Interakcja wodoru ze skałą zbiornikową

• Autorzy: Cicha-Szot Renata , Leśniak Grzegorz

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2022.08.02

Warianty tytułu

EN

Interaction of hydrogen with reservoir rock

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Istnieje szereg metod magazynowania wodoru, do których zaliczyć można stosowanie zbiorników napowierzchniowych, wiązanie w wodorkach metali, nanorurkach węglowych, sieciach metaloorganicznych, ciekłych organicznych nośnikach wodoru czy adsorbentach. Jednak to podziemne magazynowanie wodoru w strukturach geologicznych (PMW) wydaje się kluczowe dla rozwiązania problemu długoterminowego magazynowania dużych ilości energii oraz zwiększenia stabilności sieci energetycznej i poprawy wydajności systemów energetycznych. Kryteria wyboru struktury do magazynowania wodoru obejmują szereg czynników technicznych, ekonomicznych, ekologicznych i społecznych. Jednym z najmniej rozpoznanych obszarów badawczych dotyczących PMW jest utrata wodoru in situ wywołana reakcjami geochemicznymi, które mogą wpływać na parametry petrofizyczne oraz wytrzymałość skał uszczelniających. W artykule przeanalizowano reakcje, jakie mogą wystąpić podczas magazynowania wodoru w strukturach geologicznych. Na podstawie studium literaturowego wskazano grupy minerałów, które mogą wpływać na zmiany pojemności magazynowej oraz na czystość gazu. Należą do nich w szczególności węglany, anhydryt, ankeryt i piryt, które stanowiąc skład matrycy skalnej lub cementu, mogą znacząco wpływać na potencjał magazynowy analizowanej struktury. Podczas kontaktu z wodorem minerały te ulegają rozpuszczeniu, w wyniku czego uwalniane są m.in. jony Fe2+, Mg2+, Ca2+, SO4 2−, HCO3 − , CO3 2−, HS− . Jony te wchodzą nie tylko w skład minerałów wtórnych, ale również na skutek dalszych reakcji z wodorem zanieczyszczają magazynowany nośnik energii domieszkami CH4, H2S i CO2, co ogranicza możliwości dalszego wykorzystania wodoru. Zwrócono również uwagę na możliwość wystąpienia rozpuszczania kwarcu, którego szybkość zależy od stężenia jonów Na+ w solance złożowej oraz pH. Ponadto pH wpływa na reaktywność wodoru i zależy w dużej mierze od temperatury i ciśnienia, które w trakcie pracy magazynu będzie podlegało częstym cyklicznym zmianom. W artykule omówiono wpływ warunków termobarycznych na analizowany proces, co powinno stanowić podstawę do szczegółowej analizy oddziaływania skała–wodór– solanka dla potencjalnej podziemnej struktury magazynowej.

EN

There are several hydrogen storage methods, including surface tanks, metal hydrides, carbon nanotubes, organometallic networks, liquid organic hydrogen carriers, or adsorbents. However, underground hydrogen storage (UHS) appears to be crucial in solving the problem of long-term storage of large amounts of energy, increasing the power grid's stability and improving energy systems' efficiency. The criteria for selecting a hydrogen storage structure include a number of technical, economic, ecological, and social factors. One of the least recognized research areas concerning UHS is the in situ loss of hydrogen caused by geochemical reactions that may affect sealing rocks' petrophysical parameters and strength. The article presents the reactions that may occur during hydrogen storage in geological structures. Based on a literature study, groups of minerals that may affect changes in storage capacity and gas purity have been indicated. These include, in particular, carbonates, anhydrite, ankerite, and pyrite in both the rock matrix and the cement. Upon contact with hydrogen, these minerals dissolve, releasing, among others, Fe2+, Mg2+, Ca2+, SO4 2– , HCO3 – , CO3 2– , HS– ions. These ions are not only components of secondary minerals but also, as a result of further reactions with hydrogen, pollute the stored energy carrier with admixtures of CH4, H2S and CO2, which limits the possibilities of further hydrogen use. The possibility of quartz dissolution, the rate of which depends on the concentration of Na+ ions in the reservoir brine and the pH, was also noted. Moreover, pH influences the reactivity of hydrogen and depends mainly on temperature and pressure, which will be subject to frequent cyclical changes during the operation of the storage. This review paper discusses the influence of thermobaric conditions on the analyzed process, what should be a base for detailed analysis of the rock-hydrogen-brine interaction for the potential underground storage structure.

Słowa kluczowe

PL

magazynowanie wodoru; interakcja; skała; solanka; wodór; rozpuszczanie; minerał

EN

hydrogen storage; rock; brine; hydrogen; interaction; dissolution; mineral

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 78, nr 8
• Strony: 580--588
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz., rys.

Twórcy

autor

Cicha-Szot Renata

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Leśniak Grzegorz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Abdalla A.M., Hossain S., Nisfindy O.B., Azad A.T., Dawood M., Azad A.K., 2018. Hydrogen production, storage, transportation and key challenges with application. A review. Energy Conversion and Management, 165: 602–627. DOI: 10.1016/j.enconman.2018.03.088.
• Ali M., Jha N.K., Al-Yaseri A., Zhang Y., Iglauer S., Sarmadivaleh M., 2021. Hydrogen wettability of quartz substrates exposed to organic acids. Implications for hydrogen geo-storage in sandstone reservoirs. Journal of Petroleum Science and Engineering, 207: 109081. DOI: 10.1016/j.petrol.2021.109081.
• Amid A., Mignard D., Wilkinson M., 2016. Seasonal storage of hydrogen in depleted natural gas reservoir. International Journal of Hydrogen Energy, 41: 5549–5558. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.02.036.
• Andersson J., Gronkvist S., 2019. Large-scale storage of hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy, 44(23): 11901–11919. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.03.063.
• Bandura A.V., Lvov S.N., 2006. The Ionization Constant of Water over Wide Ranges of Temperature and Density. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 35(15). DOI: 10.1063/1.1928231.
• Berdechowski K., 2019. Analiza metod produkcji biowodoru pod kątem wielkości emisji GHG. Nafta-Gaz, 75(4): 230–235. DOI: 10.18668/NG.2019.04.05.
• Berstad D., Gardarsdottir S., Roussanaly S., Voldsund M., Ishimoto Y., Neksa P., 2022. Liquid hydrogen as prospective energy carrier: A brief review and discussion of underlying assumptions applied in value chain analysis. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 154: 111772. DOI: 10.1016/j.rser.2021.111772.
• Berta M., Dethlefsen F., Ebert M., Schafer D., Dahmke A., 2018. Geochemical effects of millimolar hydrogen concentrations in groundwater: An experimental study in the context of subsurface hydrogen storage. Environmental Science and Technology, 52(8): 4937–4949. DOI: 10.1021/acs.est.7b05467.
• Bo Z., Zeng L., Chen Y., Xie Q., 2021. Geochemical reactions-induced hydrogen loss during underground hydrogen storage in sandstone reservoirs. International Journal of Hydrogen Energy, 46: 19998–20009. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.03.116.
• Boersheim E.C., Reitenbach V., Albrecht D., 2019. Experimental investigation of integrity issues of UGS containing hydrogen. SPE Europec featured at 81st EAGE Conference and Exhibition, London, England, UK, June 2019. DOI: 10.2118/195555-MS.
• Bouteldja M., Acosta T., Carlier B., Reveillere A., Jannel H., Fournier C., 2021. Definition of Selection Criteria for a Hydrogen Storage Site in Depleted Fields or Aquifers. Hystories – Hydrogen Storage in European Subsurface. European Union.
• Budak P., Szpunar T., 2020. Zmiany parametrów mieszaniny gazu ziemnego z wodorem w trakcie eksploatacji komory magazynowej w kawernie solnej. Nafta-Gaz, 76(11): 799–806. DOI: 10.18668/NG.2020.11.05.
• Carden P.O., Paterson L., 1979. Physical, chemical and energy aspects of underground hydrogen storage. International Journal of Hydrogen Energy, 4(6): 559–569. DOI: 10.1016/0360-3199(79)90083-1.
• Ciechanowska M., 2020. Strategia w zakresie wodoru na rzecz Europy neutralnej dla klimatu. Nafta-Gaz, 76(12): 951–954. DOI: 10.18668/ NG.2020.12.09.
• Crundwell F.K., 2017. On the Mechanism of the Dissolution of Quartz and Silica in Aqueous Solutions. ASC Omega, 2(3): 1116–1127. DOI: 10.1021/acsomega.7b00019.
• De Lucia M., Pilz P., Liebscher A., Kuhn M., 2015. Measurements of H2 solubility in saline solutions under reservoir conditions: preliminary results from project H2STORE. Energy Procedia, 76: 487–494. DOI: 10.1016/j.egypro.2015.07.892.
• Demusiak G., 2012. Otrzymywanie paliwa wodorowego metodą reformowania gazu ziemnego dla ogniw paliwowych małej mocy. Nafta-Gaz,68(10): 661–673.
• Elberry A.M., Thakur J., Veys J., 2021. Seasonal hydrogen storage for sustainable renewable energy integration in the electricity sector: A case study of Finland. Journal of Energy Storage, 44: 103474. DOI: 10.1016/j.est.2021.103474.
• Flesch S., Pudlo D., Albrecht D., Jacob A., Enzmann F., 2018. Hydrogen underground storaged – Petrographic and petrophysical variations in reservoir sandstones from laboratory experiments under simulated reservoir conditions. International Journal of Hydrogen Energy, 43:20822–20835. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.09.112.
• Graff M., 2020. Wodór jako paliwo – zalety i wady. Technika Transportu Szynowego, 27(5–6): 16–28.
• Hashemi L., Glerum W., Farajzadeh R., Hajibeygi H., 2021. Contact angle measurement for hydrogen/brine/sandstone system using captivebubble method relevant for underground hydrogen storage. Advances in Water Resources, 154: 103964. DOI: 10.1016/j.advwatres.2021.103964.
• Hassannayebi N., Azizmohammadi S., De Lucia M., Ott H., 2019. Underground hydrogen storage: application of geochemical modelling in a case study in the Molasse Basin, Upper Austria. Environmental Earth Sciences, 78: 177. DOI: 10.1007/s12665-019-8184-5.
• Heinemann N., Alcalde J., Miocic J.M., Hangx S., Kallmeyer J., Ostertag-Henning C., Hassanpouryouzband A., Thaysen E., Strobel G., Schmidt-Hattenberger C., Eldmann K., Wilkinson M., Bentham M., Haszeldine S., Carbonell R., Rudloff A., 2021. Enabling large-scale hydrogen storage in porous media – the scientific challenges. Energy and Environmental Science, 14: 853–864. DOI: 10.1039/d0ee03536j.
• Hemme C., Van Berk W., 2018. Hydrogeochemical Modeling to Identify Potential Risks of Underground Hydrogen Storage in Depleted Gas Fields. Applied Sciences, 8(11): 2282. DOI: 10.3390/app8112282.
• Jaworski J., Kukulska-Zając E., Kułaga P., 2019. Wybrane zagadnienia dotyczące wpływu dodatku wodoru do gazu ziemnego na elementy systemu gazowniczego. Nafta-Gaz, 75(10): 625–632. DOI: 10.18668/NG.2019.10.04.
• Labus K., Tarkowski R., 2022. Modeling hydrogen – rock – brine interactions for the Jurassic reservoir and cap rocks from Polish Lowlands. International Journal of Hydrogen Energy, 47(20): 10947–10962. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.01.134.
• Lewandowska-Śmierzchalska J., Tarkowski R., Uliasz-Misiak B., 2018. Screening and ranking framework for underground hydrogen storage site selection in Poland. International Journal of Hydrogen Energy, 43(9): 4401–4414. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.01.089.
• Luboń K., Tarkowski R., 2020. Numerical simulation of hydrogen injection and withdrawal to and from a deep aquifer in NW Poland. International Journal of Hydrogen Energy, 45(3): 2068–2083. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.11.055.
• Paterson L., 1983. The implications of fingering in underground hydrogen storage. International Journal of Hydrogen Energy, 8(1): 53–59. DOI: 10.1016/0360-3199(83)90035-6.
• Prinzhofer A., Tahara Cisse C.S., Boubacar Diallo A., 2018. Discovery of a large accumulation of natural hydrogen in Bourakebougou (Mali). International Journal of Hydrogen Energy, 43: 19315–19326. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.08.193.
• Shi Z., Jessen K., Tsotsis T.T., 2020. Impacts of the subsurface storage of natural gas and hydrogen mixtures. International Journal of Hydrogen Energy, 45: 8757–8773. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.01.044.
• Such P., 2020. Magazynowanie wodoru w obiektach geologicznych. Nafta-Gaz, 76(11): 794–798. DOI: 10.18668/NG.2020.11.04.
• Szott W., Miłek K., 2022. Numeryczne symulacje procesu magazynowania wodoru w częściowo wyeksploatowanym złożu gazowym. Nafta-Gaz, 78(1): 41–55. DOI: 10.18668/NG.2022.01.05.
• Tarkowski R., 2017. Wybrane aspekty podziemnego magazynowania wodoru. Przegląd Geologiczny, 65(5): 282–291.
• Tarkowski R., 2019. Underground hydrogen storage: Characteristics and prospects. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 105: 86–94. DOI: 10.1016/j.rser.2019.01.051.
• Wiesenburg D.A., Guinasso N.L., 1979. Equilibrium solubilities of methane, carbon monoxide, and hydrogen in water and sea water. Journal of Chemical and Engineering Data, 24(4): 356–360. DOI: 10.1021/je60083a006.
• Yekta A.E., Manceau J.-C., Pichavant M., Audigane P., 2018a. Determination of Hydrogen–Water Relative Permeability and Capillary Pressure in Sandstone: Application to Underground Hydrogen Injection in Sedimentary Formations. Transport in Porous Media,122(10): 333–356. DOI: 10.1007/s11242-018-1004-7.
• Yekta A.E., Pichavant M., Audigane P., 2018b. Evaluation of geochemical reactivity of hydrogen in sandstone: application to geological storage. Applied Geochemistry, 95: 182–194. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2018.05.021.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).