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作者：陸佳敏 徐俊輝 王衛(wèi)東王浩徐孜俊陳留平
單位：中鹽金壇鹽化有限責(zé)任公司，江蘇省井礦鹽綜合利用工程技術(shù)研究中心
引用： 陸佳敏,徐俊輝,王衛(wèi)東等.大規(guī)模地下儲氫技術(shù)研究展望[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2022,11(11):3699-3707.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-
4239.2022.0297
摘 要 隨著傳統(tǒng)化石能源消耗和環(huán)境污染問題日益凸顯，能源行業(yè)一直在尋找可再生能源來滿足綠色消費需求。氫能是一種來源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源，正逐步成為能源轉(zhuǎn)型的重要載體之一。為了落實能源需求變革，氫能的安全高效存儲尤為重要。地下儲氫技術(shù)由于其儲氫規(guī)模大、綜合成本低而受到了廣泛關(guān)注。本工作分析了世界地下儲氫項目概況和研究進(jìn)展，結(jié)果表明鹽穴儲氣密封性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、操作靈活的優(yōu)點，是目前大規(guī)模地下儲氫最有前景的選擇。從氫氣的特點出發(fā)，綜合闡述了在工程實施中氫氣的注采對井況和地下環(huán)境造成金屬腐蝕、橡膠失效、水泥降解、氫氣泄漏等問題，為國內(nèi)發(fā)展鹽穴儲氫技術(shù)研究提供借鑒。進(jìn)一步結(jié)合中鹽金壇鹽穴綜合利用的經(jīng)驗以及江蘇地區(qū)的地域特點，探索鹽穴儲氫的技術(shù)路線的可能性。該路線通過將水電解制氫技術(shù)、鹽穴儲氫技術(shù)及天然氣管道摻氫技術(shù)相結(jié)合，解決“制、儲、運”的關(guān)鍵問題，為中國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供思路。鹽穴儲氫具有能源電力消納、電網(wǎng)削峰填谷、跨季節(jié)存儲、平衡氫能供需以及低成本等優(yōu)勢，這對于可再生能源發(fā)電剩余電量的大規(guī)模存儲、綠色清潔氫能源的使用與發(fā)展以及節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟都具有十分重要的意義。
關(guān)鍵詞 氫能；鹽穴儲氫；地下存儲；低碳經(jīng)濟
氫氣是一種用途廣泛、清潔、安全的能量載體，可以作為動力燃料或工業(yè)原料。隨著水電解技術(shù)的發(fā)展，氫能可以實現(xiàn)大規(guī)模、高效的可再生能源消納。作為能源緩沖載體，它可以跨行業(yè)和跨地區(qū)分配能源，提高了能源系統(tǒng)的韌性。氫能的應(yīng)用有利于減少社會對煤石油等不可再生能源的依賴，推動燃料行業(yè)變革轉(zhuǎn)型，也可以降低交通運輸、工業(yè)用能、建筑采暖過程中的碳排放。目前，世界主要發(fā)達(dá)經(jīng)濟體，已經(jīng)把氫能源的利用提到了國家戰(zhàn)略的高度來對待，從國家層面上制定了長期的研發(fā)計劃。美、歐、日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都從國家可持續(xù)發(fā)展和安全戰(zhàn)略的高度，紛紛投入巨資進(jìn)行氫能相關(guān)技術(shù)研發(fā)，制定相應(yīng)的發(fā)展戰(zhàn)略和計劃，并指導(dǎo)和推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，以期在未來氫經(jīng)濟社會占據(jù)主動權(quán)。
儲氫技術(shù)作為氫氣“制”和“用”環(huán)節(jié)之間的重要橋梁，其重要性不容忽視。高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)、低溫液態(tài)儲氫技術(shù)、固態(tài)儲氫技術(shù)及有機物液體儲氫技術(shù)是目前主要的4種儲氫技術(shù)，其中主流方式還是高壓氣態(tài)儲氫。從長遠(yuǎn)來看氫能要實現(xiàn)其對凈零排放的重大貢獻(xiàn)潛力，就必須進(jìn)行大規(guī)模儲存。地下儲氫技術(shù)由于其儲氫規(guī)模大、綜合成本低而受到了廣泛關(guān)注。以美國為代表的世界發(fā)達(dá)國家圍繞地下儲氫技術(shù)正進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，并得到迅速發(fā)展。目前，英國、德國、加拿大、波蘭、土耳其、荷蘭和丹麥等也都制定了鹽穴儲氫計劃。相比上述國家，我國地下儲氫研究較為滯后，尚無地下儲氫實踐。為此，本工作主要根據(jù)國外地下儲氫技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析氫氣地下儲存可能面臨的技術(shù)問題，為國內(nèi)發(fā)展鹽穴儲氫技術(shù)提供借鑒。進(jìn)一步結(jié)合中鹽金壇鹽穴綜合利用的經(jīng)驗以及江蘇地區(qū)的地域特點，探索鹽穴儲氫技術(shù)路線的可能性，為中國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供思路。
1 氫氣的特點
一般情況下，氫氣的能量密度約為120 MJ/kg，它的能量密度是天然氣的2.5～3.0倍，是單位質(zhì)量中能量含量最高的燃料。我國地下儲氫研究較為滯后，尚無地下鹽穴儲氫實踐。但是天然氣地下儲氣庫在國內(nèi)已實現(xiàn)大規(guī)模推廣，在建設(shè)和運營方面可以為氫氣儲運提供成熟經(jīng)驗與借鑒。氫氣在物理性質(zhì)上和甲烷大有不同，見表1。在25 ℃、101.325 kPa氣壓下，氫氣的密度僅為0.082 kg/m3，甲烷在室溫下密度是氫氣的8倍，在質(zhì)量相同情況下氫氣需要更高的儲存壓力。氫氣的黏度同樣也比甲烷小，表現(xiàn)出更高的流動性，這會導(dǎo)致氫氣在地下采出過程中的殘留變低，注采效率與天然氣相比會有所提高。在水溶性方面，氫氣在水中的溶解度也比甲烷低，這意味著氫氣在注氣排鹵過程中會有更少的損失。以典型的地下鹽穴存儲體系為例，在水-氫-鹽三相系統(tǒng)中，可通過調(diào)節(jié)溫度、壓力、鹽水濃度等參數(shù)，進(jìn)一步降低氫在鹽水中的溶解度。但是，由于氫氣的分子量較低，擴散程度較高，它很可能通過蓋層和夾層向地表或四周泄漏。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氫氣的水中擴散系數(shù)是甲烷的2.77倍。因此在地下存儲過程中，必須考慮地下空間孔隙度對擴散的影響。綜上所述，在借鑒成熟經(jīng)驗時應(yīng)考慮到實際工程應(yīng)用中儲存氫氣壓力、注采工藝、滲透率等因素與儲存天然氣的差異，意識到氫氣地下存儲研究的科學(xué)問題和技術(shù)挑戰(zhàn)。
2 氫氣地下存儲的研究和應(yīng)用
目前，地下儲氣庫主要有4種類型。含水層儲氣庫，通過向蓋層下注氣驅(qū)替巖層中的水而成，其存儲容量大，但勘探風(fēng)險大、墊氣不能完全回收。廢棄礦坑儲氣庫容量小且易漏氣，很少被使用?？萁叩挠蜌獠貎鈳炖糜蜌馓锏脑性O(shè)施及儲氣量大的優(yōu)點在地下儲氣庫中占的比例較大，但是地層中空隙體積過大會導(dǎo)致大量氣體殘留，增加墊氣量，同時對地面設(shè)施的要求較高。鹽穴儲氣庫則因為其調(diào)峰能力強，注采氣的效率高，對于墊層氣量需求低，同時巖鹽的密封能力大及鹽結(jié)構(gòu)的惰性，可以防止儲存的氫氣被污染，并且操作靈活，目前被認(rèn)為是最有前景的地下儲氫選擇。
1976年Walters驗證了利用自然形成的地下結(jié)構(gòu)來儲存氫氣具有可行性。1979年Carden等研究了地下儲氫的流失率，他們發(fā)現(xiàn)每個注采循環(huán)周期約有1%氫氣可能會損失，而在第1個循環(huán)中，氫氣溶解到地層中造成的損耗只有0.4%。1986年Taylor等通過評估氫氣儲存在鹽穴、巖石穴的可行性及經(jīng)濟性，研究發(fā)現(xiàn)鹽穴是最經(jīng)濟的地下儲存結(jié)構(gòu)。2018年Tarkowski等在波蘭篩選了28個鹽穴，為地下儲氫選出了最有價值的7個鹽穴。同年，Heinemann等根據(jù)存儲容量和地質(zhì)條件，研究了在英國中部的地下儲氫的可能性。Lemieux等在2019年分析了枯竭的油氣藏儲氣庫、鹽穴儲氣庫、含水層儲氣庫等優(yōu)勢，并把鹽穴用于季節(jié)性儲存加拿大安大略省的氫氣。Lankof等在2020年提供了一系列具有地下儲氫潛力的鹽穴。Narayanamoorthy等參照運營技術(shù)、投資成本、社會、經(jīng)濟、風(fēng)險因素等5個標(biāo)準(zhǔn)，提出了地下儲氫鹽穴選址方法。隨著研究的深入，越來越多的目光聚焦在大規(guī)模地下鹽穴儲氫項目上。氫氣儲氣庫的墊層氣以甲烷為主，但氫氣和甲烷兩種氣體易形成氣體混合，采出氫氣時會同時采出一定量的甲烷，影響氫氣的采出純度。如表2所示，世界上地下存儲純度較高的氫氣(氫氣純度≥95%)的設(shè)施大多建立在英國和美國，它們大部分選擇鹽穴作為儲氫地點。比如位于英國Teesside的儲氫工程證明鹽穴是一個完美的儲氫場所，但是它的運行壓力較低，且Teesside的儲氫工程深度僅為356 m，運行壓力低會導(dǎo)致鹽穴塌陷，所以需要已注入的大部分氫氣維持壓力，故循環(huán)采出的氫氣量較小，采出氫氣的體積占總體積的8%。在表2中，還有許多氫氣與其他氣體(例如甲烷)混合的儲存項目，這說明利用氫氣地下大規(guī)模儲存并轉(zhuǎn)化成另一種形式能源的研究引起了世界各國的極大關(guān)注。
表2 世界地下儲氫項目概況
3 地下儲氫存在的技術(shù)問題
雖然大規(guī)模地下儲氫擁有廣闊的應(yīng)用前景，但在實施中也不可避免地存在技術(shù)問題和科學(xué)挑戰(zhàn)。要實現(xiàn)安全高效的存儲，在項目實施之前，不僅需要考慮存儲類型、容量、穩(wěn)定性和經(jīng)濟效益等因素，還需要對電力生產(chǎn)設(shè)施和地質(zhì)儲存潛力進(jìn)行評估和研究。在項目運行中，氫氣的注采過程還對井況和地下環(huán)境造成金屬腐蝕、橡膠失效、水泥降解、氫氣泄漏等問題，如圖1所示。
圖1 地下儲氫技術(shù)問題
3.1 氫腐蝕
氫腐蝕嚴(yán)重威脅了完井所用材料的耐久性、儲氣井的完整性、儲層的地質(zhì)與環(huán)境安全。氫氣化學(xué)性質(zhì)很活潑，容易對鋼材造成氫氣起泡、氫脆、氫裂紋。儲存的H2或產(chǎn)生的H2S等分子在材料表面發(fā)生分解反應(yīng)生成氫原子，氫原子在金屬表面形成化學(xué)吸附。在這種原子形式中，氫可以積累在金屬表面下的缺陷位置。這種積累會使缺陷附近產(chǎn)生強大的內(nèi)壓，產(chǎn)生塑性變形。固井是保證井身完整性的重要組成部分，Reitenbach等對完井所用材料的耐久性、腐蝕和與微生物代謝有關(guān)的環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行研究。氫氣滲透過水泥環(huán)也是一個相對潛在的風(fēng)險點，因為水泥暴露在極端的負(fù)荷條件下由于壓力、熱膨脹和體積變化導(dǎo)致腐蝕，機械強度會降低。Kutchko等研究了酸性氣體(H2S-CO2)和純CO2作用下水泥在模擬儲層條件下的變化規(guī)律，溫度、pH對水泥的孔隙度和滲透率有很大影響。CO2對水泥的化學(xué)降解作用稱為碳酸化。對于地下儲氫來說，碳酸化過程將取決于巖石礦物和地層流體中CO2的含量。如果碳酸化作用持續(xù)下去，碳酸鈣會轉(zhuǎn)化為重碳酸氫鈣[Ca(HCO3)2]，Teodoriu等研究表明這種水溶性的產(chǎn)物導(dǎo)致水泥強度降低。此外，氫氣環(huán)境中的微生物也會參與水泥化學(xué)反應(yīng)，影響水泥材料的性能。
封隔器是完井過程中的密封組件，其主要功能是隔離套管、油管或環(huán)空中的流體。封隔器故障會影響井的完整性，產(chǎn)生泄漏，危及環(huán)境和安全。封隔器通常由橡膠或聚合物制成的彈性體材料組成。由于在注采過程中會出現(xiàn)快速氣體減壓(RGD)，彈性體材料在儲氫操作中可能受到損害。Patel等發(fā)現(xiàn)在高壓下，氫氣可以滲透到彈性體材料中。在RGD之后，橡膠材料會因為接觸氫氣而變得過飽和，這影響材料的拉伸強度，并在密封橡膠材料內(nèi)部產(chǎn)生氣泡破裂。故障的嚴(yán)重程度與溫度、壓力和減壓時間成正比。當(dāng)彈性體材料與鉆井液、完井液、旋轉(zhuǎn)液、地層鹽水或含有各種溶劑、焦散劑、腐蝕性化學(xué)品的生產(chǎn)液接觸時，彈性體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞并可能會發(fā)生化學(xué)降解。一方面，鹽穴儲氫的墊層氣以甲烷為主，存儲的氫氣和甲烷混合。另一方面，地下氫氣在高壓條件下可能發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)為產(chǎn)生甲烷、硫酸鹽還原和乙酰化。鹽穴本身的巖層雜質(zhì)或者CO2使氫氣被消耗生成甲烷、乙酸鹽、硫化氫。因此，儲氫過程中產(chǎn)生的H2S、CO2和CH4也會加速彈性體的化學(xué)降解。Salehi等發(fā)現(xiàn)當(dāng)彈性體表面接觸存在的H2S時，它的高反應(yīng)活性使其部分溶解，導(dǎo)致其強度、極限伸長率和硬度降低。Fernández等研究發(fā)現(xiàn)隨著H2S濃度的增加，彈性體表面發(fā)生脆性斷裂。國內(nèi)外的專家和學(xué)者仍在持續(xù)對防止氫氣滲透材料進(jìn)行研究，通過對水泥、完井金屬和橡膠材料的改進(jìn)可以改善井身的完井條件，為密封儲氫提供可靠屏障。
3.2 地質(zhì)反應(yīng)
注入氫氣會改變地層孔隙、溶解氣體和巖石基質(zhì)之間的化學(xué)平衡，這可能導(dǎo)致氫氣的大量損失、氣體污染(例如產(chǎn)生H2S)、礦物溶解或沉淀、氫擴散泄漏等問題。Lassin等研究表明氫氣在存儲過程中所產(chǎn)生的壓力可以驅(qū)替鄰近的孔隙水，影響溫度和相對濕度的變化，孔隙水-巖石-氣體系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)性也產(chǎn)生變化。地下存儲環(huán)境影響相當(dāng)復(fù)雜，比如溶解氫不會直接影響孔隙水的pH，但反應(yīng)溶解的硫酸鹽間接影響液體的pH，從而導(dǎo)致礦物產(chǎn)生溶解/沉淀反應(yīng)。如果赤鐵礦或含鐵黏土和云母等礦物與儲存的氫氣引起氧化還原反應(yīng)，巖石基質(zhì)的強度和力學(xué)性能就會受到影響。礦物的溶蝕作用可能會產(chǎn)生氣體泄漏的通道，從而導(dǎo)致氫氣的損失。
如果在斷層和井口注入低溫的液態(tài)氫，將直接導(dǎo)致儲層的壓力和溫度變化。由于焦耳-湯姆遜效應(yīng)，低溫液態(tài)氫的溫度對地層和井筒的穩(wěn)定性是個巨大的挑戰(zhàn)。除此之外，氫氣進(jìn)入地下，超出壓力承受范圍的部分巖層會發(fā)生形變。Rutqvist研究了深部沉積層，特別是鹽水層的儲存問題，對儲層應(yīng)力-應(yīng)變和微震活動、井的完整性、蓋層封閉性能等進(jìn)行探討。周期性的注氫產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力的波動可能導(dǎo)致儲層內(nèi)部、井筒和斷層附近的儲層壓實，孔隙度降低，也有可能導(dǎo)致蓋層彎曲、產(chǎn)生裂縫和孔洞滲漏。鹽穴圍巖在受到地震剪切力的作用時，由于泥巖夾層和鹽巖的物理力學(xué)性質(zhì)不同，在地震作用下兩者的變形不協(xié)調(diào)，在兩者接觸面處會發(fā)生較大的相對位移差，產(chǎn)生裂縫，影響鹽穴整體的穩(wěn)定性和密封性，因此在選擇儲氫庫區(qū)塊位置時要考慮到地震對于氣庫的影響，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，在氣庫所在區(qū)塊位置的相應(yīng)抗震設(shè)防烈度基礎(chǔ)上，按照高一烈度的要求設(shè)計工程。
氫氣在地下條件下反應(yīng)的程度和速率存在很大不確定性，為了預(yù)測化學(xué)反應(yīng)對儲存周期的影響，在項目開展前期，通過對目標(biāo)儲庫處鉆取巖芯，進(jìn)行力學(xué)性能和滲透性能的分析，同時利用數(shù)值軟件模擬氫氣在地下鹽穴的儲存情況也是必要的。
3.3 微生物反應(yīng)
微生物在地下的生長情況應(yīng)納入儲層穩(wěn)定性評價。Gregory等研究表明生物和非生物作用產(chǎn)生的氫都可以被微生物消耗。除了地下固有群落，在儲存過程中從地表氣體或鉆井液可能引入外來微生物。微生物與氫循環(huán)消耗、生產(chǎn)和腐蝕息息相關(guān)。有很多經(jīng)常出現(xiàn)的微生物被認(rèn)為是主要的氫消耗者，如產(chǎn)甲烷菌、硫酸鹽還原菌、乙酸細(xì)菌等。氫氣的損失主要因為微生物反應(yīng)將H2轉(zhuǎn)化為CH4或H2S等氣體。在奧地利實施的Underground Sun Storage工程中3%的氫氣被存在的微生物損耗。在法國拜恩斯(Beynes)項目中H2在7個月內(nèi)減少了17%，但是CH4的量有所增加，說明H2轉(zhuǎn)化成了CH4。雖然CH4的增加有利于提高熱量值，但從長遠(yuǎn)角度上看不利于綠色低碳的理念，同時也會產(chǎn)生一些不可控的因素。另一方面，微生物產(chǎn)生的H2S也會帶來氫儲存的風(fēng)險。隨著微生物密度的增加，微生物形成的生物膜或礦物沉淀可能導(dǎo)致孔隙堵塞，從而降低氫氣的注入能力。
Berta等研究表明在實驗過程中，硫酸鹽還原和乙酸鹽生成的過程中，氫氣的消耗較快，但是沒有產(chǎn)甲烷，而且反應(yīng)速率與氫氣的分壓無關(guān)，當(dāng)鹽水的濃度增加到35 g/L以上，氫氣的消耗才停止，說明在高鹽環(huán)境會抑制某些微生物的生長。高壓也對微生物代謝產(chǎn)生影響。這些研究表明通過溫度、鹵水濃度、壓力等參數(shù)可以控制微生物的生長。
綜上所述，我國地下鹽穴儲氫應(yīng)從以下四個方面入手：防氫滲透材料、地面配套設(shè)備、檢測氫氣凈化技術(shù)和地下監(jiān)測綜合模擬評估。使用含滲透率較低的二氧化硅黏結(jié)劑的水泥、含鎳的奧氏體不銹鋼及氫化丁腈橡膠作為封隔材料，防止氣體漏失及套管開裂、腐蝕和脆化，以改善井身條件。在選擇儲氫庫區(qū)塊位置時綜合考慮安全、經(jīng)濟、地理位置等因素，在氣庫所在區(qū)塊位置的相應(yīng)抗震設(shè)防烈度基礎(chǔ)上，可以按照高一烈度的要求設(shè)計工程。在氫氣的“制”“儲”“運”環(huán)節(jié)除了政策規(guī)范、設(shè)施配套齊全，對氫氣的提純工藝和檢測標(biāo)準(zhǔn)也需進(jìn)一步完善。
由于氫氣在地下條件下反應(yīng)的程度和速率存在很大不確定性，為了預(yù)測化學(xué)反應(yīng)對儲存周期的影響，在項目開展前期，通過對目標(biāo)儲庫處鉆取巖芯，進(jìn)行力學(xué)性能和滲透性能的分析，同時利用數(shù)值軟件模擬氫氣在地下鹽穴的儲存情況。一般儲氫壓力過小時，儲存的氣體體積小且鹽穴可能發(fā)生蠕變收縮，壓力過大，氫氣可能會通過滲透率較大的蓋層或夾層滲透發(fā)生泄漏。儲氫的壓力范圍應(yīng)具有合理的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟效益。
4 鹽穴儲氫的展望
4.1 江蘇省能源結(jié)構(gòu)特點
江蘇省位于我國大陸東部沿海中緯度地區(qū)，地勢平坦，全省陸區(qū)面積10.72萬平方公里，海岸線長達(dá)954公里，灘涂面積約50萬公頃，海域面積3萬余平方公里，面向西太平洋。海上風(fēng)能資源對于經(jīng)濟發(fā)達(dá)的江蘇而言，無疑是一種極其寶貴的資源。根據(jù)江蘇省能源局發(fā)布的《江蘇省“十四五”可再生能源發(fā)展專項規(guī)劃(征求意見稿)》的規(guī)劃目標(biāo)，到2025年，江蘇省風(fēng)電新增約1100萬千瓦，其中海上風(fēng)電新增約800萬千瓦；光伏發(fā)電新增約900萬千瓦；各類生物質(zhì)發(fā)電新增約70萬千瓦；抽水蓄能新增約135萬千瓦。由于江蘇風(fēng)能具有典型的季風(fēng)特征，需要季節(jié)間的儲能來調(diào)節(jié)。為此，將風(fēng)能與鹽穴儲能相結(jié)合能較好解決城市能源消耗的問題。太陽能資源及生物質(zhì)能資源豐富，江蘇省全年輻射量約為4500～5200 MJ/m2，大部分地區(qū)的年均日照數(shù)在1400～3000 h。江蘇省境內(nèi)平原、湖泊較多，土壤適宜多種農(nóng)作物生長、生物質(zhì)能資源量豐富。由于江蘇省臨海，具有豐富的水資源，且降雨量相對豐沛，各地多年平均降水量在800～1100 mm。這便為電解水制氫，進(jìn)行過盈風(fēng)能、太陽能等可再生能源的消納提供了保障。
隨著江蘇省可再生能源規(guī)模的持續(xù)擴大，為提高可再生能源的利用效率，消納可再生能源的棄電，需要配備大規(guī)模的儲能系統(tǒng)，對規(guī)模日益增大的可再生能源進(jìn)行調(diào)峰儲能。如前所述，江蘇省在我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中位居前列，且江蘇省在金壇、淮安等地?fù)碛胸S富的地下鹽穴資源，同時考慮到《江蘇省“十四五”可再生能源發(fā)展專項規(guī)劃(征求意見稿)》中所提出的“因地制宜”的發(fā)展規(guī)劃，江蘇省的可再生能源也具有良好的大規(guī)模發(fā)展前景，可再生能源發(fā)電的資源條件和地下鹽穴儲氫的地質(zhì)條件在江蘇這個區(qū)位因素上重疊，將可再生能源發(fā)電與地下鹽穴氫儲能結(jié)合是適宜江蘇省低碳發(fā)展的理想途徑之一。至于選取具體合適的地下儲氫場所，還需根據(jù)江蘇當(dāng)?shù)卣?、地理位置、區(qū)域發(fā)展因地制宜。
4.2 江蘇省鹽穴特點
江蘇省擁有豐富的可再生能源資源，成熟的輸氣管路，并且擁有金壇、徐州師寨以及淮安等多處豐富的鹽礦、鹽穴資源，見表3。其中，金壇鹽礦覆蓋面積達(dá)60.5 km2。鹽層厚度大、夾層少、品位高，金壇鹽穴深1000 m以上，遠(yuǎn)低于地下含水層，降水對地下儲氫鹽穴的安全影響可忽略不計，是建設(shè)地下鹽穴儲氫庫的良好場所。研究人員對金壇鹽穴的蓋層密封性研究，獲得并制備了用于實驗的泥巖蓋層樣品，泥巖巖芯是在深度為760～870 m的先導(dǎo)井中獲得的。862～869 m之間泥巖蓋層的40個樣品的突破壓力(BP)值為2.94～66.43 MPa，平均值為28.48 MPa。根據(jù)鄧氏蓋層標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)BP>24.3 MPa時蓋層為優(yōu)良，30 MPa時蓋層為完美。按此標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)泥巖蓋層處于優(yōu)良和完美之間。因此，金壇礦泥巖蓋層具有良好的密封性。金壇鹽礦深部范圍900～1100 m，原位垂向應(yīng)力為20.7～25.3 MPa。這個值比閾值壓力大得多。因此，泥巖蓋層致密性好，滲透率低，約10-18 m2。用50個蓋層樣品測量孔隙率。孔隙率最高為10.4%，最低為1.4%，平均為4.3%。這樣的平均孔隙率也非常低。從微觀結(jié)構(gòu)角度對泥巖蓋層進(jìn)行了研究，該泥巖蓋層致密，表面是凹陷和波峰。顆粒非常小，呈碎狀或不規(guī)則形狀，顆粒大小為2～6 mm，粒子分布非常緊密，粒子之間幾乎沒有間隙。隨著離鹽巖層距離的增大和深度的增加，顆粒分布更加緊密，指標(biāo)基質(zhì)表現(xiàn)更緊密。這些都表明金壇鹽礦在縱向和橫向均具有穩(wěn)定的區(qū)域構(gòu)造和良好的存儲性。統(tǒng)計自公元320年以來金壇及周邊歷史上的地震資料，震級大于3級的共26次，最大6級，一般為3～5級。發(fā)生在金壇地區(qū)的共7次，最大震級3.5級。從該地區(qū)相應(yīng)抗震設(shè)防烈度來看，該地區(qū)相應(yīng)抗震設(shè)防烈度為6度，在工程建設(shè)中按7度考慮設(shè)計。綜合考慮地區(qū)的地質(zhì)資料和地震歷史，金壇鹽穴在儲氫選址時具有極大的優(yōu)勢。
表3 江蘇各市用電總量、可再生資源、長輸管道及鹽礦分布情況
4.3 鹽穴儲氫技術(shù)路線
以氫氣作為儲能介質(zhì)，對于單個儲能系統(tǒng)達(dá)到100 GWh的規(guī)模，鹽穴儲氫是唯一具有技術(shù)潛力的方法。鹽穴儲氫具有以下特殊優(yōu)勢：①巖鹽具有致密的基質(zhì)和極低的滲透率(≤10-20 m2)，較好的蠕變特性使其能夠自動修復(fù)裂隙；②地下鹽礦是非含水層，密封性好，不會污染地下水，而且鹽穴采用水溶造腔技術(shù)，相比其他儲氣庫造腔成本低；③鹽穴的工程條件比其他水庫更合適，例如鹽穴的空間通常為10萬～50萬m3，深度范圍為600～2000 m，非常經(jīng)濟，適合儲存加壓氫氣；④總體而言，與枯竭的油氣藏型儲層和含水層相比，利用鹽穴來儲存氫氣費用最低，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，地下鹽穴儲氫的能量密度可以達(dá)到約300 kWh/m3，幾乎等于鋰離子電池的能量密度。一個鹽穴可以儲存數(shù)千噸的氫氣，規(guī)模較大。因此，利用鹽穴可以在將來實現(xiàn)氫氣的大規(guī)模長期儲存。
據(jù)江蘇統(tǒng)計年鑒2021年數(shù)據(jù)顯示，江蘇省全社會用電總量6373.7億千瓦時，其中，蘇南地區(qū)用電總量達(dá)3705.5億千瓦時(具體城市見表3)。面對巨大能源需求，截至2021年底，江蘇全省可再生能源累計裝機4443萬千瓦，占全省裝機總量的28.8%。海上風(fēng)電裝機連續(xù)多年位居全國第一，光伏發(fā)電裝機位居全國第三，生物質(zhì)發(fā)電裝機位居全國第四。根據(jù)目前技術(shù)水平，可采用大規(guī)模堿性水電解制氫技術(shù)、鹽穴儲氫技術(shù)及天然氣管道摻氫技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)方案。該技術(shù)方可利用電解槽靈活地吸納電網(wǎng)低谷或可再生能源的電力，同時也能為電力系統(tǒng)提供低成本的平衡服務(wù)。如圖2所示，電網(wǎng)過剩的可再生能源將水分解成氫氣和氧氣，也就是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。生產(chǎn)的氫氣可大規(guī)模儲存于鹽穴中，也可進(jìn)一步用于下游的交通、工業(yè)或天然氣管網(wǎng)注入。據(jù)2021年4季度江蘇省天然氣行業(yè)報告顯示，江蘇省天然氣長輸管道總計293條(表3)，市域輸氣干線241條。而金壇鹽盆位于蘇南天然氣管網(wǎng)中心，“天然氣管道摻氫”具有得天獨厚的優(yōu)勢，可順利解決氫氣下游消納的問題。該方案具有新能源電力消納、電網(wǎng)削峰填谷、能源大規(guī)模、跨季節(jié)存儲、平衡氫能供需以及低成本等優(yōu)勢。這對于可再生能源發(fā)電的剩余電量的大規(guī)模存儲、綠色清潔氫能源的使用與發(fā)展以及節(jié)能減排，發(fā)展低碳經(jīng)濟都具有十分重要的意義。
圖2 氫能發(fā)展路線
5 結(jié)論
大規(guī)模的儲氫可以幫助緩解可再生能源發(fā)電的主要問題，如間歇性、季節(jié)性和地理限制。滿足用氫需求，推動氫經(jīng)濟實現(xiàn)雙碳減排綠色目標(biāo)。本工作介紹了氫能的發(fā)展趨勢和相關(guān)儲氫技術(shù)。通過分析比較，鹽穴在大規(guī)模地下儲氫方向有遠(yuǎn)大前景。越來越多的國家在全球都大力投資，而我國在大規(guī)模鹽穴儲氫項目上還較為薄弱。實施過程中存在一些科學(xué)問題亟待解決，如氫腐蝕、微生物反應(yīng)、地質(zhì)反應(yīng)等。為了保障氫能的安全高效存儲，選址應(yīng)建立科學(xué)完善的評估體系，儲存點應(yīng)具備測量、監(jiān)視和驗證操作系統(tǒng)，開發(fā)技術(shù)應(yīng)借鑒多學(xué)科基礎(chǔ)和成功經(jīng)驗。以江蘇金壇鹽穴為例，結(jié)合江蘇能源結(jié)構(gòu)背景，將水電解制氫技術(shù)、鹽穴儲氫技術(shù)及天然氣管道摻氫技術(shù)相結(jié)合，解決“制、儲、運”的關(guān)鍵問題，這對加快氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展、推動我國能源結(jié)構(gòu)改革、支撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展、實現(xiàn)交通運輸、工業(yè)等領(lǐng)域的深度脫碳均能起到重要作用。
