儲(chǔ)能被認(rèn)為是21世紀(jì)能源供應(yīng)鏈的關(guān)鍵要素。這主要是因?yàn)樗軌蝻@著提高光伏、風(fēng)電等可再生能源的消納水平，增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性，提高能源系統(tǒng)的效率，它是推動(dòng)主體能源由化石能源向可再生能源更替和支撐可再生能源高占比能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

目前我國(guó)主要儲(chǔ)能技術(shù)是抽水蓄能，而壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容以及各種電池等儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)應(yīng)用正在發(fā)展中。但是由于各種因素影響， 上述這些儲(chǔ)能技術(shù)尚難以滿足大容量長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能需要。初步研究表明，地下儲(chǔ)氫（Underground Hydrogen Storage-UHS）是解決大容量長(zhǎng)期儲(chǔ)能的有效途徑。

從地質(zhì)角度來(lái)看， 地下構(gòu)造適合儲(chǔ)存氫氣，在剩余能源生產(chǎn)時(shí)，可以將剩余能源轉(zhuǎn)化為氫氣并作為能源載體將其儲(chǔ)存在地下構(gòu)造中， 然后在能源需求高峰時(shí)采出投入應(yīng)用。

總體上，地下儲(chǔ)氫技術(shù)目前還處在發(fā)展初級(jí)階段，目前僅有幾個(gè)小規(guī)模地下儲(chǔ)氫工業(yè)設(shè)施在英國(guó)和美國(guó)運(yùn)行。關(guān)于地下儲(chǔ)氫技術(shù)研發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)研究也僅在近十年得到歐美國(guó)家重視，其他國(guó)家很少關(guān)注。

地下儲(chǔ)氫技術(shù)研究現(xiàn)狀怎樣？

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，關(guān)于地下巖層可能儲(chǔ)氫的估評(píng)已經(jīng)出現(xiàn)在文獻(xiàn)中，1979年美國(guó)天然氣技術(shù)研究院發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于大量地下儲(chǔ)存氣態(tài)氫的研究報(bào)告， 證實(shí)其經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的可行性。從那時(shí)起，地下儲(chǔ)氫經(jīng)濟(jì)估算就經(jīng)常出現(xiàn)在文獻(xiàn)中。根據(jù)Taylor等人(1986)，研究認(rèn)為地下儲(chǔ)存是儲(chǔ)存大量氣態(tài)氫最便宜的儲(chǔ)氫方法。然而，很少有關(guān)于地質(zhì)構(gòu)造中儲(chǔ)氫狀態(tài)研究的科學(xué)研究論文發(fā)表。有些報(bào)告是關(guān)于儲(chǔ)存純氫的水動(dòng)力方面的， 這些論文都傾向于得出這樣的結(jié)論: 與天然氣存儲(chǔ)相比，氫存儲(chǔ)不會(huì)帶來(lái)新的重大問(wèn)題。

1990年，首次發(fā)表了關(guān)于氫在地下儲(chǔ)存中的異常的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，這是關(guān)于在捷克Lobodice一個(gè)含水層中儲(chǔ)存城鎮(zhèn)煤氣的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)清楚地表明，在一個(gè)注入循環(huán)中，儲(chǔ)存氣體的成分發(fā)生了顯著變化，認(rèn)為因?yàn)槭菤浜虲O2或CO的原位生成了甲烷。

對(duì)UHS研究的興趣真正爆發(fā)始于2011年至2012年，這主要是受歐洲委員會(huì)的政策的影響，歐盟設(shè)定了雄心勃勃的氣候保護(hù)目標(biāo)，呼吁歐洲能源體系進(jìn)行轉(zhuǎn)型和脫碳。目標(biāo)確定2020年溫室氣體(GHG)排放量減少20%，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中占比20%的份額，一次能源消費(fèi)減少20%。

2012年，歐盟啟動(dòng)了HyUnder（Hydrogen Underground Storage in Europe）研發(fā)項(xiàng)目，來(lái)自歐盟的法國(guó)、德國(guó)、荷蘭、羅馬尼亞、西班牙和英國(guó)等6個(gè)國(guó)家的12個(gè)項(xiàng)目伙伴參與研究，主要是評(píng)估歐洲大規(guī)模地下儲(chǔ)氫的潛力、參與方和商業(yè)模式，項(xiàng)目還涉及工程和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。2021年歐盟資助，Geostock Group牽頭組織相關(guān)機(jī)構(gòu)承擔(dān)了為期兩年HyStorIES（Hydrogen Storage in European Subsurface）項(xiàng)目，旨在探索在地下含水層或枯竭油氣藏中儲(chǔ)存純氫的主要技術(shù)可行性。

目前，德國(guó)是開(kāi)展地下儲(chǔ)氫研究項(xiàng)目做多的國(guó)家，近十年中，開(kāi)展了H2STORE、InSpEE、ANGUS、HyINTEGER、HyCAVmobil等項(xiàng)目，其中有些項(xiàng)目正在進(jìn)行中。法國(guó)也是開(kāi)展地下儲(chǔ)氫研究較多的國(guó)家，先后啟動(dòng)了STOPIL H2、HyPSTER和HyGe?o等項(xiàng)目；英國(guó)是開(kāi)展地下鹽穴儲(chǔ)氫最早的國(guó)家，近年也啟動(dòng)地下儲(chǔ)氫研究，如愛(ài)丁堡大學(xué)牽頭的HyStorPor項(xiàng)目；另外其他歐盟國(guó)家（如荷蘭、丹麥、奧地利）也開(kāi)展了地下儲(chǔ)氫研究。

美國(guó)是目前運(yùn)行地下鹽穴儲(chǔ)氫設(shè)施最多的國(guó)家，在得克薩斯州有3個(gè)鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)。最近美國(guó)啟動(dòng)了SHASTA、GeoH?研究項(xiàng)目，目前正在執(zhí)行中。

目前尚未見(jiàn)到其他國(guó)家有開(kāi)展地下儲(chǔ)氫研究項(xiàng)目的公開(kāi)報(bào)道。中國(guó)地下儲(chǔ)氫方面研究正在起步，目前僅見(jiàn)有幾篇論文公開(kāi)發(fā)表，還未見(jiàn)有研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目的公開(kāi)報(bào)道。這種研究興趣顯然與新能源戰(zhàn)略有關(guān)，新能源戰(zhàn)略迫使企業(yè)和實(shí)驗(yàn)室提高可再生能源的效率，并尋找有效的能源儲(chǔ)存方法。

但是總體上，地下儲(chǔ)氫技術(shù)仍然處在發(fā)展的初級(jí)階段，這一領(lǐng)域也僅在近十年得到歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家重視，其他國(guó)家目前還很少關(guān)注。地下儲(chǔ)氫目前還不是而且在未來(lái)的幾年仍然不是一種可行的、技術(shù)上成熟的儲(chǔ)能方式。

在大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用地下儲(chǔ)氫技術(shù)之前， 必須突破地質(zhì)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、法律和社會(huì)方面的障礙。這些問(wèn)題的復(fù)雜性以及缺乏足夠的應(yīng)用實(shí)踐，因此可能還需要進(jìn)行較長(zhǎng)的研究， 進(jìn)一步開(kāi)展地下儲(chǔ)氫研究和示范項(xiàng)目以評(píng)估潛在的危害并擬訂減少危害的計(jì)劃是必要的。

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

基于不同技術(shù)路徑的地下儲(chǔ)氫實(shí)施方案

鹽穴

鹽穴的存儲(chǔ)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(chǔ)氫鹽穴、演示儲(chǔ)氫的鹽穴商業(yè)設(shè)施、現(xiàn)有或退役的天然氣儲(chǔ)存洞穴相鄰的儲(chǔ)氫的鹽洞穴，混合氫合物的天然氣儲(chǔ)存鹽穴等。

國(guó)內(nèi)關(guān)于地下鹽穴儲(chǔ)氫的研究還處于起步階段。在我國(guó)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(guò)剩電量進(jìn)行大規(guī)模存儲(chǔ)。通過(guò)對(duì)我國(guó)江蘇金壇地域的層狀鹽巖進(jìn)行研究，從地質(zhì)存儲(chǔ)性、穩(wěn)定性、巖洞致密性等方面對(duì)其作為UHS潛在選址的可行性進(jìn)行分析與評(píng)估，嘗試發(fā)展可再生能源發(fā)電與地下氫儲(chǔ)能耦合這一技術(shù)路徑。

以上例子證明了在鹽穴中儲(chǔ)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(píng)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(chǔ)存靈活性，這使得鹽穴成為IEA目前所關(guān)注的主要方向。

襯砌的硬巖洞

襯砌的硬巖洞用于儲(chǔ)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(lái)儲(chǔ)存氫氣。以下是一些相關(guān)示范項(xiàng)目的信息：

瑞典：2022年6月，SSAB、LKAC和Vattenfall在瑞典為HYBRIT示范設(shè)施(100m3)揭幕，將氫氣儲(chǔ)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(wàn)美元）。之后，可以建造約100000立方米(60gwhH2)的綜合設(shè)施。韓國(guó)：2004年在韓國(guó)展示了使用硬巖洞儲(chǔ)存液化天然氣的可能性。

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

全球競(jìng)相開(kāi)發(fā)氫儲(chǔ)存能力

據(jù)Oil Price網(wǎng)站2022年12月23日?qǐng)?bào)道，在全球范圍內(nèi)，能源公司和政府都在競(jìng)相開(kāi)發(fā)提高氫儲(chǔ)存能力，以提高能源安全，減少對(duì)天然氣的依賴。隨著對(duì)氫儲(chǔ)存技術(shù)研發(fā)投資的增加，世界大國(guó)正在開(kāi)發(fā)更好的氫存儲(chǔ)解決方案，就像使用天然氣那樣方便，以支持開(kāi)創(chuàng)氫能應(yīng)用新格局。

根據(jù)氫的使用方式差異，其有著不同適合的儲(chǔ)存方式。氫既能保存在氣態(tài)或液態(tài)容器中，也能保存在地下地層中，或是保存在氫載體等材料中。作為國(guó)家清潔氫戰(zhàn)略和路線圖的一部分，美國(guó)能源部討論了增加氫儲(chǔ)存的潛力和氫儲(chǔ)存的替代方法，以確定長(zhǎng)期儲(chǔ)存氫的最佳方案。

在美國(guó)，已經(jīng)有商業(yè)化儲(chǔ)罐和液體杜瓦瓶在使用，主要用于能源站點(diǎn)和加油站。由于大量液態(tài)氫被用于航空航天，佛羅里達(dá)州的肯尼迪航天中心有一個(gè)儲(chǔ)存125萬(wàn)加侖液態(tài)氫的容器。目前美國(guó)有3個(gè)大型地質(zhì)儲(chǔ)氫穴供石化工業(yè)使用。美國(guó)能源部的路線圖確定了美國(guó)最適合開(kāi)發(fā)大型儲(chǔ)氫洞穴的一些地區(qū)，包括氫氣和碳捕集與儲(chǔ)存(CCS)業(yè)務(wù)中的碳。

美國(guó)能源部強(qiáng)調(diào)，氫儲(chǔ)存是推進(jìn)氫和燃料電池技術(shù)用于固定電源、便攜式電源和交通運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵。由于環(huán)境溫度密度低，氫的單位體積能量低，需要特殊的存儲(chǔ)形式。用來(lái)儲(chǔ)存氫氣的儲(chǔ)罐必須承受350~700巴的高壓強(qiáng)。液態(tài)氫需要儲(chǔ)存在低溫下，因?yàn)樗姆悬c(diǎn)為- 252.8°C。美國(guó)氫與燃料電池技術(shù)辦公室(HFTO)旨在開(kāi)發(fā)氫存儲(chǔ)選項(xiàng)，以滿足能源部輕型車輛、物料搬運(yùn)設(shè)備和便攜式電源應(yīng)用的氫存儲(chǔ)目標(biāo)。

文章來(lái)源： 燃料電池與氫能觀察，世界石油工業(yè)，非凡說(shuō)能源