一種應(yīng)用于氫能產(chǎn)業(yè)一體化的新型多功能鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)

方琰藜，侯正猛,，岳 也，任 利，陳前均，劉建鋒*

(1.德國(guó)克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué) 地下能源系統(tǒng)研究所，克勞斯塔爾-采勒菲爾德 38678 ；2.四川大學(xué) 中德能源研究中心，四川 成都 610065)

全球正經(jīng)歷從化石能源向非化石能源過(guò)渡的第三次能源體系重大轉(zhuǎn)換期[1]。作為落實(shí)《巴黎協(xié)定》的堅(jiān)定踐行者，中國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)致力于能源轉(zhuǎn)型和CO2減排，并于2020年鄭重提出了“碳達(dá)峰2030”和“碳中和2060”的“雙碳”目標(biāo)[2]。在“雙碳”目標(biāo)的引領(lǐng)下，將全面向低碳化經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，并迎來(lái)新一輪的能源革命。

隨著風(fēng)電、光電等不穩(wěn)定可再生能源的大力發(fā)展，不可避免存在電力過(guò)剩、難以消納等問(wèn)題，為電網(wǎng)電力平衡帶來(lái)挑戰(zhàn)[3]。可再生能源的高效轉(zhuǎn)化和大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，可為解決風(fēng)光消納、削峰填谷、電力平衡等問(wèn)題提供有效途徑。而在清潔的二次能源中，氫能是公認(rèn)的21世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源[4]。氫能不僅具有氫-電互換特性，還可廣泛應(yīng)用于交通、工業(yè)、電力、建筑等領(lǐng)域，是可再生能源轉(zhuǎn)換的理想二次清潔能源。

氫元素在自然界中廣泛存在，直接通過(guò)可再生能源電解水制得的氫氣為“綠氫”。綠氫的儲(chǔ)存方式主要有4種：地上高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫以及地下鹽穴儲(chǔ)氫。鹽穴儲(chǔ)氫，即利用鹽穴的高密封性將氫能大規(guī)模儲(chǔ)存于地下鹽穴之中，可用作短期儲(chǔ)存或季節(jié)性儲(chǔ)存。相比較于地面儲(chǔ)存，地下鹽穴儲(chǔ)存具有儲(chǔ)量大、儲(chǔ)氣成本低、密封性好等優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)吉瓦級(jí)儲(chǔ)量，同時(shí)還可節(jié)省優(yōu)化地面土地資源，是大規(guī)模儲(chǔ)氫的理想場(chǎng)所。儲(chǔ)氫技術(shù)是推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

為解決氫能大規(guī)模儲(chǔ)存的難題，基于氫能的多元用途，作者提出了包含鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)的3種發(fā)展情景下的氫能“制-儲(chǔ)-用”一體化方案。從鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)全生命周期的角度，分析了鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)在3種發(fā)展情景下的作用，并提出了多功能儲(chǔ)氫庫(kù)的概念。以昆明市安寧鹽礦及云南省為例，結(jié)合云南省水電為主的電力結(jié)構(gòu)，分析了多功能鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)在情景1和情景2中的建設(shè)需求和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 氫能的發(fā)展與應(yīng)用

目前，全球制氫來(lái)源主要為化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)物制氫，由電解水制得的綠氫僅占制氫來(lái)源的4%[4]，未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮?。發(fā)展綠氫不僅是解決可再生能源消納的有效手段，更是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途經(jīng)。

1.1 氫能的發(fā)展趨勢(shì)

2019年以來(lái)，日本、韓國(guó)、德國(guó)、美國(guó)、荷蘭等國(guó)陸續(xù)頒布了氫能國(guó)家戰(zhàn)略。以德國(guó)、荷蘭為代表的歐盟國(guó)家更是明確指出綠氫是未來(lái)的氫能發(fā)展重點(diǎn)。2020年7月，為實(shí)現(xiàn)歐盟碳中和2050的目標(biāo)，歐盟發(fā)布了《歐盟氫能戰(zhàn)略》，分3個(gè)階段部署氫能[5]：一是，2020—2024年為階段1，安裝至少6 GW的可再生綠氫電解槽，生產(chǎn)1×106t的綠氫。主要為加氫站供應(yīng)原料、煉鋼煉鐵示范性研究及摻入天然氣管網(wǎng)脫碳。二是，2025—2030年為階段2，安裝至少40 GW可再生綠氫電解槽，生產(chǎn)1.000×107t的綠氫。在該階段，綠氫在成本上將具有競(jìng)爭(zhēng)力，既可靈活平衡電力系統(tǒng)，也可用于日?；蚣竟?jié)性儲(chǔ)能。三是，2030—2050年為階段3，綠氫將大規(guī)模應(yīng)用于所有難以脫碳的領(lǐng)域。歐盟的3階段氫能布局充分反映當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展趨勢(shì)和特點(diǎn)，即動(dòng)態(tài)、多階段、多元。因此，作為氫能發(fā)展產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，氫能的儲(chǔ)存也應(yīng)當(dāng)具有靈活性和多元性，以適應(yīng)氫能產(chǎn)業(yè)一體化的動(dòng)態(tài)發(fā)展。

中國(guó)雖尚未頒布明確的國(guó)家氫能戰(zhàn)略，但自2020年以來(lái)已頒布一系列政策支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展[6-9]。尤其在國(guó)務(wù)院發(fā)布的《新時(shí)代的中國(guó)能源發(fā)展》白皮書中指出，應(yīng)加速發(fā)展綠氫制取、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)裝備，促進(jìn)氫能燃料電池技術(shù)鏈、氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展[10]。從已發(fā)布的種種政策可以看出，中國(guó)正積極引導(dǎo)發(fā)展綠氫制取、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用技術(shù)。除了國(guó)家層面的氫能引導(dǎo)政策以外，各省市也積極出臺(tái)了相應(yīng)的地方氫能產(chǎn)業(yè)布局規(guī)劃，推動(dòng)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1.2 氫能的多元化應(yīng)用

氫能及其合成燃料在終端利用上具有多元化的特點(diǎn)，可充分應(yīng)用于工業(yè)、交通、電力、建筑等領(lǐng)域的深層次脫碳。

例如，在工業(yè)領(lǐng)域，氫能可作為還原劑代替焦炭煉鋼煉鐵。歐洲已開展將高純綠氫，用于直接還原工藝的鋼鐵生產(chǎn)示范性研究，如瑞典的HYBRIT項(xiàng)目和德國(guó)的SALCOS項(xiàng)目。根據(jù)HYBRIT示范性階段研究結(jié)果，采用高純綠氫直接還原工藝，噸鋼CO2排放量?jī)H為25 kg。預(yù)計(jì)2036年HYBRIT將建成第一座商業(yè)化工廠。

在交通應(yīng)用方面，氫能主要用于為氫燃料電池汽車提供原料。截至2020年11月底，全球共建加氫站458座，在建255座，其中，中國(guó)已建加氫站88座，燃料電池汽車保有量6 700輛。全球第一輛氫燃料列車已于2018年在德國(guó)下薩克森州成功運(yùn)行。

在電力脫碳領(lǐng)域，純氫既可作為燃?xì)廨啓C(jī)的燃料，也可采用氫燃料電池發(fā)電。西門子計(jì)劃在2030年研制出純氫燃?xì)廨啓C(jī)用于歐洲power-X-power項(xiàng)目。

在建筑領(lǐng)域，所消耗的能源占全球終端能源消耗的30%。氫能可以通過(guò)以下4種方式實(shí)現(xiàn)建筑能源消耗的低碳化：在現(xiàn)有的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備中摻氫、在天然氣管網(wǎng)和設(shè)備中摻入由氫合成的甲烷、使用純氫、聯(lián)合使用氫燃料電池和熱電聯(lián)產(chǎn)。

綜上所述，氫能及其合成甲烷可多元應(yīng)用于各領(lǐng)域的脫碳如圖1所示。并且，合成甲烷可以完全利用現(xiàn)有的天然氣設(shè)施無(wú)需進(jìn)行改造。氫能的快速和多元發(fā)展迫切需要加快對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)氫技術(shù)的研究，相較于地上儲(chǔ)氫，地下鹽穴大規(guī)模儲(chǔ)氫具有儲(chǔ)量大（儲(chǔ)能可達(dá)數(shù)百兆瓦甚至吉瓦）、可適應(yīng)短期或長(zhǎng)期儲(chǔ)能、節(jié)省土地資源等優(yōu)點(diǎn)[11-13]。

圖1 氫能及其合成甲烷多元化應(yīng)用路線圖Fig.1 Roadmap of hydrogen energy and synthetic methane diversified application

2 鹽穴儲(chǔ)氫技術(shù)

2.1 鹽巖及地下能源儲(chǔ)存

目前，世界上有4種能源儲(chǔ)庫(kù)，分別為枯竭油氣藏儲(chǔ)庫(kù)、含水層儲(chǔ)庫(kù)、鹽穴儲(chǔ)庫(kù)以及廢棄礦坑儲(chǔ)庫(kù)[14]。鹽巖因其極低的滲透特性、良好的蠕變性能、損傷恢復(fù)特性以及溶解于水易開挖的特點(diǎn)，是國(guó)際上公認(rèn)的能源儲(chǔ)存理想介質(zhì)[15]。鹽穴儲(chǔ)庫(kù)即在鹽巖中建造人工洞穴儲(chǔ)存能源[16]（如天然氣、氫氣、壓縮空氣及石油），如圖2所示。鹽穴的形成既可以是對(duì)鹽礦廢棄鹽腔的改造，也可以是在鹽層中建造新的洞穴，前者更具經(jīng)濟(jì)性。1916年，德國(guó)人首先提出在鹽巖中建設(shè)儲(chǔ)能庫(kù)的專利。1959年，蘇聯(lián)建成了世界上第一座鹽穴天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)（以下簡(jiǎn)稱鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)）。根據(jù)國(guó)際氣體聯(lián)盟（IGU）地下儲(chǔ)氣庫(kù)專項(xiàng)統(tǒng)計(jì)[17]，目前世界上運(yùn)營(yíng)中的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)達(dá)106座，工作氣量為3.58×1010m3，僅占4種儲(chǔ)氣庫(kù)總工作氣量的8.6%。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)和發(fā)展還有很大的上升空間。

圖2 鹽穴溶解建造示意圖Fig.2 Schematic diagram of salt cavern construction

中國(guó)鹽礦資源豐富，云南安寧、江蘇金壇、河南平頂山、陜西榆林等地均有高品位的大型鹽礦。目前，中國(guó)已知各鹽礦腔體資源合計(jì)約為1.3×108m3，而已改造為鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的腔體僅占總腔體資源的0.2%[3]，大量的廢棄鹽腔可用于建造鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)。中國(guó)已有成功運(yùn)營(yíng)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的經(jīng)驗(yàn)，這也為建造鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)提供了有利的先決條件。如表1所示，中國(guó)有3座正在運(yùn)行和若干座正在建設(shè)中的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)，以及1座正在建設(shè)中的壓縮空氣儲(chǔ)能庫(kù)，但尚未開展關(guān)于鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)的建設(shè)。

表1 中國(guó)正在運(yùn)營(yíng)和建造中的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)Tab.1 Salt cavern gas storage in operation and under construction in China

2.2 鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)

從理論上講，氫氣的地下存儲(chǔ)方式與天然氣存儲(chǔ)方式相似，可儲(chǔ)存于枯竭油氣藏、含水層及鹽穴3種儲(chǔ)庫(kù)中。由于氫氣是世界上最輕的氣體，具有易于擴(kuò)散的特性，因此氫氣的地下儲(chǔ)存對(duì)密閉性有著極為嚴(yán)格的要求。鹽穴不僅有良好的氣密性，并且鹽具有不與氫氣反應(yīng)的特點(diǎn)，使得鹽穴是地下大規(guī)模儲(chǔ)氫的最佳選擇。若采用枯竭油氣藏或含水層儲(chǔ)氫，氫氣可能會(huì)與儲(chǔ)層中的古微生物或礦物成分發(fā)生反應(yīng)，不僅會(huì)消耗掉部分儲(chǔ)存的氫氣，且產(chǎn)生的反應(yīng)物也存在堵塞儲(chǔ)層孔隙的可能，不利于氫氣的長(zhǎng)期儲(chǔ)存[18]。同時(shí)，鹽穴儲(chǔ)氫還具有成本優(yōu)勢(shì)。當(dāng)3種儲(chǔ)庫(kù)均以最高循環(huán)速率運(yùn)營(yíng)時(shí)，鹽穴儲(chǔ)氫的均化儲(chǔ)存成本（LCOS）最低[19]。目前，全世界有4座正在運(yùn)營(yíng)中的鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)（群），如表2所示。最早的英國(guó)鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)（群）已安全運(yùn)營(yíng)近50年。

表2 世界上正在運(yùn)營(yíng)中的鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)Tab.2 Salt cavern hydrogen storage in operation over world

除正在運(yùn)營(yíng)中的4座儲(chǔ)氫庫(kù)外，歐美各國(guó)及中國(guó)也正在積極開展關(guān)于建造儲(chǔ)氫庫(kù)的前期調(diào)研。Donadei等[20]對(duì)德國(guó)北部盆地269個(gè)鹽層進(jìn)行了鹽穴儲(chǔ)氫潛能的評(píng)估，總儲(chǔ)氫潛能高達(dá)1 600 TW·h。Lemieux等[21]對(duì)加拿大Ontraio省4個(gè)潛在的鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)址進(jìn)行了初步評(píng)估，并建議儲(chǔ)氫庫(kù)的建設(shè)宜傾向于對(duì)現(xiàn)有設(shè)施的利用，如將正在運(yùn)行的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)氫庫(kù)，或?qū)Ⅺ}礦老腔改造為儲(chǔ)氫庫(kù)。Tarkowski等[22]對(duì)波蘭低地27個(gè)鹽丘進(jìn)行了初步評(píng)估，并篩選出了7個(gè)潛在的儲(chǔ)氫庫(kù)址。Iordache等[23]依托HyUnder項(xiàng)目篩選出了4個(gè)潛在的羅馬尼亞儲(chǔ)氫庫(kù)（群）庫(kù)址，以供應(yīng)庫(kù)址所在地100～200 km范圍內(nèi)的氫燃料電池汽車。le Duigou等[24]分析了法國(guó)6個(gè)潛在的儲(chǔ)氫庫(kù)址，并對(duì)儲(chǔ)氫庫(kù)的運(yùn)營(yíng)進(jìn)行了商業(yè)性模擬，結(jié)果表明，大規(guī)模地下鹽穴儲(chǔ)氫的儲(chǔ)存成本總是低于總成本的5%。美國(guó)的ACES項(xiàng)目調(diào)研在猶他州鹽湖城建造鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)（群）用于氫能發(fā)電的潛力[25]。Liu等[26]從穩(wěn)定性、適用性和密封性的角度，分析了利用江蘇金壇現(xiàn)存鹽腔儲(chǔ)氫，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能削峰儲(chǔ)能36.9 TW·h的可行性。

以往研究多集中于對(duì)不同用途儲(chǔ)氫庫(kù)的儲(chǔ)氫潛力分析，研究分散、尚未形成體系。而事實(shí)上，儲(chǔ)氫庫(kù)的研究應(yīng)不局限于儲(chǔ)氫庫(kù)本身，儲(chǔ)氫庫(kù)在運(yùn)行過(guò)程中不可避免會(huì)受到上游制氫及下游氫能應(yīng)用所帶來(lái)的影響，如氫能發(fā)電為季節(jié)性儲(chǔ)存，加氫站加氫為短期儲(chǔ)存；不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?yīng)著不同的儲(chǔ)氫模式。因此，考慮到上游儲(chǔ)氫和下游用氫對(duì)儲(chǔ)氫庫(kù)運(yùn)營(yíng)方案的影響，有必要將儲(chǔ)氫庫(kù)的單一研究擴(kuò)大為包含儲(chǔ)氫庫(kù)在內(nèi)的“制-儲(chǔ)-用”氫能一體化方案研究。

3 3種發(fā)展情景下的“制-儲(chǔ)-用”一體化方案及多功能鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)

氫能及氫能所合成的人工甲烷將在中國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的過(guò)程中發(fā)揮重要作用。氫能尤其是綠氫，作為一種清潔的二次能源，從其生產(chǎn)到應(yīng)用的過(guò)程，為“電-氫-X”轉(zhuǎn)換過(guò)程，分別對(duì)應(yīng)“制”“儲(chǔ)”“用”3個(gè)環(huán)節(jié)。其中，X代表氫能在不同發(fā)展階段的多元應(yīng)用，且不同的應(yīng)用領(lǐng)域其儲(chǔ)存模式亦有所不同。因此，對(duì)鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)的研究不可剝離氫能的“制”與“用”，應(yīng)將儲(chǔ)氫庫(kù)的單一研究擴(kuò)大為氫能的“制-儲(chǔ)-用”一體化研究。為此，作者提出了3種發(fā)展情景下的氫能“制-儲(chǔ)-用”一體化建設(shè)方案如圖3所示。并從鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)全生命周期的角度，分析了鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)在3種發(fā)展情景下的作用，提出了多功能儲(chǔ)氫庫(kù)的概念。在其全生命周期中，多功能鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)將起到廢電利用、電力平衡、氫能安全高效儲(chǔ)存、CO2減排等多項(xiàng)作用。

圖3 3種情景下的氫能產(chǎn)業(yè)“制-儲(chǔ)-用”一體化示意圖Fig.3 Schematic diagram of the integration of hydrogen energy industry in “production-storageutilization” under three scenarios

3.1 3種發(fā)展情景下的氫能“制-儲(chǔ)-用”一體化方案

3種發(fā)展情景下的氫能“制-儲(chǔ)-用”一體化方案對(duì)應(yīng)著中國(guó)氫能發(fā)展的中、長(zhǎng)、遠(yuǎn)期。目前，中國(guó)處在氫能利用初級(jí)階段，氫能主要用于交通領(lǐng)域的脫碳，以及氫能煉鋼煉鐵項(xiàng)目[27]。在未來(lái)中遠(yuǎn)期發(fā)展階段，為實(shí)現(xiàn) “雙碳”目標(biāo)，氫能及其合成甲烷也將廣泛應(yīng)用于電力、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域的深層次脫碳。

在3種“制-儲(chǔ)-用”一體化發(fā)展情景中，電解水制綠氫的電力來(lái)源應(yīng)是清潔的電力，可以是廢棄的水、光、風(fēng)電，也可以是用電低谷時(shí)期的可再生電力。具體應(yīng)采用何種電力制得綠氫，應(yīng)由當(dāng)?shù)仉娏Y(jié)構(gòu)及電力基礎(chǔ)設(shè)施而定。

3.1.1 情景1

情景1對(duì)應(yīng)中國(guó)當(dāng)前的氫能發(fā)展階段。鹽穴中所儲(chǔ)綠氫主要為燃料電池汽車提供燃料或作為煉鋼煉鐵業(yè)的還原劑，應(yīng)用于交通領(lǐng)域、工業(yè)的深層次脫碳。

當(dāng)所儲(chǔ)綠氫用于為燃料電池汽車供氫時(shí)，其鹽穴容積（儲(chǔ)氫能力）應(yīng)能滿足儲(chǔ)氫庫(kù)所在地區(qū)100～200 km范圍內(nèi)的燃料電池汽車加氫需求[23]。

當(dāng)所儲(chǔ)綠氫作為直接還原劑煉鋼煉鐵時(shí)，其還原產(chǎn)物為水，可大大降低煉制過(guò)程中的CO2排放。目前，中國(guó)傳統(tǒng)鋼鐵行業(yè)噸鋼/鐵，CO2排放約為1.76 t，若采用100%綠氫直接還原技術(shù)，噸鋼CO2排放量?jī)H為25 kg。

3.1.2 情景2

情景2為氫能中期發(fā)展階段。采用雙鹽穴混合儲(chǔ)存，即一鹽穴儲(chǔ)氫，另一鹽穴儲(chǔ)存CO2和O2的混合氣體。該情景主要有兩大用途：一是，氫氣或甲烷富氧燃燒發(fā)電；二是，為地面合成甲烷提供原料。此處，O2為電解水制氫所得?；旌蟽?chǔ)存的優(yōu)點(diǎn)在于：一方面，O2可為甲烷或氫氣的富氧燃燒發(fā)電提供足額的氧氣；另一方面，通過(guò)富氧燃燒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2的捕集封存與利用（CCUS），且被捕集的CO2注入同一個(gè)儲(chǔ)存O2的鹽穴中，再用于地面合成甲烷，由此，形成一個(gè)低碳排放的閉合利用循環(huán)。

富氧燃燒CO2捕集技術(shù)，即用較高比例的O2代替空氣進(jìn)行助燃，以達(dá)到高效捕集CO2的目的[28]。目前，富氧燃燒發(fā)電結(jié)合CCUS技術(shù)多應(yīng)用于煤電廠，捕集效率已可達(dá)98%。雖然尚未商業(yè)化應(yīng)用于天然氣發(fā)電，但已有5個(gè)正在運(yùn)營(yíng)中的天然氣發(fā)電示范性項(xiàng)目。根據(jù)示范性研究，甲烷富氧燃燒的效率可達(dá)88%[29-30]。情景2的閉合利用循環(huán)反應(yīng)過(guò)程如下：

電解過(guò)程：

CO2捕集過(guò)程：

甲烷化過(guò)程：

由于CO2和O2分別作用于不同的過(guò)程，因此可以將CO2和O2進(jìn)行混合儲(chǔ)存，以減少所需建造鹽穴數(shù)量。在CO2捕集過(guò)程中，抽出O2，注入CO2；在甲烷化過(guò)程中，抽出CO2，注入O2。雙鹽穴的容積應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐木G氫及合成甲烷的發(fā)電、供熱需求及當(dāng)?shù)乇Ｕ想娏ζ胶?、削峰?chǔ)能的需求而定。

3.1.3 情景3

情景3為氫能可大規(guī)模甲烷化的應(yīng)用情景。在該情景中，電解水所制綠氫首先在地面被合成為甲烷，而后將合成甲烷儲(chǔ)存于鹽穴中。所儲(chǔ)合成甲烷主要應(yīng)用于除富氧燃燒發(fā)電外的所有脫碳領(lǐng)域。

龐大的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)是能源廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。相較于人工合成甲烷，氫能的大規(guī)模使用，需要對(duì)輸送網(wǎng)絡(luò)和燃?xì)饨K端應(yīng)用進(jìn)行改造。德國(guó)通過(guò)對(duì)燃?xì)夤艿?、燃?xì)廨啓C(jī)、壓縮機(jī)和燃?xì)庠畹哪蜌湫苑治?，將目前燃?xì)夤芫W(wǎng)中不含壓縮天然氣（CNG）加氣站的摻氫最高比例定為10%，若管網(wǎng)與CNG加氣站相連則摻氫上限僅為2%[31]。嚴(yán)松榮等[32]基于12T基準(zhǔn)天然氣熱值測(cè)試實(shí)驗(yàn)，建議燃?xì)庠钪兴紵旌衔飺綒浔壤灰烁哂?0%。耐氫性的提高都可能要求進(jìn)行昂貴的改造，或建造專用的氫氣基礎(chǔ)設(shè)施，而合成甲烷可以完全摻入現(xiàn)有天然氣設(shè)施且無(wú)需改造。中國(guó)目前已建天然氣管網(wǎng)7.6×104km，2025年規(guī)劃建成天然氣管網(wǎng)1.63×105km，而已建輸氫管道僅100 km。大規(guī)模合成甲烷的制造與儲(chǔ)存還可解決中國(guó)天然氣對(duì)外依存度高的問(wèn)題，保障國(guó)家能源安全。合成甲烷鹽穴的容積應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)丶班徑貐^(qū)的深層次脫碳需求而定。

3.2 多功能鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)

3種發(fā)展情景下的氫能“制-儲(chǔ)-用”一體化建設(shè)方案對(duì)應(yīng)中國(guó)中長(zhǎng)遠(yuǎn)期的氫能發(fā)展階段。在不同的3種發(fā)展情景中，鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)分別發(fā)揮著不同的作用。

1）情景1中，鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)所儲(chǔ)綠氫主要用于燃料電池汽車或煉鋼煉鐵，為短時(shí)儲(chǔ)存（注采頻率為時(shí)或日）；

2）情景2中，鹽穴一方面儲(chǔ)存電解水所制綠氫，一方面儲(chǔ)存CO2/O2的混合氣體，用于氫氣或甲烷富氧燃燒發(fā)電，同時(shí)為地面合成甲烷提供原料，屬于季節(jié)性儲(chǔ)存；

3）情景3中，綠氫先在地面甲烷化，而后儲(chǔ)進(jìn)鹽穴中，鹽穴所儲(chǔ)介質(zhì)即為合成甲烷，對(duì)于合成甲烷的儲(chǔ)存，鹽穴的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)應(yīng)符合中國(guó)目前鹽穴天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)的相關(guān)準(zhǔn)則和規(guī)范。

無(wú)論是短期儲(chǔ)存還是季節(jié)性儲(chǔ)存的鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)，其在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中都應(yīng)符合鹽巖能源儲(chǔ)庫(kù)的穩(wěn)定性、密閉性和可用性準(zhǔn)則[33-34]。

3.2.2 全生命周期角度的多功能鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)

在3種發(fā)展情景下的氫能“制-儲(chǔ)-用”一體化建設(shè)方案中，氫能均是指未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮蟮木G氫。當(dāng)電解提供電力是棄電時(shí)，鹽穴將起到廢電利用的作用；當(dāng)電解提供電力是不穩(wěn)定的可再生電力時(shí)，此時(shí)鹽穴起到電力平衡的作用?？紤]到不穩(wěn)定可再生電力供電的隨機(jī)性和波動(dòng)性，在地面配套設(shè)施中，壓縮機(jī)前應(yīng)設(shè)置進(jìn)氣緩沖罐，保障壓縮機(jī)等設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)新媒體的使用在農(nóng)民工群體中存在著差別。對(duì)于新生代農(nóng)民工來(lái)說(shuō)，由于其正好處在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的轉(zhuǎn)型期，使得他們表現(xiàn)出對(duì)新媒體更高的熱情，在此基礎(chǔ)上不僅使得自身的交友范圍不斷擴(kuò)大，同時(shí)也提升了自己社交圈的異質(zhì)性水平，間接擴(kuò)大了其信息獲取渠道，提升了工作匹配程度。特別對(duì)于女性農(nóng)民工來(lái)說(shuō)，社會(huì)資本已經(jīng)成為了不平等再生產(chǎn)和擴(kuò)大化的再生產(chǎn)機(jī)制(程誠(chéng)等，2015)。而新媒體產(chǎn)生的效用在一定程度上改善了這一現(xiàn)狀，給予了一個(gè)有助于其公平積累社會(huì)資本的網(wǎng)絡(luò)途徑。由此本文提出第三個(gè)研究假說(shuō)：

鹽穴儲(chǔ)能庫(kù)的運(yùn)營(yíng)周期通常為30年，在服役期結(jié)束后，鹽穴還存在回填和維護(hù)管理的問(wèn)題?！半p碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)離不開CCUS技術(shù)的支持，為此，可在3種情景的鹽穴儲(chǔ)庫(kù)運(yùn)營(yíng)期后，將鹽穴儲(chǔ)庫(kù)轉(zhuǎn)為CO2封存庫(kù)，在鹽穴中注入減排所需的CO2并進(jìn)行永久封存。永久封存CO2一方面可為維持廢棄鹽穴的穩(wěn)定提供一定的壓力，避免鹽穴的坍塌；另一方面，起到了CO2減排的作用。由此，多功能鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)將根據(jù)不同的應(yīng)用情景，在整個(gè)生命周期中，發(fā)揮廢電利用、電力平衡、氫能安全高效儲(chǔ)存、CO2減排等多項(xiàng)功能，如圖4所示。

圖4 全生命周期內(nèi)多功能儲(chǔ)氫庫(kù)示意圖Fig.4 Multi-functions of salt cavern hydrogen storage during its full-life time

3.2.3 多功能鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)選址

多功能鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)的選址應(yīng)與鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的選址類似，需充分考慮儲(chǔ)庫(kù)的安全性與經(jīng)濟(jì)性，并對(duì)建庫(kù)目標(biāo)、礦區(qū)水文地質(zhì)條件、礦體品位、鹽層厚度與夾層含量等因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，優(yōu)選出適合的庫(kù)址。目前中國(guó)適宜建造鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的礦區(qū)有云南安寧礦區(qū)、河南平頂山礦區(qū)、湖北潛江礦區(qū)、湖北云應(yīng)礦區(qū)等。以云南安寧礦區(qū)建設(shè)多功能儲(chǔ)氫庫(kù)為例，對(duì)前兩種情景下的儲(chǔ)氫庫(kù)建設(shè)與發(fā)展?jié)摿M(jìn)行評(píng)估。

4 案例分析

4.1 安寧鹽礦概述

安寧鹽礦交通便利，位于距離昆明市僅20 km的安寧盆地。安寧鹽礦已控制鹽巖遠(yuǎn)景儲(chǔ)量1.36×106t，保存較好的鹽層地段有60 km2，且配套中緬管道的安寧鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)（群）正在安寧鹽礦建設(shè)中。安寧鹽礦所在的云南省為清潔能源發(fā)電大省，連續(xù)5年清潔能源發(fā)電量占比約90%，可為電解水制綠氫提供充足的清潔電力。2019年，云南省總發(fā)電量為3.251 9×1011kW·h，水電占比82%，風(fēng)電占比7.4%，光電占比1.1%，同年棄水電量約為1.7×109kW·h。

采用廢棄的水電電解水制綠氫，一方面規(guī)模化的制氫可以促進(jìn)棄電的消納，解決云南省棄水的難題；另一方面，可解決云南省當(dāng)?shù)赜捎陂L(zhǎng)期棄水造成的對(duì)光電、風(fēng)電發(fā)展的限制問(wèn)題。假設(shè)所棄水電全用于電解水制綠氫，按照目前電解水制氫的耗電水平，每4.5 kW·h電制得1 m3綠氫，則云南省2019年全省所棄水電可制得綠氫3.7×108m3。昆明市2019年總發(fā)電量為2.017×1010kW·h，按照昆明市發(fā)電量占云南省發(fā)電量百分比進(jìn)行計(jì)算，昆明市僅廢棄水電可制綠氫約2.295×1011m3，制氫潛能巨大，應(yīng)配套相應(yīng)的多功能儲(chǔ)氫庫(kù)以適應(yīng)氫能產(chǎn)業(yè)一體化的動(dòng)態(tài)發(fā)展。

4.2 情景1案例分析

情景1中，多功能鹽穴中所儲(chǔ)綠氫主要為燃料電池汽車提供燃料或作為煉鋼煉鐵業(yè)的還原劑。

由于昆明市尚未出臺(tái)相關(guān)燃料電池汽車規(guī)劃，暫時(shí)無(wú)法計(jì)算多功能儲(chǔ)氫庫(kù)為加氫站供氫所需容積。待有關(guān)政策推出，可按照相關(guān)準(zhǔn)則，進(jìn)行儲(chǔ)氫庫(kù)容積規(guī)劃。其儲(chǔ)氫能力應(yīng)能滿足昆明市100～200 km范圍內(nèi)的燃料電池汽車加氫需求[31]。

使用綠氫煉鋼、煉鐵，其過(guò)程綠色、低碳，行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｈ鸬涞腍YBRIT項(xiàng)目正在修建為綠氫煉鋼配套的地下儲(chǔ)氫鹽穴，預(yù)計(jì)2022—2024年投入使用，且采用HYBRIT綠氫直接還原工藝（見式（4）），噸鋼CO2排放僅25 kg。而中國(guó)目前噸鋼/噸鐵碳排放約為1.76 t。安寧鹽礦所處的昆明市及云南省有著豐富的礦物資源，2020年，昆鋼集團(tuán)生產(chǎn)粗鋼4.161×106t，完全具備采用多功能鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)配套綠氫直接還原工藝煉鋼的先天優(yōu)勢(shì)和條件。

目前采用綠氫直接還原工藝，生產(chǎn)噸粗鋼需消耗綠氫約875.3 m3。按照昆鋼2020年粗鋼及生鐵產(chǎn)量，需還原劑綠氫約6.0×105t。如此大規(guī)模的綠氫需求，應(yīng)配套地下大規(guī)模鹽穴儲(chǔ)氫。假設(shè)儲(chǔ)氫庫(kù)按照墊氣比40%、平均運(yùn)行壓力10 MPa進(jìn)行設(shè)計(jì)，且氫氣在10 MPa下密度為7.622 6 kg/m3，則需配套相應(yīng)多功能儲(chǔ)氫庫(kù)總儲(chǔ)存氣量1.3×108m3，可實(shí)現(xiàn)減排722 t。因煉鋼煉鐵綠氫儲(chǔ)存為短期儲(chǔ)存（時(shí)或日），儲(chǔ)氫庫(kù)的實(shí)際庫(kù)容根據(jù)儲(chǔ)庫(kù)內(nèi)綠氫循環(huán)頻率而定。中國(guó)2020年粗鋼產(chǎn)量為1.053×109t，綠氫煉鋼減排潛力巨大。

4.3 情景2案例分析

情景2為綠氫或其合成甲烷應(yīng)用于富氧燃燒發(fā)電。隨著云南省電力需求的不斷增長(zhǎng)，及大型耗電產(chǎn)業(yè)的投產(chǎn)（如水電鋁產(chǎn)業(yè)），云南省將從2023年開始面對(duì)季節(jié)性電力缺額問(wèn)題，尤其是枯水季節(jié)。而情景2的甲烷富氧燃燒發(fā)電可為云南省解決該問(wèn)題提供了有效的途徑。豐水季節(jié)使用廢棄水電電解水制氫，儲(chǔ)存于多功能儲(chǔ)氫庫(kù)中，在枯水季節(jié)將H2與所捕集的CO2反應(yīng)制成甲烷，并將所制甲烷進(jìn)行富氧燃燒發(fā)電，補(bǔ)充電力缺額。

假設(shè)甲烷富氧發(fā)電廠裝機(jī)容量為200 MW，并按照甲烷低熱值LHV為50 MJ/kg，由式（5）計(jì)算，可得發(fā)電廠所需甲烷質(zhì)量流量QCH4為4.205 kg/s。

式中：P為發(fā)電廠裝機(jī)容量；Paux為輔助設(shè)備消耗功率，假設(shè)為15 MW；ηoxyfuel為甲烷富氧燃燒發(fā)電效率，為88%。再由式（1）～（3）可得，甲烷化階段需CO211.564 kg/s，電解水階段需O216.82 kg/s，H22.108 kg/s。按照云南省現(xiàn)有發(fā)電結(jié)構(gòu)，枯水季與豐水季各持續(xù)半年，假設(shè)豐水季電解水制氫工作時(shí)長(zhǎng)約2 880 h，枯水季甲烷發(fā)電廠工作時(shí)長(zhǎng)約1 440 h。由此，可分別計(jì)算出鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)所儲(chǔ)綠氫的工作氣量及混合CO2-O2儲(chǔ)庫(kù)的工作氣量。若同樣建設(shè)平均運(yùn)行壓力10 MPa、墊氣比40%的鹽穴多功能儲(chǔ)庫(kù)，儲(chǔ)氫庫(kù)總庫(kù)容約4.78×106m3，混合氣體庫(kù)容2.16×106m3。依據(jù)現(xiàn)有的電解水制氫技術(shù)，4.5 kW·h電可制1 m3（0 ℃、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體體積）綠氫，可實(shí)現(xiàn)豐水季消納水電約5.34×108kW·h，并提供枯水季發(fā)電量2.88×108kW·h。

5 結(jié)論

通過(guò)調(diào)研氫能的多元化應(yīng)用領(lǐng)域、現(xiàn)階段發(fā)展情況和鹽穴儲(chǔ)氫技術(shù)概況，可得主要結(jié)論有：

1）相較于地面儲(chǔ)氫，地下鹽穴儲(chǔ)氫具有儲(chǔ)量大、儲(chǔ)氣成本低、密封性好等優(yōu)點(diǎn)，是地下大規(guī)模儲(chǔ)氫的理想場(chǎng)所。中國(guó)鹽穴資源豐富，鹽穴運(yùn)營(yíng)技術(shù)成熟，這為建造鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)提供了先決條件。

2）提出3種發(fā)展情景下的氫能產(chǎn)業(yè)“制-儲(chǔ)-用”一體化建設(shè)方案：情景1，對(duì)應(yīng)氫能發(fā)展當(dāng)前階段，鹽穴儲(chǔ)氫主要用于交通、煉鋼煉鐵。情景2，雙鹽穴混合儲(chǔ)存，鹽穴儲(chǔ)氫主要用于季節(jié)性儲(chǔ)能發(fā)電，以及為地面合成甲烷提供原料。情景3，為氫能發(fā)展遠(yuǎn)期，鹽穴儲(chǔ)存由綠氫合成的甲烷，同時(shí)還可解決中國(guó)天然氣對(duì)外依存度高，保障國(guó)家能源安全。

并以安寧鹽礦與云南省電力結(jié)構(gòu)為例，分析了情景1、2中的儲(chǔ)氫庫(kù)建設(shè)需求。

情景1下，以昆鋼2020年產(chǎn)量為例，采取綠氫直接還原工藝，需制取綠氫約6.0×105t，配套儲(chǔ)氫庫(kù)總儲(chǔ)存氣量1.3×108m3，同時(shí)減排722 t。

情景2下，假設(shè)甲烷富氧發(fā)電廠裝機(jī)容量為200 MW，云南省枯水與豐水季各持續(xù)半年，需配套鹽穴混合氣體（CO2-O2）總庫(kù)容約2.16×106m3，儲(chǔ)氫庫(kù)總庫(kù)容約4.78×106m3；同時(shí)消納水電約5.34×108kW·h，提供發(fā)電量2.88×108kW·h。

3）從鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)全生命周期的角度，提出了多功能儲(chǔ)氫庫(kù)的概念可起到廢電利用、電力平衡、氫能安全高效儲(chǔ)存、CO2減排等多項(xiàng)作用。

4）多功能鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)的規(guī)模、用途受到建設(shè)地區(qū)的電力結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)等諸多影響，相關(guān)儲(chǔ)氫技術(shù)和不同的案例需要進(jìn)一步研究與深化。