在高纯度岩盐层中储存地下氢气的可行性评估

《Journal of Energy Storage》：Feasibility assessment of underground hydrogen storage in highly impure rock salt formations

研究高杂质盐层地下氢气存储（UHS）的可行性，通过岩心渗透率测试与数值模拟，分析最大工作压力、盐层渗透率、盐屋顶厚度及注采频率对密封性的影响，提出同层安全 pillar宽度不小于1.5D，不同层不小于0.25D的优化方案，验证UHS在高杂质盐层中的技术路径。

　　

李航|杨春和|马红玲|李振涛|朱世杰|方江宇|王轩|梁瑞|田浩

中国重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆，400044

摘要

地下氢储存（UHS）是一种整合可再生能源和平衡电力生产和消费需求的潜在解决方案。本文研究了在杂质含量较高的盐层中实施UHS的可行性。研究目标盐层由夹层岩盐组成，对其渗透性进行了测量。分析了影响UHS密封性的因素，包括最大工作压力（MOP）、盐层渗透性、盐层顶板厚度以及注入-抽出频率。研究结果表明：随着MOP的增加，介质孔隙压力范围扩大，而高孔隙压力范围基本保持不变；盐层渗透性提高时，盐层的渗透范围和泄漏率增加，夹层岩盐的渗透范围减小且泄漏率上升；盐层顶板厚度增加时，顶部夹层的渗透范围显著减小，尤其是在中高孔隙压力区域。相对高渗透性的夹层岩盐对注入-抽出频率更为敏感，而渗透性较低的岩盐则不那么敏感。根据塑性区和位移情况，建议同一盐层中的支柱宽度不小于1.5D（洞穴直径）；为避免套管发生拉伸破坏，不同盐层中的支柱宽度建议不小于0.25D。本研究证明了在杂质含量较高的盐层中实施UHS的可行性，并提出了一种有效利用可再生能源和盐矿资源的方案。

引言

氢作为一种低碳能源载体，被认为是21世纪最具前景的清洁能源[1][2][3]。目前，主要的氢来源仍然是灰氢和蓝氢，它们由天然气和煤炭生产[4]。这是因为2022年化石燃料仍占一次能源的82%，其中煤炭和天然气分别用于发电，占比分别为35.4%和23%[5]。与灰氢和蓝氢相比，通过可再生能源生产的绿氢是一种低碳或碳中性的能源载体，在减少全球温室气体排放、增强能源安全以及支持电力生产、交通和工业等行业的脱碳方面发挥着关键作用[6][7]。已有20多个国家和地区将绿氢纳入了国家氢能发展战略，其未来发展前景广阔[8]。 中国拥有全球最大的海上风电产能[9]。截至2023年初，中国已成功将114个海上风电场接入电网，总装机容量达到28.6吉瓦，是第二大海上风电生产国英国（13.7吉瓦）的两倍[10]。生产绿氢最成熟的方法是利用可再生能源电解水[11]。图1展示了一个结合了风能、太阳能和地下氢储存（UHS）的新电力系统。2023年5月，在福清市的兴化湾进行了无需脱盐的直接海水电解技术的海上试验[12]。这项技术能够利用海上风电建设海水制氢工厂，从而推动海洋绿氢产业的发展。然而，可再生能源具有间歇性、波动性和不可预测性，这给电网运行带来了挑战，可能导致大规模停电[13][14][15]。为解决这一问题，大规模的UHS可以利用海上风电等可再生能源来平衡新电力系统的生产和消费需求。 表1详细比较了以往关于各种类型UHS的研究。根据储存介质的不同，UHS设施可分为盐洞[16][17]、枯竭油气藏（DOGRs）[18][19]和含水层[20]。在全球范围内，DOGRs占UHS设施的75.08%，其次是含水层（12.93%）和盐洞（11.99%）[21]。为确保储层完整性，枯竭油气藏中的缓冲气体约占储层体积的50-80%，含水层为50-60%，盐洞为20-30%[22]。与DOGRs和含水层相比，盐洞具有更好的削峰能力、更高的注入和抽出速率以及更低的缓冲气体需求[23]。此外，盐洞的高盐度环境可能抑制微生物活动，从而减少生物生成氢的损失，相比盐度较低的储层更具优势[24]。这种天然的微生物抗性，加上其地质特性，使岩盐成为UHS的最佳介质。Ma?achowska等人[25]评估了在盐洞中大规模储存氢的可行性，强调了其相对于枯竭气田和含水层的优势。Tarkowski等人[26]进一步量化了这一潜力，估计波兰盐洞（0.05-0.20 TWh_H2）和深含水层（0.016-4.46 TWh_H2）的平均储存容量。Qiu等人[27]还展示了氢渗透能源系统在DOGRs和盐洞中的经济和环境效益，表明可以降低成本和减少碳排放。尽管DOGRs和含水层由于储存容量大和地质条件复杂，可能更适合长期UHS[28][29]，但盐洞显然更适合短期、高频的氢储存应用。 研究人员通过实验室实验和数值模拟广泛研究了盐洞中UHS的稳定性和密封性。Chang等人[30]研究了循环加载对盐洞稳定性的影响，得出压力循环和多洞布置是决定地质力学行为的关键因素。Li等人[31]研究了不同深度下操作频率对盐洞稳定性的影响，发现过高或过低的频率都会因岩盐中的蠕变和疲劳效应而降低稳定性。Grgic等人[32]研究了不同加载路径下岩盐的渗透性变化，发现动态疲劳过程中渗透性增加，而静态蠕变过程中渗透性降低。B?ttcher等人[33]模拟了UHS盐洞的热力学行为，发现降低操作频率可以有效避免周围岩石的拉伸应力。AbuAisha等人[34]探讨了氢的传输机制，并建立了盐洞中氢迁移的数学模型。Zhu等人[35]系统分析了盐洞中氢损失的四种途径，发现主要途径是通过盐层顶板和井筒泄漏。Fatah等人[36][37]系统研究了氢与硬石膏、石膏、岩盐和各种粘土矿物的化学反应，全面评估了矿物反应对储层完整性的影响。Minougou等人[38]探讨了在杂质含量较高的盐层中实施UHS的挑战，强调了与理想纯盐层相比的复杂性和风险。上述大多数研究集中在盐穹中的UHS，而对含杂质较多的岩盐的层状储层研究较少。在这些储层中，夹层和杂质含量高的区域通常是评估潜在氢泄漏的关键区域。虽然许多夹层具有足够的密封性，但某些杂质的存在可能会影响岩盐的渗透性和强度，特别是在循环压力条件下，增加泄漏风险。因此，在杂质含量较高的盐层中实施大规模UHS时，需要结合地质特征、设计适当的操作参数并确定周围岩石的密封性。 本研究主要关注杂质含量较高的盐层中氢的渗流行为。利用海上风电电解海水产生的氢随后储存在盐洞中。测量了淮安盐矿岩盐和夹层样品的渗透性，并分析了影响盐洞密封性的因素，包括最大工作压力（MOP）、盐层渗透性、盐层顶板厚度以及注入-抽出频率。此外，还讨论了同一盐层和不同盐层中UHS盐洞的支柱宽度。本研究为杂质含量较高的盐层中的UHS提供了重要基础。

地质特征

图2显示了中国东部沿海江苏省的三个主要盐矿。该省在淮安、金坛和凤仙拥有丰富的可再生能源资源和盐矿资源。这一地理优势为利用过剩的风能通过电解海水生产氢并储存在地下盐洞中提供了可能，从而实现了风能的高效利用。

仿真模型和本构律

为了评估杂质含量较高的盐层中UHS洞的密封性，开发了一个地质力学模型（图4），并导入软件FLAC^3D进行数值模拟[43]。在此分析中，假设地质构造中的每种材料都是各向同性的。模型中使用的力学参数见表3。该模型的深度范围为500米至1300米，尺寸为800米（高度）、1000米（长度）和400米（宽度）。

分析影响周围岩石密封性的因素

分析了影响UHS盐洞密封性的因素，包括最大工作压力（MOP）、盐层渗透性、盐层顶板厚度以及注入-抽出频率。

关于安全支柱宽度的讨论

在本节中，通过对UHS盐洞的稳定性分析，在满足密封性要求的前提下确定了安全支柱宽度。根据第4节的内容，周围岩石在6 MPa孔隙压力下的最大渗透范围为35.8米。因此，在第5.1节中设计的支柱宽度分别为1.0D（洞穴直径）、1.5D、2.0D和2.5D。

结论

本文评估了在杂质含量较高的盐层中实施地下氢储存（UHS）的可行性。结论如下：

• (1)
  大规模UHS结合现场海水电解和海上风电等可再生能源，为新的电力系统平衡负荷需求提供了一种可行的方法。渗透性测试表明，高杂质含量岩盐和夹层的渗透范围分别为
  $2.26\times$10?18$3.82\times$10?17$8.82\times$10

CRediT作者贡献声明

李航：撰写——审稿与编辑，数据整理。杨春和：方法论，概念构建。马红玲：撰写——初稿，资金筹集。李振涛：调查，数据分析。朱世杰：软件开发，数据整理。方江宇：验证，监督。王轩：方法论，调查。梁瑞：可视化，资源协调。田浩：验证，概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：U25A20267）和湖北省重大研发计划（项目编号：2022BAA093、2022BAD163）的财政支持。