王洪浩 李江海 李維波

鹽穴由于較為簡易的造腔手段，較好的封閉性，對儲存壓力變化的較好適應能力，可作為壓縮空氣儲能和壓縮氫氣儲能工程的儲氣庫，在儲能技術(shù)領(lǐng)域?qū)艿街匾暋?/p>

近年來，新能源的規(guī)模應用，以及間歇性可再生能源的大規(guī)模入網(wǎng)、傳統(tǒng)電力峰谷差值的增長，各種能源應用問題也隨之出現(xiàn)，而儲能技術(shù)的應用將為解決這些問題提供非常有效的途徑。目前電力儲能技術(shù)較多，按照技術(shù)分類，可分為機械儲能、電磁儲能和電化學儲能等。壓縮空氣及壓縮氫氣儲能屬于機械儲能的方式，由于單機儲能規(guī)模大，成本較低，未來無疑將成為最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲能方式之一。而鹽穴由于較好的封閉性，較為簡易的造腔手段，在作為儲氣室方面有著較大優(yōu)勢，在儲能技術(shù)領(lǐng)域?qū)絹碓绞艿街匾暋?/p>

鹽巖與鹽穴

嚴格地講，鹽巖指純凈的氯化鈉晶體，但自然界鹽巖很少由純石鹽組成。鹽巖多指由蒸發(fā)巖（如石鹽、石膏、硬石膏等）及泥巖等組成的混合物，其沉積地層在全球范圍內(nèi)有著廣泛的分布。鹽穴是指在地下鹽層中通過鉆井，利用水循環(huán)的方法，將鹽層溶解，最終形成一個體積較大的空洞。

鹽巖由于具有非常低的滲透特性與良好的蠕變行為，能夠適應儲存壓力的變化；其力學性能較為穩(wěn)定，能夠保證儲存洞庫的密閉性；且鹽巖溶解于水的特性使鹽穴的施工更加容易、經(jīng)濟，鹽穴成為存儲不溶解鹽的物質(zhì)，如液態(tài)、氣態(tài)烴以及相關(guān)產(chǎn)品，空氣、氫氣，甚至核廢料等的良好場所。本文主要探討鹽穴在儲能技術(shù)中的應用。

壓縮空氣儲能技術(shù)中的鹽穴應用

傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能（compressed air energy stor-age，CAES）電站由壓縮機、儲氣室、渦輪膨脹機、發(fā)電機一電動機單元等組成。其工作原理為：在用電低谷期，電動機與壓縮機相連，通過消耗電網(wǎng)中的電或者可再生能源發(fā)出的電對空氣進行壓縮，并將壓縮空氣儲存到地下儲氣室中，而渦輪機不工作；在用電高峰，壓縮機不工作，地下儲氣室中的壓縮空氣被釋放，并被輸送到燃燒室對天然氣進行燃燒，燃燒后生成的氣體分為兩個階段（高壓階段和低壓階段）被輸送到不同的氣壓渦輪機進行發(fā)電。產(chǎn)生的電隨后進入到電網(wǎng)中，用來緩解用電的需求。除了能對用電峰谷進行調(diào)節(jié)外，由于傳統(tǒng)的燃氣輪機發(fā)電組的發(fā)電量的60%用來壓縮空氣，而壓縮空氣儲能電站由于發(fā)電時期節(jié)省了這一部分壓縮所需的功，從而使輸出功率約為傳統(tǒng)燃機電站的3倍。

儲氣庫作為壓縮空氣儲能電站的重要部分，對于容量大的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，儲氣庫通常選擇建于地下的鹽礦、硬石巖洞或者多孔巖洞中，對于微小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)，可采用地上高壓儲氣容器作為儲氣庫。鹽巖能夠很好適應儲存壓力的變化，且鹽穴簡易的造腔手段，使得地下鹽穴在作為壓縮空氣儲能系統(tǒng)的地下儲氣庫方面具有較大的優(yōu)勢，不僅能夠保證儲氣的安全性，還能極大地減小建庫的成本。

目前，世界上已有兩座大型壓縮空氣儲能電站投入商業(yè)運行，分別為1978年投入商業(yè)運行的德國亨托夫（Huntorf）電站和1991年投入商業(yè)運行的美國亞拉巴馬州的麥金托什（Mclntosh）電站。二者均選擇鹽穴作為地下儲氣庫，其容積分別達到310000和560000米，，每天的漏氣量僅為總儲氣量的l0^-6-10^-5，其儲氣洞的投資成本約為1-2美元/千瓦時（儲氣所能產(chǎn)生的能量）。如采用新開掘的硬石巖洞，其投資成本較高，約30美元/千瓦時，而如果通過改造已存在的巖洞，可以將投資成本控制在約10美元/千瓦時，但是在儲氣的過程中，巖洞以及水泥輸氣管路存在漏氣問題。

德國亨托夫電站將壓縮空氣存儲在地下600米的鹽穴中，壓縮空氣的壓力最高可達10兆帕。機組的壓縮機功率60兆瓦，釋能輸出功率為290兆瓦，可連續(xù)充氣8小時，連續(xù)發(fā)電2小時，設備的利用率為86%。美國亞拉巴馬州的麥金托夫電站，地下鹽穴儲庫深度為450米，壓縮空氣儲氣壓力為7.5兆帕。該儲能電站壓縮機組功率為50兆瓦，發(fā)電功率為110兆瓦，可以實現(xiàn)連續(xù)41小時空氣壓縮和26小時發(fā)電。該電站由亞拉巴馬州電力公司的能源控制中心進行遠距離自動控制，設備的利用率高達95%。

除此之外，美國俄亥俄州從2001年起開始建設一座2700兆瓦的大型壓縮空氣儲能商業(yè)電站，該電站由9臺300兆瓦機組組成。該電站也是選取鹽穴作為地下儲氣庫，鹽穴的深度為670米，容積為9.57x10⁶米³。美國艾奧瓦州壓縮空氣儲能電站也正在規(guī)劃建設中，該電站選取地下多孔巖洞作為儲氣庫。日本于2001年投入運行的上砂川盯壓縮空氣儲能示范項目（未商業(yè)運營）位于北海道空知郡，該電站采用廢棄的煤礦坑（約在地下450米處）作為儲氣洞穴，最大壓力為8兆帕。瑞士ABB公司正在開發(fā)聯(lián)合循環(huán)壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)地下儲氣庫為硬石巖洞，空氣壓力為3.3兆帕。這些儲能電站未能選取鹽穴作為地下儲氣庫，很大程度上與鹽巖沉積地層的分布及厚度有關(guān)。

目前除德國、美國、日本、瑞士外，俄羅斯、法國、意大利、盧森堡、南非、以色列和韓國等也在積極開發(fā)壓縮空氣儲能電站。我國對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)起步比較晚，但近年來隨著電力儲能需求的快速增加，壓縮空氣儲能電站的建設刻不容緩。我國廣泛發(fā)育于不同時代的鹽巖地層，塔里木盆地、四川盆地、鄂爾多斯盆地、江漢盆地和渤海灣盆地等均可見不同時代的鹽巖地層分布，在利用鹽穴建設壓縮空氣儲能電站上有著較大優(yōu)勢。2014年12月，我國首臺兆瓦級壓縮空氣儲能項目——貴州畢節(jié)1.5兆瓦壓縮空氣儲能系統(tǒng)已經(jīng)正式啟動建設。

壓縮氫氣儲能技術(shù)中的鹽穴應用

氫是自然界中含量最多的元素，且氫能利用形式多種多樣，如交通運輸、供暖、發(fā)電等方面，因此氫能將是21世紀全球經(jīng)濟發(fā)展的基石。壓縮氫氣儲能（compressed hydrogen energy storage，CHES）技術(shù)是在壓縮空氣儲能技術(shù)上發(fā)展而來。與壓縮空氣儲能技術(shù)類似，壓縮氫氣儲能技術(shù)在電力的生產(chǎn)、運輸和消費等領(lǐng)域也具有廣泛的應用價值，如削峰填谷、平衡電力負荷和作為備用電源等。其基本原理是在用電低谷時，將電網(wǎng)中過剩的電力輸送到電解槽中對水進行電解，產(chǎn)生氫氣和氧氣。之后通過壓縮機對電解產(chǎn)生的氫氣進行壓縮，并儲存在地下儲氣庫中。而在用電高峰期，地下儲氣庫中的壓縮氫氣被釋放出來進行發(fā)電，其中小部分電力通過壓縮氫氣推動渦輪機進行的發(fā)電，大部分電力由氫氣在質(zhì)子交換隔膜（PEM）燃料室中進行燃燒發(fā)電。產(chǎn)生的電力被輸送到電網(wǎng)中用來緩解用電需求。

相比于壓縮空氣儲能技術(shù)，壓縮氫氣儲能技術(shù)的缺點在于相對較低的循環(huán)效率和較高的成本，但其突出的優(yōu)點使得壓縮氫氣儲能技術(shù)在未來有著廣闊的前景。首先，在儲氣庫規(guī)模相同的情況下，壓縮氫氣儲能技術(shù)能夠儲存更多的電力，因此更能滿足未來較大的儲能需求。此外，壓縮氫氣儲能技術(shù)產(chǎn)生的氫氣可以用作清潔的交通燃料，而電解產(chǎn)生的副產(chǎn)品氧氣，也可用于多種用途，如助燃氣、醫(yī)用等。

與壓縮空氣儲能技術(shù)類似，壓縮氫氣儲能技術(shù)儲氣庫的選擇也需要考慮安全性和經(jīng)濟性等眾多因素。傳統(tǒng)的氫氣地下存儲共有四種方法，可以存儲在地下鹽穴、地下含水層、廢棄的石油或天然氣儲層、堅硬的巖穴中。相比于其他地下儲氫方式，鹽穴更能適應儲存壓力的變化，在儲氣庫規(guī)模一定的條件下，能夠保證氫氣被高效壓縮。

此外，相比于空氣，氫氣具有更強的流動性和泄漏風險。氫氣較低的分子量使其具有更容易向上快速擴散的特性，當氫氣的流通形成一定的通道后，氫氣比空氣更容易形成氣體指進。在注入和采出速度較快的情況下，氣體的指進現(xiàn)象愈加明顯，因此氫氣的地下存儲和采出要充分考慮氫氣的易擴散性對速度的限制。在氣體快速注入時，氣體的黏性力作用超過了重力引發(fā)的垂向力作用，從而主導氣體形成向上的運移狀態(tài)，這使得氣體穿越蓋層滲透至地面的可能性大大提高。鹽穴氣密性很高，可以以較高的注入和采出速度實現(xiàn)氫氣的有效存儲；由于鹽穴埋藏深、上覆巖層結(jié)構(gòu)致密、地層壓力大，極其有利于流動性好、大規(guī)模壓縮的氫氣的地下存儲。

目前，全球共有四座氫氣地下儲氣庫（三座位于美國）均選擇地下鹽穴作為氫氣儲氣庫，但尚未有壓縮氫氣儲能電站運營的報道。美國國家能源部可再生能源實驗室（NREL）和艾塞爾（Xcel）能源公司的在科羅拉多州的風能一氫氣示范項目論證了壓縮氫氣儲能的可行性，預計在未來將成為儲能技術(shù)中重要的一種方式。我國氫氣地下存儲研究相對較少，尚無地下儲氫實踐，但我國含鹽地層豐富，應參考國內(nèi)外實踐經(jīng)驗進行壓縮氫氣儲能技術(shù)的探索。

綜上所述，壓縮空氣儲能技術(shù)和壓縮氫氣儲能技術(shù)在電力的生產(chǎn)、運輸和消費等領(lǐng)域具有廣泛的用途，是目前大規(guī)模儲能技術(shù)的研發(fā)熱點，在未來有著廣闊的應用前景。鹽穴由于較為簡易的造腔手段，較好的封閉性，對儲存壓力變化的較好適應能力，在作為儲氣室方面有著較大優(yōu)勢，在儲能技術(shù)領(lǐng)域?qū)絹碓绞艿街匾暋?/p>