Mechanical stability of salt caverns under cyclic hydrogen storage: coupled effects of cavern geometry and constitutive modeling

A renewable-dominated energy system requires large-scale storage to manage temporal mismatches between electricity generation and demand. Underground hydrogen storage in solution-mined salt caverns is one of the more credible answers for covering longduration imbalances, but its practical feasibility depends on how mechanically stable the cavern remains while gas is cycled in and out. This thesis asks how cavern geometry and constitutive-model choice shape the geomechanical response of a salt cavern. Analyses were carried out with SafeInCave, an open-source finite-element simulator for salt-cavern geomechanics. Four equal-volume geometries were studied: cylindrical, top-enlarged, middle-enlarged, and bottom-enlarged. Each geometry was run with four constitutive models combining elasticity, dislocation creep, viscoelasticity, and Desai viscoplasticity in different ways. This gave sixteen simulations sharing the same geological model, boundary conditions, geostatic initial state, and 360-day pressure cycle between 0.2 and 0.8 of lithostatic pressure at the cavern roof. Results point to a clear division of roles. Geometry mostly governs local convergence and wall deformation, while the constitutive model governs response magnitude and time evolution. bottom-enlarged geometry produced the largest convergence under every model, because its widest section sits deeper in salt, where geostatic stress is higher; top-enlarged geometry generally gave the smallest convergence. Surface subsidence was barely affected by geometry, with differences below about 1 mm between equal-volume shapes, yet shifted markedly with the constitutive model. Viscoelasticity governed the transient and partly recoverable part of convergence, whereas Desai viscoplasticity added permanent deformation and raised final subsidence.

Un sistema energetico dominato dalle fonti rinnovabili richiede sistemi di accumulo su larga scala per gestire gli sfasamenti temporali tra la produzione e la domanda di elettricità. Lo stoccaggio sotterraneo di idrogeno in caverne saline ottenute per dissoluzione è una delle risposte più credibili per coprire gli sbilanciamenti di lunga durata, ma la sua praticabilità dipende da quanto la caverna resti meccanicamente stabile durante i cicli di iniezione e prelievo del gas. Questa tesi si chiede in che modo la geometria della caverna e la scelta del modello costitutivo plasmino la risposta geomeccanica di una caverna salina. Le analisi sono state condotte con SafeInCave, un simulatore open-source agli elementi finiti per la geomeccanica delle caverne saline. Sono state studiate quattro geometrie a volume equivalente: cilindrica, allargata in alto, allargata al centro e allargata in basso. Ciascuna geometria è stata simulata con quattro modelli costitutivi che combinano in modi diversi elasticità, creep da dislocazione, viscoelasticità e viscoplasticità di Desai. Ne sono derivate sedici simulazioni con lo stesso modello geologico, condizioni al contorno, stato geostatico iniziale e un ciclo di pressione di 360 giorni tra 0.2 e 0.8 della pressione litostatica al tetto della caverna. I risultati indicano una netta divisione dei ruoli. La geometria controlla soprattutto la convergenza locale e la deformazione della parete, mentre il modello costitutivo controlla l’entità della risposta e la sua evoluzione nel tempo. La geometria allargata in basso ha prodotto la convergenza maggiore con ogni modello, perché la sua sezione più ampia si trova più in profondità nel sale, dove lo sforzo geostatico è maggiore; la geometria allargata in alto ha dato in generale la convergenza minore. La subsidenza superficiale è risultata quasi indifferente alla geometria, con differenze inferiori a circa 1 mm tra forme a volume equivalente, ma è cambiata sensibilmente con il modello costitutivo. La viscoelasticità ha governato la parte transitoria e parzialmente recuperabile della convergenza, mentre la viscoplasticità di Desai ha aggiunto deformazione permanente e fatto crescere la subsidenza finale.