KEM-28 Risicoanalyse van waterstofopslag in een cluster van zoutcavernes

Waterstof zal naar verwachting een essentiële rol gaan spelen in het toekomstige Nederlandse energiesysteem als schone energiedrager door de integratie van hernieuwbare energiebronnen te ondersteunen en specifieke toepassingen in moeilijk te decarboniseren sectoren, zoals de industrie, mobiliteit en de residentiële sector, koolstofarm te maken. Voor grootschalige energieopslag in de orde van grootte van TWh zal ondergrondse waterstofopslag (UHS) in zoutcavernes en poreuze reservoirs nodig zijn. In 2030 zal de opslagbehoefte relatief klein zijn en kan deze worden opgevangen in 1-4 zoutcavernes. Maar tussen 2030 en 2050 zal deze opslagbehoefte drastisch toenemen en kunnen er tot 60 zoutcavernes en/of opslag in verschillende gasvelden nodig zijn. Tot nu toe zijn er geen UHS-locaties in Nederland, maar de eerste tests met cyclische waterstofinjectie in een zoutcaverne worden uitgevoerd.

De onderzoeksvraag van KEM-28 heeft als doel a) de duurzaamheid op lange termijn te beoordelen van gesteenten en boormaterialen wanneer deze worden blootgesteld aan waterstof onder een wisselend drukregime dat mechanische en thermische spanningen veroorzaakt, en b) te begrijpen of dit gedrag van invloed kan zijn op nabijgelegen ondergrondse opslag- en/of productielocaties, zoals producerende gasvelden, conglomeraten van grote aantallen zoutcavernes voor waterstofopslag, zoutcavernes voor energieopslag met perslucht (CAES) en gasvelden die worden gebruikt voor CO2-opslag. Het is dus van cruciaal belang om de specifieke risico's van UHS in zoutcavernes te beoordelen en strategieën te ontwikkelen om deze te beheersen en te beperken, en om een beter inzicht te krijgen in de te verwachten interferentie met andere ondergrondse opslag- en/of productielocaties in Nederland. Daarnaast moeten specifieke onderzoeksvragen worden beantwoord die gericht zijn op het gebruik van ondergrondse waterstofopslag in zoutcavernes als onderdeel van de Nederlandse energietransitie.

VOLLEDIGE ONDERZOEKSVRAAG

Het werk bestond uit vier hoofdtaken:

i) Een literatuuronderzoek naar gevaren en risico's voor UHS in conglomeraten van zoutcavernes in Noord- en Noordoost-Nederland (met de nadruk op de Zechstein-zoutlaag).

ii) Een geomechanisch onderzoek naar de stabiliteit van het caverneveld, seismische activiteit en geïnduceerde seismische activiteit, uitgaande van de veronderstelling dat een conglomeraat van zoutcavernes wordt gebruikt voor de opslag van waterstof en andere ondergrondse opslag.

iii) Een generieke risicoanalyse (semi-kwantitatief) op het gebied van gezondheid, veiligheid en milieu, met betrekking tot UHS in conglomeraten van zoutcavernes in het Zechstein-zout in Noord-Nederland, inclusief biotische en abiotische geochemische processen in zoutcavernes en aanbevelingen voor verder onderzoek.

iv) Een aanbevolen strategie voor een kwantitatieve risicoanalyse, in termen van gezondheid, veiligheid en milieu, met betrekking tot UHS in conglomeraten van zoutcavernes in het Zechstein-zout in Noord-Nederland, evenals risicobeheer en mitigatie van conglomeraten van UHS in zoutcavernes.

KEM-28 EINDRAPPORT

De resultaten werden gepresenteerd in een eindverslag van 791 pagina's, dat het literatuuronderzoek van fase 1 en verslagen over de andere drie taken omvatte. De resultaten van taak 1 worden gerapporteerd in deel 1 van het verslag, de resultaten van taak 2 in deel 2 van het verslag en de resultaten van taken 3 en 4 in een gecombineerd “deel 3&4” van het verslag.

Dit onderzoek had betrekking op de haalbaarheid van ondergrondse opslag van waterstof (UHS) in een conglomeraat van zoutcavernes op het vasteland in Nederland, waarbij potentiële faalscenario's werden geanalyseerd, de bijbehorende risico's werden gekwantificeerd en gerangschikt, en maatregelen werden geïdentificeerd om die risico's te beperken. Er zijn algemene richtlijnen en ontwerpfactoren voor een conglomeraat van negen identieke zoutcavernes vastgesteld en beschreven. De resultaten en conclusies van deze studie vormen de basis voor het integreren van de kruip van een zeer heterogeen meerfasig steenzout in thermomechanische simulaties, wat uiteindelijk de risicobeoordelingen van UHS in zoutcavernes ondersteunt. Op basis van deze studie is het volgende vastgesteld:

- Waterstofopslag in een conglomeraat van zoutcavernes in Nederland is technisch haalbaar. Er moeten echter veel preventieve en corrigerende maatregelen worden genomen en er moet aanvullend locatiespecifiek onderzoek worden uitgevoerd om de risico's te minimaliseren.

- Het gebruik van oude putten en cavernes voor opslag moet worden vermeden, aangezien deze niet zijn gemaakt van H2- en H2S-gecertificeerd materiaal. Bij voorkeur moet worden begonnen met nieuwe cavernes.

- Het is beter om te beginnen met een relatief klein ontwerp met een lage frequentie. Dit moet gepaard gaan met monitoring en aanvullend onderzoek, en voortdurende evaluatie.

- De beste locatie voor het creëren van een caverneconglomeraat is in het midden van de koepel; dit heeft de minste invloed op de brosse vervorming in de deklaag.

- Het caverneveld mag niet dicht bij het zout-sedimentgrensvlak en in de directe omgeving van breuken worden geplaatst, omdat dit kan leiden tot geïnduceerde brosse vervorming in de reeds bestaande breukzones. Dit hangt af van de algemene dynamiek van de koepel.

- Het spanningsveld binnen een paar honderd meter van een zoutcaverne zal aanzienlijk worden verstoord. De verstoring hangt af van de kruipreologie van het steenzout en de interne stratigrafie van de koepel.

- De ontwikkeling van een zichzelf voortplantende schadezone in het zoutgesteente van een waterstofcaverne is een reële mogelijkheid. Dergelijke gebeurtenissen kunnen worden veroorzaakt door een wisselwerking tussen spanningsveranderingen als gevolg van grotdruk, het ontstaan en verdwijnen van porositeit door microscheurtjes, herkristallisatie, breukherstel en zoutvervorming als gevolg van effectieve drukveranderingen en gasdrukgradiënten. De omvang van deze effecten hangt af van de aanwezigheid van heterogeniteiten (zoals anhydriet) en de aard van Kristallbrockensalz, en moet worden bepaald door locatiespecifiek onderzoek en modellering.

- De aanwezigheid van heterogeniteiten zal geen significant effect hebben op de kruipeigenschappen van het steenzout als hun volumefractie minder dan 20 % bedraagt.

- Als de volumefractie van heterogeniteiten 60 % of meer bedraagt, zullen zij het effectieve kruipgedrag van het steenzout domineren; een gedrag dat minder voorspelbaar is en de individuele en (onzekere) kruipeigenschappen van de megakorrels en anhydrietverontreinigingen volgt.

- Het oplossen van waterstofgas in de pekel leidt tot de vorming van waterstofsulfide, dat een wisselwerking aangaat met het omringende steenzout en de lithologieën van de tweede fase, waardoor de samenstelling van het opgeslagen gas verandert. Ook kunnen er veranderingen in de geometrie en porositeit optreden, wat kan leiden tot de connectiviteit en permeabiliteit van de onoplosbare of slecht oplosbare lagen.

- Voor een grondige risicoanalyse moet voor elke locatie specifiek onderzoek worden uitgevoerd. Dit omvat: gedetailleerde geochemische studies en modellering, karakterisering van de geologische omstandigheden onder het oppervlak met voldoende ruimtelijke resolutie om kritieke lithologieën te identificeren, en aanvullende laboratorium- en in-situ-tests. Met name de mineralogische, chemische, fysische en microbiologische omstandigheden van de locatie vóór het injecteren van waterstof in een caverne en tijdens de opslag moeten worden onderzocht en gemonitord. Analyse van de oppervlakte-effecten van een blow-out (straalbrand, steekvlam en ongeconfineerde dampontploffing), evolutie van de waterstofpluim die door een lek wordt gevormd voor verschillende atmosferische omstandigheden, en berekening van de afstand van de effecten voor verschillende scenario's.

- Risicomaatregelen moeten worden geëvalueerd en aan alle relevante belanghebbenden worden gerapporteerd en de risicoanalyses moeten tijdens verschillende stadia van de opslag worden bijgewerkt.

Ook moeten de volgende preventieve en corrigerende maatregelen worden overwogen:

Belangrijkste preventieve maatregelen: selecteren van de beste vorm, diepte en locatie voor cavernes; het bepalen van methoden ter voorkoming van micro-annuli op de raakvlakken tussen bekisting, cement en gesteente, generiek onderzoek naar de interactie van materialen met waterstof en/of H2S en het gebruik van H2- en H2S-gecertificeerd materiaal; het vaststellen van minimale voorwaarden voor H2-opslagcavernes (regelmatige caverne- en puttests, sonarmetingen, hoogwaardige mechanische integriteitstests met duidelijke succescriteria, cementhechtingslogboek, veiligheidskleptests); open, proactieve communicatie met belanghebbenden (publiek, politiek en pers) en andere exploitanten; invoering van strenge voorschriften (bijvoorbeeld met betrekking tot gestapelde mijnbouw) en versterking van de rol van de toezichthouder.

Belangrijkste corrigerende maatregelen: ontwikkeling en implementatie van een noodplan; aanpassing van de opslagkenmerken (bijv. druk (min/max), max. opbrengst); behandeling van micro-annuli en andere onderdelen met speciale materialen (harsen, silicaten, enz.) en biologische behandeling); gecontroleerde productie en/of affakkeling van H2; open communicatie met belanghebbenden (publiek, politiek en pers) en andere exploitanten. Het belang en de gevolgen van deze effecten moeten voor elke opslaglocatie afzonderlijk worden onderzocht.

Het project is geëvalueerd door het wetenschappelijk panel van KEM. De evaluatie (de herziene versie) kan worden geopend via de volgende link.

KEM-28 PROJECTEVALUATIE

De algemene doelstellingen van dit project waren het ontwikkelen van richtlijnen en het uitstippelen van strategieën voor risicoanalyse, risicobeheer en risicobeperking met betrekking tot de ondergrondse opslag van waterstof (UHS) in een conglomeraat van zoutcavernes op het vasteland in Nederland. Het onderzoek moest met name gericht zijn op het kwantificeren en rangschikken van de risico's op basis van verschillende storingsscenario's, rekening houdend met de waarschijnlijkheid van het optreden ervan en de gevolgen ervan, en op het vaststellen van maatregelen om die risico's te beperken.

De volgende conclusies en aanbevelingen kunnen worden geformuleerd:

- Waterstofopslag in een conglomeraat van zoutcavernes in Nederland is technisch haalbaar. Er moeten echter veel preventieve en corrigerende maatregelen worden genomen en er moet aanvullend locatiespecifiek onderzoek worden uitgevoerd om de risico's tot een minimum te beperken.

- Het gebruik van oude putten en cavernes voor opslag moet worden vermeden, aangezien deze niet zijn gemaakt van H2- en H2S-gecertificeerd materiaal. Bij voorkeur moet worden begonnen met nieuwe cavernes.

- Het is beter om te beginnen met een relatief klein ontwerp met een lage frequentie. Dit moet gepaard gaan met monitoring en aanvullend onderzoek, en voortdurende evaluatie.

- De beste locatie voor het creëren van een caverneconglomeraat is in het midden van de koepel; dit heeft de minste invloed op de brosse vervorming in de bovenlaag.

- Het caverneveld mag niet dicht bij het zout-sedimentgrensvlak en in de directe omgeving van breuken worden geplaatst, omdat dit kan leiden tot geïnduceerde brosse vervorming in de reeds bestaande breukzones. Dit is afhankelijk van de algemene dynamiek van de koepel.

- Het spanningsveld binnen een paar honderd meter van een zoutcaverne zal aanzienlijk worden verstoord. De verstoring hangt af van de kruipreologie van het steenzout en de interne stratigrafie van de koepel.

- De ontwikkeling van een zichzelf voortplantende schadezone in het zoutgesteente van een waterstofcaverne is een reële mogelijkheid. Dergelijke gebeurtenissen kunnen worden veroorzaakt door een wisselwerking tussen spanningsveranderingen als gevolg van grotdruk, het ontstaan en verdwijnen van porositeit door microscheurtjes, herkristallisatie, breukherstel en zoutvervorming als gevolg van effectieve drukveranderingen en gasdrukgradiënten. De omvang van deze effecten hangt af van de aanwezigheid van heterogeniteiten (zoals anhydriet) en de aard van Kristallbrockensalz, en moet worden bepaald door locatiespecifiek onderzoek en modellering.

- De aanwezigheid van heterogeniteiten zal geen significant effect hebben op de kruipeigenschappen van het steenzout als hun volumefractie minder dan 20 % bedraagt.

- Als de volumefractie van heterogeniteiten 60 % of meer bedraagt, zullen zij het effectieve kruipgedrag van het steenzout domineren; een gedrag dat minder voorspelbaar is en de individuele en (onzekere) kruipeigenschappen van de megakorrels en anhydrietverontreinigingen volgt.

- Het oplossen van waterstofgas in de pekel leidt tot de vorming van waterstofsulfide, dat een wisselwerking aangaat met het omringende steenzout en de lithologieën van de tweede fase, waardoor de samenstelling van het opgeslagen gas verandert. Ook kunnen er veranderingen in de geometrie en porositeit optreden, wat kan leiden tot de connectiviteit en permeabiliteit van de onoplosbare of laagoplosbare lagen. Het belang en de gevolgen van deze effecten moeten voor elke opslaglocatie afzonderlijk worden onderzocht.

- Voor elke locatie moet locatiespecifiek onderzoek worden uitgevoerd voor een grondige risicoanalyse. Dit omvat: gedetailleerde geochemische studies en modellering, karakterisering van de geologische omstandigheden onder het oppervlak met voldoende ruimtelijke resolutie om kritische lithologieën te identificeren, en aanvullende laboratorium- en in-situ-tests. Met name de mineralogische, chemische, fysische en microbiologische omstandigheden van de locatie vóór het injecteren van waterstof in een caverne en tijdens de opslag moeten worden onderzocht en gemonitord. Analyse van de oppervlakte-effecten van een blow-out (straalbrand, steekvlam en ongeconfineerde dampontploffing), evolutie van de waterstofpluim die door een lek wordt gevormd voor verschillende atmosferische omstandigheden, en berekening van de afstand van de effecten voor verschillende scenario's.

- Risicomaatregelen moeten worden geëvalueerd en aan alle relevante belanghebbenden worden gemeld, en de risicoanalyses moeten tijdens verschillende stadia van de opslag worden bijgewerkt. Ook moeten de volgende preventieve en corrigerende maatregelen worden overwogen:

Belangrijkste preventieve maatregelen: selecteren van de beste vorm, diepte en locatie voor cavernes; het bepalen van methoden ter voorkoming van micro-annuli op de raakvlakken tussen bekisting, cement en gesteente, generiek onderzoek naar de interactie van materialen met waterstof en/of H2S en het gebruik van H2- en H2S-gecertificeerd materiaal; het vaststellen van minimale voorwaarden voor H2-opslagcavernes (regelmatige caverne- en puttests, sonarmetingen, hoogwaardige mechanische integriteitstests met duidelijke succescriteria, cementhechtingslogboek, veiligheidskleptests); open, proactieve communicatie met belanghebbenden (publiek, politiek en pers) en andere exploitanten; implementatie van strenge regelgeving (bijvoorbeeld met betrekking tot gestapelde mijnbouw) en versterking van de rol van de toezichthouder.

Belangrijkste corrigerende maatregelen: ontwikkeling en implementatie van een noodplan; aanpassing van de opslagkenmerken (bijv. druk (min/max), max. opbrengst); behandeling van micro-annuli en andere onderdelen met speciale materialen (harsen, silicaten, enz.) en biologische behandeling); gecontroleerde productie en/of affakkeling van H2; open communicatie met belanghebbenden (publiek, politiek en pers) en andere exploitanten.

Het project heeft goed werk geleverd op veel relevante punten en de resultaten van dit project en de aanbevelingen zijn nuttig voor de overheid en de regelgevende instanties bij het formuleren van beleid en het informeren van het publiek, en voor bedrijven die betrokken zijn bij ondergrondse productie- of opslagactiviteiten in Nederland. Het is echter belangrijk dat er meer onderzoek, ontwikkeling en validatie wordt gedaan om geschikte simulatiemodellen te ontwikkelen voor kwantitatieve voorspellingen, risicobeoordeling en kwantificering van onzekerheden.

Over het algemeen is de maatschappelijke acceptatie van waterstofopslag een belangrijk onderdeel van het succes of falen van waterstofopslag en verdient deze aandacht van de overheid.