii 

 

2.2.3. Task 3: CAES feasibility assessment and preliminary schematic of surface and subsurface facilities configurations ........................................................................................................24

2.2.4. Task 4: Assess plant operational characteristics (daily, annual, design life timescales)...............24

2.2.5. Task 5: Development of Deliverables: “CAES Assessment guidelines,” “CAES Site Screening methodology,” and “Screening Assessment of CAES Potential” ...........................................24

2.3. ADVANCED COMPRESSED AIR STORAGE TECHNOLOGIES...................................................................24

2.4. CALENDAR YEAR 2014, QUARTER 1 ACTIVITIES...................................................................................25

3. CAES PROGRESS REPORT – GEOTECHNICAL ENGINEERING TEAM .........................................................51

3.1. INTRODUCTION....................................................................................................................................51

3.2. LITERATURE REVIEW OF CAES SYSTEMS WITH FOCUS ON GEOTECHNICAL ENGINEERING ASPECTS ......................................................................................................................................................51

3.3. GEOTECHNICAL CONSIDERATIONS FOR THE DESIGN OF UNDERGROUND EXCAVATIONS FOR A CAES PLANT..............................................................................................................................................58

3.4. REFERENCES .........................................................................................................................................64

3.5. POWERPOINT PRESENTATIONS (DRAFT VERSIONS) DEVELOPED FOR DISCUSSION OF GEOTECHNICAL ENGINEERING ASPECTS OF UNDERGROUND EXCAVATIONS FOR CAES PLANTS..............65

4. CAES PROGRESS REPORT – GEOLOGY TEAM ..........................................................................................76

4.1. OVERVIEW............................................................................................................................................76

4.2. INTRODUCTION....................................................................................................................................76

4.3. OBJECTIVE 1 .........................................................................................................................................78

4.3.1. Progress/Findings to Date.............................................................................................................78

4.3.1.1. Mesabi Range.........................................................................................................................78

4.3.1.2. Cuyuna Range/Emily District..................................................................................................79

4.3.1.3. Vermilion Range.....................................................................................................................81

4.4. OBJECTIVE 4 .........................................................................................................................................85

4.4.1. Progress/findings to Date .............................................................................................................85

4.5. ADDITIONAL PROJECT WORK...............................................................................................................85

4.5.1. Presentations (Appendix 4‐A) .......................................................................................................85

4.5.2. Bibliographies................................................................................................................................86

4.6. REFERENCES .........................................................................................................................................86

5. CAES PROGRESS REPORT – GROUNDWATER/ENVIRONMENTAL TEAM.................................................99

5.1. GROUNDWATER MODELING................................................................................................................99

Page 5: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Table of Contents  iii 

 

5.1.1. Model Configuration.....................................................................................................................99

5.1.2. Model Parameters ......................................................................................................................100

5.1.3. Importance of Hydraulic Conductivity ........................................................................................101

5.1.4. Boundary Conditions...................................................................................................................101

5.1.5. Remaining Questions ..................................................................................................................103

5.2. ENVIRONMENTAL PERMITTING ISSUES .............................................................................................103

5.2.1. Geology and Soil..........................................................................................................................103

5.2.1.1. Soil Erosion...........................................................................................................................103

5.2.1.2. Seismicity .............................................................................................................................104

5.2.2. Water Quality..............................................................................................................................104

5.2.3. Groundwater...............................................................................................................................104

5.2.4. Surface Water .............................................................................................................................104

5.2.5. Biological Resources....................................................................................................................105

5.2.6. Impacts Common to Large Facility Construction ........................................................................105

5.2.6.1. Agricultural Resources .........................................................................................................105

5.2.6.2. Cultural Resources ...............................................................................................................105

5.2.6.3. Aesthetic Resources.............................................................................................................105

5.2.6.4. Recreational Resources........................................................................................................105

5.2.6.5. Population and Housing.......................................................................................................105

5.2.6.6. Air Quality and Noise ...........................................................................................................105

5.2.6.7. Greenhouse Gas Emissions ..................................................................................................105

5.2.6.8. Hazardous materials ............................................................................................................106

5.2.6.9. Environmental Permitting....................................................................................................106

5.3. TIMELINE ............................................................................................................................................106

5.4. REFERENCES .......................................................................................................................................106

Page 6: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – List of Tables  iv 

 

LIST OF TABLES 

Table 5‐1. MODFLOW Layer Properties. ...................................................................................................100 

Table 5‐2. Typical Value for Hydraulic Conductivity used for Modeling...................................................100 

Table 5‐3. Recorded historical earthquakes affecting Minnesota (adapted from USGS, 2009)...............104 

Page 7: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – List of Figures  v 

 

LIST OF FIGURES 

Figure 3‐1. Constant pressure CAES storage with surface reservoir and compensating water column (after Succar and Williams, 2008). .................................................................................................54

Figure 3‐2. Diagram summarizing the relationship between generated energy, storage volume, upper and lower storage pressure and operation case (Cases 1, 2 or 3) described in the main text. The insert (point P and associated text) represents an example of use of the diagram as described also in the main text. After Succar and Williams (2008). ...........................................................56

Figure 3‐3. Same diagram as in Figure 2, including the position of the two existing CAES plants (Huntorf and McIntosh) and one of the planned plants (Seneca), described in the main text..................57

Figure 3‐4. Cross sectional area of a mining shaft of the abandoned Cuyuna mine in central Minnesota. Drawing provided by J. Oreskovich. ........................................................................................59

Figure 3‐5. Possible shapes of cross sections for CGES (Compressed Gas Energy Storage) openings – adapted from Kovari (1993). ....................................................................................................60

Figure 3‐6. Determination of depth of emplacement of a shallow lined cavern for gas/air storage. .......................................................................................................................................................62

Figure 3‐7. Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage................63

Figure 3‐8. a) Cross sections of unlined caverns with two water curtains configurations: umbrella (left) and circumventing (right) configurations – from Kovari (1993); and b) plan view of air cushion surge unlined chamber with water infiltration – from Blindheim et al. (2004). ...........................64

Figure 4‐1. CAES location map. ...................................................................................................................77

Figure 4‐2. Cuyuna Iron Range....................................................................................................................78 

Figure 4‐3. Utica Extension Mine................................................................................................................80 

Figure 4‐4. Armour No. 1, Armour No. 2, Bonnie Bell, and Ironton Mines ................................................82 

Figure 4‐5. Partial rendering of the Armour No. 1 Mine ............................................................................83 

Figure 4‐6. Map of Cuyuna cities and mining features ...............................................................................84 

Figure 5‐1. Maximum Model Head with Ratio of Hydraulic Conductivity to Depth.................................101

Figure 5‐2. CAES Cross‐Section with Water Curtain (Bauer et al., 2012)..................................................102

Figure 5‐3. Cavern Model with Multiple AE Wells for a Water Curtain....................................................103

 

 

Page 8: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – List of Appendices  vi 

 

LIST OF APPENDICES 

APPENDIX 1‐A – ENVIRONMENTAL PERMITS AND APPROVALS MATRIX ...................................................12

APPENDIX 1‐B – ECONOMIC MODELING BASED ON REVENUE FROM ARBITRAGE....................................21 

APPENDIX 2‐A – DRAFT SUMMARY OF THE PHYSICS OF CAES ...................................................................26

APPENDIX 2‐B – DRAFT ANNOTATED BIBLIOGRAPHY.................................................................................35

APPENDIX 2‐C – DRAFT FACILITY DESIGN SUMMARY.................................................................................47 

APPENDIX 3‐A – POWERPOINT PRESENTATIONS .......................................................................................67 

APPENDIX 4‐A – GEOLOGY TEAM PRESENTATION......................................................................................87

 

 

 

Page 9: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Executive Summary  1 

 

EXECUTIVE SUMMARY 

Various activities undertaken by the team have included preliminary assessments for cost of operation, types  of  equipment  associated with  compressed  air  energy  storage  technologies  (CAES),  the  current treatment of electricity discharged from a CAES storage facility, and the volume of air required over a 10 hour period for allowing 100 MW of electricity to be produced. Additional work has been undertaken to assess potential underground mine workings that might be used for a future CAES facility.  In addition, analysis has been undertaken to determine the potential means of minimizing of air leakage to the rock structures associated with a given facility. The following are preliminary findings from the initial studies.  The focus for the next year of study will refine the findings and potentially identify some sites that can be analyzed in the future in a more detailed manner.  

Policy, Economics, and Past Attempts 

• Economic modeling  considering  only  revenue  from  arbitrage  suggests  that  a  CAES  project  on  a potential  site  can  operate  profitably  only  if  variable  operating  costs  of  electricity  production  are $3/MWh. 

• Understanding  how MISO market  rule  changes would  affect  CAES  value  is more  difficult. Most literature suggests that without revenue from participating in the reserve market, and that without these additional funds, CAES remains uneconomic. Stored Energy Resource (SER) rule changes have recently made it possible for CAES to participate in reserve and regulation markets in MISO. 

• Conventional CAES economic feasibility  is sensitive to high  investment costs and  increasing natural gas  prices.  Both  lead  to  high  operation  costs,  which  decrease  opportunities  for  arbitrage  and threaten the feasibility of CAES plants. 

• To  benefit  from  the  incentives  related with  renewable  energy  and  complement  the  intermittent renewable energy, coupling CAES plants with a wind farm should be considered. However, current sites examined by the facility team do not support the co‐location of wind and CAES plant. 

• The geological characteristics of  the CAES site will decide  the  feasibility, operational specifics, and financial  risk.  For  example,  the  Iowa  CAES  plant was  abandoned  after  geological  surveys  of  the selected  sandstone  structure proved permeable,  and  the Colorado  site was also  abandoned.  Site selection of the CAES reservoir adds significant financial risk due to possibilities of leakage. 

 

Facilities and Basic Operational Characteristics 

• Research was conducted on identifying prototyped and/or constructed CAES facilities by focusing on their  location, size, components,  layout, and other elements that provide physical characterization of  the  facility. Once  identified,  a  study of each  site was  conducted using  any  available published information  and  by  conducting  interviews  with  equipment  manufacturers,  vendors  and  facility operators to gain deeper understanding for facility design, operation, and costs. 

• Annotated  bibliography  of  relevant  papers  on  conventional  and  advanced  CAES  was  compiled. Advanced CAES include isothermal and adiabatic approaches. 

Page 10: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Executive Summary  2 

 

• During  the  initial  stages  of  the  project,  it  became  clear  that  the  emergence  of  advanced  CAES technologies  (isothermal  and  adiabatic  CAES)  should  be  considered  in  this  project.  The  facilities team expanded the scope of the literature and technology review to include this technology in our feasibility analysis. In general, isothermal and adiabatic compressed air storage offers greater round trip  efficiencies  to  energy  storage  and  also may  reduce  the  capital  equipment  costs  and  allow  a decrease  in the size of an underground cavern through use of higher pressure storage.  Isothermal CAES  is also directly  integrated  into  the  study  through  consideration of  commercial  technologies, including General Compression,  Lightsail  Energy,  SustainX,  and  the NSF‐supported CAES  for wind turbines project at the University of Minnesota.  

• There are two types of CAES possibilities, namely: 1) surface storage; and 2) underground storage, i.e., use of existing underground cavities, e.g., mining rooms, drifts, and shafts, or cavities created with  this  specific  purpose,  e.g.,  in  salt  formations,  or  new  cavities  that  can  be  easily  created  by dissolution. There are no salt formations in Minnesota. 

• The target power for a Minnesota CAES plant is 100 MW that would need to be sustained for at least 10  hours  and  would  suggest  the  need  of  approximately  300,000  m3  of  air  storage  capacity.  Therefore, for 300,000 m3 of air storage using Minnesota shafts or tunnels, a total length of shaft (or tunnel) of 22,160 meters (or 72,703 feet) would be required, assuming a shaft cross‐sectional area of 13.74 m2.  Given the amount of volume involved, it seems worth exploring the possibility of using not only existing mining excavations, but new openings that could be created with the objective of air storage. 

• Another fundamental aspect to consider in the conception of a CAES system is whether the caverns will be  lined or unlined.   With  the understanding  that  lining  refers  to  that  layer of material, e.g., steel, concrete or plastic,  installed on the periphery of the cavern to avoid  leakage of air/gas.   The selection of the cavern depth also depends on whether the cavity will be lined or unlined. 

• In  the  case  of  unlined  caverns,  leakage  can  be  prevented  by  choosing  a  depth  such  that  the hydrostatic pressure of  the water surrounding  the cavern  is equal or greater  than  the pressure at which the gas is to be stored, i.e., a water curtain. 

 

Location Analyses 

• Underground  workings  on  the Mesabi  Range  have  been  compiled  from  previous  work  done  at MNDNR Lands and Minerals in Hibbing, MN. Additional maps for a potential site, the Utica Extension Mine, were obtained from Great Northern Iron Ore Properties in Hibbing. 

• The Cuyuna Range and Emily District offer potentially better siting opportunities for CAES in existing underground workings. Folded  rocks here, as opposed  to  relatively  flat‐lying strata on  the Mesabi Range, led to linear ore bodies of more limited width.   

• A series of mine shafts located north of the cities of Ironton and Crosby present potential for CAES. Armour No.  1 mine  shaft  is  the deepest  at  243.8 m  (800  feet).  It  is  located outside of  the  iron‐formation  in potentially  competent  rock. Haulage drifts extend over 121.9 m  (400  feet)  from  the shaft before reaching the ore body. The Armour No. 2 shaft is the next deepest at 160 m (525 feet). 

Page 11: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Executive Summary  3 

 

• To date, maps have been obtained showing evidence for underground workings at 28 mines in Crow Wing County. 

• The  Vermilion  Range  was  briefly  investigated.  The  Soudan Mine  has  competent  rock  and  large rooms  that could conceivably host CAES. However,  the Soudan Mine  is a State Park  that provides public  tours  of  the  underground mine.  It  also  contains  a  large  underground  physics  laboratory. These  factors  likely preclude  its use  for CAES. At  least 20 underground mines were started on the Vermilion Range, 12 of which amounted to  little more than a shaft and exploratory drifts and thus do not hold much promise. Based on distance from major electric transmission  lines, the mines of the Vermilion District were given a lower priority for study. 

• An on‐line  search  led  to  discovery of  a document  detailing  the  geological  examinations, physical tests,  and design plans  for  a proposed underground  liquid propane  storage  cavern  in Minnesota (Fenix and Scisson, Inc., 1960). Such a cavern was constructed near Erskine, Pope County, MN. It has been in operation for decades. This document has application for the geotechnical team in terms of evaluating sites for a potential newly constructed CAES cavern. 

• The  Emily  District  north  of  the  Cuyuna  Range  has  a  significant manganese  deposit.  Cooperative Mineral Resources (CMR), a subsidiary of Crow Wing Power, is working to develop the best project plan for extracting manganese from an 80‐acre parcel north of the City of Emily. One method that has been  tested on  site  is extraction by  solution mining  via  a borehole. This method produces  a cavern that could potentially be used for CAES. 

• Current  open  pit  mines  on  the  Mesabi  Range  may  make  it  difficult  to  use  nearby  existing underground mines for CAES because of blasting concerns. Southward (down dip) expansion of open pit taconite mining poses an additional impediment. Abandoned underground mines on the Cuyuna Range may be a more realistic option, although many were converted to open pit mines or are now flooded. Future precious metal mining operations in the Duluth Complex may be another option to consider converting  into CAES storage facilities after the mining operation  is complete.  It may also be possible to couple future underground iron mining operations with a potential CAES facility. This will be considered relative to iron‐formations that cannot be reached with open pit techniques. 

 

Air Leakage Control and Structure Integrity 

• At  this  time,  the major design questions related  to  impacts on groundwater are: 1) dewatering of the abandoned mines; 2) leakage of air from the cavern; and 3) the potential use of a water curtain for unlined caverns and reservoirs to maintain constant pressure in the cavern. Changes in pressure in the cavern from dewatering or air leakage could, also, alter the surrounding water table. 

• A  design  decision  that  has  to  be  made  in  a  CAES  operation  is  how  to  confine  the  caverns. Theoretically,  if  the  cavern  is  deep  enough,  water  pressure  could  be  high  enough  to  keep  air contained. Gas escape may not occur as long as the water pressure along all possible escape paths increases  for  some  small distance  in  the direction of potential  gas  escape  (Goodall  et.  al,  1988). Alternatively,  a water  curtain  could  be  built  to  contain  air with  increased water  pressure  or  the cavern could be lined with an airtight material. Lining materials need to be able to withstand fatigue from  the cyclic compression and decompression of CAES operation. Thermal stresses  in  the  lining would also be an issue with adiabatic compression. 

Page 12: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Executive Summary  4 

 

• For effective air storage, water at the cavern boundary should flow toward the cavern or have no flow. Outwards movement of water is possible at the bottom of the cavern, so to prevent air from leaking; the cavern bottom should be saturated with water or lined. 

 

Environmental and Permitting 

• A number of environmental and permitting issues will need to be answered by selection of the site: 1)  soil  erosion;  2)  seismicity;  3)  water  quality;  4)  groundwater;  5)  surface  water;  6)  biological resources; 7) agricultural  resources; 8)  cultural  resources; 9) aesthetic  resources; 10)  recreational resources;  11)  population  and  housing;  12)  air  quality  and  noise;  13)  greenhouse  gases;  14) hazardous materials; and 15) environmental permitting. 

Page 13: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Economic and Policy Team  5 

 

1. CAES PROGRESS REPORT – ECONOMIC AND POLICY TEAM 

Nahyeon Bak 

1.1. WORK SUMMARY 

Economic and Policy research in the period from January to November 2013 focused on three areas:  

1. Operational and economic issues related to the integration of CAES with the electrical grid;  2. Challenge and opportunity for CAES in policy; and 3. Site selection criteria.  

The Economic and Policy Team  took part  in  three meetings:  Jan. 9, 2013 kick‐off meeting, May 30th meeting,  and August 12th meeting  in Hinckley, MN. Our  team has  also  coordinated with  the  Facility Team  through several meetings  in  July and August  to share wind  farm and  technical  information. Our team also contacted the Department of Commerce for energy facility permitting information.  

1.2. KEY FINDINGS 

• Economic modeling  considering only  revenue  from arbitrage  suggests  that a CAES project on  the potential  site  can  operate  profitably  only  if  variable  operating  costs  of  electricity  production  are $3/MWh. 

• Understanding  how MISO market  rule  changes would  affect  CAES  value  is more  difficult. Most literature suggests that without revenue from participating in the reserve market, and that without these additional funds, CAES remains uneconomic. Stored Energy Resource (SER) rule changes have recently made it possible for CAES to participate in reserve and regulation markets in MISO.  

• CAES  economic  feasibility  is  sensitive  to high  investment  costs  and  increasing natural  gas prices. Both  lead  to  high  operation  costs, which  decrease  opportunities  for  arbitrage  and  threaten  the feasibility of CAES plants. 

• To  benefit  from  the  incentives  related with  renewable  energy  and  complement  the  intermittent renewable energy, coupling CAES plants with a wind farm should be considered. However, current sites examined by the facility team do not support the co‐location of wind and CAES plant. 

• The geological characteristics of  the CAES site will decide  the  feasibility, operational specifics, and financial  risk.  For  example,  the  Iowa  CAES  plant was  abandoned  after  geological  surveys  of  the selected  sandstone  structure proved permeable,  and  the Colorado  site was also  abandoned.  Site selection of the CAES reservoir adds significant financial risk due to possibilities of leakage. 

 

1.3. INTERIM REPORT ON ECONOMIC AND POLICY TEAM TASKS 

Work on each of the Economic and Policy team tasks  is described  in the following sections, along with results and a summary of the work still remaining. 

 

Page 14: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Economic and Policy Team  6 

 

1.3.1. Task 1: Policy and Economic Environment for CAES Development 

Characterization of the economic and policy environment for CAES has  included research  into relevant laws  and  regulations,  criteria  for  potential  site  decision  and  incentives  in  ISO,  land  and  mineral ownership, and potential  land use conflicts. This characterization falls  into federal and state regulation as well as incentives in MISO, the regional transmission organization. We have examined relevant state and federal legislation and reviewed incentives for storage technology development and CAES relevant legislation specifically.  

The need for energy storage  is reiterated  in many pieces of  legislation. The Energy Policy Act of 2005, Energy  Independence and Security Act of 2007, and  the American Recovery and Reinvestment Act of 2009 all underscore the critical role that energy storage can play  in the electrical transmission system. Additionally, many  efforts  have  been made  to  promote  legislation  supporting  investment  in  storage technologies, many  proposing  Investment  Tax  Credits, much  like  the  Production  Tax  Credit  that  has been so helpful for supporting wind power. While  legislation has been proposed  in Congress, e.g., the STORAGE Act of 2011 or the Clean Energy Standard Act of 2012, no legislation has yet been passed, and the current political gridlock in Washington appears to make passage unlikely.  

At  the  state  level,  renewable  portfolio  standards  require  generation  from  renewable  sources  of electricity,  but  the  role  of  energy  storage  in  renewable  portfolio  standards  is  varied; most  focus  on generation  technologies,  not  storage  capabilities.  For  example,  California  mandates  that  by  2024, California’s  three  investor‐owned  utilities  must  invest  in  1.325  GW  of  energy  storage  capacity.  In Minnesota, there has not been specific  legislation promoting storage. However,  if a CAES project were to  be  developed  in  conjunction with wind  development,  applicable  policies  related with  renewable energy  would  also  be  important.  In Minnesota,  the  Renewable  Energy  Production  Incentive  (Minn. Statute 216C.41 Subdivision 1‐Definitions): “Qualified wind energy conversion facility” 1.0 cent per kw‐h until December 31, 2018, the Renewable Energy Standard (Minn.Stat.216B.1691) and the Energy Policy Goal  (Minn.  Statute  216C.05  Subd.2):  25%  of  total  energy  used  in  the  state  should  be  derived  from renewable  energy  resources  by  2025,  are  all  important  pieces  of  legislation  shaping  the  policy environment.  

Another  important  policy  consideration  is  regional  de  facto  policy  through  regional  transmission organizations  (RTOs), both through their planning activities and  in market design. RTOs also recognize the benefits from storage plants and FERC Order 755 helps to address this issue by rewarding speed and accuracy through pay‐for‐performance requirements.  

MISO defines Stored Energy Resource (SER) as eligible to provide Regulating Reserves. In the regulation reserves market, a storage plant deserves  to receive payment  for mileage because of  its  fast ramping rate. In Oct 2011, the Federal Energy Regulatory Commission (FERC) issued Order 755 that required the organized  wholesale  power  markets  to  also  provide  compensation  for  generation  movement  in response  to  regulation  dispatch.  In December  2012, MISO  added  a  regulation  “mileage”  product  to financially compensate generators  for providing  regulation capacity. This  is  important  for  the value of CAES projects. 

Additionally, CAES projects are affected by government protocols shaping facility siting. Environmental permitting and approvals by state and federal entities will shape how CAES technologies are developed and deployed. For more  information, see Appendix 1‐A on siting responsibilities. As CAES plants store compressed air in subsurface rock formations, the geologic characteristics of the site are paramount for 

Page 15: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Economic and Policy Team  7 

 

facility operation. Candidate sites are currently being investigated by the Geology Team (see Section 4), and the Economic and Policy team is working closely to better understand how geologic data will affect plant design and potential operation. Site selection will affect economic characteristics that will affect facility costs and the cost of electricity.  Infrastructure costs, such as access to the high‐voltage electric transmission network and easy delivery of natural gas, will affect the financial viability of CAES.  

Finally,  the  ability  of  CAES  projects  to  be  constructed  on  the Mesabi  and  Cuyuna  Ranges  remains dependent  on  access  to  land  and mineral  rights.  Earlier  work  on  the  viability  of  the  PHES  project (Fosnacht et al., 2011) on the Mesabi Range addressed this issue, “The largest mineral rights owner and a  major  landowner  is  the  State  of  the  Minnesota.  Purchasing  the  land  to  build  a  PHES  facility  is complicated by the fact that property rights may be severed, which means that landowner may not hold the mineral rights.” These issues remain important for any CAES development.  

Task 1 is complete, but we will continue to track legislation and bills that could affect CAES and energy storage at the federal, state, and RTO levels.  

1.3.2. Task 2: Develop Preliminary Regulatory and Socio‐Political Criteria for Assessment Guidelines  

Regulatory  and  socio‐screening  criteria  for  CAES  site  assessment  include  the  following  factors  and depend on CAES site selection. Once potential sites are selected, we will examine the following: current land use, patterns of property ownership (surface and mineral), permitting considerations.   

Current  land use and ownership – For permitting process and community acceptance, we will review and  survey  residential  population  density,  current  industry  activities,  ecological  features  and recreational uses of the potential site.  

Permitting – The Minnesota Public Utilities Commission  (PUC) has permitting authority  for any  future CAES plant that seeks rate recovery in Minnesota. Any large energy facility1‐1 proposed to be built by a utility and that seeks rate recovery in Minnesota must obtain a Certificate of Need from the PUC before construction begins. Certificate‐of‐need proposals must demonstrate a need for the facility. Under the Power  Plant  Siting  Act  (Minnesota  Statute  216E)  in  the  review  process,  an  environmental  impact statement  (EIS) on  the project and a contested case hearing are conducted  (Minnesota Rules Chapter 7850).   

Work on Task 2 is complete, as we have identified stakeholder groups and assessed their interests. We are  now  coordinating  with  the  environmental  assessment  team  to  complete  the  description  of permitting criteria.  

1.3.3. Task 3: Assess Socio‐Political Factors Affecting CAES Implementation 

CAES stakeholders  include both direct beneficiaries (facility owners, electric utilities, system operators, owners of variable electricity sources) and indirect beneficiaries (residential, commercial, and industrial 

                                                            

1‐1 A large electric facility is classified as: any electric power generating plant or combination of plants at a single site with a combined capacity of 50,000 kilowatts or more and transmission lines directly associated with the plant that are necessary to interconnect the plant to the transmission system (Minn. Stat. § 216B.2421, subd. 2)  

Page 16: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Economic and Policy Team  8 

 

customers).  Additionally,  gatekeeper  organizations  include  regulators  (Minnesota  Pollution  Control Agency  (MPCA), Minnesota  Department  of  Natural  Resources  (MNDNR),  Public  Utilities  Commission (PUC), Federal Energy Regulatory Commission (FERC)), economic development agencies, e.g., Iron Range Resources and Rehabilitation Board (IRRRB), as well as nearby residents of communities in the vicinity of potential CAES  sites. Other  stakeholders  include private  landowners,  recreational users, mine owners and mineral rights holders and environmental non‐profit organizations.  

Drawing from the literature, our research has identified several socio‐political factors with the potential to  affect  CAES  implementation,  including:  increasing  prices  for  iron  ore  and  non‐ferrous  minerals; shifting natural gas prices; Minnesota state  renewable portfolio standards; and decreased support  for national greenhouse gas (GHG) emission limits or national renewable energy standards. 

Work on Task 3 is linked with the work on Task 2 and will be completed in conjunction with that task.   

1.3.4. Task 4: Identify Life Cycle Parameters 

Task 4  focuses on  identifying parameters  for  life cycle analysis of CAES projects. However, as no CAES life‐cycle analysis is scheduled for this project, the resources allocated for this task are being redeployed to  better  develop  the  economic  modeling  effort  in  Tasks  5  and  6.  Assess  policy  factors  affecting implementation  is  presented  in  conjunction  with  Tasks  1‐3  and  Task  6.  This  work  will  be  further developed as a synthesis of all policy team research.  

1.3.5. Task 5: Analyze Economic Factors Affecting CAES Implementation 

We have  concentrated project  resources  to better understand  the economics of CAES. The  following section provides a  literature review plus a description of the model we are developing.  In conjunction with  the  policy  work,  this  will  allow  us  to  better  understand  the  implications  and  value  of  CAES development.   

1.3.5.1. Literature Review on Compressed Air Energy Storage 

The economic and policy  literature on CAES can be divided  into  two classes. The  first class of articles focuses on  the value of  independent CAES. The  second  class deals with  the value of CAES with wind integration.  

• The value of independent CAES. 

Several studies estimated  the value of electricity storage. First, Sioshansi and Denholm  (2009) analyzed the arbitrage value of pricing‐taking storage devices in PJM, an RTO which part of the Eastern  Interconnection grid operated an electric transmission system from 2002 to 2007 with welfare effects. They pointed out that difference between on‐peak price and off‐peak price and the  volatility  of  price  for  natural  gas  and  electricity  have  raised  interest  in  the  potential economic value for electricity storage. In addition, the impact of load‐shifting for larger amounts of storage and reductions  in arbitrage can threaten the economic value for plants. However,  it will be offset by increases in social welfare due to increase in consumer surplus. Yucekaya (2013) also emphasized that the fluctuation of prices for electricity and natural gas impacts the revenue 

Page 17: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Economic and Policy Team  9 

 

of CAES directly. Based on 100 simulations  in the Turkish market, the author showed that  the investment  to CAES would be economically  feasible  for  the given market prices and  could be implemented.  Second,  Sioshansi  et  al.  (2009)  and  Jenkin  and Weiss  (2005)  also  noted  that depending on its location, storage can have some transmission‐related benefits. Third, regarding ownership,  Sioshansi  et  al.  (2011)  suggested  that  a  private‐sector  investor  could  not  have incentive to invest CAES plants in a restructured market such as PJM, and treating storage as a regulated  asset  like  transmission  or  distribution  infrastructures would  be  better  considering potential benefit from storage such as congestion relief, deferred transmission, and better grid and asset utilization. Fourth, the authors also showed that compared with pure storage devices, the CAES device purchases 44% less energy, choosing from lower‐cost hours. Lastly, Drury et al. (2011) estimated the value of CAES considering both operating reserves revenue and arbitrage revenue  in  several U.S. markets.  They  found  that  conventional  CAES  systems  could  earn  an additional  $23±10/Kw‐yr  by  providing  operating  reserves,  and  adiabatic  CAES  systems  could earn an additional $28 ±13/Kw‐yr. They also found that arbitrage‐only revenues are unlikely to support a CAES investment in most market locations, but the addition of reserve revenues could support a conventional CAES  investment  in  several markets. Adiabatic CAES  revenues are not likely to support an investment in most regions studied. 

 • The economics of CAES with wind integration. 

Most  studies  on  CAES  with  wind  integration  suggested  that  the  CAES  plant  is  likely  to  be unprofitable. Denholm and Sioshansi (2009) suggested that the advantage of co‐location of wind and storage is a decrease in transmission requirements, but the disadvantage of it is a decrease in the economic value of energy storage compared to locating energy storage at the load. Fertig and  Apt  (2011)  showed  that  for  various  price  scenarios, most  CAES  plants  are  unprofitable. Considering  revenue  from  regulation markets  raises  the  value  of  CAES  slightly.  Even  though social benefits of CAES with wind  integration  include the avoidance of the construction of new generation  capacity,  improved  air quality during peak  times,  and  increased  economic  surplus and  subsidy  from  government  is  considered,  the private  cost of  the CAES  system will not be covered. Mauch et al. (2012) also tested whether a wind farm with CAES can survive in the day‐ahead  market.  They  found  that  annual  income  for  the  wind‐CAES  plants  would  not  offset annualized capital costs, even considering the market prices with a carbon price. Madlener and Latz (2013) also analyzed the economic feasibility of CAES with various capacity scenarios. The feasibility of CAES plants depends on entering both  the spot market and  the reserves market. Without the revenue from reserves market, building CAES plants  is not viable. An  independent CAES plant  is  found  to be more profitable  than a CAES with  integration.  In  the Madlener and Latz (2013) study, diabatic CAES is more profitable than adiabatic CAES. 

 

1.3.5.2. Key economic issues affecting CAES implementation 

Based on previous studies related with CAES, the operating cost,  including the price of natural gas and electricity,  potential  project  profitability  in  the  electricity  market  and  the  optimal  duration  of  the operating cycle,  impacts  the value of CAES plants.  In particular, considering CAES has a relatively high operation cost per kW installed and the major revenue of CAES are from arbitrage and ancillary service revenues, major key  issues affecting the value of CAES plants are the following: 1) natural gas price; 2) the type of plant – Independent CAES plant or Coupling CAES plant with wind farm; and 3) uncertainties 

Page 18: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Economic and Policy Team  10 

 

in  the  price  of  electricity.  Technical  factors  affecting  the  value  of  CAES  are  heat  rate,  energy  ratio (energy efficiency factor), power ratio (power efficiency factor), ramp rate, response time, and storage duration period. Financing  factors affecting  the value of CAES are capital costs,  real estate and  taxes, construction, and permitting period. 

According to the financial revenue from the arbitrage model by buying the electricity with off‐peak price and selling it with on‐peak price, it suggests that a CAES plant could be likely to operate profitably (see Appendix 1‐B); however,  additional  analysis would be needed  to  address uncertainty  in  construction costs, land acquisition costs, and the evolution of electricity price in the market. 

Additional revenues for a CAES plant to generate revenue need to be  investigated,  including the value that  such  a  plant  could  offer  in:  1)  countering  the  system  balancing  and  system  reliability  costs;  2) avoiding  the need  to build additional  transmission; and 3) providing  ‘regulation  reserves’  in operating reserves market. 

Work remaining on Task 5: • Optimal operation hours – annual operating hours, with daily and monthly optimization, expected 

net revenue, seasonal optimization; • Exploration of options to monetize system balancing, system reliability of a CAES plant and revenue 

of the CAES plant in operating reserves market; • Analyzing how the price of electricity (LMP) evolves by using time‐series econometrics technique for 

each node in potential site;  • Analyzing how the value of CAES plants affected by the change of natural gas price; and • Finding the optimal size of CAES plants with load curve.  

1.3.6. Task 6: Compare First Order Economic Estimates of a CAES Project with the Previously Developed PHES Analysis.                                                                                                                                                                          

Work remaining on Task 6 is to compare CAES with PHES investigation in May and June 2014.  

1.4. REFERENCES 

Denholm,  P.,  and  Sioshansi,  R.,  2009,  The  value  of  compressed  air  energy  storage  with  wind  in transmission‐constrained electric power systems: Energy Policy, v. 37, p. 3149‐3158. 

Drury, E., Denholm, P., and Sioshansi, R., 2011, The value of compressed air energy storage  in energy and reserve markets: Energy, v. 36, no. 8, p. 4959‐4973. 

Fertig, E., and Apt.,  J., 2011, Economics of compressed air energy  storage  to  integrate wind power: a case study in ERCOT: Energy Policy, v. 39, p. 2330‐2342. 

Jenkin,  T.,  and Weiss,  J.,  2005,  Estimating  the  Value  of  Electricity  Storage:  Some  Size,  Location  and Market  Structure  Issues:  October  Electricity  Energy  Storage  Applications  and  Technologies Conference, San Francisco, CA. 

Madlener, R., Latz, J., 2013, Economics of centralized and decentralized compressed air energy storage for enhanced grid integration of wind power: Applied Energy, v. 101, p. 299‐309.  

Page 19: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Economic and Policy Team  11 

 

Mauch, B., Carvalho, P., and Apt, J., 2012, Can a wind farm with CAES survive in the day‐ahead market?: Energy Policy,  v. 48,  p. 584‐593. 

Sioshansi, R., Denholm, P., Jenkin, T., and Weiss, J., 2009, Estimating the value of electricity storage  in PJM: arbitrage and some welfare effects: Energy Economics, v. 31, p. 269‐277.           

Sioshansi, R., Denholm, P., and Jenkin, T., 2011, A comparative analysis of the value of pure and hybrid electricity storage: Energy Economics, v. 33, p. 56‐66. 

Page 20: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Economic and Policy Team Appendix 1‐A  12 

 

APPENDIX 1‐A – ENVIRONMENTAL PERMITS AND APPROVALS MATRIX 

Page 21: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Economic and Policy Team Appendix 1‐A  13 

 

 

Page 22: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Economic and Policy Team Appendix 1‐A  14 

 

Page 23: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Economic and Policy Team Appendix 1‐A  15 

 

Page 24: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Economic and Policy Team Appendix 1‐A  16 

 

Page 25: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Economic and Policy Team Appendix 1‐A  17 

 

Page 26: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Economic and Policy Team Appendix 1‐A  18 

 

Page 27: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Economic and Policy Team Appendix 1‐A  19 

 

Page 28: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Economic and Policy Team Appendix 1‐A  20 

 

Page 29: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Economic and Policy Team Appendix 1‐B  21 

 

APPENDIX 1‐B – ECONOMIC MODELING BASED ON REVENUE FROM ARBITRAGE 

In Day‐Ahead market, we estimate the expected revenue from arbitrage. In other words, CAES plant  is charged when the price is off‐peak and it generates electricity by discharging compressed air when the price  is on‐peak. To provide a basic financial performance for the arbitrage‐only scenario, we modeled stochastic  dynamic  optimization  based  on  discrete  state,  discrete  choices  and  discrete  time  (hours).  Especially, since the price of electricity is volatile and is not easy to predict, we suppose that the price of electricity is stochastic variable. 

Assumptions 1. Prices are based on day‐ahead market price data  from  January 9, 2009  to  June 30, 2013  for  the 

MP.MP BOS4 node, which is the closest generation node for potential sites. 2. The Power capacity of storage device (k) is 100MW and the Energy capacity of storage device (K*h) 

is 100*Operating hour (10h) =1000MWh. 3. The Roundtrip efficiency of storage device  (η)  is 0.8  that means  that  it discharges 80MW when  it 

charges 100MW. 4. According  to  the Henry Hub Natural Gas  Futures Contract data,  the price of natural  gas  (Png)  is 

5$/GJ. 5. Heat rate of CAES expander (γ) is 2 GJ/MWh. 6. Variable O&M cost (Ve) is 3$/MWh. 7. Discount factor (δ) is 1/1.08.  Dynamic Optimization Model 

• Stochastic Bellman Equation      

• Decision Variables are   

• State Variables are the price of electricity and the storage level. The price of electricity (  ) is a 

stochastic variable and torage level , which is a total energy in storage at the beginning of hour t (MWh) is a deterministic variable. 

• State transition function is the followings.    

•  means quantities of electricity charged at time t and   means quantities of electricity discharged at time t. 

• Reward function F(S (  is consist of the followings. 

F(S (  = [F1 F2 F3] where 

F1 = 0                                                      if X= idle, 0  

F2 =  *  – (Png * γ + Ve)*     if X=discharge,      

F3=  *  – Ve*                         if X=charge,           

 

Page 30: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Economic and Policy Team Appendix 1‐B  22 

 

A model  is designed to find the optimum operating strategy such that the power request of the site  is met  and  the  total  expected  revenue  is maximized.  Expected  results  indicate  that  for  this  simplified model, electricity can be produced profitably as long as the price variation is large. After completing this model, we will investigate how frequently the CAES plant is in generating mode during week 1 and how much the plant sells energy when the price is at certain level. 

Except for revenue from arbitrage, CAES plant  is expected to get more revenue from reserves market, according  to  the  incentives  for  stored  energy  resources  (SER)  in MISO.  To  estimate  revenue  from reserves market, we will modify above model and figure out the expected revenue from CAES plant. 

Page 31: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team  23 

 

2. CAES PROGRESS REPORT – FACILITIES TEAM 

Jeff Marr 

2.1. REVIEW OF THE FACILITIES TEAM SCOPE 

The mission of the Facility Assessment Team is to assess technical systems that will be required in order to  implement the CAES system at the chosen  location or  locations on a preliminary or first pass basis. The assessment includes the following tasks: 

Task 1:  Technology assessment and  review of published  literature and evaluation of existing/planned facilities; 

Task 2:  Evaluation of conventional and advanced compressed air energy storage technologies; Task 3:  Assessment of surface and subsurface facilities configurations;  Task 4:  Assess plant operational characteristics (daily, annual, design life timescales); and Task 5:  Development  of  Deliverables:  “CAES  Assessment  guidelines,”  “CAES  Site  Screening 

methodology,” and “Screening Assessment of CAES Potential.” 

Through these five tasks the Facilities Team  is contributing to development of project deliverables and milestones as listed elsewhere in this report. 

The  Facilities Assessment  Team  is  led by  Jeff Marr of  the  St. Anthony  Falls  Laboratory, University of Minnesota  and  includes  key  personnel  from  University  of Minnesota,  Duluth  ‐  Department  of  Civil Engineering  (Associate  Professor  Carlos  Carranza‐Torres)  and  University  of Minnesota,  Twin  Cities  ‐ Department of Mechanical Engineering  (Professor Perry Li). The team will also  include engineers  from Great River Energy  (GRE), Minnesota Power  (MP), and Duluth Metals  (DM). Consulting Services to the team will be provided by Barr Engineering.  

2.2. ANNUAL PROGRESS SUMMARY: FACILITY ASSESSMENT TEAM 

2.2.1.  Task  1:  Technology  assessment  and  review  of  published  literature  and  evaluation  of existing/planned facilities 

This  task  focuses on a comprehensive  review of available  literature on CAES,  including peer  reviewed journals, white papers, government and state reports, and websites. A portion of the  literature review focuses  on  the  theory  and  physics  forming  the  basis  of  CAES.  The  team  conducted  a  detailed investigation  into  the  fundamental  physics  and  theories  behind  CAES  and  studied  the  primary approaches  to  CAES.  The  team  also  evaluated  several  CAES  facilities  that  were  either  planned  or constructed.   The outcomes of this  task  include: 1)  internal report, “Summary of the Physics of CAES” (Appendix 2‐A), and 2) internal report, “Annotated bibliography of relevant papers on conventional and advanced CAES” (Appendix 2‐B). This task is 95% complete.  

2.2.2. Task 2: Evaluation of conventional and advanced compressed air energy storage technologies 

This  task  is  on  identifying  prototyped  and/or  constructed  CAES  facilities  focusing  on  location,  size, components,  layout,  and  other  elements  that  provide  physical  characterization  of  the  facility. Once 

Page 32: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team  24 

 

identified,  the  team  conducted  a  study  of  each  site  using  any  available  published  information  and conducted  interviews with original equipment manufacturers  (OEM), vendors and  facility operators to gain  deeper  understanding  for  facility  design,  operation,  and  costs.  The  outcomes  of  this  task  will include  an  internal  report  on  critical  CAES  design  specification  of  existing  and  prototype  CAES technologies. This internal report is 90% complete.  

2.2.3.  Task  3:  CAES  feasibility  assessment  and  preliminary  schematic  of  surface  and  subsurface facilities configurations 

This  task  focuses  on  identifying  critical  design  specification  for  surface  and  subsurface  CAES  facility components. Utilizing the outcomes of the Task 1 and Task 2, the Facility Assessment team, supported by the other three teams, will develop a list of criteria required for viable CAES facilities.  

The  outcomes  of  this  task  include:  1)  internal  report,  “CAES  feasibility  assessment  and  preliminary schematic design parameters” (Appendix 2‐C). The report will address both conventional and advanced CAES. This report is 75% complete and will be 100% complete by December 2013.  

2.2.4. Task 4: Assess plant operational characteristics (daily, annual, design life timescales) 

This  task  focuses  on  developing  preliminary  operational  characteristics  of  the  facility  such  as  time required to discharge and recharge storage chambers, estimates of round‐trip efficiencies, and ramp up and  ramp  down  times.  The  assessment  relies  heavily  on  published  literature  and  existing  facility characteristics and attempts  to address both  conventional and advanced CAES. The outcomes of  this task will  include an  internal  report summarizing  the  likely operational characteristics of CAES  facilities ranging is technology, storage capacity and power. This task is 5% complete.  

2.2.5.  Task  5:  Development  of  Deliverables:  “CAES  Assessment  guidelines,”  “CAES  Site  Screening methodology,” and “Screening Assessment of CAES Potential” 

In  this  task,  information  gathering  Facility Assessment  Team  Tasks  1‐4  is  combined with  information from other groups to develop project deliverables critical for the second phase of the project  in which the screening assessment is applied to potential sites in northern Minnesota’s Iron Range. The outcomes are project deliverables: CAES Assessment Guidelines, CAES Site Screening Methodology, and Screening Assessment of CAES Potential. The  first  two deliverables, CAES Assessment Guidelines  and CAES  Site Screening  Methodology,  will  draw  heavily  on  Task  2  and  Task  3  internal  reports.  The  deliverable Screening Assessment of CAES Potential will apply the screening methodology developed by the team to identified sites within the Minnesota’s iron ranges.   

2.3. ADVANCED COMPRESSED AIR STORAGE TECHNOLOGIES 

• During  the  initial  stages  of  the  project,  it  became  clear  that  the  emergence  of  advanced  CAES technologies would need to be considered  in this project. These emerging approaches also do not add  to  the  carbon  emission,  as  no  additional  hydrocarbon  fuel  is  needed.  The  facilities  team expanded  the  scope  of  the  literature  and  technology  review  to  include  this  technology  in  our 

Page 33: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team  25 

 

feasibility analysis. In general, advanced CAES offers greater round trip efficiencies to energy storage and also may reduce the capital equipment costs and allow a decrease  in the size of underground cavern  through use of higher pressure  storage.  In Tasks 2‐4 of  the project, advanced CAES  is also integrated  into  the  study  through  consideration  of  commercial  technologies  including  General Compression, Lightsail Energy, SustainX, and  the NSF‐supported CAES  for wind  turbines project at the University of Minnesota.  

  

2.4. CALENDAR YEAR 2014, QUARTER 1 ACTIVITIES 

In the first three months of 2014, the Facilities Team will finalize site selection criteria, which will include consideration of both conventional and advanced CAES. We will support the rest of the team in applying criteria  to potential sites and  identify 2‐3 sites  for  full  feasibility analysis. The  facilities  team will work closely  with  the  Economics  Team  in  further  analysis  of  how  the  facility  design  and  operation  is integrated  into  the MISO  energy market. We will work  to  identify  strategies  and barriers  for  energy storage participation.  

Page 34: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐A  26 

APPENDIX 2‐A – DRAFT SUMMARY OF THE PHYSICS OF CAES 

 

Internal Project Report (Draft)

_____________________________________________________________________________________

Report Title: Summary of the Physics of Compressed Air Energy Storage

Project: Compressed Air Energy Storage (CAES) in Northern Minnesota Using Underground Mine Workings

Date: November 2013

By: Caroline Hughes, Jeff Marr, Perry Li

_____________________________________________________________________________________

Page 35: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐A  27 

1. Summary This report provides a general overview of the physical principles behind compressed air storage. This document  is written for the  internal team such that all team members have a basic understanding for the technology. 

2. Gas turbines and the Brayton Cycle Compressed air energy  storage was developed out of gas  turbine  technology  in  the early 1970s. Gas turbines are most often used to produce thrust, as in a jet engine, but are also used to run generators in power plants. Gas turbines use air, water vapor, or another gas as their working fluid. The gas turbine cycle compresses, heats, and then expands its working fluid to generate electricity or forward motion (as in a jet turbine). The electric generator, compressor, and turbine are all on the same shaft. The input to a  traditional gas  turbine  is a  combustion  fuel, usually natural gas. An  input of heat  from  combustion occurs  between  compression  and  expansion  to  ensure  the  system  can maintain  its  own motion  in addition to doing some work. The outputs of the gas turbine are: (1) an exhaust stream with sufficient energy to go back into the compressor and keep it running, and (2) shaft work (spinning) of an electrical generator. The ratio of the energy input to the energy output is: 

The  thermodynamic cycle of a conventional gas  turbine  is called  the Brayton Cycle or  the  Joule cycle. The steps of the cycle are shown in Figure 1.1: 

Figure 1.1. Brayton cycle. From www.mae.wvu.edu 

1 – 2: Constant‐entropy compression process 

2 – 3: Constant‐pressure heating (usually by combustion of fossil fuel) 

3 – 4: Constant‐entropy expansion process 

4 – 1: Constant‐pressure cooling 

Page 36: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐A  28  In an open cycle, the working fluid may be discarded at step 4 and fresh air can be taken in at state 1 so that cooling the fluid is not required. 

Conventional  compressed  air  energy  storage  is  thermodynamically  very  similar  to  a  gas  turbine  that follows  the Brayton  cycle. The main difference  is  that CAES  separates  compression  and expansion  in time with a storage phase in between. The use of energy is slightly different: a conventional CAES plant uses electric energy from the grid to compress air and  inject  it  into a storage cavern, then mix  it with natural gas for combustion at a later time in order to run a turbine and generator. In contrast with the gas turbine described above, the input‐to‐output ratio of a conventional CAES plant is: 

Ideally, the compressor would be able to use inexpensive electricity during off‐peak hours to compress the  air.  At  a  later  time when  the  demand  for  electricity  and  its  retail  value  increase,  the  plant  can discharge the stored air and generate electricity. In that sense, the efficiency may not be as important as the price of fuel and the difference in price of electricity between charging and discharging. CAES plants can be used independently to level loads on the grid at large. CAES plants are also potentially useful for improving the capacity factor (“firming”) of intermittent renewable energy such as wind. 

3. Fluid Energy The total energy per unit mass in a body of fluid is the sum of internal energy, kinetic energy, potential energy,  and  “flow work,” which  refers  to  the movement  of mass  across  the  boundary  of  a  control volume. The  internal energy includes a thermal component, which for an ideal gas refers to the kinetic energy of molecules, measurable as temperature. There is also a potential energy component of internal energy, but it is not important in the context of compressed air storage. 

Flow work is defined as the work required to move a fluid through the cross‐section of a control volume, as if by a piston. The piston exerts a force on the fluid over a certain distance. Consider the following: 

F = Force exerted by piston in order to move the fluid P = Fluid pressure A = Cross‐sectional area of control volume 

W = Work done by piston L = Distance through which the piston moves the fluid 

The total energy per unit mass of a flowing fluid can then be written as shown, where lowercase letters indicate values per unit mass: 

Energy = kinetic + potential + internal + flow 

Note that if the fluid is not moving through a control volume, PV is zero—the V represents the volume the fluid moves through, not the volume the fluid occupies when it is stationary.  

Page 37: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐A  29  Also, potential and kinetic energy can be ignored in this context, as they refer to macroscale properties like elevation and velocity  in a  single direction. These do not change  from one end  to  the other of a compressed air storage plant.  Internal energy  (particularly  the  thermal component of  it) and  the  flow work are much more important. 

4. Conventional CAES Plants A simplified schematic of a CAES plant is shown in Figure 4.1. 

Figure 4.1. Simplified CAES plant schematic. 

Figure 4.2. Two‐stage compression train. 

More detail of the compression phase is shown in Figure 4.2. The compression is broken up into several stages  to  reduce  the pressure drop across each  individual machine. By pausing  the  compression and stripping some heat with an intercooler, the required compressor work is decreased, and the machines are saved from operating at extremely high temperatures. The cost requirements of an  intercooler are usually  recovered  in  the  form  of  avoided mechanical  failure.  The  temperature  of  the  air  leaving  the compressor may be around (VALUE), but  it  is “aftercooled” with a heat exchanger to about 50° before injection in order to avoid thermal stresses on the cavern walls. 

Page 38: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐A  30 

Figure 4.3.Two‐stage expansion train. 

Figure  4.3  shows  the  expansion  process  that  generates  electricity.  The  actual  generator,  which  is connected to the turbines by a shaft, is not shown. The air comes out of storage and is mixed with the exhaust of the turbines, which pre‐heats it so that less energy is consumed in the combustion chamber. The  fuel  heat  rate,  which  is  a measure  of  the  energy  consumed  per  unit  of  generated  electricity, improves by about 25% as a result of this process, which is called regeneration or recuperation. Also, the expansion process is split into two stages with a second heating step between them, to counteract the cooling effects of expanding the air. Reheating serves the similar purpose  in expansion as  intercooling does in compression: by breaking up the expansion process, the pressure difference from inlet to outlet of each one is smaller, and the addition of heat increases the work output of the air on the turbine. 

Conventional compressed air storage plants are inherently inefficient, and it is counterintuitive that they should require an input of fossil fuel in addition to the electricity they use to compress. The main input of energy is in the form of the electricity that is used to compress the air. However, some of this energy is  lost afterwards, either by  intentional cooling or by dissipating  into  the walls of  the  storage cavern. Pressure  is maintained throughout the storage process, but combustion  is required to restore the  lost thermal energy. 

5. Emerging technologies Unlike power plants, which must convert stored energy into useful work, storage plants do not need to generate a net output of work. Fuel is only required because such a large portion of the thermal energy imparted  to  the  air  is  dissipated  during  storage.  If  thermal  energy were  stored  or  recaptured,  fuel consumption would be unnecessary. 

Engineering an effective thermal store  is the primary technical challenge  involved with the “Advanced Adiabatic”  compressed  air  energy  storage  plant  under  development  in Germany,  nicknamed  ADELE. Instead of discarding heat during  intercooling and aftercooling, the heat would be stored  in a material such as concrete or ceramic. After storage, air exiting the cavern would undergo heat exchange with the thermal energy store instead of going through combustion. Because of the extremely high temperature difference  between  the  thermal  energy  store  and  the  surrounding  environment,  preventing  heat dissipation is a significant challenge. 

Page 39: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐A  31  Under  development  by  several  small  companies,  including  Berkeley‐based  LightSail,  Isothermal  CAES does away with the need for combustion by preventing the compressed air from gaining more thermal energy  than  can  be  easily  stored.  Instead,  the  heat  is  stripped  from  the  air  gradually  during  the compression process, stored, and returned to the air in a similar manner during expansion. Because the air  is prevented from  increasing to more than a few degrees above ambient temperature, the primary challenge of this process is matching the heat exchange rate with the rate of compression or expansion. Heat transfer rate  is proportional to the difference  in temperature between the two materials and the contact surface area. By using extremely small droplets of water, it is possible to achieve the necessary heat  transfer  rate.  The  thermal  energy may  be  stored  at  approximately  20  degrees  above  ambient temperature. 

6. Quantifying Stored Energy The work per unit mass for compressing or expanding an ideal gas is given by: 

W = work done by or on the gas (depending on whether it is compression or expansion) Vatm = initial volume of gas Vcomp = compressed volume of gas P = pressure 

6.1 Adiabatic Processes Succar (2008) takes the approach of solving the work integral on the basis of specific volume (lowercase v) and specific pressure (lowercase p) for a two‐stage adiabatic expansion process that goes from a high pressure down to atmospheric pressure. With adiabatic processes, as found in conventional CAES 

systems, then PVk is constant throughout the process, where k (often also written as ) is the ratio between the specific heat capacities at constant volume (cv) and constant pressure (cp): 

The end result is the work per unit mass, w: 

Ti = temperature pi = specific pressure Subscript 1 is associated with the input to the first (high‐pressure) turbine Subscript 2 is associated with the input to the second (low‐pressure) turbine Subscript “atm” is associated with exhaust and atmospheric pressure. 

The total amount of stored energy, E, that will be output during expansion can be found by integrating the work per unit mass with the mass flow rate over time: 

mT = mass flow rate of air and fuel through the system t = time to discharge the storage cavern 

Page 40: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐A  32  Depending on how the plant is operated, the mass flow rate through the system and the work per unit mass may be constant or they may vary as the storage is depleted. A realistic operating scenario is that the cavern pressure is allowed to change as the air is depleted, whereas the inlet pressure to the turbine is throttled so it is constant. Throttling the air flow at the turbine inlet means that the mechanical work is constant over time, but because the cavern pressure  is decreasing, the mass flow rate varies. Taking these assumptions into consideration, Succar’s solution for energy output can be completed: 

mT = total mass flow rate mF = fuel mass flow rate mA = air mass flow rate  Vs = storage volume ps = storage pressure. ps1 is the minimum storage pressure that the cavern is allowed to be depleted to, and is equal to the inlet pressure at the first (HP) turbine. ps2 is the maximum pressure that the cavern reaches, and is determined by the outlet pressure that the compressors are capable of achieving. 

The  total  energy  generation  for  the  adiabatic  case was  adapted  to  a MATLAB  code  that  computes generated power for a series of possible cavern volumes and discharge times. The results are shown in Table 5.1.1. 

The code requires several inputs. This example case uses operating parameters from Dresser‐Rand’s line of products.  

Operating Parameters 

Maximum operating storage pressure (ps2)  Minimum operating storage pressure (ps1)  Inlet temperature to the HP turbine (T1)  Inlet pressure to the HP turbine (p1)  Inlet temperature to the LP turbine (T2)  Inlet pressure to the LP turbine (p2)  Atmospheric pressure (Patm)  Storage temperature (Ts)  Heat rate (H) 

Physical Constants 

Ratio of specific heat capacities (k1) at T1  Ratio of specific heat capacities (k2) at T2  Molar weight of air (Mw)  Ideal gas constant (R)  Lower Heating Value of natural gas (LHV)   

6.2 Isothermal processes The  case  of  isothermal  expansion  or  compression  is  somewhat  more  straightforward  because  the temperature of the gas remains constant throughout the process, and the use of specific temperature and pressure is not necessary. An ideal gas law relationship applies: 

Page 41: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐A  33 

Accounting for the fact that the minimum pressure is atmospheric (i.e., not zero), the work done during compression or expansion is expressed as: 

The ratio (Pcomp/Patm) is substituted for (Vatm/Vcomp) is substituted as because the uncompressed volume of air is unknown, and the end result, as expressed in Li (1975) is: 

7. The Storage Cavern An important characteristic of a potential rock mass is permeability. Permeability should be on the order of  10‐9 mm2  (which  corresponds  to  a  hydraulic  conductivity  of  10‐6  cm/s  at  20°  C)  (Giramonti  et  al., 1978). Granite and  limestone generally satisfy this. Even with a relatively  impermeable rock, however, pressure losses of 1‐2% can be expected while the air is in storage. 

To further protect against pressure loses, the storage cavern can be hydraulically compensated using a “water curtain.” Air  loss can be minimized provided that the water pressure surrounding the cavern  is greater than the air pressure inside the cavern (Zhongkui et al., 2009). 

If the cavern is operated without hydraulic compensation, the pressure will decrease as air is extracted. However,  the  entire  cavern  does  not  need  to  be  depleted  with  every  charge‐discharge  cycle.  An example  from  the proposed plant  shows how  the  cavern may be discharged and  re‐charged partially over the course of about 4 days. The cavern  is charged back up to full capacity to for about 3 days to complete a week‐long cycle. Note that the pressure values in this example are significantly higher than the  maximums  used  at  both  the  McIntosh  and  Huntorf  plants,  indicating  the  improvements  in compression machinery over the past 30 years. 

Thermal stresses 

Page 42: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐A  34 

8. References Giramonti, A.J., Lessard, R.D., Blecher, W.A., and Smith, E.B., 1978, Conceptual design of compressed air 

energy storage electric power systems: Applied Energy, v. 4, p. 231‐249.  

Li, K.W., 1975, Compressed air storage  in gas turbine systems: Journal of Engineering for Power, v. 62, no. 4, p. 640‐644. 

Zhongkui, L., Wang, K., Wang, A., and Liu, H., 2009, Experimental study of water curtain performance for gas storage in an underground cavern: Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, v. 1, no. 1, p. 89‐96. 

Page 43: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐B  35 

APPENDIX 2‐B – DRAFT ANNOTATED BIBLIOGRAPHY 

Internal Project Report (Draft)

_____________________________________________________________________________________

Report Title: Annotated Bibliography of Relevant Papers on Conventional and Advanced CAES

Project: Compressed Air Energy Storage (CAES) in Northern Minnesota Using Underground Mine Workings

Date: November 2013

By: Jeff Marr, Caroline Hughes, and Perry Li

_____________________________________________________________________________________

Page 44: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐B  36  1. Summary This report contains findings from a literature and project review of utility scale compressed air energy storage  (CAES)  technologies.  The  report  is  organized  into  sections  focused  on  technology  overview, thermodynamics, machinery,  rock mechanics,  economics, wind  integration,  and  case  studies. A  brief summary of each paper  is provided. The papers are presented  in each section  in alphabetical order by lead author’s last name. 

 

2. Technology Overview 

Giramonti,  A.J.  and  Lessard,  R.D.    (1974)  Exploratory  Evaluation  of  Compressed  Air  Storage  Peak‐Power Systems. This paper provides and analysis of compressed air energy storage  integration  into peaking system for transmission‐scale  power  distribution.  The  paper  suggests  that  pumped  hydro  is  an  economic  and flexible  storage  method  however  references  challenge  in  acquiring  land,  land  use  issues  and transmission line construction. Conventional CAES is proposed as an alternative peak‐power application. The  technology  is  referred  to  as  Compressed  Air  Power  or  CAP.  The  primary  concept  of  CAP  is  to decouple  the  compressor  and  turbine  so  they  operate  at  different  time  intervals  and  the  use  of  a separate  storage  facility  for  the  compressed  air.  The  paper  provides  an  effective  summary  of  the temperature‐entropy changes for a multi‐stage compression and expansion conventions CAES facility.  

The  above‐ground  facilities  will  include  standard  or  “familiar”  equipment  including:  compressors, burners,  turbines,  intercoolers,  clutches,  regenerators,  and  motor/generators.  Subsurface  facilities represent the greatest unknowns or “principal uncertainties.” The technical and economic feasibility of storing compressed gas underground is viewed as the greatest challenge. 

The paper provides a preliminary analysis of CAP performance under certain assumptions of the system. One  outcome  is  demonstration  that  the  energy  requirements  of  the  compressor  can  be  reduced  by using multiple stages of compression rather than a single compressor. 

The paper provides a brief economic discussion, which  is based on 1970s values and therefore difficult to apply for the current project. Capital equipment costs for surface facilities are estimated at $65/kW and underground at $10‐30/kW. 

The  paper  provides  a  brief  review  of  environmental  impacts.  The  paper  suggests  that  CAP  has  less environmental impact than other storage technologies. CAP has lower fossil fuel consumption compared to standard natural gas peaking plants, lower sulfur and particulate emissions as well.  

Giramonti, A.J., Lessard, R.D., Blecher, W.A., and Smith, E.B. (1978) Conceptual design of compressed air energy storage electric power systems. The paper gives an overview of  conceptual CAES with  sections on operation,  compressed air  storage facilities,  CAES  plant  design  considerations,  environmental  aspects,  performance,  comparative economics, and prospective  improvements. While  the paper  is older,  the  information  is  relevant and useful for this IREE study. Overview information is provided on the general concepts of CAES. Summary information  is provided on underground cavern types and considerations  include air  leakage rates and permeability  (for water)  of  10‐6  cm/s. With  the  section  on  plant  design,  the  paper  discusses major systems  components  such  as  compressors,  intercoolers,  aftercooling,  recuperators,  and  plant  layout. The  paper  concludes  with  a  comparative  economics  section  that  highlights  the  importance  of 

Page 45: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐B  37  considering the utility system and  includes consideration of the magnitude and duration of peak  loads plus off peak loads available for compression. 

McBride et. al. (2012) Mechanical energy storage. This paper provides an overview of CAES and advanced adiabatic and isothermal CAES. The paper begins with an overview of the compressed air and the thermodynamic implication of compression. Work must be performed  to  compress  a  gas. During  compression,  input work  is  converted  into  elastic potential energy and heat.  In adiabatic compression the heat remains  in the gas resulting  in the temperature of the gas to rise. Adiabatic expansion coverts the pressure potential and thermal potential back into work. Isothermal compression works to remove all the heat generated by compression. So the work input into compression resides in the pressure potential energy within the gas and thermal potential energy that is outside the gas. In theory, both adiabatic and isothermal compression could have efficiencies of 100%; however, this is not possible because of mechanical and parasitic energy loss. 

The  paper  goes  further  to  describe  the  operation  of  large  scale,  classical  CAES  using  natural  gas combustion turbines. In Classical CAES, part of the heat generated from combustion is used to add heat into the expanding gas prior to entering combustion chamber. The paper describes a simple calculation of  round  trip  energy  efficiency  for  classical  and  advanced  CAES.  In  Classical  CAES,  the  denominator contains a term that  is the energy released by combusting fuel. The Adiabatic and  Isothermal systems discussed propose systems that do not use natural gas combustion. This supposes that a purpose of the combustion  is  to  re‐heat  the  gas.  Finally,  the  paper  gives  a  summary  of  existing  CAES  facilities  and names Huntorf, Germany, and the McIntosh plant in Alabama. Specification for each of these facilities is provided. 

The paper provides  a  current  status  report on  research  for Advanced CAES  including  isothermal  and adiabatic. For adiabatic the challenge  is developing high‐temperature compressors and expanders that can handle  these  large  temperature and pressure  ranges. For  isothermal  focus  is on developing  rapid and continuous heat exchange. 

Pfenninger, H. and Baden (1975) Hydroelectric and compressed‐air pumped‐storage schemes. The paper is from 1975, but it provides an overview of energy production, load and balancing. The first part of the paper focuses on describing how base load and peaking plants may be used in combination along with storage  to provide  the energy needs of a variable daily  load profile. The paper states  that base  load facilities need to run at a flat rate  in order to protect systems and realize mechanical design life.  It also states that  it  is economically  ideal to run base  load plants  (high‐cost thermal plants) at full load during low load demand periods. Because base load may run in excess of load, it is ideal to be able to store excess energy and suggests that hydraulic pump and compressed air storage plants are means for storing energy. The paper described the pumped hydro energy storage (PHES) approach. The focus is on Europe. The paper describes CAES and suggests it will be used in locations where PHES is not feasible. The  paper  gives  a  very  brief  summary  of  the  types  of  caverns  – man made  and  natural.  The  paper discusses  the  need  for  water  availability  to moderate  the  temperatures  of  the  compressed  gas.  In general, this paper is a bit old and is a very brief summary of energy and storage technologies. 

Pockley, S. (2008) Compressed air energy storage. This paper provides an overview/summary of compressed air energy storage as a viable energy storage technology  for  Australia’s  energy  portfolio.  The  paper  provides  an  overview  of  CAES,  the  physics  of compressed  air,  a  summary  of  isothermal  and  adiabatic  compression,  as  well  as  polytrophic compression. The paper provides brief summaries of various compressor types and a discussion on the underground  storage  systems.  The  review  is  very  light  and  only  discusses  the  positive  aspect  of  the 

Page 46: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐B  38  caverns. It does not discuss the challenges of finding viable underground storage. The paper provides a summary  of  CAES  economics  suggesting  that  CAES  facilities  can  produce  2  or  3  times  that  of conventional gas turbine  facilities. The paper concludes with summaries of two operational  facilities – Huntorf,  Germany,  and McIntosh,  Alabama.  The  author  provides  summaries  of  design,  operational experience, thermodynamics, and maintenance for the Huntorf facility.  

Succar,  S.  and  Williams,  R.H.  (2009)  Compressed  air  energy  storage:  Theory,  resources,  and applications for wind power. This  paper  is  a  highly  comprehensive  and  relevant  paper  for  this  project  and  serves  as  a  primary reference  for  the  facilities  team.  The  paper  is  lengthy  and  therefore  only  a  high‐level  summary  is provided  here.  The  paper  has  the  following  sections:  1)  Background,  2)  CAES  operation  and performance, 3) Aquifer CAES geology and operation, 4) Wind/CAES system in baseload power markets, and 5) Advanced technology options. In each section, detailed information is provided for each sector of CAES. 

Ter‐Gazarian, A.G. (2011) Energy storage for power systems. This text is a chapter (Chapter 7) from the book Energy Storage from Power Systems (see full citation in reference section). The paper begins with a general physical derivation for compressed air storage for isobaric and  isothermal compression. The next section  focuses on  the basic concept of a CAES  facility and  differences  between  conventions  gas‐turbine  and  CAES.  In  conventional  gas‐turbine,  the  author summarizes  the  process  in which  a  compressor  compresses  air  that  is  then  combined with  fuel  and combusted in a combustion chamber. The combusted, high temperature combusted gas drives a turbine connected to a generator. Approximately two‐thirds of the energy produced by the turbine  is used to drive  the  compressor  and  one‐third  generates  electric  energy.  CAES  uses  the  same  topology  except clutches and storage systems are added, which act to separate the compressor from the turbine. 

The  volume  of  air  reservoir  is  the  determined  by  the  amount  of  energy  to  be  stored  based  on  the requirements  of  the  power  system.  The  compressor  on  the  other  hand,  because  the  systems  are decoupled,  is  sized  based  on  the  length  of  time  available  to  recharge  the  reservoir  (size  of  cavern, pressure,  volume,  and  characteristics  of  diurnal  pricing).  The  paper  makes  the  point  that  the  key advantage of CAES in the fact that the nameplate electrical energy output of the facility is 3x higher than conventional systems since two‐thirds of output energy from a conventional system flows back to the compression  stage.  In CAES,  the electric generator  can be one‐third  the  size of a  conventional plant, which is a significant costs advantage. 

The paper discusses  the subsurface  facilities and provides summary of various underground mediums including salt and hardrock caverns. Constant‐pressure caverns are discussed.  

The  paper  provides  a  summary  of  the  power  extraction  system  or  turbine‐generators.  It  includes  a summary  of  compressor  arrangements  and  the  advantages  of  inter‐cooling.  A  relationship  for compressor work  is  provided  that  includes  effects  of  temperature  increases  across  the  compressor. Cooling water requirements for large facilities can be significant and need to be considered. 

The paper describes two technological advances that help CAES. The first advance is increasing the inlet temperature  of  the  air  into  the  combustion  chamber, which  increases  the  Charge  energy  factor  or electric energy output. The second advance is utilizing re‐heat mechanism to use exhaust heat from the LP turbine to pre‐heat expanded air coming  into the HP turbine. This reduces the fuel heat rate of the facility.  

Page 47: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐B  39  The paper goes on to discuss adiabatic compression and then provides detail review of the Huntorf and McIntosh  facilities.  The  paper  concludes with  a  short  section  on  dispatch  and  economic  limitations. Discussion of  ramp up  time  is provided  for Huntorf,  as well  as  a discussion on  alternative  fossil  fuel types. 

Zaug, P. (1975) Air‐storage power generating plants. This paper was published at  the  time  the Huntorf  facility was contracted but not yet built. The paper provides  an  excellent  overview  of  conventional  CAES  theory  and  used  Huntorf  characteristics  to demonstrate  design  and  operational  parameters.  The  topology  of  a  conventional  CAES  system  is described  including multistage compression and expansion/turbines;  inlet temperature considerations; reservoir  characteristics and  sizing; and a brief discussion on  reservoir  temperature  considerations. A major contribution of this paper is Figure 5, which is also referenced by Succar and William (2008), that provides  the  relationship  for  minimum  size  of  subsurface  reservoir  based  on  one  of  three pressure/volume scenarios and desired energy production. This table  is very useful  in feasibility design of conventional CAES. 

 

3. Thermodynamics 

Li, K.W. (1975) Compressed air storage in gas turbine systems. This  is a  short paper written  in  the 1970s on  the  idealized  thermodynamic operation of conventional CAES  facilities.  The  paper  describes  physics‐based  relationships  for  the  thermodynamics  of  these systems.  There  are  sections  on  thermodynamic  analysis,  fuel  costs  estimations,  optimizations,  and power  plant  sizing.  This  paper  is  very much  focused  on  theoretical  thermodynamic  analysis  and  is perhaps more detailed than required for the IREE project. 

Rabbani, M., Dincer, I., and Naterer, G.F. (2012) Thermodynamic assessment of a wind turbine based combined cycle. The paper provides a simulation‐based evaluation of a coupled wind turbine and combined cycle power plant. The paper is informative but has little relevance to the IREE CAES study.  

Lienhard IV, J.H., and Lienhard V, J.H. (2012) A heat transfer textbook. This is a general textbook on heat transfer. 

 

4. Machinery 

Berman, P.A. (1979) Turbo‐machinery for CAS. This  paper  from  the  late  1970s  provides  a  summary  of  three  configurations  of  a  conventional  CAES facility and presents operating characteristics  for the three approaches. The paper suggests that CAES facilities can be constructed using off‐the‐shelf components.  

Langston, L.S. and Opdyke, Jr., G. (1997) Introduction to gas turbines for non‐engineers. This paper provides a very simple summary of gas turbines including aircraft engines and land‐based gas turbines. The paper covers gas turbine usage, gas turbine cycles – focusing on the Brayton cycle, and gas turbine components.  

Page 48: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐B  40  [Online] http://www.cast‐safety.org/pdf/3_engine_fundamentals.pdf,  Fundamentals of Gas  Turbine Engines.  This  paper  provides  a  summary  of  gas  turbines  considering  an  aircraft  jet.  The  paper  covers  the following topics – the gas turbine cycle, basic principles, performance and efficiency, engineer sections (details), effects of turbine temperature, effects of atmospheric conditions, and compressor stall/surge. The paper provides a useful entry into understanding the design and operation of gas turbines. 

 

5. Rock Mechanics 

Kim, H.M., Lettry, Y., Park, D., Ryu, D.W., Choi, B.H., and Song, W.K. (2012) Potential and evolution of compressed air energy storage: Energy and exergy analysis. This paper provides a summary of an in situ permeability measurement system that is demonstrated at a pilot CAES facility. The device is demonstrated in a low permeability concrete matrix, high permeability construction joints and in the surrounding rock mass. 

Kim, H.M., Rutqvist, J., Ryu, D.W., Choi, B.H., Sunwoo, C., and Song, W.K. (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. The  paper  describes  a  numerical modeling  analysis  of  a  shallow  CAES  application  in  concrete  line caverns. While  the  focus of  this paper  is much more refined  than  the scope of  the present study,  the paper highlights the importance of cavern leakage rates, construction methods, cavern/air temperature. The paper focuses on shallow construction and postulates that shallow construction of new caverns can, in  some  cases,  be more  economical  since  costs  of  construction  and  location  can  be  less  relative  to deeper  and  geological‐driven  locations.  The  paper  conducts  a  numerical  study  that  couples thermodynamics, multiphase fluid flow and heat transport with underground CAES in lined rock caverns and, using this model, the authors explore variables that  include permeability,  initial  liquid saturation, and  capillary  pressure  of  the  concrete  lining  and  surrounding  rock,  the  lining  thickness,  and  cavern depth. 

Kushnir,  R.,  Dayan,  A.,  and  Ullmann,  A.  (2012)  Temperature  and  pressure  variations  within compressed air energy storage caverns. This paper provides  insight  from numerical and analytical modeling on  the  temperature and pressure variation  within  a  subsurface  cavern  due  to  thermal  exchange  with  the  cavern  walls.  The  authors suggest that thermal effusivity is an important design/siting parameter that should be considered during design. For the purposes of the present study, this paper provides important insights into the details of the cavern; however, it is largely focused for the preliminary feasibility study. 

Rutqvist, J., Kim, H.M., Ryu, D.W., Synn, J.H., and Song, W.K. (2012). This paper provides a  summary of modeling of  temperature and geomechanics and an underground, lined CAES facility. The project  is focused on geotechnical  issues and not relevant to the facilities team and is therefore not summarized here other than including the abstract from the paper. 

Abstract:  Coupled  nonisothermal,  multiphase  fluid  flow  and  geomechanical  numerical  modeling  is conducted with TOUGH‐FLAC, a  simulator based on  the multiphase  flow and heat  transport  simulator TOUGH2  and  the  geomechanical  simulator  FLAC3D,  to  study  the  complex  thermodynamic  and geomechanical  performance  of  underground  compressed  air  energy  storage  (CAES)  in  concrete‐lined rock  caverns.  The  analysis  focuses  on  CAES  in  lined  caverns  at  relatively  shallow  depth  (e.g.,  100 m 

Page 49: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐B  41  depth)  in which a  typical operational pressure of 5  to 8 MPa  is significantly higher  than both ambient fluid pressure and  in situ stress. Two different  lining options are analyzed, both with a 50 cm thick  low permeability  concrete  lining,  but  in  one  case with  an  internal  synthetic  seal  such  as  steel  or  rubber. Thermodynamic  analysis  showed  that  96.7%  of  the  energy  injected  during  compression  could  be recovered during subsequent decompression, while 3.3% of  the energy was  lost by heat conduction  to the surrounding media. Geomechanical analysis showed that tensile effective stresses as high as 8 MPa could  develop  in  the  lining  as  a  result  of  the  air  pressure  exerted  on  the  inner  surface  of  the  lining, whereas  thermal  stresses  were  relatively  smaller  and  compressive.  With  the  option  of  an  internal synthetic  seal,  the maximum  effective  tensile  stress was  reduced  from  8  to  5 MPa,  but was  still  in substantial tension. One simulation in which the tensile tangential stresses resulted in radial cracks and air leakage though the lining was performed. This air leakage, however, was minor (about 0.16% of the air mass  loss  from one daily  compression)  in  terms of operational efficiency, and did not  significantly impact the overall energy balance of the system. 

Shidahara, T., Oyama, T., and Nakagawa, K. (1993). This  paper  is  heavily  focused  on  the  hydrogeological  evaluation  of  a  CAES  site  in  Japan  and  was therefore not read thoroughly by the facilities team. The abstract is included here for reference. 

Abstract:  The  compressed  air  energy  storage(CAES)  is  a much‐awaited  new  system  for  load  leveling power supply. An economical system must be developed, preventing leakage of stored air (with pressures of more than 20 atm) using groundwater pressure surrounding an unlined cavern  in hard rock. The air tightness of the rock around the cavern must be confirmed.  In this study, the hydrogeology of the test site was  examined  prior  to  field  air  tightness  tests  in  the  borehole.  The  results  indicate  that, when evaluating  the  hydrogeology  of  the  test  site  related  to  the  air  tightness  of  rocks,  it  is  necessary  to understand the geological structure and fracture characteristics of the site. This  is done by means of a field  survey,  investigations  and  tests  in  and  between  the  boreholes,  and  the  examination  of  the distribution of permeability and pore water pressures. 

Shidahara, T., Oyama, T., Nakagawa, K., Kaneko, K., and Nozaki, A. (2000). This paper  is heavily focused on the geotechnical evaluation of a CAES site  in Japan and was therefore not read thoroughly by the facilities team. The abstract is included here for reference. 

Abstract:  It  is necessary for the rock mass that surrounds the excavated storage cavern to maintain  its mechanical and hydrological properties  in order  to  keep  the  stability and air  tightness of  the  storage caverns of the operating compressed air energy storage (CAES) system. A case study for the CAES, which included drilling a borehole of 600 m in depth, was carried out on the Paleogene sedimentary rock that consisted mainly of conglomerate  in northeast Kyushu,  Japan. Elastic wave velocity corresponds  to the sedimentary facies and the mineralogy  in the rock matrix that are controlled by the sedimentary cycle. The  mechanical  properties  can  be  inferred  from  physical  properties  such  as  elastic  wave  velocity. Hydrological  properties  such  as  permeability  coefficient  and  pore water  pressure  are  affected  by  the grain size distribution and the filling minerals  in the rock matrix that are controlled by the sedimentary cycle. Carbonaceous shale and sandstone with abundant filling mineral (calcite), which are distributed at the top of the sedimentary cycle, are inferred to be impervious. It is assumed that the groundwater flow is divided  into  two zones based on  the vertical change of pore water pressure and one of  these zones overlies the  impervious  layers and the other underlies the  impervious  layers. Finally we concluded that sedimentological and mineralogical studies were required to evaluate the mechanical and hydrological properties of  stratified  sedimentary  rocks. We propose a procedure  for  the geotechnical evaluation of sedimentary rocks that surround the CAES cavern.  

Page 50: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐B  42  6. Economics 

Fertig, E., and Apt, J. (2011) Economics of compressed air energy storage to integrate wind power: A case study in ERCOT. This paper  is focused on an economic model developed for wind‐CAES  integration and not particularly relevant for the facilities team. The abstract is included here for reference. 

Abstract:  Compressed  air  energy  storage  (CAES)  could  be  paired with  a wind  farm  to  provide  firm, dispatchable baseload power, or serve as a peaking plant and capture upswings in electricity prices. We present a  firm‐level engineering‐economic analysis of a wind/CAES system with a wind  farm  in central Texas, load in either Dallas or Houston, and a CAES plant whose location is profit‐optimized. With 2008 hourly prices and  load  in Houston,  the economically optimal CAES expander  capacity  is unrealistically large– 24 GW–and dispatches  for only a  few hours per week when prices are highest; a price cap and capacity payment  likewise  results  in a  large  (17GW) profit‐maximizing CAES expander. Under all other scenarios considered  the CAES plant  is unprofitable. Using 2008 data, a baseload wind/CAES system  is less  profitable  than  a  natural  gas  combined  cycle  (NGCC)  plant  at  carbon  prices  less  than  $56/tCO2 ($15/MMBTU  gas)  to  $230/tCO2  ($5/MMBTU  gas).  Entering  regulation  markets  raises  profit  only slightly.  Social  benefits  of  CAES  paired  with  wind  include  avoided  construction  of  new  generation capacity, improved air quality during peak times, and increased economic surplus, but may not outweigh the private cost of the CAES system nor justify a subsidy. 

Greenblatt,  J.B.,  Succar,  S., Denkenberger, D.C., Williams, R.H.,  and  Socolow, R.H.  (2007) Baseload wind energy: Modeling the competition between gas turbines and compressed air energy storage for supplemental generation. This paper is focused on an economic model developed for wind energy baseload systems (wind and gas as well as wind and CAES). This paper is focused on an economic model and not particularly relevant for the facilities team. The abstract is included here for reference. 

Abstract:  The  economic  viability  of  producing  baseload  wind  energy  was  explored  using  a  cost‐optimization model  to  simulate  two  competing  systems:  wind  energy  supplemented  by  simple‐  and combined  cycle natural gas  turbines  (‘‘wind+gas’’), and wind energy  supplemented by  compressed air energy storage (‘‘wind+CAES’’). Pure combined cycle natural gas turbines (‘‘gas’’) were used as a proxy for conventional baseload generation. Long‐distance electric  transmission was  integral  to  the analysis. Given  the  future uncertainty  in both natural gas price and greenhouse gas  (GHG) emissions price, we introduced an effective fuel price, pNGeff, being the sum of the real natural gas price and the GHG price. Under  the  assumption  of  pNGeff  ¼  $5/GJ  (lower  heating  value),  650W/m2  wind  resource,  750km transmission  line,  and  a  fixed  90%  capacity  factor,  wind+CAES  was  the  most  expensive  system  at b6.0/kWh, and did not break even with the next most expensive wind+gas system until pNGeff ¼ $9.0/GJ. However, under real market conditions, the system with the least dispatch cost (short‐run marginal cost) is  dispatched  first,  attaining  the  highest  capacity  factor  and  diminishing  the  capacity  factors  of competitors,  raising  their  total  cost. We estimate  that  the wind+CAES  system, with a greenhouse gas (GHG) emission rate that is one fourth of that for natural gas combined cycle plants and about one‐tenth of that for pulverized coal plants, has the lowest dispatch cost of the alternatives considered (lower even than for coal power plants) above a GHG emissions price of $35/tCequiv., with good prospects for realizing a higher capacity factor and a lower total cost of energy than all the competing technologies over a wide range  of  effective  fuel  costs.  This  ability  to  compete  in  economic  dispatch  greatly  boosts  the market penetration potential of wind energy and suggests a substantial growth opportunity  for natural gas  in providing baseload power via wind+CAES, even at high natural gas prices. 

Page 51: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐B  43  7. Advanced CAES 

Grazzini, G. and Milazzo, A. (2011) A thermodynamic analysis of multistage adiabatic CAES. The  paper  is  focused  on  numerical  simulation  of  adiabatic  CAES.  The work  examines  design  of  heat exchanger  optimization.  The work  is  quite  detailed  into  the  thermodynamics  of  the  heat  exchange relationships and equations. The work is more detailed than necessary for the IREE project but provides useful overview information on the potential of adiabatic advanced CAES. 

Kim, Y.M., and Favrat, D. (2008) Energy and exergy analysis of a micro compressed air energy storage and air heating and cooling system. The work  focused on analysis of  small, micro‐CAES  systems. The authors perform energy  and exergy analysis  of  eight  different  configurations  of  CAES  including  adiabatic,  quasi‐isothermal  and  various stages of each. The work is only slightly relevant to the IREE CAES project. 

Kim, Y.M., Lee, J.H., Kim, S.J., and Favrat, D. (2012) Potential and evolution of compressed air energy storage: Energy and exergy analysis. This  is a very comprehensive paper that provides a unique comparison evaluation of various advanced CAES approaches and compares with conventional, existing CAES designs. Evaluations are based on an exergy  analysis.  Explanation  of  the  exergy  analysis  is  provided  and  then  the  various  scenarios  are studied. This paper provides an encouraging perspective on the potential for advanced CAES as a viable and efficient storage technology for both large and small (distributed power) system.  

Mohsen, S. and Li, P. (2012) Modeling and control of a novel compressed air energy storage system for offshore wind turbine. This paper describes an advanced approach that couples the wind turbine drivetrain with a micro CAES system. The approach has advantage both  for  the wind  turbine  itself and also  for energy and power production.  The  paper  describes  enabling  technologies  including  a  liquid‐piston  air  compressor/ expander, and a hydrostatic drivetrain (for the turbine). The authors consider advanced control systems that  would  accompany  the  new  topology  and  through  the  control  the  generation  system  greater efficiency, control of transient power, and pushes wind energy toward a baseload character. 

Samaniego, F.  (2010) Modeling of an Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage  (AA‐CAES) Unit and an Optimal Model‐based Operation Strategy for its Integration into Power Markets. This  is  a  comprehensive  graduate  thesis  focused  on  and  advance  adiabatic  compressed  air  energy storage system.  

 

8. Case Studies 

Schulte, R.H., Critelli, Jr., N., Holst, K., and Huff, G. Sandia National Laboratories. (2012) Lessons from Iowa:  Development  of  a  270  megawatt  compressed  air  energy  storage  project  in  Midwest Independent System Operator. The paper provides a forensic study of the terminated CAES project located near Des Moines, Iowa. The Iowa Stored Energy Park was to be a 270 MW CAES facility and sought to use subsurface rock formation to store compressed air. The project was  terminated because of unfavorable geologic conditions. The study  was  commissioned  by  the  DOE  Energy  Storage  Systems  Program  and  contains  valuable  and insightful  information  on  the  project,  project  design,  and  lessons  learned.  The  report  is  lengthy  and comprehensive. The project never moved past the geological investigations; however, many insights go 

Page 52: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐B  44  beyond  this  part  of  the  design.  The main  sections  of  the  report  are:  introduction,  project  history, economics  (costs  and  economics  studies),  transmission, markets  and  tariffs,  renewables  policy  and legislation, siting, project management, geology, and recommendations for follow‐on work.   

Sirius Minerals, Dakota Salts. (2011) Compressed air energy storage feasibility in north Dakota. This  comprehensive  report  is  developed  by  Dakota  Salt  with  collaborators  Electric  Power  Research Institute (EPRI) and Schlumberger Water Services (SWS). The report is made of up separate reports from SWS, who  conducted  research  on  siting  in North Dakota,  and  EPRI, who  developed  a North Dakota specific economic dispatch model. The  report provides  important  insights  into  the  importance of  the underground works – in this case, the underground cavern was viewed as the most important aspect of the  project  proceeding  surface  facility  design.  The  EPRI  study  suggests  that  they  economics  of  the project are also key. The study examines MISO specific rules and policy as they pertain to the proposal for CAES  in North Dakota. Appendix 2 of the report contains a MS PowerPoint presentation developed by EPRI that provides a wealth of  information on how CAES  is valued  in MISO. This  information  is very relevant to the IREE study. 

Weber, O. (1975) The air‐storage gas turbine power station at Huntorf. The paper provides an overview of the to‐be‐constructed Huntorf conventional CAES facility in Germany.  The  facility was  commissioned  in  1977  and  so  this  paper was  published  during  design.  The  authors provide a background on the design approach and then provide details on the important components of the  Huntorf  facility  including  the  turbine,  control,  compressors,  generators,  fuel,  cooling  water, operational information, and the underground storage facility. 

 

9. Reference Berman, P.A., 1979, Turbo‐machinery for CAS: International Power Generation, v. 2, no. 9, p. 45‐51. 

Bullough,  C.,  Gatzen,  C.,  Jakiel,  C.,  Koller,  M.,  Nowi,  A.,  and  Zunft,  S.,  2004,  Advanced  adiabatic compressed  air  energy  storage  for  the  integration  of wind  energy:  Paper  from  European wind energy conference, London, England.  

Electric  transmission  lines  and  substations  [Map],  2007,  Minnesota  Geospatial  Information  Office. Retrieved from http://www.mngeo.state.mn.us/maps/ElecTran07.pdf. 

Fertig, E., and Apt, J. 2011, Economics of compressed air energy storage to integrate wind power: A case study  in  ERCOT:    Energy  Policy,  v.  9,  no.  5,  p.  230‐2342.  Retrieved  from  10.1016/ j.enpol.2011.01.049 

Fundamentals  of  Gas  Turbine  Engines.  Retrieved  from  http://www.cast‐safety.org/pdf/ 3_engine_fundamentals.pdf.  

Giramonti, A.J., and Lessard, R.D., 1974, Exploratory evaluation of compressed air storage peak‐power systems: Energy Sources, v. 1, no. 3, p. 283‐294. 

Giramonti, A.J., Lessard, R.D., Blecher, W.A., and Smith, E.B., 1978, Conceptual design of compressed air energy storage electric power systems: Applied Energy, v. 4, p. 231‐249.  

Grazzini, G., and Milazzo, A., 2011, A thermodynamic analysis of multistage adiabatic CAES: Proceedings of the IEEE, v. 100, no. 2, p. 461‐472. 

Page 53: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐B  45  Greenblatt, J.B., Succar, S., Denkenberger, D.C., Williams, R.H., and Socolow, R.H., 2007, Baseload wind 

energy: Modeling  the competition between gas  turbines and compressed air energy storage  for supplemental generation: Energy Policy, v. 35, no. 1, p. 1474‐1492. 

Kim,  H.M.,  Lettry,  Y.,  Park,  D.,  Ryu,  D.W.,  Choi,  B.H.,  and  Song,  W.K.,  2012,  Field  evaluation  of permeability  of  concrete  linings  and  rock masses  around  underground  lined  rock  caverns  by  a novel in‐situ measurement system: Engineering Geology, v. 137‐138, p. 97‐106. 

Kim, H.M., Rutqvist, J., Ryu, D.W., Choi, B.H., Sunwoo, C., and Song, W.K., 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, v. 92, p. 653‐667. 

Kim, Y.M., and Favrat, D., 2008, Energy and exergy analysis of a micro compressed air energy storage and air heating and cooling  systemP Paper  from  International  refrigeration and air conditioning conference. Retrieved from http://docs.lib.purdue.edu/iracc/950.  

Kim, Y.M., Lee,  J.H., Kim, S.J., and Favrat, D., 2012, Potential and evolution of compressed air energy storage: Energy and exergy analysis: Entropy, v. 14, p. 1501‐1521. 

Kushnir, R., Dayan, A., and Ullmann, A., 2012, Temperature and pressure variations within compressed air energy storage caverns: International Journal of Heat and Mass Transfer, v. 55, no. 21, p. 5616‐5630.  

Langston,  L.S.  and Opdyke,  Jr., G.,  1997,  Introduction  to  gas  turbines  for  non‐engineers: Global Gas Turbine  Newsletter,  v.  37,  no.  2,  Retrieved  from  http://files.asme.org/IGTI/ Knowledge/Articles/13051.pdf. 

Li, K.W., 1975, Compressed air storage  in gas turbine systems: Journal of Engineering for Power, v. 62, no. 4, p. 640‐644. 

Lienhard  IV,  J.H.,  and  Lienhard  V,  J.H.,  2012,  A  heat  transfer  textbook  (4th  ed.):  Phlogiston  Press, Cambridge, MA, 755 p. 

Lindblom, U., 1989, The performance of water curtains surrounding rock caverns used for gas storage: International Journal of Rock Mechanics, Mineral Science, and Geomechanics, v. 26, no. 1, p. 85‐97. 

McBride, Bollinger, and Kepshire, 2012, Mechanical energy storage: In Ginley, D.S., and Kahen, D. (eds.), Fundamentals  of materials  for  energy  and  environmental  sustainability:  Cambridge  University Press, New York, p. 628‐631.  

Pfenninger, H.  and Baden,  1975, Hydroelectric  and  compressed‐air  pumped‐storage  schemes: Brown Boveri Review, v. 62, no. 7/8.  

Pockley,  S.,  2008,  Compressed  air  energy  storage.  Retrieved  from  http://www.duckdigital.net/ Research/CAES.doc.  

Rabbani, M., Dincer,  I., and Naterer, G.F., 2012, Thermodynamic assessment of a wind  turbine based combined cycle: Energy, v. 44, no. 1, p. 321‐328. 

Page 54: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐B  46  Rutqvist, J., Kim, H.M., Ryu, D.W., Synn, J.H., and Song, W.K., 2012, Modeling of coupled thermodynamic 

and  geomechanical  performance  of  undergound  compressed  air  energy  storage  in  lined  rock caverns: International Journal of Rock Mechanics and Mining Science, v. 52, p. 71‐81.  

Schulte, R.H., Critelli,  Jr., N., Holst, K., and Huff, G., 2012,  Lessons  from  Iowa: Development of a 270 megawatt  compressed  air  energy  storage  project  in  Midwest  Indpendent  System  Operator (SAND2012‐0388), Sandia National Laboratories, p. 96. 

Sirius Minerals, Dakota Salts, 2011, Compressed air energy storage feasibility in North Dakota, 142 p. 

Shidahara, T., Oyama, T., and Nakagawa, K., 1993, The hydrogeology of granitic rocks in deep boreholes used for compressed air storage: Engineering Geology, v. 35, no. 3‐4, p. 207‐213.  

Shidahara, T., Oyama, T., Nakagawa, K., Kaneko, K., and Nozaki, A., 2000, Geotechnical evaluation of a conglomerate  for  compressed  air  energy  storage:  The  influence  of  the  sedimentary  cycle  and filling minerals in the rock matrix: Engineering Geology, v. 56, no. 1‐2, p. 125‐135.  

Succar, S., Denkenberger, D.C., and Williams, R.H., 2012, Optimization of specific rating for wind turbine arrays coupled to compressed air energy storage: Applied Energy, v. 96, no. 1, p. 222‐234.  

Succar, S., and Williams, R.H., 2009, Compressed air energy storage: Theory, resources, and applications for wind  power:  Informally  published manuscript,  Princeton  Environmental  Institute,  Princeton University, Princeton, NJ.  

Ter‐Gazarian, A.G., 2011, Energy storage for power systems (2nd ed.): The Institution of Engineering and Technology, London, England, p. 99‐120. 

Weber, O., 1975, The air‐storage gas turbine power station at Huntorf: Brown Boveri Review, v. 62, no. 7/8, p. 332‐337. 

Zaugg, P., 1975, Air‐storage power generating plants: Brown Boveri Review, v. 62, no. 7/8, p. 338‐347. 

Zhongkui, L., Wang, K., Wang, A., and Liu, H., 2009, Experimental study of water curtain performance for gas storage  in an underground cavern: Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, v. 1, no. 1, p. 89‐96. 

Zunft, S., Jakiel, C., Koller, M., and Bullough, C., 2006, Adiabatic compressed air energy storage for the grid integration of wind power: Paper from Sixth international workshop on large‐scale integration of wind power and transmission networks for offshore windfarms, Delft, The Netherlands. 

Page 55: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐C  47 

APPENDIX 2‐C – DRAFT FACILITY DESIGN SUMMARY 

Internal Project Report

_____________________________________________________________________________________

Report Title: Design Specification of Existing and Prototype CAES Facilities.

Project: Compressed Air Energy Storage (CAES) in Northern Minnesota Using Underground Mine Workings

Date: November 2013

By: Jeff Marr, Julie Cornell, and Perry Li

_____________________________________________________________________________________

Page 56: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐C  48  1. Summary This  internal  report  provides  a  summary  of  the  facility  and  technology  characteristics  for  existing  or prototype CAES facilities. The source of this  information  is from the published  literature, website, and other  communications.  This  report  represents  work  completed  as  of  November  2013,  but  we acknowledge that more information continues to be gathered on these systems. 

2. Results 

Facility Name: Huntorf CAES plant Location: Bremen, Germany Completion date: 1978 Power: 290 MW  Duration at full power: 3 hours Depth of cavern: 650‐800 m Caverns: Two underground salt caverns with total of 310,000 m3 Operation pressures: 43 ‐ 70 bar Expanders   Stage 1: 46 to 11 bar   Stage 2: 11 bar to 1 bar  

Facility Name: McIntosh Location: southwestern Alabama Completion Date: 1991 Power: 110 MW Duration at full power: 26 hours Depth of cavern: 1000 ft Cavern: single salt cavern total volume of 540,000 m3 Operating pressure: 45 ‐ 75 bar  

Facility Name: Norton  (proposed) Location: Norton, Ohio Power: 800 MW (2700 MW) Cavern: 9,600,000 m3 Operating pressure: 55‐110 bar  

Facility Name: Iowa Storage Energy Park  (proposed) Location: Dallas Center, Iowa Completion Date: Never completed, funding cut. Power: 270 MW  

Facility Name: Dakota Salts (proposed) Location: Williston Basin, southeast of Beulah, North Dakota Power: 390 MW Duration at full power: ~50 hours 

Page 57: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐C  49  Facility Name: ADELE (under construction) Location: Sachsen‐Anhalt, Germany Storage Capacity: 360 MW (~1000MWh) Discharge Capacity: 90 MW (~200 MWh) Discharge Duration: 5 hours 

Facility Name: Apex CAES (beginning construction in 2014) Location: Tennessee Colony, Anderson County, Texas Output Capacity: 317 MW Depth: 3750 feet 

Facility Name: Sustainx  Location: Seabrook, New Hampshire Completion Date: September 11, 2013 Power: 1.5 MW 

Facility Name: Lightsail Energy (funded startup, research phase) Location: Berkeley, CA Proposed Storage Capacity: under controlled conditions 100 kW Operating Pressure: 206 bar 

Facility Name: General Compression R&D Location: Gaines, TX Implemented Location: Watertown, MA Completion Date: December 2012 Power: 100kW (multi‐stage); scaled from 2.4‐1000MW Discharge Duration: 8‐300 hours  

9. Reference   Fertig, E., and Apt,  J., 2011, Economics of compressed air energy  storage  to  integrate wind power: A 

case study in ERCOT: Energy Policy, v. 9, no. 5, p. 230‐2342. 

Giramonti, A.J., and Lessard, R.D., 1974, Exploratory evaluation of compressed air storage peak‐power systems: Energy Sources, v. 1, no. 3, p. 283‐294. 

Giramonti, A.J., Lessard, R.D., Blecher, W.A., and Smith, E.B., 1978, Conceptual design of compressed air energy storage electric power systems: Applied Energy, v. 4, p. 231‐249.  

Kim,  H.M.,  Lettry,  Y.,  Park,  D.,  Ryu,  D.W.,  Choi,  B.H.,  and  Song,  W.K.,  2012,  Field  evaluation  of permeability  of  concrete  linings  and  rock masses  around  underground  lined  rock  caverns  by  a novel in‐situ measurement system: Engineering Geology, v. 137‐138, p. 97‐106. 

Page 58: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Facilities Team Appendix 2‐C  50  McBride, Bollinger, and Kepshire, 2012, Mechanical energy storage: In Ginley, D.S., and Kahen, D. (eds.), 

Fundamentals  of materials  for  energy  and  environmental  sustainability:  Cambridge  University Press, New York.  

Pfenninger, H.  and Baden,  1975, Hydroelectric  and  compressed‐air  pumped‐storage  schemes: Brown Boveri Review, v. 62, no. 7/8.  

Pockley,  S.,  2008,  Compressed  air  energy  storage.  Retrieved  from  http://www.duckdigital.net/ Research/CAES.doc.  

Schulte, R.H., Critelli,  Jr., N., Holst, K., and Huff, G., 2012,  Lessons  from  Iowa: Development of a 270 megawatt  compressed  air  energy  storage  project  in  Midwest  Indpendent  System  Operator (SAND2012‐0388): Sandia National Laboratories, p. 96. 

Sirius Minerals, Dakota Salts, 2011, Compressed air energy storage feasibility in North Dakota, 142 p. 

Succar, S., and Williams, R.H., 2009, Compressed air energy storage: Theory, resources, and applications for wind  power:  Informally  published manuscript,  Princeton  Environmental  Institute,  Princeton University, Princeton, N.J., p. 81.  

Ter‐Gazarian, A.G., 2011, Energy storage for power systems (2nd ed.): The Institution of Engineering and Technology, London, England, p. 99‐120. 

Weber, O., 1975, The air‐storage gas turbine power station at Huntorf: Brown Boveri Review, v. 62, no. 7/8, p. 332‐337. 

Zaugg, P., 1975, Air‐storage power generating plants: Brown Boveri Review, v. 62, no. 7/8, p. 338‐347. 

 

Page 59: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team  51 

 

3. CAES PROGRESS REPORT – GEOTECHNICAL ENGINEERING TEAM 

Carlos Carranza‐Torres 

3.1. INTRODUCTION 

This report summarizes the work done  in the first year of the project  ‘Compressed Air Energy Storage (CAES) in Northern Minnesota Using Underground Mine Working’ (Fosnacht, 2012) and addresses some first  key  questions  related  to  geotechnical  aspects  of  the  system,  in  particular,  size  and  shape  of required underground cavities and re‐use of existing mining workings in Northern Minnesota. The report is  structured  in  five  sections. After  this  introduction, Section 3.2 presents a  literature  review of CAES systems  (with  focus  on  geotechnical  engineering  aspects  of  the  system),  and  also  includes  a  brief technical description of existing and planned CAES plants as  found  in published  literature. Section 3.3 outlines the main considerations to take  into account for designing underground excavations for CAES plants. Section 3.4 presents the references cited in this report. Finally, Section 3.5 includes a set of three PowerPoint presentations on  various  topics  (mostly with a geotechnical engineering  focus)  that have been developed as part of the project, to present advances of the research and promoting discussions within the team during the scheduled meetings for the project.  

3.2. LITERATURE REVIEW OF CAES SYSTEMS WITH FOCUS ON GEOTECHNICAL ENGINEERING ASPECTS 

A CAES plant, which is generally associated to wind turbines, compresses air when there is an excess of electric energy production  in the grid and generates electric energy using a turbine when the demand exceeds the production. The storage of compressed air to produce energy in this way is typically done in underground  chambers,  which  could  be  existing  cavities,  e.g.,  mining  rooms,  drifts,  and  shafts,  or cavities created with this specific purpose, e.g.,  in salt formations, new cavities can be relatively easily created by dissolution, although the dissolution process can last for more than a year. 

According  to Cavallo  (2007),  the  air  storage needs not only depend on  the pressure of  the  air  to be stored, but also on the power of the plant and the amount of time the compressed air will be expanded, e.g., circulating through turbines, and generating electricity. Cavallo (2007) mentions 200 MW of power for a CAES plant as a reasonable target to achieve, and although he does not mention the lapse of time this power  is to be maintained, e.g., the energy to be produced, nor the pressure at which the air will stored, he indicates a rough value of air storage need as being 1,000,000 m3 for a 200 MW target plant.  

In terms of the pressure at which the air is to be stored, Li et al. (2011) mentions the value of 7 MPa (or 70 bar) as a value to consider. 

According  to Denholm and Sioshansi  (2009), who have studied  the CAES systems  from an economical point of view mainly, air storage capacity should be such to be able to maintain discharge for 20 hours at nominal power, e.g., basically the longest possible throughout a day). Also, considering that less time is needed  to  charge  than  to discharge  the  air  (the  authors mention  a  typical  charge‐discharge  ratio of 0.72), Denholm and Sioshansi  (2009)  recommend using a  series of  small air compressors  to get more flexibility  in  the  use  of  excess  of  energy  that  drives  the  compressors  and  so  to  optimize  this  excess energy and have less idle lapses in the production of energy by CAES. 

Page 60: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team  52 

 

Succar  and Williams  (2008)  present  a  comprehensive  treatment  of  the  CAES  system.  The  report  by Succar  and Williams not only  addresses  critically  important  factors  to  account  in  the design of CAES system but also presents a review of existing and planned CAES plants. In what follows, the description of actual and planned CAES plants, as outlined in their publication, will be summarized first, followed by the technical considerations presented in their report. 

Succar and Williams (2008) describe first the two existing (functional) CAES plants: 1) the Huntorf power plant, near Bremen, Germany; and 2) the McIntosh power plant in McIntosh, Alabama.  

The Huntorf plant has been operating since 1978. Originally designed to generate 290 MW, the capacity was increased in 2006 to generate 321 MW of electricity. The plant is capable of sustaining that power for  three hours by  storing air  in  two  cavities with a  total  storage volume of 310,000 m3. The  cavities were excavated by dissolution method in a salt formation. The cavities do not have lining (‘rock salt,’ or halite,  is  a  rock  that  creeps  in  time  and  is  an  ideal  self‐sealing,  basically  impermeable  rock  to  host compressed  air without  the need of  lining).  The working pressure of  the  air  stored  in  the  chambers varies from 66 to 48 bar (6.6 to 4.8 MPa). The turbine that generates electricity works at 46 bars, so the stored air pressure has to be throttled to this pressure (2 bars of air pressure is mentioned to be lost in throttle and pipes). The  report by Succar and Williams  (2008) also mentions  that  in  the  first years of operation of the plant, the air reacted with the salt in the cavity and oxidized the piping; this resulted in the need of replacing the original metal pipes in the plant (those in contact with the compressed air) by fiber‐glass reinforced plastic pipes. 

The McIntosh power plant  in McIntosh, Alabama, has been operating  since  1991  and  is  reported  to produce 110 MW of electricity. The plant is capable of sustaining that power for 26 hours by storing air in a single chamber of 560,000 m3 (as in the case of the Huntorf plant, the chamber was excavated in a salt formation by the dissolution method, and  it does not have  lining). The working pressure of the air stored in the chamber varies from 74 to 45 bar (7.4 to 4.5 MPa).  

Succar  and Williams  (2008)  also  describe  two  planned  CAES  plants  that  have  not  been  built:  1)  the Norton CAES plant, in Norton, Ohio; and 2) the Iowa Stored Energy Park, northwest of Des Moines, Iowa. 

The Norton CAES plant  in Ohio  is planned to produce 2,700 MW of electricity, after final expansion. In contrast with the Huntorf and McIntosh plants, an abandoned limestone mine (that was excavated using room and pillar method) will be used to store 9,600,000 m3 of compressed air. The working air pressure ranges between 110  and 55 bars  (11  and 5.5 MPa).  The  construction of  the project  (owned by  First Energy since 2009) is being delayed due to economic reasons. Current low power prices and insufficient demand are mentioned as the causes of the delay in construction. 

The Iowa Stored Energy Park was planned to produce 268 MW of electricity. The compressed air was to be stored in an aquifer in porous rock. It was originally planned to be finished and to start operation in 2011.  The  project  was  halted  during  the  phase  of  design.  A  publication  by  Schulte  et  al.  (2012) summarizes the eight‐year development of the Iowa Stored Energy Park project and discusses  in detail the reasons of the failure of the project. They mention that after many field surveys and after spending considerable amount of money in air injection in‐situ testing, it was determined that the porous rock did not have the required permeability to properly transmit the compressed air within the aquifer. Due to this,  and  due  to  the  lack  of  an  alternative  suitable  location  for  the  air  storage,  the  project  was terminated. 

Page 61: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team  53 

 

A report by Rettberg and Holridge (2012) describes another case of a failed CAES project. This project, known as Seneca Lake CAES project near Watkins Glen, New York, was planned to produce between 130 and  210 MW  of  electricity  using  a  cavern  in  a  salt  formation  (mined  by  dissolution) with  a  storage capacity of 150,000 m3. The range of air pressure was initially considered to vary from 10 to 5 MPa for a period of discharge time of 10 to 12 hours (the charging period was designed to be 8 hours). The system was designed to complete 260 (charge/discharge) cycles per year. Preliminary thermo‐dynamic and geo‐mechanical  studies  showed  that  the  difference  in  pressure would  produce  a  change  of  temperature during charge/discharge cycles of 45oC, with temperatures on the walls of the cavity ranging between 60oC (or 140oF) and 15oC (or 60oF). This high change in temperature was expected to produce spalling of the walls of the cavern (deterioration of the rock due to repeated change from compression to tension), and therefore significant modifications of the original design had to be implemented. Among them, the limiting operating pressures were changed to 10 to 8 MPa, maintaining the original planned size of the cavern (for the rock conditions, the volume of 150,000 m3 was established to be the maximum volume possible).  The  reduction  in  differences  in  pressure  and  the maximum  size  of  a  cavern  dictated  an increase  in  the  total  storage of  air needed  to produce  the  target  energy  for  the plant.  This  increase resulted  in  the need  to  construct now  three  caverns,  each of  them with  the originally planned  total volume of 150,000 m3 e.g., air storage requirements tripled in the revised design. The radical changes in the design  resulted  in a  significant  increase  in  the  cost  for building  the plant, making  the CAES plant economically unfeasible. 

The comprehensive report by Succar and Williams (2008) discusses in depth the technical requirements of air storage  for a CAES plant.  In particular,  the  report presents equations and diagrams  from where volumes of air storage can be computed as a function of the energy to generate, and as a function of the working pressure of  the air. The capacity of air storage depends on  the mode  in which  the air will be stored and retrieved, and the pressure at which the air will enter the turbine. In terms of the pressure at which air will be  stored,  two possibilities exist: 1) constant pressure  storage; and 2) constant volume storage. 

In  the  constant  pressure  storage  (or  constant  cavern  pressure)  option,  the  air  in  the  chamber  is compressed by hydrostatic pressure  from a water  reservoir  located on  the  surface. To get  the  target working pressure, the depth of the chamber  is chosen so as to get the correct hydrostatic pressure to compress the air. Figure 3‐1 illustrates the concept. Succar and Williams (2008) mention that one of the problems  to  address  in  the  constant pressure  scheme  is  the avoidance of  the  ‘champagne effect’ by which water could raise through the reservoir shaft and lead to unstable loss of head and blowout of the cavern (Giramonti et al., 1978). The case of constant pressure storage described above  is also referred to as Case 1 later in this report. 

Page 62: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team  54 

 

 Figure 3‐1. Constant pressure CAES storage with surface reservoir and compensating water column 

(after Succar and Williams, 2008). 

 In the constant volume storage (or variable cavern pressure) option, the pressure of the air falls during extraction  from  the chamber. This pressure‐decreasing air can be  input  into  the  turbine directly, e.g., using  a  variable‐pressure  turbine  or,  otherwise,  throttled  to  the  working  pressure  of  a  (constant‐pressure)  turbine.  These  two  possibilities  are  referred  to  as  Cases  2  and  3,  respectively,  in  the  text below. 

Of the two options described above, the first one (constant cavern pressure) requires less volume of air storage than the first one (variable cavern pressure). Nevertheless, the second option is ‘more flexible’ than the first, in that it does not require a reservoir on the surface nor a specific depth of the chamber in relation  to  the  reservoir.  This may  be  the  reason why  existing  and  planned  CAES  systems  described earlier  on  favored  the  use  of  the  second  option,  e.g.,  these  plants  do  not  use  a water  reservoir  to maintain a constant pressure of the air within the caverns. 

Succar  and Williams  (2008)  present  equations  to  compute  the  storage  volume  requirements.  They distinguish  three  cases,  namely:  Case  1,  corresponding  to  constant  pressure  storage  option;  Case  2, corresponding  to  the constant volume storage option and variable  turbine  inlet pressure; and Case 3, also corresponding to constant volume storage, but considering a constant turbine  inlet pressure. The results from these equations are summarized in the diagram of Figure 2. 

In the diagram of Figure 3‐2, the horizontal axis represents the maximum pressure of the air (in bars) at which  the  storage  chamber will  operate, while  the  vertical  axis  represents  the  so‐called  density  of energy, which is the amount of stored energy (in kWh) per unit of storage volume (in m3). As discussed earlier, there are three cases of operation of the plant, e.g., Cases 1, 2 and 3, and these are represented by curves with different lines in the diagram, namely, dash‐dot‐dash line for Case 1 (upper most line in the diagram), continuous  line for Case 2, and dashed  line for Case 3. The curves for Cases 2 and 3 are grouped into pairs corresponding to the ratio of initial‐to‐final pressure during operation, e.g., the ratio ps2  and ps1.  It  is  seen  from  the diagram  that  the  amount of density of  energy provided by Case 2  is 

Page 63: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team  55 

 

slightly  larger  than  that  for  Case  3.  The  inset  diagram  on  top  of  the  main  diagram  in  Figure  3‐2 represents the  loss of energy (in percent) for Case 3 as compared with Case 2. From this diagram  it  is seen, in particular, that the throttling losses become relatively small, e.g., below 10%, for large values of initial pressures, e.g., ps2 > 60 bar. Because the penalty for not throttling the pressure in Case 2 is offset by  the  benefits  of  higher  turbine  efficiency  and  simplified  system  operation  in  Case  3,  it  is  more beneficial  to  operate  a  CAES  plant  as  in  Case  3,  e.g.,  using  constant  turbine  inlet  pressure),  as exemplified by the Huntorf and McIntosh plants, both of which use this mode of operation. 

To  illustrate the use of the diagram  in Figure 3‐2, an example  is presented  in the  lower right corner of the figure. The objective of the example is to show how the capacity of storage can be simply obtained from the diagram for a proposed CAES plant when the power of the plant, the time the power will be sustained, the working pressures, and whether a variable turbine  inlet pressure (Case 2) or a constant turbine inlet pressure (Case 3), are known. 

Also, to  illustrate the use of the diagram  in Figure 3‐2  in the context of the existing and planned CAES projects described previously, Figure 3‐3 is the same diagram but where the existing plants (Huntorf and McIntosh) and another planned plant plots (the text added at the bottom of the diagram  in Figure 3‐3 summarizes  the  computations  needed  to  find  the  ordinates  of  the  points  representing  these  cases, namely A, B, and C,  respectively). This exercise  shows  that  the points  that  represent  the CAES plants align  satisfactorily  well  within  the  theoretical  expected  positions,  and  therefore  illustrates  a  first estimate of  the storage volume  required  to develop a CAES system at  least  roughly, by application of equations and/or diagram presented in Succar and Williams (2008). The exercise also suggests that the energy generated by existing and planned plants is significantly below the ‘ideal,’ e.g., maximum, energy that a constant pressure storage option (Case 1) could provide. Considering that in the mining district of northern  Minnesota  there  exists  a  significant  number  of  lakes  formed  in  abandoned  mine  pits,  a question that arises from the exercise in Figure 3‐3 (in particular the relative position of points A, B and C  with  respect  to  the  curve  for  Case  1)  is  whether  the  advantage  of  having  artificial  lakes  above underground mining works  could be used  to  target  the development of  a  constant pressure  storage option to boost the production of the envisioned CAES system in northern Minnesota.  

  

Page 64: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team  56 

 

Figure 3‐2. Diagram  summarizing  the  relationship between generated energy,  storage  volume, upper and  lower storage pressure and operation case (Cases 1, 2 or 3) described  in the main text. The  insert (point P and associated text) represents an example of use of the diagram as described also in the main text. After Succar and Williams (2008). 

Page 65: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team  57 

 

Figure 3‐3. Same diagram as in Figure 2, including the position of the two existing CAES plants (Huntorf and McIntosh) and one of the planned plants (Seneca), described in the main text. 

Page 66: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team  58 

 

3.3. GEOTECHNICAL CONSIDERATIONS FOR THE DESIGN OF UNDERGROUND EXCAVATIONS FOR A CAES PLANT 

When defining the potential  location  for a CAES plant, the type of air storage method  is probably the most  important  factor  to  consider.  There  are  two  types  of  storage  possibilities,  namely:  1)  surface storage;  and  2)  underground  storage. A  surface  storage  can  be  implemented by  using  large  steel or concrete tanks (which tend to have a negative visual impact and tend to be expensive in terms of land use  and  construction).  Alternatively,  it  can  be  implemented  using  large  submerged  ‘air  bags,’  as proposed by Ter‐Gazarian (1994); this is perhaps an option that could be further explored for Northern Minnesota,  considering  the  large number of  existing  lakes,  some of  them  in  the  form of  abandoned open pit mines, and also the existence of Lake Superior. Underground air storage can be  implemented excavating  in  salt deposits or depleted gas or oil  fields  (both of which, unfortunately, do not exist  in Minnesota)  or  aquifers, which  require  very  specific  geologic  requirements,  as  demonstrated  by  the failed  Iowa  Stored  Energy  Park  project  described  in  the  previous  section.  Finally,  an  underground storage option can be implemented by the use of existing or abandoned mines or by excavating a new cavern  for  that purpose. This underground storage option will be considered  in  the  remainder of  this section.  

The volume of air storage is another important factor to consider in the conception of a CAES system. As seen  in  the previous  section,  this volume  is  related  to other critically  important variables  such as  the nominal power of the plant and the discharging time (the multiplication of these two variables defining the amount of energy produced by  the plant), and  the  range of operating pressures and  the  type of system used, e.g., Cases 1, 2 or 3 described in Section 3‐2 and Figure 3‐2.  

During discussions with team members of this project, a target power of 100 MW to be sustained for at least  10  hours  was  envisioned  for  a  CAES  system  in  northern Minnesota.  Considering:  1)  a  typical average working pressure of 70 bars (or 7 MPa); 2) a ratio of  initial‐to‐final pressure equal to 1.4, e.g., choosing the more ‘flexible’ constant volume storage option and without distinguishing at this stage on whether Cases 2 or 3 would be chosen; and 3) taking as a basis the very same example worked out  in Figure  3‐2  (considering  10  hours  instead  of  5  hours),  the  equations/diagram  in  Succar  and Williams (2008) suggest the need of approximately 300,000 m3 of air storage capacity (the actual volume would be 333,333 m3 but, for simplicity, the figure will be rounded off to 300,000 m3).  

To put  this  amount of  volume  (300,000 m3)  into perspective,  Figure 3‐4  shows  a  cross‐section of  an existing shaft of an abandoned  iron mine on the Cuyuna Range  in central Minnesota (cross‐sections of mining drifts, particularly those that were used for access and ore transportation could be expected to have similar cross‐section areas). Without subtracting the space occupied by the support, the area of the cross‐section in Figure 3‐4 is 13.54 m2. Therefore, for getting 300,000 m3 of air storage using these shafts or  tunnels, a  total  length of  shaft  (or  tunnel) of 22,160 meters  (or 72,703  feet) will be  required  (see computations on the right side of Fig. 3‐4). Although this length of tunneling  is not uncommon in large mines (and probably could be found in some abandoned mines of central and northern Minnesota, after dewatering them), and given the amount of volume involved, it seems worth exploring the possibility of using not only existing mining excavations but new openings that could be created with the objective of air storage. 

With  this  purpose,  in what  follows,  a  general  discussion  about  technical  considerations  for  storage options, applicable to both existing and new excavations, is provided. 

Page 67: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team  59 

 

 

Figure 3‐4. Cross sectional area of a mining shaft of the abandoned Cuyuna mine in central Minnesota. Drawing provided by J. Oreskovich. 

Kovari  (1993)  discussed  some  basic  considerations  for  gas  storage  in  rock  cavities.  Although  the considerations presented  in  the article by Kovari are oriented  towards  the  storage of natural gas  (for both compressed and liquefied cases) in new cavities that will be excavated for this particular purpose, many of  the considerations are still valid  for  the case of a CAES  system and so  they will be  reviewed below. 

According to Kovari  (1993), cross‐sectional shapes of cavities should be preferably circular, although  if the  long‐axis of  the  cavern  is horizontal,  some practical disadvantages  arise  for  circular  shapes,  e.g., excavation equipment operates efficiently on planar surfaces, and typically a compromise is reached by using a horizontal floor and curved walls and roof. A horse‐shoe or truncated elliptical cross‐section, as shown by the two sketches below in Figure 3‐5, are possible options. 

Page 68: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team  60 

 

 Figure  3‐5.  Possible  shapes  of  cross  sections  for  CGES  (Compressed Gas  Energy  Storage)  openings  – adapted from Kovari (1993). 

 

Also  in regard to the shape of the opening, according to Kovari (1993), the volume‐to‐surface ratio for the opening is another important factor to consider. The larger the volume‐to‐surface ratio, the smaller the  amount of  reinforcement  and/or  support needed  for  the  same  storage  volume.  The best option would be a  spherical  cavity  (the geometric construction with  largest volume‐to‐surface  ratio), but  for construction reasons, e.g., need to have planar floors for equipment to work on efficiently, this shape of cavity is difficult to implement. The next option includes a toroid shape, but this shape can lead to hoop tensile  stresses  on  the walls  closest  to  the  center  of  the  toroid,  e.g.,  the  inner  core with  negative curvature,  and  so  a  toroid  shape  has  to  be  discarded  as well.  From  a  construction  point  of  view,  a cylindrical opening, e.g., with truncated or slightly curved floor as needed, is the next ideal shape. Then, with  reference  to  targeting  to  have  a  large  volume‐to‐surface  ratio  for  the  cavity,  a  cylindrical  (or truncated cylindrical shape) with a ratio of diameter‐to‐length (of cylinder) closest to one, seems to be the best alternative. 

The  next  consideration  is  whether  the  openings  have  to  be  chambers  (or  tunnels)  or  shafts  (the difference between chambers‐or‐tunnels and shafts is that the former have axes that are horizontal, or near horizontal, while the latter have vertical, or near vertical). According to Kovari (1993), chambers or tunnels  tend  to have a  large  floor surface area;  therefore, accumulation of sediment and/or bacterial growth is a possibility. In this regard, shafts seem to be a better alternative. Also chambers/tunnels have a large roof area, which will be a matter of concern in that reinforcement or support will be necessary in cases of rock masses with average‐to‐poor quality (although in the case of rock masses with very good quality,  chambers or  tunnels without  support nor  reinforcement would be possible  as well;  in  these cases, using  chambers/tunnels or  shafts would not make  a difference  in  terms of  required  support). Shafts do have the advantage that they can be constructed with circular shape (maintaining a flat floor for excavation equipment to work on), although shafts have the disadvantage that they are more time consuming and more expensive  to build  than  tunnels of similar shape and volume.  In view of what  is mentioned above, for rocks of very good quality, as could be expected  in the  iron‐formations or  in the Duluth Complex in northern Minnesota, there seems not be a marked difference in using chambers (or tunnels) or shafts as storage openings. 

Page 69: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team  61 

 

According to Kovari (1993), another consideration is whether to use a single cavity or a group of cavities. In  hard  rock,  even  under  extreme  favorable  conditions,  the  cross‐sectional  area  of  cavities  seldom exceeds 800 to 1,000 m2 – this would correspond to diameters of 30 to 35 m if circular cross‐sections are considered. For example, for the volume of 300,000 m3 mentioned previously, which was envisioned for a CAES plant  in northern Minnesota, a cavern with a typical section of 600 m2 yields a length of 500 m (or 1640 ft.), which, although still far from having a diameter‐to‐length (of cylinder) ratio close to one, as suggested by Kovari  (1993), would at  least diminish  the amount of  length needed  in comparison with the  shaft  section  discussed  in  Figure  3‐4. With  regard  to  the  required  length  of  cavern  of  500 m computed above, having 3 caverns of  length 167 m each or, alternatively, 4 caverns of  length 125 m each would be a better option than having a single longer cavern (of 500 m). This is because with various caverns  used  to  store  air,  there  exists  the  opportunity  of  performing maintenance  operations  in  a chamber without having to stop the entire plant. Also, a group of cavities would also allow to  increase progressively the capacity of storage and, therefore, the capacity of the plant. 

Another fundamental aspect to consider in the conception of a CAES system is whether the caverns will be lined or unlined. This particular topic is still being studied at the time of writing this progress report, and for this reason the issue will be treated only partially. 

In the context of storing compressed natural gas, Sofregaz and LRC (1999) states that the term “lining” refers to the need to  install a barrier to stop  leakage of gas (or air)  into the rock mass. The term  lining does  not  refer  to  support,  e.g.,  concrete  rings  or  steel  sets  applied  on  the walls  of  the  opening,  or reinforcement,  e.g.,  cables or  rockbolts,  that  are  typically  installed  in underground openings  such  as tunnels, caverns and shafts with  the purpose of maintaining structural stability of  the opening.  In  this regard, it could be mentioned that (at least at first sight) underground openings in typically hard rocks of Minnesota’s three  iron‐formations or the Duluth Complex would not  impose the demand of significant (if any) support or reinforcement to guarantee the structural stability of the openings. 

With  the  understanding  that  lining  refers  to  that  layer  of material,  e.g.,  steel,  concrete  or  plastic, installed on the periphery of the cavern to avoid leakage of air/gas, Sofregaz US Inc. (1999) mention that the  liner  should be designed mainly  to withstand  the  internal pressure of  the gas  stored, and also  to withstand  straining  that will be expected  to occur when  the  surrounding  rock mass undergoes minor movements, e.g., due  to  slipping along  jointing or  similar, due  to  the  repeated  cycles of  loading and unloading that the cavern will be subject to during its service life (see also Rutqvist et al., 2012). 

According  to Sofregaz US  Inc.  (1999),  lining  for underground gas  storage usually consists of  thin  steel plates inside the cavern. This steel lining is welded in place and the void between the rock and the steel plates  filled  with  concrete.  Because  the  interface  between  the  concrete  and  steel  is  supposed  to accommodate movement, a viscous layer or film derived from petroleum is typically installed behind the steel plates before backfilling the void between steel and rock with concrete. 

Sofregaz US  Inc.  (1999)  also mention  that  a  synthetic membrane  could  be  used  instead  of  the  steel lining.  In  such  case,  attention must  be  given  to  the  fact  that  some  of  the  condensates  contained  in natural  gas  may  soften  plastic  materials,  and  therefore  long‐term  imperviousness  could  not  be guaranteed.  This  problem may  not  be  such  in  the  case  of  compressed  air  storage  for  a  CAES  plant. Considering  that using a  synthetic membrane  in place of a  steel  layer could bring down  the costs  for lining the opening, this option should be  investigated for the case of an air storage for a CAES plant,  if the option of using lining will be considered to prevent leakages. 

Page 70: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team  62 

 

Another  important  factor  to  consider  in  the  design  of  the  cavity  is  its  depth  relative  to  the  ground surface. The selection of the depth also depends on whether the cavity will be lined or unlined, as briefly explained below. 

In general,  lined caverns can be emplaced at shallow depths provided  the balance between  the uplift force generated by  the  internal pressure and downward  force associated with  the weight of  the  rock above  the  cavern  is  such  that  uplift  is  prevented  (considering  an  appropriate  factor  of  safety,  as normally done  in geotechnical design). Figure 3‐6  illustrates  the concept of determining  the depth of lined  caverns using  this  approach. When  considering  the weight of  the material  above  the  cavern,  a conical ‘wedge’ with lateral sides inclined 30 to 45o with respect to the vertical are typically considered (Sofregaz  US  Inc.,  1999  and  Rutqvist  et  al.,  2012).  It  should  be  emphasized  that  the  approach represented  in  Figure  3‐6  is  a  simplistic  approach  that  among  others  does  not  consider  the  initial stresses existing in the ground. For example, from laboratory and numerical experiments, Tunsakul et al. (2013) found that the angle formed by the sides of the conical wedges and the horizontal at the time of failure can actually vary between 0 and 90o.  In view of  this, more detailed analyses, e.g., using  finite element  models  which  account  for  all  mechanical  variables  involved  in  the  problem,  should  be preferred. 

Figure 3‐6. Determination of depth of emplacement of a shallow lined cavern for gas/air storage. 

 

Caverns can also be constructed without liner (see Blindheim et al., 2004; and Kovari, 1993).  

In the case of unlined caverns, leakage can be prevented by choosing a depth such that the hydrostatic pressure of the water surrounding the cavern is equal or greater than the pressure at which the gas is to be  stored  (see  Fig.  3‐7).  In  this  concept,  when  the  hydrostatic  pressure  of  the  water  exceeds  the pressure of the gas (a case that will indeed occur during operation), water will enter the cavity and will have to be collected at the bottom of the cavern and periodically pumped out of the cavern. Also, due to 

Page 71: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team  63 

 

the seepage of water  into the cavern, attention will have to be placed on the groundwater table, with particular regard to the depression of the water table that will tend to develop and which will influence the initially predicted values of hydrostatic pressure at the level of the cavern. 

An alternative way of preventing leakage, e.g., when no phreatic surface exists or when smaller depths than dictated by a phreatic  surface under hydrostatic  conditions  is desired  for  the  caverns,  is  to use water curtains (see Section 5, Groundwater/Environmental Team report). In this concept, represented in Figure 3‐8, water is injected under pressure (equal or greater than the pressure at which the gas is to be stored)  in water galleries which  surround  the cavity. This  system  requires constant pumping of water during operation and is more expensive than the one discussed earlier on (see Fig. 3‐7). 

Figure 3‐7. Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage. 

Page 72: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team  64 

 

Figure 3‐8. a) Cross sections of unlined caverns with two water curtains configurations: umbrella (left) and  circumventing  (right)  configurations  –  from Kovari  (1993);  and b) plan  view of  air  cushion  surge unlined chamber with water infiltration – from Blindheim et al. (2004). 

3.4. REFERENCES 

Blindheim, O.T., Broch, E., and Grov, E., 2004, Gas Storage  in unlined caverns  ‐ Norwegian experience over 25 years: Tunnelling Underground Space Technol., v. 19, no. 4‐5, p. 367. Available online: http://www.ctta.org/FileUpload/ita/2004/data/abs_c25.pdf. 

Cavallo, A., 2007, Controllable and affordable utility‐scale electricity  from  intermittent wind  resources and compressed air energy storage (CAES): Energy, v. 32, no. 2, p. 120‐127. 

Denholm,  P.,  and  Sioshansi,  R.,  2009,  The  value  of  compressed  air  energy  storage  with  wind  in transmission‐constrained electric power systems: Energy Policy, v. 37, no. 8, p. 3149‐3158. 

Page 73: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team  65 

 

Fosnacht, D.R., 2012, Compressed Air Energy Storage (CAES) in Northern Minnesota Using Underground Mine  Working.  Project  proposal  submitted  to  the  Initiative  for  Renewable  Energy  and  the Environment, Institute on the Environment, University of Minnesota. 

Giramonti, A.J., Lessard, R.D., Blecher, W.A., and Smith, E.B., 1978, Conceptual design of compressed air energy storage electric power systems: Applied Energy, v. 4, p. 231‐249. 

Kóvari,  K.,  1993,  Basic  consideration  on  storage  of  compressed  natural  gas  in  rock  chambers:  Rock Mechanics and Rock Engineering, v. 26, no. 1, p. 1‐27. 

Li, P. Y., Loth, E., Simon, T.W., Van de Ven, J.D., and Crane, S.E., 2011, Compressed air energy storage for offshore wind turbines: Proceedings of the 2011 International Fluid Power Exhibition (IFPE), Las Vegas,  NV,  March,  2011.  Available  online  in  the  NRRI  website:  http://www.nrri.umn.edu/ egg/REPORTS/CAES/References/Lietal.pdf. 

Rettberg,  J.W.,  and Holdridge, M.,  2012,  Seneca  compressed  air  energy  storage  (CAES) project:  Final phase 1 technical report, National Energy Technology Laboratory. 

Rutqvist,  J.,  Kim,  H‐M.,  Ryu,  D‐W.,  Synn,  J‐H.,  and  Song,  W‐K.,  2012,  Modelling  of  coupled thermodynamic  and  geomechanical  performance  of  underground  compressed  air  energy storage in lined rock caverns: International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, v. 52, p. 71‐81. 

Schulte, R.H., Critelli, N., Holst, K., and Huff, G., 2012, Lessons  from  Iowa: Development of a 270 MW compressed air energy storage project in Midwest independent system operator: A study for the DOE energy storage systems program, Sandia report SAND2012‐0388. 

Sofregaz US Inc., 1999, Commercial potential of natural gas storage  in  lined rock caverns (LRC): Topical report prepared for the U.S. Department of Energy, 101 p. 

Succar, S., and Williams, R.H., 2008, Compressed air energy storage: Theory, resources and application for wind power: Report for the Energy Systems Analysis Group. 

Ter‐Gazarian, A.,  1994,  Energy  storage  for  power  systems:  In  Peter  Peregrinus  Ltd.  (ed.),  Chapter  7: Compressed air energy storage: Hert, United Kingdom, p. 99‐120. 

Tunsakul, J., Jongpradist, P., Kongkitkul, W., Wonglert, A., and Youwai, S., 2013, Investigation of failure behavior of continuous rock mass around cavern under high  internal pressure: Tunnelling and Underground Space Technology, v. 34, p. 110‐123. 

 

3.5. POWERPOINT PRESENTATIONS (DRAFT VERSIONS) DEVELOPED FOR DISCUSSION OF GEOTECHNICAL ENGINEERING ASPECTS OF UNDERGROUND EXCAVATIONS FOR CAES PLANTS 

Appendix 3‐A presents a set of three PowerPoint presentations that have been developed as part of the project,  to  present  advances  of  the  research  and  promoting  discussions within  the  team  during  the scheduled meetings for the project. The titles of the presentations are as follows: 

Page 74: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team  66 

 

- Presentation 1 (of 3): Initial literature review about general geotechnical aspects of CAES plants. 

- Presentation 2 (of 3): Geotechnical considerations dictating the design of underground excavations for CAES plants. 

- Presentation 3 (of 3): Compiled bibliography (geotechnical engineering focus). 

 

Page 75: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team Appendix 3‐A  67 

 

APPENDIX 3‐A – POWERPOINT PRESENTATIONS 

 

Page 76: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team Appendix 3‐A  68 

 

Page 77: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team Appendix 3‐A  69 

 

Page 78: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team Appendix 3‐A  70 

 

Page 79: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team Appendix 3‐A  71 

 

Page 80: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team Appendix 3‐A  72 

 

Page 81: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team Appendix 3‐A  73 

 

Page 82: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team Appendix 3‐A  74 

 

Page 83: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geotechnical Engineering Team Appendix 3‐A  75 

 

Page 84: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team  76 

 

4. CAES PROGRESS REPORT – GEOLOGY TEAM 

Julie Oreskovich 

4.1. OVERVIEW 

Work of the Geology Team has been focused on locating documentation of underground mining activity on the Cuyuna, Mesabi, and Vermilion Iron Ranges of east central and northeastern Minnesota. Existing underground workings hold potential as  repositories  for compressed air energy storage  (CAES). These workings  are  likely  flooded with water, which  could  prove  beneficial  in  terms  of  providing  a water curtain for compressed air containment. 

Literature  searches were  conducted  for  geologic  and mine‐specific  references. Map  collections were searched for evidence of underground mining features. Mine maps were scanned and geo‐referenced, and underground mining  features were digitized.  Since much of  this work had been done previously through  the Minnesota Department of Natural Resources  (MNDNR)  for  the Mesabi Range, particular attention was paid to the Cuyuna and Vermilion Ranges. 

In  addition,  initial  investigations  were  made  relative  to  creating  an  underground  cavern  for  CAES (Geology Team Objective 4). This was primarily a literature search.  

4.2. INTRODUCTION 

Underground workings  for  the  central  and  eastern portions of  the Mesabi Range,  as well  as  a  small portion  of  the western Mesabi Range, were mapped  through  the Minnesota Department  of Natural Resources  (MNDNR) Underground Mine Mapping  Project  (2006‐2011).  These  can be  viewed  and  are available  in  digital  format  on  the  MNDNR  web  site  (http://www.dnr.state.mn.us/lands_minerals/ underground/index.html) or can be obtained from the MNDNR Division of Lands and Minerals Office in Hibbing, MN (contact Dale Cartwright:  [email protected]). 

This  investigation  was  extended  beyond  the  Mesabi  Range  to  include  mines  of  the  Cuyuna  and Vermilion  Ranges  (Fig.  4‐1).  Important  to  this  determination  was  proximity  to  major  electric transmission  lines.  Figure  4‐2  illustrates  the  location  of  Great  River  Energy  and  Minnesota  Power transmission lines and electrical substations relative to the Cuyuna Range. It also shows the two districts of the Cuyuna Iron Range (North Range and South Range) as well as the Emily District. 

Mapped underground workings  for  the  remainder of  the western Mesabi Range and  the Cuyuna and Vermilion  Ranges, with  the  exception  of  the  Soudan Mine,  have  not  been  previously  compiled  and digitized.  Investigation  of  CAES  potential  for  these  areas  began with  a  search  of  public  and  private collections  for maps and documents related to underground mining. Maps and  features were and are being made  digital  and worked with within  a  Geographic  Information  System  (GIS)  framework.  The mapping  platform  used  for  this  project  is  ESRI®  ArcGIS  ArcMap™  10.1.  Progress  to  date  is  reported below. 

Page 85: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team  77 

 

Figure 4‐1. CAES location map. 

Page 86: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team  78 

 

Figure 4‐2. Cuyuna Iron Range. 

 

4.3. OBJECTIVE 1: Locate underground workings,  including maps, on  the Mesabi, Cuyuna/Emily,  and Vermilion  Iron Ranges for potential use as CAES storage caverns.  

4.3.1. Progress/Findings to Date 

4.3.1.1. Mesabi Range 

A GIS shape  file of the underground workings on the Mesabi Range has been compiled  from previous work done at MNDNR Lands and Minerals in Hibbing, MN. Additional maps for a potential site, the Utica Extension Mine, were  obtained  from  Great  Northern  Iron Ore  Properties  in  Hibbing.  This  particular property  sits within  designated mineland west  of  Hibbing  and  south  of  Hibbing  Taconite’s  pit.  It  is surrounded  by  extensively  mined  (underground)  land  that  may  preclude  future  mining  activity  by 

Page 87: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team  79 

 

Hibbing Taconite  (Fig. 4‐3). The shaft area  is visible from aerial photos. This site consists of upper and lower main  drifts  that  extend west  and  then  north  from  the  shaft.  These  drifts  could  potentially  be isolated  from  a  second  set  of main  drifts  on  the  same  levels  that  extend  north  from  the  shaft  and connect with workings  to  the  north  and  east.  There  has  been  no  apparent working  from  the  drifts extending to the west. 

The Mesabi Range poses a problem  in siting a potential CAES  in existing underground workings as the shafts were typically put down off the natural ore body but still within the iron‐formation. Technological advances  are  extending  the  southern  limits  for mining  taconite  by  open  pit methods. Most  of  the existing underground workings will  likely be engulfed as existing taconite operations continue to mine southward. Possible exceptions to this condition are several underground mines that lie to the south of the Minorca taconite pit in the Virginia Horn area.  Among these are the Onondaga and Lincoln mines.    

4.3.1.2. Cuyuna Range/Emily District 

The Cuyuna Range and Emily District offer potentially better  siting opportunities  for CAES  in existing underground  workings.  Steeply  folded  rocks  here,  as  opposed  to  relatively  flat‐lying  strata  on  the Mesabi Range, led to linear ore bodies of restricted width. Several main hoisting shafts, such as those at the  Armour No.  1  and  Armour No.  2 mines, were  emplaced  not  only  off  the  ore  body  but  entirely outside of the iron‐formation. 

Much of the project work to date has focused on this region as follows: 

1. A  search was conducted  for documents  related  to underground mining on  the Cuyuna Range and Emily Ranges, particularly  those with  information specific  to  individual mines. A database compiled  from multiple  source  documents  gives  specifics  for  each mine,  including  locations, time and kind of mining operation, shaft types and depth, overburden depth, ore types, geology, and more.  

2. MNDNR,  MN  Dept.  of  Revenue,  and  the  Office  of  Surface  Mining  Reclamation  and Enforcement’s  (OSMRE) National Mine Map Repository collections and files were searched for maps  indicating  underground mine workings  on  the  Cuyuna  Range  and  the western Mesabi Range. A request for maps was submitted to OSMRE on January 11th and the documents were received February 21st on 2 flash drives containing a total of 1,464 digital files (over 84 gigabytes of data). Since the files were simply assigned an image number, they were reviewed, organized and  re‐named by properties. The documents  include  surface and underground plan view and cross‐section  maps.  Paper  and  Mylar  maps  found  at  MNDNR  and  Dept.  of  Revenue  were scanned  at MNDNR  via  a  large‐format  scanner  to make  them digital. Digital maps were  geo‐referenced,  and mine  features  including  shafts,  drifts, mined  extents  and  caved  areas were digitized.  Geo‐referencing  of  mine  maps  from  the  Cuyuna  Range  proved  to  be  a  difficult undertaking, as they were often referenced  to  forty acre section  lines that differ  from today’s survey standards; landmarks, such as roads and buildings, have been altered or removed. An on‐line search yielded a 1913 Standard Atlas of Crow Wing County that proved very useful  in geo‐referencing the early mines of the Cuyuna.  

Page 88: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team  80 

 

Figure 4‐3. U

tica Exten

sion M

ine. 

 

Page 89: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team  81 

 

 3. Collections housed at the MNDNR Cuyuna Recreation Area office in Ironton, MN and at the Croft 

Mine Historical Park  in Crosby, MN have been briefly  looked at and permission  is pending  to remove desired maps from the premises for the purpose of scanning. A  listing of known mines on the Cuyuna Range has also been provided to the archivist at the Iron Range Research Center (IRRC) in Chisholm, MN and awaits his attention.  

4. A series of mine shafts  located north of  the cities of  Ironton and Crosby present potential  for CAES. The Armour No.1 mine shaft  is the deepest at 800 feet.  It  is  located outside of the  iron‐ formation  in potentially  competent  rock. Haulage  drifts  extend over  400  feet  from  the  shaft before  reaching  the  ore  body.  The  Armour No.  2,  #2  Shaft  is  the  next  deepest  at  525  feet.  Workings of these mines, as well as the Bonnie Belle and Ironton mines, are shown in Figure 4‐4. Each  color  represents  a  level or  sublevel  in  the mines.  The Armour No. 1  and Armour No. 2 mines  have  not  been  completely mapped.  There  are  at  least  59  levels  and  sub‐levels  in  the Armour  No.  1  mine.  The  Armour  No.  2  mine  has  at  least  28  levels  and  sub‐levels.  A  3‐D rendering of part of  the Armour No. 1 mine  is provided  in Figure 4‐5.  It  shows  the  shaft and main haulage drifts extending to the ore body.

 5. To date, maps have been obtained  showing evidence  for underground workings at 28 mines.  

Geo‐referencing of maps and digitizing of mine features  is ongoing. Figure 4‐6  illustrates many of the mines on the Cuyuna North Range. Underground mine shafts are indicated in red. Much of  this area comprises  the Cuyuna Recreation Area  that  is managed by  the MNDNR Parks and Trails Division. It hosts a 25‐mile‐long mountain bike trail system over and among legacy mining features  (stockpiles, pits)  that has gained a national  reputation. While  the  land was given  for  surface  use,  the  intent  was  that  it  would  revert  to  its  primary  purpose  as  mineland  as opportunity arose (James Sellner, MNDNR, pers. comm., October 10, 2013). This situation may prove an impediment to CAES as there is no current mining activity on the Cuyuna Range. 

 

4.3.1.3. Vermilion Range 

The Vermilion Range was briefly  investigated. The Soudan Mine has competent  rock and  large  rooms that could conceivably host CAES. However, the Soudan Mine is a State Park that provides public tours of the underground mine.  It also contains a  large underground physics  laboratory. These  factors  likely preclude its use for CAES.  

At  least  twenty  underground mines were  started  on  the  Vermilion  Range.  The  largest  of  these,  the Chandler, Pioneer, Savoy, Sibley, Soudan, and Zenith mines, shipped from 1.8 M to > 41 M long tons of natural ore (Skillings, 2005), some from both underground and open pits. Stenlund (1988) documents 12 mines  that were started on  the Vermilion Range, most of which amounted  to  little more  than a shaft and exploratory drifts.  

Since distance from electric transmission lines must be taken into consideration in siting a CAES facility, the Vermilion Range has been assigned  low priority status at this time. There are maps available from the U.S. Steel aperture card collection housed at the  IRRC  in Chisholm and from a collection stored  in Ely. These have not been collected to date.  

Page 90: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team  82 

 

 

Figure 4‐4. A

rmour No. 1, A

rmour No. 2, B

onnie Bell, and Ironton M

ines. 

Page 91: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team  83 

 

Figure 4‐5. P

artial ren

dering of the Arm

our No. 1

 Mine. 

Page 92: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team  84 

 

Figure 4‐6. M

ap of Cuyuna cities and m

ining features. 

Page 93: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team  85 

 

4.4. OBJECTIVE 4: 

Investigate excavating/rehabilitating potential underground CAES storage cavities  in different  rock types (Group), e.g., 

a) Mesabi, Cuyuna, Vermilion, and Emily iron ranges; b) Duluth Complex, including working with Duluth Metals; c) Investigate other Minnesota River Valley granites, Mentor Mafic Complex, etc. for CAES 

storage potential; and d) Other  geologically  favorable  rock  types  in  other MN  locations  in  different  rock  types 

near GRE, MP, transmission lines.  

4.4.1. Progress/findings to Date 

1. An on‐line search led to discovery of a document detailing the geological examinations, physical tests, and design plans for a proposed underground liquid propane storage cavern in Minnesota (Fenix and Scisson, Inc., 1960). Such a cavern was constructed near Erskine, Pope County, MN. It has been in operation for decades. This document has application for the geotechnical team in terms of evaluating sites for a potential newly constructed CAES cavern.  

2. Creating underground caverns on  the Mesabi Range  for pumped hydro energy storage  (PHES) was  investigated as part of NRRI’s earlier  investigation of PHES potential on the Mesabi Range.  Specific underground ore bodies were looked at and reported on in Fosnacht et al. (2011). These same ore bodies pose potential for CAES. 

 3. The Emily District north of the Cuyuna Range has a significant manganese deposit. Cooperative 

Mineral  Resources  (CMR),  a  subsidiary  of  Crow Wing  Power,  is working  to  develop  the  best project  plan  for  extracting  manganese  from  an  80‐acre  parcel  north  of  the  City  of  Emily (http://www.cwpower.com/manganese.shtml).  One  method  that  has  been  tested  on  site  is extraction  by  solution  mining  via  a  borehole.  This  method  produces  a  cavern  that  could potentially  be  used  for  CAES.  Contact  has  been made  with  a  representative  of  Crow Wing Power. 

 

4.5. ADDITIONAL PROJECT WORK 

4.5.1. Presentations (Appendix 4‐A) 

January 9, 2013, Hinckley: “Sites of Underground Mining Activity  in Minnesota – Potential CAES Study Areas” 

May 30, 2013, Duluth: “CAES Project Update:  Identifying Existing Underground Mine Features” 

August 12, 2013, Hinckley: “CAES Potential in Existing Underground Mines in Minnesota – Scenarios for Discussion” 

 

Page 94: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team  86 

 

4.5.2. Bibliographies 

Preliminary Cuyuna Range Geologic Bibliography 

Preliminary Cuyuna Range Mining Bibliography  

4.6. REFERENCES 

Fenix & Scisson,  Inc., 1960, Feasibility Report Mined LP‐GAS Storage Cavern Near Erskine, Minnesota, 

Study prepared for Solar Gas (Minnesota), Inc. 

Fosnacht, D.R., and PHES Study Team, 2011, Pumped Hydro Energy Storage  (PHES) Using Abandoned Mine  Pits  on  the Mesabi  Iron  Range  of Minnesota  –  Final  Report:  University  of Minnesota Duluth, Natural Resources Research Institute, Technical Report NRRI/TR‐2011/50, 599 p. 

Stenlund, M., 1988, Ghost Mines of the Ely Area (1882‐1925).  

 

Page 95: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team Appendix 4‐A  87 

 

APPENDIX 4‐A – GEOLOGY TEAM PRESENTATION 

 

   

 

 

  

 

Page 96: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team Appendix 4‐A  88 

 

 

 

 

   

  

  

Page 97: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team Appendix 4‐A  89 

 

 

 

   

   

   

 

Page 98: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team Appendix 4‐A  90 

 

 

 

   

 

Page 99: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team Appendix 4‐A  91 

 

 

   

   

   

 

 

Page 100: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team Appendix 4‐A  92 

 

   

   

   

Page 101: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team Appendix 4‐A  93 

 

 

 

   

  

   

 

Page 102: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team Appendix 4‐A  94 

 

 

 

   

   

   

Page 103: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team Appendix 4‐A  95 

 

   

   

 

 

 

 

 

Page 104: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team Appendix 4‐A  96 

 

   

   

   

 

 

Page 105: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team Appendix 4‐A  97 

 

   

  

   

Page 106: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Geology Team Appendix 4‐A  98 

 

 

  

 

 

Page 107: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Groundwater/Environmental Team  99 

 

5. CAES PROGRESS REPORT – GROUNDWATER/ENVIRONMENTAL TEAM 

Rebecca Teasley 

5.1. GROUNDWATER MODELING 

The Environmental Team is determining how groundwater movement may be affected by construction and operation of a Compressed Air Energy Storage facility.  Models have been constructed in MODFLOW for  various  conditions  for  the  sites  of  interest.  The  project  team  is  examining  the  use  of  existing underground caverns as a site for Compressed Air Energy Storage. The Mesabi Iron Range of Minnesota has multiple abandoned underground mines that can be considered for storage sites. Current open pit mines on the Mesabi Iron Range may make it difficult to use nearby existing mines because of blasting concerns.  Abandoned  underground  mines  on  the  Cuyuna  Range  may  be  a  more  realistic  option, although many were  converted  to open pit mines or are now  flooded. Future precious metal mining operations  in  the Duluth  Complex may  be  another  option  to  consider  converting  into  CAES  storage facilities after the mining operation is complete.  Selection of a site will greatly impact the results of the model, but the Environmental Team has been examining the most  important  factors to consider  for a CAES storage facility.  

A  number  of  variables  for  site  selection  are  being  examined  by  other  project  partners  and will  be integrated into the modeling at a later date.  At this time, the major design questions related to impacts on groundwater are dewatering of the abandoned mines, leakage of air from the cavern, the potential use of a water curtain for unlined caverns and reservoirs to maintain constant pressure  in the cavern.  Changes  in pressure  in  the  cavern  from dewatering or  air  leakage  could  alter  the  surrounding water table.   

A design decision that has to be made in a CAES operation is how to confine the caverns. Theoretically, if the cavern is deep enough, water pressure could be high enough to keep air contained. Gas escape may not occur as long as the water pressure along all possible escape paths increases for some small distance in  the direction of potential gas escape  (Goodall et. al, 1988). Alternatively, a water  curtain  could be built to contain air with increased water pressure or the cavern could be lined with an airtight material. Lining materials need to be able to withstand fatigue from the cyclic compression and decompression of CAES operation. Thermal stresses in the lining would also be an issue with adiabatic compression.  

5.1.1. Model Configuration 

To set up a MODFLOW model for regional groundwater flow, a series of variables were selected based on local geology. Although the final site has not been selected, a sensitivity analysis of the variables was conducted  to  determine  which  had  the  largest  impact  on  the  final  results  and  should  be  carefully considered  in the final model. An example of the model geometry  is displayed  in Table 5‐1. This  layer configuration represents an assumed cavern  in the Cuyuna Range with a water curtain. Water curtains are discussed in the following section on Boundary Layers.  Grid spacing was set at 100 ft. with a further refinement near the cavern. Cavern spacing was set at 25 ft. by 50 ft. to capture the effects of the CAES operation.  

Page 108: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Groundwater/Environmental Team  100 

 

5.1.2. Model Parameters 

Assuming the geology of the Cuyuna Range, values for Storage, Specific Yield, and Hydraulic Conductivity were selected.  Storage coefficients ranging from ‐0.00005 to 0.005 were selected for confined aquifers.  Specific Yield  is a function of Porosity, so Porosity values were selected as  less than 0.1 and decreased with depth. These values were  selected  to  represent a  reasonable physical  range  found  in  the  region (Todd and Mays, 2005). A  sensitivity analysis demonstrated  that  the changing  the values  for Storage, Specific  Yield  and  Porosity  had  negligible  impact  on  the  final  heads  in  the  model.  This  result demonstrates that the final model does not need to include precise values for these parameters. 

While the model demonstrates little sensitivity to some parameters, it was found that the model results are sensitive to values for Hydraulic Conductivity. To model hydraulic conductivity, an anisotropy ratio of Kz/Kh was set at 0.1. The values of Hydraulic Conductivity set in the model are shown in Table 5‐2.   Table 5‐1. MODFLOW Layer Properties. 

Layer  Description Top Elevation 

(ft.) Thickness (ft.) 

1  Sand and gravel  500  100 

2  Bedrock  400  100 

3  Water curtain in bedrock  300  1 

4  49 ft. between cavern and water curtain  299  49 

5  Mine drift in bedrock  250  50 

6  Bedrock  200  200 

  Bottom of model  0   

 

Table 5‐2. Typical Value for Hydraulic Conductivity used for Modeling. 

Zone  Description  Kh (ft./day)  Kz (ft./day) 

1  Sand and gravel in layer 1  300  30 

2  Bedrock in layers 2‐4  3x10‐3  3x10‐4 

3  Bedrock in layers 5‐6  10‐6  10‐7 

4  Water curtain  variable  variable 

5  Cavern  variable  variable 

 

Page 109: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Groundwater/Environmental Team  101 

 

5.1.3. Importance of Hydraulic Conductivity 

The  results were  found  to  be  sensitive  to  the  values  used  for Hydraulic  Conductivity.  If  the  ratio  of Hydraulic Conductivity values is increased between the layers, the value of head in the model decreases.  Additionally,  the  individual  layer values of hydraulic conductivity do not  impact heads as much as  the rate of change of hydraulic conductivity with depth (Fig. 5‐1). Hydraulic conductivity for the selected site must be carefully classified as is shown by the model results.   

 

 Figure 5‐1. Maximum Model Head with Ratio of Hydraulic Conductivity to Depth. 

 

5.1.4. Boundary Conditions 

For effective air storage, water at the cavern boundary should flow toward the cavern or have no flow.  Outwards movement of water  is possible at  the bottom of  the cavern, so  to prevent air  from  leaking from the cavern bottom should be saturated with water or lined (Liang and Lindblom, 1994). To model groundwater flow, there must be a boundary condition to represent the air water interface at the edge of the cavern. This boundary needs a better technical understanding for modeling and will be affected by design decisions such as physical geology of selected  location, cavern  lining, cavern dimensions and operating air pressure. Two simplified boundary conditions were selected for modeling; a constant head boundary and a water curtain.  If a constant head boundary  is assumed,  it  implies an  infinite supply of water  in  the nearby  area  and no  changes  in head will occur  at  the boundary.  The  second boundary condition  is  a water  curtain  that  is  used  for  providing  a  pressurized  boundary  condition  in  unlined caverns. 

For the model, a water curtain  is  installed 40 to 50 ft. above the top of a cavern to provide a pressure that is greater than the pressure in the cavern. Boreholes are spaced at about 10 ft. along the length to 

Page 110: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Groundwater/Environmental Team  102 

 

allow the water curtain to at least cover the roof of the cavern (Fig. 5‐2). Flow for a 855 psig curtain is about 13.5 gmp (Bauer et. al, 2012). 

The water curtain was modeled in MODFLOW as a series of analytic element (AE) wells (Fig. 5‐3) and as a series of injection wells. The modeling showed that for operating pressures ranging from 900‐2000 psi, the current model is requiring injection rates of 45‐120 ft.3/day to achieve pressures greater than cavern operating pressures. The project team must determine if this is a reasonable setup for the CAES project.  

 

 

Figure 5‐2. CAES Cross‐Section with Water Curtain (Bauer et al., 2012). 

 

Page 111: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Groundwater/Environmental Team  103 

 

 

Figure 5‐3. Cavern Model with Multiple AE Wells for a Water Curtain. 

 Boundary condition modeling considerations  include changes  in system flow and distance of boundary conditions from flow system. If the stress on a flow system would cause changes in a natural boundary, e.g., head drawdown from a new well, the boundary would no longer be physically reasonable. Distance to lateral boundaries should be at least three times the depth of the flow system, after that increasing the distance has only slight  influence on the model (Lehn Franke et. al, 1987). For example,  if a cavern has a depth of 300 ft., the model should extend 200 ft. below  it for a total model depth of 500 ft. The distance to lateral boundaries should be about 1500 ft.  

5.1.5. Remaining Questions 

To complete the model of regional groundwater flow, a few questions must be answered. A site must be selected so that the geology is well known. The modeling has shown that the model is sensitive to values of hydraulic  conductivity. Additionally, boundary  conditions must be  characterized  including  the  local geology, the surrounding water table depth, the operating pressures, and how the air will be contained (lining or a water curtain). The geometry and layout of the cavern are also important parameters for the model and finally, existing groundwater data must be used to calibrate the model.  

5.2. ENVIRONMENTAL PERMITTING ISSUES 

A  number  of  environmental  and  permitting  issues  will  be  answered  by  selection  of  the  site.  The following provides a summary of the issues currently examined.  

5.2.1. Geology and Soil 

5.2.1.1. Soil Erosion 

Soil erosion is assumed to likely only occur during construction. Soil erosion and sedimentation control plans should be included in project development. 

Page 112: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Groundwater/Environmental Team  104 

 

5.2.1.2. Seismicity 

Could affect project safety and should be evaluated when/if project site is identified (Table 5‐3).  Table 5‐3. Recorded historical earthquakes affecting Minnesota (adapted from USGS, 2009). 

Date  Severity of the Shock  Quake Center Area affected in 

Minnesota 

1860  Fairly strong  Central Minnesota, US  Entire state 

Sept. 3, 1917  Intensity VI  Central Minnesota, US  Entire state 

Nov. 15, 1877  Strong shock  Eastern Nebraska, US  SW Minnesota 

May 26, 1909  Intensity VII  Illinois, US  SE Minnesota 

Feb. 28, 1925  ‐‐  Quebec, Canada Slightly felt in Minneapolis, MN 

Nov. 1, 1935  Strong  Timiskaming, Canada Slightly felt in Minneapolis 

Nov. 9, 1968  Intensity I‐IV South‐central Illinois, US 

Austin, Glencoe, Mankato, Minneapolis, Rochester, MN 

 

5.2.2. Water Quality 

There are minimal concern‐sources comparing natural gas storage  to air storage. Air storage  is easier and  safer  than natural gas  storage  since CAES  requires  lower pressures, eliminates  fire and explosion potential  of  natural  gas  storage,  and  leaks  or  venting  to  the  atmosphere  is  not  an  environmental consideration with compressed air (Allen, 1985).  

5.2.3. Groundwater 

Groundwater concerns  that could result  from CAES  in an underground  facility depend on  the  location and depth of the cavern. If an existing cavern is used, it is likely that it would need to be dewatered prior to conversion to a storage facility. The impact of dewatering a cavern is dependent on the properties of the  nearby  rock  and  soil.  Another  concern  is  the  potential  for  air  escape  into  groundwater.  The implementation of a water curtain or the use of a reservoir to keep the cavern at a constant pressure would also have a notable impact on groundwater.  

5.2.4. Surface Water 

• Exchanges between groundwater and surface water depend on the site selected; • Increased stormwater could occur from impervious surfaces; and • Use proper runoff, soil erosion, and sedimentation control practices during construction.  

Page 113: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Groundwater/Environmental Team  105 

 

5.2.5. Biological Resources 

• Biological  resources  include  plant  communities,  wildlife  communities,  fishery  resources,  and sensitive species and sensitive habitats; 

• Rare plant species unlikely to be present due to heavily disturbed mined  land  in area (depends on location); 

• Regional forest‐sensitive wildlife/plant species; and • Endangered, threatened or special concern (ETSC) plants and wildlife.  

5.2.6. Impacts Common to Large Facility Construction 

5.2.6.1. Agricultural Resources 

• Northern MN ‐ primarily pasture and hay crop farming; and • Identify if resources at risk in immediate vicinity of project.  

5.2.6.2. Cultural Resources 

• Potential impact of construction of power line corridors, new roads, and any structures, buildings, or other features that could overlie or constitute historic or prehistoric resources; and 

• Federal,  state  and  local  agencies,  tribal  governments,  the Minnesota  State  Historic  Preservation Office (SHPO), and other stakeholders should be consulted. 

 

5.2.6.3. Aesthetic Resources 

• Main impact on aesthetic and visual resources would be from construction of power lines. Severity is dependent on visual character and scenic quality surrounding selected site. 

 

5.2.6.4. Recreational Resources 

• Consult regulatory and economic development agencies, and NGOs associated with natural resource conservation and recreation early in siting process. 

 

5.2.6.5. Population and Housing 

• Not likely to significantly increase or decrease population in area.  

5.2.6.6. Air Quality and Noise 

• Use  dust  control  efforts  during  construction  process.  Potential  for  noise  from compressors/generators? 

 

5.2.6.7. Greenhouse Gas Emissions 

• Associated with life cycles of materials used for facility, magnitude depends on scale of project. 

Page 114: A PROGRESS REPORT ON OPPORTUNITIES FOR …nrri.umn.edu/egg/REPORTS/CAES/CAESMidTermReport.pdf · Determination of depth of emplacement of an unlined cavern for gas/air storage ...

CAES Progress Report – Groundwater/Environmental Team  106 

 

5.2.6.8. Hazardous materials 

• Primarily released during construction and maintenance phases, depends on scale of project.  

5.2.6.9. Environmental Permitting 

• FERC does not have authority over the construction or maintenance of power generating plants, and has limited jurisdiction over transmission line siting. (www.ferc.gov/industries/electric); 

• Federal agencies that may become involved in licensing a CAES project, especially for environmental issues,  include  the U.S. Army Corps of Engineers  (USACOE),  the Environmental Protection Agency (EPA), and the U.S. Fish and Wildlife Service (USFWS); and 

• State agencies include MNDNR and Department of Health (if wells become impacted).   

5.3. TIMELINE 

• Groundwater modeling will be completed 2 months after completion of site selection. • Environmental Permitting will be completed 2 months after completion of site selection. • Final Report.  

5.4. REFERENCES 

Allen, K., 1985, CAES: The Underground Portion: IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, v. PAS‐104, no. 4, p. 809‐812. 

Bauer, S.J., Gaither, K.N, Webb, S.W., and Nelson, C., 2012, Compressed Air Energy Storage in Hard Rock Feasibility Study, Sandia Report, SAND2012‐0540. 

Goodall, D.C.,  Aberg,  B.,  and  Brekke,  T.L.,  1988,  Fundamentals  of Gas  Containment  in Unlined  Rock Caverns: Rock Mechanics and Rock Engineering, v. 21, p. 235‐258. 

Lehn Franke, O., Reilly, T.E., and Bennett, G.D. , 2005, Definition of Boundary and Initial Conditions in the analysis  of  Saturated Ground‐water  Flow  Systems  –  An  Introduction: U.S. Geological  Survey, Techniques  of  Water‐Resources  Investigation,  Book  3,  Chapter  B5.  Available  online: http://pubs.usgs.gov/twri/twri3‐b5/. 

Liang,  J.,  and  Lindblom,  U.,  1994,  Analyses  of  Gas  Storage  Capacity  in  Unlined  Rock  Caverns:  Rock Mechanics and Rock Engineering, v. 27, no. 3, p. 115‐134. 

Todd, D.K. and Mays, L., 2005, Groundwater Hydrology: New Jersey, John Wiley & Sons, 3rd edition, 636 p. 

USGS,  2009,  Minnesota  Earthquake  History:  Webpage,  Retrieved  on  October  10,  2013  from http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/states/minnesota/history.php.