科普 | 什么是地下儲(chǔ)氫庫(kù)？

無(wú)論是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)、固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)及有機(jī)物液體儲(chǔ)氫技術(shù)，要發(fā)揮技術(shù)實(shí)力，都離不開儲(chǔ)氫裝備，各類金屬或其他材質(zhì)制成的儲(chǔ)氫容器成為氫的“安身之地”，其中固定式儲(chǔ)氫罐、移動(dòng)式儲(chǔ)氫瓶等成為儲(chǔ)氫領(lǐng)域商業(yè)化程度最高的環(huán)節(jié)。

近些年，人類為氫氣又找到了一個(gè)巨大且高效的儲(chǔ)存容器：地下儲(chǔ)氫庫(kù)。我國(guó)已經(jīng)將地下儲(chǔ)氫庫(kù)的研究、尋覓和建設(shè)列上日程。

什么是地下儲(chǔ)氫庫(kù)

地下儲(chǔ)氫庫(kù)是一種利用地下地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行大規(guī)模氫能存儲(chǔ)的設(shè)施。地下儲(chǔ)氫庫(kù)的工作原理是通過將氫氣注入這些地下構(gòu)造中，然后在需要時(shí)將氫氣抽出利用。

氫究其本質(zhì)，作為一種氣體狀能源，那么就可以和天然氣一樣儲(chǔ)存，我國(guó)的儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)技術(shù)已經(jīng)很成熟，空氣壓縮儲(chǔ)能技術(shù)也已經(jīng)日趨成熟，我們也可以像為天然氣存儲(chǔ)和壓縮空氣存儲(chǔ)一樣，為氫氣在地下找到合適的密閉空間進(jìn)行大批量存儲(chǔ)。

為什么要在地下建設(shè)儲(chǔ)氫庫(kù)

從地質(zhì)角度來(lái)看，地下構(gòu)造適合儲(chǔ)存氫氣，在剩余能源生產(chǎn)時(shí)，可以將剩余能源轉(zhuǎn)化為氫氣并作為能源載體將其儲(chǔ)存在地下構(gòu)造中，然后在能源需求高峰時(shí)采出投入應(yīng)用。

與其他儲(chǔ)氫路徑對(duì)比，地下儲(chǔ)氫庫(kù)的最大優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)氫。傳統(tǒng)瓶罐式儲(chǔ)氫與地下儲(chǔ)氫相比，在儲(chǔ)能容量上，不在一個(gè)尺度。地下儲(chǔ)氫庫(kù)的龐大儲(chǔ)量能夠滿足氫能中長(zhǎng)期存儲(chǔ)的要求。不過這一儲(chǔ)氫路徑發(fā)展地晚，目前也只有歐美幾個(gè)國(guó)家進(jìn)行過一些項(xiàng)目實(shí)踐，而我國(guó)也僅僅是在今年才剛剛開始。

未來(lái)，可再生能源(風(fēng)能、太陽(yáng)能等)有望成為主要的發(fā)電能源，這一發(fā)展趨勢(shì)得到越來(lái)越多的國(guó)家的認(rèn)可。伴隨著可再生能源發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，發(fā)展兆瓦級(jí)、百兆瓦級(jí)甚至吉瓦級(jí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)將顯得愈發(fā)重要。氫儲(chǔ)能作為一種新型儲(chǔ)能技術(shù)，有望成為可再生能源調(diào)節(jié)和消納的重要手段之一。因此，地下儲(chǔ)氫正在越來(lái)越受到世界的關(guān)注。

什么樣的地下結(jié)構(gòu)合適成為儲(chǔ)氫庫(kù)？

選擇合適的地下結(jié)構(gòu)作為儲(chǔ)氫庫(kù)時(shí)，需要考慮地質(zhì)條件、密封性能、建設(shè)成本以及技術(shù)挑戰(zhàn)等多個(gè)因素。儲(chǔ)存氫氣的地質(zhì)層通常包括鹽穴、地下巖洞、含水層、廢棄礦井和枯竭的油氣藏等地質(zhì)構(gòu)造。

地下能儲(chǔ)氫的構(gòu)造有哪些?

鹽穴?是鹽礦開采后的廢棄礦洞，通常位于地下近千米，容積可達(dá)數(shù)十萬(wàn)立方米，且穴壁夯實(shí)，耐得住高壓，可用于儲(chǔ)存高壓空氣、天然氣、石油和氫氣等能源。眾所周知，鹽具有一定的防腐功能，微生物反應(yīng)較少，鋼材腐蝕和產(chǎn)氫率降低等問題相對(duì)不嚴(yán)重。

地下巖洞是利用地下巖石結(jié)構(gòu)的空隙和裂縫來(lái)儲(chǔ)存氫氣，通常通過高壓注入氫氣來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于可以利用天然的地下空間，但需要解決密封性等問題?。

含水層就是儲(chǔ)存有地下水的透水層，常常用來(lái)儲(chǔ)存天然氣。含水層的地質(zhì)類似于枯竭的天然氣田。它們都是多孔沉積巖結(jié)構(gòu)，但含水層含有水而不是天然氣，并且必須覆蓋不可滲透的蓋層巖石將氣體保持在地下。含水層可以通過高壓下注入氣體轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)氣，其中水和巖石覆蓋層都作為安全殼。尤其是含水層作為離城市更接近的區(qū)域，這是其一大優(yōu)勢(shì)。

廢棄礦井和枯竭油氣庫(kù)?這類儲(chǔ)存設(shè)施的主要優(yōu)勢(shì)是建設(shè)成本低，但如何解決好密封性等問題是改造這些設(shè)施需要面對(duì)的挑戰(zhàn)。

鹽穴儲(chǔ)氫有哪些技術(shù)優(yōu)勢(shì)

鹽穴儲(chǔ)氫是利用鹽礦地下空間，通過注入氫氣使其形成高壓氣體，從而實(shí)現(xiàn)氫氣的儲(chǔ)存。鹽穴儲(chǔ)氫具有幾大優(yōu)勢(shì)：

·巖鹽具有致密的基質(zhì)和極低的滲透率，更讓人驚奇的是，即便腔體產(chǎn)生裂縫，天然礦鹽遇水融化再凝固后，裂縫很快就會(huì)自愈，這使得鹽穴具備良好密閉性和自愈性。

·地下鹽礦是非含水層，密封性好，不會(huì)污染地下水，而且鹽穴采用水溶造腔技術(shù)，相比其他儲(chǔ)氣庫(kù)造腔成本低；

·鹽穴的工程條件很經(jīng)濟(jì)，例如鹽穴的空間通常為 10萬(wàn)~50萬(wàn)m，深度范圍為 600~2000m，非常經(jīng)濟(jì)，適合儲(chǔ)存加壓氫氣；與枯竭的油氣藏型儲(chǔ)層和含水層相比，利用鹽穴來(lái)儲(chǔ)存氫氣費(fèi)用最低，例如，鹽穴僅需要總氣體量的1/3作為緩沖氣，但枯竭的油氣藏型儲(chǔ)層和含水層需要總氣量的50%~80%作為緩沖氣。而且，地下鹽穴儲(chǔ)氫的能量密度可以達(dá)到約 300kWh/m，幾乎等于鋰離子電池的能量密度。

更重要的是，鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)在一年內(nèi)可完成多個(gè)注入和采出周期，因此可以在調(diào)峰和小時(shí)時(shí)間長(zhǎng)度的儲(chǔ)能需求中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

我國(guó)常州金壇擁有面積達(dá)60.5平方公里的鹽穴，第一座壓縮空氣儲(chǔ)能電站已經(jīng)在2022年投入運(yùn)營(yíng)，今年上半年，國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)在金壇建設(shè)的我國(guó)首座鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)氣庫(kù)也順利投產(chǎn)，日采氣能力達(dá)2700萬(wàn)立方米。除此之外，目前金壇當(dāng)?shù)匾舱陂_展鹽穴儲(chǔ)氫、儲(chǔ)氦等研究。雖然金壇的鹽穴擁有很大儲(chǔ)氫潛力，但是國(guó)內(nèi)鹽穴儲(chǔ)氫項(xiàng)目首先落地的有望在河南。

今年7月19日，中國(guó)平煤神馬能源化工集團(tuán)鹽穴儲(chǔ)氫中試現(xiàn)場(chǎng)踏勘暨氫產(chǎn)業(yè)規(guī)劃座談會(huì)在聯(lián)合鹽化公司舉行。

神馬能源化工集團(tuán)集團(tuán)總經(jīng)理李延河表示：鹽穴被視為地質(zhì)儲(chǔ)氫的首選，鹽穴儲(chǔ)氫將會(huì)有巨大潛力。需要重點(diǎn)研究鹽穴儲(chǔ)氫中試技術(shù)體系和集團(tuán)氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)路線，制定嚴(yán)格的氫資源綜合利用發(fā)展規(guī)劃，構(gòu)建獨(dú)特的“地面生產(chǎn)＋巖穴儲(chǔ)存＋摻輸一體＋綜合利用”氫產(chǎn)業(yè)體系并開展試點(diǎn)示范，努力建成“國(guó)內(nèi)鹽穴儲(chǔ)氫第一庫(kù)”，以保障國(guó)家能源供應(yīng)安全和推動(dòng)氫產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

聯(lián)合鹽化公司位于河南省葉縣，這里是鹽穴資源非常豐富的地區(qū)，所以在這里建成鹽穴儲(chǔ)氫第一庫(kù)有著優(yōu)良的地質(zhì)基礎(chǔ)。

除此之外，在陜西榆林也有望建設(shè)一座鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)。今年8月8日，陜西華鹽綠能獲電解水制氫項(xiàng)目備案，這一制氫項(xiàng)目的特殊之處就在于其是使用鹽穴作為儲(chǔ)氫庫(kù)。項(xiàng)目信息顯示，投資2.7億建年產(chǎn)160萬(wàn)方氫氣裝置，實(shí)現(xiàn)氫氣的穩(wěn)定供應(yīng)。

項(xiàng)目信息顯示，鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)是利用王家砭的兩口鹽井，在地下2500米深處建造一個(gè)五萬(wàn)立方米的鹽穴，將制取的氫氣采用高壓氣態(tài)方式存儲(chǔ)到鹽穴中，為后續(xù)的應(yīng)用提供可靠、穩(wěn)定的氫氣供應(yīng)。

首座巖洞儲(chǔ)氫庫(kù)將在湖北大冶建成

今年1月，國(guó)內(nèi)首個(gè)巖洞儲(chǔ)氫科研項(xiàng)目在湖北大冶開工。它是湖北大冶綠電綠氫制儲(chǔ)加用一體化氫能礦場(chǎng)綜合建設(shè)項(xiàng)目的一部分，這一項(xiàng)目涵蓋光伏發(fā)電、綠電制氫、巖穴及地下分布式儲(chǔ)氫、管道輸氫、氫能應(yīng)用、氫能產(chǎn)業(yè)園、數(shù)字化管理平臺(tái)等7大板塊。

今年1月，湖北大冶深地儲(chǔ)氫科研中試基地項(xiàng)目簽約及開工儀式在湖北大冶金湖舉行，深地儲(chǔ)氫科研中試基地項(xiàng)目是由中冶武勘工程技術(shù)有限公司投資建設(shè)，通過利用大冶市既有廢棄礦洞，選擇地質(zhì)穩(wěn)定、巖體構(gòu)造裂隙可控的礦洞進(jìn)行人工改造，用于規(guī)模化儲(chǔ)氫，巖穴儲(chǔ)氫洞庫(kù)幾何容積不小于5000立方米，儲(chǔ)氫壓力5MPa。

這是國(guó)內(nèi)首個(gè)巖洞儲(chǔ)氫和地下分布式儲(chǔ)氫的科研中試基地。巖洞儲(chǔ)氫科研項(xiàng)目研究領(lǐng)域包括巖洞儲(chǔ)氫基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵臨氫材料、核心建造工藝、智慧管控平臺(tái)等內(nèi)容，同步開展光伏、制氫、輸氫、儲(chǔ)氫至加氫的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈條的工程化應(yīng)用創(chuàng)新。

國(guó)外地下儲(chǔ)氫庫(kù)有哪些

海外地下儲(chǔ)氫庫(kù)基本以鹽穴為主。英國(guó)的Teesside是歐洲唯一的一個(gè)鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)，由三個(gè)鹽穴組成，總?cè)萘繛?萬(wàn)多立方米。該儲(chǔ)氫庫(kù)已經(jīng)運(yùn)行了50年，氫氣用于合成氨和甲醇的生產(chǎn)。在美國(guó)得克薩斯州，氫氣被儲(chǔ)存在三個(gè)獨(dú)立的鹽穴中，用于石化工業(yè)。

來(lái)源：非凡科普

近年來(lái)，美國(guó)和加拿大等國(guó)都加大了地下儲(chǔ)氫庫(kù)的探索和應(yīng)用。加拿大的費(fèi)謝爾鹽穹（Fischell Salt Dome）地質(zhì)結(jié)構(gòu)位于加拿大紐芬蘭西海岸，其將在綠色能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮關(guān)鍵作用。負(fù)責(zé)開發(fā)的三點(diǎn)資源公司表示，若將鹽溶解，挖空穹頂并填充氫氣，該鹽穴有望有望儲(chǔ)存逾3500萬(wàn)立方米的氫，相當(dāng)于18萬(wàn)噸，將成為北美東部最大的綠色能源儲(chǔ)存設(shè)施之一。

就在今年8月，三菱重工和雪佛龍宣布將在美國(guó)使用可再生能源生產(chǎn)氫氣，計(jì)劃于2025年中期開始使用這種燃料進(jìn)行商業(yè)發(fā)電。這一項(xiàng)目的儲(chǔ)氣庫(kù)就采取了鹽穴儲(chǔ)氣方式，位于猶他州。其利用路徑是根據(jù)需要提取氫氣，在發(fā)電廠與天然氣一起燃燒。

據(jù)稱該鹽穴可以儲(chǔ)存足夠的氫氣，產(chǎn)生300GWh的電力，足以滿足28000個(gè)美國(guó)家庭的年能源需求。預(yù)計(jì)它將成為世界上最大的綠色儲(chǔ)氫基地。

近年海外國(guó)家也在探索巖洞作為儲(chǔ)氫庫(kù)的項(xiàng)目。2022年6月，SSAB、LKAC和Vattenfall在瑞典為HYBRIT示范設(shè)施（100 m3）揭幕，將氫氣儲(chǔ)存在襯砌的硬巖洞穴中。這是同類產(chǎn)品中的第一個(gè)，預(yù)計(jì)將2024年運(yùn)行，總資金為3.31億瑞典克朗(3300萬(wàn)美元)。之后，可以建造約100 000立方米(60 gwh H2)的綜合設(shè)施。

技術(shù)瓶頸還有哪些？

地下儲(chǔ)氫庫(kù)儲(chǔ)氫規(guī)模巨大，從而能夠拉低綜合成本。因?yàn)槭抢玫叵聵?gòu)造的封閉性而建造，可以有效防止氫氣泄漏，從而提高儲(chǔ)氫安全性。

更重要的是，地下儲(chǔ)氫庫(kù)不是單獨(dú)為這一作用而開辟的空間，而是利用天然地址構(gòu)造或者以往的人類遺跡空間來(lái)作為儲(chǔ)庫(kù)，不僅避免占用地面空間，還將廢棄地下空間加以利用，一舉兩得。

但是由于地下儲(chǔ)氫這一技術(shù)推進(jìn)地晚，目前技術(shù)不甚成熟，包括如何在注入和采出的過程中保持穩(wěn)定性，以及如何保持含水層和枯竭的油氣藏的封閉性，都還有很多技術(shù)增長(zhǎng)空間。

尤其是在含水層和枯竭的油氣藏，從理論上來(lái)說都是非常優(yōu)秀的儲(chǔ)氫庫(kù)，枯竭的天然氣儲(chǔ)層占世界天然氣總儲(chǔ)存容量的76%，氣田體積大于鹽穴，地理分布更廣，如果這一技術(shù)開發(fā)成熟，將帶來(lái)更廣大的儲(chǔ)庫(kù)空間。但目前來(lái)看，有很多技術(shù)難關(guān)還未完全突破。在海外，含水層和枯竭的油氣藏作為儲(chǔ)氫庫(kù)也在探索當(dāng)中。

中石油在今年上半年開始，啟動(dòng)了地下油氣田儲(chǔ)氫庫(kù)前期勘探工作并完成了前期工作的招標(biāo)，擬對(duì)松遼、鄂爾多斯、四川等盆地內(nèi)油氣田的儲(chǔ)蓋層巖石樣品進(jìn)行測(cè)試分析，以評(píng)估地下儲(chǔ)氫的綜合選址。

隨著氫能應(yīng)用的推廣，越來(lái)越的氫氣制備將在地下儲(chǔ)氫庫(kù)中找到安身之所，同時(shí)在項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)的推進(jìn)中，地下儲(chǔ)氫技術(shù)也將獲得更快的發(fā)展。或許終有一天，技術(shù)難關(guān)突破，廢棄的氣田也將成為氫氣的大批量存儲(chǔ)的新空間。