氫氣地儲成西方國家儲能研究熱點

氫氣地儲成西方國家儲能研究熱點

將可再生能源發電豐沛期的電量用于電解水制氫并存儲被認為是應對可再生能源發電不穩定缺憾的重要解決方案之一。氫氣的比能在所有的燃料中最高，但其能量密度較低，存儲一直是世界性難題，大量存儲則更加困難。隨著氫氣存貯技術的不斷進步，地下存儲或地質存儲被視為大規模儲氫技術最具可行性的發展方向。

1） 氫氣存儲方式

氫氣的存儲通常有兩種方式：一種是純氫存儲；一種是載體（materials-based） 存儲。前者面臨的最大難題之一是氫脆，即當鋼等金屬材料，特別是高強度鋼暴露在氫氣中且壓力較大時極易發生失效和脆裂。也正是出于這個原因，氫氣地儲的理想儲層壓力不能高于1 200 psi （8.3 MPa）。金屬的氫脆性還受溫度的影響，當高于150 ℃時，大多數金屬對氫脆腐蝕毫無抵御能力。這些都為氫氣的地儲帶來嚴峻挑戰。但隨著材料學日新月異的發展，氫脆問題近年來得到一定程度的改善。載體儲氫是指以氫化物、氫吸咐等方式儲存氫氣，主要分為金屬氫化物儲氫、吸咐劑儲氫和化學劑儲氫，這類儲氫的物質或材料又稱氫氣載體（hydrogene carrier）。理想的載體應具有在相對低壓和近常溫環境下含氫量大的特性。相對而言，更具應用前景的為化學劑載體，有機的如液態烴，無機的如氨或氨硼烷等。液態烴攜氫存儲的最大優勢在于可以利用現有的油氣基礎設施。

2） 英、美領先氫氣地儲

美國早在20 世紀70 年代就已開始研究將氫氣存儲于地下的可能性。1979 年，由美國政府資助的一個氫氣地儲研究項目探索了將氫氣存儲于枯竭油氣田、水層、鹽穴和人造巖穴的可行性，并預測了儲氫服務成本。結果表明，氫氣存儲的服務成本是天然氣存儲成本的26 % ～ 150 %不等。

近期，美國阿爾貢國家實驗室開展了一項廣泛的技術調研，并確定了3 種具可行性的純氫地儲方式：鹽穴、有襯砌硬巖洞（lined hard rock caverns） 和地下管道。對于20 t 以下的氫氣，最經濟的存儲方式是地下管道［運營壓力<1 450 psi （10.0 MPa）］；大于這一規模的氫氣地儲，就必須選用前兩種地儲方式，其中鹽穴的經濟性高于有襯砌硬巖洞。鹽穴儲氫的優勢在于成本低，密封性好，所需的墊底氣量少，鹽壁有自行修復裂痕的特性。

美國和英國都開展了相關項目。英國的項目主要位于英格蘭東北部的提賽德（被稱為英國的“氫谷”），鹽穴埋深介于350 ～ 450 m，儲氫能力為21×104 m3，如以儲電量計算則為25 GWh。此地開展的是英國規模最大的綠氫項目，BP 亦參與其中。美國在得州也有Clemens Dome，Spindletop 和Moss Bluf 等3個鹽穴項目用于純氫地儲，埋深約800 m（鹽穴頂部至地面），其中Clements Dome 和Moss Bluf 兩個項目的儲氫能力為58×104 m3，這3 個項目的儲氫能力以儲電量計算為90 ～ 120 GWh。

氫氣地儲面臨的最大挑戰在于地質方面，包括對地質構造的選擇。目前這方面暫無厚度和深度標準，但有相關研究推薦埋深為1 400 m的地下鹽穴。此外，地下儲氫的地質建模也是研究難點之一，鹽穴的布局（合適的大小、間距）、鹽穴頂底的埋深、頂底地層的最小厚度以及緩沖層設計等都是建模需要研究的內容。

（供稿 盧雪梅）