原创 储能新观察 储能产业新观察 2019-07-28 背景 未来，可再生能源（风能、太阳能等）有望成为主要的发电能源，这一发展趋势得到越来越多的国家的认可。伴随着可再生能源（太阳能、风能等）发电规模的不断扩大，发展兆瓦级、百兆瓦级甚至吉瓦级的储能系统将显得愈发重要。正因为如此，大规模储能技术研究成为热点，氢储能作为一种新型储能技术，有望成为可再生能源调节和消纳的重要手段之一，同时也被认为是构建氢能社会最为重要的一个环节，引起的全球普遍关注。地下储氢与传统气瓶储氢相比在时间尺度及空间尺度上具有较大优势，能够满足氢能中长期存储的要求。利用地质结构储氢有望成为消纳大规模可再生能源电力较为经济的一种储能方式。 对此，储能新观察对地下储气库现状进行简单的分析以及地下储氢技术研究现状及应用情况进行追踪，并根据未来市场情况，对地下储氢发展路线进行预测分析。后续储能新观察将对制氢、用氢等氢能源产业链进行分析。 第一部分 地下储气库发展现状 地下储气设施通常是由人工在地面以下几百米甚至更深的地方修建的蓄气池。将气体通过压缩机压缩并存储在该设施中，使用时将所储存的气体利用生产井抽出并输送至用户。常见的地下储气设施主要用于石油天然气公司天然气存储以及CO2气体存储，当前已经有680多个地下储气设施投入实际应用。地下储气主要有以下优势： -地下存储较为安全，不易受到火灾、恐怖袭击以及军事行为的影响； -节约土地资源，与传统的地上装置储存相比，地下储存不需要占用较大土地资源， -成本较低，与传统的地上设施存储设施建设相比，地下储气建设具有成本优势。 过去的一百年里，地下储气设施不断增长，截止2010年全球已经开发了642座地下储气设施，其中476座位于已经枯竭了的油气田中，我国2000年修建的大张坨储气库属于典型利用枯竭的油气田修建的储气库，82座利用地质含水层，76座利用地下盐穴。其中大部分地下储气设施位于北美，美国399座，加拿大50座，欧洲拥有130座地下储气设施位居第二，其余分布在全球不同地区。近几年来，地下盐穴，作为地下储气设施，引起了极大关注，根据国际天然气信息协会，2015年规划的202座地下储气库，其中82座计划使用地下盐穴。截止2015年，全球在使用的地下储气库有682座，所储存的气体约4130亿平方米，其中北美占38%，CIS占29%，欧洲占27%，中东地区占2%，亚洲占4%。 第二部分 地下储氢的发展现状 氢性质： 氢在不同的温度计气压下表现出不同的形态。下图1给出氢的相图，当温度达到-262℃时，氢呈现固态，密度为70.6Kg/m3；标准大气压0℃时，呈现为气态，密度为0.089Kg/m3；在下图中三角形区域中，氢呈现液态，当温度为-253℃时，液态氢的密度为70.8Kg/m3。一公斤氢气在常温常压下，将占据11m3的空间，表明储氢的关键是提升储氢密度，目前在研究的高效的储氢方法主要有三种：（1）压缩气态储氢；（2）液态储氢；（3）固态储氢，包括吸附、化学反应及金属氢化物储氢等。 图1 氢相图 氢是化学元素中最小的分子，具有很高的渗透性，与甲烷相比，氢分子在固相中的扩散速率是甲烷的几倍，这种情况下，将氢直接存储在地下干燥的盐穴中将会出现一些问题。当将氢存储在枯竭的油气田井及含水层中，该类洞穴的孔隙中的存在大量的水，因氢分子在水中的溶解度较低，25°C时每摩尔水仅可溶解0.00018摩尔氢气分子，压力为100bar，在纯水中扩散系数为10-9m2/s，在浸水的泥质岩石中扩散系数为10-119m2/s，尽管在这类洞穴中水的存在一定程度上改善了氢气的气密性，但在一个存储周期中仍然有2%的氢气损失 。由于盐穴内部较为干燥，当将氢气存储在盐穴中，一方面将面临氢分子快速扩散，引起氢较快损耗，不利于氢的长时间储存，另外方面，氢分子与洞穴壁矿物质接触将发生一系列化学反应，同样也会带来氢损耗，尤其是在高温高压下将加速反应发生，引发氢不可逆损耗。 地下储氢方式： 常规储氢方式主要为利用钢结构的储气罐来存储氢气，氢气长时间暴露在金属及金属合金管道中，将影响管道的耐久性，高浓度及高压氢气的这种对储氢装置破坏性影响更为显著。氢气对钢及合金钢的影响主要包括起泡、诱发开裂、氢脆等，这些问题的存在，轻则导致氢泄露，重则引起重大安全事故。 地下储氢与钢瓶储氢具有一定的优势，能够满足要求的地质结构储氢设施主要包括：（1）含水层；（2）枯竭的石油天然气矿床；（3）地下盐穴。 （1）地质含水层储氢 地质含水层主要由多孔和可渗透岩石层组成，其中孔隙结构中充满淡水或者盐水，这类地质结构在全球范围内普遍存在，可以为一些缺乏枯竭油气田及盐穴的地域提供地下储氢设施。许多地下含水层靠近能源消费集中地、大型城市或者城市群，这类地质结构作为天然气储存库已经安全的运行了几十年，可以为氢气储存提供一些成功的应用经验。 地质含水层与枯竭油气田相似，需要满足两个条件，才能用作地下储氢设施，其一，选择加注氢气的岩层需要具有良好的储层特征；其二，岩层表面被不可渗透的物质覆盖，防止加注的气体渗透泄露。 地质含水层中的孔隙中充满了水，当加注气体时，在外界压力的作用下，水通过移动为气体存储提供更大的空间，气体加注过程中取代了水的位置，当气体被抽取使用是，水又重新回来占据原有位置，储存设施在运行期间，水/气边界不断移动，气体存存储量的大小取决于储层体积及孔隙度，另外也与加注气体的压力及温度相关。 当前利用含水层储氢存在一定的风险，主要包括，含水层中存在一些不易探查的断层，容易引起氢气泄露，另外氢气在内部发生生物化学或与岩层物质发生反应，消耗大量的氢气。因此，对于这些初始密封性未知的地质含水层，需要加大探测力度，以便明确存储空间大小及存储密封性能。目前这种测试十分昂贵，使得建设这类储氢设施成本较高。尽管成本较高，但这类储氢设施比较安全，氢气不易泄露出地面，同时含水层内部缺乏氧气，也不会存在着火的风险。 （2）枯竭的油气田储氢 油和气通常储藏在地质圈闭中，由储层、密封层及含水层组成，密封层具有低渗透、非断裂的特征，可以有效的阻止石油及天然气迁移，很好的将石油天然气保存在储层中。 最常见的可以作为氢气储存的地下设施是使用消耗殆尽的地下气田，这些气体储存层，为氢气存储提供了必要的空间及存储条件，能够降低储氢设施建设成本。枯竭的气田作为储氢设施，需要满足一定的要求，应该对整个存储转换过程进行全面评估，包括对地质条件和技术进行评估，涉及钻孔、地面装置及其他方面进行综合评价。 废弃的气田作为潜在的储氢设施，主要的优势是，气田在勘探和开发过程中已经得到深入的了解，由于气体已经在储藏库中储存了几百年，这类设施密封性已经被很好的证明了。另外，枯竭的天然气气田中存在一定量的残余气体，可以作为缓冲气体。当计划在将要枯竭的天然气气田中建设地下储氢设施时，应该确立最佳停止开采时间，以便能够在较短的时间以较低的成本，建设地下储氢设施。 一般的枯竭的油田不易作为地下储氢库，主要原因是，大量的氢气在高压下容易与残余的油发生化学反应生产甲烷，造成氢气不可逆损失。 （3） 盐穴储氢 盐穴适用于存储各类物质，尤其适合储存高压气体。由于盐层具有较高的化学稳定性、机械性能以及良好的密封性能，这些优越的地质条件，使盐穴成为地下储氢设施的最佳选择，美国和英国已经成功的将盐穴用于地下储氢。选择盐穴作为储氢地下设施的关键性能包括，深度、盐层厚度、存储层中岩石的组成和分布以及岩石的溶解性等，如果岩石中含有较高的可溶性钾镁盐将影响盐穴的密封性能，此处将有可能引起气体迁移，造成储存气体损失。。 该类地下设施作为储氢装置，需要用大量的水对盐穴进行沥滤，并处理该过程中产生的盐水。相比于其他地下储气设施而言，盐穴地下储氢设施的建设成本较低。 地下储氢应用现状： 2007年前全球已经有三座地下储氢设施投入使用，都利用了地下盐穴储存氢气，其中两座位于美国，另外一座位于英国，三座地下储氢信息见下表1,这些应用案例表明氢气可以安全的存储在地下盐穴中。 表1 早期地下储氢设施信息 克莱门斯 莫斯布拉夫 提赛德 地质性质 盐穴 盐穴 盐穴 气体种类 氢气 氢气 氢气 开发商 康菲石油公司 普莱克斯 沙特基础工业公司 投运时间 1983年 2007年 1972年 体积 580000m3 566000m3 210000m3 压力 70-135Bar 55-152Bar 45Bar 距地面深度 930m 822m 350m 另外，煤气由于含有50-60%的氢气可以被看作是最佳的储氢气体模拟物，19世纪中叶，煤气作为在欧洲广泛使用，曾经被储存在地下盐穴及含水层中，典型的如法国天然气公司将煤和练钢产生的含有50%的人工天然气存储在一个盐穴中，以应对天然气供需波动变化。实际中发现由于存在甲烷菌使氢气与其它气体CO发生了反应，转化生成了甲烷。捷克一项具体实验表明，经过几个月的存储，天然气中的一半氢气被生物降解生产了甲烷气体。 第三部分 地下储氢库经济性分析 地下储氢库建设的经济性与氢气注入/抽取、地面及地下装置有关，基于现有盐穴储氢数据，对盐穴储氢经济性进行简单探讨。盐穴储氢的成本主要由两部分组成，包括地下及地面建设成本，地下建设成本主要与盐穴建设成本、利用气体缓冲层为此最低的储存压里相关，另外与储气库的大小、储层的地质特征、废弃盐水管道的长度也有关系。由于使用了防止产生氢脆及氢渗透的材料，使得氢气输送管道的成本远高于天然气输送管道的成本。地面设施建设成本主要包括压缩机、气体脱水设施建设以及检测服务等成本构成。根据现有的储氢盐穴成本构成可知，其中60%的成本用于气体压缩机械、6%用于钻孔、5%用于气体缓冲层、29%用于洞室施工。 第四部分 地下储氢展望 经过过去几十年的发展，地下储气包括天然气以及英国、美国地下储氢的实践表明，大规模的地下储氢是一种技术上可行的化学储能方式。在未来几年内，地下储氢随着技术、经济性、社会性等问题的解决，将成为一种新型的大规模储能系统，最终实现氢能参与整个能源系统。今后，电解水制氢的成本将是实现工业化大规模地下储氢的关键因素。同时在规模化地下储氢工程化应用之前，应该进行一些研究或者示范项目，用以评估潜在的威胁，并制定相应的应对措施。