大規(guī)模地下儲(chǔ)氫技術(shù)研究展望_第1頁(yè)
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摘要

隨著傳統(tǒng)化石能源消耗和環(huán)境污染問(wèn)題日益凸顯,能源行業(yè)一直在尋找可再生能源來(lái)滿足綠色消費(fèi)需求。氫能是一種來(lái)源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源,正逐步成為能源轉(zhuǎn)型的重要載體之一。為了落實(shí)能源需求變革,氫能的安全高效存儲(chǔ)尤為重要。地下儲(chǔ)氫技術(shù)由于其儲(chǔ)氫規(guī)模大、綜合成本低而受到了廣泛關(guān)注。本工作分析了世界地下儲(chǔ)氫項(xiàng)目概況和研究進(jìn)展,結(jié)果表明鹽穴儲(chǔ)氣密封性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、操作靈活的優(yōu)點(diǎn),是目前大規(guī)模地下儲(chǔ)氫最有前景的選擇。從氫氣的特點(diǎn)出發(fā),綜合闡述了在工程實(shí)施中氫氣的注采對(duì)井況和地下環(huán)境造成金屬腐蝕、橡膠失效、水泥降解、氫氣泄漏等問(wèn)題,為國(guó)內(nèi)發(fā)展鹽穴儲(chǔ)氫技術(shù)研究提供借鑒。進(jìn)一步結(jié)合中鹽金壇鹽穴綜合利用的經(jīng)驗(yàn)以及江蘇地區(qū)的地域特點(diǎn),探索鹽穴儲(chǔ)氫的技術(shù)路線的可能性。該路線通過(guò)將水電解制氫技術(shù)、鹽穴儲(chǔ)氫技術(shù)及天然氣管道摻氫技術(shù)相結(jié)合,解決“制、儲(chǔ)、運(yùn)”的關(guān)鍵問(wèn)題,為中國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供思路。鹽穴儲(chǔ)氫具有能源電力消納、電網(wǎng)削峰填谷、跨季節(jié)存儲(chǔ)、平衡氫能供需以及低成本等優(yōu)勢(shì),這對(duì)于可再生能源發(fā)電剩余電量的大規(guī)模存儲(chǔ)、綠色清潔氫能源的使用與發(fā)展以及節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)都具有十分重要的意義。關(guān)鍵詞

氫能;鹽穴儲(chǔ)氫;地下存儲(chǔ);低碳經(jīng)濟(jì)氫氣是一種用途廣泛、清潔、安全的能量載體,可以作為動(dòng)力燃料或工業(yè)原料。隨著水電解技術(shù)的發(fā)展,氫能可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效的可再生能源消納。作為能源緩沖載體,它可以跨行業(yè)和跨地區(qū)分配能源,提高了能源系統(tǒng)的韌性。氫能的應(yīng)用有利于減少社會(huì)對(duì)煤石油等不可再生能源的依賴,推動(dòng)燃料行業(yè)變革轉(zhuǎn)型,也可以降低交通運(yùn)輸、工業(yè)用能、建筑采暖過(guò)程中的碳排放。目前,世界主要發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體,已經(jīng)把氫能源的利用提到了國(guó)家戰(zhàn)略的高度來(lái)對(duì)待,從國(guó)家層面上制定了長(zhǎng)期的研發(fā)計(jì)劃。美、歐、日等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)都從國(guó)家可持續(xù)發(fā)展和安全戰(zhàn)略的高度,紛紛投入巨資進(jìn)行氫能相關(guān)技術(shù)研發(fā),制定相應(yīng)的發(fā)展戰(zhàn)略和計(jì)劃,并指導(dǎo)和推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展,以期在未來(lái)氫經(jīng)濟(jì)社會(huì)占據(jù)主動(dòng)權(quán)。儲(chǔ)氫技術(shù)作為氫氣“制”和“用”環(huán)節(jié)之間的重要橋梁,其重要性不容忽視。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)、固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)及有機(jī)物液體儲(chǔ)氫技術(shù)是目前主要的4種儲(chǔ)氫技術(shù),其中主流方式還是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看氫能要實(shí)現(xiàn)其對(duì)凈零排放的重大貢獻(xiàn)潛力,就必須進(jìn)行大規(guī)模儲(chǔ)存。地下儲(chǔ)氫技術(shù)由于其儲(chǔ)氫規(guī)模大、綜合成本低而受到了廣泛關(guān)注。以美國(guó)為代表的世界發(fā)達(dá)國(guó)家圍繞地下儲(chǔ)氫技術(shù)正進(jìn)行技術(shù)攻關(guān),并得到迅速發(fā)展。目前,英國(guó)、德國(guó)、加拿大、波蘭、土耳其、荷蘭和丹麥等也都制定了鹽穴儲(chǔ)氫計(jì)劃。相比上述國(guó)家,我國(guó)地下儲(chǔ)氫研究較為滯后,尚無(wú)地下儲(chǔ)氫實(shí)踐。為此,本工作主要根據(jù)國(guó)外地下儲(chǔ)氫技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀,分析氫氣地下儲(chǔ)存可能面臨的技術(shù)問(wèn)題,為國(guó)內(nèi)發(fā)展鹽穴儲(chǔ)氫技術(shù)提供借鑒。進(jìn)一步結(jié)合中鹽金壇鹽穴綜合利用的經(jīng)驗(yàn)以及江蘇地區(qū)的地域特點(diǎn),探索鹽穴儲(chǔ)氫技術(shù)路線的可能性,為中國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供思路。1氫氣的特點(diǎn)一般情況下,氫氣的能量密度約為120MJ/kg,它的能量密度是天然氣的2.5~3.0倍,是單位質(zhì)量中能量含量最高的燃料。我國(guó)地下儲(chǔ)氫研究較為滯后,尚無(wú)地下鹽穴儲(chǔ)氫實(shí)踐。但是天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)在國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣,在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)方面可以為氫氣儲(chǔ)運(yùn)提供成熟經(jīng)驗(yàn)與借鑒。氫氣在物理性質(zhì)上和甲烷大有不同,見(jiàn)表1。在25℃、101.325kPa氣壓下,氫氣的密度僅為0.082kg/m3,甲烷在室溫下密度是氫氣的8倍,在質(zhì)量相同情況下氫氣需要更高的儲(chǔ)存壓力。氫氣的黏度同樣也比甲烷小,表現(xiàn)出更高的流動(dòng)性,這會(huì)導(dǎo)致氫氣在地下采出過(guò)程中的殘留變低,注采效率與天然氣相比會(huì)有所提高。在水溶性方面,氫氣在水中的溶解度也比甲烷低,這意味著氫氣在注氣排鹵過(guò)程中會(huì)有更少的損失。以典型的地下鹽穴存儲(chǔ)體系為例,在水-氫-鹽三相系統(tǒng)中,可通過(guò)調(diào)節(jié)溫度、壓力、鹽水濃度等參數(shù),進(jìn)一步降低氫在鹽水中的溶解度。但是,由于氫氣的分子量較低,擴(kuò)散程度較高,它很可能通過(guò)蓋層和夾層向地表或四周泄漏。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,氫氣的水中擴(kuò)散系數(shù)是甲烷的2.77倍。因此在地下存儲(chǔ)過(guò)程中,必須考慮地下空間孔隙度對(duì)擴(kuò)散的影響。綜上所述,在借鑒成熟經(jīng)驗(yàn)時(shí)應(yīng)考慮到實(shí)際工程應(yīng)用中儲(chǔ)存氫氣壓力、注采工藝、滲透率等因素與儲(chǔ)存天然氣的差異,意識(shí)到氫氣地下存儲(chǔ)研究的科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)挑戰(zhàn)。表1

氫氣和甲烷的物理性質(zhì)2氫氣地下存儲(chǔ)的研究和應(yīng)用目前,地下儲(chǔ)氣庫(kù)主要有4種類型。含水層儲(chǔ)氣庫(kù),通過(guò)向蓋層下注氣驅(qū)替巖層中的水而成,其存儲(chǔ)容量大,但勘探風(fēng)險(xiǎn)大、墊氣不能完全回收。廢棄礦坑儲(chǔ)氣庫(kù)容量小且易漏氣,很少被使用??萁叩挠蜌獠貎?chǔ)氣庫(kù)利用油氣田的原有設(shè)施及儲(chǔ)氣量大的優(yōu)點(diǎn)在地下儲(chǔ)氣庫(kù)中占的比例較大,但是地層中空隙體積過(guò)大會(huì)導(dǎo)致大量氣體殘留,增加墊氣量,同時(shí)對(duì)地面設(shè)施的要求較高。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)則因?yàn)槠湔{(diào)峰能力強(qiáng),注采氣的效率高,對(duì)于墊層氣量需求低,同時(shí)巖鹽的密封能力大及鹽結(jié)構(gòu)的惰性,可以防止儲(chǔ)存的氫氣被污染,并且操作靈活,目前被認(rèn)為是最有前景的地下儲(chǔ)氫選擇。1976年驗(yàn)證了利用自然形成的地下結(jié)構(gòu)來(lái)儲(chǔ)存氫氣具有可行性。1979年研究了地下儲(chǔ)氫的流失率,他們發(fā)現(xiàn)每個(gè)注采循環(huán)周期約有1%氫氣可能會(huì)損失,而在第1個(gè)循環(huán)中,氫氣溶解到地層中造成的損耗只有0.4%。1986年通過(guò)評(píng)估氫氣儲(chǔ)存在鹽穴、巖石穴的可行性及經(jīng)濟(jì)性,研究發(fā)現(xiàn)鹽穴是最經(jīng)濟(jì)的地下儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)。2018年在波蘭篩選了28個(gè)鹽穴,為地下儲(chǔ)氫選出了最有價(jià)值的7個(gè)鹽穴。同年,根據(jù)存儲(chǔ)容量和地質(zhì)條件,研究了在英國(guó)中部的地下儲(chǔ)氫的可能性。在2019年分析了枯竭的油氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)、鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)、含水層儲(chǔ)氣庫(kù)等優(yōu)勢(shì),并把鹽穴用于季節(jié)性儲(chǔ)存加拿大安大略省的氫氣。在2020年提供了一系列具有地下儲(chǔ)氫潛力的鹽穴。參照運(yùn)營(yíng)技術(shù)、投資成本、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、風(fēng)險(xiǎn)因素等5個(gè)標(biāo)準(zhǔn),提出了地下儲(chǔ)氫鹽穴選址方法。隨著研究的深入,越來(lái)越多的目光聚焦在大規(guī)模地下鹽穴儲(chǔ)氫項(xiàng)目上。氫氣儲(chǔ)氣庫(kù)的墊層氣以甲烷為主,但氫氣和甲烷兩種氣體易形成氣體混合,采出氫氣時(shí)會(huì)同時(shí)采出一定量的甲烷,影響氫氣的采出純度。如表2所示,世界上地下存儲(chǔ)純度較高的氫氣(氫氣純度≥95%)的設(shè)施大多建立在英國(guó)和美國(guó),它們大部分選擇鹽穴作為儲(chǔ)氫地點(diǎn)。比如位于英國(guó)Teesside的儲(chǔ)氫工程證明鹽穴是一個(gè)完美的儲(chǔ)氫場(chǎng)所,但是它的運(yùn)行壓力較低,且Teesside的儲(chǔ)氫工程深度僅為356m,運(yùn)行壓力低會(huì)導(dǎo)致鹽穴塌陷,所以需要已注入的大部分氫氣維持壓力,故循環(huán)采出的氫氣量較小,采出氫氣的體積占總體積的8%。在表2中,還有許多氫氣與其他氣體(例如甲烷)混合的儲(chǔ)存項(xiàng)目,這說(shuō)明利用氫氣地下大規(guī)模儲(chǔ)存并轉(zhuǎn)化成另一種形式能源的研究引起了世界各國(guó)的極大關(guān)注。表2

世界地下儲(chǔ)氫項(xiàng)目概況3地下儲(chǔ)氫存在的技術(shù)問(wèn)題雖然大規(guī)模地下儲(chǔ)氫擁有廣闊的應(yīng)用前景,但在實(shí)施中也不可避免地存在技術(shù)問(wèn)題和科學(xué)挑戰(zhàn)。要實(shí)現(xiàn)安全高效的存儲(chǔ),在項(xiàng)目實(shí)施之前,不僅需要考慮存儲(chǔ)類型、容量、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益等因素,還需要對(duì)電力生產(chǎn)設(shè)施和地質(zhì)儲(chǔ)存潛力進(jìn)行評(píng)估和研究。在項(xiàng)目運(yùn)行中,氫氣的注采過(guò)程還對(duì)井況和地下環(huán)境造成金屬腐蝕、橡膠失效、水泥降解、氫氣泄漏等問(wèn)題,如圖1所示。圖1

地下儲(chǔ)氫技術(shù)問(wèn)題3.1氫腐蝕氫腐蝕嚴(yán)重威脅了完井所用材料的耐久性、儲(chǔ)氣井的完整性、儲(chǔ)層的地質(zhì)與環(huán)境安全。氫氣化學(xué)性質(zhì)很活潑,容易對(duì)鋼材造成氫氣起泡、氫脆、氫裂紋。儲(chǔ)存的H2或產(chǎn)生的H2S等分子在材料表面發(fā)生分解反應(yīng)生成氫原子,氫原子在金屬表面形成化學(xué)吸附。在這種原子形式中,氫可以積累在金屬表面下的缺陷位置。這種積累會(huì)使缺陷附近產(chǎn)生強(qiáng)大的內(nèi)壓,產(chǎn)生塑性變形。固井是保證井身完整性的重要組成部分,對(duì)完井所用材料的耐久性、腐蝕和與微生物代謝有關(guān)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究。氫氣滲透過(guò)水泥環(huán)也是一個(gè)相對(duì)潛在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),因?yàn)樗啾┞对跇O端的負(fù)荷條件下由于壓力、熱膨脹和體積變化導(dǎo)致腐蝕,機(jī)械強(qiáng)度會(huì)降低。研究了酸性氣體(H2S-CO2)和純CO2作用下水泥在模擬儲(chǔ)層條件下的變化規(guī)律,溫度、pH對(duì)水泥的孔隙度和滲透率有很大影響。CO2對(duì)水泥的化學(xué)降解作用稱為碳酸化。對(duì)于地下儲(chǔ)氫來(lái)說(shuō),碳酸化過(guò)程將取決于巖石礦物和地層流體中CO2的含量。如果碳酸化作用持續(xù)下去,碳酸鈣會(huì)轉(zhuǎn)化為重碳酸氫鈣[Ca(HCO3)2],研究表明這種水溶性的產(chǎn)物導(dǎo)致水泥強(qiáng)度降低。此外,氫氣環(huán)境中的微生物也會(huì)參與水泥化學(xué)反應(yīng),影響水泥材料的性能。封隔器是完井過(guò)程中的密封組件,其主要功能是隔離套管、油管或環(huán)空中的流體。封隔器故障會(huì)影響井的完整性,產(chǎn)生泄漏,危及環(huán)境和安全。封隔器通常由橡膠或聚合物制成的彈性體材料組成。由于在注采過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)快速氣體減壓(RGD),彈性體材料在儲(chǔ)氫操作中可能受到損害。Patel等發(fā)現(xiàn)在高壓下,氫氣可以滲透到彈性體材料中。在RGD之后,橡膠材料會(huì)因?yàn)榻佑|氫氣而變得過(guò)飽和,這影響材料的拉伸強(qiáng)度,并在密封橡膠材料內(nèi)部產(chǎn)生氣泡破裂。故障的嚴(yán)重程度與溫度、壓力和減壓時(shí)間成正比。當(dāng)彈性體材料與鉆井液、完井液、旋轉(zhuǎn)液、地層鹽水或含有各種溶劑、焦散劑、腐蝕性化學(xué)品的生產(chǎn)液接觸時(shí),彈性體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞并可能會(huì)發(fā)生化學(xué)降解。一方面,鹽穴儲(chǔ)氫的墊層氣以甲烷為主,存儲(chǔ)的氫氣和甲烷混合。另一方面,地下氫氣在高壓條件下可能發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)為產(chǎn)生甲烷、硫酸鹽還原和乙酰化。鹽穴本身的巖層雜質(zhì)或者CO2使氫氣被消耗生成甲烷、乙酸鹽、硫化氫。因此,儲(chǔ)氫過(guò)程中產(chǎn)生的H2S、CO2和CH4也會(huì)加速?gòu)椥泽w的化學(xué)降解。發(fā)現(xiàn)當(dāng)彈性體表面接觸存在的H2S時(shí),它的高反應(yīng)活性使其部分溶解,導(dǎo)致其強(qiáng)度、極限伸長(zhǎng)率和硬度降低。研究發(fā)現(xiàn)隨著H2S濃度的增加,彈性體表面發(fā)生脆性斷裂。國(guó)內(nèi)外的專家和學(xué)者仍在持續(xù)對(duì)防止氫氣滲透材料進(jìn)行研究,通過(guò)對(duì)水泥、完井金屬和橡膠材料的改進(jìn)可以改善井身的完井條件,為密封儲(chǔ)氫提供可靠屏障。3.2地質(zhì)反應(yīng)注入氫氣會(huì)改變地層孔隙、溶解氣體和巖石基質(zhì)之間的化學(xué)平衡,這可能導(dǎo)致氫氣的大量損失、氣體污染(例如產(chǎn)生H2S)、礦物溶解或沉淀、氫擴(kuò)散泄漏等問(wèn)題。研究表明氫氣在存儲(chǔ)過(guò)程中所產(chǎn)生的壓力可以驅(qū)替鄰近的孔隙水,影響溫度和相對(duì)濕度的變化,孔隙水-巖石-氣體系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)性也產(chǎn)生變化。地下存儲(chǔ)環(huán)境影響相當(dāng)復(fù)雜,比如溶解氫不會(huì)直接影響孔隙水的pH,但反應(yīng)溶解的硫酸鹽間接影響液體的pH,從而導(dǎo)致礦物產(chǎn)生溶解/沉淀反應(yīng)。如果赤鐵礦或含鐵黏土和云母等礦物與儲(chǔ)存的氫氣引起氧化還原反應(yīng),巖石基質(zhì)的強(qiáng)度和力學(xué)性能就會(huì)受到影響。礦物的溶蝕作用可能會(huì)產(chǎn)生氣體泄漏的通道,從而導(dǎo)致氫氣的損失。如果在斷層和井口注入低溫的液態(tài)氫,將直接導(dǎo)致儲(chǔ)層的壓力和溫度變化。由于焦耳-湯姆遜效應(yīng),低溫液態(tài)氫的溫度對(duì)地層和井筒的穩(wěn)定性是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。除此之外,氫氣進(jìn)入地下,超出壓力承受范圍的部分巖層會(huì)發(fā)生形變。研究了深部沉積層,特別是鹽水層的儲(chǔ)存問(wèn)題,對(duì)儲(chǔ)層應(yīng)力-應(yīng)變和微震活動(dòng)、井的完整性、蓋層封閉性能等進(jìn)行探討。周期性的注氫產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力的波動(dòng)可能導(dǎo)致儲(chǔ)層內(nèi)部、井筒和斷層附近的儲(chǔ)層壓實(shí),孔隙度降低,也有可能導(dǎo)致蓋層彎曲、產(chǎn)生裂縫和孔洞滲漏。鹽穴圍巖在受到地震剪切力的作用時(shí),由于泥巖夾層和鹽巖的物理力學(xué)性質(zhì)不同,在地震作用下兩者的變形不協(xié)調(diào),在兩者接觸面處會(huì)發(fā)生較大的相對(duì)位移差,產(chǎn)生裂縫,影響鹽穴整體的穩(wěn)定性和密封性,因此在選擇儲(chǔ)氫庫(kù)區(qū)塊位置時(shí)要考慮到地震對(duì)于氣庫(kù)的影響,根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》,在氣庫(kù)所在區(qū)塊位置的相應(yīng)抗震設(shè)防烈度基礎(chǔ)上,按照高一烈度的要求設(shè)計(jì)工程。氫氣在地下條件下反應(yīng)的程度和速率存在很大不確定性,為了預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)對(duì)儲(chǔ)存周期的影響,在項(xiàng)目開(kāi)展前期,通過(guò)對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)庫(kù)處鉆取巖芯,進(jìn)行力學(xué)性能和滲透性能的分析,同時(shí)利用數(shù)值軟件模擬氫氣在地下鹽穴的儲(chǔ)存情況也是必要的。3.3微生物反應(yīng)微生物在地下的生長(zhǎng)情況應(yīng)納入儲(chǔ)層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。Gregory等研究表明生物和非生物作用產(chǎn)生的氫都可以被微生物消耗。除了地下固有群落,在儲(chǔ)存過(guò)程中從地表氣體或鉆井液可能引入外來(lái)微生物。微生物與氫循環(huán)消耗、生產(chǎn)和腐蝕息息相關(guān)。有很多經(jīng)常出現(xiàn)的微生物被認(rèn)為是主要的氫消耗者,如產(chǎn)甲烷菌、硫酸鹽還原菌、乙酸細(xì)菌等。氫氣的損失主要因?yàn)槲⑸锓磻?yīng)將H2轉(zhuǎn)化為CH4或H2S等氣體。在奧地利實(shí)施的UndergroundSunStorage工程中3%的氫氣被存在的微生物損耗。在法國(guó)拜恩斯(Beynes)項(xiàng)目中H2在7個(gè)月內(nèi)減少了17%,但是CH4的量有所增加,說(shuō)明H2轉(zhuǎn)化成了CH4。雖然CH4的增加有利于提高熱量值,但從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度上看不利于綠色低碳的理念,同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一些不可控的因素。另一方面,微生物產(chǎn)生的H2S也會(huì)帶來(lái)氫儲(chǔ)存的風(fēng)險(xiǎn)。隨著微生物密度的增加,微生物形成的生物膜或礦物沉淀可能導(dǎo)致孔隙堵塞,從而降低氫氣的注入能力。Berta等研究表明在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,硫酸鹽還原和乙酸鹽生成的過(guò)程中,氫氣的消耗較快,但是沒(méi)有產(chǎn)甲烷,而且反應(yīng)速率與氫氣的分壓無(wú)關(guān),當(dāng)鹽水的濃度增加到35g/L以上,氫氣的消耗才停止,說(shuō)明在高鹽環(huán)境會(huì)抑制某些微生物的生長(zhǎng)。高壓也對(duì)微生物代謝產(chǎn)生影響。這些研究表明通過(guò)溫度、鹵水濃度、壓力等參數(shù)可以控制微生物的生長(zhǎng)。綜上所述,我國(guó)地下鹽穴儲(chǔ)氫應(yīng)從以下四個(gè)方面入手:防氫滲透材料、地面配套設(shè)備、檢測(cè)氫氣凈化技術(shù)和地下監(jiān)測(cè)綜合模擬評(píng)估。使用含滲透率較低的二氧化硅黏結(jié)劑的水泥、含鎳的奧氏體不銹鋼及氫化丁腈橡膠作為封隔材料,防止氣體漏失及套管開(kāi)裂、腐蝕和脆化,以改善井身?xiàng)l件。在選擇儲(chǔ)氫庫(kù)區(qū)塊位置時(shí)綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、地理位置等因素,在氣庫(kù)所在區(qū)塊位置的相應(yīng)抗震設(shè)防烈度基礎(chǔ)上,可以按照高一烈度的要求設(shè)計(jì)工程。在氫氣的“制”“儲(chǔ)”“運(yùn)”環(huán)節(jié)除了政策規(guī)范、設(shè)施配套齊全,對(duì)氫氣的提純工藝和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)也需進(jìn)一步完善。由于氫氣在地下條件下反應(yīng)的程度和速率存在很大不確定性,為了預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)對(duì)儲(chǔ)存周期的影響,在項(xiàng)目開(kāi)展前期,通過(guò)對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)庫(kù)處鉆取巖芯,進(jìn)行力學(xué)性能和滲透性能的分析,同時(shí)利用數(shù)值軟件模擬氫氣在地下鹽穴的儲(chǔ)存情況。一般儲(chǔ)氫壓力過(guò)小時(shí),儲(chǔ)存的氣體體積小且鹽穴可能發(fā)生蠕變收縮,壓力過(guò)大,氫氣可能會(huì)通過(guò)滲透率較大的蓋層或夾層滲透發(fā)生泄漏。儲(chǔ)氫的壓力范圍應(yīng)具有合理的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益。4鹽穴儲(chǔ)氫的展望4.1江蘇省能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)江蘇省位于我國(guó)大陸東部沿海中緯度地區(qū),地勢(shì)平坦,全省陸區(qū)面積10.72萬(wàn)平方公里,海岸線長(zhǎng)達(dá)954公里,灘涂面積約50萬(wàn)公頃,海域面積3萬(wàn)余平方公里,面向西太平洋。海上風(fēng)能資源對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的江蘇而言,無(wú)疑是一種極其寶貴的資源。根據(jù)江蘇省能源局發(fā)布的《江蘇省“十四五”可再生能源發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃(征求意見(jiàn)稿)》的規(guī)劃目標(biāo),到2025年,江蘇省風(fēng)電新增約1100萬(wàn)千瓦,其中海上風(fēng)電新增約800萬(wàn)千瓦;光伏發(fā)電新增約900萬(wàn)千瓦;各類生物質(zhì)發(fā)電新增約70萬(wàn)千瓦;抽水蓄能新增約135萬(wàn)千瓦。由于江蘇風(fēng)能具有典型的季風(fēng)特征,需要季節(jié)間的儲(chǔ)能來(lái)調(diào)節(jié)。為此,將風(fēng)能與鹽穴儲(chǔ)能相結(jié)合能較好解決城市能源消耗的問(wèn)題。太陽(yáng)能資源及生物質(zhì)能資源豐富,江蘇省全年輻射量約為4500~5200MJ/m2,大部分地區(qū)的年均日照數(shù)在1400~3000h。江蘇省境內(nèi)平原、湖泊較多,土壤適宜多種農(nóng)作物生長(zhǎng)、生物質(zhì)能資源量豐富。由于江蘇省臨海,具有豐富的水資源,且降雨量相對(duì)豐沛,各地多年平均降水量在800~1100mm。這便為電解水制氫,進(jìn)行過(guò)盈風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源的消納提供了保障。隨著江蘇省可再生能源規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大,為提高可再生能源的利用效率,消納可再生能源的棄電,需要配備大規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng),對(duì)規(guī)模日益增大的可再生能源進(jìn)行調(diào)峰儲(chǔ)能。如前所述,江蘇省在我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中位居前列,且江蘇省在金壇、淮安等地?fù)碛胸S富的地下鹽穴資源,同時(shí)考慮到《江蘇省“十四五”可再生能源發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃(征求意見(jiàn)稿)》中所提出的“因地制宜”的發(fā)展規(guī)劃,江蘇省的可再生能源也具有良好的大規(guī)模發(fā)展前景,可再生能源發(fā)電的資源條件和地下鹽穴儲(chǔ)氫的地質(zhì)條件在江蘇這個(gè)區(qū)位因素上重疊,將可再生能源發(fā)電與地下鹽穴氫儲(chǔ)能結(jié)合是適宜江蘇省低碳發(fā)展的理想途徑之一。至于選取具體合適的地下儲(chǔ)氫場(chǎng)所,還需根據(jù)江蘇當(dāng)?shù)卣?、地理位置、區(qū)域發(fā)展因地制宜。4.2江蘇省鹽穴特點(diǎn)江蘇省擁有豐富的可再生能源資源,成熟的輸氣管路,并且擁有金壇、徐州師寨以及淮安等多處豐富的鹽礦、鹽穴資源,見(jiàn)表3。其中,金壇鹽礦覆蓋面積達(dá)60.5km2。鹽層厚度大、夾層少、品位高,金壇鹽穴深1000m以上,遠(yuǎn)低于地下含水層,降水對(duì)地下儲(chǔ)氫鹽穴的安全影響可忽略不計(jì),是建設(shè)地下鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)的良好場(chǎng)所。研究人員對(duì)金壇鹽穴的蓋層密封性研究,獲得并制備了用于實(shí)驗(yàn)的泥巖蓋層樣品,泥巖巖芯是在深度為760~870m的先導(dǎo)井中獲得的。862~869m之間泥巖蓋層的40個(gè)樣品的突破壓力(BP)值為2.94~66.43MPa,平均值為28.48MPa。根據(jù)鄧氏蓋層標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)BP>24.3MPa時(shí)蓋層為優(yōu)良,30MPa時(shí)蓋層為完美。按此標(biāo)準(zhǔn),該區(qū)泥巖蓋層處于優(yōu)良和完美之間。因此,金壇礦泥巖蓋層具有良好的密封性。金壇鹽礦深部范圍900~1100m,原位垂向應(yīng)力為20.7~25.3MPa。這個(gè)值比閾值壓力大得多。因此,泥巖蓋層致密性好,滲透率低,約10-18

m2。用50個(gè)蓋層樣品測(cè)量孔隙率??紫堵首罡邽?0.4%,最低為1.4%,平均為4.3%。這樣的平均孔隙率也非常低。從微觀結(jié)構(gòu)角度對(duì)泥巖蓋層進(jìn)行了研究,該泥巖蓋層致密,表面是凹陷和波峰。顆粒非常小,呈碎狀或不規(guī)則形狀,顆粒大小為2~6mm,粒子分布非常緊密,粒子之間幾乎沒(méi)有間隙。隨著離鹽巖層距離的增大和深度的增加,顆粒分布更加緊密,指標(biāo)基質(zhì)表現(xiàn)更緊密。這些都表明金壇鹽礦在縱向和橫向均具有穩(wěn)定的區(qū)域構(gòu)造和良好的存儲(chǔ)性。統(tǒng)計(jì)自公元320年以來(lái)金壇及周邊歷史上的地震資料,震級(jí)大于3級(jí)的共26次,最大6級(jí),一般為3~5級(jí)。發(fā)生在金壇地區(qū)的共7次,最大震級(jí)3.5級(jí)。從該地區(qū)相應(yīng)抗震設(shè)防烈度來(lái)看,該地區(qū)相應(yīng)抗震設(shè)防烈度為6度,在工程建設(shè)中按7度考慮設(shè)計(jì)。綜合考慮地區(qū)的地質(zhì)資料和地震歷史,金壇鹽穴在儲(chǔ)氫選址時(shí)具有極大的優(yōu)勢(shì)。表3

江蘇各市用電總量、可再生資源、長(zhǎng)輸管道及鹽礦分布情況4.3鹽穴儲(chǔ)氫技術(shù)路線以氫氣作為儲(chǔ)能介質(zhì),對(duì)于單個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)達(dá)到100GWh的規(guī)模,鹽穴儲(chǔ)氫是唯一具有技術(shù)潛力的方法。鹽穴儲(chǔ)氫具有以下特殊優(yōu)勢(shì):①巖鹽具有致密的基質(zhì)和極低的滲透率(≤10-20

m2),較好的蠕變特性使其能夠自動(dòng)修復(fù)裂隙;②地下鹽礦是非含水層,密封性好,不會(huì)污染地下水,而且鹽穴采用水溶造腔技術(shù),相比其他儲(chǔ)氣庫(kù)造腔成本低;③鹽穴的工程條件比其他水庫(kù)更合適,例如鹽穴的空間通常為10萬(wàn)~50萬(wàn)m3,深度范圍為600~2000m,非常經(jīng)濟(jì),適合儲(chǔ)存加壓氫氣;④總體而言,與枯竭的油氣藏型儲(chǔ)層和含水層相比,利用鹽穴來(lái)儲(chǔ)存氫氣費(fèi)用最低,例如,鹽穴僅需要總氣體量的1/3作為緩沖氣,但枯竭的油氣藏型儲(chǔ)層和含水層需要總氣量的50%~80%作為緩沖氣。而且,地下鹽穴儲(chǔ)氫的能量密度可以達(dá)到約300kWh/m3,幾乎等于鋰離子電池的能量密度。一個(gè)鹽穴可以儲(chǔ)存數(shù)千噸的氫氣,規(guī)模較大。因此,利用鹽穴可以在將來(lái)實(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模長(zhǎng)期儲(chǔ)存。據(jù)江蘇統(tǒng)計(jì)年鑒2021年數(shù)據(jù)顯示,江蘇省全社會(huì)用電總量6373.7億千瓦時(shí),其中,蘇南地區(qū)用電總量達(dá)3705.5億千瓦時(shí)

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