Magazynowanie wodoru w sczerpanych złożach gazu ziemnego

• Autorzy: Miziołek Mariusz , Filar Bogdan , Kwilosz Tadeusz

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG. 2022.03.06

Warianty tytułu

EN

Hydrogen storage in depleted natural gas fields

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule podjęto próbę oceny możliwości magazynowania w sczerpanych złożach gazu ziemnego zapadliska przedkarpackiego mieszaniny składającej się z gazu ziemnego (ok. 90%) i wodoru (do 10%). Problem magazynowania wodoru pojawi się w Europie, a zapewne też i w Polsce w nieodległym czasie, gdyż zgodnie z dyrektywą wodorową ogłoszoną przez UE w 2020 r. wodór produkowany z nadwyżek energii wytwarzanych przez OZE będzie stopniowo zastępował paliwa kopalne. Część wodoru będzie zużywana na bieżące potrzeby, a część będzie magazynowania w zbiornikach napowierzchniowych oraz podziemnych. Podziemne magazyny wodoru (PMW) będą budowane w kawernach solnych oraz w sczerpanych złożach gazu ziemnego. Istniejące podziemne magazyny gazu (PMG) działają w Polsce m.in. w rejonie zapadliska przedkarpackiego – są to np. PMG Husów i PMG Brzeźnica, w których gaz jest magazynowany w piaskowcowych poziomach miocenu. W tym rejonie występuje też cały szereg sczerpanych horyzontów gazowych, które mogą być wykorzystane w przyszłości jako potencjalne magazyny gazu ziemnego i wodoru. Dla potrzeb artykułu wybrano jeden z takich poziomów zbiornikowych, reprezentujący złoże mioceńskie, i przeprowadzono szczegółową analizę jego parametrów geologiczno-złożowych istotnych dla magazynowania wodoru. Zestaw analizowanych parametrów sprecyzowano na podstawie literatury oraz przyjętych ogólnie kryteriów wyboru struktury na potrzeby utworzenia PMG. Analizowane parametry skał magazynowych i uszczelniających dotyczyły: ich składu mineralogicznego i petrofizycznego, składu chemicznego gazu rodzimego oraz wód złożowych, oceny parametrów petrofizycznych skał, budowy strukturalnej poziomów zbiornikowych i uszczelniających, warunków mikrobiologicznych złoża. Dokonano też oceny zjawisk fizycznych, które będą lub mogą być efektem magazynowania wodoru, takich jak np.: proces dyfuzji, mieszanie się gazów i ich ewentualna segregacja oraz możliwość tworzenia się „języków” i „palców wodorowych”. W artykule podano również przykłady magazynów wodoru działających na świecie. Szczegółowo przedstawiono wyniki doświadczalnego podziemnego magazynowania wodoru w Austrii oraz Argentynie. W obu przypadkach projekty były realizowane w ostatnich latach. Szczególnie ważny dla niniejszej pracy był projekt austriacki Underground Sun Storage zrealizowany w Pilsbach w Austrii. Projekt ten jest istotny, gdyż proces magazynowania wodoru został przeprowadzony w podobnych do obszaru zapadliska przedkarpackiego utworach molasowych. Wyniki analiz wytypowanych poziomów zbiornikowych dają podstawę do pozytywnej rekomendacji sczerpanych złóż gazu ziemnego na obszarze zapadliska do celów podziemnego magazynowania wodoru. Jednocześnie jednak zwraca uwagę fakt małej liczby badań istotnych dla podjęcia decyzji o magazynowaniu wodoru w strukturach sczerpanych złóż gazu, dlatego konieczne będzie przed wydaniem takiej decyzji zaplanowanie i przeprowadzenie niezbędnego zakresu badań i analiz. Innym bardzo istotnym elementem będzie też dokonanie przeglądu i analizy stanu technicznego istniejących odwiertów, w tym stanu ich zacementowania oraz analizy materiałoznawczej.

EN

This paper presents the possibility of storing a mixture of natural gas (approx. 90%) and hydrogen (up to 10%) in depleted natural gas fields in the Carpathian Foredeep. The problem of hydrogen storage will arise in Europe, and probably also in Poland, in the near future. In accordance with the hydrogen directive announced by the EU in 2020, hydrogen produced from surplus energy from renewable energy sources is going to gradually replace fossil fuels. A part of the hydrogen will be used for current needs, and some will be stored in the surface and underground reservoirs. Underground hydrogen storage (UHS) facilities will be built in salt caverns and in depleted natural gas fields. The underground gas storage (UGS) facilities operate in Poland, e.g. in the area of the Carpathian Foredeep, (for example UGS Husów and UGS Brzeźnica), where gas is stored in the Miocene sandstone levels. This region is reach in depleted gas horizons that may be used in the future as a potential natural gas and hydrogen storage facilities. In this article, one of such reservoir horizons, representing the Miocene gas field, was selected, and its detailed analysis of geological and reservoir parameters, important for hydrogen storage, was carried out. The set of analyzed parameters was specified on the basis of the literature and generally accepted criteria for selecting a structure for UGS facilities. The analyzed parameters of storage and sealing rocks concerned: their mineralogical and petrophysical composition, chemical composition of native gas and reservoir waters, evaluation of petrophysical parameters of rocks, structure of reservoir and sealing levels, as well as microbiological conditions of the deposit. A physical phenomena that will or may be the effect of hydrogen storage, such as the diffusion process, mixing of gases and their possible segregation, and the possibility of the formation of hydrogen “tongues and fingers” were also assessed. The article also presents examples of hydrogen storage facilities operating in the world. The results of experimental underground hydrogen storage in Austria and Argentina are presented in details. In both cases, the projects were implemented in recent years. The Austrian project Underground Sun Storage realized in Pilsbach, Austria, was particularly important for this work. This project is significant, because the hydrogen storage process was carried out in molasses formations similar to those of the Carpathian Foredeep. The results of the analyses of the selected reservoir levels support a positive recommendation of the depleted natural gas fields in the area of the Carpathian Foredeep for the purpose of the underground hydrogen storage. However, due to the fact that there is a small amount of research relevant to making a decision on the hydrogen storage in the structures of depleted gas fields, it is necessary to plan and conduct more research and analyses. Another very important element will be the review and analysis of the technical condition of the existing wells, including the condition of their cementing and material science analysis.

Słowa kluczowe

PL

podziemny magazyn gazu; PMG; podziemny magazyn wodoru; PMW; wodór

EN

underground gas storage; UGS; underground hydrogen storage; UHS; hydrogen

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 78, nr 3
• Strony: 219--239
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys.

Twórcy

autor

Miziołek Mariusz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Filar Bogdan

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Kwilosz Tadeusz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Beghi G., 1979. Energy Storage and Transportation. Prospect for New Technologies. Commission of the European Communities.
• Bielański A., 1976. Podstawy chemii nieorganicznej. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
• Blondin E., 1994. Underground Gas Storage Facilities in France. Environmental Science: 51–62.
• Briere D., Jerzykiewicz T., 2016. On generating a geological model for hydrogen gas in the southern Taoudeni Megabasin (Bourakebougou area, Mali). International Conference & Exhibition, Barcelona, Spain. DOI: 10.1190/ice2016-6312821.1.
• Carden P.O., Paterson L., 1979. Physical, chemical, and energy aspects of underground hydrogen storage. Int. J. Hydrogen Energy, 4(6): 559–569. DOI: 10.1016/0360-3199(79)90083-1.
• Cornot-Gandolphe S., 2018. Underground Gas Storage in the World – 2018 Status. Report prepared for Cedigaz: 1–19.
• Czapowski G., Tarkowski R., 2018. Uwarunkowania geologiczne wybranych wysadów solnych w Polsce i ich przydatność do budowy kawern do magazynowania wodoru. Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego, 472: 53–81. DOI: 10.5604/01.3001.0012.6905.
• DBI GUT, 2017. The effects of hydrogen injection innatural gas networks for the Dutch underground storages’. Final Report. Commissioned by the ministry of Economic Affairs. Netherlands Enterprise Agency: 1–74.
• Deronzier J.F., Giouse H., 2020. Vaux-en-Bugey (Ain, France): the first gas field produced in France, providing learning lessons for natural hydrogen in the sub-surface? Bulletin de la Societe Geologique de France, 191(7). DOI: 10.1051/bsgf/2020005.
• Donadei S., Schneider G.S., 2016. Compressed air energy storage in underground formations. [W:] Letcher T.M. Storing Energy. Elsevier, Amsterdam, Netherlands: 113–133. DOI: 10.1016/B978-0-12-803440-8.00006-3.
• Ebrahimiyekta A., 2017. Characterization of geochemical interactions and migration of hydrogen in sandstone sedimentary formations: application to geological storage. Earth Sciences, Université d’Orléans: 1–177.
• Guélard J., Beaumont V., Rouchon V., Guyot F., Pillot D., Jézéquel D., Ader M., Newell K.D., Deville E., 2017. Natural H2 in Kansas: deep or shallow origin? Geochem. Geophys. Geosyst., 18(5): 1841–1865. DOI: 10.1002/2016GC006544.
• Hagemann B., 2017. Numerical and Analytical Modeling of Gas Mixing and Bio-Reactive Transport During Underground Hydrogen Storage. Reactive fluid environment. Université de Lorraine: 1–224.
• Juhlin Ch., Rüdiger G., Zinck-Jørgensen K., Cosma C., Kazemeini H., Juhojuntti N., Lüth S., Norden B., Förster A., 2007. 3D baseline seismics at Ketzin, Germany: The CO2 SINK project. Geophysics, 72(5): B121–B132. DOI: 10.1190/1.2754667.
• Komisja Europejska, 2011. Komunikat Komisji do Parlamentu Europejskiego, Rady, Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego i Komitetu Regionów. Plan działania prowadzący do przejścia na konkurencyjną gospodarkę niskoemisyjną do 2050 r. Bruksela, 8.03.2011 r., KOM(2011) 112 wersja ostateczna.
• Komisja Europejska, 2020. Komunikat Komisji do Parlamentu Europejskiego, Rady Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego, Komitetu Regionów. Strategia w zakresie wodoru na rzecz Europy neutralnej dla klimatu. Bruksela, 8.07.2020 r. COM(2020) 301 final.
• Kopal L., Čižek P., Milička J., 2016. Geological model of Lobodice underground gas storage facility based on 3D seismic interpretation. Contributions to Geophysics and Geodesy, 46(2): 125–135. DOI: 10.1515/congeo-2016-0009.
• Moretti I., Webber M.E., 2021. Natural hydrogen: a geological curiosity or the primary energy source for a low-carbon future. Renewable Matter, 34.
• Nowak J., Olszewska K., Pawłowski A., 2010. Stan zaawansowania budowy podziemnych magazynów gazu w obszarze działania PGNiG S.A. Oddziału w Zielonej Górze. Nafta-Gaz, 66(8): 681–690.
• Panfilov M., 2016. Underground and pipeline hydrogen storage. [W:] Gupta R.B., Basile A., Veziroğlu T.N. (eds.). Compendium of Hydrogen Energy: 91–115. DOI: 10.1016/B978-1-78242-362-1.00004-3.
• Pérez A., Pérez E., Dupraz S., Bolcic J., 2016. Patagonia Wind – Hydrogen Project: Underground Storage and Methanation. 21st World Hydrogen Energy Conference 2016. Zaragoza, Spain.
• Pietkun-Greber I., Janka R.M., 2010. Oddziaływanie wodoru na metale i stopy. Proceedings of ECOpole, 4(2): 472–475.
• Pilot Site Ketzin. Geology. <https://www.co2ketzin.de/en/pilot-site-ketzin/geology> (dostęp: 04.03.2021). RAG Austria AG, Axiom Angewandte Prozesstechnik Gesmbh, Verbund AG, Montanuniversität Leoben, Universität für Bodenkultur Wien, EnergieInstitut an der Johannes Kepler Universität Linz, 2020. Underground Sun Storage: Final Report Public, 13 January 2020: 1–172.
• Smigan P., Greksak M., Kozankova J., Buzek F., Onderka V., Wolf I., 1990. Methanogenic bacteria as a key factor involved in changes of town gas stored in an underground reservoir. FEMS Microbiology and Ecology, 73: 221–224.
• Such P. 2020. Magazynowanie wodoru w obiektach geologicznych. Nafta-Gaz, 76(11): 794–798. DOI: 10.18668/NG.2020.11.04.
• Ślizowski J., Urbańczyk K., Lankof L., Serbin K., 2011. Analiza zmienności polskich pokładów soli kamiennej w aspekcie magazynowania gazu. Wiertnictwo, Nafta, Gaz, 28(1–2): 431–442.
• 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 Review, 105: 86–94. DOI: 10.1016/j.rser.2019.01.051.
• Zivar D., Sunil K., Foroozesh J., 2020. Underground hydrogen storage: A comprehensive review. International Journal of Hydrogen Energy, 46(45): 23436–23462.

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).