方琰藜, 侯正猛, 岳也, 等. 一种应用于氢能产业一体化的新型多功能盐穴储氢库 [J]. 工程科学与技术, 2022, 54(1): 128-135. doi: 10.15961/j.jsuese.202100799 引用本文: 方琰藜, 侯正猛, 岳也, 等. 一种应用于氢能产业一体化的新型多功能盐穴储氢库 [J]. 工程科学与技术, 2022, 54(1): 128-135. doi: 10.15961/j.jsuese.202100799 FANG Yanli, HOU Zhengmeng, YUE Ye, et al. A New Concept of Multifunctional Salt Cavern Hydrogen Storage Applied to the Integration of Hydrogen Energy Industry [J]. Advanced Engineering Sciences, 2022, 54(1): 128-135. doi: 10.15961/j.jsuese.202100799 Citation: FANG Yanli, HOU Zhengmeng, YUE Ye, et al. A New Concept of Multifunctional Salt Cavern Hydrogen Storage Applied to the Integration of Hydrogen Energy Industry [J]. Advanced Engineering Sciences, 2022, 54(1): 128-135. doi: 10.15961/j.jsuese.202100799 方琰藜, 侯正猛, 岳也, 等. 一种应用于氢能产业一体化的新型多功能盐穴储氢库 [J]. 工程科学与技术, 2022, 54(1): 128-135. doi: 10.15961/j.jsuese.202100799 引用本文: 方琰藜, 侯正猛, 岳也, 等. 一种应用于氢能产业一体化的新型多功能盐穴储氢库 [J]. 工程科学与技术, 2022, 54(1): 128-135. doi: 10.15961/j.jsuese.202100799 FANG Yanli, HOU Zhengmeng, YUE Ye, et al. A New Concept of Multifunctional Salt Cavern Hydrogen Storage Applied to the Integration of Hydrogen Energy Industry [J]. Advanced Engineering Sciences, 2022, 54(1): 128-135. doi: 10.15961/j.jsuese.202100799 Citation: FANG Yanli, HOU Zhengmeng, YUE Ye, et al. A New Concept of Multifunctional Salt Cavern Hydrogen Storage Applied to the Integration of Hydrogen Energy Industry [J]. Advanced Engineering Sciences, 2022, 54(1): 128-135. doi: 10.15961/j.jsuese.202100799 刘建锋，河南新乡人，四川大学水利水电学院教授、博士生导师，国家重大人才工程特聘教授、国家万人计划青年拔尖、四川省学术与技术带头人；获教育部霍英东青年教师奖、四川省青年科技奖、中国产学研合作创新奖、中国岩石力学与工程学会青年科技奖等多项荣誉。主要从事深部能源储存及开采、水电、交通、高放废物地质处置等领域的岩体力学与灾害防治的基础研究及工程实践，主持国家重点基金、万人计划、四川省青年（杰青）基金及省部科技计划等10余项科技攻关研究。以第一发明人获授权发明专利50余项，其中美国发明专利20余；获软件著作权10项，参编规范5部，发表SCI/EI论文100余篇。以第一完成人获教育部、四川省及中国岩石力学与工程学会等科技进步/技术发明一等奖和二等奖各3项。 通信作者: 刘建锋, E-mail： liujf@scu.edu.cn 为实现“双碳”目标，解决氢能大规模储存难题，结合中国氢能发展趋势，提出了包含盐穴储氢库的3种发展情景下的氢能“制–储–用”一体化方案：情景1,盐穴储存绿氢，用以燃料电池及炼钢炼铁领域；情景2,盐穴储存绿氢及CO ₂ –O ₂ 混合气体，用于地面合成甲烷及甲烷富氧燃烧发电；情景3,盐穴储存合成甲烷，用以除发电以外的其他用途。从盐穴储氢库全生命周期的角度，分析了储氢库在3种发展情景下的作用，提出了多功能储氢库的概念：可起到废电利用、电力平衡、氢能安全高效储存、CO ₂ 减排等多项作用。以昆明市安宁盐矿及云南省为例，结合云南省水电为主的电力结构，分析了多功能盐穴储氢库在情景1、2中的建设需求：情景1，采用绿氢直接炼钢工艺，需电解绿氢约6.0×10 ⁵ t，配套多功能盐穴储氢库总气量1.3×10 ⁸ m ³ ，可实现昆钢减排722 t；情景2，针对云南未来电力季节性缺额问题，假设甲烷富氧发电厂提供半年枯期电力，装机200 MW，仅需建设多功能盐穴储氢库总库容4.78×10 ⁶ m ³ ，可消纳水电5.34×10 ⁸ kW·h，提供枯期发电量2.88×10 ⁸ kW·h。 Abstract: In order to achieve the goals of carbon neutrality and emission peak and to solve the problem of large-scale storage of hydrogen, combined with the trends of hydrogen development in China, a “production-storage-use” integrated hydrogen chain was proposed. Scenario one is the current phase of hydrogen development, during which the salt cavern hydrogen storage is mainly for transportation and industry fields. In scenario two, salt cavern hydrogen storage and CO ₂ –O ₂ mixed gas respectively, while the hydrogen is used for ground synthesis of methane as well as methane-enriched combustion for power generation. In scenario three, salt cavern stores synthetic methane for other purposes besides power generation. From the perspective of the full life cycle of salt cavern hydrogen storage, the role of salt cavern hydrogen storage under three scenarios was analyzed, and a new concept of multifunctional hydrogen storage was proposed. The multifunction of salt cavern is waste electricity utilization, power balance, safe storage of hydrogen and CO ₂ emission reduction. Taking Anning salt mine and Yunnan Province as examples, the potential of multifunctional salt cavern hydrogen storage was analyzed. In scenario one, for steelmaking, which needs 1.3×10 ⁸ m ³ of total gas volume storing 6.0×10 ⁵ t of green hydrogen and reducing CO ₂ emission of 722 t. In scenario two, in view of the seasonal power shortage in the future of Yunnan, installing a capacity of 200 MW methane-enriched power plant providing a half-year power generation plant just needs 4.78×10 ⁶ m ³ of multifunctional salt caverns, which can absorb 5.34×10 ⁸ kW·h of hydropower and provide 2.88 ×10 ⁸ kW·h of power generation in dry season. 全球正经历从化石能源向非化石能源过渡的第三次能源体系重大转换期 ^{[ 1 ]} 。作为落实《巴黎协定》的坚定践行者，中国长期以来致力于能源转型和CO ₂ 减排，并于2020年郑重提出了“碳达峰2030”和“碳中和2060”的“双碳”目标 ^{[ 2 ]} 。在“双碳”目标的引领下，将全面向低碳化经济转型，并迎来新一轮的能源革命。 随着风电、光电等不稳定可再生能源的大力发展，不可避免存在电力过剩、难以消纳等问题，为电网电力平衡带来挑战 ^{[ 3 ]} 。可再生能源的高效转化和大规模储能技术，可为解决风光消纳、削峰填谷、电力平衡等问题提供有效途径。而在清洁的二次能源中，氢能是公认的21世纪最具发展前景的二次能源 ^{[ 4 ]} 。氢能不仅具有氢–电互换特性，还可广泛应用于交通、工业、电力、建筑等领域，是可再生能源转换的理想二次清洁能源。 氢元素在自然界中广泛存在，直接通过可再生能源电解水制得的氢气为“绿氢”。绿氢的储存方式主要有4种：地上高压气态储氢、低温液态储氢、固态储氢以及地下盐穴储氢。盐穴储氢，即利用盐穴的高密封性将氢能大规模储存于地下盐穴之中，可用作短期储存或季节性储存。相比较于地面储存，地下盐穴储存具有储量大、储气成本低、密封性好等优点，可达吉瓦级储量，同时还可节省优化地面土地资源，是大规模储氢的理想场所。储氢技术是推动氢能产业发展的关键技术。 为解决氢能大规模储存的难题，基于氢能的多元用途，作者提出了包含盐穴储氢库的3种发展情景下的氢能“制–储–用”一体化方案。从盐穴储氢库全生命周期的角度，分析了盐穴储氢库在3种发展情景下的作用，并提出了多功能储氢库的概念。以昆明市安宁盐矿及云南省为例，结合云南省水电为主的电力结构，分析了多功能盐穴储氢库在情景1和情景2中的建设需求和发展潜力。 氢能的发展与应用 目前，全球制氢来源主要为化石能源制氢、工业副产物制氢，由电解水制得的绿氢仅占制氢来源的4% ^{[ 4 ]} ，未来发展潜力巨大。发展绿氢不仅是解决可再生能源消纳的有效手段，更是实现“双碳”目标的重要途经。 氢能的发展趋势 2019年以来，日本、韩国、德国、美国、荷兰等国陆续颁布了氢能国家战略。以德国、荷兰为代表的欧盟国家更是明确指出绿氢是未来的氢能发展重点。2020年7月，为实现欧盟碳中和2050的目标，欧盟发布了《欧盟氢能战略》，分3个阶段部署氢能 ^{[ 5 ]} ：一是，2020—2024年为阶段1，安装至少6 GW的可再生绿氢电解槽，生产1×10 ⁶ t的绿氢。主要为加氢站供应原料、炼钢炼铁示范性研究及掺入天然气管网脱碳。二是，2025—2030年为阶段2，安装至少40 GW可再生绿氢电解槽，生产1.000×10 ⁷ t的绿氢。在该阶段，绿氢在成本上将具有竞争力，既可灵活平衡电力系统，也可用于日常或季节性储能。三是，2030—2050年为阶段3，绿氢将大规模应用于所有难以脱碳的领域。欧盟的3阶段氢能布局充分反映当前氢能产业总体发展趋势和特点，即动态、多阶段、多元。因此，作为氢能发展产业链中的关键环节，氢能的储存也应当具有灵活性和多元性，以适应氢能产业一体化的动态发展。 中国虽尚未颁布明确的国家氢能战略，但自2020年以来已颁布一系列政策支持氢能产业发展 ^{[ 6 - 9 ]} 。 尤其在国务院发布的《新时代的中国能源发展》白皮书中指出，应加速发展绿氢制取、储运和应用等氢能产业链技术装备，促进氢能燃料电池技术链、氢燃料电池汽车产业链发展 ^{[ 10 ]} 。从已发布的种种政策可以看出，中国正积极引导发展绿氢制取、储运和应用技术。除了国家层面的氢能引导政策以外，各省市也积极出台了相应的地方氢能产业布局规划，推动“双碳”目标的实现。 氢能的多元化应用 氢能及其合成燃料在终端利用上具有多元化的特点，可充分应用于工业、交通、电力、建筑等领域的深层次脱碳。 例如，在工业领域，氢能可作为还原剂代替焦炭炼钢炼铁。欧洲已开展将高纯绿氢，用于直接还原工艺的钢铁生产示范性研究，如瑞典的HYBRIT项目和德国的SALCOS项目。根据HYBRIT示范性阶段研究结果，采用高纯绿氢直接还原工艺，吨钢CO ₂ 排放量仅为25 kg。预计2036年HYBRIT将建成第一座商业化工厂。 在交通应用方面，氢能主要用于为氢燃料电池汽车提供原料。截至2020年11月底，全球共建加氢站458座，在建255座，其中，中国已建加氢站88座，燃料电池汽车保有量6700辆。全球第一辆氢燃料列车已于2018年在德国下萨克森州成功运行。 在电力脱碳领域，纯氢既可作为燃气轮机的燃料，也可采用氢燃料电池发电。西门子计划在2030年研制出纯氢燃气轮机用于欧洲power–X–power项目。 在建筑领域，所消耗的能源占全球终端能源消耗的30%。氢能可以通过以下4种方式实现建筑能源消耗的低碳化：在现有的天然气基础设施和设备中掺氢、在天然气管网和设备中掺入由氢合成的甲烷、使用纯氢、联合使用氢燃料电池和热电联产。 综上所述，氢能及其合成甲烷可多元应用于各领域的脱碳如 图1 所示。并且，合成甲烷可以完全利用现有的天然气设施无需进行改造。氢能的快速和多元发展迫切需要加快对大规模储氢技术的研究，相较于地上储氢，地下盐穴大规模储氢具有储量大（储能可达数百兆瓦甚至吉瓦）、可适应短期或长期储能、节省土地资源等优点 ^{[ 11 - 13 ]} 。 目前，世界上有4种能源储库，分别为枯竭油气藏储库、含水层储库、盐穴储库以及废弃矿坑储库 ^{[ 14 ]} 。盐岩因其极低的渗透特性、良好的蠕变性能、损伤恢复特性以及溶解于水易开挖的特点，是国际上公认的能源储存理想介质 ^{[ 15 ]} 。盐穴储库即在盐岩中建造人工洞穴储存能源 ^{[ 16 ]} （如天然气、氢气、压缩空气及石油），如 图2 所示。盐穴的形成既可以是对盐矿废弃盐腔的改造，也可以是在盐层中建造新的洞穴，前者更具经济性。1916年，德国人首先提出在盐岩中建设储能库的专利。1959年，苏联建成了世界上第一座盐穴天然气储气库（以下简称盐穴储气库）。根据国际气体联盟（IGU）地下储气库专项统计 ^{[ 17 ]} ，目前世界上运营中的盐穴储气库达106座，工作气量为3.58×10 ¹⁰ m ³ ，仅占4种储气库总工作气量的8.6%。盐穴储气库的建设和发展还有很大的上升空间。 从理论上讲，氢气的地下存储方式与天然气存储方式相似，可储存于枯竭油气藏、含水层及盐穴3种储库中。由于氢气是世界上最轻的气体，具有易于扩散的特性，因此氢气的地下储存对密闭性有着极为严格的要求。盐穴不仅有良好的气密性，并且盐具有不与氢气反应的特点，使得盐穴是地下大规模储氢的最佳选择。若采用枯竭油气藏或含水层储氢，氢气可能会与储层中的古微生物或矿物成分发生反应，不仅会消耗掉部分储存的氢气，且产生的反应物也存在堵塞储层孔隙的可能，不利于氢气的长期储存 ^{[ 18 ]} 。同时，盐穴储氢还具有成本优势。当3种储库均以最高循环速率运营时，盐穴储氢的均化储存成本（LCOS）最低 ^{[ 19 ]} 。目前，全世界有4座正在运营中的盐穴储氢库（群），如 表2 所示。最早的英国盐穴储氢库（群）已安全运营近50年。 除正在运营中的4座储氢库外，欧美各国及中国也正在积极开展关于建造储氢库的前期调研。Donadei等 ^{[ 20 ]} 对德国北部盆地269个盐层进行了盐穴储氢潜能的评估，总储氢潜能高达1600 TW·h。Lemieux等 ^{[ 21 ]} 对加拿大Ontraio省4个潜在的盐穴储氢库址进行了初步评估，并建议储氢库的建设宜倾向于对现有设施的利用，如将正在运行的盐穴储气库转化为储氢库，或将盐矿老腔改造为储氢库。Tarkowski等 ^{[ 22 ]} 对波兰低地27个盐丘进行了初步评估，并筛选出了7个潜在的储氢库址。Iordache等 ^{[ 23 ]} 依托HyUnder项目筛选出了4个潜在的罗马尼亚储氢库（群）库址，以供应库址所在地100～200 km范围内的氢燃料电池汽车。le Duigou等 ^{[ 24 ]} 分析了法国6个潜在的储氢库址，并对储氢库的运营进行了商业性模拟，结果表明，大规模地下盐穴储氢的储存成本总是低于总成本的5%。美国的ACES项目调研在犹他州盐湖城建造盐穴储氢库（群）用于氢能发电的潜力 ^{[ 25 ]} 。Liu等 ^{[ 26 ]} 从稳定性、适用性和密封性的角度，分析了利用江苏金坛现存盐腔储氢，实现风能削峰储能36.9 TW·h的可行性。 以往研究多集中于对不同用途储氢库的储氢潜力分析，研究分散、尚未形成体系。而事实上，储氢库的研究应不局限于储氢库本身，储氢库在运行过程中不可避免会受到上游制氢及下游氢能应用所带来的影响，如氢能发电为季节性储存，加氢站加氢为短期储存；不同的应用领域对应着不同的储氢模式。因此，考虑到上游储氢和下游用氢对储氢库运营方案的影响，有必要将储氢库的单一研究扩大为包含储氢库在内的“制–储–用”氢能一体化方案研究。 3种发展情景下的“制–储–用”一体化方案及多功能盐穴储氢库 氢能及氢能所合成的人工甲烷将在中国实现“双碳”目标的过程中发挥重要作用。氢能尤其是绿氢，作为一种清洁的二次能源，从其生产到应用的过程，为“电–氢–X”转换过程，分别对应“制”“储”“用”3个环节。其中，X代表氢能在不同发展阶段的多元应用，且不同的应用领域其储存模式亦有所不同。因此，对盐穴储氢库的研究不可剥离氢能的“制”与“用”，应将储氢库的单一研究扩大为氢能的“制–储–用”一体化研究。为此，作者提出了3种发展情景下的氢能“制–储–用”一体化建设方案如 图3 所示。并从盐穴储氢库全生命周期的角度，分析了盐穴储氢库在3种发展情景下的作用，提出了多功能储氢库的概念。在其全生命周期中，多功能盐穴储氢库将起到废电利用、电力平衡、氢能安全高效储存、CO ₂ 减排等多项作用。 3种发展情景下的氢能“制–储–用”一体化方案对应着中国氢能发展的中、长、远期。目前，中国处在氢能利用初级阶段，氢能主要用于交通领域的脱碳，以及氢能炼钢炼铁项目 ^{[ 27 ]} 。在未来中远期发展阶段，为实现 “双碳”目标，氢能及其合成甲烷也将广泛应用于电力、工业、建筑等领域的深层次脱碳。 在3种“制–储–用”一体化发展情景中，电解水制绿氢的电力来源应是清洁的电力，可以是废弃的水、光、风电，也可以是用电低谷时期的可再生电力。具体应采用何种电力制得绿氢，应由当地电力结构及电力基础设施而定。 3.1.1   情景1对应中国当前的氢能发展阶段。盐穴中所储绿氢主要为燃料电池汽车提供燃料或作为炼钢炼铁业的还原剂，应用于交通领域、工业的深层次脱碳。 当所储绿氢用于为燃料电池汽车供氢时，其盐穴容积（储氢能力）应能满足储氢库所在地区100～200 km范围内的燃料电池汽车加氢需求 ^{[ 23 ]} 。 当所储绿氢作为直接还原剂炼钢炼铁时，其还原产物为水，可大大降低炼制过程中的CO ₂ 排放。目前，中国传统钢铁行业吨钢/铁，CO ₂ 排放约为1.76 t，若采用100%绿氢直接还原技术，吨钢CO ₂ 排放量仅为25 kg。 3.1.2   情景2为氢能中期发展阶段。采用双盐穴混合储存，即一盐穴储氢，另一盐穴储存CO ₂ 和O ₂ 的混合气体。该情景主要有两大用途：一是，氢气或甲烷富氧燃烧发电；二是，为地面合成甲烷提供原料。此处，O ₂ 为电解水制氢所得。混合储存的优点在于：一方面，O ₂ 可为甲烷或氢气的富氧燃烧发电提供足额的氧气；另一方面，通过富氧燃烧技术，实现对CO ₂ 的捕集封存与利用（CCUS），且被捕集的CO ₂ 注入同一个储存O ₂ 的盐穴中，再用于地面合成甲烷，由此，形成一个低碳排放的闭合利用循环。 富氧燃烧CO ₂ 捕集技术，即用较高比例的O ₂ 代替空气进行助燃，以达到高效捕集CO ₂ 的目的 ^{[ 28 ]} 。目前，富氧燃烧发电结合CCUS技术多应用于煤电厂，捕集效率已可达98%。虽然尚未商业化应用于天然气发电，但已有5个正在运营中的天然气发电示范性项目。根据示范性研究，甲烷富氧燃烧的效率可达88% ^{[ 29 - 30 ]} 。情景2的闭合利用循环反应过程如下： 电解过程： $$ {\rm{C}}{{\rm{H}}_4} + 2{{\rm{O}}_2} \xrightarrow{\quad\quad} {\rm{C}}{{\rm{O}}_2} + 2{{\rm{H}}_2}{\rm{O}} $$

$$ 4{{\rm{H}}_2} + {\rm{C}}{{\rm{O}}_2} \xrightarrow{\quad\quad} {\rm{C}}{{\rm{H}}_4} + 2{{\rm{H}}_2}{\rm{O}} $$

庞大的基础设施网络是能源广泛应用的基础。相较于人工合成甲烷，氢能的大规模使用，需要对输送网络和燃气终端应用进行改造。德国通过对燃气管道、燃气轮机、压缩机和燃气灶的耐氢性分析，将目前燃气管网中不含压缩天然气（CNG）加气站的掺氢最高比例定为10%，若管网与CNG加气站相连则掺氢上限仅为2% ^{[ 31 ]} 。严松荣等 ^{[ 32 ]} 基于12T基准天然气热值测试实验，建议燃气灶中所燃烧混合物掺氢比例不宜高于20%。耐氢性的提高都可能要求进行昂贵的改造，或建造专用的氢气基础设施，而合成甲烷可以完全掺入现有天然气设施且无需改造。中国目前已建天然气管网7.6×10 ⁴ km，2025年规划建成天然气管网1.63×10 ⁵ km，而已建输氢管道仅100 km。大规模合成甲烷的制造与储存还可解决中国天然气对外依存度高的问题，保障国家能源安全。合成甲烷盐穴的容积应根据当地及邻近地区的深层次脱碳需求而定。 多功能盐穴储氢库 在3种发展情景下的氢能“制–储–用”一体化建设方案中，氢能均是指未来发展潜力巨大的绿氢。当电解提供电力是弃电时，盐穴将起到废电利用的作用；当电解提供电力是不稳定的可再生电力时，此时盐穴起到电力平衡的作用。考虑到不稳定可再生电力供电的随机性和波动性，在地面配套设施中，压缩机前应设置进气缓冲罐，保障压缩机等设备的安全稳定运行。 盐穴储能库的运营周期通常为30年，在服役期结束后，盐穴还存在回填和维护管理的问题。“双碳”目标的实现离不开CCUS技术的支持，为此，可在3种情景的盐穴储库运营期后，将盐穴储库转为CO ₂ 封存库，在盐穴中注入减排所需的CO ₂ 并进行永久封存。永久封存CO ₂ 一方面可为维持废弃盐穴的稳定提供一定的压力，避免盐穴的坍塌；另一方面，起到了CO ₂ 减排的作用。由此，多功能盐穴储氢库将根据不同的应用情景，在整个生命周期中，发挥废电利用、电力平衡、氢能安全高效储存、CO ₂ 减排等多项功能，如 图4 所示。 安宁盐矿交通便利，位于距离昆明市仅20 km的安宁盆地。安宁盐矿已控制盐岩远景储量1.36×10 ⁶ t，保存较好的盐层地段有60 km ² ，且配套中缅管道的安宁盐穴储气库（群）正在安宁盐矿建设中。安宁盐矿所在的云南省为清洁能源发电大省，连续5年清洁能源发电量占比约90%，可为电解水制绿氢提供充足的清洁电力。2019年，云南省总发电量为3.251 9×10 ¹¹ kW·h，水电占比82%，风电占比7.4%，光电占比1.1%，同年弃水电量约为1.7×10 ⁹ kW·h。 采用废弃的水电电解水制绿氢，一方面规模化的制氢可以促进弃电的消纳，解决云南省弃水的难题；另一方面，可解决云南省当地由于长期弃水造成的对光电、风电发展的限制问题。假设所弃水电全用于电解水制绿氢，按照目前电解水制氢的耗电水平，每4.5 kW·h电制得1 m ³ 绿氢，则云南省2019年全省所弃水电可制得绿氢3.7×10 ⁸ m ³ 。昆明市2019年总发电量为2.017×10 ¹⁰ kW·h，按照昆明市发电量占云南省发电量百分比进行计算，昆明市仅废弃水电可制绿氢约2.295×10 ¹¹ m ³ ，制氢潜能巨大，应配套相应的多功能储氢库以适应氢能产业一体化的动态发展。 情景1案例分析 情景1中，多功能盐穴中所储绿氢主要为燃料电池汽车提供燃料或作为炼钢炼铁业的还原剂。 由于昆明市尚未出台相关燃料电池汽车规划，暂时无法计算多功能储氢库为加氢站供氢所需容积。待有关政策推出，可按照相关准则，进行储氢库容积规划。其储氢能力应能满足昆明市100～200 km范围内的燃料电池汽车加氢需求 ^{[ 31 ]} 。 使用绿氢炼钢、炼铁，其过程绿色、低碳，行业发展潜力巨大。瑞典的HYBRIT项目正在修建为绿氢炼钢配套的地下储氢盐穴，预计2022—2024年投入使用，且采用HYBRIT绿氢直接还原工艺（见式（4）），吨钢CO ₂ 排放仅25 kg。而中国目前吨钢/吨铁碳排放约为1.76 t。安宁盐矿所处的昆明市及云南省有着丰富的矿物资源，2020年，昆钢集团生产粗钢4.161×10 ⁶ t，完全具备采用多功能盐穴储氢库配套绿氢直接还原工艺炼钢的先天优势和条件。 $$ {{\rm{Fe}}_2}{{\rm{O}}_3} + 3{{\rm{H}}_2} \xrightarrow{\quad\quad} 2{\rm{Fe}} + 3{{\rm{H}}_2}{\rm{O}} $$

情景2为绿氢或其合成甲烷应用于富氧燃烧发电。随着云南省电力需求的不断增长，及大型耗电产业的投产（如水电铝产业），云南省将从2023年开始面对季节性电力缺额问题，尤其是枯水季节。而情景2的甲烷富氧燃烧发电可为云南省解决该问题提供了有效的途径。丰水季节使用废弃水电电解水制氢，储存于多功能储氢库中，在枯水季节将H ₂ 与所捕集的CO ₂ 反应制成甲烷，并将所制甲烷进行富氧燃烧发电，补充电力缺额。 假设甲烷富氧发电厂装机容量为200 MW，并按照甲烷低热值 L _HV 为50 MJ/kg，由式（5）计算，可得发电厂所需甲烷质量流量 ${Q_{{{\rm{CH}}_4}}} $ $$ {Q_{{{\rm{CH}}_4}}} = \frac{{P - {P_{{\rm{aux}}}}}}{{{\eta _{{\rm{oxyfuel}}}}{L_{{\rm{HV}}}}}} $$

式中： P 为发电厂装机容量； P _aux 为辅助设备消耗功率，假设为15 MW； η _oxyfuel 为甲烷富氧燃烧发电效率，为88%。再由式（1）～（3）可得，甲烷化阶段需CO ₂ 11.564 kg/s，电解水阶段需O ₂ 16.82 kg/s，H ₂ 2.108 kg/s。按照云南省现有发电结构，枯水季与丰水季各持续半年，假设丰水季电解水制氢工作时长约2 880 h，枯水季甲烷发电厂工作时长约1 440 h。由此，可分别计算出盐穴储氢库所储绿氢的工作气量及混合CO ₂ –O ₂ 储库的工作气量。若同样建设平均运行压力10 MPa、垫气比40%的盐穴多功能储库，储氢库总库容约4.78×10 ⁶ m ³ ，混合气体库容2.16×10 ⁶ m ³ 。依据现有的电解水制氢技术，4.5 kW·h电可制1 m ³ （0 ℃、1个标准大气压下的气体体积）绿氢，可实现丰水季消纳水电约5.34×10 ⁸ kW·h，并提供枯水季发电量2.88×10 ⁸ kW·h。 通过调研氢能的多元化应用领域、现阶段发展情况和盐穴储氢技术概况，可得主要结论有： 1）相较于地面储氢，地下盐穴储氢具有储量大、储气成本低、密封性好等优点，是地下大规模储氢的理想场所。中国盐穴资源丰富，盐穴运营技术成熟，这为建造盐穴储氢库提供了先决条件。 2）提出3种发展情景下的氢能产业“制–储–用”一体化建设方案：情景1，对应氢能发展当前阶段，盐穴储氢主要用于交通、炼钢炼铁。情景2，双盐穴混合储存，盐穴储氢主要用于季节性储能发电，以及为地面合成甲烷提供原料。情景3，为氢能发展远期，盐穴储存由绿氢合成的甲烷，同时还可解决中国天然气对外依存度高，保障国家能源安全。 并以安宁盐矿与云南省电力结构为例，分析了情景1、2中的储氢库建设需求。 情景1下，以昆钢2020年产量为例，采取绿氢直接还原工艺，需制取绿氢约6.0×10 ⁵ t，配套储氢库总储存气量1.3×10 ⁸ m ³ ，同时减排722 t。 情景2下，假设甲烷富氧发电厂装机容量为200 MW，云南省枯水与丰水季各持续半年，需配套盐穴混合气体（CO ₂ –O ₂ ）总库容约2.16×10 ⁶ m ³ ，储氢库总库容约4.78×10 ⁶ m ³ ；同时消纳水电约5.34×10 ⁸ kW·h，提供发电量2.88×10 ⁸ kW·h。 3）从盐穴储氢库全生命周期的角度，提出了多功能储氢库的概念可起到废电利用、电力平衡、氢能安全高效储存、CO ₂ 减排等多项作用。 4）多功能盐穴储氢库的规模、用途受到建设地区的电力结构、产业特点等诸多影响，相关储氢技术和不同的案例需要进一步研究与深化。 梅生伟,公茂琼,秦国良,等.基于盐穴储气的先进绝热压缩空气储能技术及应用前景[J].电网技术,2017,41(10):3392–3399. doi: 10.13335/j.1000-3673.pst.2017.1992

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