Подземное хранение водорода в истощенном месторождении

Растущая обеспокоенность изменением климата и необходимость сокращения выбросов парниковых газов привели к разработке различных технологий улавливания, утилизации и хранения углерода. Водород (H₂) стал перспективным кандидатом на производство и хранение чистой энергии, поскольку его можно производить из возобновляемых источников и использовать в качестве топлива или сырья для различных отраслей промышленности. Закачка H₂ для подземного хранения привлекает внимание как средство хранения избыточной возобновляемой энергии, сокращения выбросов парниковых газов и повышения экономической целесообразности систем возобновляемой энергетики. Однако оптимизация параметров закачки и оценка экономической целесообразности закачки H₂ имеют решающее значение для успешного внедрения.

Новизна данной работы заключается в оптимизации параметров закачки и оценке экономической целесообразности закачки H₂ для подземного хранения. В то время как предыдущие исследования изучали закачку H₂ для хранения энергии и борьбы с выбросами углерода, лишь немногие из них были посвящены оптимизации параметров закачки и экономической целесообразности этой технологии [1, с. 121]. Оптимизация параметров закачки, таких как давление закачки, скорость закачки и состав закачиваемой жидкости, может существенно повлиять на эффективность закачки H₂ для подземного хранения. Оптимизация этих параметров может повысить эффективность и снизить стоимость процесса закачки, тем самым повышая экономическую целесообразность данной технологии [2, с. 379].

Моделирование закачки водорода в Канчуринское подземного хранилище газа. Сравнительный анализ при закачки природного газа и водорода»

В настоящее время в России существуют хранилища природного газа, которые подходят для хранения водородных газов, поскольку геология подземных хранилищ доказала свою пригодность для хранения газа. Эти данные были использованы в исследовании, целью которого было оценить подземное хранилище чистого (100%) водорода. В Канчуринском ПХГ имеется открытый забой и трубопроводы спущены до кровли пласта-коллектора. Скважина была оборудована методом компримирования и освоение не было полным. Программном комплекс MultiFlash были смоделированы две смеси: природный газ и чистый водород.

Далее была построена нагнетательная скважина.

Рис. 1. Схема нагнетательной скважины

Материал НКТ углеродистая сталь, внутренний диаметр – 0,07 м, внешний диаметр – 0,08 м, шероховатость НКТ: 0,03 мм. Распределение температуры вертикальная. Начальная точка t1= 25°С и давление P1= 9 МПа, и конечные параметры t2=86° и P2=15 МПа. Заданный постоянный расход водорода и природного газа равняется 0,7∙10⁶м³/сут.

Рис. 2. Изменение давления PT и температуры TM по времени природного газа

Природный газ: при попадании в подземное хранилище газ, имеющий температуру порядка 28 градусов Цельсия, отдает свое тепло вмещающим породам. Этот процесс продолжается и после остановки закачки. Внизу породы более разогреты поэтому температура повышается до 86 градусов. При интенсивном процессе закачки газа в подземные хранилища давление газа на устье составляет 9 МПа, на забое 18 МПа давление газа. Данный процесс является динамическим. Повышение давления в скважине приводит к росту противодавления на пласт. При закачке газа вокруг нагнетательных скважин создаются репрессионные воронки давления, поэтому пластовое давление меняется как по площади ПХГ, так и по толщине газовой залежи наблюдается, что происходит задержка газа на глубине 1700 м, на верхней части коллектора и в конце коллектора принимает значение 1. Справа видно, что меняется от 20 м3/d до 0 м3/d, означает то что заданный объем был закачен.

Аналогичным способом производим закачку водорода, при том же давлении, температуре, пластовое давление и проницаемости пласта.

Рис. 3. Изменение давления и температуры водорода по времени

Закачка водорода начинается с давления 9 МПа и увеличивается по глубине скважины, конечное давление в коллекторе составляет 18 МПа, то же давление, что и при закачке природного газа. Так же увеличивается давление, отметить тот факт, что горные породы коллекторов ПХГ, особенно в призабойной зоне испытывают растягивающие и сжимающие нагрузки как по вертикали (по толщине пластов), так и по горизонтали, из-за чего растет давление и температура. Повышение давления при закачке водорода в скважину происходит из-за того, что H2 обладает свойством расширяться при увеличении температуры и сжиматься при ее понижении, происходит увеличение его объема, что приводит к повышению давления внутри скважины. При закачке водорода в скважину происходит повышение температуры.

В первую очередь это происходит из-за того, что при сжатии водорода его температура увеличивается. Из-за того, что при сжатии газа уменьшается его объем, это приводит к увеличению плотности частиц и энергии частицы (температуры).

Во-вторых, если водород содержит примеси или загрязнения, то при их окислении может выделяться тепло. Некоторые примеси могут реагировать с водородом при высоких давлениях и температурах, что также может вызывать повышение температуры.

Более того, оценка экономической целесообразности закачки H₂ для подземного хранения имеет решающее значение для определения коммерческой жизнеспособности этой технологии. Для оценки экономической целесообразности закачки H₂ необходимо учитывать несколько факторов, таких как капитальные затраты, эксплуатационные расходы и потенциальная прибыль. Поэтому в работе были определены основные технические параметры, которые подходят для подземного хранения водорода, а также оценены основные экономические параметры.

1. Бутов К.А. Обогащение природного газа неуглеводородными компонентами на примере H2 // Успехи современной и образования. № 7, 2016. Том 3. Бутов К.А. 560 С.120-122.
2. Ермилов, О. М. Физика пласта, добыча и подземное хранение газа / О.М. Ермилов, В.В. Ремизов, А.И. Ширковский, Л.С. Чугунов. - М.: Наука, 1996. - 540 с.