氫氣地儲(chǔ)成西方國家儲(chǔ)能研究熱點(diǎn)

將可再生能源發(fā)電豐沛期的電量用于電解水制氫并存儲(chǔ)被認(rèn)為是應(yīng)對可再生能源發(fā)電不穩(wěn)定缺憾的重要解決方案之一。氫氣的比能在所有的燃料中最高，但其能量密度較低，存儲(chǔ)一直是世界性難題，大量存儲(chǔ)則更加困難。隨著氫氣存貯技術(shù)的不斷進(jìn)步，地下存儲(chǔ)或地質(zhì)存儲(chǔ)被視為大規(guī)模儲(chǔ)氫技術(shù)最具可行性的發(fā)展方向。

1） 氫氣存儲(chǔ)方式

氫氣的存儲(chǔ)通常有兩種方式：一種是純氫存儲(chǔ)；一種是載體（materials-based） 存儲(chǔ)。前者面臨的最大難題之一是氫脆，即當(dāng)鋼等金屬材料，特別是高強(qiáng)度鋼暴露在氫氣中且壓力較大時(shí)極易發(fā)生失效和脆裂。也正是出于這個(gè)原因，氫氣地儲(chǔ)的理想儲(chǔ)層壓力不能高于1 200 psi （8.3 MPa）。金屬的氫脆性還受溫度的影響，當(dāng)高于150 ℃時(shí)，大多數(shù)金屬對氫脆腐蝕毫無抵御能力。這些都為氫氣的地儲(chǔ)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。但隨著材料學(xué)日新月異的發(fā)展，氫脆問題近年來得到一定程度的改善。載體儲(chǔ)氫是指以氫化物、氫吸咐等方式儲(chǔ)存氫氣，主要分為金屬氫化物儲(chǔ)氫、吸咐劑儲(chǔ)氫和化學(xué)劑儲(chǔ)氫，這類儲(chǔ)氫的物質(zhì)或材料又稱氫氣載體（hydrogene carrier）。理想的載體應(yīng)具有在相對低壓和近常溫環(huán)境下含氫量大的特性。相對而言，更具應(yīng)用前景的為化學(xué)劑載體，有機(jī)的如液態(tài)烴，無機(jī)的如氨或氨硼烷等。液態(tài)烴攜氫存儲(chǔ)的最大優(yōu)勢在于可以利用現(xiàn)有的油氣基礎(chǔ)設(shè)施。

2） 英、美領(lǐng)先氫氣地儲(chǔ)

美國早在20 世紀(jì)70 年代就已開始研究將氫氣存儲(chǔ)于地下的可能性。1979 年，由美國政府資助的一個(gè)氫氣地儲(chǔ)研究項(xiàng)目探索了將氫氣存儲(chǔ)于枯竭油氣田、水層、鹽穴和人造巖穴的可行性，并預(yù)測了儲(chǔ)氫服務(wù)成本。結(jié)果表明，氫氣存儲(chǔ)的服務(wù)成本是天然氣存儲(chǔ)成本的26 % ～ 150 %不等。

近期，美國阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室開展了一項(xiàng)廣泛的技術(shù)調(diào)研，并確定了3 種具可行性的純氫地儲(chǔ)方式：鹽穴、有襯砌硬巖洞（lined hard rock caverns） 和地下管道。對于20 t 以下的氫氣，最經(jīng)濟(jì)的存儲(chǔ)方式是地下管道［運(yùn)營壓力<1 450 psi （10.0 MPa）］；大于這一規(guī)模的氫氣地儲(chǔ)，就必須選用前兩種地儲(chǔ)方式，其中鹽穴的經(jīng)濟(jì)性高于有襯砌硬巖洞。鹽穴儲(chǔ)氫的優(yōu)勢在于成本低，密封性好，所需的墊底氣量少，鹽壁有自行修復(fù)裂痕的特性。

美國和英國都開展了相關(guān)項(xiàng)目。英國的項(xiàng)目主要位于英格蘭東北部的提賽德（被稱為英國的“氫谷”），鹽穴埋深介于350 ～ 450 m，儲(chǔ)氫能力為21×104 m3，如以儲(chǔ)電量計(jì)算則為25 GWh。此地開展的是英國規(guī)模最大的綠氫項(xiàng)目，BP 亦參與其中。美國在得州也有Clemens Dome，Spindletop 和Moss Bluf 等3個(gè)鹽穴項(xiàng)目用于純氫地儲(chǔ)，埋深約800 m（鹽穴頂部至地面），其中Clements Dome 和Moss Bluf 兩個(gè)項(xiàng)目的儲(chǔ)氫能力為58×104 m3，這3 個(gè)項(xiàng)目的儲(chǔ)氫能力以儲(chǔ)電量計(jì)算為90 ～ 120 GWh。

氫氣地儲(chǔ)面臨的最大挑戰(zhàn)在于地質(zhì)方面，包括對地質(zhì)構(gòu)造的選擇。目前這方面暫無厚度和深度標(biāo)準(zhǔn)，但有相關(guān)研究推薦埋深為1 400 m的地下鹽穴。此外，地下儲(chǔ)氫的地質(zhì)建模也是研究難點(diǎn)之一，鹽穴的布局（合適的大小、間距）、鹽穴頂?shù)椎穆裆?、頂?shù)椎貙拥淖钚『穸纫约熬彌_層設(shè)計(jì)等都是建模需要研究的內(nèi)容。

（供稿 盧雪梅）