科普 | 什么是地下儲氫庫？

無論是高壓氣態(tài)儲氫技術、低溫液態(tài)儲氫技術、固態(tài)儲氫技術及有機物液體儲氫技術，要發(fā)揮技術實力，都離不開儲氫裝備，各類金屬或其他材質制成的儲氫容器成為氫的“安身之地”，其中固定式儲氫罐、移動式儲氫瓶等成為儲氫領域商業(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巨大且高效的儲存容器：地下儲氫庫。我國已經將地下儲氫庫的研究、尋覓和建設列上日程。

什么是地下儲氫庫

地下儲氫庫是一種利用地下地質構造進行大規(guī)模氫能存儲的設施。地下儲氫庫的工作原理是通過將氫氣注入這些地下構造中，然后在需要時將氫氣抽出利用。

氫究其本質，作為一種氣體狀能源，那么就可以和天然氣一樣儲存，我國的儲氣庫建設技術已經很成熟，空氣壓縮儲能技術也已經日趨成熟，我們也可以像為天然氣存儲和壓縮空氣存儲一樣，為氫氣在地下找到合適的密閉空間進行大批量存儲。

為什么要在地下建設儲氫庫

從地質角度來看，地下構造適合儲存氫氣，在剩余能源生產時，可以將剩余能源轉化為氫氣并作為能源載體將其儲存在地下構造中，然后在能源需求高峰時采出投入應用。

與其他儲氫路徑對比，地下儲氫庫的最大優(yōu)勢是可以實現(xiàn)大規(guī)模儲氫。傳統(tǒng)瓶罐式儲氫與地下儲氫相比，在儲能容量上，不在一個尺度。地下儲氫庫的龐大儲量能夠滿足氫能中長期存儲的要求。不過這一儲氫路徑發(fā)展地晚，目前也只有歐美幾個國家進行過一些項目實踐，而我國也僅僅是在今年才剛剛開始。

未來，可再生能源(風能、太陽能等)有望成為主要的發(fā)電能源，這一發(fā)展趨勢得到越來越多的國家的認可。伴隨著可再生能源發(fā)電規(guī)模的不斷擴大，發(fā)展兆瓦級、百兆瓦級甚至吉瓦級的儲能系統(tǒng)將顯得愈發(fā)重要。氫儲能作為一種新型儲能技術，有望成為可再生能源調節(jié)和消納的重要手段之一。因此，地下儲氫正在越來越受到世界的關注。

什么樣的地下結構合適成為儲氫庫？

選擇合適的地下結構作為儲氫庫時，需要考慮地質條件、密封性能、建設成本以及技術挑戰(zhàn)等多個因素。儲存氫氣的地質層通常包括鹽穴、地下巖洞、含水層、廢棄礦井和枯竭的油氣藏等地質構造。

地下能儲氫的構造有哪些?

鹽穴?是鹽礦開采后的廢棄礦洞，通常位于地下近千米，容積可達數十萬立方米，且穴壁夯實，耐得住高壓，可用于儲存高壓空氣、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，微生物反應較少，鋼材腐蝕和產氫率降低等問題相對不嚴重。

地下巖洞是利用地下巖石結構的空隙和裂縫來儲存氫氣，通常通過高壓注入氫氣來實現(xiàn)儲氫。這種方法的優(yōu)勢在于可以利用天然的地下空間，但需要解決密封性等問題?。

含水層就是儲存有地下水的透水層，常常用來儲存天然氣。含水層的地質類似于枯竭的天然氣田。它們都是多孔沉積巖結構，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化為儲氣，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。

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

鹽穴儲氫有哪些技術優(yōu)勢

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

·巖鹽具有致密的基質和極低的滲透率，更讓人驚奇的是，即便腔體產生裂縫，天然礦鹽遇水融化再凝固后，裂縫很快就會自愈，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，不會污染地下水，而且鹽穴采用水溶造腔技術，相比其他儲氣庫造腔成本低；

·鹽穴的工程條件很經濟，例如鹽穴的空間通常為 10萬~50萬m，深度范圍為 600~2000m，非常經濟，適合儲存加壓氫氣；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，鹽穴儲氫庫在一年內可完成多個注入和采出周期，因此可以在調峰和小時時間長度的儲能需求中發(fā)揮關鍵作用。

我國常州金壇擁有面積達60.5平方公里的鹽穴，第一座壓縮空氣儲能電站已經在2022年投入運營，今年上半年，國家管網集團在金壇建設的我國首座鹽穴儲氣庫儲氣庫也順利投產，日采氣能力達2700萬立方米。除此之外，目前金壇當地也正在開展鹽穴儲氫、儲氦等研究。雖然金壇的鹽穴擁有很大儲氫潛力，但是國內鹽穴儲氫項目首先落地的有望在河南。

今年7月19日，中國平煤神馬能源化工集團鹽穴儲氫中試現(xiàn)場踏勘暨氫產業(yè)規(guī)劃座談會在聯(lián)合鹽化公司舉行。

神馬能源化工集團集團總經理李延河表示：鹽穴被視為地質儲氫的首選，鹽穴儲氫將會有巨大潛力。需要重點研究鹽穴儲氫中試技術體系和集團氫產業(yè)發(fā)展技術路線，制定嚴格的氫資源綜合利用發(fā)展規(guī)劃，構建獨特的“地面生產＋巖穴儲存＋摻輸一體＋綜合利用”氫產業(yè)體系并開展試點示范，努力建成“國內鹽穴儲氫第一庫”，以保障國家能源供應安全和推動氫產業(yè)高質量發(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氫第一庫有著優(yōu)良的地質基礎。

除此之外，在陜西榆林也有望建設一座鹽穴儲氫庫。今年8月8日，陜西華鹽綠能獲電解水制氫項目備案，這一制氫項目的特殊之處就在于其是使用鹽穴作為儲氫庫。項目信息顯示，投資2.7億建年產160萬方氫氣裝置，實現(xiàn)氫氣的穩(wěn)定供應。

項目信息顯示，鹽穴儲氫庫是利用王家砭的兩口鹽井，在地下2500米深處建造一個五萬立方米的鹽穴，將制取的氫氣采用高壓氣態(tài)方式存儲到鹽穴中，為后續(xù)的應用提供可靠、穩(wěn)定的氫氣供應。

首座巖洞儲氫庫將在湖北大冶建成

今年1月，國內首個巖洞儲氫科研項目在湖北大冶開工。它是湖北大冶綠電綠氫制儲加用一體化氫能礦場綜合建設項目的一部分，這一項目涵蓋光伏發(fā)電、綠電制氫、巖穴及地下分布式儲氫、管道輸氫、氫能應用、氫能產業(yè)園、數字化管理平臺等7大板塊。

今年1月，湖北大冶深地儲氫科研中試基地項目簽約及開工儀式在湖北大冶金湖舉行，深地儲氫科研中試基地項目是由中冶武勘工程技術有限公司投資建設，通過利用大冶市既有廢棄礦洞，選擇地質穩(wěn)定、巖體構造裂隙可控的礦洞進行人工改造，用于規(guī)?；瘍洌瑤r穴儲氫洞庫幾何容積不小于5000立方米，儲氫壓力5MPa。

這是國內首個巖洞儲氫和地下分布式儲氫的科研中試基地。巖洞儲氫科研項目研究領域包括巖洞儲氫基礎理論、關鍵臨氫材料、核心建造工藝、智慧管控平臺等內容，同步開展光伏、制氫、輸氫、儲氫至加氫的氫能全產業(yè)鏈條的工程化應用創(chuàng)新。

國外地下儲氫庫有哪些

海外地下儲氫庫基本以鹽穴為主。英國的Teesside是歐洲唯一的一個鹽穴儲氫庫，由三個鹽穴組成，總容量為2萬多立方米。該儲氫庫已經運行了50年，氫氣用于合成氨和甲醇的生產。在美國得克薩斯州，氫氣被儲存在三個獨立的鹽穴中，用于石化工業(yè)。

來源：非凡科普

近年來，美國和加拿大等國都加大了地下儲氫庫的探索和應用。加拿大的費謝爾鹽穹（Fischell Salt Dome）地質結構位于加拿大紐芬蘭西海岸，其將在綠色能源轉型中發(fā)揮關鍵作用。負責開發(fā)的三點資源公司表示，若將鹽溶解，挖空穹頂并填充氫氣，該鹽穴有望有望儲存逾3500萬立方米的氫，相當于18萬噸，將成為北美東部最大的綠色能源儲存設施之一。

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

據稱該鹽穴可以儲存足夠的氫氣，產生300GWh的電力，足以滿足28000個美國家庭的年能源需求。預計它將成為世界上最大的綠色儲氫基地。

近年海外國家也在探索巖洞作為儲氫庫的項目。2022年6月，SSAB、LKAC和Vattenfall在瑞典為HYBRIT示范設施（100 m3）揭幕，將氫氣儲存在襯砌的硬巖洞穴中。這是同類產品中的第一個，預計將2024年運行，總資金為3.31億瑞典克朗(3300萬美元)。之后，可以建造約100 000立方米(60 gwh H2)的綜合設施。

技術瓶頸還有哪些？

地下儲氫庫儲氫規(guī)模巨大，從而能夠拉低綜合成本。因為是利用地下構造的封閉性而建造，可以有效防止氫氣泄漏，從而提高儲氫安全性。

更重要的是，地下儲氫庫不是單獨為這一作用而開辟的空間，而是利用天然地址構造或者以往的人類遺跡空間來作為儲庫，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。

但是由于地下儲氫這一技術推進地晚，目前技術不甚成熟，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，都還有很多技術增長空間。

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

中石油在今年上半年開始，啟動了地下油氣田儲氫庫前期勘探工作并完成了前期工作的招標，擬對松遼、鄂爾多斯、四川等盆地內油氣田的儲蓋層巖石樣品進行測試分析，以評估地下儲氫的綜合選址。

隨著氫能應用的推廣，越來越的氫氣制備將在地下儲氫庫中找到安身之所，同時在項目實踐活動的推進中，地下儲氫技術也將獲得更快的發(fā)展?；蛟S終有一天，技術難關突破，廢棄的氣田也將成為氫氣的大批量存儲的新空間。