Thermal stability in salt caverns for green hydrogen storage: application to the geological formation of Cardona

Abstract

[Resumen:] Uno de los objetivos que la humanidad ha buscado durante siglos es disponer de energía abundante, económica y limpia. Estos objetivos incluyen almacenar energía de manera eficiente y en grandes cantidades. Esto es algo que supondría un gran aporte a la sociedad y que aún no se ha alcanzado por completo. Esta investigación estudia el uso de cavernas de sal como sistemas de almacenamiento de hidrógeno verde en grandes cantidades. Se busca conocer el comportamiento estructural global de la caverna salina. De esta forma, cualquier formación salina puede calificarse como suceptible para la ejecución de estas estructuras de almacenamiento. Se ha analizado un prototipo de caverna salina en domos salinos aplicando métodos de elementos finitos en un modelo estructural. Este modelo tiene en cuenta la evolución de la temperatura y la profundidad. En primer lugar se realizará un estudio de sensibilidad en función de la profundidad de construcción de la caverna. Esta caverna estará en estado operativo y se estará explotando con ciclos de carga y descarga. Este análisis se ha repetido pero considerando que la caverna salina está abandonada, y por tanto está sometida a una presión interna de gas colchón. Posteriormente se ha analizado la termosensibilidad de la estructura de sal. Para conocer la respuesta estructural de la caverna salina ha sido necesario combinar un modelo elástico lineal y un modelo de fluencia de Norton, que se ha estudiado para una vida útil de 30 años. Los resultados de estos modelos permiten saber si las estructuras son seguras a lo largo de su vida útil. A través de estos modelos se alcanza una temperatura máxima posible para cada profundidad de construcción analizada. Con estas temperaturas máximas se conoce la envolvente térmica que marcará la zona de seguridad debido a los efectos térmicos. A medida que se aumenta la temperatura del macizo rocoso, se producirá una pérdida de resistencia de la roca salina, lo que provocará el colapso de la caverna. En cualquier caso, estas deformaciones excesivas provocarán una pérdida de volumen de la caverna que debe ser considerada como un indicar del nivel de servicio de la estructura. Finalmente, se ha modificado la geometría de la caverna salina de forma que se pueda conocer la influencia de la forma de la caverna bajo los efectos térmicos. Se pasa de una caverna vertical a una caverna horizontal, manteniendo el mismo volumen inicial. En esta investigación se observa que la tendencia divergente del problema hace que para los 30 años de vida útil se llegue a una profundidad límite. Esta profundidad máxima provoca que para mayores profundidades, el macizo rocoso pierda resistencia, y por tanto se pierda estabilidad. Además, cuando la caverna está trabajando bajo ciclos de carga y descarga de hidrógeno, la profundidad máxima es mayor que cuando la caverna está abandonada. Por otra parte, con el cambio de geometría se obtiene que la geometría horizontal es menos estable térmicamente, proporcionando unas menores profundidades admisibles. La metodología desarrollada se ha contrastado con casos reales de cavernas salinas que están actualmente en funcionamiento en EE.UU. Se ha comprobado que ninguno de ellos supera los valores límite de estabilidad determinados. Estos datos de casos reales sugieren que los resultados de este estudio son correctos.

[Resumo:] Un dos obxectivos que a humanidade busca desde hai séculos e ter unha enerxía abundante, económica e limpa. Estes obxectivos inclúen almacenar enerxía de forma eficiente e en grandes cantidades. Isto ´e algo que suporía unha gran contribución ´a sociedade e que aínda non se conseguiu por completo. Esta investigación estuda o uso das cavernas de sal como sistemas de almacenamento de hidróxeno verde en grandes cantidades. Búscase coñecer o comportamento estrutural global da caverna de sal. Deste xeito, calquera formación salina pode cualificarse como susceptible para a execución destas estruturas de almacenamento. Analizouse un prototipo dunha caverna de sal en cúpulas de sal aplicando métodos de elementos finitos nun modelo estrutural. Este modelo ten en conta a evolución da temperatura e da profundidade. En primeiro lugar, realizarase un estudo de sensibilidade en función da profundidade de construción da cova. Esta caverna estará en estado operativo e explotarase con ciclos de carga e descarga. Esta análise repetiuse pero tendo en conta que a caverna de sal está abandonada, polo que está sometida a unha presión interna de gas de amortiguación. A través destas dúas análises pódese coñecer como se comportará a estrutura ante unha situación de funcionamento e posterior abandono. Posteriormente, analizouse a termosensibilidade da estrutura do sal. Para coñecer a resposta estrutural da caverna de sal foi necesario combinar un modelo elástico lineal e un modelo de fluencia Norton, que foi estudado para unha vida útil de 30 anos. Os resultados destes modelos permítennos saber se as estruturas son seguras ao longo da súa vida útil. Mediante estes modelos, acadase unha temperatura máxima posible para cada profundidade de construción analizada. Con estas temperaturas máximas coñécese a envolvente térmica que marcará a zona de seguridade polos efectos térmicos para a construción de covas de sal. A medida que aumenta a temperatura da masa rochosa, producirase unha perda de forza da rocha salina, provocando o colapso da caverna. En todo caso, estas deformacións excesivas provocarán unha perda de volume da caverna que debe considerarse como un indicador do nivel de servizo da estrutura. Finalmente, modificouse a xeometría da cova de sal para comprender a influencia da forma da cova baixo os efectos térmicos. Pasa dunha caverna vertical a unha horizontal, mantendo o mesmo volume inicial. Nesta investigación obsérvase que a tendencia diverxente do problema fai que se alcance unha profundidade límite para os 30 anos de vida útil. Esta profundidade máxima fai que a maiores profundidades, a masa rochosa perda resistencia, e polo tanto se perda a estabilidade. Ademais, cando a caverna está a traballar baixo ciclos de carga e descarga de hidróxeno, a profundidade máxima é maior que cando a caverna está abandonada. Por outra banda, co cambio de xeometría, a xeometría horizontal é menos estable termicamente, proporcionando profundidades admisibles máis baixas. Contrastouse a metodoloxía desenvolvida con casos reais de cavernas de sal que se atopan actualmente en funcionamento en EE.UU. Probouse que ningunha delas supera os valores límite de estabilidade determinados. Estes datos de casos reais suxiren que os resultados deste estudo son correctos.

[Abstract:] One of the objectives that humanity has sought for centuries is to have abundant, economical and clean energy. These objectives include storing energy efficiently and in high quantities. This would make a great contribution to society. However, there is no great progress yet. This investigation studies the use of salt caverns as storage systems for green hydrogen in large quantities. With this goal, we want to know the global structural behavior of the salt cavern. It is possible to classify any land location as susceptible or not to incorporate these storage structures. A salt dome cavern prototype has been analyzed using a structural model applying finite element methods. This model takes into account the evolution of temperature and depth. Firstly, a sensitivity study will be carried out depending on the construction depth of the cavern. This cavern will be working under operational cycles. This analysis has been repeated but considering that the salt cavern is abandoned. That is, the cavern is under cushion gas pressure. Through these two analyzes it is possible to know how the structure will behave in a situation of operation and subsequent abandonment. Subsequently, the thermo-sensitivity of the salt structure has been analyzed. To know the structural response of the salt cavern it has been necessary to combine a linear elastic model and a Norton creep model. The useful life of the structure is 30 years. The results of these models allow us to know if the structures are safe throughout their useful life. Through these models, a maximum possible temperature is reached for each construction depth analyzed. With these maximum temperatures, the thermal envelope that will mark the safety zone for the construction of salt caverns is known. As the temperature of the rock mass increases, there will be a loss of strength of the salt rock. This loss causes the cavern to collapse. These excessive deformations will cause a loss of cavern volume that must be considered as an indicator of the level of serviceability. Finally, the geometry of the salt cavern has been modified to understand the influence of the shape of the cavern under thermal effects. It goes from a vertical cavern to a horizontal cavern, maintaining the same initial volume. In this research it is observed that the problem has a divergent trend. This trend means that a limit depth is reached by the 30-year useful life. The maximum depth causes that at greater depths, the rock mass loses resistance. Therefore, the structural stability is lost. On the other hand, when the cavern is working under hydrogen charge and discharge cycles, the maximum depth is greater than when the cavern is abandoned. It is also observed that the vertical shape of the cavern is more thermally stable than when the shape is horizontal. The horizontal geometry provides lower admissible depths. The developed methodology has been contrasted with real cases of salt caverns that are currently in operation in the USA. It has been proven that none of them exceed the determined stability limit values. These real cases data suggest that the results of this study are correct.