中国石化重庆半山环道综合加能站是国内首座应用储氢井技术的加氢站，日供氢能力1000公斤。聂 犇 摄

2012年~2022年中国氢能产量及增速图

    阅读提示

    在整个氢能产业链中，储氢是制约氢能规模化应用的关键。在前不久召开的中国储气库科技创新与产业发展国际高峰论坛上，一些专家指出：储氢产业关系能源转型、“双碳”目标实现，更关系国家能源安全，应加大核心技术装备科技创新力度，为氢能产业高质量发展提供有力支撑。

    □本报记者 刘继宝

    前不久，中国工程院院士、中国石化董事长马永生在2023中关村论坛上提出：大力发展新能源，是油气企业转型升级、减排降碳的重要方向，氢能是高碳排放领域大规模脱碳降碳的重要途径。

    国际氢能委员会和著名咨询机构麦肯锡联合发布《净零氢报告》指出，2050年绿氢用量可达6.6亿吨，相当于全球终端能源需求的22%，可累计减少800亿吨二氧化碳排放，占目标总减排量的20%。

    据2020年国家氢能产业发展战略规划，2030 年中国氢需求量将达3715万吨，占终端能源体系的5%。2060年将接近1.3亿吨，占终端能源体系的20%。

    在整个氢能产业链中，储氢是制约氢能规模化应用的关键。在前不久召开的中国储气库科技创新与产业发展国际高峰论坛上，一些专家指出，储氢产业关系能源转型、“双碳”目标实现，更关系国家能源安全，应加大核心技术装备科技创新力度，为氢能产业高质量发展提供有力支撑。

    “氢能银行”助力绿色发展

    氢能是可以快速再生和零排放的替代燃料，被称作21世纪的“终极能源”。多个国家制定氢能发展规划，加快氢能基础设施建设，预计到2050年，主要发达国家将逐步过渡到以绿氢为主、蓝氢为辅的低碳绿氢时代。随着技术突破和规模化应用，氢能全产业链将迎来发展爆发期。

    近几年，美日德韩等国持续加大氢能产业科技研发投入力度，攻关低成本制氢、氢燃料电池、高压储氢、天然气管道掺氢应用安全等技术，持续推动氢能产业发展。

    壳牌在德国安装大型质子交换膜电解槽装置，在欧美地区相继建设加氢站，与日本川崎重工、岩谷产业合作，推动海上远距离液态氢运输；道达尔在德国建设30多座加氢站，认定氢能是生物燃料领域取得进一步突破的重要资源。中国石化布局可再生制绿氢，已建成42公里巴陵—长岭氢气管线，正建设乌兰察布至燕山石化的“西氢东输”管线，累计建成加氢站98座，着力打造中国第一氢能公司。

    构建氢能工业，是实现化工、冶金、交通等领域深度脱碳的重要路径，也是全球能源技术革命和转型发展的重要战略方向。据统计，2030年，中国可再生氢气总量将达到500万吨，制氢成本有望降到15元/千克。预计到2050年，氢能在交通运输、储能、工业、建筑等领域的产业链会逐步扩大，并渗透工业生产各领域，产值将超过10万亿元。

    毋庸置疑，氢能是21世纪最具发展前景的能源，未来将进入氢能社会。只有拥有强大的储存功能，才能保证能源安全，促进氢能产业高质量发展。中国工程院院士、中国科学院武汉岩土力学研究所研究员杨春和说：“储氢是氢能规模化应用的基础和前提，氢能作为燃料进入管网是大规模应用的必由之路，大规模储备是关键。”

    专家指出，建立储氢库是实现大规模氢气储存、跨季节发电调峰的重要方式。地下储氢库，可以利用氢气作为无碳储能介质，将多元化清洁能源产生的绿电能量储存起来，在绿电发展中扮演“银行”和“粮仓”的角色。

    风光电地热等清洁能源具有地域性和间歇性强的特点，由于缺乏有效的储能技术，利用效率低。预计到2025年，风能、太阳能年发电量将分别达到118.1万亿千瓦时和76.7万亿千瓦时。如果能将风光发电用不完的电量制氢并有效储存，就可以利用好清洁能源。

    而地下储氢库是实现大规模、长周期、跨季节储氢储能的重要方式，在氢能工业“制储输用”体系中不可或缺，不仅可以发挥掺氢替气、应急保供作用，而且担负保障国家能源安全的重要责任。

    地质储存是氢能储存首选

    “普通百姓对储石油天然气比较熟悉，对储氢了解最多的是氢能材料、锂电池等，作为大规模储存、战略储存、调峰保安储存，我国还没有开始。这是机遇，也是挑战。”杨春和说。

    目前，我国储氢方式主要是材料储氢、物理储氢和吸附储氢，这些都不能满足氢能大规模储存需求。至于管道、槽罐车，这些只能作为输氢工具，用来储氢不现实。

    国内外研究成果表明，地质储氢（地下储氢库）是大规模、安全、经济的储氢方式。地下储氢库起源于20世纪70年代，是一种利用天然或人工构造空间储存氢气的地下设施。美英德等发达国家对地下储氢技术研究比较早，已有多个地下储氢库建成投产，如美国公司的3座储氢库，实现95%纯氢储存，满足了大规模生产需要。

    地质储氢库主要分为三类，盐穴、含水层和枯竭油气藏储氢库。

    盐穴储氢库是通过水溶开采方式，在地下较厚盐岩层或盐丘层制造洞穴，形成空间以储存气体。盐岩具有很好的自我封闭性，因此盐穴储氢库能够有效防止氢气泄漏，储库压力上下限较宽，储氢效率高。专家指出，盐穴储氢库技术较为成熟，完整性好、储氢效率高，但盐穴选址受限，必须挑盐层较厚地层，盐穴前期建造成本较高，容积相对较小。

    含水层储氢库是通过向盖层下注气驱替岩层中的水来储存氢气，具有较广的潜在库址资源，在合适的地理位置和地层条件下，可提供大规模储氢解决方案。但含水层储氢库建设和运营，可能对周围地下水资源和生态系统产生不良影响。储库内氢气与原位细菌发生反应可能产生甲烷、硫化氢等气体，损耗和污染氢气，降低储氢效率。

    枯竭油气藏是指已采尽原有油气资源的地下储层。这类储氢库利用现有的地下空间和地层压力差，具有容积大、密封性好、分布广等优点，同时可大量利用现有地面地下设施，降低前期建设成本。研究表明，枯竭油气藏储氢综合成本最低，约1.23美元/千克氢气。

    国家油气战略研究中心潘松圻等人认为，与其他储氢方式相比，地下储氢库具有显著的规模优势。一个枯竭气藏储氢量等于191个地下盐穴、4584个超大型球冠状液氢储存容品、153万辆氢气长管拖车、15亿具氢气罐、46亿个特斯拉电池的储能容量。

    地质储氢面临的难题与挑战

    “就目前国内技术而言，实现大规模地质储氢，无论采取哪种模式，都面临很多困难与挑战。”这是专家学者的共识。

    杨春和认为，氢作为高活性小分子气体，在地质晶体中扩散规律的认识有待探究。经过分子动力学模拟，这种高活性小分子气体具有沟通宏观特性与微观结构的作用，要将分子动力学模拟方法引入盐穴储能学科，开展小分子气体在地下盐穴的迁移、扩散规律等研究，还有许多课题需要攻关。

    例如，在复杂工况情况下，氢气在盐岩和夹层的渗流演化规律认识问题需要深入研究。美国、俄罗斯都有氢能库，但很少有像我国这样的不同性质的地质体特点，储天然气没问题，但储氢需要研究探索。杨春和研究团队在中国石化等15家单位的支持下，已建立了一套研究装置，重点研究氢分子在地质体中的渗流规律。

    此外，还有盐穴储氢库关键参数设计问题。氢气渗透能力远超天然气，因此，盐穴储气库的几何参数设计准则无法直接用于盐穴储氢库。基于氢气特性、层状盐岩地质特征和运维制度，提出盐穴储氢库的关键参数设计准则至关重要。

    对于枯竭油气藏储氢问题，中国石油深圳新能源研究院的专家们总结了10个方面的技术难题与攻关课题，即地下储氢库完整性与选址地质评价、氢气与储层介质的反应机理、氢损耗及氢纯度对储氢效率的影响、垫层气类型与占比、注采渗流理论与库容设计、氢用特种管材及管道工程关键技术、地下储氢库建库及注采工程关键技术装备、地下储氢库运行期监测与动态分析、地下储氢库风险评估与应急处置方案、地下储氢库生命周期评估。

    这些既有前期勘探评价的难题，又有中期开发建设、后期生产运营的问题。在前期选址评价中，需要考虑地理位置、岩相、构造等因素，做到“注得进、采得出、封得住、可监控”。与天然气地下储气库的地质评价类似，地下储氢库的储层要具有足够的空间和良好的渗透性，而盖层要有较高的完整性和密封性。地质评价需要综合考虑地质条件、岩石性质、储层流体反应机制等因素，可基于地质资料、室内岩石力学实验和现场地应力测试，获取相关参数。

    在中期开发建设中，需要攻克适用于不同注采介质及压力等工况的地面及井下管材的抗氢脆、耐腐蚀、耐高压、耐疲劳等高可靠性材料、特殊螺纹接头等设计及制造关键技术。

    氢气扩散性强、爆炸范围大，地下储氢库规模大、投资大、潜在危害后果严重，在后期运营维护中，应全面进行风险评估并提出应急处置方案，防范化解潜在风险，包括地震在内的地质灾害、气象灾害和洪水等致灾因素。

    地质储氢产业优势明显

    氢能作为未来清洁能源，已上升到国家战略高度， 到2050年，全世界将有20%~25%的氢能汽车，而氢能大规模应用，让地质储氢成为整个氢产业链中最关键的一环。面对眼前的困难与挑战，一些专家学者对此充满信心：“有了问题就有了攻关方向、成功路径”。

    潘松圻等人认为，在地质储氢领域尽管面临很多困难，但地下储氢库也具有工业化发展的资源、技术、优势。

    油田拥有枯竭/衰竭气田，这是建设地下储氢库的资源优势。储存空间大、分布广、地质认识深刻，这些气田被认为是最具潜力的地质构造。至2021年底，我国探明天然气储量6.34万亿立方米，大量优质气藏成为地下储氢库潜在库址，我国天然气地下储气库建设经验丰富，潜在库址调研充分，为地下储氢库建设奠定了良好的库址资源基础。

    复杂地质条件储气库“四大创新”，为地下储氢库建设提供了技术基础。自2000年以来，中国石油依托国家课题和公司重大专项，组织24家“产学研用”单位创立了四大核心理论技术及装备，有力支撑了我国地下储气库大规模建设，即创建了复杂地质条件储气库选址评价理论和技术指标体系，优选库址超千亿立方米；形成了高效注采渗流理论和优化设计方法，提高了库容设计精度和工作气利用率；创新枯竭气藏超低压储层建库安全钻井技术，攻克了世界最深储气库建井难题；构建了地质-井筒-地面“三位一体”储气库风险管控体系，储气库运行20年零事故。

    地下储气库的成功建设，带动了相关产业蓬勃发展，也为地下储氢库建设提供了产业支持。在地下储气库建设过程中，诞生了我国首台高压高转速往复式注气压缩机，解决了核心装备依赖进口的难题，研发出韧性水泥浆固井技术，实现了世界最深储气库固井。

    氢能产业上中下游共同发力，形成地下储氢库规模优势。制氢方面，我国风光发电装机容量蝉联世界第一，绿氢消纳绿电趋势明显，电解水制氢技术不断提升。运氢方面，国家大力推进氢管网项目建设，其中济源—洛阳氢气管道是国内已建管径最长、压力最大、输气量最高的长距离输氢管道，为地下储氢库上下游连接提供了技术支撑。用氢方面，绿氢有望逐渐成为化工生产的常规原料和能量来源，地下储氢库可以在这一过程中居中调节，满足电网调峰、工业和交通用氢需求。

    国家政策、技术、产业三方面共同推动地下储氢产业发展。

    政策面重大利好：在“双碳”战略下，政府将持续加大对地下储氢库技术的研发投入与政策支持力度，推动产业创新。

    技术面持续进步：地下储氢库建设是中游储氢重要环节，未来将突破技术瓶颈，掌握选址、建库、运营的关键技术，促进氢能发展。

    产业链降本增效：随着整个氢能产业链的蓬勃发展与技术进步，位于产业链中游的地下储氢库将实现降本增效。

    地下储氢库技术将不断取得突破。完善选址评价体系，明确储库生化反应机理，建立储氢效率评估模型，提出垫层气选择方案，探明渗流特征并优化库容设计，研发氢用管材、氢用注采设备，开展储库监测与动态分析，完成风险评估与应急处置方案进行生命周期评估……这些技术的发展与完善，促进了地下储氢库产业高质量发展。

    令人欣喜的是，很多领域的专家团队已开展相关研究。针对枯竭油气藏的微生物、耗氢反应机制及调控方法，杨春和院士团队已与清华大学联合展开相关研究，分布式储氢关键技术突破研究工作也已展开。此外，国内大型能源公司的专家团队也抽调精兵强将，加强储氢产业科研攻关，奋力攻克“卡脖子”技术。

    “氢气进万家，实现氢能社会，这不是童话故事。”杨春和院士说。