用于地下氢储存的工程屏障：一种安全控制策略

《Journal of Energy Storage》：Engineered barriers for subsurface hydrogen storage: A containment strategy

本研究评估了Laponite?悬浮液作为地质氢存储注入流动屏障的性能，通过流变学与孔隙尺度封存关联。制备2%、2.5%和3%悬浮液，发现3%老化过快不适合注射。2%和2.5%悬浮液在75℃老化18天后突破压力分别为105 psi和346 psi，证实2.5%悬浮液能有效形成稳定地质屏障，为地下氢存储提供新策略。

　　

阿里尔扎·奥鲁乔夫（Alirza Orujov）| 巴勃罗·戈多伊（Pablo Godoy）| 贝赫布德·阿贝迪（Behbood Abedi）| 雷扎·巴拉蒂（Reza Barati）| 萨曼·A·阿里亚纳（Saman A. Aryana）

美国怀俄明大学化学与生物医学工程系，拉勒米，怀俄明州

摘要

本研究通过将流变学与孔隙尺度封存性能相结合，评估了Laponite?悬浮液作为地质氢储存注射屏障的适用性。根据相图制备了2%、2.5%和3%重量的Laponite悬浮液：这些悬浮液初始粘度较低，但随着时间推移逐渐表现出依赖时间的弹性和粘度增加，但3%重量的悬浮液老化速度过快，不适用于实际注射。我们量化了稳态剪切粘度的变化以及线性粘弹性特性，并在模拟Berea砂岩的微流控装置中测试了其封存性能。将2%和2.5%重量的悬浮液注入后，在20°C、45°C和75°C下分别老化不同时间，然后使用定制的高压装置测试其氢气渗透情况。结果显示，在38.38毫米的多孔介质中，2%重量的悬浮液在18天后达到105 psi的渗透压力，而2.5%重量的悬浮液在75°C下18天后达到346 psi的渗透压力。这些结果表明，适当老化的2.5%重量Laponite悬浮液能够形成坚固的、具有承压能力的原位地质屏障，从而建立了流变学与性能之间的直接联系，表明其在地下氢储存方面具有实际应用潜力。

引言

氢能在全球能源转型中发挥关键作用，因为它能够实现可再生能源的大规模工业应用[1]。氢作为能源载体的一大优势在于其在水中的丰富储量，而水覆盖了地球表面的大约71%。最近的研究还发现，可以利用低品位废水（如海水和石油天然气生产过程中产生的废水）来生产绿色氢[2]。此外，氢燃烧产生能量时仅产生水作为副产品，因此是一种零排放燃料[3]。基于这些原因，政府间气候变化专门委员会（IPCC）的1.5°C报告[4]强调了氢作为化石燃料替代品的重要性。此外，氢还有潜力推动长期经济增长。例如，在美国，氢能预计将占该国总能源需求的14%[5]；而在欧盟，这一比例预计到2050年将达到约24%[6,7]。

有效的规模化氢储存对于充分发挥氢能的潜力至关重要。氢可以通过多种方法储存，包括高压气瓶、在高表面积材料上的吸附以及活性金属的氧化[1]。然而，对于工业规模的中长期储存而言，高效储存大量氢气至关重要。地下储存被认为是实现大规模氢储存的最有效方法[1]，因为多孔介质可以容纳大量的流体和气体[8,9]。在各种地下储存选项中（如岩石洞穴、咸水含水层和枯竭的石油及天然气储层），盐洞穴被认为是技术上最可行的[10]。然而，由于地质限制，盐洞穴并非随处可见，这限制了氢能经济的发展规模[1,11]。因此，必须探索其他地下储层（如枯竭的石油及天然气储层或咸水含水层）以实现氢能的大规模应用。

氢能在地下储存中的主要挑战之一是封存完整性。泄漏可能通过侧向迁移、盖层破坏或井筒损坏等方式发生，从而带来环境和安全风险[12, [13], [14]]。当储层压力超过封存极限时，可能会导致氢通过高渗透性路径或断层迁移。垂直泄漏通常与盖层或井筒的完整性问题有关[15,16]。此外，诱发地震在地下氢储存（UHS）项目中也是一个潜在风险，因为反复的注气和抽气循环会导致盖层受到机械应力和应变变化，可能影响其完整性[17]。氢的低分子量和高扩散性加剧了这些风险，因为它比其他气体更容易通过微裂缝和纳米多孔介质渗透[15]。

为了解决这些问题，我们之前的工作[12]提出了一种使用时间依赖性非牛顿流体的新型封存策略，即2%重量的Laponite悬浮液，作为动态的原位流动屏障来增强或改造地下密封层。这些悬浮液初始粘度较低，便于在多孔介质中注入和传输，但会逐渐发展出高粘度和与储层相关的弹性。重要的是，我们的早期研究表明，氢气的接触不会降解悬浮液的微观结构，反而会增强其流变强度。我们还发现，与常用的聚合物（如黄原胶和卡波波尔）相比，Laponite悬浮液在地下密封应用中表现出更好的稳定性和适应性。

基于这些发现，我们通过量化时间依赖性流变学特性并在受控老化条件下测试岩石图案微流控氢注入实验中的孔隙尺度性能，评估了2%至3%重量Laponite悬浮液的氢封存能力。这些结果共同推动了改进的封存策略，以提高地下氢储存系统的完整性。

章节摘录

Laponite? RD

Laponite是一种合成粘土，其理想化学式为： ${\mathrm{Na}}^{+\alpha }\left({\mathrm{Mg}}_{6?\alpha }{\mathrm{Li}}_{\alpha }{\mathrm{Si}}_8{O}_{20}\left(\mathrm{OH}\right)4\right)$ 其中$\alpha$表示Li⁺替代Mg²⁺的同质替代程度[18]。市场上有不同等级的Laponite，适用于不同的应用[19]。在本研究中，我们使用了Laponite? RD，这是一种高纯度等级的产品，常用于流变学应用。其近似化学式为： ${\mathrm{Si}}_8\left({\mathrm{Mg}}_{5.5}{\mathrm{Li}}_{0.4}{H}_{4.0}{O}_{24.0}\right){\mathrm{Na}}_{0.7}$ Laponite由盘状单晶颗粒组成，其中八面体镁

化学物质

Laponite? RD粉末由Kremer Pigmente GmbH & Co. KG公司提供。这种合成层状硅酸盐的体积密度约为1000 kg/m³，广泛用作各种应用中的流变添加剂。实验室级别的氯化钠（NaCl）和氢氧化钠（NaOH）从Sigma-Aldrich购买，用于调节溶液的盐度和pH值。

微流控实验使用的基底为TELIC公司提供的镀铬和光刻胶的硼硅酸盐晶片

剪切前/恢复步骤，粘度变化

在1200秒的剪切过程结束后，获得稳态剪切粘度后，将这些值与其对应的老化天数绘制在一起。图7显示了一个月内稳态剪切粘度的变化情况。

从图7可以看出，粘度随时间对数增长，特别是在室温下和45°C下老化的样品中。然而，初始粘度值和粘度增加速率之间存在差异

结论

本研究通过评估Laponite悬浮液在不同浓度下的流变特性和在微流控装置中的氢阻挡能力，探讨了其作为地质氢储存原位地质屏障的潜力。

根据先前的研究，相图表明2%、2.5%和3%重量的Laponite悬浮液最初表现为低粘度液体，但随着时间的推移会发展出高弹性和粘度。因此，这三种悬浮液的流变行为

CRediT作者贡献声明

阿里尔扎·奥鲁乔夫（Alirza Orujov）：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、研究、数据管理、概念化。 巴勃罗·戈多伊（Pablo Godoy）：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、研究、正式分析、数据管理。 贝赫布德·阿贝迪（Behbood Abedi）：撰写——初稿、方法论。 雷扎·巴拉蒂（Reza Barati）：撰写——审稿与编辑、验证。 萨曼·A·阿里亚纳（Saman A. Aryana）：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

通讯作者衷心感谢怀俄明大学能源资源工程学院对本项工作的支持。