地下储氢库发展现状及气藏型储氢库高效建库十大技术挑战.pdf
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1、第 43 卷第 11 期2023 年 11 月 164 天然气工业Natural Gas Industry引文:潘松圻,邹才能,王杭州,等.地下储氢库发展现状及气藏型储氢库高效建库十大技术挑战J.天然气工业,2023,43(11):164-180.PAN Songqi,ZOU Caineng,WANG Hangzhou,et al.Development status of underground hydrogen storages and top ten technical challenges to efficient construction of gas reservoir-type
2、underground hydrogen storagesJ.Natural Gas Industry,2023,43(11):164-180.地下储氢库发展现状及气藏型储氢库高效建库十大技术挑战潘松圻1邹才能1,2王杭州1熊 波1王子恒1,3王 珂1,3穆 英1王 珊1,4李周波5李国辉6崔少东6杨 轩1马 琳31.中国石油深圳新能源研究院2.中国石油勘探开发研究院3.英国曼彻斯特大学4.比利时根特大学5.宝鸡石油钢管有限责任公司6.中国石油天然气管道工程有限公司摘要:地下储氢技术利用地下构造空间实现氢气大规模高压气态储存,具有安全性高、成本低、规模大、周期长的优势,但中国地下储氢库研究起步
3、较晚,尚无地下构造空间储氢实践,亟待形成完整的地下储氢库高效建库方案。为此,在总结国内外用于地下储氢构造空间的类型,回顾地下储氢技术发展历史与现状的基础上,系统梳理了气藏型储氢库高效建库亟待解决的十大技术挑战,研究结果表明:气藏型地下储氢库的潜在库址与新能源发电资源具有高度的空间重合,便于绿电就地消纳,最适宜我国大规模发展;气藏型地下储氢库高效建库需重点解决十大技术挑战,即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、垫层气类型与占比优选、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、建库及注采工程关键技术装备、运行期监测与动态分析、风险评估与应急处
4、置方案、生命周期评估等。结论认为:中国发展地下储氢库具有潜在枯竭/衰竭气藏库址众多的资源优势,复杂地质条件储气库创新实践的技术优势,氢能产业链上下游协同发展的产业优势和未来市场应用前景广阔的规模优势,具备实现工业化发展的条件和基础;针对气藏型储氢库建库难题,需开展系统性技术攻关,构建地质综合选址评价体系,优化储库注采运行方案,研发氢用配套管材与设备,形成运营监测与风险管理系统,建立适应中国地质条件的综合建库理论技术体系。关键词:氢能;能源转型;新能源消纳;地下储氢库;枯竭气藏;盐穴;大规模储氢;长周期储氢DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2023.11.016Devel
5、opment status of underground hydrogen storages and top ten technical challenges to efficient construction of gas reservoir-type underground hydrogen storages PAN Songqi1,ZOU Caineng1,2,WANG Hangzhou1,XIONG Bo1,WANG Ziheng1,3,WANG Ke1,3,MU Ying1,WANG Shan1,4,LI Zhoubo5,LI Guohui6,CUI Shaodong6,YANG X
6、uan1,MA Lin3(1.PetroChina Shenzhen New Energy Research Institute,Shenzhen,Guangdong 518054,China;2.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Beijing 100083,China;3.University of Manchester,Manchester M13 9PL,UK;4.Ghent University,Sint-Pietersnieuwstraat 25 Ghent,Belgium;
7、5.CNPC Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji,Shaanxi 721000,China;6.China Petroleum Pipeline Engineering Co.,Ltd.,Langfang,Hebei 065000,China)Natural Gas Industry,Vol.43,No.11,p.164-180,11/25/2023.(ISSN 1000-0976;In Chinese)Abstract:Underground hydrogen storage achieves large-scale high-pressure
8、 gaseous hydrogen storage through underground structural spaces,and it has the advantages of high safety,low cost,large scale and long period.In China,however,the researches on underground hydrogen storage began later,and there has been no practice of hydrogen storage in underground structural space
9、,so it is in urgent need to develop a complete scheme for the efficient construction of underground hydrogen storage.In this paper,the types of underground structural spaces for hydrogen storage domestically and internationally are summarized,and the development history and status of underground hyd
10、rogen storage technologies are reviewed.In addition,the top ten technical challenges to the efficient construction of gas reservoir-type underground hydrogen storages are systematically analyzed,and the corresponding suggestions are proposed.And the following research results are obtained.First,from
11、 the perspective of space,the potential sites of gas reservoir-type underground hydrogen storage coincide highly with the new energies for power generation,which is favorable for the local consumption of green electricity.Therefore,China has the most suitable conditions for the large-scale developme
12、nt of gas reservoir-type underground hydrogen storage.Second,the top ten technical challenges to the efficient construction of gas reservoir-type underground hydrogen storage include the integrity and geological site evaluation,the reaction mechanism between hydrogen and reservoir media,the influenc
13、e of hydrogen loss and purity on hydrogen storage efficiency,the determination of cushion gas type and percentage,the injection-production flow theory and storage capacity design,the special pipe and key pipeline engineering technology for underground hydrogen storage,the key technology and equipmen
14、t for the construction and operation engineering of underground hydrogen storage,the operation monitoring and performance analysis,the risk assessment and emergency response scheme,and the lifecycle evaluation.In conclusion,China has the following advantages in developing underground hydrogen storag
15、e,including the resource advantage of abundant depleted gas reservoir as storage sites,the technological advantage of innovative underground hydrogen practice storage under complex geological conditions,the industrial advantage of collaborative development of upstream and downstream of hydrogen ener
16、gy industry chain,and the scale advantage of promising application prospect in the future market.And besides,it has the conditions and foundations for the industrial development of underground hydrogen storage.Whats more,to address the difficulties in the construction of gas reservoir-type undergrou
17、nd hydrogen storage,it is necessary to carry out systematical technological researches to build a comprehensive geological site selection evaluation system,optimize the injection and production scheme,develop supporting pipes and equipment special for underground hydrogen storage,and establish an op
18、eration monitoring and risk management system,hence establishing the comprehensive theoretical and technological system suitable for the construction of underground hydrogen storage under the geological conditions in China.Keywords:Hydrogen energy;Energy transition;New energy consumption;Underground
19、 hydrogen storage;Depleted gas reservoir;Salt cavern;Large-scale hydrogen storage;Long-term hydrogen storage 基金项目:国家自然科学基金面上项目“基于微观油岩相互作用的陆相页岩油可动性定量表征”(编号:42172180)、中国石油天然气集团有限公司科技项目“制氢储氢机理、新材料与新方法研究”(编号:2023ZZ12)。作者简介:潘松圻,1986 年生,高级工程师,博士,本刊青年编委;主要从事地下储能与能源战略研究等工作。地址:(518054)广东省深圳市南山区南山大道 1110 号。OR
20、CID:0000-0002-7408-7861。E-mail:通信作者:王子恒,1995 年生,博士;主要从事地下储能与岩土工程学研究等工作。地址:(518054)广东省深圳市南山区南山大道 1110 号。ORCID:0000-0002-7751-024X。E-mail:第 11 期 165 潘松圻等:地下储氢库发展现状及气藏型储氢库高效建库十大技术挑战0引言目前全球能源生产结构正经历以化石能源为主向以新能源为主的转型,低碳能源的大规模推广应用是实现碳中和目标的首要任务。氢气作为一种清洁、高效、可再生的二次能源,单位质量能量密度高,可通过电解水、生物质转化、工业副产氢等多种途径生产,是化石能源
21、向新能源转型的重要战略发展方向。储氢技术是氢能产业链中连接上游制氢与下游用氢的重要一环,主要包括高压气态储氢技术、低温液态储氢技术、有机物液体储氢技术和固态储氢技术 4 种类型。地下储氢是利用地下构造空间实现氢气大规模高压气态储存的技术,具有高安全、低成本、大规模、长周期的优势。地下储氢库技术始于 20 世纪 70 年代,英国、德国、美国、阿根廷等国家陆续开展了盐穴、枯竭气藏、含水层储氢的全尺寸实验以及工业示范。欧美等发达国家在地质选址评价、库容设计、建库工艺包以及储氢库运行监测等方面具有先发优势。我国地下储氢库研究起步较晚,在盖层密封性、储层生化反应机理等方面开展过相关研究,但整体处于计算机
22、模拟与实验室测试阶段,尚无地下构造空间储氢实践,亟待形成完整的地下储氢库高效建库方案。我国盐层分布较少、厚度较小、夹层多,盐穴型地下储氢库库址资源有限。而我国风能太阳能资源主要分布于油气田资源丰富的“三北”地区,气藏型地下储氢库的潜在库址与新能源发电资源具有高度的空间重合,便于绿电就地消纳。笔者通过调研现有国内外地下储氢库研究文献,总结了国内外用于地下储氢构造空间的类型,回顾了地下储氢技术的发展历史与现状。结合我国地质条件及氢能产业发展规划,针对地下储氢库研究当前面临的问题,总结出我国实现地下储氢高效建库的十大技术挑战,并提出相关建议,为我国地下储氢库高效建库提供参考。1地下储氢库的类型与作用
23、作为二次能源,氢气是一种清洁可再生的能量载体,氢能的综合利用是人类从资源型的“开发能源”向技术型的“创造能源”时代转变的重要节点1-2。如何将可再生能源生产的氢气大规模高效存储起来,以便在能源需求高峰时释放和转化,是全球范围内广泛研究的问题之一。氢气是自然界中最轻的气体,其密度分别为甲烷和二氧化碳的 1/8 和 1/22,常温常压下扩散速度为 5.13109 m2/s,显著高于甲烷的 1.85109 m2/s 和 CO2的 1.60109 m2/s3。因此,氢气存储需要更稳定的封闭系统才能提高储氢效率4。1.1地下储氢库构造空间类型相对化石能源,新能源的波动性更强,比如太阳能与风能存在明显的地
24、区性与季节性差异,但氢气应用场景却需要连续稳定供应,制氢端与用氢端存在时空错配5。例如,对于煤化工领域 3105 t/a 合成氨项目,设计年运行时间一般超过 7 000 h,重点城市群的氢燃料交通依赖可靠的氢气供应网络,因此需要连续稳定的氢气供应以保证工厂和城市的持续用氢需求6。如图 1 所示,地下储氢库处于氢能产业中游,通过合理的规划和管理,可以实现跨季度、跨年度调节氢气的生产和消费平衡,填平季节性供需差异,确保氢气供应稳定,提升国家能源供应的稳定性和可靠性。地下储氢库通常位于数百米至数千米的地层中,建库选址地质评价是地下储氢库建库工程最关键、最核心的技术。根据地质构造的不同,地下储氢库通常
25、包括盐穴、含水层和枯竭油气藏 3 种类型(图 2)。盐穴是在盐岩地层通过控制淡水循环注入而人工构建的构造空间,是目前世界上技术最成熟的地下储氢方式7。盐穴盖层渗透率低、力学性质稳定,氢气在盐岩中几乎不发生化学反应。含水层指多孔且可渗透的充满淡水或盐水的地下岩层,在沉积盆地中广泛分布。枯竭油气藏存储空间大,被认为是最具潜力的地下储氢地质构造8。我国枯竭油气藏分布广,主要在西北、华北、东北地区,地理上与油田、绿电产业匹配。这些油气藏已经过全面勘探开发,地质信息完整,地表和地下设施可重复利用,减少初期地质勘探和基础建设投资9。1.2地下储氢库在氢能产业链中的地位和作用电解水制氢可以作为电力负荷,拓展
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