“容和一号”带给油气田“双碳”发展的思考

付亚荣 宋贾利 钱洪霞 赵玉政 唐敬 赵海英 刘若兮 彭菁菁 赵立忠 王嫱

（中国石油华北油田公司）

1 概述

“容和一号”是国家电力投资集团公司研发的具有自主知识产权的铁-铬液流电池堆[1]。自1974年Thaller[2]率先提出氧化还原电化学储能电池的概念后，液流电池应运而生，世界各国投入了大量的人力物力研究全钒液流电池、铁-铬液流电池、锌-溴液流电池、锌-铁液流电池[3]。2019年11月5日国家电投中央研究院自主研发的全球首个最大功率31.25 k W的铁-铬液流电池电堆成功下线并通过了检漏测试；2020年在张家口战石沟建成全球最大规模250 k W/1.5 MWh储能示范项目[4]，稳定运行400余天，完成200余次充放电循环，经受了张家口地区-40℃的极寒考验。2021年10月24日，中共中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，确立了我国碳达峰、碳中和的“1+N”政策框架；2021年10月26日，国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》指出，在未来10年内碳达峰将贯穿经济社会发展的各个方面，并重点要求做好“碳达峰十大行动”[5]。太阳能、风能、氢能、地热能、物质能等清洁能源对“碳达峰碳中和”至关重要[6]，要求新能源与性能优异、价格廉价、运行寿命长的储能设备相配套，满足电网消纳调峰。近年来，中国石油以“双碳”为目标，坚持“在保护中开发、在开发中保护、环保优先”的原则，按“清洁替代、战略接替、绿色转型”总体部署发展新能源[7-8]。笔者根据铁-铬液流储能电池的技术特点和工作原理，结合油气田现场按“双碳”要求组织生产的实际，阐述了铁-铬液流储能电池将在油气田天然气发电、地热利用、太阳能利用、边零井站、新区试采等方面发挥重要的作用。

2 铁-铬液流储能电池

铁-铬液流储能电池由点电池单元、正负极电解液、电解液存储单元以及管理控制单元等部分构成，见图1，其中铁-铬液流电池储能单元的电解质溶液为盐酸盐的水溶液。

图1 铁-铬液流电池基本原理图

铁-铬液流储能电池具有大于10 000次的循环寿命、常温常压无爆炸风险、相对较低的电解质溶液毒性和腐蚀性、-20～70℃启动、无自放电现象、额定功率和额定容量独立易扩容、模块化设计、电解质溶液可循环利用、电解质溶液原材料资源丰富且成本低等技术优势[9]，铁-铬液流电池与其他电化学电池技术对比见表1、铁-铬液流电池与其他电化学电池关键原材料对比见表2。

表1 铁-铬液流电池与其他电化学电池技术对比

表2 铁-铬液流电池与其他电化学电池关键原材料对比

据测算，每投运1GW、储能时长6 h的铁-铬液流储能电池系统，年可增加优质风电和光伏发电上网电量1 980 GWh，直接减少碳排放量约196×104t，减少粉尘排放约54×104t，相当于替代标准燃煤约75×104t。新能源配储能政策，每新建1 GW储能系统可以支持5 GW新能源新建并网，按年利用小时数1 500 h计，间接减少二氧化碳排放量748×104t，减少粉尘排放204×104t，节约标煤286×104t，为我国新型电力系统建设和“3060”目标实现注入科技强劲动力。

3 油气田“双碳”发展的思考

油气田开发“双碳”发展的核心就是推动能源转型，其实质就是推进清洁能能源的供应和使用[10]。油气田开发涉及的钻井、试油、修井、采油、注水、集输等消耗的电力占成本比重很大，且大部分使用国家电网的“灰电”，少部分是油田企业天然气发电自备电网的“灰电”。事实上，油田可以利用自备电网消纳分布式光伏发电、风电、地热发电[11]或利用铁-铬液流储能电池系统储存电能；也可以凭借“错峰填谷”策略[12]，谷期利用铁-铬液流储能电池系统储存电能，峰期释放电能，提高“绿电”应用比例。

3.1 油田伴生天然气发电

原油开采过程中有部分伴生天然气产出，油田根据伴生天然气量利用天然气压缩机、定压放气阀、自控式回收装置和加药收气一体化装置等方式将其回收，回收的天然气少部分作为联合站加热炉燃料，大部分用于天然气发电，然而受油田用电负载的影响，油田自备电网又不满足与网电消纳并网将剩余电量输出的条件，往往只有采取将多余天然气用火炬系统放空燃烧，浪费了天然气资源。

油田管理和技术人员在进行工艺设计时，是否可以考虑将多余电量用铁-铬液流储能电池系统储存起来，用于油田其它用电设备。

3.2 分布式光伏发电、风电

我国东北、西北、华北的油气田企业风能、光能资源丰富，有条件的油田依据现有井场和站场土地资源、电网分布、电网消纳能力、用电负荷分布等情况，建设了分布式光伏系统，替代或部分替代了网电，贡献了“双碳”目标。华北油田部分单井拉油点利用太阳能集热辅助电加热加温的光电一体化装置替代化石燃料加热炉，实现了储油罐原油和油井集油管线伴热运行；2018年吉林油田投运了年发电量约为2 400×104kWh的15 MW光伏发电设备，相比网电节约电价0.39元/kWh，年节约7 416 t标准煤当量，年减少二氧化碳排放量约19 281 t、二氧化硫排放量约178 t、氮氧化物排放量约52 t。实质上，油田企业也可以用铁-铬液流储能电池系统储存无法并网消纳的光电和风电，补偿在钻井、修井施工用电。

3.3 地热发电

地热（干热岩）国际社会公认的高效低碳清洁能源地热资源，其勘探开发和利用已正式列入中国能源企业的经营范围。在对118个节点集风力发电、光伏发电、火力发电、地热发电等新型电力系统进行分析表明，当20%的火力发电机组被地热发电替代后，系统30年的总经济成本约降低14%。目前大庆、辽河、华北、冀东、江汉、大港、胜利、中原等油田已将废弃井改造成地热井为油田生产或民用采暖提供热源。例如华北油田利用地热资源相继完成了油田原油集输伴热、民用供暖、地热发电、地热能农业利用等综合开发利用实践。按照国家发展改革委和国家能源局2019年发布的《关于建立健全可再生能源电力消纳保障机制的通知》精神，清洁电力消纳责任指标，也将向油气田企业自备电网传递，这给油气田地热发电带来了发展机遇。同样地，油气田地热发电也可以用铁-铬液流储能电池系统进行储存，用于油田自备电网消纳调峰、钻井、压裂、酸化、地面工程建设、边零井站等，也可以用于支援偏远山区电力扶贫。

3.4 边零井站与新区试采

油田边零井站与新区试采站点，基本上没有被电网和油田自备电网所覆盖，生产用电依靠柴油发电机现场供电，柴油发电机供电具有高运行成本、大运行维护工作量、高噪音污染、高大气环境污染等特点，同时，还需要专人管理和存在廉洁风险。“容和一号”能为北京冬奥会提供清洁电能，油田企业也可以利用“容和一号”储存网电峰谷电能、风电电能、光电电能、地热电能，应用于边零井站与新区试采，照亮油气田“双碳”前景。

3.5 老油田二次开发

老油田二次开发之重构井网时，根据地质情况，充分利用废弃油水井进行地热开发利用；重组地面流程时，充分考虑碳交易机制，采取新能源替代构思，地热电、风电、光伏电和铁-铬液流储能电池系统进行整体设计，各种形式电能互联互通和智能控制及就地消纳，实现能源集成优化供需调节及替代作用。

4 结论

1）由铁-铬液流电池堆构成的“容和一号”在第24届北京冬奥会稳定存储并提供了超过5×104k Wh清洁电能，为油气田“双碳”发展提供了新的思路和方法。

2）油气田开发过程中，油田伴生天然气发电、分布式光伏发电和风电、地热发电、边零井站与新区试采、老油田二次开发等均可以采取各种形式电能互联互通和智能控制及就地消纳，实现能源集成优化供需调节及替代作用。