我國可再生能源與鹽穴氫儲能技術(shù)耦合發(fā)電的分析與展望

周 晗，李正宇，徐俊輝，陳留平，龔領(lǐng)會

（1中國科學院理化技術(shù)研究所，北京 100089；2中鹽金壇鹽化有限責任公司，江蘇省井礦鹽綜合利用工程技術(shù)研究中心，江蘇 常州 213200）

近年來隨著科技和工業(yè)等方面的快速發(fā)展，能源需求逐步增加，而煤炭、石油等化石能源的使用會帶來諸如環(huán)境污染、碳排放等問題。在此背景下，清潔能源的開發(fā)及利用成為能源發(fā)展的重點方向。2020年9月，國家主席習近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上宣布，中國力爭2030 年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和目標。發(fā)展風能、太陽能等可再生能源是我國實現(xiàn)節(jié)能減排、能源結(jié)構(gòu)低碳轉(zhuǎn)型和“雙碳”目標的重要方式。隨著可再生能源規(guī)模的不斷擴大，需要配備大規(guī)模、長周期的儲能系統(tǒng)對可再生能源進行消納，提高其利用效率。

1 概述

1.1 我國可再生能源發(fā)展

我國可再生能源發(fā)電的發(fā)展勢頭良好，根據(jù)國務院網(wǎng)站上公布的數(shù)據(jù)[1]，2021年我國可再生能源裝機突破10億千瓦，占全國發(fā)電總裝機的43.5%，相較2015 年底實現(xiàn)裝機規(guī)模翻倍，新增裝機1.34億千瓦，占全國新增發(fā)電裝機的76.1%。其中水電、風電裝機超過3億千瓦，海上風電規(guī)模居世界第一。根據(jù)我國貫徹落實的可持續(xù)發(fā)展的能源發(fā)展戰(zhàn)略，黃其勵等[2]指出，在2030年前后可再生能源在我國整體能源系統(tǒng)中將占有重要地位，成為主流能源之一；而在2050 年左右可再生能源則有望成為主導能源之一，可基本實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)根本性地改變。此外，我國“十四五”規(guī)劃也明確提出到2030 年非化石能源占一次能源消費達25%左右，風電和太陽能發(fā)電總裝機容量達到12 億千瓦以上等指標。

1.2 大規(guī)模儲能技術(shù)

可再生能源發(fā)電具有明顯的季節(jié)性、波動性的特點，江蘇省臨海風電資源豐富，海上風電裝機總量多年來位居全國第一，以江蘇省的風能發(fā)電為例(圖1)，可以看出風電具有明顯的季節(jié)性特點。

圖1 江蘇省風電季節(jié)發(fā)電量[3]Fig.1 Seasonal wind power generation in Jiangsu Province[3]

隨著未來我國可再生能源裝機總量的持續(xù)擴大、可再生能源消費占比的進一步提升，可以預見可再生能源發(fā)電的棄電總量將隨之增大，為提高可再生能源的利用率，需要配備大規(guī)模的儲能系統(tǒng)進行儲能調(diào)峰，保障一年四季的穩(wěn)定用電。氫能被譽為21 世紀最具發(fā)展前景的二次能源，其能量密度大、產(chǎn)物只有水是理想的儲能媒介。但由于氫氣長期被當作危化品進行管理，主要作為化工原材料使用，近年來，隨著技術(shù)的進步和能源環(huán)保需求的增長，氫氣的能源屬性逐漸得到重視[4-5]。

地下氫儲能(UHS)是大規(guī)模長周期儲能技術(shù)之一。有研究[6]指出未來風力發(fā)電的儲能至少在TWh級別，儲能周期可能長達數(shù)周甚至數(shù)月，而抽水儲能缺乏合適的地址且能量密度較低，壓縮空氣儲能能量密度低且難以增加，因此，這兩種方式都存在局限性，通過地下儲氫來儲能是目前技術(shù)潛力為100 GWh的能源存儲系統(tǒng)之一。而地下鹽穴儲氣庫由于其墊層氣量需求低、巖鹽的密封能力強、鹽的惰性可以防止儲存的氫污染，并且操作靈活，有著較高的注入速率和提取周期，被認為是目前最有前景的地下氫儲能選擇之一[7]。

2 鹽穴儲氫的研究現(xiàn)狀

2.1 國外鹽穴儲氫概況

鹽穴儲氣庫是建設在地下鹽層中的，通過注入淡水進行循環(huán)溶蝕，泵空鹽水后形成一定空間的洞穴，注入氣體成為儲氣庫[8]。地下鹽穴儲氫裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 大型鹽巖結(jié)構(gòu)中的鹽穴示意圖[9]Fig.2 Schematic diagram of salt caverns in a large salt-rock structure[9]

根據(jù)研究人員[10]調(diào)研，這一課題研究目前還處于初級階段，仍然缺乏儲存氫氣的實際經(jīng)驗，只有幾個工業(yè)裝置和極少數(shù)研究項目的結(jié)果?，F(xiàn)有可查的儲氫鹽穴的實例僅有3 個，分別位于英國和美國。存儲的氫主要供給化學工業(yè)及石油化工產(chǎn)業(yè)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 美國和英國現(xiàn)有儲氫鹽穴及參數(shù)[9-10]Table 1 Existing hydrogen-storage caverns and parameters in the United States and the United Kingdom[9-10]

近年來歐洲各國對地下氫儲能的研究較為重視，例如由歐洲的德國、法國、英國等七個國家的12 家單位發(fā)起的地下大型氫能源存儲項目“HyUnder”，該項目在歐洲范圍內(nèi)以地下鹽穴儲氫進行可再生電力長期存儲的潛力評估。該項目建立了一套評估方法研究氫能儲存經(jīng)濟性，主要涉及到車用氫、天然氣加氫、工業(yè)設備、發(fā)電，分析的對象分別是2025—2050 年的氫氣儲能市場，以及德國HYPOS 研究所近年啟動的新試點項目“H2research caverns”，用于研究德國中部地下儲氫的可能性，旨在建設一個鹽穴儲氫的研究平臺。

2.2 國內(nèi)鹽穴儲氫概況

國內(nèi)關(guān)于地下鹽穴儲氫的研究還處于起步階段。重慶大學與巖土所合作進行了相關(guān)研究[6]，該研究結(jié)合以風能為代表的可再生能源發(fā)電剩余電量大規(guī)模存儲，對我國江蘇金壇的層狀鹽巖進行研究，從地質(zhì)存儲性、穩(wěn)定性、巖洞致密性等方面對其作為UHS 潛在選址的可行性進行分析與評估，金壇鹽穴鹽層具有良好的密封性，能夠滿足建造UHS鹽穴的要求。

金壇鹽穴目前是我國西氣東輸主要的天然氣儲氣庫，擁有眾多的鹽穴儲氣庫群和多年的地下鹽穴天然氣存儲的營運經(jīng)驗，這也為地下鹽穴儲氫技術(shù)在我國的實施打下一定基礎(chǔ)。

3 可再生能源與鹽穴氫儲能技術(shù)耦合發(fā)電

可再生能源與地下氫儲能技術(shù)的耦合是加速實現(xiàn)我國“雙碳目標”，進一步擴大我國可再生能源發(fā)電裝機規(guī)模的有力支撐。鹽穴氫儲能技術(shù)儲能密度大、綠色無污染且理論上能實現(xiàn)全流程自循環(huán)，是一種面向未來的理想大規(guī)模儲能技術(shù)。其基本的技術(shù)路線圖如圖3所示，可基本劃分為以下幾個部分，即制氫單元、儲氫單元和氫能再利用單元。

圖3 可再生能源與鹽穴氫儲能技術(shù)耦合發(fā)電的技術(shù)路線圖Fig.3 Technology roadmap showing the coupled generation of renewable energy and the salt-cavern hydrogen-storage technology

制氫單元用于消納由于可再生能源發(fā)電的季節(jié)性、波動性的特點導致的過盈電量，在可再生能源旺季電解水制氫得到綠氫，實現(xiàn)對可再生能源的儲能調(diào)峰，再經(jīng)由氫壓縮機增壓后由地下鹽穴進行存儲。儲氫單元由地下鹽穴和氫氣壓縮機組成，由于鹽穴鹽層具有致密性與低滲透性的特點，鹽穴非常適合用于存儲氫氣這類滲透性強的氣體。鹽穴存儲的氫氣應用場景豐富，既可以作為二次能源使用，通過燃料電池再發(fā)電供給用戶；也可以作為原料，供給化工生產(chǎn)或是供給加氫站用于氫燃料電池車，亦或是注入天然氣管道中，提高燃氣的熱值。

此外，江蘇省具有豐富的可再生資源與大規(guī)模發(fā)展可再生能源的規(guī)劃，根據(jù)江蘇省“十四五”期間可再生能源發(fā)展目標，2025 年底江蘇省全省風電裝機達到2600 萬千瓦、光伏發(fā)電裝機達到2600萬千瓦，分別新增1100萬千瓦和900萬千瓦；并且江蘇省具有大量的鹽穴資源與多年鹽穴儲氣庫運營經(jīng)驗，位于江蘇省常州市金壇的鹽穴儲氣庫群，是我國“西氣東輸”重要的天然氣儲氣庫。同時，常州市的有效風能年時數(shù)能達到4000～5000 h，部分地區(qū)能達到5000～6000 h，且江蘇省大部分地區(qū)的年均日照數(shù)在1400～3000 h[6,11]。因此在江蘇省發(fā)展地下鹽穴氫儲能技術(shù)，可再生能源的發(fā)展趨勢與地下鹽穴儲氣庫在空間上重疊性較好，所以江蘇省是在我國落實該技術(shù)路線的理想地址。

4 發(fā)電度電成本分析

將該儲能再發(fā)電的技術(shù)路線簡單分為制氫、儲氫和氫能再發(fā)電三個模塊，對該儲能發(fā)電的技術(shù)路線的度電成本進行核算。

4.1 制氫成本分析

電解水制氫的主要生產(chǎn)設備是電解槽，按照所用電解質(zhì)的不同可分為堿性電解槽(AWE)、質(zhì)子交換膜電解槽(PEM)和固體氧化物電解槽(SOEC)。目前在國內(nèi)僅有堿性電解槽已經(jīng)工業(yè)化，質(zhì)子交換膜電解槽國內(nèi)僅有小規(guī)模使用，固體氧化物電解槽則仍未商業(yè)化還處在實驗室階段[11]。堿性電解槽工作溫度為70～90 ℃，以KOH或NaOH水溶液作為電解質(zhì)，電解效率為60%～75%，能耗在4.5～5.5 kWh/Nm3，具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、運行壽命長等優(yōu)點，是目前最成熟的電解水制氫技術(shù)[12-13]。

根據(jù)相關(guān)研究[12]對堿性電解槽電解水制氫成本的分析，以目前最大規(guī)模的1000 Nm3/h 的電解槽為例進行成本研究。單位體積氫氣的制氫成本按公式(1)計算。

其中，H2cost1為單位體積氫氣制氫成本，Pelc和Pw為電價和水價，Celc和Cw為制得單位體積氫氣的電耗和水耗，Pdep和POM為每年的設備、土建折舊成本及運維成本，V為電解槽年制氫體積。

根據(jù)其相關(guān)假設成本數(shù)據(jù)具體如表2中所示，電解槽年工作時間為2000 h，年制氫量為200萬Nm3，單位體積制氫電耗5 kWh、水耗0.002 t，可得單位體積制氫成本約為2.68元/Nm3(29.90 元/kg)。

表2 堿性電解槽制氫成本[12]Table 2 Cost of hydrogen production in the alkaline electrolytic cell[12]

4.2 儲氫壓縮成本分析

由于鹽穴建設在地下深處，將其作為儲氣庫使用則氣體必須增壓。假設鹽穴無需額外建造，氫氣的壓縮成本可以認為是由氫壓縮機成本、電耗及每年的人工運維成本組成，可由公式(2)進行計算。

其中H2cost2為氫氣壓縮成本，以處理能力為1000 Nm3/h的氫氣壓縮機為例，假設年工作小時數(shù)與電解槽相匹配為2000 h，功率為135 kW，具體假設及成本數(shù)據(jù)如表3所示。單位體積氫氣壓縮成本為0.33元/Nm3(3.67元/kg)。

表3 儲氫壓縮成本Table 3 Hydrogen storage compression costs

4.3 氫燃料電池再發(fā)電成本

2020年以來燃料電池堆的價格逐漸走低，2020年10 月國鴻氫能將電堆價格拉低至1999 元/kW[14]，可以以2000 元/kW 來估算電堆成本，目前市場上可查的國內(nèi)燃料電池電堆使用壽命較過去也有顯著提升，普遍可達10000 h[15]，則理想情況下每kW燃料電池全生命周期可發(fā)電10000 kWh，發(fā)電的度電成本可以估計為0.2元/kWh。

氫氣的能量密度大，最高可達約142 MJ/kg[16]，即理論上單位質(zhì)量氫氣能發(fā)電約40 kWh/kg。當前燃料電池是氫能最高效的利用方式，理論上可在100%的熱效率下運行，目前燃料電池的化學能效率普遍在40%～60%。按50%的效率進行計算，則單位質(zhì)量氫氣通過燃料電池電堆發(fā)電的發(fā)電量可達20 kWh/kg(約為1.8 kWh/Nm3)。由此，可對可再生能源地下鹽穴氫儲能再發(fā)電的發(fā)電成本進行核算，在電解槽年制氫量為200萬Nm3的情況下，度電成本如表4所示。

表4 地下鹽穴氫儲能再發(fā)電度電成本Table 4 Electricity costs(kWh)of hydrogen storage and regeneration in underground salt cavern

可以看出，當前電解水制氫結(jié)合地下氫儲能再發(fā)電這一技術(shù)路線的發(fā)電成本較高，約為1.88 元/kWh。分析成本構(gòu)成發(fā)現(xiàn)其中電費成本和設備成本占主要部分，分別占總成本的61.1%和25.6%，如圖4所示。

圖4 地下氫儲能再發(fā)電度電成本占比Fig.4 Ratio of the underground hydrogen storage to the kWh regeneration cost

對以下幾種成本變化情況下的度電成本進行分析，情況1：目前電解水制氫再發(fā)電成本；情況2：設備成本均降低至現(xiàn)在的一半；情況3：電價降至0.2 元/kWh；情況4：可再生能源發(fā)電的過盈電量制氫儲能(即電費為0的情況)；情況5：情況2+情況3；情況6：情況2+情況4；情況7：情況6+燃料電池效率提升至80%。結(jié)果如圖5所示。

圖5 地下氫儲能發(fā)電變成本分析Fig.5 Cost analysis of the underground hydrogen storage power generation

可以發(fā)現(xiàn)，采用可再生能源旺季的無法上網(wǎng)的過盈電量進行電解水制氫儲能，再發(fā)電的成本可降至0.64元/kWh，若隨著技術(shù)與生產(chǎn)水平的進步，技術(shù)路線中涉及到的各種設備成本降低至當前的一半，則這一技術(shù)的度電成本可進一步降低至0.49元/kWh，與當前電價接近、具有實際應用前景。若燃料電池效率進一步提升至60%，則度電成本將進一步降至0.43 元/kWh，該價格與當前電價基本相同，而綠氫發(fā)電綠色環(huán)保、清潔無污染的特點將使得該技術(shù)路線相較傳統(tǒng)化石能源發(fā)電變得具有競爭力。

5 地下鹽穴氫儲能可行性分析

鹽穴是氫氣這類滲透性強的氣體的理想儲氣庫，鹽巖礦床的主要成分為NaCl，一方面由于其滲透性極低，且鹽巖擁有良好的蠕變特性，可以自動修復裂隙，這便使得鹽穴能夠較好地阻止氫氣的滲透和泄露；另一方面，鹽巖在化學上對氫氣是中性的，二者不會發(fā)生化學反應，且缺乏生物活性[17-19]。鹽巖的這些優(yōu)良的性質(zhì)便為鹽穴氫儲能的穩(wěn)定性提供了保障。

在英國與美國，已有多年在地下鹽穴中大規(guī)模存儲氫氣的成功營運經(jīng)驗，這些鹽穴儲氣庫實例在客觀上證明了這一技術(shù)路線落實的可行性。在我國的江蘇金壇，擁有大規(guī)模的鹽層與鹽穴資源，且江蘇省可再生能源發(fā)展規(guī)模位居全國前列、海上風電裝機總量多年位居全國第一，具有針對可再生能源大規(guī)模調(diào)峰儲能的需求。另外，江蘇省的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭良好，氫能相關(guān)企業(yè)數(shù)量位居全國第二[20]，這就為我國落實大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電與地下氫儲能耦合的技術(shù)路線提供了可能性。

以10萬m3的鹽穴儲庫為例，假設氫氣的存儲壓力為8 MPa，則每年所存儲的氫氣量為800 萬Nm3，理論上可發(fā)電約14400 MWh，而江蘇省人均日用電量約為2.8 kWh/天，則該儲能系統(tǒng)可供給約57000名居民一季度的生活用電需求。此外，電解水制氫得到綠氫產(chǎn)品的同時也會生成相當比例的高純氧氣產(chǎn)品，例如在上述10萬m3鹽穴氫儲能系統(tǒng)中，相應地將產(chǎn)生400萬Nm3的高純氧氣，高純氧氣的收入可以進一步降低制氫儲能再發(fā)電的成本。

同時，江蘇省正在大力發(fā)展氫能汽車，省內(nèi)多地有加氫站建設項目，2021 年江蘇省規(guī)劃建設加氫站26 座，主要分布在蘇州、南京、無錫和南通等城市。氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)與地下鹽穴氫儲能技術(shù)的發(fā)展應當是相互促進的關(guān)系，氫能相關(guān)制造業(yè)的發(fā)展與技術(shù)的進步，能更好地支撐鹽穴氫儲能技術(shù)的實施，產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)進步將降低氫儲能再發(fā)電的成本；而鹽穴氫儲能技術(shù)的發(fā)展在客觀上也能帶動相關(guān)制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級與技術(shù)進步。鹽穴儲庫存儲的氫氣不僅可以用于調(diào)峰儲能發(fā)電，也可以作為燃料氣供給加氫站，這也能在一定程度上降低鹽穴氫儲能的成本，使得該技術(shù)應用面更廣、可行性更高。

6 結(jié)論與展望

大規(guī)模鹽穴氫儲能技術(shù)可以消納大量的可再生能源電力、調(diào)節(jié)電網(wǎng)負荷、降低可再生能源的上網(wǎng)壓力，同時可以極大地利用氫能的可儲可運的特性實現(xiàn)多能互補。通過可再生能源大規(guī)模制氫儲氫用氫和發(fā)電可極大地推動我國綠色能源發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，提高我國的能源安全。還可帶動先進制造業(yè)快速發(fā)展和技術(shù)進步(如高效水電解技術(shù)和裝備、高效燃料電池堆技術(shù)和裝備、氫能交通技術(shù)和裝備等)。

本文對這一技術(shù)路線進行成本分析發(fā)現(xiàn)，目前該技術(shù)發(fā)電的度電成本至少為1.88 元/kWh，暫時不具備實際應用價值，但隨著可再生能源裝機總量的進一步擴大，可用可再生能源發(fā)電旺季的過盈電量進行電解水制氫儲能，若相關(guān)的設備(如電解槽、氫壓縮機和燃料電池)的價格隨著技術(shù)水平的提升能進一步降低，在未來該技術(shù)成本有望降至0.5元/kWh以下，甚至達到0.4元/kWh左右，屆時該方式將具有實際應用價值。例如，目前已經(jīng)有相關(guān)企業(yè)能生產(chǎn)2000 Nm3/h 的單個電解槽，這將能進一步降低制氫成本；電解水制氫得到的高純氧氣產(chǎn)品、氫氣作為產(chǎn)品氣供給加氫站等方式也能將該技術(shù)路線的成本進一步降低。因此，通過本文的研究分析可以得出：

（1）單純地計算當前氫能儲能發(fā)電的經(jīng)濟性是一種短視和無大局觀的行為，應當以發(fā)展的眼光看待這一技術(shù)；

（2）隨著技術(shù)的進步和氫規(guī)模的增大，氫能成本和發(fā)電成本與化石能源發(fā)電相比將有很強的競爭力，還可帶動先進制造業(yè)快速發(fā)展和技術(shù)進步；

（3）我國發(fā)展鹽穴氫儲能技術(shù)是與國際發(fā)達的西方國家同步起跑和同臺競爭的，該技術(shù)可以提高我國在國際能源領(lǐng)域的競爭力和能源安全。

可再生能源與鹽穴氫儲能技術(shù)耦合發(fā)電這一技術(shù)路線，是實現(xiàn)可再生能源的高效利用及可持續(xù)發(fā)展和“雙碳”目標的理想途徑之一?？稍偕茉措娊馑频谩熬G氫”儲能再發(fā)電，該能源利用路徑清潔、綠色、無污染，是一種極為理想的能源利用體系。而以地下鹽穴氫儲能為支撐，可以匹配我國未來可再生能源的裝機規(guī)模的增長需求，保障以可再生能源為社會主要能源消費的能源體系的穩(wěn)定性。我國江蘇省擁有豐富的鹽穴資源，可再生能源資源豐富，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展位居全國前列，這讓可再生能源與地下氫儲能技術(shù)耦合發(fā)電這一技術(shù)路線在我國落地生根并發(fā)展壯大成為可能。

符號說明

Celc—— 單位體積氫氣制氫電耗，kWh/Nm3H2

Cw—— 單位體積氫氣制氫水耗，t/Nm3H2

H2cost1—— 單位體積氫氣制氫成本，元/Nm3H2

H2cost2—— 單位體積氫氣壓縮成本，元/Nm3H2

Pdep—— 電價，元/kWh

Pelc—— 每年設備及土建折舊成本，元/年

POM—— 每年運維成本，元/年

Pw—— 水價，元/t

V—— 電解槽年制氫體積，Nm3