Salta al contenuto principale
Scritto da
  • 6 min
  • 36 fonti
Energia e Reti Elettriche

Come fanno le caverne saline a stoccare idrogeno senza cedere

Come si scavano le caverne saline per stoccare idrogeno e gas: creep del sale, finestra di pressione tra minima e massima, siti come Spindletop e Gronau-Epe.

Sezione di un duomo salino che mostra lo stoccaggio idrogeno caverne saline come funziona, con pozzo di dissoluzione, caverna e strati di sale

Spindletop, in Texas, lavora a 1.500 m di profondità con pressioni tra 68 e 202 bar in una caverna da 906.000 m³.

Una caverna salina nasce sciogliendo la roccia e lascia un vuoto da 300.000-500.000 m³,[1] e in quel vuoto si stocca anche idrogeno: a Gronau-Epe, in Germania, il progetto di RWE ne prevede 38 milioni di Nm³ come gas di lavoro in due caverne.[2] Regge perché il sale è poco permeabile e sigilla il gas per i tempi che contano nello stoccaggio,[3] ma si deforma lentamente sotto carico, e la progettazione sta tutta nel governare quella lentezza. Il confine tra ciò che funziona e ciò che fa fratturare la roccia è una finestra di pressione, ed è lì che si decide se un sito è utilizzabile.
Profondità di Spindletop
1.500 m
Caverna di circa 70 m di diametro, in Texas[4]
Capacità di Gronau-Epe
135 GWh
Due caverne, 38 milioni di Nm³ di idrogeno come gas di lavoro[2]
Esercizio commerciale
2027
Primo riempimento con idrogeno nel 2026, poi l'avvio a Gronau-Epe[5]

In questo articolo

Salta a una sezione

Come nasce una caverna: si scioglie la roccia, non la si scava

Una caverna di stoccaggio si ottiene per dissoluzione controllata del sale: l'acqua scende da un pozzo, scioglie la roccia e lascia un vuoto che a lavori finiti ospita in genere 300.000-500.000 m³ di gas.[1] Nessuno scende a scavare. Si disegna una forma e la si ottiene per solubilizzazione mineraria, il leaching, e dove il sale è omogeneo la cavità viene regolare, mentre dove non lo è si complica.
La sequenza è breve da descrivere: si inietta acqua nello strato di sale, che si dissolve a poco a poco, e la salamoia estratta trova un uso industriale oppure viene smaltita in mare o in un lago salato.[6] Quando la cavità raggiunge il volume di progetto, un'iniezione di gas spiazza la salamoia residua.[7]
Esistono due tipi di roccia ospite. Nei duomi salini il sale forma masse spesse, come a Clemens Dome e Spindletop Dome in Texas; nel salgemma stratificato gli strati di sale si alternano a interstrati che l'acqua scioglie male, e questi rendono più difficili sia il progetto sia l'esercizio delle caverne.[8]
Il caso inglese mostra la scala opposta a quella texana: a Teesside tre caverne da 70.000 m³ ciascuna sono in esercizio da circa 50 anni[9] a una profondità media di 370 m.[10] Una galleria obbliga ad attraversare la roccia, come nell'ipotesi del tunnel sotto lo Stretto di Gibilterra; qui la roccia resta intatta e si usa il vuoto che ha lasciato dietro di sé.
La scala dei siti texani si misura meglio per confronto. Spindletop, con 906.000 m³,[11] supera di quasi il doppio il limite alto dell'intervallo tipico, e ogni metro cubo in più è sale che qualcuno ha dovuto far sciogliere e portare in superficie come salamoia. Per questo il volume non è mai un obiettivo in sé: si sceglie in base a quanto gas di lavoro serve e a quanto la roccia, in quel punto, può sostenere.

Perché il sale regge: poca permeabilità e creep

Il sale offre un'erogazione rapida e una buona tenuta, migliori di quelle delle rocce porose, su scale di tempo rilevanti per lo stoccaggio.[3] Il merito è della sua compattezza.
Il creep è la deformazione permanente di un solido nel tempo sotto uno sforzo che persiste.[12] Nel sale, che ha un comportamento visco-plastico, significa che una cavità non resta mai ferma: le pareti avanzano verso l'interno in modo lento e continuo, e la sicurezza va verificata su tempi lunghissimi, fino all'abbandono del sito. Lo stesso comportamento che rende il sale impermeabile fa restringere la caverna se la pressione interna scende troppo, e un calo rapido di pressione fa salire in modo drastico la velocità di chiusura.[13]
In pratica il progettista ragiona su due orologi. Il primo è quello dei cicli di lavoro, in cui la caverna si carica e si scarica; il secondo è quello geologico, in cui il sale continua a muoversi anche quando nessuno tocca le valvole. Le tre caverne di Teesside, in esercizio da circa 50 anni,[9] mostrano che i due orologi possono convivere a lungo, ma solo se la pressione resta sempre dentro i limiti di progetto.
La tenuta non è una garanzia eterna. La dilatanza, cioè la deformazione volumetrica del sale, può aumentarne la permeabilità e lasciare che il gas stoccato penetri nella roccia.[14]
Il sito si sceglie quindi con criteri precisi: una profondità tra 500 e 2.000 m e uno strato di sale spesso più di 200 m,[15] con meno del 25% di minerali insolubili,[16] e caverne distanziate di circa quattro diametri per ragioni di stabilità.[17] Anche così la vita utile di un deposito è stimata da Bérest in circa 60 anni, dopo i quali il creep porta di norma all'abbandono.[18]

La finestra di pressione: tra cushion gas e fratturazione

L'esercizio di una caverna sta dentro una finestra di pressione. Il minimo sostiene le pareti contro il creep e lo garantisce il cushion gas, la quota di gas che non si estrae mai: tipicamente il 30% del gas totale,[19] con una pressione residua di circa 50 bar contro i 150-200 bar di esercizio.[20] Il massimo lo fissa il gradiente litostatico, cioè il peso della roccia sovrastante, oltre il quale il sale rischierebbe di fratturarsi.
Caverna (Texas)Volume geometricoFinestra operativa
Clemens Dome580.000 m³70-135 bar[21]
Moss Bluff566.000 m³76-134 bar (spesso)[22]
Spindletop906.000 m³68-202 bar[11]
A Spindletop, dove la caverna sta a 1.500 m,[4] l'intervallo operativo è di 134 bar, più del doppio dei 65 bar di Clemens Dome e dei 58 di Moss Bluff.[11][21][22] Il limite inferiore cambia poco da un sito all'altro, tra 68 e 76 bar. È una logica di riserva minima che chi segue le reti conosce, perché i compensatori sincroni esistono per garantire un'inerzia sotto la quale la rete non deve scendere.
Il tetto, poi, ha un margine di sicurezza. In esercizio la pressione massima resta tipicamente sotto l'80% di quella geostatica,[23] perché esiste una soglia di microfratturazione, inferiore alla geostatica, oltre la quale la permeabilità del sale aumenta,[24] e nella maggior parte dei casi il gradiente ammesso alla scarpa del rivestimento è di 0,018 MPa/m.[25]
La velocità di erogazione cambia anche il modo di usare il sito. Una roccia porosa si svuota più lentamente, mentre il sale permette di iniettare e prelevare in fretta,[3] e questo rende la caverna adatta tanto ai picchi di breve durata quanto ai cicli stagionali. Ogni ciclo, però, è un passaggio della pressione lungo la finestra, e il progetto deve tenere conto di quanti cicli la roccia può sopportare.

Dall'aria compressa all'idrogeno: i siti che già lavorano

Il primo impianto di accumulo ad aria compressa al mondo è stato installato a Huntorf, in Germania, nel 1978,[26] con due caverne da 141.000 e 169.000 m³.[27] Stanno a oltre 600 m di profondità, quanto basta per garantire stabilità e una pressione massima di 100 bar.[28] L'impianto di McIntosh, in Alabama, ha poi portato il rendimento dal 42% circa di Huntorf al 54% circa.[29]
Con l'idrogeno il sale diventa un serbatoio per l'accumulo stagionale: lo stoccaggio geologico offre le grandi capacità necessarie ad assorbire la domanda energetica stagionale.[30] In Texas lo si fa già a Clemens Dome, dove si stocca idrogeno dal 1986,[21] mentre i progetti dell'Europa continentale partono adesso. Il progetto RWE di Gronau-Epe prevede due caverne con 38 milioni di Nm³ di idrogeno come gas di lavoro, pari a 3.420 tonnellate e a 135 GWh, con iniezione e prelievo fino a 50.000 Nm³/h.[2] Il primo riempimento è atteso nel 2026 e l'esercizio commerciale nel 2027.[5]
La ragione di tutto è il surplus: l'idrogeno verde prodotto quando l'agrivoltaico o l'eolico superano la domanda può restare in caverna per stagioni. In Spagna il diapiro salino di Poza de la Sal, a Burgos, è candidato a ospitare un deposito di idrogeno verde ricavato dal surplus di eolico.[31]
Il conto si fa in euro e in chilogrammi: secondo lo studio di fattibilità di SBH4, il CAPEX è dell'ordine di 50-100 milioni di euro per caverna, con un costo livellato di stoccaggio di 1-2 euro per kg di idrogeno.[32]

I rischi: microbi, idrogeno che reagisce, blowout

Una caverna non è un serbatoio sterile: ospita una comunità microbica varia.[33] In una salamoia analizzata il solfato era alto, 4,2 g/L, e il carbonio basso.[34] Per l'idrogeno i metabolismi a rischio maggiore sono tre:[35]
  • metanogenesi, che consuma idrogeno per produrre metano;
  • solfato-riduzione, che lo impiega per ridurre il solfato della salamoia;
  • acetogenesi, che lo converte in acetato.
Nave specializzata che posa in mare uno dei cavi sottomarini ad alta tensione dal grande tamburo di bordo

Da leggere · Energia e Reti Elettriche

Perché i cavi elettrici sottomarini usano la continua

Il secondo rischio è meccanico. Un blowout in una caverna di gas è un incidente poco frequente,[36] ma temuto, tanto che si prevede una valvola di sicurezza spesso a 30 m di profondità, e i casi storici di Moss Bluff e Fort Saskatchewan lo ricordano. Roccia, profondità e salamoia decidono quindi quanto idrogeno si può ciclare e con quale margine, e ogni sito resta un caso a sé.

Domande frequenti

Come funziona lo stoccaggio di idrogeno nelle caverne saline?
Si scioglie il sale con acqua per ottenere una cavità sotterranea, poi la si riempie di idrogeno compresso e la si fa lavorare dentro una finestra di pressione. Il gas entra e esce per iniezione e prelievo, e il sale poco permeabile lo trattiene per i tempi che contano nello stoccaggio.

Perché il sale è adatto a stoccare gas e idrogeno?
Perché è compatto e poco permeabile, e perché permette un'erogazione rapida, migliore di quella delle rocce porose. Il suo comportamento visco-plastico impone però di progettare con cura la pressione minima.

Che cos'è il cushion gas e perché la caverna non si svuota del tutto?
È la quota di gas che resta in caverna per mantenere la pressione minima. Svuotarla del tutto lascerebbe le pareti senza sostegno e il creep ne ridurrebbe il volume.

Che differenza c'è tra duomo salino e salgemma stratificato?
Il duomo salino è una massa spessa di sale, come a Spindletop e Clemens Dome. Il salgemma stratificato alterna sale e interstrati che l'acqua scioglie male. A Teesside, nel Regno Unito, tre caverne da 70.000 m³ ciascuna sono in esercizio da circa 50 anni.

L'idrogeno stoccato in caverna si perde o reagisce?
Può reagire con i microrganismi della salamoia: metanogenesi, solfato-riduzione e acetogenesi sono i tre metabolismi a rischio maggiore. La dilatanza del sale può inoltre aumentarne la permeabilità e far penetrare il gas.

Quanto è grande una caverna salina per lo stoccaggio?
In genere tra 300.000 e 500.000 m³. I casi più grandi del Texas arrivano a 906.000 m³ a Spindletop, mentre le tre caverne di Teesside misurano 70.000 m³ ciascuna.

Fonti

36 riferimenti Mostra
  1. pmc.ncbi.nlm.nih.gov — PMC8490397 (si apre in una nuova scheda)

    «Caverns typically hold volumes of about 300,000–500,000 m3»

  2. observatory.clean-hydrogen.europa.eu (si apre in una nuova scheda)

    «The storage plant will have a capacity of 135 GWh and will be capable to inject and withdraw 50,000 Nm³/h (approx. 4,500 kg/h) of hydrogen and to store up to 38 million Nm³ (3,420 tonnes) of hydrogen working gas volume in two salt caverns.»

  3. pmc.ncbi.nlm.nih.gov — PMC8490397 (si apre in una nuova scheda)

    «Salt caverns provide swift deliverability of the stored energy, i.e., excellent injection and production characteristics compared with porous rocks, and have strong sealing properties on time scales relevant for gas storage»

  4. dx.doi.org (si apre in una nuova scheda)

    «The salt cavern is located at a depth of 1500 m, with a diameter of about 70 m.»

  5. observatory.clean-hydrogen.europa.eu (si apre in una nuova scheda)

    «The caverns will be filled with hydrogen for the first time in 2026, meaning that the hydrogen storage facility will go into commercial operation in 2027.»

  6. pollutionsolutions-online.com (si apre in una nuova scheda)

    «During this process, water is injected into the underground salt layer to dissolve the rock salt gradually.»

  7. pollutionsolutions-online.com (si apre in una nuova scheda)

    «When the cavern reaches the designed volume, gas is injected into the cavern to displace the residual brine.»

  8. pmc.ncbi.nlm.nih.gov — PMC8490397 (si apre in una nuova scheda)

    «Interlayers in salt formations are difficult to dissolve in water and pose many challenges in the process of designing caverns and during their operation»

  9. dx.doi.org (si apre in una nuova scheda)

    «three salt caverns, each with geometrical volumes of 70,000 m 3, have been in operation for about 50 years.»

  10. dx.doi.org (si apre in una nuova scheda)

    «These salt caverns are located at an average depth of 370 m.»

  11. dx.doi.org (si apre in una nuova scheda)

    «The salt cavern has a geometric volume of 906,000 m 3 and is operated between 68 and 202 bar.»

  12. pmc.ncbi.nlm.nih.gov — PMC8490397 (si apre in una nuova scheda)

    «Creep is a phenomenon whereby a solid material permanently deforms with time under the influence of persistent mechanical stress.»

  13. comptes-rendus.academie-sciences.fr (si apre in una nuova scheda)

    «when brine pressure decreases rapidly, the creep closure rate increases drastically.»

  14. pmc.ncbi.nlm.nih.gov — PMC8490397 (si apre in una nuova scheda)

    «However, due to volumetric strain permeability of salt rocks can increase, causing the stored gases to penetrate.»

  15. arxiv.org — 2504.12135 (si apre in una nuova scheda)

    «Thickness >200 m Stability and tightness»

  16. arxiv.org — 2504.12135 (si apre in una nuova scheda)

    «Insoluble Minerals <25% Volume decrease and cavern shape»

  17. arxiv.org — 2504.12135 (si apre in una nuova scheda)

    «a separation distance of 4 diameter is used for stability reasons»

  18. arxiv.org — 2504.12135 (si apre in una nuova scheda)

    «Berest et al. [13] estimate the lifetime of a salt cavern storage to be about 60 years, after which the cavern is typically abandoned due to salt creep.»

  19. pollutionsolutions-online.com (si apre in una nuova scheda)

    «typically, 30% of the total gas is used for cushion gas in salt caverns.»

  20. pollutionsolutions-online.com (si apre in una nuova scheda)

    «The total gas injected into the salt caverns cannot be recovered in withdrawal cycles because a residual pressure of about 50 bar is required inside the salt cavern to strengthen it.»

  21. dx.doi.org (si apre in una nuova scheda)

    «The salt cavern has a geometric volume of 580,000 m 3 and is operated between 70–135 bar»

  22. dx.doi.org (si apre in una nuova scheda)

    «The cavern has a geometric volume of 566,000 m 3 and is often operated between 76 and 134 bar»

  23. ogst.ifpenergiesnouvelles.fr (si apre in una nuova scheda)

    «During cavern operation life, maximum cavern pressure is kept signi fi cantly smaller than geostatic pressure (typically below 80%, see Sect. 5).»

  24. ogst.ifpenergiesnouvelles.fr (si apre in una nuova scheda)

    «There exists a pressure threshold, lower than the geostatic pressure, for which micro-fracturing and an increase in salt permeability occur, vindicating the position that a safety margin is needed when selecting the maximum pressure.»

  25. ogst.ifpenergiesnouvelles.fr (si apre in una nuova scheda)

    «in most cases, the maximum admissible gradient at the casing shoe is 0.018 MPa/m (0.8 psi/ft)»

  26. arxiv.org — 1709.08272 (si apre in una nuova scheda)

    «The world’s first CAES plant was installed in Huntorf, Germany in 1978.»

  27. arxiv.org — 1709.08272 (si apre in una nuova scheda)

    «The Huntorf CAES plant features two caverns with volumes of 141,000 and 169,000 m 3, respectively.»

  28. power-technology.com (si apre in una nuova scheda)

    «The depth of the caverns is more than 600 m which ensures the stability of the air for several months’ storage, and guarantees the specified maximum pressure of 100 bar.»

  29. arxiv.org — 1709.08272 (si apre in una nuova scheda)

    «The plant efficiencies of the Huntorf plant and McIntosh plant are ~42% and ~54%, respectively [7].»

  30. oa.upm.es (si apre in una nuova scheda)

    «providing the large storage capacities needed to buffer seasonal energy demand»

  31. oa.upm.es (si apre in una nuova scheda)

    «make it a suitable place for the construction of an underground storage of green hydrogen obtained from of surplus wind power»

  32. pollutionsolutions-online.com (si apre in una nuova scheda)

    «CAPEX can be in the order of €50-100 million per cavern»

  33. pmc.ncbi.nlm.nih.gov — PMC11903319 (si apre in una nuova scheda)

    «These caverns are not sterile, as they contain a diverse microbial world.»

  34. pmc.ncbi.nlm.nih.gov — PMC11903319 (si apre in una nuova scheda)

    «found a high sulphate content (4.2 g/L) and low carbon content (84.9 mg/L inorganic, 7.61 mg/L organic)»

  35. frontiersin.org (si apre in una nuova scheda)

    «Three microbial metabolisms are associated with the highest risks for implementing UHS: methanogenesis, sulfate reduction, and acetogenesis.»

  36. dx.doi.org (si apre in una nuova scheda)

    «A blowout is not a frequent accident in gas storage caverns.»