大规模地下储氢用压缩机现状与发展趋势

地下储氢是实现氢能大规模存储的最具潜力的方式,氢气压缩机是氢气注采过程中的核心设备,其中离心压缩机与往复压缩机是较适应于地下大规模储氢的压缩机类型。本文从压缩机设计配置、流量压比、润滑与排气温度限制、安全与泄漏等多个角度比较了离心与往复压缩机的特点,梳理了这2种压缩机的研究及应用现状。分析了应用于地下储氢时离心与往复压缩机目前还存在的技术问题,这主要为往复圧式缩机难以实现大流量运行,而离心压缩机压缩氢气时不易实现高压比,因此均需做出优化与改进。本文面向氢能领域前沿发展方向,为我国进一步发展大规模地下储氢的地上设备提供建设性意见。

多孔介质地下储氢研究进展与面临的挑战

“双碳”目标的提出与电解水制氢技术的突破,使得具有比能大、可储和可再生优势的氢能成为关注的热点,但氢气的大规模储存是目前面临的最大难点。在综述地下储氢研究现状的基础上,讨论了多孔介质储氢中氢气封存效率和上覆盖层密封性的影响因素,分析了氢气自身物理性质、储层岩石矿物成分、地下储存环境等因素对氢气-咸水-岩石地球化学相互作用及氢气对盖层密封性的影响。结果表明:在原位应力条件下,偏高的温度、压力与有机酸的存在均有利于储氢盖层的密封性;氢气-咸水-岩石地球化学反应复杂,其中与碳酸盐矿物反应较为剧烈,对岩石孔隙结构和储层环境的影响较大,选择富含石英等硅酸盐矿物的储层或无碳酸盐的砂岩可以减小反应程度;对于地下储氢,含水层中生物化学反应发生概率极大,且对氢气消耗量较高,生成的矿物沉淀可能降低注采效率。

地下储氢技术现状及在中国加快发展的可行性

随着能源转型升级需求的日益迫切,氢能以其零污染、零碳排、无次生污染的优势,将成为中国能源体系的重要组成部分,也是中国石化新能源业务的主要主攻方向。目前,中国主要采用高压气态储氢、低温液态储氢和固态合金储氢等地面储氢方式,其储氢成本高,储氢效率低。与地面储氢相比,地下储氢以其规模大、成本低、更高的安全性,展现出更为广阔的发展潜力和应用前景。在国际上,混合储氢技术已在法国、德国等国家实现了一定规模的应用;纯氢气地下存储技术在美国取得较好的应用效果,但在中国这一领域的应用和研究近乎空白,尚处于起步阶段。针对氢气强流动性、高泄漏风险及强腐蚀性的特点,通过研究明确地下储氢面临的技术挑战,包括对圈闭密封性、地层条件、完井材料、地面工艺等方面。从枯竭油气藏资源、盐岩资源、储气库建设与运行管理技术等方面出发,分析中国开展地下储氢技术的可行性。中国西部和中东部拥有多个大型油气藏,枯竭油气藏资源丰富,具备开展地下混合氢储试验和氢储能的条件;盐岩分布广泛,用盐穴储存纯氢或氢储能切实可行;中国在气藏型储气库和盐穴型储气库建设与运行管理技术方面已积累了丰富经验和技术储备。综合分析认为中国具备了开展地下储氢的条件和技术。

地下储氢库发展现状及气藏型储氢库高效建库十大技术挑战

地下储氢技术利用地下构造空间实现氢气大规模高压气态储存,具有安全性高、成本低、规模大、周期长的优势,但中国地下储氢库研究起步较晚,尚无地下构造空间储氢实践,亟待形成完整的地下储氢库高效建库方案。为此,在总结国内外用于地下储氢构造空间的类型,回顾地下储氢技术发展历史与现状的基础上,系统梳理了气藏型储氢库高效建库亟待解决的十大技术挑战,研究结果表明:①气藏型地下储氢库的潜在库址与新能源发电资源具有高度的空间重合,便于绿电就地消纳,最适宜我国大规模发展;②气藏型地下储氢库高效建库需重点解决十大技术挑战,即完整性与选址地质评价、氢气与储层介质的反应机理、氢损耗及氢纯度对储氢效率的影响、垫层气类型与占比优选、注采渗流理论与库容设计、氢用特种管材及管道工程关键技术、建库及注采工程关键技术装备、运行期监测与动态分析、风险评估与应急处置方案、生命周期评估等。结论认为:①中国发展地下储氢库具有潜在枯竭/衰竭气藏库址众多的资源优势,复杂地质条件储气库创新实践的技术优势,氢能产业链上下游协同发展的产业优势和未来市场应用前景广阔的规模优势,具备实现工业化发展的条件和基础;②针对气藏型储氢库建库难题,需开展系统性技术攻关,构建地质综合选址评价体系,优化储库注采运行方案,研发氢用配套管材与设备,形成运营监测与风险管理系统,建立适应中国地质条件的综合建库理论技术体系。

盐穴地下储氢库稳定性研究

在当前碳达峰、碳中和的大背景下,为充分挖掘氢能对净零排放的重要贡献潜力,满足未来新能源战略储备需求,急需开展大规模氢气地下储存研究。文章以国内已建某盐穴储气库为背景,基于流―固耦合理论分析盐穴地下储氢库实际注采运行条件下的稳定性及密封性表现。结果表明:盐岩结构致密,孔隙度和渗透率极低,对大规模氢气地下存储十分有利。盐穴储氢库运行期间围岩整体呈向内收缩趋势,夹层处变形形状不规则。内压恒定7 MPa、12 MPa、17 MPa顶板下沉量为3.9 m、2.35 m、0.96 m。采气期间腔体体积收缩较快,运行30 a体积收缩率为16.38%。腔体中上部及顶部渗透率明显增大,运行30 a围岩最大渗透率增长约2倍。高频率注采会对盐岩造成损伤,导致渗透率明显增高,氢气具有沿腔体中上部裂隙流动趋势。研究结果为氢气地下存储技术可行性及安全性提供有益借鉴。

地下储氢技术研究综述

为了应对气候变化,需要加快能源转型,大幅度提高可再生能源在能源体系中占比。发展地下储氢技术是克服可再生能源波动性和间歇性的有效方法。回顾了地下储氢技术的研究现状,讨论了地下储氢技术特点,介绍了地下储氢主要地质构造及其工业应用,总结得出:地下储氢技术总体上仍然处在发展初级阶段;与地面储氢相比,地下储氢具有储能容量大、储存时间长、储能成本低、储存更安全等优势;不同储氢技术发展及应用程度不同;地下储氢具有技术和经济上的可行性,能否大规模应用关键取决于电解制氢成本能否降低的论断。

地下储氢研究进展及展望

随着氢气地位的进一步提高,大规模储氢逐渐得到重视.通过大量的调研文献对地下储氢库的特征、氢气与矿物的相互作用进行了阐述,并总结了粘土矿物和煤层对氢气的吸附特点.研究结果表明:(1)地下储氢库中,盐穴储氢是目前最好的方式;(2)温度、压力、硬脂酸浓度和有机酸碳数的变化会影响矿物的氢润湿性,从而影响盖层密封能力;(3)粘土矿物、煤层等可以吸附氢气,可为地下储氢新材料提供思路.基于以上研究和分析,指出了地下储氢目前存在的主要的难题,展望了地下储氢的未来发展前景,以期为地下储氢库的选址实施提供参考.并对地下多孔材料作为大规模储氢新材料的可行性做了简要概述,以期为寻求多样化、适宜化的储氢材料作出贡献.

地下咸水层储氢数值模拟技术发展现状

在全球倡导能源转型、节能减排的背景下,高效储存、利用“绿氢”已成为能源产业未来发展的重要趋势,地下咸水层储氢也随之成为一种极具潜力的新型大规模储能技术。调研总结咸水层储氢库发展现状,阐明数值模拟技术在氢气-咸水流体系统的研究及应用进展,总结热-渗-力-化多场(thermal-hydrodynamic-mechanical-chemical, THMC)耦合数值模拟方法的技术瓶颈。结果表明:地下咸水层储氢技术具有安全可控、高效灵活、储能容量大等优势,其成熟应用可同时实现经济、社会、生态效益“共赢”;数值模拟方法是研究地下储氢(underground hydrogen storage, UHS)的有效手段,但该方法仍处在发展初级阶段,数值模拟器和全局算法的优化有助于实现咸水层储氢库工程的设计;运用注采方案设计、人工智能等技术能为优化提供一定参考。

地下规模化储氢衬砌混凝土渗透性试验方法

地下规模化储氢一般是指利用地下盐穴、枯竭油气藏和含水层等地下自然封闭空间或地质构造储存高压氢气,但这类地下空间对岩层条件要求极高,在未来可能会限制氢能源储存位置的选址。人工地下结构是较为常见的工程结构,如确保其密封性,可将其用于地下规模化储氢。高性能混凝土凭借其极低的气体渗透性可用于人工地下规模化储氢的衬砌材料。但目前尚无专门用于这类材料的氢气渗透试验装置,本文通过分析对比现有混凝土的渗透性试验方法,提出用于高性能混凝土材料的氢气渗透试验方法。

地下储氢技术研究进展

在实现“双碳”战略与能源转型过程中,氢气经管道运输后大规模储存的调峰作用尤为重要,其中地下储氢技术被认为是大规模储氢的最可行方案。目前,中国尚无地下储氢工程。为了推动地下储氢技术发展,综述了地下储氢技术的研究进展及瓶颈问题,分析了地下储氢技术在地质、渗流、材料、注采方面的可行性。结果表明:盐穴中可能发生的地球化学反应、地下微生物反应较少,钢材腐蚀、产氢率降低等问题相对不严重,是较为理想的储氢结构;盐岩具有良好的氢气密封性能,而氢气在枯竭油气藏与含水层结构中的不稳定运移更剧烈,将会导致较为严重的氢气泄漏;金属、水泥及橡胶弹性体材料均有可能在地下储氢环境中发生劣化、渗漏导致材料失效,需针对具体储氢库环境选用合适材料以降低材料失效概率;采用较低的注氢速率、降低垫气分子量可提高氢气采收率。采取优化注采萃取速率与关井期、定期除杂以及使用生物杀菌剂等措施有助于提升氢气纯度。研究结果可为中国未来的地下储氢技术发展提供借鉴与参考。

枯竭油气藏地下储氢技术挑战及展望

H2作为清洁高效的能源载体和燃料,面临大规模存储需求。盐穴、枯竭油气藏及含水层3种地下储氢库兼顾安全性与经济性,是目前可行性最高的解决方案,其中枯竭油气藏地下储氢最具发展前景。通过对比H_(2)与CH_(4)、CO_(2)的物性差异,探讨了地下储氢的特殊性,重点梳理了枯竭油气藏地下储氢面临的技术挑战及应对策略:对于不稳定驱替与渗流扩散引起的气体泄漏,需控制注气速率,优化注采及垫层气布置方案,开展盖层突破压力、表界面特性及流动传质机理研究;对于耗氢的地球化学反应与微生物催化作用,选址应避免高含氢敏感性矿物、离子及微生物的地层,防止大量H2被消耗;对于圈闭与人工材料完整性失效问题,应基于地层宏观、微观的变形及破裂演化特征,评估地层损伤与气体泄漏风险,合理选材以加强人工设施抗腐蚀、抗氢脆性能。最后,指出了未来地下储氢技术研究的攻关方向,分别为多尺度多场耦合H2损耗机制研究、地下储氢场地尺度数值模拟研究、地下储氢气体运移及泄漏监测技术研究,以期为推动地下储氢工程实践提供参考。

稠油油藏SAGD开发后腔体储氢潜力数值模拟

氢气作为一种清洁能源有望替代化石燃料成为主要能源载体,地下储氢是实现氢气大容量长期存储的有效途径,是近年来新兴研究领域。为此,在目前盐穴、枯竭油气藏及含水层3种传统地下储氢地质体外,探索了一种新的储氢方法,即利用稠油油藏蒸汽辅助重力泄油(SAGD)后形成的腔体进行储氢。首先对比了稠油油藏SAGD开发后储层储氢与常规地层储氢的优缺点,进而采用数值模拟方法对其建立地下储氢库的可能性进行论证,最后明确了不同注采方案的氢气储量及回收率,揭示了储层注采氢气阶段氢气与地层原有气体的流动特征。研究结果表明:①相较于常规枯竭油气藏储氢库,利用稠油油藏SAGD开发后的枯竭腔储氢具有储气量大、氢—油过渡带导致的氢损更低、无需注入或仅需注入少量的垫气、可降低氢脆风险、可提前监测闭圈盖层稳定性及气体密封性等优点;②典型单井组SAGD开发后的枯竭腔可储存约490 t氢气,回收率约为90%,且随着注采周期增多,采出的氢气纯度越高,第4个采氢周期后氢气采出纯度高达99%;③氢气存储方式的差异会导致甲烷在枯竭腔中的聚集位置发生变化,长期存储方式在氢气注入结束后,甲烷主要聚集在枯竭腔的底部,而短期存储方式下甲烷只会被氢气挤压到枯竭腔顶部的左右两侧,导致产氢过程中甲烷的产出规律不同。结论认为,利用稠油油藏SAGD开发后的储层进行高纯氢气的储存在储氢量、氢气回采纯度和建库成本方面都具有显著优势,是一种解决大规模储氢的高经济效益储氢技术,该研究成果能够为中国地下储氢技术的选址和建设运行提供指导和参考。

大规模制氢与储氢技术现状及发展方向

“双碳”背景下,对风能、太阳能等可再生清洁能源的需求激增.可再生能源的波动性,是现阶段阻碍其有效利用的重要原因,将波动的可再生能源转化为氢进行存储是抵消这种波动性的有效途径.因此,分析大规模制氢及储氢方案的现状及挑战具有重要意义.阐述分析了化石燃料制氢、电解水制氢、生物质制氢及工业副产氢气四种制氢方式,以及气态储氢、液态储氢、固态储氢和地下储氢四种储氢方式,详细讨论了它们的原理、应用与面临的挑战.研究认为,从水和化石燃料中生产氢气并储存在地下是目前最好的大规模生产和储存方式,利用咸水层等地下储氢构造进行大规模储氢具有广阔的发展前景.

氢能地下储存技术进展和挑战

在"双碳"目标下绿色无污染、高能量密度的氢能已成为能源产业未来发展的重要趋势,地下储氢是一项很有前景的大规模氢能储存技术。通过综述地下储氢概念的提出和矿场实践研究现状,深入剖析了盐穴储氢、含水层储氢、枯竭油气藏储氢及废弃矿井储氢的储存模式及特征,从多角度对比分析了各自优缺点。天然气的地下储存可为储氢提供技术经验,但二者又存在明显区别。通过系统研究地下储氢的可行性,详细阐述了地下储氢在盖层密封性、井筒密封完整性及储层化学反应等方面存在的难点和挑战。基于以上研究和分析,指出了地下储氢发展存在的难题,展望了地下储氢的未来发展前景,提出了加强盖层地质力学完整性、井筒完整性研究以及加快储层岩石、流体与氢气的地球化学和微生物反应评估等对策建议,以期为中国氢能地下储存提供参考。