Kawerny solne jako magazyny energii i wodoru – polski potencjał geologiczny

Geologia pod powodzeniem: dlaczego sól sprawdza się lepiej niż skały zbiornikowe

Właściwości geomechaniczne soli krystalicznej sprawiają, iż jest ona niemal idealnym medium dla bezpiecznego składowania H₂ pod ciśnieniem roboczym rzędu 150–250 bar. Porowatość typowych skał zbiornikowych, takich jak piaskowce, oscyluje w granicach 10–25 %, co generuje ryzyko dyfuzji gazu, podczas gdy nieszczelność soli kamiennej jest mniejsza niż 0,1 %. Badania przeprowadzone przez Sandia National Laboratories w 2018 r. dla magazynu Clemens Dome w USA potwierdziły, że sól kamienna osiąga ekstremalnie niską nieprzepuszczalność na poziomie 10⁻²¹ m². Sól wykazuje unikalną zdolność do pełzania plastycznego, co pozwala na samoczynne zamykanie mikroszczelin powstałych w wyniku naprężeń górotworu, określanych jako samouzdrawiające się mikroszczeliny.

Efektywność ekonomiczna kawern solnych przewyższa inne metody podziemnego składowania gazów. Według danych Gas Infrastructure Europe, uśredniony koszt magazynowania 1 GWh energii w kawernie solnej wynosi około 0,4 mln EUR, podczas gdy w wyeksploatowanym złożu gazu koszt ten wzrasta do 1,1 mln EUR. Kawerny solne są bezkonkurencyjne do magazynowania wodoru ze względu na wysoką szczelność i możliwość szybkiego zatłaczania oraz odbioru paliwa. Poniższa tabela przedstawia porównanie parametrów technicznych różnych struktur geologicznych wykorzystywanych w procesach magazynowania energii.

W Polsce zidentyfikowano dwa główne pasma perspektywiczne dla budowy podziemnych magazynów wodorowych. Są to Zapadlisko Przedbabiogórskie, gdzie pokłady soli występują na głębokościach 80–220 m, oraz Wyniesienie Łeby położone w północnej części kraju, z pokładami sięgającymi 1,6 km. Aktualnie w kraju funkcjonuje 10 kawern solnych w ruchu operacyjnym, a kolejne 24 zostały poddane procesom rekultywacji. Mapy przygotowane przez Państwowy Instytut Badawczy (PIG-PIB) w skali 1:200 000 wskazują na ogromny potencjał struktur solnych, szczególnie w pasie nadmorskim, co sprzyja integracji z planowanymi farmami wiatrowymi na Bałtyku.

Moc w liczbach: 35 TWh wodoru i 130 mln ton CO₂, których można uniknąć

Potencjał magazynowania wodoru w Polsce szacowany jest w zakresie 35–38 TWh rocznie do 2050 roku, co stanowi istotny element europejskiego systemu bezpieczeństwa energetycznego. Obecnie na świecie funkcjonuje 671 podziemnych magazynów gazu o łącznej pojemności 417 mld m³, jednak transformacja energetyczna wymaga adaptacji tych struktur do składowania czystego wodoru. Przeliczając potencjał energetyczny, każda 1 TWh zmagazynowanego zielonego wodoru pozwala uniknąć emisji 0,23 mln ton CO₂, jeśli zastąpi on paliwa kopalne w procesach wysokotemperaturowych. Zielony wodór, wytwarzany w procesie elektrolizy zasilanej energią odnawialną, pozwala przekształcić energię elektryczną w nośnik chemiczny o wysokiej gęstości energii, wynoszącej około 280 kWh/m³.

Realizacja tych założeń jest ściśle powiązana z krajowymi i unijnymi ramami legislacyjnymi oraz celami strategicznymi w obszarze klimatu. Integracja systemu elektroenergetycznego z gazowym zwiększa elastyczność całego układu, co jest niezbędne dla zagospodarowania nadwyżek energii z OZE obserwowanych podczas wysokiej dynamiki rozwoju fotowoltaiki w latach 2015-2022. Poniższa lista prezentuje kluczowe punkty odniesienia dla polskiej polityki wodorowej:

1. Cele Krajowego Planu Odbudowy zakładają instalację 5 GW mocy w elektrolizerach do produkcji niskoemisyjnego wodoru.
2. Polska Strategia Wodorowa wyznacza cel produkcji 200 tys. ton wodoru rocznie do roku 2030, głównie na potrzeby transportu i przemysłu.
3. Pakiet Fit-for-55 nakłada obowiązek redukcji emisji gazów cieplarnianych o minimum 55 % w stosunku do poziomu z 1990 roku.

Cena uprawnień do emisji CO₂ stanowi główny katalizator inwestycji w technologie wodorowe. W 2024 roku koszt emisji oscyluje wokół 100 EUR za tonę, jednak prognozy na rok 2040 wskazują na wzrost do poziomu 400 EUR za tonę. Polska emituje rocznie około 130 milionów ton CO₂, co przy obecnych stawkach oznacza wartość rynku uprawnień na poziomie 13 mld EUR, a w perspektywie 2040 r. kwota ta może wzrosnąć do 52 mld EUR. Wysokie ceny emisji bezpośrednio determinują opłacalność budowy wielkoskalowych magazynów wodoru, ponieważ stają się one tańszą alternatywą dla opłat emisyjnych, prowadząc do sukcesywnego spadku śladu węglowego polskiej gospodarki.

Magazyny są kluczowe, ponieważ w procesie przechodzenia na gospodarkę zeroemisyjną rozwiązują problem związany z niestabilną produkcją energii pochodzącej z jej odnawialnych źródeł (OZE).

Od pomysłu do pierwszej pełnej kawerny – harmonogram i finansowanie

Projekt badawczy realizowany przez Państwowy Instytut Geologiczny – PIB we współpracy z Narodowym Funduszem Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej koncentruje się na analizie wpływu zmienności litologicznej na stabilność podziemnych magazynów wodoru. Prace rozpoczęły się w październiku 2024 r., a ich zakończenie planowane jest na 30 września 2026 r., zgodnie z umową nr 233/2024/Wn07/FG-go-dn/D. Głównym celem jest modelowanie numeryczne zachowania się kawern w specyficznych warunkach geologicznych Wyniesienia Łeby. Lokalizacja ta jest strategiczna, gdyż znajduje się w odległości około 350 km od planowanych morskich farm wiatrowych, co minimalizuje koszty przesyłu energii do elektrolizerów.

Istotnym źródłem finansowania jest Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, które ogłosiło XI konkurs w ramach programu GOSPOSTRATEG. Nabór wniosków wystartował wiosną, a termin składania dokumentacji upływa w wakacje, dokładnie 14 sierpnia br. o godzinie 16:00. Maksymalne dofinansowanie pojedynczego projektu wynosi 20 mln zł, co jest kwotą znaczącą, biorąc pod uwagę, że koszt wykonania jednego kilometra odwiertu rozpoznawczego w polskich warunkach wynosi od 4 do 6 mln zł. Program ten stymuluje współpracę między nauką a przemysłem, kładąc nacisk na praktyczne wdrożenia technologii wodorowych w gospodarce.

Ryzyka i obawy – co musi się jeszcze wyjaśnić, zanim wodór wjedzie pod ziemię

Bezpieczeństwo techniczne podziemnych magazynów wodoru wiąże się z koniecznością rozwiązania kilku kluczowych problemów naukowych. Pierwszym z nich jest wietrzenie ścian kawerny i potencjalne powstawanie siarczków w wyniku reakcji wodoru z pozostałościami organicznymi lub mikroorganizmami żyjącymi w solance. Kolejnym wyzwaniem jest zjawisko embrittlement, czyli kruchości wodorowej stali, która może osłabiać głowice odwiertów i rury wydobywcze pod wpływem długotrwałej ekspozycji na H₂. Trzecim czynnikiem ryzyka jest efekt „plume” przy szybkiej ekstrakcji gazu, co może prowadzić do nagłych zmian temperatury wewnątrz kawerny i naruszenia jej stabilności strukturalnej. Aktualnie trwają intensywne badania geomechaniczne mające na celu określenie granicznych parametrów operacyjnych dla polskich złóż.

W celu minimalizacji wymienionych zagrożeń, operatorzy przyszłych magazynów będą musieli wdrożyć rygorystyczne procedury operacyjne i technologiczne. Rozwój technologii magazynowania wodoru wymaga połączenia innowacji z najwyższymi standardami bezpieczeństwa. Do kluczowych działań zapobiegawczych należą:

• Utrzymywanie parametrów tzw. suchego wodoru, gdzie punkt rosy wynosi poniżej -50 °C, co zapobiega korozji i rozwojowi mikroflory.
• Ciągły monitoring ciśnienia w interwałach co 1 h oraz stosowanie systemów wczesnego wykrywania wycieków o czułości 10⁻⁶ na rok.
• Zastosowanie specjalistycznych cementów do uszczelniania kolumn rur, charakteryzujących się ekstremalnie niską przepuszczalnością dla cząsteczek wodoru.

Społeczny wymiar inwestycji budzi niekiedy kontrowersje, co obrazują wypowiedzi z debat lokalnych, takie jak: „Nie chcemy drugiego Łęczyny”. Mimo że według badań Eurobarometru 72 % respondentów popiera rozwój gospodarki wodorowej, tylko 38 % akceptuje budowę podziemnych magazynów w bezpośrednim sąsiedztwie swojej gminy. Rozwiązaniem tego problemu może być stworzenie funduszu benefitów lokalnych, odprowadzającego np. 0,15 EUR od każdej zmagazynowanej MWh na cele społeczne, oraz budowa centrów edukacyjnych promujących wiedzę o bezpieczeństwie gazowym. Doświadczenia z Teesside w Wielkiej Brytanii, gdzie przez 50 lat nie odnotowano incydentów kategorii 4+, stanowią silny argument w dialogu z lokalnymi społecznościami.