中国盐穴储氢关键技术现状及展望.docx

中国盐穴储氢关键技术现状及展望摘要：随着中国“双碳”目标的推进，传统化石能源正向可再生清洁能源转型。氢能具有来源广、能量密度高、高效清洁等特点，发展氢能已成为未来能源行业的重要趋势。盐穴在气密性方面优势尤为明显，同时，其也可避免与氢气发生反映，因此，也是地卜大规模储氢的首选。为聚焦中国盐穴存储氢能技术研究和未来发展，分析了储氢地质类型及特征，详细阐述了盐穴储氢研究进展和国外运营现状。重点围绕盐穴储氢技术，深入剖析/大尺寸钻完井、盐穴造腔及形态控制、腔体密封评价、井筒完整性检测及评价、管材腐蚀及氢脆控制。总结了近年来各国制定的相关氢能政策和战略目标，结合我国盐穴储氢未来发展的机遇和挑战，对盐穴储氢地质选择和评估、大尺寸井筒完整性、盐穴造腔形态控制和密封检测、氢能和盐业有机协同发展进行了展望，以期形成符合我国国情的盐穴储氢发展道路。全球能源体系正从化石能源向可再生清洁能源过渡的重大转型期，氢能作为一种公认可再生的清洁高效能源，具有调节周期长、储能容量大的优势，将在可再生能源消纳、电网调峰等领域发挥重要作用“气由于氢气具有来源广、能量密度高、可氢-电互换的优势，已被广泛应用于交通、工业、电力、建筑等领域。到2060年，我国氢气的年需求量显著增加，由3342万吨逐渐提升为1.3亿吨，在终端能耗中占比达29%。随着氢气需求量大幅增长和产业化条件口趋成效,使得氢能发展已成为未来能源热潮*?储氢技术作为氢气“制”和“用”环节之间的重要桥梁，是推动氢能产业发展的关键技术匕其重要性不容忽视。现阶段，氢气储存的状态具有多样性，常见的形式有四种，分别为高压气态储氢、低温液态储氢、固态储氢及有机物液体储氢工受制于地面空间有限和成本高，地面氨气储存规模普遍不大。基于长期发展的视角，氢能若要充分体现其对实现碳达峰、碳中和的作用，则应采取有效措施完成大规模储存任务。地下储氢在储量和综合成本方面均具有显著优势，所以也剖手业界的关注。根据储氢地质结构不同，地下储存由人工地下空间储氢和天然多孔岩石储氢构成，前者主要指盐穴、废弃的矿井，后者主要指枯竭油气藏、含水层。现已证明盐穴地下储氢在美国和英国等国家具有可行性HU(U'g”,枯竭油气藏、含水层和废弃地下矿坑/矿井中地下储氢的可行性问题依然有待研究。相较于地面储存，地下盐穴储量更大，且在密封性和综合成本上也颇具优势。此外，其也能够减少土地资源占用与消耗，改善土地使用的现状，在大规模储氢中发挥了尤为重要的作用。盐穴储氢是基于盐穴在密封性上的独特优势，将其存在地下盐腔，地下存储的时间可达若干月或若干年，如若可再生资源与生产需求存在较大的矛盾，在地下储库中提取氢能，将其用于电网对于提升电网稳定性，控制电价变动均有重要的作用就全世界现有工程而言，目前储存氢气的盐穴储库有两种方式:(1)纯的H二的储存，氢气纯度很高(>99%),这种对地层的物性要不JeN1.iIM1.1.H1.n复；«*r.M4f1.KM.也的今r三ju件，B=JtWTrwwwM1.Sfi.tttM*KBMM1.;n客的彩力ae，要化.M.左,XF三WR火，MU.ttM;MV1.tttX.”*!；MV4Cf1.1IUM*B.tR天煞，*，工，/三vHra.<mt8；>Bh.KVVK911r更；力6"t；aXM*.RANHIMannMa.眇f:UX21».SMWX.AXMMJFHW<,不二艮，.iMKrn.M4V<.小.MWIIIf.M97isvnw.M<BI1.1.a4率=含伏«万.Mrna7tttu*ttM1.«fnew.*a依X；VHffWiT.a三an.*电力s*;MQ85t<H»>.a«M.tMuxm*星,MMn<m<W8tMttM叁、壮司”表1不同地质类型储氢库对比21Tab1.e1Comparisonofhydrogenstoragereservoirsofdifferentgeo1.ogica1.types图2盐穴地下储氢示意图Eig.2Theconceptofundergroundhydrogenstorageingeo1.ogica1.structures从理论分析，地下存储氢气的方式与天然气储存原理相似改向。不同类型地质储库优缺点对比如表1所示。枯竭油气藏和含水层能提供较大的储氢容量，但存在局限性，氢气既可能会通过岩石孔隙和断层通道发生泄漏、同时也可能发生化学反应而污染氢气。硬岩洞室建库适应性强，但是在高频率加卸载的工作模式下，国岩往往会发生拉伸破坏。特别是在浅埋条件下，岩石疲劳而产生的局部拉应力塑性区、拉伸裂健，甚至引起拉应力破坏，不仅影响碉室的稳定性，而且还会在很大程度上影响胴室的气密性。将废弃矿井中已有的巷道和碉室改造成储能库，既节约土地资源，还节省大量的前期建设投资，但安全性问题需要特别关注，以防止泄漏和崩塌。相较其他地质储库，盐穴不仅渗透性低、端变性好、损伤恢任性好、易开挖以及溶解水，并且岩盐对氢的反应是惰性的，盐穴储氢库在一年内可完成多个注入和采出周期，因此可以在调峰和小时时间长度的储能需求中发挥关键作用，使得盐穴成为地下大规模储氢的最佳选择IM当瓯27.加1.2盐穴特征盐穴是在地下盐岩层中通过溶解盐并将其采出而形成的空腔或洞穴，其盐岩是山石盐组成矿物集合体的一种地质材料，通常盐岩很难渗透气体，但是盐岩结晶边界形成的网状结构容易受到应力作用而导致孔隙结构破坏及裂缝生成与成长，这在一定程度上导致盐岩渗透率数量级提高“小型如。通常盐穴来源于新造盐穴或废弃盐腔改造,两者相比而言，在满足密封性前提下，废弃盐腔改造更具经济性。在欧美地区，建库的地层一般为盐丘或厚盐层，这些地层构造完整、厚度大、夹层少、物性好，并且水溶造腔的技术及行业标准较成熟。大型盐丘厚度可达50Om以上，可以在没有人工稳定措施的情况下建造直径达100m,高度为数百米的洞穴，盐腔库容可达100万方，海相沉积形成的巨厚盐丘见图3。图3海相沉积形成的巨厚盐丘Fig.3Overviewofforeignsa1.tdomeformedbymarinesediment我国盐矿资源丰富，盐矿区有近200处，主要分布在青海、江西、江苏、山东、云南、河南、湖南等地川。盐矿资源呈现出东部为海盐，西部为湖盐，中部为井矿盐的基本规律。由于盐岩层地质条件以陆相层状盐岩为主，并且一般为薄互层层状构造、夹层多、盐岩品位低、不溶物含量高，使得腔体建腔的速度比较慢、腔体几何形态控制比较井下管柱是储氢库井内的主要流体通道，对保障储氢库平稳注采、防止氢气漏失至关重要。在盐穴储氢库建设与运营过程中，井下管柱与高压氢气长期直接接触，并承受着频繁注采带来的交变应力，极易发生腐蚀失效EHtI同时，在盐坑的底部积聚了大量难以清除的无法溶解的沉淀物。这些沉渣会被盐水填充孔隙，导致储存的氢气始终处于湿润的状态，造成氢气对材料的腐蚀增强。根据实验室实测数据，卤水中存在一定量的硫酸钙，S(V会和溶解在卤水中的氢气发生化学反应，产生H2S,进而影响氢气的采出纯度，如图9所示，卤水实测化学组成如表6。2-2+2e-42（闻+SO厂+2H+H2S+4H2O图9卤水中氢气与SO42化学反应示意图Fig.9Chemica1.reactionbetweenhydrogenandSO42inbrine201MMGMfHH<<010K210:MIS<>>CO>4rU1.MSww(»)CwoEMmX9HMIMMW*c】m*M4AW*r<Wc«so.45-10*IMGwMWo)OHr三o,MMCO1<r>o1.IM11出9XM*my*M5»CIS33*(I715Kitt>e4Mf>1C2M1.atf>i*C)etOMwV1.tmXMar”M1»s»*<)sueiKsnw*M>wCe3MW,Z20X9aC2mM,表6卤水实测化学组成TabIe6Mpositionofbrine储氢库在服役时，井下管柱面临的主要腐蚀失效形式及防护方法如图10所示，主要包括:（I）点蚀g。与其他盐穴储气库相似，盐穴储氢库井底常存在富含氯化钠、氯化钙以及氯化镁的残留卤水。井底管柱在高浓度CI1.环境中长期暴露时，极易诱发电化学腐蚀，造成点蚀穿孔。而且，由于井下地层高温，卤水还可能以蒸汽形式随氢气进入井身中部或顶部,并遇冷凝结、吸附和析晶，从而大面积吸附在管柱内壁引发严市点蚀。（2）微生物腐蚀附。微生物腐蚀是由井底微生物引发的腐蚀失效形式，广泛存在于油气井内。常见的微生物包括硫酸盐还原菌（SRB）.产甲烷菌等。当储氢库内含有硫酸盐或有机物质时，SRB可以消耗氢气并产生硫化氢，通过阴极去极化等机理腐蚀套管。而产甲烷菌尽管不会宜接导致金属腐蚀，但被发现可促进SRB腐蚀。这些微生物引发的腐蚀为局部腐蚀，这主要与大多数生物不会形成连续的腐蚀膜行关。（3）氢脆断裂阳。与天然气储气库显著不同的是，储氢库内部为高压氢气，氢分子极易在管柱表面吸附、裂解成氨原子并向内部缺陷处扩散。当局部富集氢浓度超过临界值时，便可能引发氢脆断裂。储氢库管柱氢脆形式不仅包括氢致塑性损失，还包括氢致滞后开裂、氢致不可逆损伤（如氢鼓泡）等。研究显示划，油井管氢脆由材料、环境、外力三方面因素共同主导，其涉及的机制包括氢压、氢致界面解离、氢促进局部般性变形等。鉴于储氢库井下环境的高压力、多介质、强腐蚀、周期变化特征，地下储氢井筒选材既需考虑点蚀、微生物腐蚀，也需尽可能降低氢脆风险，要求更为苛刻。目前，针对点蚀和微生物腐蚀，常采用添加缓蚀剂、表面涂层等方法对管柱进行防护。而针对氢脆问题，由于强度和氢脆抗力的倒置关系，一般选用低氢脆敏感性的低钢级油井管钢来制备管柱。然而，目前，国内外储氢库建库经验较少，可供参考的井筒选材数据和防腐技术仍十分有限。未来亟需建立井筒材料特性、服役环境、耐蚀性能的内在关联，研发管材的腐蚀及氨脆一体化控制技术，突破储氢库管材防腐难题。图10储氢库管材腐蚀失效示意图Fig.10Schematicdiagramofcorrosionfai1.ureforundergroundhydrogenstoragepipes三、中国地下盐穴储氢前景氢能的发展不仅可以有效解决可再生能源消纳的问题，对“双碳”减排目标的实现具有巨大的辅助作用，未来发展潜力巨大江.。地下储氢是推动氢能从“制氢”到“用氢”发展的关键环节，受到各国极大关注。3.1 国际盐穴储氢蓬勃发展着眼全球，能源正由传统化石能源向绿色清洁、低碳发展转型升级，而氢能是未来能源的主要发展方向，正得到全球各国广泛共识。美国、日本、韩国、德国、荷兰等国均提出了氢能国家战略，同时也十分重视产品研发和产业建设与发展。2020年，美国能源部发布氢能计划发展规划，明确提出了开发大规模储氢设施.。同年