Study of operating cycles for underground hydrogen storage in salt caverns

Abstract

[Abstract:] The idea of using hydrogen as a source of energy is growing nowadays with the different initiatives adopted for the decarbonisation of the economy. Among the different procedures for obtaining hydrogen, the generation by hydrolysis of water using electricity supplied by renewable energy sources, also known as ‘green hydrogen’, stands out, which can contribute to changing the global energy model, particularly in transport. Underground hydrogen storage can become a viable option compared to the use of above-ground metallic tanks, due to the permeability problems caused by the embrittlement of metallic structures in the presence of hydrogen, in addition to the safety challenges in storage and operations. In this project, the conditioning and creation of salt caverns is being studied. These can be created by adapting galleries in disused salt mines or by building them from the surface; this is a possibility due to the low permeability of halite (salt rock). It is expected to efficiently confine hydrogen without leakage. The research line presented here studies the structural stability of this type of storage facility, focusing on the hydrogen loading and unloading operating phases in cycles that may be very short (in the order of hours or days), throughout the 30-year lifetime of the operation. The operating cycles are composed of four different phases, arranged as follows: charging phase, holding phase at maximum pressure or working pressure, discharging phase, and holding phase at minimum pressure or cushion gas pressure. Currently, there is no generalised idea of the ideal duration of the phases that make up the operating cycles in order to obtain greater efficiency and safety in the cavern. In this study, the influence of these cycles on the stability of the cavern has been analysed by means of numerical simulation, focusing on the duration times of each of the phases that make up the cavern. To this end, a series of numerical tests have been carried out, studying the weight of each of the phases of the operating cycle on the stability of the cavern.

[Resumo:] A idea de empregar hidróxeno como fonte de enerxía, está crecendo nos nosos días coas diferentes iniciativas adoptadas para a descarbonización da economía. Entre os diferentes procedementos de obtención destaca a xeración por hidrólise da auga mediante electricidade subministrada por fontes de enerxía renovables, tamén denominado “hidróxeno verde”, o cal pode contribuír a cambiar o modelo enerxético mundial, en particular no transporte. O almacenamento subterráneo de hidróxeno pódese convertir nunha opción viable fronte ´o emprego de tanques metálicos en superficie, debido ´os problemas de permeabilidade por fraxilización que presentan as estruturas metálicas fronte ao hidróxeno, ao que se unen os retos de seguridade no almacenamento e nas operacións. Neste proyecto, estúdase o acondicionamento e creación de cavernas salinas, as cales poden orixinarse adaptando galerías de minas de sal en desuso ou executándoas dende a superficie; isto ´e unha posibilidade debido ´a baixa permeabilidade que presenta a halita (rocha de sal). Espérase que permita confinar de xeito eficiente o hidróxeno sen producirse filtracións. A liña de investigación que se presenta estuda a estabilidade estrutural deste tipo de almacenamento, centrándose nas fases de operación de carga e descarga de hidróxeno en ciclos que poden ser moi curtos (da orde de horas ou días), ao longo dos 30 anos de vida útil da explotación. Os ciclos de operación compóñense de catro fases diferentes, ordenadas do seguinte xeito: fase de carga, fase de mantemento a presión máxima ou presión de traballo, fase de descarga, e fase de mantemento a presión mínima ou presión de gas colchón. Actualmente, non existe unha idea xeralizada de cal é a duración ideal das fases que compoñen os ciclos de operación para obter maior eficiencia e seguridade na caverna. Neste estudo, analizouse mediante simulación numérica, a influencia na estabilidade da caverna de ditos ciclos centrándonos nos tempos de duración de cada unha das fases que o compoñen. Para isto leváronse a cabo unha serie de ensaios numéricos, estudando o peso que presenta cada unha das fases do ciclo operativo na estabilidade da caverna.

[Resumen:] La idea de emplear hidrógeno como fuente de enerxía, está creciendo en nuestros días con las diferentes iniciativas adoptadas para la descarbonización de la economía. Entre los diferentes procedimientos de obtención destaca la generación por hidrólisis del agua mediante electricidad suministrada por fuentes de enerxía renovables, también denominado “hidrógeno verde”, el cual puede contribuir a cambiar el modelo energético mundial, en particular en el transporte. El almacenamiento subterráneo de hidrógeno se puede convertir en una opción viable frente al empleo de tanques metálicos en superficie, debido a problemas de permeabilidad por fragilización que presentan las estructuras metálicas frente al hidrógeno, a lo que se unen los retos de seguridad en el almacenamiento y en las operaciones. En este proyecto, se estudia el acondicionamiento y creación de cavernas salinas, las cuales pueden originarse adaptando galerías de minas de sal en desuso o ejecutándolas desde la superficie; esto es una posibilidad debido a la baja permeabilidad que presenta la halita (roca de sal). Se espera que permita confinar de manera eficiente el hidrógeno sin producirse filtraciones. La línea de investigación que se presenta estudia la estabilidad estructural de este tipo de almacenamiento, centrándose en las fases de operación de carga y descarga de hidrógeno en ciclos que pueden ser muy cortos (del orden de horas o días), a lo largo de los 30 años de vida útil de la explotación. Los ciclos de operación se componen de cuatro fases diferentes, ordenadas de la siguiente manera: fase de carga, fase de mantenimiento a presión máxima o presión de trabajo, fase de descarga, y fase de mantenimiento a presión mínima o presión de gas colchón. Actualmente, no existe una idea generalizada de cuál es la duración ideal de las fases que componen los ciclos de operación para obtener mayor eficiencia y seguridad en la caverna. En este estudio, se ha analizado mediante simulación numérica, la influencia en la estabilidad de la caverna de dichos ciclos centrándonos en los tiempos de duración de cada una de las fases que lo componen. Para ello se han llevado a cabo una serie de ensayos numéricos, estudiando el peso que presenta cada una de las fases del ciclo operativo en la estabilidad de la caverna.