Vượt ra ngoài không gian lỗ rỗng: Một khuôn khổ toàn diện cho việc lưu trữ và sản xuất hydro ngầm
Lưu trữ hydro ngầm đang nổi lên như một yếu tố quan trọng trong quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế hydro ít carbon, cung cấp một cách để cân bằng nguồn cung cấp năng lượng tái tạo. Thành công của nó không chỉ phụ thuộc vào không gian lưu trữ mà còn đòi hỏi sự hiểu biết toàn diện về các yếu tố địa hóa, địa cơ học, vi sinh vật và kinh tế.
Từ sự ổn định địa hóa đến tính toàn vẹn địa cơ học, việc lựa chọn các địa điểm lưu trữ phù hợp đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện, đa ngành.
Nguồn: Cục Địa chất Kinh tế
Khi ngành năng lượng toàn cầu chuyển sang các giải pháp thay thế sạch hơn, lưu trữ hydro ngầm (UHS) đang thu hút được sự chú ý như một thành phần quan trọng của nền kinh tế hydro ít carbon. Trong khi lưu trữ dưới bề mặt cung cấp một giải pháp hấp dẫn để cân bằng tính không liên tục của năng lượng tái tạo, thì việc triển khai thành công của nó đòi hỏi nhiều hơn là chỉ xác định các thành tạo có đủ không gian lỗ rỗng.
Từ sự ổn định địa hóa đến tính toàn vẹn địa cơ học, việc lựa chọn các địa điểm lưu trữ phù hợp đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện, đa ngành. Các nghiên cứu gần đây đang mở rộng hiểu biết của chúng ta về các biến số sắc thái ảnh hưởng đến hiệu suất của UHS, cho thấy các yếu tố như hoạt động của vi khuẩn, hành vi ứng suất của bể chứa và thậm chí tiềm năng sản xuất hydro từ các thành tạo địa chất đóng vai trò quan trọng.
Bài viết này tổng hợp các chủ đề nghiên cứu hiện tại vượt ra ngoài các tiêu chí sàng lọc địa điểm thông thường, cung cấp một góc nhìn rộng hơn để đánh giá và tối ưu hóa việc lưu trữ hydro dưới bề mặt.
Dựa trên sự hiểu biết cơ bản này, Hình 1 minh họa các yếu tố địa chất chính ảnh hưởng đến hành vi hydro trong các mỏ dầu và khí đốt cạn kiệt, làm nổi bật tính phức tạp và sự phụ thuộc lẫn nhau của các quá trình dưới bề mặt trong các hệ thống UHS.
Hình 1—Tóm tắt các yếu tố địa chất ảnh hưởng đến hành vi hydro trong các bể chứa UHS liên quan đến DOGF.
Nguồn: Sekar và cộng sự, 2023
Sekar và cộng sự (2023) nhấn mạnh rằng mặc dù UHS là một giải pháp đầy hứa hẹn để hỗ trợ nền kinh tế hydro, nhưng nó đặt ra những thách thức kỹ thuật đáng kể đòi hỏi các phương pháp tiếp cận đa ngành. Bài đánh giá đánh giá tính phù hợp của các mỏ dầu khí cạn kiệt (DOGF) và các tầng chứa nước mặn đối với UHS, lưu ý rằng các thành tạo này vẫn đang được đánh giá. Bài đánh giá bao gồm các nghiên cứu địa hóa, vi sinh, thực nghiệm và mô hình hóa ảnh hưởng đến khả năng lưu trữ bằng cách tác động đến các đặc tính thủy động và địa vật lý. Các tương tác địa hóa, chẳng hạn như ô nhiễm từ CO2 hoặc các hợp chất lưu huỳnh như hydro sunfua từ pirit, có thể làm thay đổi các đặc điểm của bể chứa. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu hiện có cho thấy các phản ứng này gây ra tổn thất hydro tối thiểu, hỗ trợ khả năng tồn tại của UHS theo quan điểm địa hóa.
Các nghiên cứu khả thi dựa trên mô phỏng thường cho thấy kết quả tích cực đối với UHS trong DOGF, với các cân nhắc chính bao gồm cấu trúc bể chứa, cơ chế niêm phong, lựa chọn khí đệm và áp suất tại chỗ. Mặc dù có tiến bộ trong mô hình hóa địa hóa và bể chứa, vẫn còn một khoảng cách đáng kể trong việc hiểu hành vi địa cơ học của các thành tạo trong điều kiện lưu trữ hydro. Điều này rất quan trọng do khả năng khuếch tán và rủi ro rò rỉ cao của hydro. Các yếu tố như tiêu chí phá hủy đá, bao gồm những thay đổi về góc ma sát và độ kết dính khi có hydro, cần được xem xét kỹ hơn. Phân tích thư mục cho thấy UHS vẫn là một lĩnh vực đang phát triển với các chủ đề nghiên cứu năng động, nhấn mạnh nhu cầu về các nỗ lực khoa học liên tục và tích hợp.
Dựa trên những khoảng trống kiến thức này, các nghiên cứu gần đây đã bắt đầu khám phá sâu hơn về ý nghĩa địa cơ học của UHS. Công trình sơ bộ về mô hình địa cơ học của Okoroafor và cộng sự (2024) cho thấy rằng việc lưu trữ hydro trong các tầng chứa nước mặn có khả năng gây ra động đất (giả sử các loại đá bị ứng suất nghiêm trọng) và nâng lên cao hơn so với các bể chứa khí cạn kiệt. Khi so sánh việc lưu trữ hydro trong các mỏ khí cạn kiệt với việc lưu trữ khí tự nhiên trong các mỏ khí cạn kiệt, thì việc lưu trữ hydro dẫn đến những thay đổi ứng suất lớn hơn trong bể chứa và trên lớp đá mũ. Khi có đường rò rỉ, hydro, do di động hơn, di chuyển nhanh hơn mêtan và do đó, trong quá trình phun, có ít khí hơn tại chỗ. Điều này vẫn đúng cho đến khi đường rò rỉ được lấp đầy bằng khí và không còn lối thoát nào nữa cho chất lỏng.
Tiếp theo là phân tích địa cơ học, việc đánh giá hiệu suất lưu trữ theo các tổn thất hydro cũng quan trọng không kém, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả thu hồi và khả năng tồn tại lâu dài của các hoạt động lưu trữ. Công trình của Indro và cộng sự (2024) biên soạn dữ liệu tổn thất hydro từ nhiều nguồn khác nhau và mô hình hóa các yếu tố thu hồi và chỉ số năng suất trên ba loại thành tạo địa chất chứa nước: các bể chứa nông có độ dốc địa nhiệt bình thường và cao, và các tầng chứa nước mặn sâu. Các mô phỏng đã được tiến hành cho các chu kỳ lưu trữ 30, 90 và 180 ngày, kết hợp các tổn thất ước tính từ tài liệu. Kết quả cho thấy
hệ số thu hồi ydrogen dao động từ 13 đến 83%, tùy thuộc vào loại bể chứa, thời gian chu kỳ và độ sâu.
Các tầng chứa nước mặn sâu luôn cung cấp khả năng thu hồi cao hơn trong tất cả các chu kỳ nhưng ban đầu có chỉ số năng suất thấp hơn, cải thiện khả năng lưu trữ lâu dài (hơn 150 ngày). Các bể chứa có độ dốc địa nhiệt cao và nhiệt độ trên 120°C có thể lưu trữ hydro nếu sử dụng đủ khí đệm. Nhìn chung, độ sâu, nhiệt độ và độ mặn có ảnh hưởng lớn hơn đến tổn thất hydro so với khoáng vật học.
Dựa trên sự hiểu biết rộng hơn về tổn thất hydro, các đánh giá cụ thể tại địa điểm là điều cần thiết để xác định các điều kiện lưu trữ tối ưu và tối đa hóa hiệu quả rút trong các bối cảnh thực tế. Sekar và cộng sự (2024a) nhằm mục đích đánh giá tính phù hợp của các bể chứa nước mặn để lưu trữ UHS với trọng tâm là tối đa hóa hiệu quả rút, lấy lưu vực Sacramento của California làm nghiên cứu điển hình. Thông qua các mô phỏng số mở rộng, các đặc điểm chính của bể chứa thuận lợi đã được xác định, bao gồm độ dốc lớn (lên đến 15°), áp suất thấp, độ xốp cao (hơn 20%) và độ thấm cao. Một khuôn khổ sàng lọc và xếp hạng địa điểm toàn diện đã được phát triển và áp dụng cho năm thành tạo trong lưu vực, chứng minh tính hiệu quả của nó trong việc xác định các địa điểm lưu trữ tối ưu. Không giống như các khuôn khổ trước đây tập trung vào CO₂ hoặc các mỏ khí cạn kiệt, nghiên cứu này nhấn mạnh cả việc lưu trữ và thu hồi hydro hiệu quả, khiến phương pháp này có thể áp dụng rộng rãi cho các lưu vực khác.
Nhìn chung, các nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của phương pháp đánh giá toàn diện kết hợp tính ổn định địa hóa, an toàn cơ học địa chất và giảm thiểu mất hydro để đảm bảo UHS hiệu quả. Dựa trên những hiểu biết này, Sekar et al. (2024b) trình bày quá trình phát triển một khuôn khổ sàng lọc và xếp hạng địa điểm toàn diện, nhiều giai đoạn để lưu trữ hydro trong các tầng chứa nước mặn. Sử dụng các mô phỏng bể chứa số, nghiên cứu đã mô hình hóa các kịch bản tiêm, lưu trữ và rút ra, đồng thời tiến hành phân tích độ nhạy để xác định các biến chính ảnh hưởng đến hiệu suất lưu trữ hydro. Tiêu chí loại trừ ban đầu được sử dụng để loại bỏ các địa điểm không phù hợp, sau đó là xếp hạng giai đoạn đầu tiên dựa trên năng suất và tính toàn vẹn của kho lưu trữ. Giai đoạn thứ hai và thứ ba kết hợp dữ liệu dựa trên tài liệu về các phản ứng địa hóa học và vi khuẩn, cũng như tổn thất hydro liên quan đến vận chuyển. Áp dụng cho các tầng chứa nước mặn ở lưu vực Sacramento, khuôn khổ cho thấy chỉ riêng các tiêu chí khác nhau có thể gợi ý các địa điểm tối ưu khác nhau. Tuy nhiên, việc tích hợp các yếu tố có trọng số cho phép xác định địa điểm thuận lợi nhất—cân bằng giữa khả năng phục hồi và năng suất tối đa với tổn thất và rủi ro toàn vẹn tối thiểu.
Xây dựng trực tiếp trên khuôn khổ sàng lọc nhiều giai đoạn, Sekar và Okoroafor (2024) tiếp tục dịch phương pháp luận thành một công cụ mã nguồn mở thực tế—Kho chứa hydro ngầm trong môi trường xốp (HUST)—được thiết kế để hợp lý hóa việc lựa chọn địa điểm bằng cách tích hợp các cân nhắc về địa hóa học, vi khuẩn và thủy động lực học vào một nền tảng ra quyết định thống nhất với ứng dụng trường hợp tại lưu vực Sacramento. Không giống như các phương pháp tiếp cận trước đây, công cụ này tích hợp các tương tác địa hóa học và vi khuẩn cùng với các yếu tố thủy động lực học và vận hành thông qua quy trình sàng lọc ba giai đoạn. Giai đoạn 1 tập trung vào chỉ số năng suất và các biến chính ảnh hưởng đến khả năng phục hồi hydro; Giai đoạn 2 tính đến lượng hydro bị mất từ các phản ứng địa hóa; và Giai đoạn 3 giải quyết lượng hydro bị mất do vi khuẩn gây ra.
Công cụ này cho phép đánh giá có trọng số cho từng yếu tố, đảm bảo lựa chọn địa điểm chắc chắn hơn. Kết quả cho thấy việc chỉ dựa vào tiêu chí thủy động lực học có thể dẫn đến lựa chọn địa điểm kém, vì các địa điểm có độ thấm cao vẫn có thể bị mất hydro đáng kể. Bằng cách kết hợp tất cả các quy trình có liên quan, công cụ này xác định các địa điểm cân bằng giữa khả năng lưu trữ, năng suất và lượng hydro bị mất tối thiểu, lấp đầy khoảng trống quan trọng trong các phương pháp lựa chọn địa điểm sử dụng vật liệu xốp UHS.
Sau khi sàng lọc kỹ thuật và xác định các địa điểm tối ưu bằng công cụ HUST, trọng tâm chuyển sang đánh giá khả năng kinh tế của UHS—đánh giá hiệu quả về mặt chi phí của việc lưu trữ hydro từ nhiều con đường sản xuất khác nhau để hỗ trợ các quyết định triển khai cụ thể theo từng địa điểm. Tayyib và cộng sự (2024) nhấn mạnh UHS là giải pháp khả thi về mặt kinh tế để giảm thiểu tình trạng cắt giảm năng lượng tái tạo. Sử dụng dữ liệu cắt giảm của Hội đồng Độ tin cậy Điện Texas (ERCOT) và mô phỏng hồ chứa, UHS đã được so sánh với kho lưu trữ nhiệt địa nhiệt tổng hợp về mặt thu hồi năng lượng, chi phí và phát thải. UHS đã chứng minh khả năng thu hồi năng lượng cao hơn (29–57%) mặc dù chi phí cao hơn một chút (102–115 đô la/MWh), trong khi kho lưu trữ địa nhiệt, mặc dù rẻ hơn (19–73 đô la/MWh), thu hồi ít năng lượng hơn đáng kể (6–17%). Những kết quả này định vị UHS là một lựa chọn hiệu quả hơn cho việc lưu trữ năng lượng quy mô lớn, dài hạn để nâng cao độ tin cậy của lưới điện và giảm lãng phí năng lượng tái tạo.
Trong khi UHS rất quan trọng để ổn định tích hợp năng lượng tái tạo
và đảm bảo độ tin cậy năng lượng lâu dài, việc đảm bảo nguồn cung cấp hydro bền vững, ít carbon cũng quan trọng không kém. Chi phí san bằng hóa hydro (LCOH) cao được quan sát thấy trong nghiên cứu trước đây phần lớn bắt nguồn từ chi phí sản xuất hydro cao. Do đó, để bổ sung cho các nỗ lực lưu trữ, điều cần thiết là phải khám phá các con đường tạo ra hydro sáng tạo và bền vững. Một con đường đầy hứa hẹn là tận dụng các quá trình địa chất tự nhiên như quá trình serpentin hóa của đá siêu mafic, cho phép sản xuất hydro tại chỗ, ít carbon trực tiếp từ lòng đất. Phương pháp mới nổi này cung cấp một giải pháp phi tập trung, có thể mở rộng quy mô, có thể kết hợp với các chiến lược lưu trữ, củng cố nền kinh tế hydro nói chung.
Dựa trên nhu cầu về các con đường cung cấp hydro bền vững, một nghiên cứu của Sekar và Okoroafor (2025) chuyển trọng tâm từ lưu trữ sang sản xuất—chứng minh cách các hệ thống ngầm được thiết kế, đặc biệt là những hệ thống tận dụng các thành tạo đá siêu mafic, có thể đóng vai trò là nguồn hydro carbon thấp khả thi thông qua hoạt hóa địa hóa và kích thích bể chứa có mục tiêu. Nghiên cứu này trình bày một mô hình sơ bộ để tạo ra hydro từ đá siêu mafic được kích thích bằng thủy lực bằng cách sử dụng một khuôn khổ nhiệt thủy hóa kết hợp mô phỏng quá trình truyền nhiệt, dòng chảy chất lỏng và các phản ứng địa hóa trong quá trình serpentin hóa cảm ứng. Các mô phỏng đã so sánh sản lượng hydro từ đá được kích thích so với đá không được kích thích, cho thấy sản lượng tăng gấp đôi khi kích thích, đặc biệt là trong các cấu hình giếng thẳng đứng.
Mặc dù các giếng ngang dài hơn ban đầu làm tăng sản lượng khí, nhưng chúng cũng thúc đẩy sản xuất nước, dẫn đến sản lượng khí giảm dần theo thời gian. Xúc tác cải thiện đáng kể quá trình tạo ra hydro bằng cách tăng tốc độ phản ứng và giảm năng lượng hoạt hóa. Với lớp đệm/đá mũ tại chỗ, lớp đá siêu mafic hoạt động như một bể chứa hydro tạm thời. Phân tích độ nhạy cho thấy độ dày của đứt gãy có tác động tối thiểu trong các giếng thẳng đứng nhưng tác động đáng kể đến sản lượng trong các giếng ngang—tăng sản lượng trong các lớp xốp liền kề. Các phát hiện cho thấy các cấu hình được tối ưu hóa—bao gồm các giếng ngang trong các lớp siêu mafic, tăng cường xúc tác, đứt gãy dày và các vùng xốp gần đó—có thể tối đa hóa quá trình tạo ra hydro, quá trình di chuyển và tích tụ. Nghiên cứu này nhấn mạnh nhu cầu thu thập thêm dữ liệu, tinh chỉnh mô hình và các công cụ mô phỏng tiên tiến, đánh dấu bước tiến đáng kể hướng tới việc thiết kế các hệ thống sản xuất hydro siêu mafic hiệu quả.
UHS đi đầu trong việc tạo ra nền kinh tế hydro ít carbon, có khả năng phục hồi, nhưng việc triển khai hiệu quả của nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố hơn là tính khả dụng của không gian lỗ rỗng. Bài viết này nhấn mạnh tầm quan trọng của một lăng kính đa ngành - lăng kính tích hợp tính ổn định địa hóa, tính toàn vẹn cơ học địa chất, tương tác vi sinh vật và khả năng kinh tế - để đánh giá và tối ưu hóa toàn diện các hệ thống UHS.
Từ sàng lọc địa điểm dựa trên mô phỏng và đánh giá rủi ro cơ học địa chất đến mô hình hóa tiên tiến về tổn thất hydro và hiệu quả thu hồi, các nghiên cứu gần đây đã làm sáng tỏ cả cơ hội và thách thức của việc lưu trữ hydro dưới bề mặt. Hơn nữa, vì chỉ riêng việc lưu trữ không thể duy trì chuỗi giá trị hydro, nên các phương pháp sản xuất sáng tạo - chẳng hạn như serpentin hóa kỹ thuật của đá siêu mafic - đưa ra các giải pháp có thể mở rộng quy mô, phát thải thấp để bổ sung cho các nỗ lực của UHS. Cùng nhau, những tiến bộ này báo hiệu một sự thay đổi mô hình: hướng tới cơ sở hạ tầng hydro tích hợp tận dụng cả lưu trữ và sản xuất dưới bề mặt để ổn định năng lượng tái tạo, giảm phát thải và hiện thực hóa toàn bộ tiềm năng của nền kinh tế hydro toàn cầu.
Để đọc thêm
Đánh giá các thách thức về hồ chứa liên quan đến việc lưu trữ và thu hồi hydro ngầm trong các hồ chứa dầu khí cạn kiệt của L. Sekar, R. Kiran; Trường Mỏ Ấn Độ; R. Okoroafor, Đại học Texas A&M; A. Wood, DWA Energy Ltd.
SPE 220971 Đánh giá đá hồ chứa cacbonat để lưu trữ hydro ngầm: Phương pháp tiếp cận phòng thí nghiệm toàn diện của H. Galvis-Silva, R. Okoroafor, L. Sekar, Đại học Texas A&M.
Lưu trữ hydro ngầm trong môi trường xốp: Vai trò của vật lý dầu mỏ của R. Okoroafor, H. Galvis, Đại học Texas A&M
Tổng hợp các tổn thất liên quan đến việc lưu trữ hydro trong môi trường xốp: Ý nghĩa đối với việc thu hồi và năng suất hydro từ các tầng chứa nước mặn của A. Indro, Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos; L. Sekar, C. Ikeokwu, R. Okoroafor, Đại học Texas A&M, G. Matey-Korley.
Triển vọng lưu trữ hydro ngầm trong các hồ chứa nước mặn: Nghiên cứu trường hợp lưu vực Sacramento của L. Sekar, H. Galvis và R. Okoroafor, Đại học Texas A&M.
Phát triển và triển khai tiêu chí xếp hạng nhiều giai đoạn toàn diện cho lưu trữ hydro ngầm trong các tầng chứa nước mặn của L. Sekar, H. Silva và R. Okoroafor, Đại học Texas A&M.
SPE 220977 Phát triển và ứng dụng HUST: Công cụ sàng lọc và xếp hạng lưu trữ hydro ngầm kết hợp các cân nhắc về vận hành, phản ứng địa hóa và vi sinh vật của L. Sekar và R. Okoroafor, Đại học Texas A&M.
Đánh giá tích hợp về mặt kinh tế kỹ thuật và vòng đời của các công nghệ lưu trữ năng lượng ngầm cho năng lượng tái tạo của D. Tayyib, L. Sekar và R. Okoroafor, Đại học Texas A&M.
SPE 223864 Mô hình hóa nhiệt thủy hóa của quá trình tạo ra hydro từ đá siêu mafic kích thích của L. Sekar, R. Okoroafor, Đại học Texas A&M.
