为应对全球气候变化和环境挑战，预计太阳能、风能、地热能和氢能等可再生能源将取代化石燃料[1]。利用可再生能源电解水生成“绿色氢气”被广泛认为是推动能源转型的关键策略[2,3]。然而，可再生能源本质上是间歇性的，并受到地理因素和年度能源需求变化的影响。能源消费的波动使得平衡能源生产和需求变得复杂[4]。为了缓解这些变化，从可再生能源产生的多余电力会被暂时储存为氢气，以便在需求增加时使用。因此，氢气储存起着至关重要的作用。来自可再生能源的氢气量相当可观[5,6]，由于氢气的密度较低[7]，开发大规模且经济可行的储存解决方案变得十分必要[8]。
从地质学角度来看，某些类型的地下构造特别适合氢气储存[9]。这些构造具有较大的体积，能够容纳从数万吨到数十万吨不等的氢气[10]。此外，它们通常被厚厚的不透水岩层（如盐丘、泥岩或页岩）覆盖，从而有效抑制了氢气的向上迁移[11]。涉及大规模地下储存CH4和CO2的研究和实际应用进一步拓宽了UHS的前景[12],[13],[14],[15]，包括识别潜在的储存地点和评估不同地下储存地点的优势。
先前的研究[16],[17],[18]已经确定了几种适合UHS的地质构造，包括盐洞、深层咸水含水层以及枯竭的油气储层[19,20]。最近，废弃的煤矿也被视为氢气储存的潜在替代方案[21],[22],[23]。在这些选项中，盐洞中的氢气储存方法是通过向盐层中注入水来溶解盐分，然后向这些空腔中注入氢气进行储存[24,25]。这种方法基于纯粹的物理机制，以其相对简单和可控的过程而著称[26],[27],[28]。相比之下，含水层和枯竭油气储层中的氢气储存机制有很大不同，因为它们依赖于砂岩和碳酸盐岩等多孔介质中的颗粒间孔隙和裂缝[29,30]。注入后，氢气通过储层岩石基质的物理捕获和毛细力保留在这些多孔介质的孔隙空间中[31,32]。在枯竭的气体储层中，残留的天然气（例如CH4）和残余的油存在于这些孔隙中[24,33]；而在含水层中，孔隙空间要么完全饱和，要么部分饱和[34,35]。因此，在多孔地质构造中储存氢气不仅需要使孔隙空间饱和氢气，还需要克服毛细力以排出最初占据这些孔隙的水。这一过程涉及多种相（气体和水）的复杂相互作用和迁移，比单纯的填充过程要复杂得多[36]。通常，这种多孔介质中的氢气储存需要反复进行注入和抽出循环。鉴于这些构造在孔隙度和渗透性方面的显著差异，准确预测和管理氢气的注入和抽出路径具有相当大的挑战性。这常常导致“指状注入”或“气体迁移”等现象，从而影响氢气的回收效率[37,38]。此外，多孔地质构造通常由多种矿物组成，并支持多样的微生物群落[39,40]。氢气可能与这些矿物发生氧化还原反应，或被微生物代谢，导致氢气损失、纯度降低以及构造孔隙结构的潜在改变[41],[42],[43]。
氢气与储层多孔基质中的复杂生化成分之间存在物理、化学和生物相互作用，如图1所示。这些相互作用是相互关联且动态的，而不是离散的现象[44]。例如，氢气的注入会引发与岩石中赤铁矿的还原反应，改变地下水的pH值和氧化还原电位[45,46]。这种化学变化可能导致矿物过饱和并随后沉淀，从而影响微生物群落的空间分布和代谢活动[47]。矿物的沉淀和形成生物膜的微生物的增殖会直接阻塞岩石基质中的孔隙空间和通道[48]，从而降低构造的渗透性，最终影响氢气的空间分布和回收效率[3,49,50]。
由于上述复杂的储存机制和相互作用过程，氢气在地质多孔介质中的储存既不如在盐洞中储存安全，也不如在盐洞中储存高效[51,52]。因此，识别储存过程中潜在的氢气损失途径对于评估使用多孔介质进行氢气储存的实用性和经济可行性至关重要。本研究通过系统地回顾可能的氢气损失机制，解决了多孔构造中氢气储存系统所面临的挑战。它全面分析了与各种损失过程相关的地质条件，探讨了这些途径之间的相互关系，并提出了旨在提高UHS效率同时确保大规模氢气储存操作安全性的新见解。第2节阐明了多孔介质中氢气的传输和反应行为，这些行为会导致残留物捕获损失。第3节分析了由于微生物消耗导致的氢气损失。第4节讨论了由于地球化学反应导致的氢气损失，详细介绍了不同地质条件下氢气转化的类型。第5节重点讨论了由于泄漏到盖层构造中导致的氢气损失。第6节讨论了氢在储层原始流体中的溶解，第7节讨论了吸附氢的损失，第8节讨论了通过井筒的泄漏，分别针对溶解、吸附和通过井筒的泄漏导致的氢气损失。本文进一步强调了这些损失机制对UHS系统安全性和运行效率的影响。
