Możliwość budowy kawern solnych nie jest wyłącznie kwestią dostępności rozwiązań technologicznych, lecz przede wszystkim determinują ją uwarunkowania geologiczne złoża. To jego wielkość, geometria i głębokość zalegania wyznaczają realne granice możliwych rozwiązań inżynierskich, decydując o dopuszczalnych wymiarach kawern, zakresach ciśnień magazynowania oraz opłacalności całej inwestycji. Kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa i trwałości eksploatacji ma wewnętrzna architektura złoża solnego i jego właściwości geomechaniczne, które kontrolują stateczność i szczelność kawern w skali długoterminowej.

Forma i wielkość złoża

Forma i wielkość złoża solnego w dużym stopniu decydują o możliwościach lokalizacji, projektowania i bezpiecznej eksploatacji kawern tworzonych metodą ługowania^[1]. Forma złoża odnosi się tu do ogólnego kształtu struktury solnej oraz sposobu jej zalegania w górotworze — może to być rozległy, niemal poziomy pokład solny, lokalne zgrubienie pokładu w postaci poduszki lub antykliny solnej, albo stroma, pionowo rozwinięta struktura wysadowa o lokalnym zasięgu. Każda z tych form w inny sposób narzuca ograniczenia geometryczne, a tym samym wpływa na maksymalną wielkość i kształt możliwych do wykonania kawern solnych^[1,2].

Położenie kawern w różnych formach struktur solnych.

Złoża pokładowe cechują się zwykle dużym zasięgiem poziomym i względną jednorodnością, co sprzyja ich dobremu rozpoznaniu geologicznemu oraz przewidywalności warunków geomechanicznych. Ich zwykle ograniczona miąższość determinuje jednak ścisłe limity maksymalnej wysokości kawern i często wpływa na ekonomiczną opłacalność inwestycji. Przyjmuje się, że minimalna miąższość złoża umożliwiająca wykonanie kawerny magazynowej o wysokości kilkudziesięciu metrów, przy zachowaniu bezpiecznych odległości od granic złoża, wynosi około 100 m^[1]. Lokalnie miąższość złoża pokładowego może zwiększać się w obrębie poduszek lub antyklin solnych, co może sprzyjać lokalizacji kawern w ich obrębie.

Odmienną sytuację stanowią wysady solne, których znaczna rozciągłość pionowa (rzędu nawet kilku kilometrów) umożliwia lokalizację kawern o bardzo dużych wysokościach i tym samym objętościach. Kluczowym czynnikiem ograniczającym możliwość budowy kawern jest wielkość samego wysadu, który ma charakter struktury lokalnej. Należy również podkreślić, że wysady solne często charakteryzują się złożoną budową wewnętrzną, co może dodatkowo istotnie ograniczać możliwości lokalizacji i projektowania kawern^[1,2].

Silnie zdeformowana i niejednorodna architektura wewnętrzna — z licznymi nieciągłościami, przewarstwieniami skał niesolnych czy strefami osłabienia — nie jest korzystna do lokalizacji kawern^[2]. Tego typu złożoność jest charakterystyczna przede wszystkim dla złóż wysadowych, ale może występować również w innych typach złóż. Utrudnia ona projektowanie i ogranicza możliwość wiarygodnego przewidywania zachowania kawern w trakcie eksploatacji. Dlatego preferowane są złoża o możliwie jednorodnej budowie, dobrze rozpoznane geologicznie i pozbawione istotnych zaburzeń strukturalnych, które umożliwiają bezpieczne zaprojektowanie kawern i stabilną, długoterminową eksploatację^[3].

Głębokość zalegania złoża

Głębokość zalegania złoża jest jednym z kluczowych parametrów ograniczających projektowanie kawern solnych, ponieważ bezpośrednio wpływa zarówno na zachowanie się samej soli, jak i na aspekty technologiczne oraz ekonomiczne inwestycji^[4,5,6]. Wraz ze wzrostem głębokości rośnie nacisk skał znajdujących się nad złożem oraz temperatura, a oba te czynniki powodują, że sól mniej jest podatna na pękanie, lecz zaczyna łatwej podlegać deformacji plastycznej. W efekcie ściany kawern stopniowo zbliżają się do siebie, a jej objętość maleje — zjawisko to nazywa się konwergencją. Zbyt głębokie posadowienie prowadzi więc do szybszej utraty pojemności i skrócenia czasu bezpiecznej eksploatacji[^1,3].

Wpływ głębokości posadowienia kawerny na parametry geometryczne, geomechaniczne i ekonomiczne.

Kawerny położone płycej, ze względu na konieczność zapewnienia szczelności, pracują przy niższych ciśnieniach i mają mniejsze rozmiary. W efekcie możliwe jest magazynowanie mniejszych ilości gazu, a tempo jego poboru jest niższe. Z kolei kawerny posadowione głęboko umożliwiają pracę przy wyższych ciśnieniach, zwiększając zarówno pojemność jak i tempo poboru gazu. Budowa takich kawern jest jednak znacznie droższa. Z tego powodu w praktyce poszukuje się kompromisu pomiędzy bezpieczeństwem, pojemnością i kosztami. W literaturze minimalna głębokość posadowienia kawern jest najczęściej określana na ok. 500 m, choć znane są przykłady np. kawerna wodorowa Teesside w Wielkiej Brytanii, której strop (czyli jej góra część kawerny) znajduje się na głębokości ok. 350 m^[4]. Znacznie większe rozbieżności dotyczą określenia głębokości maksymalnej, którą przyjmuje się między 1800 a 2400 m. Za optymalny zakres głębokości najczęściej uznaje się 1000-1200 m jako rozsądny kompromis między stabilnością a kosztami inwestycji^[1,2].

Głębokość posadowienia i kształt wybranych kawern solnych w Polsce i na świecie^[3,7].

Właściwości fizykochemiczne i geomechaniczne górotworu solnego

Równie istotne dla projektowania kawern są właściwości geomechaniczne i fizykochemiczne samego górotworu solnego, które warunkują możliwość bezpiecznego wykonania oraz długotrwałej stabilności i szczelności kawern solnych^[8,9]. Sól kamienna nie jest jednorodna, a jej cechy mogą różnić się między poszczególnymi złożami, jak i w obrębie jednego złoża. Na zmienność tą wpływają przede wszystkim domieszki innych skał i minerałów oraz różnice w wielkości i ułożeniu kryształów soli. Częstym elementem budowy złóż są również przewarstwienia innych skał, zarówno słabo rozpuszczalnych np. anhydryt, węglany czy iły, jak i bardzo łatwo rozpuszczalnych np. soli potasowo-magnezowych.

Najkorzystniejsze warunki występują w obszarach zbudowanych z soli o wysokiej czystości, cechującej się dużą wytrzymałością, a jednocześnie zdolnością do powolnych odkształceń (wysoką lepkością). Cechy te sprzyjają zachowaniu utrzymywaniu szczelności kawern oraz jedynie niewielkiej utracie ich objętości związanej z konwergencją^[9,10].

Obecność trudno rozpuszczalnych domieszek może spowalniać proces ługowania. Nierozpuszczone fragmenty skał podczas ługowania nie są usuwane z kawerny i z gromadzą się na jej dnie, prowadząc to do zmniejszenia jej efektywnej pojemności magazynowej. Z tego względu zawartość takich składników w złożu powinna być możliwie jak najmniejsza.

Dodatkowo, obecność domieszek zwiększa podatność soli na powstanie spękań, zwiększając ryzyko powstania nieszczelności ^[8]. Grube przewarstwienia utrudniają uzyskanie regularnej geometrii komór i mogą obniżać ich stabilność. Przewarstwienia skał innych niż sól, często ze względu na większą porowatość i obecność spękań, mogą także osłabiać szczelność górotworu. Z kolei miąższe warstwy łatwo rozpuszczalne mogą prowadzić do nadmiernego i trudnego do kontrolowania rozmywania soli w trakcie ługowania, stanowiąc dodatkowe zagrożenie dla bezpieczeństwa kawern^[1,3].

Przykłady kształtów kawern uzyskanych w wyniku ługowania w A) złożu pokładowym o względnie jednorodnych własnościach - Foster Creek, Kanada^[11] i B) złożu wysadowym o złożonej wewnętrznej architekturze - KPMG Mogilno^[12].

Zobacz także

• Właściwości mechaniczne i chemiczne soli kamiennej
• Czym jest konwergencja kawern?
• Magazyny kawernowe na świecie

Literatura

[1] Warren, J.K., 2016. Solution Mining and Salt Cavern Usage. Evaporites. Springer International Publishing, Cham, 1303–1374

[2] Kunstman A., Poborska-Młynarska K., Urbańczyk K., 2009. Geologiczne i górnicze aspekty budowy magazynowych kawern solnych, Przegląd Geologiczny, vol. 57(9)

[3] Majer, E., Sokołowska, M., 2023. Zasady dokumentowania warunków geologiczno-inżynierskich na potrzeby podziemnego bezzbiornikowego magazynowania i składowania (z wyłączeniem składowani odpadów promieniotwórczych). Państwowy Instytut Geologiczny-Państwowy Instytut Badawczy

[4] Caglayan, D.G., Weber, N., Heinrichs, H.U., Linßen, J., Robinius, M., Kukla, P.A., Stolten, D., 2020. Technical potential of salt caverns for hydrogen storage in Europe. International Journal of Hydrogen Energy 45, 6793–6805. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.12.161

[5] Navaid, H.B., Emadi, H., Watson, M., 2023. A comprehensive literature review on the challenges associated with underground hydrogen storage. International Journal of Hydrogen Energy 48, 10603–10635. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.11.225

[6] Kłeczek, Z., Radomski, A., Zeljaś, D., 2005. Podziemne magazynowanie. Centrum Mechanizacji Górnictwa KOMAG, Gliwice

 [7] Allsop, C., Yfantis, G., Passaris, E., Edlmann, K., 2023. Utilizing publicly available datasets for identifying offshore salt strata and developing salt caverns for hydrogen storage. Geological Society, London, Special Publications 528, 139–169

[8] Cyran, K., 2021. The Influence of Impurities and Fabrics on Mechanical Properties of Rock Salt for Underground Storage in Salt Caverns – a Review. Archives of Mining Sciences. https://doi.org/10.24425/ams.2021.137454

[9] Ramesh Kumar, K., Hajibeygi, H., 2022. Influence of pressure solution and evaporate heterogeneity on the geo-mechanical behavior of salt caverns. The Mechanical Behavior of Salt X. CRC Press, London, 407–420.

[10] Słotwiński, M., Adamuszek, M., 2023. Wpływ uziarnienia soli kamiennych na tempo zaciskania się kawern solnych. Przegląd Solny 17, 117–138.

[11] Reed, A., Greene, D., 2012. Salt Caverns in the Oil Sands. SMRI Conference Saskatchewan

[12] Urbańczyk, K., Gąska, K., 2007. Exploitation of the gas storage cavern aided by computer simulation– Mogilno case study. Zaprezentowano na ATW SPE Workshop “Underground Gas Storage– Today and Tomorrow”, Kraków