氢能源的来源广泛,应用领域丰富,可以实现电网、热网和油气网之间的互联互通。它是未来二次能源体系中电能的重要补充。开发和利用绿色氢能已经成为全球应对气候变化和能源改革的重要途径,也将成为世界各国能源技术和产业竞争的焦点。近日,我国发布了《氢能产业中长期发展规划(2021-2035)》,明确了能源绿色低碳转型中可再生资源制造氢气的战略定位、总体要求和发展目标。这将对氢能产业的高质量发展起到重要的指导作用。但我们也应该认识到,氢能的战略地位和经济合理性主要取决于大规模长期能量存储和多样化终端在可再生资源转型中的应用需求。此外,氢能的储存也存在技术路线、资源潜力和经济性等问题。
盐穴是最佳的地质储氢选择。
在盐穴、地下含水层、废弃油田、矿坑等储气库中,氢气可以大规模长期储存。氢气作为一种较轻的气体,容易扩散,所以氢储能对密封性能有极其严格的要求。盐穴密封性好,盐不会与氢反应,是地质储氢的理想选择。目前,世界上正在经营的盐穴储氢项目有四个,其中三个位于美国墨西哥湾,废弃油田的储氢仍处于小试验阶段。
在20世纪70年代,美国就开始研究将氢气储存于地下的可能性。大型储氢罐和地质储氢是美国能源部研发项目的重要组成部分。2019年,美国犹他州启动了名为“先进清洁能源储存”的项目。2025年,该项目计划在德尔塔镇附近建设一个大型绿色氢储存中心,将氢储存在100个大型地下盐穴中,通过电解水制氢,以实现季节性能源供应的平衡。2020年,美国能源部陆续发布了《氢能计划发展规划》和《储能挑战路线图》,将地质储氢的识别、评估和论证纳入核心技术领域的R&D和示范重点。
2020年11月,英国政府推出了一项名为“绿色工业革命十点计划”的新计划,旨在在2030年实现5吉瓦低碳氢产能,并制定了一项名为“英国氢能网络计划”的计划,旨在促进英国地下氢储存的发展。英国于2021年8月发布了我国首个氢能战略,提到盐穴储氢是一种氢储运方案。英国地质调查局(BGS)强调地质在支持英国长期能源转型方面的重要性,并指出地下储氢是英国实现净零排放的四大技术之一。英国地质调查局正在进行测试,以支持地下储能技术的更广泛应用,并对盐穴的可回收性和安全性进行研究。
除了盐穴之外,瑞典正在进行的地质储氢项目将使用岩洞储气库,在目前正处于建设阶段。澳大利亚和阿根廷正在试运营的天然气储存项目中,已经成功将氢气与天然气的比例混合为10%,并且目前还未发现对储气库和设备造成任何不利影响。此外,德国的南北跨区输气管网的输气能力是输电能力的4倍,而欧洲的储气总容量则可以满足全年天然气需求的22.8%。相较于水泵蓄能技术在储能方面的潜力,欧洲的供气管网具备足够的容量来输送、储存氢气和合成甲烷。
美国能源部分析了地下管道储氢、内衬岩洞储氢、地下盐洞储氢的成本。其中,地下管道储氢500吨的投资成本为每公斤516-817美元,其中管道成本占60%以上。%,剩下的近40%这是管道安装和工程建设的成本,储氢平均成本为每公斤1.87-2.39美元。内衬岩洞储氢的投资成本为56-116美元/公斤,其中岩洞开挖、内衬、压缩机和管道成本约占80%%,储氢平均成本为0.31-0.43美元/公斤。地下盐穴储氢的投资成本为35-38美元/公斤,其中地下工程成本约占50%%,储氢平均成本为0.19-0.27美元/公斤。由于地质储氢压力的增加,单位储氢空间的需求和平均储氢成本也会降低。据彭博新能源财经分析,盐洞、废气田、洞穴和人工容器的平均储氢成本为0.19-1.9美元/公斤,未来可能降至0.11-1.07美元/公斤。
然而,一项研究发现,使用枯竭的油气沉积物或水层来储存氢气时,可能会发生与储层中存在的古老微生物或矿物成分的反应。这不仅会消耗掉储存的氢气的一部分,而且产生的反应产物可能会堵塞储层的孔隙,对氢气的长期储存不利。根据国际能源署(IEA)的《能源技术远景—清洁能源技术指南》,废弃的油气沉积物储氢目前面临的困难包括:氢气可能发生化学或生物学反应导致储层孔隙的变化、微生物导致的氢气消耗以及生成有毒气体硫化氢等问题。