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科普 | 什么是地下儲(chǔ)氫庫?

2024-08-28 來源:中國氫能與燃料電池網(wǎng) 瀏覽數(shù):625

無論是高壓氣態(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

無論是高壓氣態(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。我國已經(jīng)將地下儲(chǔ)氫庫的研究、尋覓和建設(shè)列上日程。

什么是地下儲(chǔ)氫庫

地下儲(chǔ)氫庫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,我國的儲(chǔ)氣庫建設(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

從地質(zhì)角度來看,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)氫路徑對比,地下儲(chǔ)氫庫的最大優(yōu)勢是可以實(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)氫庫的龐大儲(chǔ)量能夠滿足氫能中長期存儲(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)國家進(jìn)行過一些項(xiàng)目實(shí)踐,而我國也僅僅是在今年才剛剛開始。

未來,可再生能源(風(fēng)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(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、百兆瓦級甚至吉瓦級的儲(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?

選擇合適的地下結(jié)構(gòu)作為儲(chǔ)氫庫時(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)的空隙和裂縫來儲(chǔ)存氫氣,通常通過高壓注入氫氣來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)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(chǔ)存有地下水的透水層,常常用來儲(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。

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

鹽穴儲(chǔ)氫有哪些技術(shù)優(yōu)勢

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:

·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 10萬~50萬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)間長度的儲(chǔ)能需求中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

我國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,今年上半年,國家管網(wǎng)集團(tuán)在金壇建設(shè)的我國首座鹽穴儲(chǔ)氣庫儲(chǔ)氣庫也順利投產(chǎn),日采氣能力達(dá)2700萬立方米。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,中國平煤神馬能源化工集團(tuán)鹽穴儲(chǔ)氫中試現(xiàn)場踏勘暨氫產(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“國內(nèi)鹽穴儲(chǔ)氫第一庫”,以保障國家能源供應(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。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。項(xiàng)目信息顯示,投資2.7億建年產(chǎn)160萬方氫氣裝置,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)氫庫將在湖北大冶建成

今年1月,國內(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)氫洞庫幾何容積不小于5000立方米,儲(chǔ)氫壓力5MPa。

這是國內(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。

國外地下儲(chǔ)氫庫有哪些

海外地下儲(chǔ)氫庫基本以鹽穴為主。英國的Teesside是歐洲唯一的一個(gè)鹽穴儲(chǔ)氫庫,由三個(gè)鹽穴組成,總?cè)萘繛?萬多立方米。該儲(chǔ)氫庫已經(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)。

來源:非凡科普

近年來,美國和加拿大等國都加大了地下儲(chǔ)氫庫的探索和應(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3500萬立方米的氫,相當(dāng)于18萬噸,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。

近年海外國家也在探索巖洞作為儲(chǔ)氫庫的項(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作為儲(chǔ)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(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(chǔ)氫庫,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,將帶來更廣大的儲(chǔ)庫空間。但目前來看,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)氫庫前期勘探工作并完成了前期工作的招標(biāo),擬對松遼、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)行測試分析,以評估地下儲(chǔ)氫的綜合選址。

隨著氫能應(yīng)用的推廣,越來越的氫氣制備將在地下儲(chǔ)氫庫中找到安身之所,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。


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