通过数值模拟和缓冲气体优化技术提升基于含水层的地下氢储存性能

《Geoenergy Science and Engineering》：Enhancing performance of aquifer-based underground hydrogen storage via numerical simulation with cushion gas optimization

氢能作为清洁能源转型关键，含水层地下储氢（UHS）受缓冲气体类型、注入速率及周期影响显著。研究表明混合气体（CH4:CO2=1:1）可提升储氢效率，但气-水-岩相互作用不利需优化策略。

　　在当今全球能源转型的背景下，氢能源因其清洁、高效和可持续的特性，正逐渐成为多个国家关注的重点。氢气作为能源载体，其存储方式对于实现大规模应用至关重要。目前，地下氢气存储（Underground Hydrogen Storage, UHS）被认为是解决能源供需波动和提高能源利用效率的有效手段之一。其中，含水层（Aquifers）因其广阔的空间、较低的成本和较高的安全性，被认为是极具潜力的氢气存储场所。然而，尽管氢气存储在含水层中的应用前景广阔，但其性能仍受到多种因素的影响，尤其是“缓冲气体”（Cushion Gas）的使用。缓冲气体通常是在氢气注入之前注入含水层中的气体，其作用在于减少氢气与含水层之间的相互作用，从而提高氢气的回收效率和纯度。然而，缓冲气体的选择、注入速率和注入时间等参数对氢气存储性能的影响尚未得到充分研究。

本研究通过构建数值模型，结合CMG-GEM这一多组分模拟工具，对缓冲气体在含水层氢气存储中的作用进行了系统分析。研究重点考察了缓冲气体类型、注入速率、注入周期以及气体与含水层之间的相互作用等因素对氢气存储性能的影响。研究发现，缓冲气体的引入对氢气的累计产量、回收效率和摩尔分数均具有显著影响。这表明，缓冲气体在氢气存储过程中扮演着重要角色，其合理选择和优化操作对于提高氢气存储的整体性能具有关键意义。

研究进一步表明，缓冲气体的注入速率对氢气的累计产量和回收效率具有积极影响。当缓冲气体的注入速率适中时，能够有效提升氢气的回收效率，同时减少气体混合带来的负面影响。然而，如果注入速率过高，可能会导致气体在含水层中扩散过快，从而降低氢气的纯度。因此，缓冲气体的注入速率需要在合理的范围内进行控制，以达到最佳的存储效果。

此外，研究还发现，缓冲气体的注入周期对氢气存储性能的影响相对较小，尤其是在不考虑气体与含水层之间相互作用的情况下。这表明，在实际操作中，缓冲气体的注入周期可以相对灵活地调整，而不会对氢气的存储效果产生显著影响。然而，当气体与含水层之间发生相互作用时，如相对渗透率滞后的现象、润湿性变化、溶解和扩散等，这些因素会显著影响氢气的回收效率和纯度。因此，在设计氢气存储方案时，必须充分考虑气体与含水层之间的相互作用，并采取相应的措施加以优化。

研究还探讨了不同类型的缓冲气体对氢气存储性能的影响。例如，甲烷（CH?）因其较低的分子量和密度，被认为是一种较为有效的缓冲气体。在某些情况下，甲烷的使用可以显著提高氢气的回收效率，甚至达到80%以上。然而，二氧化碳（CO?）在某些情况下可能对氢气的纯度有积极影响，而氮气（N?）则在提高氢气产量方面表现突出。因此，缓冲气体的选择需要根据具体的存储需求和环境条件进行综合评估。

本研究还提出了一种“混合缓冲气体”概念，即在氢气存储过程中使用不同比例的气体混合物作为缓冲气体。例如，甲烷与二氧化碳的混合比例为1:1时，能够显著提升氢气的回收效率和摩尔分数。这一发现为实际工程中缓冲气体的选择提供了新的思路，也为未来的研究方向提供了参考。

总的来说，本研究通过系统分析缓冲气体在含水层氢气存储中的作用，揭示了其对存储性能的多方面影响。研究结果表明，缓冲气体的引入能够有效提升氢气的存储效率和纯度，但其选择和操作参数需要根据具体情况进行优化。同时，气体与含水层之间的相互作用可能对氢气存储效果产生不利影响，因此需要进一步探索有效的缓解措施。这些发现不仅有助于指导含水层氢气存储项目的实际设计，也为其他形式的氢气存储研究提供了有价值的参考。

在实际应用中，含水层氢气存储需要考虑多种因素，包括地质条件、水文环境、气体性质以及操作参数等。由于含水层的复杂性和多变性，缓冲气体的使用必须结合具体情况进行调整。例如，在某些地质条件下，甲烷可能更适合作为缓冲气体，而在其他条件下，二氧化碳或氮气可能更具优势。此外，缓冲气体的注入速率和周期也需要根据实际需求进行优化，以确保氢气的高效回收和纯度保持。

氢气作为清洁能源，其应用前景广阔，但大规模存储仍然是一个挑战。当前，氢气存储技术主要包括高压气态存储、液态存储和固态存储等方式，而地下存储则为解决这些问题提供了新的思路。然而，地下存储技术的推广和应用仍面临诸多技术难题，如气体泄漏、环境污染和地质稳定性等。因此，如何优化缓冲气体的使用，提高氢气存储的效率和安全性，是当前研究的重点。

本研究通过构建详细的模型，结合数值模拟方法，对缓冲气体在含水层氢气存储中的作用进行了深入分析。研究不仅揭示了缓冲气体对氢气存储性能的直接影响，还探讨了其与含水层之间相互作用的复杂性。这些发现为未来的氢气存储研究提供了重要的理论支持和技术指导，有助于推动氢能源在更大范围内的应用和发展。

在实际工程中，含水层氢气存储的可行性需要通过多方面的评估和验证。例如，需要考虑含水层的渗透性、储层压力、温度以及气体与水的相互作用等因素。此外，还需要对缓冲气体的种类、注入速率和周期进行详细分析，以确保氢气的高效回收和长期存储。通过这些研究，可以为不同地区的含水层氢气存储项目提供科学依据和技术支持，从而推动氢能源的可持续发展。

综上所述，本研究通过对缓冲气体在含水层氢气存储中的作用进行系统分析，揭示了其对存储性能的多方面影响。研究结果表明，缓冲气体的合理选择和优化操作对于提高氢气存储的效率和纯度至关重要。同时，研究还指出了气体与含水层之间相互作用的复杂性，为未来的研究和工程实践提供了重要的参考。这些发现不仅有助于解决当前氢气存储技术中的关键问题，也为实现全球能源转型目标提供了有力支持。