地下貯留層における天然ガスから水素貯蔵への転換：水素、メタン、窒素の相対浸透率の比較

Główne pojęcia

水素とメタンは、破壊された貯留岩において類似した相対浸透率を示すが、窒素は大きく異なるため、水素貯蔵の研究における代替ガスとしての使用は適切ではない。

Streszczenie

地下水素貯蔵における破壊貯留岩の水素とメタンの挙動：窒素との比較

本研究は、地下水素貯蔵（UHS）への転換が検討されているベルギー北部のレーンハウト天然ガス貯蔵施設を対象に、破壊された貯留岩における水素、メタン、窒素の相対浸透率を測定し、ガス貯蔵媒体としての水素とメタンの挙動を明らかにすることを目的とする。

ベルギーのレーンハウト天然ガス貯蔵施設の深さ1400mから採取した、部分的にカルスト化した石灰岩コアサンプル（直径25mm、長さ45mm）をブラジル引張応力法を用いて人工的に破壊し、実験に用いた。
10 MPa、22℃の条件下で、水素-ブライン、メタン-ブライン、窒素-ブラインの3つの系について、排水相対浸透率実験を実施した。
X線コンピュータ断層撮影（XCT）を用いて、定常状態の排水中の破壊内の細孔スケール流体分布を画像化した。
記録された圧力変動を分析し、流れの断続性の頻度を特定した。

Kluczowe wnioski z

From underground natural gas to hydrogen storage in fractured reservoir rock : comparing relative permeabilities for hydrogen versus methane and nitrogen

by Sojw... o arxiv.org 11-22-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.14122.pdf

Głębsze pytania

異なる種類の破壊（例えば、開口部の大きさや粗さが異なる破壊）を持つ貯留岩にどのように一般化できるだろうか？

本研究では、ベルギーのレーンハウトにある坑井DZH24から採取した特定の炭酸塩岩試料を用いて、人工的に作製した単一破壊面における水素、メタン、窒素の相対浸透率を測定しました。得られた結果は、水素とメタンの相対浸透率曲線が類似しており、窒素よりも有意に低いことを示しています。
しかし、開口部の大きさや粗さが異なる自然の破壊を持つ貯留岩にこれらの結果を一般化するには、いくつかの注意点があります。

開口部の大きさの影響: 開口部の大きさは、流体の流れやすさを左右する重要な因子です。開口部が大きいほど、流体の流れに対する抵抗が小さくなり、相対浸透率は高くなる傾向があります。本研究で用いられた試料の平均開口部は350 µmでしたが、自然の破壊では、µmスケールからmmスケール、場合によってはそれ以上の開口部を持つものもあります。
粗さの影響: 表面粗さは、流路の複雑さを増大させ、流体の流れに対する抵抗を増大させるため、相対浸透率を低下させる可能性があります。本研究では、粗さ指数λb = 0.61の試料を用いましたが、自然の破壊では、鉱物組成や破壊の形成過程によって、粗さが大きく異なる場合があります。
破壊ネットワークの影響: 自然の貯留岩には、単一の破壊ではなく、複雑につながった破壊ネットワークが存在します。破壊の連結性や空間的な分布は、流体の流れに大きな影響を与え、相対浸透率を変化させる可能性があります。
したがって、異なる種類の破壊を持つ貯留岩に本研究の結果を一般化するには、開口部の大きさ、粗さ、破壊ネットワークなどの影響を考慮した、より広範な実験的および数値的研究が必要です。特に、異なる開口部や粗さを持つ人工破壊面を用いた実験や、実際の貯留岩の破壊ネットワークを模擬した数値シミュレーションなどが有効と考えられます。

貯蔵の長期安定性に対する水素と貯留岩の鉱物との潜在的な化学反応の影響はどうだろうか？

水素貯留の長期安定性に対する水素と貯留岩の鉱物との化学反応の影響は、無視できない問題です。水素は反応性の高い元素であり、貯留岩の鉱物と反応して、貯留効率の低下や環境問題を引き起こす可能性があります。
考えられる化学反応と影響は以下の通りです。

鉱物組成の変化: 水素は、貯留岩中の酸化鉄などの鉱物と反応し、水や還元鉄を生成する可能性があります。これらの反応は、貯留岩の空隙構造や力学的特性を変化させ、貯留効率の低下や地盤沈下を引き起こす可能性があります。
水素脆化: 水素は、金属材料に侵入し、強度や延性を低下させる水素脆化を引き起こすことが知られています。貯留施設の井戸やパイプラインなどの金属部品に水素脆化が発生すると、設備の破損や水素漏洩のリスクが高まります。
微生物活動への影響: 貯留岩中に存在する微生物は、水素をエネルギー源として利用することが知られています。水素の注入は、微生物活動の変化を通じて、貯留岩の化学的環境や物理的特性に影響を与える可能性があります。
これらの影響を評価するためには、貯留岩の鉱物組成、水素分圧、温度、pHなどの条件を考慮した、詳細な地球化学モデリングや実験的研究が必要です。また、長期的な貯蔵による影響を評価するためには、時間経過に伴う鉱物組成や水素濃度の変化をモニタリングする必要があります。

本研究で得られた知見は、水素貯蔵に適した地層を特定するための基準を策定するのにどのように役立つだろうか？

本研究で得られた知見は、水素貯蔵に適した地層を特定するための基準を策定する上で、重要な情報を提供します。特に、以下の3点は、貯留層の選定基準に組み込むべき重要な要素となります。

低いガス相対浸透率: 本研究の結果、水素とメタンは、窒素に比べてガス相対浸透率が低いことが明らかになりました。これは、水素が貯留層内を移動しにくく、貯留層内にとどまりやすいことを示唆しています。水素貯蔵に適した地層は、ガス相対浸透率が低い、つまり水素の移動性が低い地層であると言えます。
破壊の特性の考慮: 本研究では、破壊の開口部や粗さが、水素の浸透率に影響を与える可能性が示唆されました。水素貯蔵に適した地層は、開口部が小さく、粗さの低い破壊を持つ地層であると考えられます。貯留層の選定においては、詳細な地質調査や物理探査などを通じて、破壊の特性を把握することが重要です。
化学反応リスクの評価: 貯留岩の鉱物組成によっては、水素との化学反応が起こり、貯留効率の低下や環境問題を引き起こす可能性があります。水素貯蔵に適した地層は、水素との化学反応性が低い鉱物で構成されている必要があります。貯留層の選定においては、地球化学的な分析やモデリングを通じて、化学反応リスクを評価することが重要です。

これらの知見を基に、水素貯蔵に適した地層を選定するための基準を策定することで、安全かつ効率的な水素貯蔵システムの構築が可能となります。