地下储氢技术现状(地下储氢技术的主要特点)
地下储氢技术现状(地下储氢技术的主要特点)
储能被认为是21世纪能源供应链的关键要素。这主要是因为它能够显著提高光伏、风电等可再生能源的消纳水平，增强电网稳定性，提高能源系统的效率，它是推动主体能源由化石能源向可再生能源更替和支撑可再生能源高占比能源系统的关键技术。
目前我国主要储能技术是抽水蓄能，而压缩空气储能、飞轮储能、超导储能、超级电容以及各种电池等储能技术研发应用正在发展中。但是由于各种因素影响， 上述这些储能技术尚难以满足大容量长时间的储能需要。初步研究表明，地下储氢（Underground Hydrogen Storage-UHS）是解决大容量长期储能的有效途径。
从地质角度来看， 地下构造适合储存氢气，在剩余能源生产时，可以将剩余能源转化为氢气并作为能源载体将其储存在地下构造中， 然后在能源需求高峰时采出投入应用。
总体上，地下储氢技术目前还处在发展初级阶段，目前仅有几个小规模地下储氢工业设施在英国和美国运行。关于地下储氢技术研发和现场研究也仅在近十年得到欧美国家重视，其他国家很少关注。本文将回顾地下储氢技术的研究现状，讨论地下储氢技术特点，介绍地下储氢主要地质构造及其工业应用。
1 地下储氢技术研究现状怎样？
自20世纪70年代以来，关于地下岩层可能储氢的估评已经出现在文献中，1979年美国天然气技术研究院发表了一项关于大量地下储存气态氢的研究报告， 证实其经济和技术上的可行性。从那时起，地下储氢经济估算就经常出现在文献中。根据Taylor等人(1986)，研究认为地下储存是储存大量气态氢最便宜的储氢方法。然而，很少有关于地质构造中储氢状态研究的科学研究论文发表。有些报告是关于储存纯氢的水动力方面的， 这些论文都倾向于得出这样的结论: 与天然气存储相比，氢存储不会带来新的重大问题。
1990年，首次发表了关于氢在地下储存中的异常的现场数据，这是关于在捷克Lobodice一个含水层中储存城镇煤气的数据。数据清楚地表明，在一个注入循环中，储存气体的成分发生了显著变化，认为因为是氢和CO2或CO的原位生成了甲烷。
对UHS研究的兴趣真正爆发始于2011年至2012年，这主要是受欧洲委员会的政策的影响，欧盟设定了雄心勃勃的气候保护目标，呼吁欧洲能源体系进行转型和脱碳。目标确定2020年温室气体(GHG)排放量减少20%，可再生能源在能源结构中占比20%的份额，一次能源消费减少20%。
2012年，欧盟启动了HyUnder（Hydrogen Underground Storage in Europe）研发项目，来自欧盟的法国、德国、荷兰、罗马尼亚、西班牙和英国等6个国家的12个项目伙伴参与研究，主要是评估欧洲大规模地下储氢的潜力、参与方和商业模式，项目还涉及工程和经济问题。2021年欧盟资助，Geostock Group牵头组织相关机构承担了为期两年HyStorIES（Hydrogen Storage in European Subsurface）项目，旨在探索在地下含水层或枯竭油气藏中储存纯氢的主要技术可行性。
目前，德国是开展地下储氢研究项目做多的国家，近十年中，开展了H2STORE、InSpEE、ANGUS、HyINTEGER、HyCAVmobil等项目，其中有些项目正在进行中。法国也是开展地下储氢研究较多的国家，先后启动了STOPIL H2、HyPSTER和HyGéo等项目；英国是开展地下盐穴储氢最早的国家，近年也启动地下储氢研究，如爱丁堡大学牵头的HyStorPor项目；另外其他欧盟国家（如荷兰、丹麦、奥地利）也开展了地下储氢研究。
美国是目前运行地下盐穴储氢设施最多的国家，在得克萨斯州有3个盐穴储氢库。最近美国启动了SHASTA、GeoH₂研究项目，目前正在执行中。阿根廷于2011-2016年完成了Patagonia风电-氢能项目（表1）。
目前尚未见到其他国家有开展地下储氢研究项目的公开报道。中国地下储氢方面研究正在起步，目前仅见有几篇论文公开发表，还未见有研究和现场试验项目的公开报道。
上述表明了欧美国家对地下储氢技术研究和工业试验的兴趣明显增长， 表1中项目基本上都是由欧盟或国家资助的， 体现了政府的政策导向。这种研究兴趣显然与新能源战略有关，新能源战略迫使企业和实验室提高可再生能源的效率，并寻找有效的能源储存方法。
但是总体上，地下储氢技术仍然处在发展的初级阶段，这一领域也仅在近十年得到欧美等发达国家重视，其他国家目前还很少关注。地下储氢目前还不是而且在未来的几年仍然不是一种可行的、技术上成熟的储能方式。
在大规模工业应用地下储氢技术之前， 必须突破地质、技术、经济、法律和社会方面的障碍。这些问题的复杂性以及缺乏足够的应用实践，因此可能还需要进行较长的研究， 进一步开展地下储氢研究和示范项目以评估潜在的危害并拟订减少危害的计划是必要的。
表1 全球部分地下储氢研究项目
资料来源：根据网络相关资料整理
2 地下储氢技术主要特点是什么？
地下储氢是一种利用地下地质构造大规模能量存储的概念， 即将多余的能源转化成氢气注入并储存在不同深度的盐穴、枯竭油气藏和含水层等地下地质构造中，可以提供足够的储存能力来储存大量的氢能（图1）。
地下储氢目的主要有 1）在生产的能源超过消费需求时，调节能源的供求；2）调节能源价格， 在电力便宜的时候，产生的能源可以节省下来，然后在电力昂贵的时候出售；3）为工业(炼厂等)提供即时的氢气后备供应。
综合分析认为，相比其他储能技术，UHS具有四个明显特点：1）储能规模大、2）储存周期长、3）储能成本较低、4）安全性高。
氢能可以以多种形式储存，包括气体、液体、另一种物质(如甲醇、氨)、表面吸附、氢化物或液态有机载氢体等。然而，要为电网和氢气网提供平衡、优化和保险的大容量、长时间储氢，唯一可行的方法是在大型地下地质构造中储存气态氢。
地面储氢设施（如管道或储罐）储存和排放能力有限(MW h级; 几天时间)。要满足千兆瓦时/太瓦时级规模(数周-数月的时间)的能源储存供应，就需要在地下地质构造中储存氢。注入地下地质构造的氢气可以在地下停留几天、几周或几个月（图2），直到需要时再采出利用。当它被采出时,可以直接使用，也可以转化为电能利用。
与其他储能方式相比，地下储氢主要优势之一是储能成本最低。储能成本取决于储存地质构造的地质特征，以及是否需要采取措施来防止任何潜在的泄漏。据Lord等研究，最具经济吸引力的储氢场所是枯竭油气藏(1.23美元/公斤氢)，其次是含水层(1.29美元/公斤氢)。人工盐穴(1.61美元/公斤氢)和岩洞(2.77美元/公斤氢)（图3）。
尽管与地面储氢技术相比，地下储氢效率相对较低，前期需要较大投资，考虑其能储存大容量能源，地下储氢是比地面储氢更便宜的储能技术（表2）。
然而，地下储氢技术能否在工业规模上应用并不仅取决于该技术本身的成本，关键还在于电解制氢成本的降低，因为电解制氢成本在制氢-储氢产业链中占主导，降低电解制氢的成本将是地下储氢技术在工业规模上应用的决定性因素。
另外，与地面储氢方式相比，地下储存的氢气不与大气中的氧气接触(氢和氧的混合物几乎在任何浓度下都是爆炸性的)，因此，在地下构造中储氢比地面储氢更安全，对人类和自然都没有风险。
表2 不同类型储氢技术特征比较
地下储氢与地下天然气储存有很多相似性， 天然气地下储存技术和运行经验可以借鉴到地下储氢中, 如选址规范、存储技术和监控方法等，天然气地下储气库还可以转为储氢，目前欧洲已经开展这方面研究。但是由于氢与甲烷物理化学性质的不同（表3），所以地下储氢不能照搬天然气储气库技术和经验。利用地下地质构造（如枯竭油气藏和含水层）来储氢，必须考虑其独特性（图4）。
首先，与其他地质储存的气体(如甲烷、空气或二氧化碳)相比，氢具有不同的物理和化学性质；其次，氢可能与地下矿物和流体发生反应，影响储存；第三，地下构造中氢的存在可以触发耗氢微生物的生长；第四，储氢库的应力场在重复循环注采过程中会发生变化，从而影响储氢库的密封性。
因此，在这些复杂工艺的背景下，合适的地下储氢库需要有特定的特性，以保证氢气安全和经济的注入和采出。与潜在泄漏有关的不确定性以及其他风险(如诱发地震活动和微生物活动导致的氢流失)需要研究和量化，需要制定新的监测方案。地下储氢特别是含水层和枯竭油气藏领域的储氢面临许多科学挑战。
除了技术和社会经济挑战外，为了准确评估与UHS相关的机遇和挑战，需要解决以下的潜在科学问题，包括氢流体性质、氢-卤水-岩石地球化学反应、储层中的微生物生长、储存完整性的地质力学因素、安全有效的储存等。只有这样，行业、监管机构和公众才能实施在地下地质构造中大规模储存氢的政策，并决定这项技术如何促进能源转型。
表3氢气与甲烷物理化学性质对比
3 哪些地质构造可以用于地下储氢？
用于地下储氢的地质构造可能很多，但主要有盐穴、枯竭气藏和含水层，在缺乏盐穴，枯竭气藏和含水层的地区，也可以考虑在枯竭油藏、人工岩洞或利用废弃的矿井建造储氢库。
地下储氢地质构造的选择应根据详细的地质分析，包括盆地尺度和区域尺度上的可利用性评价、储氢能力评价、长期储氢的安全性和其他因素。根据地质标准进行选择后，还应考虑与地面相关的因素(制氢、输氢、注氢、成本和利润)。表4显示盐穴、枯竭气藏和含水层型地下储氢库特点。
地下储氢方式主要分为两类：一是纯氢气地下储存，盐穴储纯氢已有成功案例（表5），枯竭气藏和含水层还有待探索。二是氢气与其他气体（如CH4、CO2、CO、N2等）以一定比例混合后地下储存，已有枯竭气藏和含水层混合储氢的工业应用（表4、表6）。
表4 三种类型地下储氢库特点对比
1） 盐穴
盐穴是在盐沉积层中人工建造的洞穴。盐穴储氢库优点是，岩盐对氢的反应是惰性的，而且完全不透水，因此氢在盐岩中扩散时的损失可以忽略不计。氢不会与盐岩发生反应，因此在盐穴中v储氢不存在产生杂质的风险，适合储存纯氢。由于盐穴能够在注入和采出之间快速切换，并在一年内完成多个注入和采出周期，盐穴储氢可以在调峰和小时时间长度储能需求中发挥关键作用。虽然盐穴是一种很有前途理想的储氢构造，但可用于储氢的盐穴在地理分布上是有限的，其储存容量也不及枯竭气藏或含水层。
目前，在全球范围内，纯氢已经成功地储存在4个不同地点的盐穴中，目前还在运营（表5）。英国的Teesside是欧洲唯一一个盐穴储氢库，由三个盐穴组成，总容量为2万多立方米。该储氢库已经运行了50年，氢气用于合成氨和甲醇的生产。在美国得克萨斯州，氢气被储存在三个独立的盐穴中，用于石化工业。
表5 世界目前正在运行地下盐穴型储氢设施
2）枯竭气藏
在气藏天然气枯竭后，可用于储氢。相对盐穴和含水层来说，枯竭气藏储氢的优点是，它们的容积比盐穴大，而且在天然气藏勘探开发中已经对其地质情况有了很好的认识，天然气藏的密封性是有所保证的，因为气体在那里存在了数百万年甚至更长时间。气藏的地理分布也比盐穴更广。
枯竭天然气藏通常含有一定量的残余气，这些残余气可用作垫底气，但是氢气容易与残留天然气发生反应，这不利于储存纯氢。枯竭油藏目前之所以没有作为主要地下储氢构造，就是因为大量的氢可能与残余油发生化学反应，转化为甲烷，溶解在油中，造成氢损失。
此外，在气藏开发过程通常配有必要的地面和地下设施，当气藏枯竭后，地下和地面设施已经存在，其中一些可以用于以后的储氢设施，有助于减少储氢建设投资成本。根据枯竭气藏地质结构的不同，作业压力和深度变化很大，压力范围在15 bar至285 bar之间，深度在300 - 2700米之间。根据气藏的特性和评价其适宜性，开发建设枯竭气藏储氢库通常需要3-10年的时间。
到目前为止，世界范围内还没有在枯竭气藏地下储存纯氢的经验。仅近10年中，在一些地方开展了利用枯竭气藏储存氢气与天然气混合物的储氢示范项目，如阿根廷的Hychico 公司于2011-2015年Patagonia风电-氢能试验项目、奥地利RAG公司于2014-2021年的Underground Sun Storage试验项目，分别在枯竭气藏中储存10%的氢和90%的甲烷混合物，都取得了成功（表6）。
表6 世界部分地下含水层和枯竭气藏混合储氢项目
3）含水层
含水层分布广泛，在大多数沉积盆地都有。考虑到含水层和枯竭气藏都属于多孔介质岩石构造，枯竭气藏可以储氢，因此含水层也可能储氢，而且可以储存大量的氢气。
与枯竭油气藏相似，要建立含水层地下储氢设施，必须满足两个基本的地质条件:一是选择用于注入的岩石具有良好的储集性能，二是它们应被不透水的顶板覆盖，以防止储存气体的渗漏。
在含水层中，含有硫酸盐和碳酸盐的矿物会导致污染物的产生，因此在建设含水层储氢库过程中必须对此进行研究和考虑。对于新的开发含水层储氢，含水层的地质情况不如枯竭气藏那样早为人所知。需要进行地质研究，以确定盖层和围岩的致密性以及矿物组成。
未开发的含水层没有现有的井设施，所以所有的地面和地下基础设施都必须新建设。水是储存在含水层中的气体中常见的杂质，因此气体干燥设施是气体处理过程中的重要组成部分。根据含水层构造的不同，由于氢在水中的溶解度很低，可以采用水驱来避免垫底气的产生。
与枯竭油气藏相比，含水层的密封性最初是未知的，必须加以研究认识。这就是为什么含水层需要打井用于详细、费力和昂贵的测试，以确定整个储氢库和上面的封闭岩石的密封性。
这使得建设储氢设施的成本更高。井的基础设施、地质研究以及在某些情况下的垫底气都是额外的资本支出，使得含水层储氢库的建设成本高于枯竭气藏型储氢库。由于勘探投资和所需的井数难以预测，因此可以推定，与盐穴或枯竭油气藏相比，在含水层中储存氢的相关成本具有更大的不确定性。在大多数情况下，预计费用将高于其他两种情况。
目前，世界范围内还没有公布任何在含水层中储存纯氢的案例。然而，在含水层储存天然气和煤气方面有丰富的经验。在储存天然气之前，在含水层中储存煤气。煤气是煤气化产生的一种气体，由于它含有大约50-60%的氢气，其他气体的成分是CO, CO2, CH4和N2。因此这被认为是含水层储氢的良好参考。
在20世纪50-60年，在地下含水层储存富含氢气煤气的例子有德国的Ketzin，捷克的Lobodice和法国的Beynes等，主要为城市供气，现在基本转为天然气储气库（表6）。捷克Lobodice镇储存煤气的经验表明，经过几个月的储存，大约一半的氢气会转化为甲烷。这是由于氢与CO和CO2发生生物降解反应生成甲烷。这种气体耗竭对于煤气储存是可以接受的，但在纯氢储存则不行。
综所上述，可以归纳以下认识：
地下储氢技术始于20世纪70年代，但是直到2010年代，因为气候变化政策的驱动，才引起欧盟和美国的重新重视，先后启动了一系列研究和现场试验项目，兴起了地下储氢研究热潮。但是其他国家地区对此项技术关注不高。总体上，地下储氢技术仍然处在发展的初级阶段，尚未成熟。
与其他储能技术相比，地下储氢技术有其优势，主要表现为 1）储能容量大，比抽水能蓄的规模更大；2）储存时间长，可以满足几个月时间的储存需求；3）储能成本低，由于其巨大的储存容量使得其单位能源储存成本低，4）储存更为安全，氢气储存在地下避免了与氧气接触，比地面储氢更为安全。
地下储氢的地质构造类型多，但主要有三种类型，即盐穴、枯竭气藏和含水层。这三类地下储氢构造地质特征不同，建造和运行成本也不同。盐穴已有几个储存纯氢的成功案列，枯竭气藏和含水层仅有少量混合储氢工业应用，尚无储存纯氢的应用经验。
地下储氢技术初步实践并借鉴天然气地下储存丰富经验表明， 地下储氢将具有技术和经济可行性。地下储氢技术大规模工业应用涉及地质、技术、经济、法律和社会等方面的因素，该项技术能否在工业上得到大规模应用关键取决于电解制氢成本的降低。
