Розробка видобутої кам’яної каверни для зберігання газоподібного водню

Очікуваний результат:

Чистий водень визнано енергоносієм, який відіграватиме важливу роль у декарбонізації європейських енергетичних систем, оскільки він може замінити викопне паливо в секторах, де важко скоротити викиди. Декілька урядів та установ оголосили про амбітні плани розвитку водневої економіки. Зокрема, Європейський Союз встановив до 2030 року ціль 40 ГВт електролізерів, що виробляють 10 мільйонів тонн відновлюваного водню, які будуть додані до 10 мільйонів тонн імпортованого чистого водню.

Ці значні обсяги водню вимагатимуть надземних і підземних сховищ. Зокрема, підземне сховище водню забезпечить засоби для задоволення цих великомасштабних потреб у сховищах, оскільки воно дає переваги з точки зору захисту навколишнього середовища, енергетичної безпеки, безпеки та економічно з точки зору CAPEX (для високої ємності зберігання) та OPEX. Капітальні витрати на підземне зберігання значною мірою залежать від цільових потужностей, робочих зон (а саме необхідних витрат), наявної геології, потреб у очищенні та технологій зберігання. Однак оцінка порядків величини витрат така:

• Згідно з проектом партнерства з чистого водню HYSTORIES ^[1] (2022), рішення для зберігання на основі пористих резервуарів мають орієнтовну вартість близько 20 євро/кг (+/- 50%) і дійсні лише для дуже великих обсягів, тоді як KPI SRIA (2022) представляють цільове значення 5 євро/кг у 2030 році для пористих резервуарів (ємність для зберігання не надається; тиск 120 бар);

• Витрати на технологію соляних печер оцінюються приблизно в 35 євро/кг (+/- 50%) і застосовуються для помірних і великих кількостей, тоді як KPI SRIA (2022) представляють цільове значення 30 євро/кг у 2030 році для соляних печер (ємкість зберігання > 3000 тонн);

• Складніше оцінити зберігання водню в видобутих кам’яних кавернах, оскільки методологія ще не повністю вивчена. Початкові оцінки оцінюють витрати від 250 євро/кг (великі обсяги, у дуже хороших умовах породи) до 500 євро/кг (великі кількості, у хороших умовах породи). Однак витрати можуть бути як вищими, так і нижчими, залежно від умов. Тим не менш, ці витрати залишаються привабливими в порівнянні з витратами на технології поверхневого зберігання, а також вирішують проблеми, які існують для таких технологій (наприклад, безпека, безпека тощо).

Питання про те, чи будуть ці ємності для зберігання розпорошеними чи централізованими, залишається відкритим, але багато аналітиків вважають, що знадобляться різні розміри одиниць зберігання, включаючи велике та централізоване сховище.

Соляні печери або пористі геологічні пастки пропонують можливості для великих потреб у зберіганні водню як економічно ефективнішого великомасштабного рішення для зберігання водню. Однак застосування обмежено місцями з відповідною геологією. В ЄС кількість таких місць обмежена. Таким чином, для регіонів без відповідної геології, видобуті, викладені скельні каверни можуть розглядатися як відповідне технологічне рішення для зберігання газу та рідини.

Проектування та безпечна експлуатація європейських сховищ водню в видобутих кам’яних печерах вимагає розробки спільних спеціальних стандартів і вказівок. Серед проблем – вибір воднево-сумісного матеріалу футеровки (наприклад, сталі), поведінка цього матеріалу в ситуаціях циклічної втоми ^[2] , вибір оптимізованого бетону чи інших матеріалів для амортизації футеровки від гірської маси та захисту від наслідків деградації навколишнього середовища (наприклад, корозії) та інших потенційних впливів, а також розуміння того, як різноманітна геологічна літологія взаємодіятиме з циклічною різницею тиску. Сталь, ймовірно, буде обрана для вкладиша на основі досвіду, отриманого з процесів виробництва, монтажу та експлуатації. Однак інші матеріали також можна досліджувати та порівнювати зі сталлю.

Розуміння впливу будівництва нових печер на відміну від використання раніше побудованих печер на навколишнє середовище, безпеку, енергетичну безпеку та економіку також є цікавою темою.

Очікується, що результати проекту сприятимуть досягненню всіх наступних очікуваних результатів:

• Отримайте знання про механічну поведінку складної облицювання (бетон, сталь тощо) у поєднанні з геомеханічною поведінкою навколишньої породи для видобутої, облицьованої кам’яної каверни, що піддається циклічним умовам і природним небезпекам (наприклад, землетруси);

• Надати принципи проектування та робочі зони, які будуть використовуватися особами, які приймають рішення, під час оцінки CAPEX та OPEX видобутих, облицьованих скельних печер у різних умовах (якість гірської маси, комерційні потреби, доступність, міркування безпеки тощо);

• Зробити доступними для промисловості системи зберігання водню, які придатні для цілей і можуть знизити вартість і підвищити ефективність постачання водню в Європі;

• Сприяти міжнародному співробітництву для отримання та застосування знань, які можуть покращити операції з підземного зберігання водню, що сприятиме стійкості водню та зменшить пов’язані з цим витрати;

• Сприяння збереженню європейського лідерства щодо великомасштабних рішень для зберігання водню, з особливим акцентом на оцінці можливостей зрозуміти, що робить раніше побудовану печеру найкращою для цілей, а також зрозуміти динаміку будівництва видобутих кам’яних печер у різноманітних потенційних геологічних літологіях (наприклад, гнейс, граніт, карбонати, пісковики, базальти). Крім того, визначити та визначити, які геологічні, геотехнічні та гідрологічні параметри найкраще підходять для великомасштабного підземного зберігання водню;

• Надати інструменти тиражування методологій, розроблених і продемонстрованих у проекті, на об’єктах в інших європейських регіонах з різними надрами (та експлуатаційними) характеристиками, забезпечуючи вичерпне охоплення специфіки різних європейських об’єктів;

• Стимулюйте технічну та економічну ревіталізацію територій із занедбаною та/або недостатньо використовуваною інфраструктурою печер (наприклад, тунелі, каверни природного газу, шахти тощо) у Європі.

Очікується, що результати проекту сприятимуть наступним цілям (KPI чистого водню JU SRIA не застосовуються як такі):

• Проводити дослідницьку діяльність щодо підземних сховищ, щоб перевірити продуктивність у різних геологічних ситуаціях, визначити кращі та економічно ефективніші матеріали та заохотити вдосконалення проектів;

• Підтримувати розробку нормативних актів і стандартів (RCS) для водневих технологій і застосувань, зосереджуючись на стандартах для оцінки тривалості життя видобутої, викладеної кам’яної каверни для зберігання водню;

• Організація семінарів з безпеки, переднормативних досліджень (PNR) і RCS.

Сфера застосування:

Основною проблемою для цілісності видобутої кам’яної каверни, яка використовується для зберігання водню, є циклічна втома, у якій може відігравати роль воднева крихкість.

Циклічні деформації викликані завантаженням/розвантаженням газу в поєднанні з утримуючим тиском, який чинить навколишнє геологічне та гідрологічне середовище. Ці деформації можуть бути досить значними, щоб викликати пластичну деформацію вкладиша. Крім того, робочі циклічні умови призводять до втоми футеровки (наприклад, сталі, бетону тощо) на додачу до впливу на навколишню гірську масу. Ця втома відома як «втома малого циклу» (велике напруження, обмежена кількість циклів).

Пропозиції повинні стосуватися технічних проблем, пов’язаних із поєднанням великих деформацій, умов втоми та роботи водню на вкладиші, навколишньому бетоні та навколишніх гірських масивах. Тому промислова розробка цієї концепції зберігання водню вимагає досліджень, випробувань і поєднання лабораторних і польових демонстрацій.

Ця тема присвячена виключно газоподібному водню – рідкий водень не розглядається через його надзвичайно низькі температури.