付亞榮 宋賈利 錢洪霞 趙玉政 唐敬 趙海英 劉若兮 彭菁菁 趙立忠 王嬙

（中國石油華北油田公司）

1 概述

“容和一號”是國家電力投資集團公司研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鐵-鉻液流電池堆[1]。自1974年Thaller[2]率先提出氧化還原電化學儲能電池的概念后，液流電池應運而生，世界各國投入了大量的人力物力研究全釩液流電池、鐵-鉻液流電池、鋅-溴液流電池、鋅-鐵液流電池[3]。2019年11月5日國家電投中央研究院自主研發(fā)的全球首個最大功率31.25 k W的鐵-鉻液流電池電堆成功下線并通過了檢漏測試；2020年在張家口戰(zhàn)石溝建成全球最大規(guī)模250 k W/1.5 MWh儲能示范項目[4]，穩(wěn)定運行400余天，完成200余次充放電循環(huán)，經(jīng)受了張家口地區(qū)-40℃的極寒考驗。2021年10月24日，中共中央、國務院印發(fā)《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，確立了我國碳達峰、碳中和的“1+N”政策框架；2021年10月26日，國務院印發(fā)《2030年前碳達峰行動方案》指出，在未來10年內(nèi)碳達峰將貫穿經(jīng)濟社會發(fā)展的各個方面，并重點要求做好“碳達峰十大行動”[5]。太陽能、風能、氫能、地熱能、物質(zhì)能等清潔能源對“碳達峰碳中和”至關(guān)重要[6]，要求新能源與性能優(yōu)異、價格廉價、運行壽命長的儲能設(shè)備相配套，滿足電網(wǎng)消納調(diào)峰。近年來，中國石油以“雙碳”為目標，堅持“在保護中開發(fā)、在開發(fā)中保護、環(huán)保優(yōu)先”的原則，按“清潔替代、戰(zhàn)略接替、綠色轉(zhuǎn)型”總體部署發(fā)展新能源[7-8]。筆者根據(jù)鐵-鉻液流儲能電池的技術(shù)特點和工作原理，結(jié)合油氣田現(xiàn)場按“雙碳”要求組織生產(chǎn)的實際，闡述了鐵-鉻液流儲能電池將在油氣田天然氣發(fā)電、地熱利用、太陽能利用、邊零井站、新區(qū)試采等方面發(fā)揮重要的作用。

2 鐵-鉻液流儲能電池

鐵-鉻液流儲能電池由點電池單元、正負極電解液、電解液存儲單元以及管理控制單元等部分構(gòu)成，見圖1，其中鐵-鉻液流電池儲能單元的電解質(zhì)溶液為鹽酸鹽的水溶液。

圖1 鐵-鉻液流電池基本原理圖

鐵-鉻液流儲能電池具有大于10 000次的循環(huán)壽命、常溫常壓無爆炸風險、相對較低的電解質(zhì)溶液毒性和腐蝕性、-20～70℃啟動、無自放電現(xiàn)象、額定功率和額定容量獨立易擴容、模塊化設(shè)計、電解質(zhì)溶液可循環(huán)利用、電解質(zhì)溶液原材料資源豐富且成本低等技術(shù)優(yōu)勢[9]，鐵-鉻液流電池與其他電化學電池技術(shù)對比見表1、鐵-鉻液流電池與其他電化學電池關(guān)鍵原材料對比見表2。

表1 鐵-鉻液流電池與其他電化學電池技術(shù)對比

表2 鐵-鉻液流電池與其他電化學電池關(guān)鍵原材料對比

據(jù)測算，每投運1GW、儲能時長6 h的鐵-鉻液流儲能電池系統(tǒng)，年可增加優(yōu)質(zhì)風電和光伏發(fā)電上網(wǎng)電量1 980 GWh，直接減少碳排放量約196×104t，減少粉塵排放約54×104t，相當于替代標準燃煤約75×104t。新能源配儲能政策，每新建1 GW儲能系統(tǒng)可以支持5 GW新能源新建并網(wǎng)，按年利用小時數(shù)1 500 h計，間接減少二氧化碳排放量748×104t，減少粉塵排放204×104t，節(jié)約標煤286×104t，為我國新型電力系統(tǒng)建設(shè)和“3060”目標實現(xiàn)注入科技強勁動力。

3 油氣田“雙碳”發(fā)展的思考

油氣田開發(fā)“雙碳”發(fā)展的核心就是推動能源轉(zhuǎn)型，其實質(zhì)就是推進清潔能能源的供應和使用[10]。油氣田開發(fā)涉及的鉆井、試油、修井、采油、注水、集輸?shù)认牡碾娏φ汲杀颈戎睾艽?，且大部分使用國家電網(wǎng)的“灰電”，少部分是油田企業(yè)天然氣發(fā)電自備電網(wǎng)的“灰電”。事實上，油田可以利用自備電網(wǎng)消納分布式光伏發(fā)電、風電、地熱發(fā)電[11]或利用鐵-鉻液流儲能電池系統(tǒng)儲存電能；也可以憑借“錯峰填谷”策略[12]，谷期利用鐵-鉻液流儲能電池系統(tǒng)儲存電能，峰期釋放電能，提高“綠電”應用比例。

3.1 油田伴生天然氣發(fā)電

原油開采過程中有部分伴生天然氣產(chǎn)出，油田根據(jù)伴生天然氣量利用天然氣壓縮機、定壓放氣閥、自控式回收裝置和加藥收氣一體化裝置等方式將其回收，回收的天然氣少部分作為聯(lián)合站加熱爐燃料，大部分用于天然氣發(fā)電，然而受油田用電負載的影響，油田自備電網(wǎng)又不滿足與網(wǎng)電消納并網(wǎng)將剩余電量輸出的條件，往往只有采取將多余天然氣用火炬系統(tǒng)放空燃燒，浪費了天然氣資源。

油田管理和技術(shù)人員在進行工藝設(shè)計時，是否可以考慮將多余電量用鐵-鉻液流儲能電池系統(tǒng)儲存起來，用于油田其它用電設(shè)備。

3.2 分布式光伏發(fā)電、風電

我國東北、西北、華北的油氣田企業(yè)風能、光能資源豐富，有條件的油田依據(jù)現(xiàn)有井場和站場土地資源、電網(wǎng)分布、電網(wǎng)消納能力、用電負荷分布等情況，建設(shè)了分布式光伏系統(tǒng)，替代或部分替代了網(wǎng)電，貢獻了“雙碳”目標。華北油田部分單井拉油點利用太陽能集熱輔助電加熱加溫的光電一體化裝置替代化石燃料加熱爐，實現(xiàn)了儲油罐原油和油井集油管線伴熱運行；2018年吉林油田投運了年發(fā)電量約為2 400×104kWh的15 MW光伏發(fā)電設(shè)備，相比網(wǎng)電節(jié)約電價0.39元/kWh，年節(jié)約7 416 t標準煤當量，年減少二氧化碳排放量約19 281 t、二氧化硫排放量約178 t、氮氧化物排放量約52 t。實質(zhì)上，油田企業(yè)也可以用鐵-鉻液流儲能電池系統(tǒng)儲存無法并網(wǎng)消納的光電和風電，補償在鉆井、修井施工用電。

3.3 地熱發(fā)電

地熱（干熱巖）國際社會公認的高效低碳清潔能源地熱資源，其勘探開發(fā)和利用已正式列入中國能源企業(yè)的經(jīng)營范圍。在對118個節(jié)點集風力發(fā)電、光伏發(fā)電、火力發(fā)電、地熱發(fā)電等新型電力系統(tǒng)進行分析表明，當20%的火力發(fā)電機組被地熱發(fā)電替代后，系統(tǒng)30年的總經(jīng)濟成本約降低14%。目前大慶、遼河、華北、冀東、江漢、大港、勝利、中原等油田已將廢棄井改造成地熱井為油田生產(chǎn)或民用采暖提供熱源。例如華北油田利用地熱資源相繼完成了油田原油集輸伴熱、民用供暖、地熱發(fā)電、地熱能農(nóng)業(yè)利用等綜合開發(fā)利用實踐。按照國家發(fā)展改革委和國家能源局2019年發(fā)布的《關(guān)于建立健全可再生能源電力消納保障機制的通知》精神，清潔電力消納責任指標，也將向油氣田企業(yè)自備電網(wǎng)傳遞，這給油氣田地熱發(fā)電帶來了發(fā)展機遇。同樣地，油氣田地熱發(fā)電也可以用鐵-鉻液流儲能電池系統(tǒng)進行儲存，用于油田自備電網(wǎng)消納調(diào)峰、鉆井、壓裂、酸化、地面工程建設(shè)、邊零井站等，也可以用于支援偏遠山區(qū)電力扶貧。

3.4 邊零井站與新區(qū)試采

油田邊零井站與新區(qū)試采站點，基本上沒有被電網(wǎng)和油田自備電網(wǎng)所覆蓋，生產(chǎn)用電依靠柴油發(fā)電機現(xiàn)場供電，柴油發(fā)電機供電具有高運行成本、大運行維護工作量、高噪音污染、高大氣環(huán)境污染等特點，同時，還需要專人管理和存在廉潔風險?！叭莺鸵惶枴蹦転楸本┒瑠W會提供清潔電能，油田企業(yè)也可以利用“容和一號”儲存網(wǎng)電峰谷電能、風電電能、光電電能、地熱電能，應用于邊零井站與新區(qū)試采，照亮油氣田“雙碳”前景。

3.5 老油田二次開發(fā)

老油田二次開發(fā)之重構(gòu)井網(wǎng)時，根據(jù)地質(zhì)情況，充分利用廢棄油水井進行地熱開發(fā)利用；重組地面流程時，充分考慮碳交易機制，采取新能源替代構(gòu)思，地熱電、風電、光伏電和鐵-鉻液流儲能電池系統(tǒng)進行整體設(shè)計，各種形式電能互聯(lián)互通和智能控制及就地消納，實現(xiàn)能源集成優(yōu)化供需調(diào)節(jié)及替代作用。

4 結(jié)論

1）由鐵-鉻液流電池堆構(gòu)成的“容和一號”在第24屆北京冬奧會穩(wěn)定存儲并提供了超過5×104k Wh清潔電能，為油氣田“雙碳”發(fā)展提供了新的思路和方法。

2）油氣田開發(fā)過程中，油田伴生天然氣發(fā)電、分布式光伏發(fā)電和風電、地熱發(fā)電、邊零井站與新區(qū)試采、老油田二次開發(fā)等均可以采取各種形式電能互聯(lián)互通和智能控制及就地消納，實現(xiàn)能源集成優(yōu)化供需調(diào)節(jié)及替代作用。