通過可再生能源發(fā)電并制取氫氣；將氫氣注入鹽穴、枯竭油氣藏、含水層和襯砌的硬巖洞等地下地質(zhì)構(gòu)造中；實(shí)現(xiàn)氫能的儲存；有需要時(shí)可將氫氣從地下儲氫場所采出用于燃?xì)狻l(fā)電或其他用途。

 

 

圖1 地下儲氫的運(yùn)作機(jī)制簡述

 

（數(shù)據(jù)來源：地下儲氫技術(shù)研究綜述）

 

地下儲氫具備經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，僅需較低開發(fā)成本即可實(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模存儲，是實(shí)現(xiàn)氫能大容量長期儲存的有效途徑。

 

 

鹽穴的存儲容量通常較小，但是可在一年時(shí)間內(nèi)多輪注入、采出，進(jìn)而發(fā)揮靈活的跨期調(diào)節(jié)作用。目前包括傳統(tǒng)儲氫鹽穴（見表1）、演示儲氫的鹽穴商業(yè)設(shè)施、現(xiàn)有或退役的天然氣儲存洞穴相鄰的儲氫的鹽洞穴，混合氫合物的天然氣儲存鹽穴（見表2）等。

 

表1  傳統(tǒng)鹽穴項(xiàng)目

 

 

（數(shù)據(jù)來源：地下儲氫技術(shù)研究綜述）

 

表2  其他類型項(xiàng)目鹽穴

 

 

國內(nèi)關(guān)于地下鹽穴儲氫的研究還處于起步階段。在我國的江蘇金壇，擁有大規(guī)模的鹽層與鹽穴資源，重慶大學(xué)與巖土所合作進(jìn)行了相關(guān)研究，該研究結(jié)合以風(fēng)能為代表的可再生能源發(fā)電，將過剩電量進(jìn)行大規(guī)模存儲。通過對我國江蘇金壇地域的層狀鹽巖進(jìn)行研究，從地質(zhì)存儲性、穩(wěn)定性、巖洞致密性等方面對其作為UHS潛在選址的可行性進(jìn)行分析與評估，嘗試發(fā)展可再生能源發(fā)電與地下氫儲能耦合這一技術(shù)路徑。

 

以上例子證明了在鹽穴中儲存氫氣的可行性。然而，合適的鹽洞的可用性是有限的，鹽洞需要在許多領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步的研究，包括評估鹽穴的完整性。此外，受制于快速循環(huán)，電解產(chǎn)生的氫氣將需要更高的儲存靈活性，這使得鹽穴成為IEA目前所關(guān)注的主要方向。

 

 

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。

 

項(xiàng)目：目前沒有商業(yè)設(shè)施可以在多孔巖石中儲存純氫。但是，存在氫氣占比超過百分之50的混合天然氣地下儲存項(xiàng)目，以下是相關(guān)的項(xiàng)目信息：

 

表3  枯竭天然氣藏項(xiàng)目

 

 

（資料來源：地下儲氫技術(shù)研究綜述）

 

此外，在愛爾蘭，Green Hydrogen@Kinsale項(xiàng)目對枯竭氣田的儲氫潛力進(jìn)行了專有評估。在意大利，Snam進(jìn)行了一系列測試，確認(rèn)了在其枯竭的氣田中儲存氫氣的可能性，并評估了100% 濃度氫氣儲存影響的測試。

 

然而，氫氣的儲存比天然氣更難，這是因?yàn)槠渚哂懈叩膲嚎s系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、較低的粘度和反應(yīng)性，所以在儲氫方面的運(yùn)用仍然具有挑戰(zhàn)。由于氣田的多孔性，枯竭的天然氣田不能提供大規(guī)模的短期靈活性，每年只能運(yùn)行數(shù)個(gè)周期。因此，它們可以在管理供求的季節(jié)性波動(dòng)和加強(qiáng)供應(yīng)安全方面發(fā)揮重要作用。

 

 

含水層約占現(xiàn)有地下天然氣儲存能力的11%。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)化為儲氣，其中水和巖石覆蓋層都作為安全殼。

 

項(xiàng)目：沒有正在運(yùn)行的商業(yè)含水層儲存氫氣，且含水層中的純氫儲存尚未經(jīng)過測試。但是有一些相類似的項(xiàng)目也值得列出，在20世紀(jì)70年代，在Lobodice (捷克共和國)，Engelbostel和Ketzin (德國) 和Beynes (法國)，使用了鹽水含水層來儲存城鎮(zhèn)天然氣。RINGS (向存儲設(shè)施中注入新氣體的研究) 項(xiàng)目正在分析向法國ter é ga含水層中注入的天然氣流中添加氫氣和生物甲烷的影響。

 

與枯竭氣田不同，枯竭氣田因最初充滿氣體而已知是緊密的，含水層并非四面都緊密，需要進(jìn)行廣泛的地質(zhì)調(diào)查以確定是否存在氣體逸出的隱患。含水層作為天然氣儲存的方案通常需要更多的緩沖氣體，在注入和抽取氣體方面同樣不具備靈活調(diào)節(jié)的作用。

 

 

襯砌的硬巖洞用于儲存天然氣液體（丙烷，丁烷）和原油，此外，堅(jiān)硬的巖洞也可以用來儲存氫氣。以下是一些相關(guān)示范項(xiàng)目的信息：

 

1.瑞典：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。

 

 

瑞典的項(xiàng)目證明了氫氣襯砌硬巖洞用于天然氣儲存的可行性，但是壓縮氣體還需要類似于地上儲氫罐的安全殼和絕緣系統(tǒng)。

 

 

 

氫能可以以多種形式儲存，包括氣體、液體、表面吸附、氫化物或液態(tài)有機(jī)載氫體等。但是為了實(shí)現(xiàn)輔助電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行，建立完善的氫能源網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)，地下儲氫是當(dāng)前唯一可行的方法。管道或儲罐等地面儲氫方式的儲存和排放能力有限，只有數(shù)天時(shí)間（MW·h 級）。要滿足數(shù)周或數(shù)月（TW·h 級）規(guī)模的能源儲存供應(yīng)， 則需要地下儲氫。地下儲氫可以滿足最長至幾個(gè)月的儲能需求，需要時(shí)可采出直接使用，也可以轉(zhuǎn)化為電能利用。

 

 

1979 年美國天然氣技術(shù)研究院發(fā)表了地下儲氫研究報(bào)告，證實(shí)了其經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的可行性。1986 年，根據(jù) Taylor 等人研究，地下儲氫是最經(jīng)濟(jì)的儲氫方法。此外表1也展示一些項(xiàng)目研究證明其可行性。

 

表1  地下儲氫項(xiàng)目

 

 

（資料來源：地下儲氫技術(shù)研究綜述）

 

 

含水層中儲存氫的例子較少，但是有很多數(shù)值模擬的研究論證了地下含水層儲存氫氣的可行性。

 

西班牙：Sáinz-García等在西班牙北部Castilla-Leon地區(qū)通過數(shù)值模擬論證了發(fā)電產(chǎn)生的氫氣在地下儲存的可行性，同時(shí)指出，雖然氫氣和水的黏度與密度相差較大，但是在模擬中并沒有發(fā)生黏性指進(jìn)（在氣體提高石油采收率過程中，一般由于兩相的粘度差異，容易造成氣體像手指一樣在原油中穿過，這種現(xiàn)象就是黏性指進(jìn)現(xiàn)象），這對地下儲氫是非常有利的。

 

德國：Pfeiffer等利用油藏?cái)?shù)值模擬軟件Eclipse E300對德國Schleswig-Holstein的一處背斜結(jié)構(gòu)中含水層儲氫進(jìn)行模擬，共布5口井。第1階段，以56 625 m(3)/d/井的速度注入緩沖氣體氮?dú)?，持續(xù)710天；第2階段以155 000 m(3)/d/井的速度注入氫氣，持續(xù)210天；第3階段，模擬4個(gè)儲存循環(huán)周期，每個(gè)周期包括采出氫氣7天、注入氫氣50天以及關(guān)井30天。其中，采出和注入速度分別為1000 000 m(3)/d/井和150 000 m(3)/d/井。通過模擬得到平均每口井的采出速度由第1個(gè)周期的4 537 663.45 m(3)/d提高到第4個(gè)周期的4 937 376.33 m(3)/d, 增幅為8.81%;平均每口井的采出氣體中的氫氣體積分?jǐn)?shù)也由最初的52%增至85%,，可見儲氫性能較好。

 

波蘭：Luboń等對波蘭Suliszewo地區(qū)一個(gè)深層含水層建立靜態(tài)地質(zhì)模型，并使用PetraSim TOUGH2軟件進(jìn)行氫氣注入模擬，以此評價(jià)季節(jié)性循環(huán)儲氫的可行性。先向地層中注入氫氣24個(gè)月(第1個(gè)月注入速度為0.34 kg/s, 接下來23個(gè)月注入速度為0.51 kg/s),接著注入和采出(采出流量為3 kg/s可使采出氣體中的氫氣流量約為0.51 kg/s)分別為6個(gè)月。第1個(gè)循環(huán)采出氫氣8 404.95 t, 僅為注入氫氣的25.41%,但經(jīng)過5次循環(huán)后，采出氫氣41 807.43 t, 占注入氫氣的59.19%。

 

 

1.過程中注入-采出循環(huán)初期采出氣體中的氫氣含量較低，但是優(yōu)勢在于經(jīng)過4——5次循環(huán)后，氫氣體積分?jǐn)?shù)均超過50%,有的甚至達(dá)到85%；

 

2.有利于實(shí)現(xiàn)輔助電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行，建立完善的氫能源網(wǎng)絡(luò)；

 

3.技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益結(jié)合的最可行儲氫方式。

 

此外地下儲氫技術(shù)仍然處在發(fā)展的初級階段，僅在近10年得到歐美等發(fā)達(dá)國家重視，其他國家很少研究，我國的地下儲氫項(xiàng)目正在推進(jìn)，相比西方美國等國家還有一定差距。

 

 

冬季和夏季天然氣價(jià)格之間的季節(jié)性價(jià)差以及短期價(jià)格波動(dòng)是儲氣的兩個(gè)關(guān)鍵市場價(jià)值驅(qū)動(dòng)因素。儲氣設(shè)施需要通過優(yōu)化天然氣運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)來發(fā)揮作用，由于可用存儲容量在天然氣貿(mào)易市場的對沖交易中發(fā)揮著重要作用，進(jìn)而推動(dòng)了天然氣儲存基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展；此外，天然氣儲存設(shè)施在供應(yīng)中斷的情況下支持能源系統(tǒng)的安全。同樣，由于氫氣有望在能源系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，因此存儲對于保持其可靠性也很重要：

 

- 平衡使用可變可再生電力的電解槽的供應(yīng)波動(dòng)和氫氣需求的季節(jié)性。

 

- 在供應(yīng)中斷的情況下提供能源安全，如貿(mào)易沖突、不可預(yù)見的停電、自然災(zāi)害，并減少相關(guān)的價(jià)格波動(dòng)。

 

在多孔儲層（即枯竭的氣田和含水層）中儲存所需的研究開發(fā)和示范發(fā)展緩慢。需要更多的研究來評估枯竭油田中殘留天然氣的影響，含水層和枯竭氣田中可能產(chǎn)生污染物和氫氣損失的原位細(xì)菌反應(yīng)，以及可能受到氫氣特性影響的儲存密封性的影響。正在進(jìn)行的歐洲研究項(xiàng)目正在解決這些問題，其結(jié)果對于為未來的示范項(xiàng)目和工業(yè)部署提供信息非常重要。

 

 

地下天然氣儲存項(xiàng)目需要相當(dāng)長的建設(shè)周期，鹽穴和枯竭儲層需要5至10年，含水層儲存需要10至12年。對于儲氫項(xiàng)目，可能會(huì)存在有更大的時(shí)間滯后，因?yàn)閷?shí)踐經(jīng)驗(yàn)有限，而且只有一種鹽穴技術(shù)。雖然使用現(xiàn)有的天然氣儲存設(shè)施可以在允許的情況下快速運(yùn)行，但鹽洞的沖洗時(shí)間為兩到五年。荷蘭的HyStock項(xiàng)目估計(jì)，整個(gè)過程不包括計(jì)劃階段從在調(diào)試之前授予許可證可能需要大約7年的時(shí)間。

 

 

當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境決定了地下儲氣設(shè)施的潛力。在潛力有限的地區(qū)，氫可以通過化學(xué)轉(zhuǎn)化過程 (例如氨，甲醇和LOHC) 作為液體載體大規(guī)模存儲，但是能量的轉(zhuǎn)換效率對應(yīng)也會(huì)降低。