Podziemne magazyny i składowiska substancji mogą posiadać bardzo zróżnicowaną pojemność, zależną przede wszystkim od objętości kawern. W przypadku magazynowania gazów kluczową rolę odgrywa ciśnienie, pod którym magazynowana jest substancja. Z pojęciem pojemności powiązana jest również moc odbioru, zwana również dostarczalnością, określająca tempo, w jakim magazynowana substancja może zostać odzyskana.

Kluczowym zagadnieniem przy projektowaniu kawern solnych jest określenie pojemności, czyli tego, ile medium można w nich realnie przechować. W najprostszym ujęciu pojemność geometryczna wynika bezpośrednio z objętości kawerny, którą można obliczyć na podstawie jej kształtu. W praktyce jednak istotniejsza jest pojemność eksploatacyjna, uwzględniająca warunki ciśnienia i temperatury oraz właściwości magazynowanego medium.

W przypadku magazynowania substancji ciekłych, objętość kawerny jest jedynym czynnikiem decydującym o ich pojemności. Odmienna sytuacja występuje w przypadku magazynowania gazów, gdzie kluczową rolę odgrywa ciśnienie magazynowania. Dla gazów często stosuje się równanie stanu dla gazu rzeczywistego, które pozwala przeliczyć objętość geometryczną na ilość gazu w warunkach złożowych. Dodatkowo należy wyróżnić pojemność czynną kawerny, która nie obejmuje ilości gazu, który musi pozostać w przestrzeni magazynowej w celu utrzymania minimalnego ciśnienia i zapewnienia stabilności kawerny. Bardziej złożone modele uwzględniają także procesy deformacyjne górotworu, w wyniku których pojemność kawern ulega stopniowemu zmniejszeniu wskutek konwergencji, co ma istotne znaczenie w analizach długoterminowej eksploatacji i bilansów magazynowych.

 

Objętość kawerny

Na etapie projektowania przyjmuje się uproszczoną geometrię kawerny, której parametry dobierane są z uwzględnieniem budowy geologicznej, wymagań bezpieczeństwa oraz uwarunkowań ekonomicznych, a objętość wyznacza się na podstawie znanych zależności analitycznych dla brył obrotowych^[1,2]. W praktyce często przyjmuje się kształty takie jak walec, walec zakończony stożkami lub półkulami, stożek ścięty czy elipsoida, co pozwala na szybkie oszacowanie objętości na etapie koncepcyjnym i optymalizacyjnym.

W rzeczywistości jednak taki wyidealizowany kształt nigdy nie jest osiągany, ponieważ proces ługowania podlega ograniczonej kontroli hydraulicznej i geologicznej. W efekcie w kawernie rozwijają się lokalne nieregularności ścian, asymetrie oraz strefy przewężeń, a na jej dnie akumuluje się nierozpuszczalny materiał^[3]. Rzeczywistą geometrię określa się po zakończeniu ługowania na podstawie pomiarów echometrycznych, które umożliwiają rekonstrukcję trójwymiarowego modelu przestrzennego. Na tej podstawie objętość wyznacza się metodami numerycznymi, najczęściej poprzez integrację przekrojów lub zastosowanie modeli dyskretnych^[4]. Tym samym obliczenia teoretyczne mają charakter wstępny, natomiast dokładna ocena objętości wymaga uwzględnienia rzeczywistej, często silnie nieregularnej geometrii kawerny.

 

Pojemność kawerny gazowej i rola ciśnienia

W przypadku magazynowania gazów kluczowym czynnikiem determinującym pojemność kawerny jest ciśnienie, które wynika ze ściśliwości gazów. Wraz ze wzrostem ciśnienia ta sama ilość substancji zajmuje mniejszą objętość, dlatego sama objętość geometryczna kawerny nie wystarcza do określenia jej pojemności magazynowej i konieczne jest uwzględnienie warunków ciśnieniowych panujących w jej wnętrzu. W praktyce ustala się dopuszczalny zakres ciśnień, w których kawerna może bezpiecznie funkcjonować. Zakres ten jest ograniczony od góry i od dołu przez współczynniki bezpieczeństwa odnoszone do ciśnienia litostatycznego, czyli ciśnienia w otaczającym górotworze. Ciśnienie to jest z kolei funkcją przede wszystkim głębokości położenia kawerny i średniej gęstości skał nadległych, przy czym dominuje pierwszy z tych czynników. Współczynniki bezpieczeństwa są najczęściej przyjmowane empirycznie na podstawie doświadczeń eksploatacyjnych, rzadziej wyznaczane eksperymentalnie, i wyrażane jako ułamkowe wartości ciśnienia litostatycznego. Typowe wartości oscylują w okolicach 0,3 dla dolnej granicy i 0,8 dla górnej granicy bezpiecznego zakresu ciśnień^[1,2,5]. Tak określony przedział ciśnień wyznacza zarówno ilość gazu możliwego do zmagazynowania, jak i determinuje warunki stabilności mechanicznej kawerny w trakcie eksploatacji.

Zależność pomiędzy objętością kawerny, ciśnieniem oraz ilością zgromadzonego gazu opisuje równanie stanu gazu rzeczywistego w postaci

m = ρV = (pM / RTZ)·V

gdzie:

V – objętość kawerny

ρ – gęstość magazynowanego gazu

p – ciśnienie w kawernie

M – masa molowa gazu

R – uniwersalna stała gazowa

T – temperatura

Z – współczynnik ściśliwości dla danego gazu uwzględniający odchylenie gazu rzeczywistego od zachowania gazu doskonałego.

W praktyce oznacza to, że ilość gazu możliwego do zgromadzenia w kawernie rośnie wraz z ciśnieniem, przy czym zależność ta nie jest liniowa ze względu na wpływ współczynnika Z.

Pojemność kawerny może być wyliczona jako masa gazu możliwa do przechowania. Wartość ta rzadko pozostaje w formie masowej i w praktyce jest przeliczana na objętość gazu w warunkach normalnych (tj. objętość, jaką dana masa gazu zajmowałaby przy ciśnieniu równym ciśnieniu w warunkach powierzchniowych), co umożliwia jej bezpośrednie wykorzystanie w analizach systemowych i rynkowych. Dodatkowo pojemność wyraża się w jednostkach energii na podstawie wartości opałowej gazu, co pozwala powiązać parametry magazynu z bilansem energetycznym i jego funkcją w systemie zasilania.

Wyliczona ze wzoru masa gazu może być przeliczana na objętość gazu w warunkach normalnych (tj. objętość, jaką dana masa gazu zajmowałaby przy ciśnieniu równym ciśnieniu w warunkach powierzchniowych), co umożliwia jej bezpośrednie wykorzystanie w analizach systemowych i rynkowych, a także na odpowiadającą jej ilość energii opałowej (tj. energii wydzielanej na sposób ciepła przy spalaniu jednostki masy lub jednostki objętości paliwa)^[1,2].

 

Pojemność czynna, buforowa i całkowita

Pojemność kawerny gazowej rozpatruje się poprzez trzy powiązane wielkości: pojemność całkowitą, pojemność buforową oraz pojemność czynną. Pojemność całkowita odpowiada maksymalnej masie gazu, jaka może zostać zgromadzona w kawernie przy najwyższym dopuszczalnym ciśnieniu roboczym. Pojemność buforowa odnosi się do masy gazu pozostającej w kawernie przy ciśnieniu minimalnym i stanowi zasób niezbędny do utrzymania stabilności mechanicznej oraz zapewnienia możliwości odbioru gazu. Różnica pomiędzy tymi wartościami definiuje pojemność czynną, czyli ilość gazu, która może być wykorzystywana operacyjnie w cyklach zatłaczania i odbioru^[2].

 

Pojemności kawern magazynujących gaz ziemny i wodór

Kawerny przeznaczone do magazynowania wodoru projektuje się w oparciu o rozwiązania stosowane przy projektowaniu kawern na gaz ziemny. Identyczne objętości kawern na gaz ziemny i wodór nie oznaczają jednak tej samej pojemności magazynowej. Kluczowa różnica wynika z właściwości fizycznych gazów, przede wszystkim ich gęstości. Wodór charakteryzuje się znacznie niższą gęstością niż gaz ziemny, co powoduje, że w tej samej objętości kawerny można zgromadzić istotnie mniejszą masę gazu. W warunkach normalnych 1 m³ gazu ziemnego odpowiada masie rzędu 0,7–0,8 kg, podczas gdy dla wodoru jest to jedynie około 0,09 kg, co oznacza ponad siedmiokrotnie mniejszą ilość substancji w tej samej objętości.

Częściową kompensację tej różnicy stanowi wysoka energia właściwa wodoru, czyli ilość energii przypadająca na jednostkę masy paliwa. Pomimo tego, całkowita ilość energii możliwej do zgromadzenia w kawernie wypełnionej wodorem pozostaje wyraźnie niższa niż w przypadku gazu ziemnego. W przeliczeniu na 1 m³ w warunkach normalnych gaz ziemny dostarcza około 35–40 MJ energii, natomiast wodór jedynie około 10–12 MJ. Oznacza to, że przy porównywalnych rozmiarach kawern magazyny wodoru dysponują mniejszą pojemnością energetyczną^[6,7].

Zestawienie gęstości oraz odpowiadającej jej energii opałowej gazu ziemnego i wodoru odniesionych do jednostki objętości w warunkach normalnych (opracowanie własne?)

Substancja	Objętość [m3]	Masa [kg]	Energia opałowa [MJ]
Gaz ziemny	1	~0,7–0,8	~35–40
Wodór	1	~0,08–0,09	~10–12

 

Różnice te nie stanowią jednak zasadniczego ograniczenia funkcjonalnego, ponieważ oba typy magazynów pełnią odmienne role w systemie energetycznym. Kawerny gazu ziemnego wykorzystywane są głównie do magazynowania sezonowego i strategicznego, co wymaga dużych wolumenów i długiego czasu przechowywania. Z kolei magazyny wodoru projektuje się przede wszystkim z myślą o pracy cyklicznej, związanej z bilansowaniem krótkoterminowych wahań produkcji i zużycia energii. W konsekwencji mniejsza pojemność energetyczna pojedynczych kawern nie jest w tym przypadku czynnikiem ograniczającym ich zastosowanie, lecz wynika z innej funkcji, jaką pełnią w nowoczesnych systemach energetycznych.

 

Przykładowe objętości i pojemności kawern

Typowe kawerny solne mają wysokość od około 100 do 300 m oraz średnice rzędu kilkudziesięciu metrów, co przekłada się na objętości rzędu kilkuset tysięcy do ponad miliona metrów sześciennych. Przy uwzględnieniu dopuszczalnego zakresu ciśnień roboczych odpowiada to pojemności czynnej pojedynczej kawerny wynoszącej zwykle od kilkudziesięciu do ponad 200 mln m³ gazu w przeliczeniu na objętość w warunkach normalnych. Całkowita pojemność magazynu kawernowego jest sumą pojemności jego poszczególnych kawern. Typowe magazyny kawernowe osiągają więc pojemności rzędu kilkuset milionów metrów sześciennych gazu, choć w największych kompleksach, takich jak instalacje w dużych strukturach wysadowych, wartości te mogą przekraczać kilka miliardów metrów sześciennych.

 

Pojemności magazynów kawernowych w porównaniu z magazynami w ośrodkach porowatych

W Polsce przykładem magazynów kawernowych są obiekty w Mogilnie i Kosakowie, których pojemność czynna wynosi odpowiednio około 585 i 240 mln m^3[8]. Na skalę światową jednym z największych magazynów w strukturze wysadowej jest Etzel w Niemczech, gdzie w 51 kawernach magazynowane jest około 3900 mln m³ gazu w przeliczeniu na warunki atmosferyczne^[9].

Na tle magazynów kawernowych magazyny gazu w ośrodkach porowatych mogą osiągać znacznie większe pojemności^[10], co wynika z wykorzystania naturalnych struktur geologicznych o dużej objętości. Średnia pojemność takich magazynów jest wyraźnie wyższa niż w przypadku pojedynczych kawern, a największe instalacje przekraczają nawet kilkanaście miliardów metrów sześciennych gazu^[9].

W Polsce największe magazyny gazu znajdują się w strukturach porowatych w Wierzchowicach, Husowie i Strachocinie, których pojemność czynna wynosi odpowiednio 1200 mln m³, 500 mln m³ i 360 mln m^3[8]. Największy na świecie magazyn gazu Bilcze-Wołtysko-Uherskie na Ukrainie ma natomiast pojemność przekraczającą 17000 mln m3 objętości gazu w przeliczeniu na warunki atmosferyczne^[11].

Pomimo mniejszej pojemności całkowitej magazyny kawernowe mają jednak istotne zalety operacyjne, w szczególności bardzo wysokie wydajności zatłaczania i odbioru gazu oraz korzystny stosunek pojemności czynnej do pojemności buforowej.

Charakterystyka wybranych podziemnych magazynów gazu (opracowanie własne na podstawie [8,9,11])

Nazwa magazynu	Pojemność czynna [mln m3]
Magazyny kawernowe
KPMG Mogilno (Polska)	585,4
KPMG Kosakowo (Polska)	239,4
Etzel (Niemcy)	~3900
Magazyny w strukturach porowatych
PMG Wierzchowice (Polska)	1200
PMG Husów (Polska)	500
PMG Strachocina (Polska)	360
Bilcze-Wołtysko-Uherskie (Ukraina)	17000

 

Moc odbioru (dostarczalność) substancji

Parametrem ściśle powiązanym z pojemnością magazynu jest moc odbioru, określana również jako dostarczalność. Podczas gdy proces zatłaczania gazu do magazynu jest kwestią związaną głównie z wydajnością instalacji sprężarkowych, tak odbiór gazu z podziemnego magazynu odbywa się głównie dzięki naturalnemu samowypływowi wywołanemu różnicą ciśnień między wnętrzem kawerny a instalacją powierzchniową. Wielkość strumienia zależy przede wszystkim od samego ciśnienia w magazynie, jego objętości, przepuszczalności i oporów przepływu.

W magazynach kawernowych gaz znajduje się w jednej, otwartej przestrzeni, dzięki czemu może przepływać z niewielkimi oporami i osiągać wysokie chwilowe wydajności odbioru. W przeciwieństwie do tego, w magazynach zlokalizowanych w ośrodkach porowatych przepływ odbywa się przez złożoną sieć porów i przewężeń w szkielecie skalnym, co znacząco ogranicza prędkość migracji gazu i redukuje maksymalną dostarczalność. W efekcie magazyny kawernowe są szczególnie predysponowane do zastosowań wymagających szybkiej reakcji systemu magazynowego na zmiany zapotrzebowania^[12].

 

Zobacz także

• Typy struktur geologicznych przydatnych do podziemnego magazynowania

 

Literatura

[1] Ślizowski J., Urbańczyk K., Lankof L., Serbin K., 2011. Analiza zmienności polskich pokładów soli kamiennej w aspekcie magazynowania gazu. Wiertnictwo, Nafta, Gaz 28, 431–443

[2] 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

[3] Urbańczyk K., 2015. Źródła wiedzy o procesie ługowania kawern solnych (Proces ługowania kawern solnych cz. I). Przegląd Solny, 11, 32–43

[4] Reitze A., von Tryller H., Ma Z., Behlau J., 2010. Echometric surveying of rock salt storage caverns and input for a structural geological 3D-model. Underground Storage of CO2 and Energy 245

[5] Williams J.D.O., Williamson J.P., Parkes D., Evans D.J., Kirk K.L., Sunny N., Hough E., Vosper H., Akhurst M.C., 2022. Does the United Kingdom have sufficient geological storage capacity to support a hydrogen economy? Estimating the salt cavern storage potential of bedded halite formations. Journal of Energy Storage 53, 105109

[6] Miocic J., Heinemann N., Edlmann K., Scafidi J., Molaei F., Alcalde J., 2023. Underground hydrogen storage: a review. Geological Society, London, Special Publications 528, 73–86

[7] 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

[8] Wittmann B., Wilkosz P., 2022. Bezpieczeństwo energetyczne – rola podziemnych magazynów gazu ziemnego. In: Butrymowicz M., Stala, J. (Eds.), W Służbie Społeczeństwu. Polska w Obronie Praw Człowieka Na Świecie i w Kraju. Uniwersytet Papieski Jana Pawła II w Krakowie Wydawnictwo Naukowe, 159–182

[9] Langnickel H., Reekers C., Käding, C., Wiebke G., Garbe A., Dyck A., 2025. H2 cavern storage – enablers of the energy transition. H2 International 2, 21

[10] Ozarslan A., 2012. Large-scale hydrogen energy storage in salt caverns. International Journal of Hydrogen Energy 37, 14265–14277

[11] Iwaszczuk N., Zapukhliak I., Iwaszczuk A., Dzoba O., Romashko O., 2022. Underground Gas Storage Facilities in Ukraine: Current State and Future Prospects. Energies 15, 6604

[12] Juez-Larré, J., Van Gessel S., Dalman R., Remmelts G., Groenenberg R., 2019. Assessment of underground energy storage potential to support the energy transition in the Netherlands. First Break 37, 57–66