方琰藜，侯正猛,，岳 也，任 利，陳前均，劉建鋒*

(1.德國克勞斯塔爾工業(yè)大學 地下能源系統(tǒng)研究所，克勞斯塔爾-采勒菲爾德 38678 ；2.四川大學 中德能源研究中心，四川 成都 610065)

全球正經(jīng)歷從化石能源向非化石能源過渡的第三次能源體系重大轉(zhuǎn)換期[1]。作為落實《巴黎協(xié)定》的堅定踐行者，中國長期以來致力于能源轉(zhuǎn)型和CO2減排，并于2020年鄭重提出了“碳達峰2030”和“碳中和2060”的“雙碳”目標[2]。在“雙碳”目標的引領(lǐng)下，將全面向低碳化經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，并迎來新一輪的能源革命。

隨著風電、光電等不穩(wěn)定可再生能源的大力發(fā)展，不可避免存在電力過剩、難以消納等問題，為電網(wǎng)電力平衡帶來挑戰(zhàn)[3]?？稍偕茉吹母咝мD(zhuǎn)化和大規(guī)模儲能技術(shù)，可為解決風光消納、削峰填谷、電力平衡等問題提供有效途徑。而在清潔的二次能源中，氫能是公認的21世紀最具發(fā)展前景的二次能源[4]。氫能不僅具有氫-電互換特性，還可廣泛應用于交通、工業(yè)、電力、建筑等領(lǐng)域，是可再生能源轉(zhuǎn)換的理想二次清潔能源。

氫元素在自然界中廣泛存在，直接通過可再生能源電解水制得的氫氣為“綠氫”。綠氫的儲存方式主要有4種：地上高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫以及地下鹽穴儲氫。鹽穴儲氫，即利用鹽穴的高密封性將氫能大規(guī)模儲存于地下鹽穴之中，可用作短期儲存或季節(jié)性儲存。相比較于地面儲存，地下鹽穴儲存具有儲量大、儲氣成本低、密封性好等優(yōu)點，可達吉瓦級儲量，同時還可節(jié)省優(yōu)化地面土地資源，是大規(guī)模儲氫的理想場所。儲氫技術(shù)是推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

為解決氫能大規(guī)模儲存的難題，基于氫能的多元用途，作者提出了包含鹽穴儲氫庫的3種發(fā)展情景下的氫能“制-儲-用”一體化方案。從鹽穴儲氫庫全生命周期的角度，分析了鹽穴儲氫庫在3種發(fā)展情景下的作用，并提出了多功能儲氫庫的概念。以昆明市安寧鹽礦及云南省為例，結(jié)合云南省水電為主的電力結(jié)構(gòu)，分析了多功能鹽穴儲氫庫在情景1和情景2中的建設(shè)需求和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 氫能的發(fā)展與應用

目前，全球制氫來源主要為化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)物制氫，由電解水制得的綠氫僅占制氫來源的4%[4]，未來發(fā)展?jié)摿薮?。發(fā)展綠氫不僅是解決可再生能源消納的有效手段，更是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途經(jīng)。

1.1 氫能的發(fā)展趨勢

2019年以來，日本、韓國、德國、美國、荷蘭等國陸續(xù)頒布了氫能國家戰(zhàn)略。以德國、荷蘭為代表的歐盟國家更是明確指出綠氫是未來的氫能發(fā)展重點。2020年7月，為實現(xiàn)歐盟碳中和2050的目標，歐盟發(fā)布了《歐盟氫能戰(zhàn)略》，分3個階段部署氫能[5]：一是，2020—2024年為階段1，安裝至少6 GW的可再生綠氫電解槽，生產(chǎn)1×106t的綠氫。主要為加氫站供應原料、煉鋼煉鐵示范性研究及摻入天然氣管網(wǎng)脫碳。二是，2025—2030年為階段2，安裝至少40 GW可再生綠氫電解槽，生產(chǎn)1.000×107t的綠氫。在該階段，綠氫在成本上將具有競爭力，既可靈活平衡電力系統(tǒng)，也可用于日?；蚣竟?jié)性儲能。三是，2030—2050年為階段3，綠氫將大規(guī)模應用于所有難以脫碳的領(lǐng)域。歐盟的3階段氫能布局充分反映當前氫能產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展趨勢和特點，即動態(tài)、多階段、多元。因此，作為氫能發(fā)展產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，氫能的儲存也應當具有靈活性和多元性，以適應氫能產(chǎn)業(yè)一體化的動態(tài)發(fā)展。

中國雖尚未頒布明確的國家氫能戰(zhàn)略，但自2020年以來已頒布一系列政策支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展[6-9]。尤其在國務院發(fā)布的《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書中指出，應加速發(fā)展綠氫制取、儲運和應用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)裝備，促進氫能燃料電池技術(shù)鏈、氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展[10]。從已發(fā)布的種種政策可以看出，中國正積極引導發(fā)展綠氫制取、儲運和應用技術(shù)。除了國家層面的氫能引導政策以外，各省市也積極出臺了相應的地方氫能產(chǎn)業(yè)布局規(guī)劃，推動“雙碳”目標的實現(xiàn)。

1.2 氫能的多元化應用

氫能及其合成燃料在終端利用上具有多元化的特點，可充分應用于工業(yè)、交通、電力、建筑等領(lǐng)域的深層次脫碳。

例如，在工業(yè)領(lǐng)域，氫能可作為還原劑代替焦炭煉鋼煉鐵。歐洲已開展將高純綠氫，用于直接還原工藝的鋼鐵生產(chǎn)示范性研究，如瑞典的HYBRIT項目和德國的SALCOS項目。根據(jù)HYBRIT示范性階段研究結(jié)果，采用高純綠氫直接還原工藝，噸鋼CO2排放量僅為25 kg。預計2036年HYBRIT將建成第一座商業(yè)化工廠。

在交通應用方面，氫能主要用于為氫燃料電池汽車提供原料。截至2020年11月底，全球共建加氫站458座，在建255座，其中，中國已建加氫站88座，燃料電池汽車保有量6 700輛。全球第一輛氫燃料列車已于2018年在德國下薩克森州成功運行。

在電力脫碳領(lǐng)域，純氫既可作為燃氣輪機的燃料，也可采用氫燃料電池發(fā)電。西門子計劃在2030年研制出純氫燃氣輪機用于歐洲power-X-power項目。

在建筑領(lǐng)域，所消耗的能源占全球終端能源消耗的30%。氫能可以通過以下4種方式實現(xiàn)建筑能源消耗的低碳化：在現(xiàn)有的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備中摻氫、在天然氣管網(wǎng)和設(shè)備中摻入由氫合成的甲烷、使用純氫、聯(lián)合使用氫燃料電池和熱電聯(lián)產(chǎn)。

綜上所述，氫能及其合成甲烷可多元應用于各領(lǐng)域的脫碳如圖1所示。并且，合成甲烷可以完全利用現(xiàn)有的天然氣設(shè)施無需進行改造。氫能的快速和多元發(fā)展迫切需要加快對大規(guī)模儲氫技術(shù)的研究，相較于地上儲氫，地下鹽穴大規(guī)模儲氫具有儲量大（儲能可達數(shù)百兆瓦甚至吉瓦）、可適應短期或長期儲能、節(jié)省土地資源等優(yōu)點[11-13]。

圖1 氫能及其合成甲烷多元化應用路線圖Fig.1 Roadmap of hydrogen energy and synthetic methane diversified application

2 鹽穴儲氫技術(shù)

2.1 鹽巖及地下能源儲存

目前，世界上有4種能源儲庫，分別為枯竭油氣藏儲庫、含水層儲庫、鹽穴儲庫以及廢棄礦坑儲庫[14]。鹽巖因其極低的滲透特性、良好的蠕變性能、損傷恢復特性以及溶解于水易開挖的特點，是國際上公認的能源儲存理想介質(zhì)[15]。鹽穴儲庫即在鹽巖中建造人工洞穴儲存能源[16]（如天然氣、氫氣、壓縮空氣及石油），如圖2所示。鹽穴的形成既可以是對鹽礦廢棄鹽腔的改造，也可以是在鹽層中建造新的洞穴，前者更具經(jīng)濟性。1916年，德國人首先提出在鹽巖中建設(shè)儲能庫的專利。1959年，蘇聯(lián)建成了世界上第一座鹽穴天然氣儲氣庫（以下簡稱鹽穴儲氣庫）。根據(jù)國際氣體聯(lián)盟（IGU）地下儲氣庫專項統(tǒng)計[17]，目前世界上運營中的鹽穴儲氣庫達106座，工作氣量為3.58×1010m3，僅占4種儲氣庫總工作氣量的8.6%。鹽穴儲氣庫的建設(shè)和發(fā)展還有很大的上升空間。

圖2 鹽穴溶解建造示意圖Fig.2 Schematic diagram of salt cavern construction

中國鹽礦資源豐富，云南安寧、江蘇金壇、河南平頂山、陜西榆林等地均有高品位的大型鹽礦。目前，中國已知各鹽礦腔體資源合計約為1.3×108m3，而已改造為鹽穴儲氣庫的腔體僅占總腔體資源的0.2%[3]，大量的廢棄鹽腔可用于建造鹽穴儲氫庫。中國已有成功運營鹽穴儲氣庫的經(jīng)驗，這也為建造鹽穴儲氫庫提供了有利的先決條件。如表1所示，中國有3座正在運行和若干座正在建設(shè)中的鹽穴儲氣庫，以及1座正在建設(shè)中的壓縮空氣儲能庫，但尚未開展關(guān)于鹽穴儲氫庫的建設(shè)。

表1 中國正在運營和建造中的鹽穴儲氣庫Tab.1 Salt cavern gas storage in operation and under construction in China

2.2 鹽穴儲氫庫

從理論上講，氫氣的地下存儲方式與天然氣存儲方式相似，可儲存于枯竭油氣藏、含水層及鹽穴3種儲庫中。由于氫氣是世界上最輕的氣體，具有易于擴散的特性，因此氫氣的地下儲存對密閉性有著極為嚴格的要求。鹽穴不僅有良好的氣密性，并且鹽具有不與氫氣反應的特點，使得鹽穴是地下大規(guī)模儲氫的最佳選擇。若采用枯竭油氣藏或含水層儲氫，氫氣可能會與儲層中的古微生物或礦物成分發(fā)生反應，不僅會消耗掉部分儲存的氫氣，且產(chǎn)生的反應物也存在堵塞儲層孔隙的可能，不利于氫氣的長期儲存[18]。同時，鹽穴儲氫還具有成本優(yōu)勢。當3種儲庫均以最高循環(huán)速率運營時，鹽穴儲氫的均化儲存成本（LCOS）最低[19]。目前，全世界有4座正在運營中的鹽穴儲氫庫（群），如表2所示。最早的英國鹽穴儲氫庫（群）已安全運營近50年。

表2 世界上正在運營中的鹽穴儲氫庫Tab.2 Salt cavern hydrogen storage in operation over world

除正在運營中的4座儲氫庫外，歐美各國及中國也正在積極開展關(guān)于建造儲氫庫的前期調(diào)研。Donadei等[20]對德國北部盆地269個鹽層進行了鹽穴儲氫潛能的評估，總儲氫潛能高達1 600 TW·h。Lemieux等[21]對加拿大Ontraio省4個潛在的鹽穴儲氫庫址進行了初步評估，并建議儲氫庫的建設(shè)宜傾向于對現(xiàn)有設(shè)施的利用，如將正在運行的鹽穴儲氣庫轉(zhuǎn)化為儲氫庫，或?qū)Ⅺ}礦老腔改造為儲氫庫。Tarkowski等[22]對波蘭低地27個鹽丘進行了初步評估，并篩選出了7個潛在的儲氫庫址。Iordache等[23]依托HyUnder項目篩選出了4個潛在的羅馬尼亞儲氫庫（群）庫址，以供應庫址所在地100～200 km范圍內(nèi)的氫燃料電池汽車。le Duigou等[24]分析了法國6個潛在的儲氫庫址，并對儲氫庫的運營進行了商業(yè)性模擬，結(jié)果表明，大規(guī)模地下鹽穴儲氫的儲存成本總是低于總成本的5%。美國的ACES項目調(diào)研在猶他州鹽湖城建造鹽穴儲氫庫（群）用于氫能發(fā)電的潛力[25]。Liu等[26]從穩(wěn)定性、適用性和密封性的角度，分析了利用江蘇金壇現(xiàn)存鹽腔儲氫，實現(xiàn)風能削峰儲能36.9 TW·h的可行性。

以往研究多集中于對不同用途儲氫庫的儲氫潛力分析，研究分散、尚未形成體系。而事實上，儲氫庫的研究應不局限于儲氫庫本身，儲氫庫在運行過程中不可避免會受到上游制氫及下游氫能應用所帶來的影響，如氫能發(fā)電為季節(jié)性儲存，加氫站加氫為短期儲存；不同的應用領(lǐng)域?qū)煌膬淠Ｊ健Ｒ虼?，考慮到上游儲氫和下游用氫對儲氫庫運營方案的影響，有必要將儲氫庫的單一研究擴大為包含儲氫庫在內(nèi)的“制-儲-用”氫能一體化方案研究。

3 3種發(fā)展情景下的“制-儲-用”一體化方案及多功能鹽穴儲氫庫

氫能及氫能所合成的人工甲烷將在中國實現(xiàn)“雙碳”目標的過程中發(fā)揮重要作用。氫能尤其是綠氫，作為一種清潔的二次能源，從其生產(chǎn)到應用的過程，為“電-氫-X”轉(zhuǎn)換過程，分別對應“制”“儲”“用”3個環(huán)節(jié)。其中，X代表氫能在不同發(fā)展階段的多元應用，且不同的應用領(lǐng)域其儲存模式亦有所不同。因此，對鹽穴儲氫庫的研究不可剝離氫能的“制”與“用”，應將儲氫庫的單一研究擴大為氫能的“制-儲-用”一體化研究。為此，作者提出了3種發(fā)展情景下的氫能“制-儲-用”一體化建設(shè)方案如圖3所示。并從鹽穴儲氫庫全生命周期的角度，分析了鹽穴儲氫庫在3種發(fā)展情景下的作用，提出了多功能儲氫庫的概念。在其全生命周期中，多功能鹽穴儲氫庫將起到廢電利用、電力平衡、氫能安全高效儲存、CO2減排等多項作用。

圖3 3種情景下的氫能產(chǎn)業(yè)“制-儲-用”一體化示意圖Fig.3 Schematic diagram of the integration of hydrogen energy industry in “production-storageutilization” under three scenarios

3.1 3種發(fā)展情景下的氫能“制-儲-用”一體化方案

3種發(fā)展情景下的氫能“制-儲-用”一體化方案對應著中國氫能發(fā)展的中、長、遠期。目前，中國處在氫能利用初級階段，氫能主要用于交通領(lǐng)域的脫碳，以及氫能煉鋼煉鐵項目[27]。在未來中遠期發(fā)展階段，為實現(xiàn) “雙碳”目標，氫能及其合成甲烷也將廣泛應用于電力、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域的深層次脫碳。

在3種“制-儲-用”一體化發(fā)展情景中，電解水制綠氫的電力來源應是清潔的電力，可以是廢棄的水、光、風電，也可以是用電低谷時期的可再生電力。具體應采用何種電力制得綠氫，應由當?shù)仉娏Y(jié)構(gòu)及電力基礎(chǔ)設(shè)施而定。

3.1.1 情景1

情景1對應中國當前的氫能發(fā)展階段。鹽穴中所儲綠氫主要為燃料電池汽車提供燃料或作為煉鋼煉鐵業(yè)的還原劑，應用于交通領(lǐng)域、工業(yè)的深層次脫碳。

當所儲綠氫用于為燃料電池汽車供氫時，其鹽穴容積（儲氫能力）應能滿足儲氫庫所在地區(qū)100～200 km范圍內(nèi)的燃料電池汽車加氫需求[23]。

當所儲綠氫作為直接還原劑煉鋼煉鐵時，其還原產(chǎn)物為水，可大大降低煉制過程中的CO2排放。目前，中國傳統(tǒng)鋼鐵行業(yè)噸鋼/鐵，CO2排放約為1.76 t，若采用100%綠氫直接還原技術(shù)，噸鋼CO2排放量僅為25 kg。

3.1.2 情景2

情景2為氫能中期發(fā)展階段。采用雙鹽穴混合儲存，即一鹽穴儲氫，另一鹽穴儲存CO2和O2的混合氣體。該情景主要有兩大用途：一是，氫氣或甲烷富氧燃燒發(fā)電；二是，為地面合成甲烷提供原料。此處，O2為電解水制氫所得?；旌蟽Υ娴膬?yōu)點在于：一方面，O2可為甲烷或氫氣的富氧燃燒發(fā)電提供足額的氧氣；另一方面，通過富氧燃燒技術(shù)，實現(xiàn)對CO2的捕集封存與利用（CCUS），且被捕集的CO2注入同一個儲存O2的鹽穴中，再用于地面合成甲烷，由此，形成一個低碳排放的閉合利用循環(huán)。

富氧燃燒CO2捕集技術(shù)，即用較高比例的O2代替空氣進行助燃，以達到高效捕集CO2的目的[28]。目前，富氧燃燒發(fā)電結(jié)合CCUS技術(shù)多應用于煤電廠，捕集效率已可達98%。雖然尚未商業(yè)化應用于天然氣發(fā)電，但已有5個正在運營中的天然氣發(fā)電示范性項目。根據(jù)示范性研究，甲烷富氧燃燒的效率可達88%[29-30]。情景2的閉合利用循環(huán)反應過程如下：

電解過程：

CO2捕集過程：

甲烷化過程：

由于CO2和O2分別作用于不同的過程，因此可以將CO2和O2進行混合儲存，以減少所需建造鹽穴數(shù)量。在CO2捕集過程中，抽出O2，注入CO2；在甲烷化過程中，抽出CO2，注入O2。雙鹽穴的容積應根據(jù)當?shù)氐木G氫及合成甲烷的發(fā)電、供熱需求及當?shù)乇Ｕ想娏ζ胶?、削峰儲能的需求而定?/p>

3.1.3 情景3

情景3為氫能可大規(guī)模甲烷化的應用情景。在該情景中，電解水所制綠氫首先在地面被合成為甲烷，而后將合成甲烷儲存于鹽穴中。所儲合成甲烷主要應用于除富氧燃燒發(fā)電外的所有脫碳領(lǐng)域。

龐大的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)是能源廣泛應用的基礎(chǔ)。相較于人工合成甲烷，氫能的大規(guī)模使用，需要對輸送網(wǎng)絡(luò)和燃氣終端應用進行改造。德國通過對燃氣管道、燃氣輪機、壓縮機和燃氣灶的耐氫性分析，將目前燃氣管網(wǎng)中不含壓縮天然氣（CNG）加氣站的摻氫最高比例定為10%，若管網(wǎng)與CNG加氣站相連則摻氫上限僅為2%[31]。嚴松榮等[32]基于12T基準天然氣熱值測試實驗，建議燃氣灶中所燃燒混合物摻氫比例不宜高于20%。耐氫性的提高都可能要求進行昂貴的改造，或建造專用的氫氣基礎(chǔ)設(shè)施，而合成甲烷可以完全摻入現(xiàn)有天然氣設(shè)施且無需改造。中國目前已建天然氣管網(wǎng)7.6×104km，2025年規(guī)劃建成天然氣管網(wǎng)1.63×105km，而已建輸氫管道僅100 km。大規(guī)模合成甲烷的制造與儲存還可解決中國天然氣對外依存度高的問題，保障國家能源安全。合成甲烷鹽穴的容積應根據(jù)當?shù)丶班徑貐^(qū)的深層次脫碳需求而定。

3.2 多功能鹽穴儲氫庫

3種發(fā)展情景下的氫能“制-儲-用”一體化建設(shè)方案對應中國中長遠期的氫能發(fā)展階段。在不同的3種發(fā)展情景中，鹽穴儲氫庫分別發(fā)揮著不同的作用。

1）情景1中，鹽穴儲氫庫所儲綠氫主要用于燃料電池汽車或煉鋼煉鐵，為短時儲存（注采頻率為時或日）；

2）情景2中，鹽穴一方面儲存電解水所制綠氫，一方面儲存CO2/O2的混合氣體，用于氫氣或甲烷富氧燃燒發(fā)電，同時為地面合成甲烷提供原料，屬于季節(jié)性儲存；

3）情景3中，綠氫先在地面甲烷化，而后儲進鹽穴中，鹽穴所儲介質(zhì)即為合成甲烷，對于合成甲烷的儲存，鹽穴的設(shè)計和運營應符合中國目前鹽穴天然氣儲氣庫的相關(guān)準則和規(guī)范。

無論是短期儲存還是季節(jié)性儲存的鹽穴儲氫庫，其在運營過程中都應符合鹽巖能源儲庫的穩(wěn)定性、密閉性和可用性準則[33-34]。

3.2.2 全生命周期角度的多功能鹽穴儲氫庫

在3種發(fā)展情景下的氫能“制-儲-用”一體化建設(shè)方案中，氫能均是指未來發(fā)展?jié)摿薮蟮木G氫。當電解提供電力是棄電時，鹽穴將起到廢電利用的作用；當電解提供電力是不穩(wěn)定的可再生電力時，此時鹽穴起到電力平衡的作用?？紤]到不穩(wěn)定可再生電力供電的隨機性和波動性，在地面配套設(shè)施中，壓縮機前應設(shè)置進氣緩沖罐，保障壓縮機等設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)新媒體的使用在農(nóng)民工群體中存在著差別。對于新生代農(nóng)民工來說，由于其正好處在移動互聯(lián)網(wǎng)時代的轉(zhuǎn)型期，使得他們表現(xiàn)出對新媒體更高的熱情，在此基礎(chǔ)上不僅使得自身的交友范圍不斷擴大，同時也提升了自己社交圈的異質(zhì)性水平，間接擴大了其信息獲取渠道，提升了工作匹配程度。特別對于女性農(nóng)民工來說，社會資本已經(jīng)成為了不平等再生產(chǎn)和擴大化的再生產(chǎn)機制(程誠等，2015)。而新媒體產(chǎn)生的效用在一定程度上改善了這一現(xiàn)狀，給予了一個有助于其公平積累社會資本的網(wǎng)絡(luò)途徑。由此本文提出第三個研究假說：

鹽穴儲能庫的運營周期通常為30年，在服役期結(jié)束后，鹽穴還存在回填和維護管理的問題?！半p碳”目標的實現(xiàn)離不開CCUS技術(shù)的支持，為此，可在3種情景的鹽穴儲庫運營期后，將鹽穴儲庫轉(zhuǎn)為CO2封存庫，在鹽穴中注入減排所需的CO2并進行永久封存。永久封存CO2一方面可為維持廢棄鹽穴的穩(wěn)定提供一定的壓力，避免鹽穴的坍塌；另一方面，起到了CO2減排的作用。由此，多功能鹽穴儲氫庫將根據(jù)不同的應用情景，在整個生命周期中，發(fā)揮廢電利用、電力平衡、氫能安全高效儲存、CO2減排等多項功能，如圖4所示。

圖4 全生命周期內(nèi)多功能儲氫庫示意圖Fig.4 Multi-functions of salt cavern hydrogen storage during its full-life time

3.2.3 多功能鹽穴儲氫庫選址

多功能鹽穴儲氫庫的選址應與鹽穴儲氣庫的選址類似，需充分考慮儲庫的安全性與經(jīng)濟性，并對建庫目標、礦區(qū)水文地質(zhì)條件、礦體品位、鹽層厚度與夾層含量等因素進行綜合評價，優(yōu)選出適合的庫址。目前中國適宜建造鹽穴儲氣庫的礦區(qū)有云南安寧礦區(qū)、河南平頂山礦區(qū)、湖北潛江礦區(qū)、湖北云應礦區(qū)等。以云南安寧礦區(qū)建設(shè)多功能儲氫庫為例，對前兩種情景下的儲氫庫建設(shè)與發(fā)展?jié)摿M行評估。

4 案例分析

4.1 安寧鹽礦概述

安寧鹽礦交通便利，位于距離昆明市僅20 km的安寧盆地。安寧鹽礦已控制鹽巖遠景儲量1.36×106t，保存較好的鹽層地段有60 km2，且配套中緬管道的安寧鹽穴儲氣庫（群）正在安寧鹽礦建設(shè)中。安寧鹽礦所在的云南省為清潔能源發(fā)電大省，連續(xù)5年清潔能源發(fā)電量占比約90%，可為電解水制綠氫提供充足的清潔電力。2019年，云南省總發(fā)電量為3.251 9×1011kW·h，水電占比82%，風電占比7.4%，光電占比1.1%，同年棄水電量約為1.7×109kW·h。

采用廢棄的水電電解水制綠氫，一方面規(guī)模化的制氫可以促進棄電的消納，解決云南省棄水的難題；另一方面，可解決云南省當?shù)赜捎陂L期棄水造成的對光電、風電發(fā)展的限制問題。假設(shè)所棄水電全用于電解水制綠氫，按照目前電解水制氫的耗電水平，每4.5 kW·h電制得1 m3綠氫，則云南省2019年全省所棄水電可制得綠氫3.7×108m3。昆明市2019年總發(fā)電量為2.017×1010kW·h，按照昆明市發(fā)電量占云南省發(fā)電量百分比進行計算，昆明市僅廢棄水電可制綠氫約2.295×1011m3，制氫潛能巨大，應配套相應的多功能儲氫庫以適應氫能產(chǎn)業(yè)一體化的動態(tài)發(fā)展。

4.2 情景1案例分析

情景1中，多功能鹽穴中所儲綠氫主要為燃料電池汽車提供燃料或作為煉鋼煉鐵業(yè)的還原劑。

由于昆明市尚未出臺相關(guān)燃料電池汽車規(guī)劃，暫時無法計算多功能儲氫庫為加氫站供氫所需容積。待有關(guān)政策推出，可按照相關(guān)準則，進行儲氫庫容積規(guī)劃。其儲氫能力應能滿足昆明市100～200 km范圍內(nèi)的燃料電池汽車加氫需求[31]。

使用綠氫煉鋼、煉鐵，其過程綠色、低碳，行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。瑞典的HYBRIT項目正在修建為綠氫煉鋼配套的地下儲氫鹽穴，預計2022—2024年投入使用，且采用HYBRIT綠氫直接還原工藝（見式（4）），噸鋼CO2排放僅25 kg。而中國目前噸鋼/噸鐵碳排放約為1.76 t。安寧鹽礦所處的昆明市及云南省有著豐富的礦物資源，2020年，昆鋼集團生產(chǎn)粗鋼4.161×106t，完全具備采用多功能鹽穴儲氫庫配套綠氫直接還原工藝煉鋼的先天優(yōu)勢和條件。

目前采用綠氫直接還原工藝，生產(chǎn)噸粗鋼需消耗綠氫約875.3 m3。按照昆鋼2020年粗鋼及生鐵產(chǎn)量，需還原劑綠氫約6.0×105t。如此大規(guī)模的綠氫需求，應配套地下大規(guī)模鹽穴儲氫。假設(shè)儲氫庫按照墊氣比40%、平均運行壓力10 MPa進行設(shè)計，且氫氣在10 MPa下密度為7.622 6 kg/m3，則需配套相應多功能儲氫庫總儲存氣量1.3×108m3，可實現(xiàn)減排722 t。因煉鋼煉鐵綠氫儲存為短期儲存（時或日），儲氫庫的實際庫容根據(jù)儲庫內(nèi)綠氫循環(huán)頻率而定。中國2020年粗鋼產(chǎn)量為1.053×109t，綠氫煉鋼減排潛力巨大。

4.3 情景2案例分析

情景2為綠氫或其合成甲烷應用于富氧燃燒發(fā)電。隨著云南省電力需求的不斷增長，及大型耗電產(chǎn)業(yè)的投產(chǎn)（如水電鋁產(chǎn)業(yè)），云南省將從2023年開始面對季節(jié)性電力缺額問題，尤其是枯水季節(jié)。而情景2的甲烷富氧燃燒發(fā)電可為云南省解決該問題提供了有效的途徑。豐水季節(jié)使用廢棄水電電解水制氫，儲存于多功能儲氫庫中，在枯水季節(jié)將H2與所捕集的CO2反應制成甲烷，并將所制甲烷進行富氧燃燒發(fā)電，補充電力缺額。

假設(shè)甲烷富氧發(fā)電廠裝機容量為200 MW，并按照甲烷低熱值LHV為50 MJ/kg，由式（5）計算，可得發(fā)電廠所需甲烷質(zhì)量流量QCH4為4.205 kg/s。

式中：P為發(fā)電廠裝機容量；Paux為輔助設(shè)備消耗功率，假設(shè)為15 MW；ηoxyfuel為甲烷富氧燃燒發(fā)電效率，為88%。再由式（1）～（3）可得，甲烷化階段需CO211.564 kg/s，電解水階段需O216.82 kg/s，H22.108 kg/s。按照云南省現(xiàn)有發(fā)電結(jié)構(gòu)，枯水季與豐水季各持續(xù)半年，假設(shè)豐水季電解水制氫工作時長約2 880 h，枯水季甲烷發(fā)電廠工作時長約1 440 h。由此，可分別計算出鹽穴儲氫庫所儲綠氫的工作氣量及混合CO2-O2儲庫的工作氣量。若同樣建設(shè)平均運行壓力10 MPa、墊氣比40%的鹽穴多功能儲庫，儲氫庫總庫容約4.78×106m3，混合氣體庫容2.16×106m3。依據(jù)現(xiàn)有的電解水制氫技術(shù)，4.5 kW·h電可制1 m3（0 ℃、1個標準大氣壓下的氣體體積）綠氫，可實現(xiàn)豐水季消納水電約5.34×108kW·h，并提供枯水季發(fā)電量2.88×108kW·h。

5 結(jié)論

通過調(diào)研氫能的多元化應用領(lǐng)域、現(xiàn)階段發(fā)展情況和鹽穴儲氫技術(shù)概況，可得主要結(jié)論有：

1）相較于地面儲氫，地下鹽穴儲氫具有儲量大、儲氣成本低、密封性好等優(yōu)點，是地下大規(guī)模儲氫的理想場所。中國鹽穴資源豐富，鹽穴運營技術(shù)成熟，這為建造鹽穴儲氫庫提供了先決條件。

2）提出3種發(fā)展情景下的氫能產(chǎn)業(yè)“制-儲-用”一體化建設(shè)方案：情景1，對應氫能發(fā)展當前階段，鹽穴儲氫主要用于交通、煉鋼煉鐵。情景2，雙鹽穴混合儲存，鹽穴儲氫主要用于季節(jié)性儲能發(fā)電，以及為地面合成甲烷提供原料。情景3，為氫能發(fā)展遠期，鹽穴儲存由綠氫合成的甲烷，同時還可解決中國天然氣對外依存度高，保障國家能源安全。

并以安寧鹽礦與云南省電力結(jié)構(gòu)為例，分析了情景1、2中的儲氫庫建設(shè)需求。

情景1下，以昆鋼2020年產(chǎn)量為例，采取綠氫直接還原工藝，需制取綠氫約6.0×105t，配套儲氫庫總儲存氣量1.3×108m3，同時減排722 t。

情景2下，假設(shè)甲烷富氧發(fā)電廠裝機容量為200 MW，云南省枯水與豐水季各持續(xù)半年，需配套鹽穴混合氣體（CO2-O2）總庫容約2.16×106m3，儲氫庫總庫容約4.78×106m3；同時消納水電約5.34×108kW·h，提供發(fā)電量2.88×108kW·h。

3）從鹽穴儲氫庫全生命周期的角度，提出了多功能儲氫庫的概念可起到廢電利用、電力平衡、氫能安全高效儲存、CO2減排等多項作用。

4）多功能鹽穴儲氫庫的規(guī)模、用途受到建設(shè)地區(qū)的電力結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)特點等諸多影響，相關(guān)儲氫技術(shù)和不同的案例需要進一步研究與深化。