盐穴在储能技术中的应用

王洪浩 李江海 李维波

盐穴由于较为简易的造腔手段，较好的封闭性，对储存压力变化的较好适应能力，可作为压缩空气储能和压缩氢气储能工程的储气库，在储能技术领域将会受到重视。

近年来，新能源的规模应用，以及间歇性可再生能源的大规模入网、传统电力峰谷差值的增长，各种能源应用问题也随之出现，而储能技术的应用将为解决这些问题提供非常有效的途径。目前电力储能技术较多，按照技术分类，可分为机械储能、电磁储能和电化学储能等。压缩空气及压缩氢气储能属于机械储能的方式，由于单机储能规模大，成本较低，未来无疑将成为最具发展潜力的大规模储能方式之一。而盐穴由于较好的封闭性，较为简易的造腔手段，在作为储气室方面有着较大优势，在储能技术领域将会越来越受到重视。

盐岩与盐穴

严格地讲，盐岩指纯净的氯化钠晶体，但自然界盐岩很少由纯石盐组成。盐岩多指由蒸发岩（如石盐、石膏、硬石膏等）及泥岩等组成的混合物，其沉积地层在全球范围内有着广泛的分布。盐穴是指在地下盐层中通过钻井，利用水循环的方法，将盐层溶解，最终形成一个体积较大的空洞。

盐岩由于具有非常低的渗透特性与良好的蠕变行为，能够适应储存压力的变化；其力学性能较为稳定，能够保证储存洞库的密闭性；且盐岩溶解于水的特性使盐穴的施工更加容易、经济，盐穴成为存储不溶解盐的物质，如液态、气态烃以及相关产品，空气、氢气，甚至核废料等的良好场所。本文主要探讨盐穴在储能技术中的应用。

压缩空气储能技术中的盐穴应用

传统的压缩空气储能（compressed air energy stor-age，CAES）电站由压缩机、储气室、涡轮膨胀机、发电机一电动机单元等组成。其工作原理为：在用电低谷期，电动机与压缩机相连，通过消耗电网中的电或者可再生能源发出的电对空气进行压缩，并将压缩空气储存到地下储气室中，而涡轮机不工作；在用电高峰，压缩机不工作，地下储气室中的压缩空气被释放，并被输送到燃烧室对天然气进行燃烧，燃烧后生成的气体分为两个阶段（高压阶段和低压阶段）被输送到不同的气压涡轮机进行发电。产生的电随后进入到电网中，用来缓解用电的需求。除了能对用电峰谷进行调节外，由于传统的燃气轮机发电组的发电量的60%用来压缩空气，而压缩空气储能电站由于发电时期节省了这一部分压缩所需的功，从而使输出功率约为传统燃机电站的3倍。

储气库作为压缩空气储能电站的重要部分，对于容量大的压缩空气储能系统，储气库通常选择建于地下的盐矿、硬石岩洞或者多孔岩洞中，对于微小型压缩空气储能系统，可采用地上高压储气容器作为储气库。盐岩能够很好适应储存压力的变化，且盐穴简易的造腔手段，使得地下盐穴在作为压缩空气储能系统的地下储气库方面具有较大的优势，不仅能够保证储气的安全性，还能极大地减小建库的成本。

目前，世界上已有两座大型压缩空气储能电站投入商业运行，分别为1978年投入商业运行的德国亨托夫（Huntorf）电站和1991年投入商业运行的美国亚拉巴马州的麦金托什（Mclntosh）电站。二者均选择盐穴作为地下储气库，其容积分别达到310000和560000米，，每天的漏气量仅为总储气量的l0^-6-10^-5，其储气洞的投资成本约为1-2美元/千瓦时（储气所能产生的能量）。如采用新开掘的硬石岩洞，其投资成本较高，约30美元/千瓦时，而如果通过改造已存在的岩洞，可以将投资成本控制在约10美元/千瓦时，但是在储气的过程中，岩洞以及水泥输气管路存在漏气问题。

德国亨托夫电站将压缩空气存储在地下600米的盐穴中，压缩空气的压力最高可达10兆帕。机组的压缩机功率60兆瓦，释能输出功率为290兆瓦，可连续充气8小时，连续发电2小时，设备的利用率为86%。美国亚拉巴马州的麦金托夫电站，地下盐穴储库深度为450米，压缩空气储气压力为7.5兆帕。该储能电站压缩机组功率为50兆瓦，发电功率为110兆瓦，可以实现连续41小时空气压缩和26小时发电。该电站由亚拉巴马州电力公司的能源控制中心进行远距离自动控制，设备的利用率高达95%。

除此之外，美国俄亥俄州从2001年起开始建设一座2700兆瓦的大型压缩空气储能商业电站，该电站由9台300兆瓦机组组成。该电站也是选取盐穴作为地下储气库，盐穴的深度为670米，容积为9.57x10⁶米³。美国艾奥瓦州压缩空气储能电站也正在规划建设中，该电站选取地下多孔岩洞作为储气库。日本于2001年投入运行的上砂川盯压缩空气储能示范项目（未商业运营）位于北海道空知郡，该电站采用废弃的煤矿坑（约在地下450米处）作为储气洞穴，最大压力为8兆帕。瑞士ABB公司正在开发联合循环压缩空气储能发电系统，该系统地下储气库为硬石岩洞，空气压力为3.3兆帕。这些储能电站未能选取盐穴作为地下储气库，很大程度上与盐岩沉积地层的分布及厚度有关。

目前除德国、美国、日本、瑞士外，俄罗斯、法国、意大利、卢森堡、南非、以色列和韩国等也在积极开发压缩空气储能电站。我国对压缩空气储能系统的研究开发起步比较晚，但近年来随着电力储能需求的快速增加，压缩空气储能电站的建设刻不容缓。我国广泛发育于不同时代的盐岩地层，塔里木盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地、江汉盆地和渤海湾盆地等均可见不同时代的盐岩地层分布，在利用盐穴建设压缩空气储能电站上有着较大优势。2014年12月，我国首台兆瓦级压缩空气储能项目——贵州毕节1.5兆瓦压缩空气储能系统已经正式启动建设。

压缩氢气储能技术中的盐穴应用

氢是自然界中含量最多的元素，且氢能利用形式多种多样，如交通运输、供暖、发电等方面，因此氢能将是21世纪全球经济发展的基石。压缩氢气储能（compressed hydrogen energy storage，CHES）技术是在压缩空气储能技术上发展而来。与压缩空气储能技术类似，压缩氢气储能技术在电力的生产、运输和消费等领域也具有广泛的应用价值，如削峰填谷、平衡电力负荷和作为备用电源等。其基本原理是在用电低谷时，将电网中过剩的电力输送到电解槽中对水进行电解，产生氢气和氧气。之后通过压缩机对电解产生的氢气进行压缩，并储存在地下储气库中。而在用电高峰期，地下储气库中的压缩氢气被释放出来进行发电，其中小部分电力通过压缩氢气推动涡轮机进行的发电，大部分电力由氢气在质子交换隔膜（PEM）燃料室中进行燃烧发电。产生的电力被输送到电网中用来缓解用电需求。

相比于压缩空气储能技术，压缩氢气储能技术的缺点在于相对较低的循环效率和较高的成本，但其突出的优点使得压缩氢气储能技术在未来有着广阔的前景。首先，在储气库规模相同的情况下，压缩氢气储能技术能够储存更多的电力，因此更能满足未来较大的储能需求。此外，压缩氢气储能技术产生的氢气可以用作清洁的交通燃料，而电解产生的副产品氧气，也可用于多种用途，如助燃气、医用等。

与压缩空气储能技术类似，压缩氢气储能技术储气库的选择也需要考虑安全性和经济性等众多因素。传统的氢气地下存储共有四种方法，可以存储在地下盐穴、地下含水层、废弃的石油或天然气储层、坚硬的岩穴中。相比于其他地下储氢方式，盐穴更能适应储存压力的变化，在储气库规模一定的条件下，能够保证氢气被高效压缩。

此外，相比于空气，氢气具有更强的流动性和泄漏风险。氢气较低的分子量使其具有更容易向上快速扩散的特性，当氢气的流通形成一定的通道后，氢气比空气更容易形成气体指进。在注入和采出速度较快的情况下，气体的指进现象愈加明显，因此氢气的地下存储和采出要充分考虑氢气的易扩散性对速度的限制。在气体快速注入时，气体的黏性力作用超过了重力引发的垂向力作用，从而主导气体形成向上的运移状态，这使得气体穿越盖层渗透至地面的可能性大大提高。盐穴气密性很高，可以以较高的注入和采出速度实现氢气的有效存储；由于盐穴埋藏深、上覆岩层结构致密、地层压力大，极其有利于流动性好、大规模压缩的氢气的地下存储。

目前，全球共有四座氢气地下储气库（三座位于美国）均选择地下盐穴作为氢气储气库，但尚未有压缩氢气储能电站运营的报道。美国国家能源部可再生能源实验室（NREL）和艾塞尔（Xcel）能源公司的在科罗拉多州的风能一氢气示范项目论证了压缩氢气储能的可行性，预计在未来将成为储能技术中重要的一种方式。我国氢气地下存储研究相对较少，尚无地下储氢实践，但我国含盐地层丰富，应参考国内外实践经验进行压缩氢气储能技术的探索。

综上所述，压缩空气储能技术和压缩氢气储能技术在电力的生产、运输和消费等领域具有广泛的用途，是目前大规模储能技术的研发热点，在未来有着广阔的应用前景。盐穴由于较为简易的造腔手段，较好的封闭性，对储存压力变化的较好适应能力，在作为储气室方面有着较大优势，在储能技术领域将会越来越受到重视。