2026 年 11 月 13 日
来源：CSIRO
大规模储能是能源转型面临的核心挑战之一。若缺乏有效的储能手段，大量可再生能源将在光照充足或风力强劲时产生过剩而无法被利用。据澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）估算，2025年至2050年间，澳大利亚国家电力市场可能需要将储能容量扩大10至14倍，这要求采用多种技术组合。
目前，越来越多的目光投向地下空间。国际能源署报告指出，到2035年，全球项目有望在地下储存11兆瓦时的气体。例如，维多利亚州的H2RESTORE项目正在评估枯竭天然气田的潜力，这些设施可在数月内将储存的气体转化为电力，从而补充短时电池存储的不足。
近期，由CSIRO领导的一项新研究揭示了岩石内部微观尺度上气体与水的相互作用如何显著改变地下气体的混合模式。这项发现挑战了传统模型假设，即认为气体穿过多孔岩石时会平稳连续地混合。
研究发现，水实际上扮演着“守门人”的角色，它先将不同组成的气体分隔开，随后通过突然重新排列并连接彼此，引发快速的混合爆发。
主要作者塞尔·杰克逊（Sam Jackson）表示，理解这一机制对于在枯竭天然气田中储存氢气等气体尤为重要。“气体的混合方式直接决定了回收气体的纯度。我们过去大规模使用的模型基本假定气体混合顺畅，且忽略了微小孔隙中水流的影响。”他说，“我们需要明确发生在微观尺度的现象是否会影响宏观预测。”
逐孔观察气体混合过程
为了弥补大规模建模的不足，杰克逊团队将注意力转向岩石内部单个孔隙的尺度。他们在根特大学利用先进的4D X射线成像技术，观察直径仅6毫米的小砂岩样本内部气体的移动和混合情况。
该研究共同作者、根特大学副教授汤姆·布尔特雷斯（Tom Bultreys）强调，国际合作是取得突破的关键。“塞姆加入我们的团队并共同致力于突破性科学是非常棒的经历，”布尔特雷斯说，“通过跨大陆合作，我们结合了最新的X射线成像方法、理论发展和技术洞察力，以发现和理解地下存储所需的新机制。”
实验样本最初充满水和一种气体，随后注入另一种气体以模拟进入系统的第二种组分。研究人员选择了两种具有不同X射线特性的气体，以便区分它们并通过岩石追踪气体组成的变化。这种成像技术使团队能够动态观察气体和水通过约100微米大小的孔隙时的运动过程。
观察结果与传统模型——许多是在30到50年前开发的——所预测的平滑混合截然不同。“我们最近的实验表明，气体的连通性控制了它们如何混合在一起，”杰克逊解释道，“我们观察到微观级联事件，气体迅速取代水并混合在一起。”
并非气体简单地相互扩散，而是水最初在相邻孔隙中分离了不同组成的气体。随着气体连通性的增加，气体和水的突然重新排列将这些区域聚集，导致快速混合。杰克逊称这是一种“与我们过去假设不同类型的混合”。
揭示孔隙中的隐藏过程
研究团队还直接观察了另一种此前仅存在于理论中的过程：残留在岩石中的孤立小气泡通过周围的水缓慢交换气体。
“这是首次在岩石样本中直接可视化不同气体之间的这种交换，这对实际储存具有重要意义，”杰克逊说。任何残留的气体都可能通过周围的水慢慢与储存的气体发生交换。目前的模型未能捕捉到这种交换，这可能是一个重要的影响因素。
从欧洲实验室到澳大利亚应用
这项研究源于CSIRO与Lochard Energy在H2RESTORE项目中的合作，该项目旨在评估维多利亚州奥特威地区地下储存氢气的可行性。
Lochard Energy公司H2RESTORE项目负责人罗德·哈里斯（Rod Harris）表示，这项新研究基于并扩展了为该项目可行性研究所完成的地下建模工作。“这项重要研究让我们更深入地了解澳大利亚地下储存气体的地表和技术知识，”哈里斯说。
接下来的挑战在于将这种对孔隙尺度行为的新理解转化为更准确的模型，以预测更大规模地下储层中气体的混合情况。
参考文献：
Sam J. Jackson et al., Intermittent gas-liquid rearrangements control gas mixing in porous media, Proceedings of the National Academy of Sciences (2026). DOI: 10.1073/pnas.2612721123
