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盐穴在储能技术中的应用

时间:2022-05-26 13:35:05 浏览次数:

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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9.57x1063。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。

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