综述：地下氢储存的综合性地质、经济和风险评估

《Fuel》：Integrated geological, economic, and risk assessment of underground hydrogen storage

地下氢存储（UHS）技术通过地质介质实现大规模氢能储存与释放，但其长期安全性和经济性仍受制于多因素耦合作用。本文整合实验室、核心尺度和储层模型研究，揭示氢岩相互作用机制：低饱和度下毛细管与粘滞指缝效应导致氢突破，限制孔隙利用率；多周期注排可提升储氢效率。同时提出储层物性、注入策略与监测技术协同优化方案，为UHS部署提供量化基础。

　　

普拉卡什·普尔斯瓦尼（Prakash Purswani）|比杰伊·K·C（Bijay K C）|李贤硕（Hyeonseok Lee）|杨云（Yun Yang）|乌瓦伊拉·C·伊亚雷（Uwaila C. Iyare）|劳伦斯·O·鲍姆蓬（Lawrence O. Baompong）|毛少文（Shaowen Mao）|李大卫·Z（David Z. Li）|吴志迪（Zhidi Wu）|钱杰特·切特里（Manjeet Chhetri）|于思琴（Siqin Yu）|张晓宇（Xiaoyu Zhang）|郑瑞毅（Ruyi Zheng）|切尔西·W·尼尔（Chelsea W. Neil）|康秦军（Qinjun Kang）|李文峰（Wenfeng Li）|尼拉·M·克雷西（Neala M. Creasy）|埃里克·J·吉尔蒂南（Eric J. Guiltinan）|赵文（Wen Zhao）|穆罕默德·梅哈纳（Mohamed Mehana）|迈克尔·R·格罗斯（Michael R. Gross）

美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯市洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory），邮编87545

摘要

地下储氢（UHS）是一种有前景的选项，可用于平衡可再生能源的波动，并支持氢能经济的发展。然而，这项技术仍处于早期阶段，关于地球化学和地质力学效应等耦合过程如何影响长期储氢安全性的关键问题仍然存在不确定性。在本文中，我们试图整合一个大规模、多尺度研究项目的结果，以量化核心可行性指标，并将这些研究置于正在进行的努力之中。通过这项工作，我们通过评估扩散损失、地球化学相互作用及其对地质力学性质的影响，以及注入和提取过程中的残余饱和度损失，来评估储氢过程中的氢气可回收性。分子和实验室研究表明，岩石学异质性、孔隙几何形状和矿物表面化学性质决定了氢气与岩石的相互作用，从而控制了损失途径。高压岩心注入技术被用来估计相对渗透率，并测量进行水库规模敏感性分析所需的参数。这些岩心尺度实验发现，在低饱和度下，由于毛细作用和粘性效应，氢气会早期突破，这限制了早期的孔隙空间利用率；而重复的注入和提取循环随着时间的推移提高了氢气的输送能力。技术经济因素和最终用途的纯度要求也被纳入我们的综合可行性分析中。最后，我们强调了地球物理监测和定制注入策略的重要性，以保持储氢系统的完整性和效率。总体而言，这些结果为安全、可扩展的地下储氢部署提供了定量基础，并指出了未来综合研究的重点。

引言

由于人口增长、发展中国家生活水平的提高以及发达国家经济的数字化，预计未来几十年能源需求将激增。一个新兴的需求是数据中心的能源消耗，这得益于人工智能（AI）、机器学习（ML）和大型语言模型的迅速发展。根据国际能源署的数据，数据中心的电力需求将主要由中国和美国主导，预计分别比2024年的水平增长约170%和130%[1]。最先进的AI模型需要在数百亿甚至数千亿个参数上进行训练，这在训练阶段需要大量的能源消耗[2]。这本身将导致全球能源电网的基础负荷迅速增加[3]。同时，亚洲和非洲的发展中国家正在经历前所未有的经济增长，使数百万人进入中产阶级[4]。满足这些多样化和不断增长的需求需要一个平衡且具有韧性的能源组合，包括化石燃料、可再生能源、核能和氢能（H₂）。

由于氢能既可以作为清洁燃料，也可以作为储能介质，它有望在满足未来能源需求方面发挥关键作用。全球氢能的年消费量约为9700万吨（Mtpa）[5]，预计到2030年将翻倍至约1800万吨[6]。这一增长得益于电解技术的进步、绿色氢生产成本的下降、氢能基础设施的扩展以及强有力的政策支持[5]。

虽然太阳能和风能等可再生能源是清洁能源生产的重要组成部分，但它们受到可变性和间歇性的限制[7]。太阳能仅限于白天，并且会随天气条件变化；而风能本身具有变异性且依赖于具体地点，这导致发电与需求之间的不匹配，通常需要削减多余的能源[8]、[9]。尽管电池储能对于短时应用有效，但由于能量密度有限、材料限制和生命周期成本的原因，它在季节性储能方面仍然不切实际。因此，氢能可以作为一种长期储能介质。此外，氢能可能为难以减排的行业（如航空、航运和钢铁制造）提供了一条可行的脱碳途径。例如，以氢能为动力的飞机已经处于早期测试阶段，基于氢的直接还原铁正在成为碳密集型钢铁制造的替代方案[10]、[11]。

在各种储氢选项中，地下储氢（UHS）是一个有前景且可扩展的选择。UHS涉及将氢气（例如通过电解多余可再生能源产生的气体）注入可进入的地质构造中，如盐穴、枯竭的油气田和深层咸水含水层[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。这使得大规模、长时期的储氢成为可能。与受体积、成本、安全性和材料脆化问题限制的地表储氢方法不同，UHS能够在发电或需求点附近储存大量氢气，从而减少了大规模运输基础设施的需求。例如，仅在美国，地下气体储氢（UGS）设施的潜在储氢量就约为327太瓦时（TWh）[20]。

尽管具有潜力，UHS也带来了一系列科学和技术挑战。氢气是一种高度扩散且分子量低的气体，容易泄漏。随着时间的推移，它可以通过岩石、裂缝甚至水泥和金属管道等工程材料迁移，引发对储存和完整性的担忧。地下系统涉及复杂的、尚未充分理解的地球化学和地质力学现象，特别是在循环注入和提取条件下。这些挑战因缺乏UHS的实际操作经验和历史数据而加剧，这与二氧化碳（CO₂）或天然气储存系统不同[12]。

在过去几年中，围绕UHS的科学兴趣显著增加。新兴的研究开始填补多个空间尺度上的关键知识空白。尽管这些努力很有前景，但它们仍然分散在不同的学科和方法论中。尽管进展迅速，UHS领域缺乏一个统一的综合研究，将地球化学、地质力学、流体流动、监测、经济学和系统级工程的研究成果结合起来。随着政策制定者、能源规划者和技术开发者寻求将氢能纳入国家和全球能源战略，迫切需要对UHS的最新进展进行全面的评估，以提供下一步实施的实用展望。我们的目标是通过提供基于洛斯阿拉莫斯国家实验室及其他地方进行的大量研究的跨学科视角来弥合这一差距。我们总结了实验室实验、分子模拟、岩心尺度评估和水库建模的结果，以全面理解氢能在地质介质中的储存问题。

本综述旨在为未来的研究和部署提供技术基础，既为科学研究也为实际应用提供信息。通过明确已知内容、未确定的内容以及为解决这些不确定性而出现的技术，这一综合研究有望指导UHS创新的下一阶段。我们的方法整合了不同岩石类型中的扩散测量、用于相对渗透率估计的高压岩心注入技术，以及从分子尺度到现场尺度的水库规模敏感性研究。综述围绕影响UHS可行性和决策的关键参数进行组织。

我们的发现结合了现有的正在进行的研究，有助于更全面地理解氢能在地下系统中的行为，包括流动动力学、储存风险、监测策略和操作最佳实践，使我们能够基于对各种实验、计算和建模方法的优点和局限性的批判性评估提出建议。我们希望这一关键综述能成为更广泛的科学和工程社区的宝贵资源，帮助安全高效地部署UHS系统，以满足全球能源需求。

部分摘录

水库和盖层特征

UHS的成功取决于储存水库和上覆盖层的物理和化学性质[21]、[22]。这些性质决定了氢气的储存量和可回收性，同时在确定泄漏风险、储存氢气的潜在污染以及注入/提取速率方面也起着关键作用。在本节中，我们重点讨论了UHS背景下的水库和盖层特征。氢气对地球化学和地质力学稳定性的影响将在

地质力学稳定性和地球化学相互作用

地下空间为UHS提供了储存能力，但氢气的行为受到地球化学、地质力学和微生物过程的控制，这些过程影响氢气的保留、纯度和系统完整性[[59]、[60]、[61]]。因此，大规模部署需要跨地球化学、微生物学和水库工程的深入理解，以指导选址、风险评估和安全的长期运行[21]、[22]。

UHS选址

UHS的可行性取决于对水库和盖层性质的综合评估，以及特定地点的地球化学和地质力学条件。这些参数共同决定了潜在储存地点的技术可行性和安全性。

将实验室实验与计算建模相结合，为UHS选址提供了有力的框架。实验通过直接评估

操作考虑和风险管理

如前一节所讨论的，选址不仅决定了可以安全储存多少气体，还决定了储存操作的方式。在多孔水库中，操作行为与渗透率、孔隙连通性和残余流体的存在密切相关。与洞穴储存相比，操作压力窗口通常较窄，最大操作压力由盖层的完整性或断层稳定性决定[138]。深度也会通过应力影响操作

UHS技术经济可行性

技术经济分析是评估UHS可行性的关键组成部分，因为它为评估特定地点的经济可行性提供了基础。在现有研究中，经济可行性的概念通常通过两个具体组成部分来量化：资本成本，代表使储存系统投入运行的首次投资；以及平准化成本，反映储存氢气的每公斤或单位能量的成本[[136]、[197]]。本节

比较视角：氢气（H₂）与二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）的地下储存

要理解氢能在地下环境中的行为，需要借鉴数十年来在其他气体（特别是二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）储存方面的经验。这些气体已在从气候缓解到能源供应平衡的各种应用中得到了广泛研究和实施，提供了宝贵的技术、操作和监管经验。然而，氢气的独特热物理性质（见表2中的比较）结合其高

结论性评论

成功地在地下储存氢气需要能够将大量氢气注入地下，安全地将其封存而不泄漏，并在需要时回收。我们的多尺度研究项目推进了对氢气与矿物相互作用、氢气传输性质以及水库规模可行性的基本理解，直接解决了评估UHS多个注入/提取周期期间储存完整性和性能所需的关键知识空白。

CRediT作者贡献声明

普拉卡什·普尔斯瓦尼（Prakash Purswani）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论研究、数据分析、概念化。比杰伊·K·C（Bijay K C）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论研究、数据分析、概念化。李贤硕（Hyeonseok Lee）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论研究、数据分析、概念化。杨云（Yun Yang）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论研究、数据分析、概念化。乌瓦伊拉·C（Uwaila C.）：

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报告的工作。

致谢

本文所述的研究得到了洛斯阿拉莫斯国家实验室的实验室指导研究与发展计划（Project Numbers 20230022DR、20240509MFR、20230411MFR和20240860PRD2）的支持，并被指定为Los Alamos Unlimited Release编号LA-UR-25-29990。这项工作得到了美国能源部的支持，由Triad National Security, LLC为