无衬里花岗岩洞穴储氢潜力：地球化学相互作用的实验与数值研究

　　为解决可再生能源波动性带来的大规模储能挑战，研究人员开展了无衬里花岗岩洞穴(URCs)储氢的可行性研究。通过14周5 MPa压力下的H2 -花岗岩-盐水体系实验及PHREEQC数值模拟，发现硅酸盐矿物与H2 反应性极低，矿物体积100年仅增加0.65%。该研究填补了结晶岩储氢领域空白，为缺乏传统地质储层的地区提供了稳定储氢方案。

　　

在全球能源转型背景下，可再生能源的间歇性特征对电网稳定性提出严峻挑战。氢能作为高能量密度(143 MJ/kg)的清洁能源载体，其大规模储存成为实现碳中和的关键环节。然而传统地下储氢(UHS)方案如盐穴和多孔介质储层存在地理局限性，且面临化学/微生物反应风险。特别在东北、东南亚和大西洋沿岸等以火成岩、变质岩为主的地区，亟需开发新型储氢方案。无衬里岩洞(URCs)因其建造灵活性和广泛地质适应性备受关注，但关于花岗岩等结晶岩与H₂
的地球化学相互作用尚缺乏系统研究。

澳大利亚研究委员会资助项目团队通过创新性的"实验-模型"双轨研究，首次全面评估了花岗岩-盐水-H₂
体系的反应特性。研究选用澳大利亚Harcourt花岗岩粉末(38-63 μm)，在5 MPa压力、室温条件下开展为期14周的静态批次实验，设置N₂
对照组排除盐水干扰。采用ICP-OES监测溶液元素浓度，XRD/SEM-EDS表征矿物相变，并建立PHREEQC动力学模型验证实验结果。进一步将模型参数调整为捷克Haje商业URC的实际条件(12.5 MPa，40°C)，预测百年尺度下的矿物演化。

矿物溶解动力学方面，实验显示K长石质量分数从19.3%降至16.4%，而石英等矿物保持稳定。ICP-OES数据显示Ca²⁺
浓度从1 ppm升至20 ppm，K⁺
浓度先增至初始值2.5倍后回落，与PHREEQC预测的矿物溶解序列吻合。值得注意的是，H₂
与N₂
组的元素浓度差异<±2 ppm，证实硅酸盐矿物的"惰性"特征。模型验证表明现有LLNL数据库能准确预测硅酸盐-H₂
相互作用，这与碳酸盐-H₂
体系需修正数据库的结论形成鲜明对比。

长期预测模型揭示关键发现：在模拟Haje URC条件下，斜长石(钙长石)呈现快速溶解特征，前4个月质量减少11%，而石英百年内变化<0.5%。次生矿物如浊沸石、蒙脱石-Ca等沉淀导致净矿物体积增加0.65%，相当于孔隙度降低。这种"自密封"效应有利于抑制H₂
渗漏，但铁镁矿物(绿泥石)在十年后溶解加速的现象提示需关注长期氧化还原反应。

该研究突破性地证实：花岗岩作为URC宿主岩体，在典型储氢条件下与H₂
的化学反应可忽略不计，矿物相变主要受控于盐水蚀变而非H₂
参与的反应。研究建立的数值模型为URC选址评估提供了可靠工具，特别指出矿物沉淀导致的孔隙度降低(0.65%)反而能增强密闭性。这些发现为缺乏盐层构造的地区发展氢经济提供了关键技术支撑，推动URCs成为继盐穴、枯竭油气藏之后的第三大储氢选择。未来研究需拓展至微生物催化反应、温度-压力耦合效应等复杂场景，以完善URC储氢的全生命周期风险评估体系。论文发表于《Journal of Energy Storage》，为全球能源转型背景下的新型储氢技术开发奠定了重要理论基础。