Крупномасштабное хранение газообразного водорода низкого давления в соляных кавернах и других подземных объектах для транспортировки топлива и энергосистемы предлагает несколько преимуществ по сравнению с наземным хранением, говорится в недавнем исследовании Sandia National Laboratories, спонсируемом Управление технологий топливных элементов Министерства энергетики.
Геологическое хранение газообразного водорода может позволить производить и распределять большие количества водородного топлива для растущего рынка электромобилей на топливных элементах, заключили исследователи.
Геологические решения для хранения могут обслуживать ряд ключевых рынков водорода, поскольку «затраты больше зависят от доступной геологии, чем от размера спроса на рынке водорода», - сказала Анна Снайдер Лорд из Sandia, главный исследователь исследования.
Работа, по словам Лорда, может предоставить дорожную карту для дальнейших исследований и демонстрационных мероприятий, таких как изучение экологических проблем и геологических образований в крупных городских районах, которые могут содержать газ. Затем исследователи могли бы определить, смешивается ли газообразный водород с остаточным газом или нефтью, реагирует ли он с минералами в окружающей породе или создает какие-либо экологические проблемы.
Хранение рассматривается как ключ к росту рынка водорода
Если рыночный спрос на водородное топливо увеличится с внедрением электромобилей на топливных элементах, США необходимо будет производить и хранить большое количество рентабельного водорода из внутренних источников энергии, таких как природный газ, солнечная энергия и ветер., сказал Даниэль Дедрик, руководитель водородной программы Sandia.
По мере того, как Toyota, General Motors, Hyundai и другие продвигают планы по разработке и продаже или сдаче в аренду электромобилей на водородных топливных элементах, практическое хранение водородного топлива в больших масштабах необходимо для обеспечения широкой транспортной инфраструктуры, работающей на водороде. По словам Дедрика, такие варианты хранения необходимы для реализации всего потенциала водорода для транспортировки.
Кроме того, установка систем электролизеров в электрических сетях для преобразования энергии в газ, которые объединяют возобновляемые источники энергии, сетевые услуги и хранение энергии, потребует экономичного хранения водорода большой емкости.
Хранение над землей требует резервуаров, которые стоят в три-пять раз больше, чем геологическое хранилище, сказал Лорд. Помимо экономии затрат, подземное хранение газообразного водорода дает преимущества в объеме. «Наземные резервуары даже не могут сравниться с количеством газообразного водорода, которое может храниться под землей», - сказала она.
Огромные количества водорода, хранящегося в геологических объектах, впоследствии могут быть распределены в виде газа или жидкости под высоким давлением для снабжения рынков водородного топлива.
Модель помогает определить наиболее выгодные места хранения
Хотя геологическое хранение может оказаться жизнеспособным вариантом, необходимо изучить несколько вопросов, сказал Лорд, в том числе проницаемость различных геологических формаций.
Геолог из геотехнологической и инженерной группы Sandia, Лорд в течение многих лет занимался геологическим хранением Стратегического нефтяного резерва США, крупнейшего в мире запаса сырой нефти на случай чрезвычайных ситуаций.
Для своего исследования геологического хранилища Лорд и ее коллеги проанализировали и переработали модуль геологического хранилища модели анализа сценария доставки водорода Аргоннской национальной лаборатории. Чтобы усовершенствовать модель, Лорд изучил хранение водорода в соляных пещерах, чтобы удовлетворить пиковый летний спрос на автомобили в четырех городах: Лос-Анджелесе, Хьюстоне, Питтсбурге и Детройте.
Она определила, что в течение 120 дней следует хранить на 10 процентов больше среднего дневного потребления. Затем она смоделировала, сколько водорода потребуется каждому городу, если водород будет покрывать 10, 25 и 100 процентов потребностей в топливе для движения.
Население Лос-Анджелеса в три раза превышает население Детройта и более чем в шесть с половиной раз превышает население Питтсбурга, но ближайшие соляные образования находятся в Аризоне, поэтому Лорд включил стоимость доставки хранящегося водорода из Аризоны в Лос-Анджелес. Анджелес.
Несмотря на это, смоделированные затраты в Лос-Анджелесе значительно меньше, чем в Детройте и Питтсбурге. Соляные образования в Аризоне толще, чем в Детройте и Питтсбурге, с большими и меньшими пещерами. Хьюстон имеет лучшие условия из четырех городов, потому что побережье Мексиканского залива предлагает большие глубокие соляные образования.
Чтобы изучить стоимость геологического хранения водорода, Лорд начал с выбора геологических формаций, в которых в настоящее время хранится природный газ. Работая с экономистом Sandia Питером Кобосом, Лорд проанализировал затраты на хранение газообразного водорода в истощенных нефтяных и газовых резервуарах, водоносных горизонтах, соляных кавернах и кавернах твердых пород.
Их статья «Геологическое хранение водорода: масштабирование для удовлетворения потребностей городского транспорта» была опубликована в International Journal of Hydrogen Energy.
Геологическое решение для хранения в пиковый период
Другое топливо уже хранится геологически. Например, нефть из Стратегического нефтяного резерва хранится в больших искусственных пещерах на побережье Мексиканского залива. Природный газ хранится более чем в 400 геологических зонах для удовлетворения потребности в отоплении в зимнее время.
Лорд предвидит, что избыток водорода, произведенного в течение года, можно было бы доставить в геологические хранилища, а затем по трубопроводу в города летом, когда спрос на топливо для двигателей достигает пика.
Истощенные запасы нефти и газа и водоносные горизонты изначально кажутся наиболее экономически привлекательными вариантами, сказала она. «Просто глядя на цифры, поскольку они могут вместить такой больший объем по сравнению с любой пещерой, которую вы создаете, они выглядят дешевле», - сказала она.
Но газообразный водород трудно хранить. «Поскольку это меньшая молекула, чем, например, метан, у нее есть потенциал для более легкой утечки и более быстрого движения сквозь породу», - сказал Лорд.
Из истощенных нефтяных и газовых резервуаров и водоносных горизонтов может происходить утечка водорода, а циклическое заполнение площадки хранения, извлечение водорода для использования и повторное заполнение площадки - не может выполняться чаще, чем один или два раза в год, чтобы сохранить целостность сказал Лорд.
С соляной пещерой или пещерой из твердой породы «нет проблем с проницаемостью, на самом деле ничего не может просочиться», - сказала она. «Вы можете ввозить и вывозить больше продукции, и в долгосрочной перспективе это снизит ваши затраты».
Пещеры из твердой породы относительно не доказаны; только на одном участке есть природный газ. Но соляные пещеры, которые создаются на глубине от 1000 до 6000 футов под землей путем бурения скважин в соляных формациях, закачки недонасыщенной воды для растворения соли, а затем откачки полученного рассола, используются более широко и уже хранят водород на ограниченный масштаб, сказал Лорд.
Будущие вызовы
Лорд сказала, что ее работа может привести к демонстрационным проектам, чтобы еще больше укрепить жизнеспособность подземного хранилища водорода. По ее словам, соляные пещеры являются логичным выбором для пилотного проекта из-за их доказанной способности удерживать водород. Экологические проблемы, такие как загрязнение, также могут быть дополнительно проанализированы.
Однако соляные образования ограничены. Ни один из них не существует на северо-западе Тихого океана, большей части восточного побережья и большей части юга, за исключением района побережья Мексиканского залива. Нужны другие варианты развития общенациональной системы хранения водорода.
Работа Господа дополняет возможности и многолетний опыт Sandia в области водородных и топливных элементов. Сандиа возглавляет ряд других исследований водорода, в том числе проект по исследованию инфраструктуры и технологии станций для водородного топлива (H2FIRST), совместно возглавляемый Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL), демонстрацию морских топливных элементов, проект разработки, ориентированный на водородные двигатели. вилочные погрузчики и недавнее исследование того, сколько заправочных станций в Калифорнии могут безопасно хранить и распределять водород.