Wodór w kawernach solnych

Eksperckim okiem

Paweł Biegajski, specjalista z zakresu finansowania projektów energetycznych

Rozwój odnawialnych źródeł energii wymaga efektywnych metod magazynowania, ponieważ produkcja energii z wiatru i słońca nie zawsze pokrywa się z zapotrzebowaniem. Jednym z obiecujących rozwiązań jest przekształcanie nadwyżek energii w wodór za pomocą elektrolizy wody, a następnie jego przechowywanie. Wśród dostępnych metod magazynowania wodoru coraz większe zainteresowanie budzi wykorzystanie kawern solnych – specjalnych podziemnych komór powstałych w wyniku ługowania złóż soli. Dzięki swoim właściwościom geologicznym przestrzenie te mogą stanowić bezpieczne i efektywne rozwiązanie, wspierając tym samym rozwój gospodarki wodorowej na świecie.

Kawerny solne – geneza

Przez wieki sól kamienna była cenionym surowcem, głównie w przemyśle spożywczym. W XIX stuleciu jej znaczenie wzrosło, stając się ważnym składnikiem chemii przemysłowej, a dziś powszechnie wykorzystuje się ją także do zimowego utrzymania dróg. Jednak od lat 70. XX wieku podejście do złóż soli zaczęło się zmieniać – coraz częściej traktuje się je nie tylko jako źródło surowca, ale także jako naturalny materiał do tworzenia podziemnych przestrzeni. Techniki górnicze, wiertnicze i ługownicze pozwalają przekształcać je w kawerny, które mogą służyć jako bezpieczne magazyny substancji płynnych i gazowych. W tym kontekście sól i solanka przestają być cennym produktem, a stają się raczej odpadem procesu tworzenia wartościowych podziemnych magazynów.

Trochę historii magazynowania w kawernach solnych

Technologia przechowywania ropy naftowej i ciekłych węglowodorów w kawernach solnych nie jest niczym nowym. Po raz pierwszy została ona opatentowana w Niemczech w 1916 roku. Dalszy rozwój teoretycznych podstaw opracowano w Kanadzie w latach 40., a pierwsze zastosowania miały miejsce dekadę później w USA i Wielkiej Brytanii. Obecnie istnieje już ponad tysiąc takich magazynów na świecie. Ich głębokość waha się od 400 do 2000 metrów, przy czym optymalna eksploatacja zachodzi na poziomie 900 metrów.

W porównaniu do wyeksploatowanych złóż ropy i gazu, kawerny solne wymagają mniej gazu buforowego i lepiej uszczelniają substancje. Są też bardziej elastyczne, umożliwiając szybkie wtłaczanie i wytłaczanie wodoru. Aby zachować bezpieczeństwo, minimalna grubość ściany wiszącej powinna wynosić 75% średnicy kawerny, a dennej – 20%.

Podczas pierwszego napełniania magazynów gazowych usuwa się solankę, a następnie utrzymuje zmienne ciśnienie. Najczęściej przechowuje się tam gaz ziemny, ale także sprężone powietrze (jako magazyny energii dla elektrowni szczytowych), CO₂ oraz wodór. Choć magazynowanie gazu ziemnego w kawernach solnych jest dobrze poznane, wciąż brakuje komercyjnych doświadczeń w składowaniu czystego wodoru na szeroką skalę.

Dlaczego magazynowanie w kawernach solnych stale się rozwija?

Andrzej Kunstman, Katarzyna Poborska-Młynarska i Kazimierz Urbańczyk w swoim opracowaniu zatytułowanym „Geologiczne i górnicze aspekty budowy magazynowych kawern solnych” zauważają, że rozwój zjawiska magazynowania surowców w kawernach solnych jest następstwem szeregu korzyści. Należą do nich:

• Bezpieczeństwo – podziemne magazyny są mniej narażone na pożary, ataki terrorystyczne i działania wojenne w porównaniu do instalacji naziemnych.
• Oszczędność przestrzeni – zajmują znacznie mniej miejsca na powierzchni niż tradycyjne zbiorniki, co ułatwia ich wkomponowanie w krajobraz i infrastrukturę.
• Niższe koszty – budowa kawern jest tańsza niż wznoszenie zbiorników naziemnych o tej samej pojemności. Dodatkowo umożliwiają one szybkie pobieranie i wtłaczanie gazu, co czyni je bardziej efektywnymi.
• Powszechność złóż – sól kamienna występuje w wielu krajach, co ułatwia wdrażanie tej technologii na szeroką skalę.
• Właściwości geologiczne:
  • Wysoka szczelność zapobiegająca wyciekom.
  • Plastyczność, dzięki której sól dobrze znosi zmiany ciśnienia, minimalizując ryzyko pęknięć.
  • Obojętność chemiczna wobec większości magazynowanych substancji.
• Duża pojemność – grube pokłady soli pozwalają na tworzenie kawern o znacznej objętości, umożliwiając przechowywanie dużych ilości gazu lub cieczy.

Jednocześnie warto zwrócić uwagę na dwa wyzwania. Obecnie na świecie istnieją tylko cztery obiekty magazynujące wodór w kawernach solnych. Podejmowane operacje charakteryzują się niewielką częstotliwością i ograniczonymi ilościami wodoru. W kontekście energetycznym konieczne będzie zwiększenie dynamiki procesów wtrysku i odbioru, co wymaga dalszych badań nad konsekwencjami intensywniejszej eksploatacji tych magazynów.

Dużym problemem może być także czystość wodoru. Substancje magazynowane w kawernach mogą ulegać zmianom składu pod wpływem różnych procesów chemicznych i biologicznych. Możliwe jest na przykład wchłanianie wilgoci, jak ma to miejsce w przypadku gazu ziemnego, a także występowanie reakcji bakteryjnych, które mogą zmieniać jego skład. W konsekwencji istnieje prawdopodobieństwo konieczności wykonania dodatkowego oczyszczania i osuszania wodoru przed jego wykorzystaniem.

Geologiczne i techniczne aspekty budowy magazynów kawernowych w złożach sól

W procesie projektowania i budowy podziemnych magazynów kawernowych w złożach soli kamiennej kluczowym czynnikiem wpływającym na sukces inwestycji są warunki geologiczne i górnicze. Wybór odpowiedniego złoża, jego dostępność oraz warunki eksploatacyjne stanowią fundament dla całej budowy, wpływając na efektywność i bezpieczeństwo magazynowania. W tym kontekście konieczne jest zwrócenie uwagi na takie aspekty jak:

• Dostępność odpowiednich złóż soli – złoża muszą być dobrze rozpoznane i stabilne. Powinny umożliwiać wydobycie w sposób bezpieczny, z minimalnym ryzykiem dla eksploatacji. Właściwa struktura geologiczna złoża, jego głębokość oraz miąższość warstw solnych determinują możliwość budowy komór magazynowych.
• Dostępność wody do ługowania – budowa komór magazynowych w soli wymaga procesu ługowania, w którym wykorzystywana jest woda. Zatem dostępność odpowiednich zasobów wodnych stanowi jeden z podstawowych warunków realizacji inwestycji. Ważne jest, by były one dostateczne, stabilne i nie miały negatywnego wpływu na otoczenie.
• Zarządzanie solanką – w trakcie ługowania soli powstaje solanka, której odpowiednie zagospodarowanie jest istotne z punktu widzenia efektywności całego procesu. Możliwość jej zrzutu lub dalszego wykorzystania w innych procesach przemysłowych może mieć wpływ na opłacalność inwestycji i sposób zarządzania procesem ługowania.
• Lokalizacja i dostępność infrastruktury – kolejnym ważnym czynnikiem jest lokalizacja złoża soli, które musi umożliwiać ekonomiczne połączenie z siecią rurociągów oraz dostępność transportu niezbędnych materiałów i wyposażenia. Koszty związane z budową infrastruktury (takiej jak rurociągi czy drogi dojazdowe) mogą w istotny sposób wpłynąć na całościowy koszt inwestycji.
• Dostępność technologii i wyposażenia – budowa magazynów kawernowych wymaga zaawansowanej technologii oraz odpowiedniego wyposażenia.
• Fundusze na realizację inwestycji – koszt budowy podziemnych magazynów kawernowych jest znaczący, co wymaga odpowiedniego zaplanowania budżetu oraz zapewnienia odpowiednich źródeł finansowania.

W przypadku magazynów kawernowych przeznaczonych do przechowywania substancji użytecznych (np. wodoru), wymagania stawiane wobec komór są znacznie wyższe niż w przypadku komór wykorzystywanych wyłącznie do produkcji solanki. Podstawowe kryteria dotyczą pojemności, szczelności, stabilności geomechanicznej, wydajności zatłaczania i poboru substancji oraz ciśnienia i temperatury magazynowania.

Tabela. Podstawowe wymagania dla kawern solnych

Parametr	Wartość
Głębokość	400–2000 m
Grubość warstw skał nad złożem soli	30–1800 m
Zawartość nierozpuszczalnych składników w złożu	Nie większa niż 30%
Pojemność	od 30 000 m³ do ponad 700 000 m³.
Ciśnienie	od 4 do 24 MPa
Temperatura wewnątrz kawern	40°C do 260°C

Źródło: Opracowanie własne na podstawie Hydrogen Storage in Geological Formations—The Potential of Salt Caverns, A. Małachowska, N. Łukasik, J. Mioduska, J. Gębicki.

Magazynowanie wodoru w kawernach solnych na świecie – czy to możliwe?

Magazynowanie wodoru w kawernach solnych nie jest wyłącznie teoretyczną ideą. Tego typu działania są już podejmowane i dają bardzo dobre rezultaty. Przykładami obiektów mogą być trzy kawerny zlokalizowane w Zatoce Meksykańskiej w Stanach Zjednoczonych czy obiekt w Teesside w Wielkiej Brytanii. Ten ostatni został zbudowany w 1971 roku i działa już od ponad 50 lat. Obecnie w trzech oddzielnych kawernach znajduje się około 25 GWh wodoru pod ciśnieniem 45 bar. Wymienione magazyny stanowią rezerwy strategiczne do wykorzystania w rafineriach węglowodorów.

Aktualnie blisko 40% projektów związanych z podziemnymi magazynami substancji użytecznych na świecie dotyczy kawern solnych. Duży potencjał w zakresie ich wykorzystania do magazynowania wodoru w przyszłości wykazują między innymi Stany Zjednoczone i Kanada. Rządowe plany rozwoju gospodarki wodorowej w danym zakresie uwzględniły także Chiny oraz Australia, gdzie obecnie rozwijane są projekty pilotażowe. Przedsięwzięcia na mniejszą skalę mogą także powstać w północnej części Afryki oraz na terenie Brazylii i Argentyny.

Kawerny solne w Europie – stan aktualny i potencjał

Europa posiada znaczący potencjał w zakresie podziemnego magazynowania wodoru, zarówno w porowatych formacjach geologicznych, jak i w kawernach solnych. Obecnie to właśnie te drugie są najbardziej zaawansowaną i technicznie wykonalną metodą. W porównaniu do wyeksploatowanych złóż gazu, ich przewagą jest przewidywalne zachowanie wodoru, lepsza szczelność i mniejsze ryzyko jego utraty.

Obecnie łączna szacowana pojemność istniejących kawern solnych w Europie (Francja, Niemcy, Holandia, Dania, Portugalia) wynosi około 50 TWh wodoru. Wiele krajów, w tym Niemcy, Holandia, Hiszpania i Dania, już realizuje projekty dążące do magazynowania wodoru. Unia Europejska formalnie wspiera te inicjatywy w ramach polityki infrastrukturalnej, czego dowodem jest rozporządzenie TEN-E (UE 2022/869) oraz aktualizowana unijna lista kluczowych projektów wodorowych (rozporządzenie delegowane UE 2024/1041).

Potencjał dalszego rozwoju tej technologii stał się przedmiotem badania zespołu naukowców, w którego skład wchodzili: D. Caglayan, N. Weber, H. Heinrichs, J. Linssen, M. Robinius, P. Kukla, D. Stolten. Zgodnie z wynikami największe możliwości magazynowania wodoru w kawernach solnych mają:

• Niemcy – największy potencjał zarówno na lądzie, jak i na morzu.
• Holandia – kluczowa rola w regionie Morza Północnego, gdzie planowane są podmorskie magazyny wodoru.
• Polska – szacunki wskazują, że do 2050 roku nasz kraj mógłby osiągnąć pojemność 35-38 TWh wodoru rocznie, co czyni go potencjalnie jednym z głównych graczy w tej technologii.

Doskonale obrazuje to poniższa mapa europejskich złóż soli i struktur solnych, utworzona w wyniku oceny przydatności do podziemnego magazynowania wodoru.

Źródło: Technical potential of salt caverns for hydrogen storage in Europe, D. Caglayan, N. Weber, H. Heinrichs, J. Linssen, M. Robinius, P. Kukla, D. Stolten.

Kawerny solne w Polsce – potencjał i lokalizacja

Krajowa geologia sprzyja budowie kawern solnych, tworzonych w formacjach halitowych, zwłaszcza w złożach cechsztyńskich (górny perm). Obecnie w Polsce funkcjonują dwa kawernowe magazyny gazu: w Mogilnie oraz Kosakowie. Mogilno posiada czternaście aktywnych komór o łącznej pojemności 821,25 mln m³ (pojemność czynna wynosi 580,92 mln m³) zaś Kosakowo dziesięć o pojemności łącznej 379 mln m³ (pojemność czynna 295,2 mln m³). Dodatkowo w Górze koło Inowrocławia wykorzystuje się zaadaptowane kawerny eksploatacyjne.

Ze względu na rosnący udział energii odnawialnej oraz plany związane z dekarbonizacją, coraz większy nacisk kładzie się na wielkoskalowe magazynowanie energii w geologicznych strukturach, wykorzystując do tego sprężone powietrze oraz wodór. W następstwie proponowane są nowe lokalizacje, które mogłyby posłużyć do budowy kawern. W regionie Wzniesienia Łeby przeprowadzono badania w Mechelinkach, Łebie i Zatoce Puckiej, gdzie halit starszy (Na1) występuje na głębokości od 490 do 1000 metrów, co czyni te złoża szczególnie atrakcyjnymi. Więcej na ten temat pisaliśmy w naszym artykule.

Podziemne magazyny kawernowe rozważa się także w monoklinie przedsudeckiej (region Legnica-Głogów) oraz na obszarze Niżu Polskiego, gdzie przeanalizowano 27 wysadów solnych. Spośród nich siedem spełnia warunki do budowy kawern magazynowych wodoru, w tym wysady Rogóźno, Damasławek, Łanięta i Lubień, a także Goleniów i Izbica Kujawska.

Atutem lokalizacji nadmorskich jest możliwość efektywnego ługowania kawern przy użyciu wody morskiej oraz bezpośredniego odprowadzania solanki do Morza Bałtyckiego. Takie rozwiązanie eliminuje konieczność budowy kosztownych instalacji do zagospodarowania solanki.

Źródło: Lokalizacja kawern magazynowych w utworach solnych w Polsce – stare i nowe opcje, G. Czapowski, Przegląd Solny, 2021/2022, 16, str. 7.

Potencjał kawern solnych w Polsce pozostaje wciąż niewykorzystany w pełni, ale ich rozwój może odegrać kluczową rolę w magazynowaniu energii i transformacji energetycznej kraju. Raport Gas Infrastructure Europe z 2021 roku jednoznacznie wskazuje je jako najlepszą opcję dla krajów posiadających odpowiednie formacje geologiczne.

Bibliografia:

Andersson, J.; Grönkvist, S. Large-scale storage of hydrogen. Int. J. Hydrogen Energy 2019.

Bellini E., 2020. Hydrogen storage in salt caverns. https://www.pv-magazine.com/2020/06/16/hydrogen-storage-in-salt-caverns/ (dostęp: 31.01.2025)

Caglayan D., Weber N., Heinrichs H., Linssen J., Robinius M., Kukla P., Stolten D.

Cyran, K.; Kowalski, M. Shape modelling and volume optimisation of salt caverns for energy storage.

Czapowski G., Lokalizacja kawern magazynowych w utworach solnych w Polsce – stare i nowe opcje, Przegląd Solny, 2021/2022, 16

Janocha. A, Rodzaje zanieczyszczeń i sposoby oczyszczania wodoru magazynowanego w kawernach solnych w aspekcie zastosowania go w urządzeniach wytwarzających energię, Nafta-Gaz 2022, nr 4.

Kunstman A., Poborska-Młynarska K., Urbańczyk K., Geologiczne i górnicze aspekty budowy magazynowych kawern solnych, Przegląd Geologiczny, vol. 57, nr 9, 2009.

Zivar, D.; Kumar, S.; Foroozesh, J. Underground hydrogen storage: A comprehensive review. Int. J. Hydrogen Energy 2020.

---

Paweł Biegajski

Absolwent Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Specjalizuje się w zdobywaniu finansowania dla firm i instytucji realizujących projekty z zakresu zrównoważonego rozwoju oraz energetyki.